JP4642527B2 - 積層型３次元フォトニック結晶及び発光素子及び画像表示装置 - Google Patents

積層型３次元フォトニック結晶及び発光素子及び画像表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、フォトニック結晶を用いて多波長の光を選択的に発光可能な構造に関するものである。
従来、所定の波長の光を選択的に発するための構成としていくつかの方法が知られており、主に能動的な発光方法と受動的な発光方法に大別される。能動的な発光方法としては発光ダイオードやプラズマ発光等が挙げられ、使用する媒質により決まる特定の波長で発光する。また、蛍光物質に励起エネルギーを印加して所望の波長の光を得る方法も知られている。受動的な発光方法としては、白色光のように比較的広い波長域を持つ光に対して、特定の波長の光のみが透過可能な波長選択フィルターを用いる方法が知られている。
上記のいずれの方法においても各発光構造は所定の波長分布を持つ光を発するため、従来の発光構造を用いて例えば表示装置を構成する場合には、異なる波長の光を発する複数の発光構造をグループとして平面的に配列することで、全体として任意の色彩を表現している。したがって、例えばＲＧＢの各色を発する構造を画素として組み合わせて表示装置を構成する際には、それぞれを交互に配置する必要があるために表示可能な画像の分解能が実際の画素数の１／３になる。
特許文献１は、単一の発光素子から多波長のレーザー光を取り出す構造について開示している。より具体的には多層膜共振器構造を使用したいわゆる半導体レーザーを複数積層して多波長のレーザー光を取り出す構成が開示されている。
一方、発光素子としてフォトニック結晶を用いることが知られている。所定の波長領域の光がほとんど透過しないフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を利用することにより、フォトニック結晶内部に設けた周期欠陥部に光を閉じ込め、光エネルギーを集中させて高効率で発光させることができる（特許文献２）。光閉じ込め効果が高く、高効率な発光素子を実現するためには、すべての方向にＰＢＧを有する３次元フォトニック結晶を用いることが特に有効である。このような発光素子は、光通信や表示装置など多様な用途に応用することができ、その用途から広い動作波長帯域を持つ構造が求められている。例えば、表示装置を構成する場合には、光の三原色であるＲＧＢの波長に対応する光を発生する発光素子が求められる。
特開平６−２８３８１２号 ＵＳＰ５，７８４，４００ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５９，ｐｐ．２０５９，１９８９年
単一の発光素子から多波長の光を選択的に取り出すために、特許文献１のような多層膜共振器構造を有する半導体レーザを複数積層した構造を用いた場合、反射多層膜の反射率が特定波長の光に対して十分でないために各単位発光素子おいて高い発光効率が得られず、発熱量も大きくなりやすい。また、各単位発光素子の反射多層膜が他の単位発光素子の発する光に対しても一定の反射率を持つため、相互に発光を阻害し、発光効率が低くなると共に、発熱量が増大しやすい。この結果、例えば複数の波長域の光を発光可能な発光素子を集積して表示装置を形成する場合においては、発熱量の増大のために集積密度を十分に高めることが難しい。
また、従来技術の反射多層膜を用いた共振器構造においては、一次元的な薄膜構造をとるため共振器面内方向に対して閉じ込められる光のモードパターン制御が困難であった。
一方、フォトニック結晶を発光構造に用いる場合には、３次元フォトニック結晶により実現できる完全フォトニックバンドギャップの波長領域を制御することが難しい。例えば、インバースダイヤモンドオパール構造のフォトニック結晶（高屈折率材料の屈折率：２．３３、低屈折率材料の屈折率：１．００、ＰＢＧ中心波長：５５０ｎｍ）においては、完全フォトニックバンドギャップが約５０ｎｍ程度の帯域でしか得られず、ＲＧＢの波長に対応するすべての光を単一の３次元フォトニック結晶で制御することは難しい。
