(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層と、透明電極層を介して、発光層に接する層と、上記発光層の、上記発光層に接する層と反対側に形成された反射機能を有する電極とを含み、上記発光層に接する層の、上記発光層と反対側の面から光を出射する１または２以上の自発光素子を１画素とする２次元表示装置において、
上記自発光素子が、
（イ）上記発光層の屈折率が、１．５程度で、上記透明電極層の屈折率より小さく、上記発光層に接する層の屈折率が、上記発光層の屈折率と同じか又は上記発光層の屈折率より大きく、
（ロ）上記発光層に接する層は、その側面が光を出射する方向に開いた形状を有し、その側面の断面形状が放物線形状の一部となり、上記発光層に接する層の出射側のサイズＬ１＝１００としたとき、放物面焦点距離＝８．２、上記発光層のサイズＬ２＝３７、上記発光層に接する層の厚さｄ＝６６であり、
（ハ）上記側面の少なくとも１部は、上記発光層からの光を全反射する形状を有することを特徴とする２次元表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自発光素子を用いる２次元表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という。）を並べた平面ディスプレイ、液晶ディスプレイのバックライト、プロジェクションの光源等が試みられているが、ＬＥＤの発光効率が十分でないこと、大きな面積を均一に発光することが困難であることが問題点として挙げられる。また、エレクトロルミネセント（以下、「ＥＬ」という。）ディスプレイにおいても発光効率が十分ではない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
発光効率は内部量子効率×外部取り出し効率で表せる。外部取り出し効率は主にＬＥＤ、ＥＬを構成している部品の屈折率の差で決まる。そこで、図２４に示すような、ＧａＮ−ＬＥＤでサファイア基板側から光を取り出す構造について具体的に説明する。発光層に接する層（ＧａＮ）２とサファイア基板６の屈折率はそれぞれ、２．４６、１．７６である。発光層１の発光角度分布は等方的である。つまり、立体角で４πの大きさである。サファイア基板６との界面で屈折率差で決まる臨界角を超える光線は発光層に接する層（ＧａＮ）２に閉じ込められる。ここで、臨界角は４６°となり、この範囲の立体角は２π×０．３となる。裏面のｐ電極３の表面で１００％反射した場合でも３０％の光しかサファイア基板６に入らない。
【０００４】
同様にサファイア基板６から、図２５に示すようなボールレンズ８（屈折率１．５）に入射する界面でも臨界角５８°を超える光線は、図２４に示すように、裏面側に反射する。結局２０％の光線のみ前面に出射する。
【０００５】
サファイア基板側を裏面としてその裏面に反射膜を形成した構造でも同様である。すなわち、一般的なＧａＮ−ＬＥＤの構造は、図２６Ａに示すように、サファイア基板６が下にある構造である。発光層から発せられた光線の角度分布は４πの大きさであるが、サファイア基板６側に出射した光線の内サファイア基板６との屈折率差で決まる臨界角を超える光線はサファイア基板６との界面で全反射し、透明電極２５側に向かう。透明電極２５としてＩＴＯを使うと屈折率は一般的にサファイア基板６より大きく（１．８〜１．９）、サファイア基板６との界面で全反射した光線はＩＴＯの界面でも全反射し、外部には出てこない。サファイア基板６を通過した光線は裏面の反射板で反射し、透明電極２５側に向かう。
【０００６】
透明電極２５を通過した光線の内、透明電極２５の屈折率と、図２６Ｂに示すボールレンズ８の屈折率の比で決まる臨界角を超える光線は全反射する。結局、ボールレンズ８に入射できる光線の比率はＧａＮの屈折率とボールレンズ８の屈折率の比で決まる臨界角に依存する。全反射を繰り返し側面から漏れる光線を無視すればおよそ２０％程度になる。