フォトニック結晶を構成する高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差が大きいほどＰＢＧが広くなることが知られているが、可視波長域において透明な材料は一般に屈折率が低いため、広いＰＢＧを得ることは難しい（材料：屈折率 ＴｉＯ２：２．３、Ｔａ２Ｏ５：２．１、ＣｅＯ２：２．０５、ＺｒＯ２：２．０３、ＧａＮ：２．４、ＬｉＮｂＯ３：２．２、ＬｉＴａＯ３：２．１、ＢａＴｉＯ３：２．３）。上記の材料は赤外波長域で一般的に使用される材料（材料：屈折率 Ｓｉ：３．４、ＧａＡｓ：３．６、Ｇｅ：４．０）と比較しても屈折率が低いため、特に使用波長領域が可視波長域の場合において広帯域動作を実現することが難しい。
本発明の積層型３次元フォトニック結晶は、互いに異なるフォトニックバンドギャップを有する複数の３次元フォトニック結晶を積層して構成される積層型３次元フォトニック結晶であって、前記複数の３次元フォトニック結晶はそれぞれの内部に周期欠陥で形成された共振器を有することを特徴とする。また本発明の発光素子は、積層型３次元フォトニック結晶とその活性媒質を励起する励起手段とを有することを特徴とする。また本発明の画像表示装置は、積層型３次元フォトニック結晶を平面的に配置して構成されることを特徴とする。
本発明によれば、単一の発光構造から広い波長領域にわたる複数の波長分布を有する光を発することが可能であって、高密度に集積することができ、さらに放射光の放射モードパターンについて制御可能な発光構造を提供できる。
図１は、複数の波長分布を有する光を発する発光構造の概略図である。複数の波長分布を有する光を発する発光構造は、互いに異なるフォトニックバンドギャップを有する複数の３次元フォトニック結晶を、光の放出方向に積層することで得られる。このような複数のフォトニック結晶間においては、上層に配置される構成が下層に配置される構成の発する光に対して透明であることが必要である。これにより各層から発せられた光は上層を透過して積層構造の最上面から射出され、複数の異なる波長分布を有する光が混合して放出される発光構造を構成することができる。
本発明を説明するにあたり、まずフォトニック結晶ついて説明する。フォトニック結晶は所定の屈折率周期分布を有する構造体であって、フォトニック結晶中では、その屈折率周期より長い波長の光の挙動を制御できることがＹａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈによって明らかにされている（非特許文献１）。
図２は、回折格子による回折の様子を示したものである。回折格子に入射した光は、回折格子の周期や、回折格子への入射角度や光の波長などによって決まる複数の方向（０次、１次、・・・）に回折される。この際に回折を生じる方向は異なる点で散乱された光の位相が相互に強めあう方向である。
図３は、フォトニック結晶表面における回折の様子を模式的に示したものである。フォトニック結晶は入射光の波長よりも短い屈折率周期構造を有するため、入射光の回折が生じる。特にフォトニック結晶においては、特定の波長を持つ入射光に対して、いずれの方向から結晶に入射した光であっても当該周期構造で回折された結果として生じる光が強めあう方向が全て反射側に分布するように当該周期構造が構成されている。特定の波長を有する光に対して、入射する光線の入射角度によらず回折方向が全て反射側に存在し、結晶表面を透過する回折光が存在しないようにすることで、フォトニック結晶はその波長の光に対しては反射ミラーとして機能し、他の波長に対しては透明性を有するという特徴を有する。
フォトニック結晶の特徴は、その構造によって決まる特定波長域の光がフォトニック結晶内に存在できない点にあり、通常の結晶物質が持つエネルギーバンドギャップとの比較から、フォトニック結晶内に存在できない波長域はフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）と呼ばれている。