なお、上述のことは、ＧａＮ以外の材料についても同様である。
【０００７】
さらに、ＥＬデバイス（有機、無機）についても外部取り出し効率が問題となる。有機ＥＬを構成する材料は屈折率が１．５程度のものが多いが外部取り出し効率は高々２５％程度である。
【０００８】
もうひとつの問題点は、全光束を増加するために発光面積を増加した場合、電極近傍に電流が集中することで有効発光面積を広くできないことが挙げられる。図２７にＬＥＤで投入電流を変えたときの発光強度分布例を示す。すなわち、図２７Ｂに示すように、ｎ電極７を通るａ−ａ線上で発光強度の変化をみると、図２７Ａに示すようになる。ｎ電極７から離れるに従い発光強度は小さくなる。この傾向は、投入電流が大きくなると、顕著であり、均一な発光強度分布を得ることが困難であることがわかる。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、発光効率を向上させることができる自発光素子を用いる２次元表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の２次元表示装置は、発光層と、透明電極層を介して、発光層に接する層と、上記発光層の、上記発光層に接する層と反対側に形成された反射機能を有する電極とを含み、上記発光層に接する層の、上記発光層と反対側の面から光を出射する１または２以上の自発光素子を１画素とする２次元表示装置において、上記自発光素子が、（イ）上記発光層の屈折率が、１．５程度で、上記透明電極層の屈折率より小さく、上記発光層に接する層の屈折率が、上記発光層の屈折率と同じか又は上記発光層の屈折率より大きく、（ロ）上記発光層に接する層は、その側面が光を出射する方向に開いた形状を有し、その側面の断面形状が放物線形状の一部となり、上記発光層に接する層の出射側のサイズＬ１＝１００としたとき、放物面焦点距離＝８．２、上記発光層のサイズＬ２＝３７、上記発光層に接する層の厚さｄ＝６６であり、（ハ）上記側面の少なくとも１部は、上記発光層からの光を全反射する形状を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の自発光素子を用いる２次元表示装置によれば、発光層に接する層の側面が光を出射する方向に開いた形状を有し、側面の少なくとも１部が、発光層からの光を全反射する形状を有するので、外部取り出し効率を向上させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
まず、自発光素子、たとえばＬＥＤ、ＥＬなどに係る発明の実施の形態について、図１〜４を参照しながら説明する。
【００１６】
自発光素子においては、全反射条件で内部に閉じ込められた光線は界面で反射を繰り返しながら基板と直交する方向に導光される。例えば裏面が電極、前面にサファイア基板が位置するＧａＮ−ＬＥＤ構造の場合、サファイア基板とＧａＮ界面で全反射し、対向する電極面で金属反射をしながら導光される。この時金属表面の反射は必ず吸収を伴うこと、および、発光層を交差するとき発光層での吸収も起こるので、反射の回数の増加に伴って光量は減衰する。その一部は端面から外部に出射するが基板と直交する方向であり、有効な光線とはなり得ない。
本発明は、この側面方向への無効発光を有効に利用する構造であり、具体的には側面が基板法線方向から傾斜した構造を特徴とする。
【００１７】
この傾斜角度を、基板と平行な光線に対し、界面が全反射条件となるように設定する。この臨界角をθ１とする。この条件を満たすことで概ね全ての発光に対して側面の全反射条件を満たすことができる。裏面に金属電極を位置することを前提にすれば、基板と平行な角度よりも下側の角度の光線については裏面電極で反射して側面の全反射条件を満たすことになる。ただし、裏面電極で反射しないで直接側面に達する光線については満たさない場合がある。よって、発光層の位置はできるだけ裏面電極に近いほうが望ましい。