また、あらゆる方向から入射した光に対してフォトニックバンドギャップを有することは、完全フォトニックバンドギャップを有すると表現される。図１９は従来知られた完全フォトニックバンドギャップが得られる３次元フォトニック結晶の例である。完全フォトニックバンドギャップが得られる３次元構造としては、低屈折率材質の内部に高屈折率材質をダイヤモンド型の結晶構造の原子位置に配置したダイヤモンド構造、低屈折率材質の内部に柱状の高屈折率材質を構成した格子層を所定の周期で積層したウッドパイル構造、その他にらせん構造、独自な３次元周期構造等がある。またダイヤモンド構造等の３次元構造において、高屈折率材質内部に低屈折率材質を配置したインバース構造（反転構造）では比較的広い完全フォトニックバンドギャップが得られる。
各３次元構造において、高屈折率材質と低屈折率材質の誘電率や構造の大きさ、周期等を適宜最適に選択することによりＰＢＧの中心波長や波長幅を選択することができる。
一方、フォトニック結晶内で一定の波長を持つ光の存在が抑制されるのは屈折率周期構造に起因するため、フォトニック結晶の一部について屈折率周期構造を乱した部分（周期欠陥部分）を設けることで、周期欠陥部分付近の実効的な屈折率が変化し、その部分には光が存在することが可能となり、その部分に光を閉じ込めることができる。
さらに周期欠陥部分の形状を適当にすることで特定波長の光のみを共振させることができ、周期欠陥部分の構造や大きさを設計することでフォトニック結晶内に任意波長で動作可能な光共振器構造を実現することができる。このような構造は周期欠陥共振器構造として知られている。
このような周期欠陥共振器構造（欠陥共振器構造）の特徴は、（１）微細周期構造および欠陥共振器構造を制御することで、ＰＢＧ内の任意波長の光を共振器内に閉じ込めることができること（２）ＰＢＧを利用した高効率反射特性によって高効率共振器を実現できることが挙げられる。このような欠陥共振器構造を利用することで特定波長の光を生成し、それを取り出すことによって、任意波長の光を高効率で発光可能な発光構造やそれを用いた発光素子が実現できる。
特許文献２には、このような完全フォトニックバンドギャップを構成するフォトニック結晶内部に欠陥共振器構造を設け、更に欠陥共振器構造内部に発光部を設け任意の励起手段によって発光させることで、レーザー発振ができることが開示されている。
図４は、特定波長の光を共振する欠陥共振器構造を有するフォトニック結晶における、フォトニックバンドギャップと欠陥共振器構造の共振波長との関係の一例である。図４に示す特性を有するフォトニック結晶の周期構造部分、及び欠陥共振器構造はそれぞれ表１、表２に示す構造を有する。
Figure 0004642527
Figure 0004642527
上記欠陥共振器構造は、欠陥部分として格子点に配置した空気球にＴｉＯ２（屈折率＝２．３３）を充填して構成される。
図４に示すように、フォトニック結晶は特定波長の光に対して反射ミラーとして機能し、その透過率１３をほぼ完全に無くすることができる。フォトニック結晶の透過率１３が実質的に無くなる波長域がフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）１２である。一方、欠陥共振器構造の共振波長は、フォトニック結晶で反射される必要があるから、図４に示すようにフォトニックバンドギャップ１２内にその波長が存在する。
上記の周期構造を持つフォトニック結晶は、図４に示すように５２５ｎｍ〜５７５ｎｍの波長帯にフォトニックバンドギャップを有してその波長域の光を反射する。また、上記の欠陥共振器構造では、当該フォトニックバンドギャップに含まれる５４０ｎｍ近辺の光が共振可能である。
欠陥共振器構造を有することで特定波長の光の共振を行うフォトニック結晶の構造及び材質は上記に限定されることはなく、フォトニックバンドギャップ内に共振波長を有する欠陥共振器構造を形成することができる構造及び材質を適宜選択することができる。
フォトニック結晶とその内部に形成した欠陥共振器構造によって、複数の波長の光が選択的に放出可能な発光構造を構成する場合、少なくとも下層の単位発光構造から放出された光に対して、その上層が透明なければならない。
図５は異なる欠陥共振器構造を有する２種類のフォトニック結晶についてのフォトニックバンドギャップと共振波長の関係を示している。図５に示す特性を有する第一及び第二のフォトニック結晶の屈折率周期構造及び欠陥共振器構造はそれぞれ表３、表４に示す構造を有する。