【００１８】
つぎに、基板との界面での全反射条件を考える。傾斜した側面で仕切られた発光層の端部から基板側に出射した光線で対向する側面と基板との界面の境界点を結んだ線が基板への最大入射角となる。この臨界角をθ２とする。この角度が臨界角を超えないように設定する。
【００１９】
上記２つの条件を満たすことで、基板側に概ね全ての光線が出射する。この２つの条件を満たす形状について、図１を参照しながら、具体的に説明する。図１に示すように、この２つの条件を満たす形状は側面が放物面形状の一部となる。
図１に示す自発光素子においては、発光層１から発生した光を発光層に接する層（ＧａＮ）２を通して、サファイア基板６から出射している。
【００２０】
図１において、発光層１は、ｐ電極３およびｎ電極（図示していない）の間に電圧をかけることにより、光を発光させる層である。また、発光層に接する層（ＧａＮ）２は、ＧａＮからなり発光層１に接している。ＧａＮの屈折率とエアーの屈折率で決まる臨界角θ１は２４°、ＧａＮの屈折率とサファイア基板６の屈折率で決まる臨界角θ２は４６°である。この二つの条件を満たす放物面形状は例えば出射側のサイズＬ１を１００としたとき、放物面の焦点距離が、６．２、発光層のサイズＬ２が５５．６、ＧａＮの厚さｄが７０となる。
【００２１】
発光層に接する層（ＧａＮ）２の光の出射側には、サファイア基板６が接合されている。
ｐ電極３は、発光層１に対して、発光層に接する層（ＧａＮ）２の反対側に形成されている。また、ｐ電極３は、ｐ側ＧａＮ１９を介して、発光層１と接している。このｐ電極３は、金属からなり反射機能を有している。
【００２２】
なお、図１における、発光層に接する層（ＧａＮ）２、発光層１、およびｐ側ＧａＮ１９からなる構造を詳細に表すと、図２に示すような構造となっている。すなわち、図１における発光層に接する層（ＧａＮ）２および発光層１がそれぞれ、図２のｎ側ＧａＮ１７および発光層（ＧａＩｎＮ）２０に相当する。また、図１においては、発光層１とｐ電極３の間は、ｐ側ＧａＮ１９のみとしているが、実際には図２に示すように、ＡｌＧａＮ１８およびｐ側ＧａＮ１９の２層が存在しいる。ここで、発光層（ＧａＩｎＮ）２０およびＡｌＧａＮ１８は、光の波長に対して充分薄いので、ｐ電極３とサファイア基板６との間はＧａＮの屈折率で代表することができる。また、図１に示すように、図２のＡｌＧａＮ１８を省略できる。
【００２３】
上述したように、発光層に接する層（ＧａＮ）２は、その外部取り出し効率を向上させるため、図３Ａに示すような放物面形状が望ましい。ただし、発光層に接する層（ＧａＮ）２は、上述の放物面形状に限定されるわけではない。その変形例として、図３ＢおよびＣに示すような円錐および６角錐、図４Ａに示すような４角錐、並びに、図４ＢおよびＣに示すような分割形状が６角形、正方形でそれぞれの断面形状が放物線形状のもの等を挙げることができる。要するに、発光層に接する層（ＧａＮ）２は、その側面が光を出射する方向に開いた形状を有しているもの、すなわちその側面が出射面に対して裏面を凸とするように傾斜しているものであり、側面の少なくとも１部が発光層からの光を全反射する形状を有しているものであれば、外部取り出し効率を向上させることができる。
【００２４】
つぎに、照明装置に係る発明の実施の形態について、図５〜１３を参照しながら説明する。
上述した自発光素子の実用的な寸法は、発光層に接する層（ＧａＮ）２の厚さをどの程度厚くするかで決まる。発光層に接する層（ＧａＮ）２を例えば７μｍに設定した場合、チップサイズは１０μｍとなり、照明装置として絶対光量を得るには複数個配列する必要がある。それぞれの自発光素子の配列については、図５および６のようにさまざまな配列が考えられる。また、図７に示すような、断面形状が放物線または台形の１次元構造も考えられる。
【００２５】
照明装置として、実現した構造の例が図８および９である。図９に示す、各自発光素子のｐ電極３は、図８に示すサブマウント基板１３のｐ電極接合パッド１１と半田等で電気的に接続する。また、ｎ電極７は発光領域をできる限り小さくするため、側面に形成している。図９Ａに示すｎ電極取り出し部１４は、無効発光領域であり、上述サブマウント基板１３のｎ電極接合パッド１２と半田等で電気的に接続する。分割数は必要光量、駆動条件、プロセス上の制約からくる発光層に接する層（ＧａＮ）２の厚さ等で決まる。
【００２６】
図９に示すように、分割された各素子は並列に駆動することになる。ｎ側は分割された各素子が側面に形成された電極で直列に配線されることになる。分割された各素子に均一に電流を注入するためにはｎ側の配線抵抗を小さくするか、各素子に直列な抵抗を大きくする必要がある。各素子の直列抵抗を大きくすると駆動電圧が上昇すること、直列抵抗分効率が低下することが問題となる。ｎ側の配線抵抗を小さくすることがこの意味で望ましい。本構造は側面を利用することで、比較的厚い配線電極を形成することができる。それにより、配線抵抗を小さくでき、各分割された素子間でばらつきなく駆動することができる。
【００２７】
また、配線の方法は、図１０に示すように全発光領域を複数に分割し、それぞれを直列に接続する構造も採用することができる。すなわち、図１０Ｂに示すように、分割された一部の凸部（ＧａＮ）１６の裏面とそれと隣接する凸部（ＧａＮ）１６の側面が電気的に接続されている構造である。図９で述べた例と同じ材料をつかった場合、比較的電極膜厚が薄くても均一に駆動させることができる。ただし、直列の分割数倍駆動電圧は上昇する。
【００２８】
また、ｎ側の電極形成に関しては、結晶成長後サファイア基板を除去し、透明電極を平面的に形成することもできる。この場合、透明電極のみでは抵抗が高い可能性があるため、図１１に示すようなメッシュ電極２４、または図１２に示すようなストライプ電極２７からなるバス電極を形成することもできる。
【００２９】
本構造によりサファイア基板側に１００％に近い光線を出射させることができるが、エアー中に効率良く取り出すためにはサファイア基板をボールレンズ状に加工するか、基板と近い屈折率の材料でボールレンズを形成することが望ましい。ここで、ボールレンズとは、図１３に示すように、発光層に接する層（ＧａＮ）２とサファイア基板６の界面位置を中心とした球面形状のレンズのことである。また、サファイア基板６とボールレンズ８を接着する材料は屈折率が両者と近い材料が望ましい。この理由は、サファイア基板６とボールレンズ８の界面の反射を低減し、外部取り出し効率を高くするためである。
【００３０】
一般的に光学レンズに用いる材料および基板とレンズを接着する接着材料はサファイアの屈折率よりも小さなものが多い。ボールレンズの屈折率が１．５とした場合に総合的外部取り出し効率を改善するには発光層に接する層（ＧａＮ）２の形状を見直すことで可能となる。上述した基板とＧａＮとの全反射条件を決める上で基板の屈折率を１．５として設計する。その時臨界角は３８°となる。Ｌ１を１００とした場合、放物面の焦点距離は５．４、発光層サイズＬ２は４９、深さｄは８８となる。
【００３１】
もう一歩進めて、基板屈折率をエアーとすることでボールレンズがない状態でエアー中への取り出し効率を１００％に近くすることができる。この時臨界角は２４°、Ｌ１を１００とすると、放物面の焦点距離は４．１、発光層サイズＬ２は３７、深さｄは１３３となる。
【００３２】
以上のようにＬ１に対して、ｄを大きくすることでレンズ機能を付加することができ照明装置全体の簡素化が可能となる。一方、発光層の大きさは小さくなるため、同じ光量を得るためにはチップサイズを大きくする必要がある。よって、Ｌ１とｄの比率はＬＥＤ作成プロセス歩留まり、基板サイズとチップサイズの関係できまる取り個数、照明装置全体設計等の制約の中で決定される。
【００３３】
つぎに、自発光素子の製造方法に係る発明の実施の形態について、図１４〜１７を参照しながら説明する。
ここでのプロセス例は、反応性イオンエッチングを使う方法である。すなわち、サファイア基板上に通常のプレナー結晶成長を行い、その後ＳｉＯ2 等をマスクとして反応性イオンエッチングによりＧａＮ層を傾斜した側面構造に分割するものである。最終的な自発光素子の断面図は図１４に示すとおりである。
【００３４】
つぎに、反応性イオンエッチングを用いる、自発光素子の製造方法について、図１５〜１７を参照しながら説明する。
まず、図１５に示すように、工程１のＬＥＤ構造成長の工程においては、サファイア基板６上に通常のプレナー結晶成長を行い、サファイア基板６上に発光層（ＧａＩｎＮ）２０およびｎ側ＧａＮ１７（発光層に接する層）などを形成する。
【００３５】
工程２のＳｉＯ2 層形成の工程においては、ＬＥＤ構造を成長したウェハ上に厚さ２００μｍ程度の酸化シリコン膜（ＳｉＯ2 ）２９を真空蒸着、スパッタリング、プラズマＣＶＤなどの方法により形成する。
【００３６】
工程３のフォトレジストのパターン形成の工程においては、酸化シリコンを除去する部分が開口部となるようにフォトレジスト３０のパターンを形成する。
【００３７】
工程４のエッチングの工程においては、酸化シリコン膜に、開口部を形成する。これはウェットエッチングでもドライエッチングでもよい。ウェットエッチングの場合はＢｕｆｆｅｒｅｄ−ＨＦやＨＦなどを用いて酸化シリコンのみ除去する。
【００３８】
工程５のフォトレジスト除去の工程においては、酸化シリコンのエッチングマスクに使ったレジストを除去する。工程４でウェットエッチングを使った場合は適当な有機溶剤でレジストを除去する。また、工程４でドライエッチングを使った場合はレジストが変質しているので普通の有機溶剤では除去できない。そこで、酸素プラズマによりレジストをアッシング（灰化）処理してレジスト剥離液により完全に除去する。
【００３９】
図１６に示すように、工程６の反応性イオンエッチングの工程においては、開口部から、反応性イオンエッチングにより、発光層に接する層に凹部を形成する。すなわち、パターン転写された酸化シリコン膜をエッチングマスクとして、反応性イオンエッチングによりｎクラッド層を露出させる。エッチング条件は例えば、Ｃｌ（塩素）ガスを１２ｓｃｃｍ、Ａｒ（アルゴン）を２ｓｃｃｍの流量で、ガス圧力０．１２Ｐａ、ＲＦパワー１００Ｗで行う。このとき、酸化シリコン膜のエッチング速度はＬＥＤを構成しているＧａＮ系材料のエッチング速度より小さいが、酸化シリコン膜も同様にエッチングされ、酸化シリコン膜のパターンの側面が少し後退する。この性質によりエッチングが進むほど酸化シリコンのパターン幅が狭くなり、図１６の６に示したように、ＧａＮ系材料はテーパ状（台地状）にエッチングされる。すなわち、凹部は、底に行くほど狭くなっている。酸化シリコン膜が薄いほどエッチングによる後退が大きくなって、テーパ角を大きくすることができる。
【００４０】
工程７のフォトレジストのパターン形成の工程においては、台地状に残ったＬＥＤ構造の底面（エッチングにより露出したｎ側ＧａＮ１７）が開口するようにレジストパターンを形成する。
【００４１】
工程８のｎ電極形成の工程においては、真空蒸着などを用いてｎ電極を形成する。材料と膜厚は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ（Ｔｉが最初の層）＝１０／１００／１００／３００ｎｍを採用することができる。
【００４２】
工程９のフォトレジスト除去およびアロイ処理の工程においては、リフトオフ法を用いて、レジスト開口部に形成された電極のみを残し、それ以外の部分を除去する。この後、窒素雰囲気中で８００℃、１０分の熱処理を行う。これにより、ｎ側ＧａＮ１７も加熱されるので、この層に含まれる水素が除去され、ｐ側ＧａＮ１９の低抵抗化も行われる。
【００４３】
図１７に示すように、工程１０のフォトレジストのパターン形成の工程においては、ｐ側の電極形成のために、エッチングで残った台地状の上面が開口部となるように、フォトレジスト３０をパターニングする。
【００４４】
工程１１のエッチングの工程においては、このフォトレジストパターンをエッチングマスクとして、その下の酸化シリコン膜を除去する。エッチングの方法は工程４で説明したと同じ方法を用いることができる。
【００４５】
工程１２のｐ電極形成の工程においては、ｐ側電極を真空蒸着などで形成する。材料と膜厚は、例えばＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ（Ｎｉが最初）＝１０／１００／３００ｎｍを採用することができる。
【００４６】
工程１３のフォトレジスト除去の工程においては、アセトンなどの有機溶剤を用いて、ｐ側形成された電極３以外を除去する。フォトレジスト除去の方法は工程９で説明したと同じ方法を用いることができる。
【００４７】
つぎに、２次元表示装置に係る発明の実施の形態について、図１８〜２０を参照しながら説明する。
本発明の自発光素子は、単なる光源としてではなく、１または２以上の自発光素子を、１画素とする２次元表示装置、すなわちマトリクスディスプレイへの応用もできる。つまり、個々の自発光素子もしくは複数の自発光素子が１画素を形成し、全体でＸＹマトリクスのディスプレイとして機能するものである。
【００４８】
図１８および１９は、各自発光素子のｐ側電極にＴＦＴスイッチを接続した例である。これにより、ＬＥＤをつかったマトリクスディスプレイ素子が実現する。すなわち、アクティブマトリクス駆動のために、個々の自発光素子もしくは複数の自発光素子の裏面側に１画素に対応したアクティブ素子が接続されている。
【００４９】
図１８において回路の動作を説明すると、まず、信号線３１に線順次走査に対応したデータ信号を供給する。つぎに、走査線３８に走査パルスを入力し、スイッチングＴＦＴ３６を開く。スイッチングＴＦＴ３６が開いている間、容量線３８の電位と信号線３１の電位の差の電位が蓄積容量３７に充電される。つぎに、スイッチングＴＦＴ３６が閉じ、つぎのフレーム周期での走査パルスが入力されるまで、蓄積容量３７はデータを保持する。蓄積容量３７に保持された電圧に対応した電流が電源ライン３２からＬＥＤ３４に供給され、つぎのフレームまで点灯する。
【００５０】
図１９に示すマトリックスディスクプレイの例においては、個々の凸部（ＧａＮ）１６の周囲（側面を含む）にコモン電極３３が形成されている。ここで、ゲート４０は、蓄積容量に接続しており、駆動ＴＦＴを所定の電流値で動作させるものである。また、ドレイン４１は、凸部（ＧａＮ）１６のＬＥＤと駆動ＴＦＴドレインを接続するものである。ソース４２は、駆動ＴＦＴソース側と電源ラインとを接続するものである。
【００５１】
また、図２０はＸＹ単純マトリクスディスプレイへの応用例である。図２０に示すように、単純マトリクス駆動のために、個々の凸部（ＧａＮ）１６もしくは複数の凸部（ＧａＮ）１６の裏面が行もしくは列電極に接続されでいる。また、上記の行もしくは列電極と直交する方向に列もしくは行電極が形成されている。凸部（ＧａＮ）１６の前面側に形成されているｎ電極７は、少なくとも一部が透明である必要がある。
【００５２】
以上の説明はＧａＮについて述べたがそれ以外の材料についても同様の形状にすることでＬＥＤ素子の発光効率を向上させることができる。例えば、ＡｌＧａＮＩｎＰの４元混晶の場合、屈折率は３．４程度と見積もられる。１．５のボールレンズに入射する最適形状を見積もると、臨界角２６°、Ｌ１を１００として放物面焦点距離３．６２、発光層サイズＬ２は４７、深さｄは１３５となる。ＧａＮではサファイア基板が透明であるが、この４元系混晶にはＧａＡｓを基板として使う。ＧａＡｓは不透明であるため結晶成長後除去する必要がある。この点を除けばプロセスは上述のＧａＮの場合と同様である。
【００５３】
つぎに、照明装置、および２次元表示装置に係る他の発明の実施の形態について、図２１〜２３を参照しながら説明する。
本発明はＬＥＤにとどまらない。ＥＬ（有機、無機）デバイスについても外部取り出し効率を向上させることができる。
【００５４】
例えば、図２１に示すように、基板４７上に、電極（反射層）４６、発光層４５、透明電極４４、および凸部４３を順次張り合わせた構造が考えられる。ここで、凸部４３は、透明電極４４を介して、発光層４５に接している。発光層４５の屈折率が１．５程度の場合、透明電極４４の材料より屈折率が小さい。発光層内で全反射するのは、接する材料の屈折率が発光層の材料の屈折率よりも小さい場合であり、ここではその問題は生じない。
【００５５】
なお、図２１に示すような凸部４３を発光層４５と直接かかわらない部分で構成している場合、凸部４３の材料の選択には屈折率が問題となる。この場合、発光層４５の屈折率よりも小さい材料で構成すると透明電極４４と凸部４３の界面で全反射条件を超える角度が存在することになる。そこで、凸部４３の材料の屈折率は、発光層４５の材料の屈折率と同じか大きいことが必要である。
【００５６】
エアーとの界面臨界角は４１．８°である。透明電極４４上に凸部４３がない場合では外部取り出し効率は高々２５％であるが、発光エリアと凸部４３が一対一の対応をしていて、凸部４３に比べて十分発光層が薄ければ１００％に近い取り出し効率が得られる。理想的な凸部４３の形状はＬ１を１００とした場合、放物面焦点距離８．２、発光層サイズＬ２は３７、深さｄは６６となる。
【００５７】
図２２は発光層４５の１画素と比べ凸部４３が小さく、１画素に複数の凸部４３が対応している構造である。この構造では、発光部と凸部４３の位置合わせが不要であることが利点である。
【００５８】
図２３に示すように発光角度、位置で凸部４３の効果は違う。凸部４３下で発光した光線は凸部４３内面で全反射し、外部に出射する。凸部４３下以外の発光は界面で全反射する光線と臨界角以下の光線の場合がある。臨界角以下の光線は屈折率の小さい材料（エアーの場合もある）に出射し、概ね全て凸４３部に入射する。つぎに、凸部４３内面で全反射し、外部に概ね出射する。臨界角より大きい角度の光線は裏面と屈折率の小さな材料との間で全反射を繰り返し、いずれは凸部４３に入射し、外部に取り出される。この構造では隣接画素に光漏れが生ずる場合があるので、隣接画素との間に反射層４８があることが望ましい。
【００５９】
以上のことから、本発明の実施の形態によれば、発光層に接する層の側面が光を出射する方向に開いた形状を有し、側面の少なくとも１部が、発光層からの光を全反射する形状を有するので、または、開口部から、反応性イオンエッチングにより、発光層に接する層に凹部を形成する工程とを含み、凹部が底に行くほど狭くなるので、または、照明装置が自発光素子を複数個配列するので、または、２次元表示装置が、１または２以上の自発光素子を、１画素とするので、外部取り出し効率を向上させることができ、発光強度の面的なむらの発生を抑制できる。したがって、発光効率を向上させることができ、大きな面積を均一に発光させることができる。
【００６０】
それによって、低消費電力で明るい光源、照明装置（直視型大画面ＸＹ表示装置、ＬＣＤバックライト、プロジェクター光源、各種照明装置）が可能となる。また、ＸＹマトリクス（パッシブ、アクティブ）駆動の２次元表示装置が可能である。
【００６１】
なお、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００６２】
【発明の効果】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
発光層に接する層の側面が光を出射する方向に開いた形状を有し、側面の少なくとも１部が、発光層からの光を全反射する形状を有するので、または、開口部から、反応性イオンエッチングにより、発光層に接する層に凹部を形成する工程とを含み、凹部が底に行くほど狭くなるので、または、２次元表示装置が、１または２以上の自発光素子を、１画素とするので、発光効率を向上させることができる。
また、照明装置が自発光素子を複数個配列するので、発光効率を向上させることができ、かつ大きな面積を均一に発光させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】自発光素子に係る発明の実施の形態を示す図である。
【図２】ＧａＮ−ＬＥＤの素子構造の例を示す図である。
【図３】自発光素子に係る凸部の例を示す図である（その１）。
【図４】自発光素子に係る凸部の例を示す図である（その２）。
【図５】自発光素子に係る凸部の配列の例を示す図である（その１）。
【図６】自発光素子に係る凸部の配列の例を示す図である（その２）。
【図７】自発光素子に係る凸部の配列の例を示す図である（その３）。
【図８】照明装置に係る発明に用いるサブマウント基板を示す図である。
【図９】照明装置に係る発明の実施の形態を示す図である。
【図１０】照明装置に係る他の発明の実施の形態を示す図である。
【図１１】照明装置に係る他の発明の実施の形態を示す図である。
【図１２】照明装置に係る他の発明の実施の形態を示す図である。
【図１３】自発光素子を配列したものにボールレンズを接着した例を示す図である。
【図１４】本発明に係る自発光素子の例を示す断面図である。
【図１５】自発光素子の製造工程の例を示す図である（その１）。
【図１６】自発光素子の製造工程の例を示す図である（その２）。
【図１７】自発光素子の製造工程の例を示す図である（その３）。
【図１８】２次元表示装置に係る発明の実施の形態を示す図である。
【図１９】２次元表示装置に係る発明の実施の形態を示す図である。
【図２０】２次元表示装置に係る発明の実施の形態を示す図である。
【図２１】照明装置または２次元表示装置に係る他の発明の実施の形態を示す図である。
【図２２】照明装置または２次元表示装置に係る他の発明の実施の形態を示す図である。
【図２３】照明装置または２次元表示装置に係る他の発明の実施の形態を示す図である。
【図２４】従来の自発光素子の例を示す図である。
【図２５】従来の自発光素子をボールレンズに接着した例を示す図である。
【図２６】従来の自発光素子の他の例を示す図である。
【図２７】従来の自発光素子における、投入電流を変えたときの発光強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１‥‥発光層、２‥‥発光層に接する層（ＧａＮ）、３‥‥ｐ電極、４‥‥自発光素子、５‥‥側面、６‥‥サファイア基板、７‥‥ｎ電極、８‥‥ボールレンズ、９‥‥ｐ側入力端子、１０‥‥ｎ側入力端子、１１‥‥ｐ電極接合パッド、１２‥‥ｎ電極接合パッド、１３‥‥サブマウント基板、１４‥‥ｎ電極取り出し部、１５‥‥ＬＥＤ基板、１６‥‥凸部（ＧａＮ）、１７‥‥ｎ側ＧａＮ、１８‥‥ＡｌＧａＮ、１９‥‥ｐ側ＧａＮ、２０‥‥発光層（ＧａＩｎＮ）、２１‥‥ｐ電極取り出し部、２２‥‥絶縁層、２３‥‥コンタクト電極、２４‥‥メッシュ電極、２５‥‥透明電極、２６‥‥ワイヤーボンディング、２７‥‥ストライブ電極、２８‥‥ＧａＮバッファ、２９‥‥ＳｉＯ2 、３０‥‥フォトレジスト、３１‥‥信号線、３２‥‥電源ライン、３３‥‥コモン電極、３４‥‥ＬＥＤ、３５‥‥駆動ＴＦＴ、３６‥‥スイッチングＴＦＴ、３７‥‥蓄積容量、３８‥‥容量線、３９‥‥走査線、４０‥‥ゲート、４１‥‥ドレイン、４２‥‥ソース、４３‥‥凸部、４４‥‥透明電極、４５‥‥発光層、４６‥‥電極（反射膜）、４７‥‥基板、４８‥‥反射層、４９‥‥電極、５０‥‥端子（反射板）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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