Figure 0004642527
Figure 0004642527
表４に示す欠陥共振器構造は、どちらのフォトニック結晶においても、欠陥部分として格子点に配置した低屈折率材質（空気球）に媒質（ｎ＝２．３３）を充填した構造である。
表３に示すように、フォトニック結晶の持つ周期構造の格子周期を変化させることで、図５のようにフォトニックバンドギャップ１２、１２ａの波長域を変更することができる。
このように、相互にフォトニックバンドギャップが重複しないフォトニック結晶を積層することにより、各フォトニック結晶から発する光を相互に遮ることなく複数の波長の光を選択的に発光可能な発光構造を形成することができる。また、表４に示すように欠陥共振器の実効的な直径を変えることにより、フォトニックバンドギャップ内において共振波長を変化させることができる。
フォトニック結晶内部の欠陥共振器構造により特定波長の光を共振させて生じる発光を利用する際には、共振した光の一部をフォトニック結晶外に取り出す必要がある。
図６は３次元フォトニック結晶の周期数と、フォトニックバンドギャップにおける反射率との関係を示している。横軸は結晶の１周期を１単位としている。３次元フォトニック結晶の厚さが数周期程度の場合には一定割合の光が透過するため、欠陥共振器構造を形成するフォトニック結晶の一部を一定割合の光が透過する程度に薄くすることで、欠陥共振器構造から光を取り出すことができる。
図７はフォトニック結晶中の欠陥共振器構造２３から光を取り出す他の構成である。欠陥共振器構造を形成するフォトニック結晶の一部の規則性を乱すことで導波路を形成し、この導波路を介して光を取り出すことができる。導波路構造の種類としては、取り出す波長を含む導波モードを有する線欠陥型導波路２４や点欠陥結合型導波路２５など様々な導波路構造をとることができる。
欠陥共振器構造が有する発光媒質を励起して発光させる励起手法としては、外部光源による光励起や電流注入による励起等がある。電流注入による励起の場合には、例えば、ＡｌやＣｒなどの金属材料やＩＴＯなどの透明導電性材料を電極として発光媒質を狭持し発光させることが可能である。また、複数の共振器構造に対して、独立して動作する電極を作製することによって、それぞれの波長の光を独立に制御することも可能である。
図８は、発光材料に無機発光材料を用いたときの発光構造の一例を示している。無機発光材料からなる発光層８０３の上下を絶縁層８０２、８０４で挟み、更にその両側に電極８０１、８０５を具備した構造とすることで発光材料によって決まる波長の光を発する発光部とすることができる。このような発光部を欠陥共振器構造内部に設けることで、欠陥共振器構造によって決まる波長の光を共振させて取り出すことができる。電極には、ＩＴＯやインジウムスズ酸化物などの透明材料を用いることが望ましいが、ＡｌやＣｒなどの金属を用いてもよい。また、無機発光材料の一例として、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＺｎＭｇＳ：Ｍｎ、ＺｎＳ：Ｓｍ、ＺｎＳ：Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｔｍ、ＣａＳ：Ｅｕ、ＳｒＳ：Ｃｅ、ＳｒＳ：Ｃｕ、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｃｅ、ＢａＡｌ２Ｓ４：Ｅｕ等を用いることができる。また、絶縁膜としてＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＳｒＴｉＯ３などが使用できる。無機発光材料、絶縁体はこれらに限定されること無く、電流の注入により発光する構造を形成できれば、この他の材料を用いることができる。また、無機発光材料を用いた発光構造は図８に示したもの以外であってもよい。
図９は、発光材料に有機発光材料を用いたときの発光構造の一例を示している。有機発光材料を含む発光層９０３を電子輸送層９０２とホール輸送層９０４で挟み、さらに電極９０１、９０５で挟み込んだ構造とすることで発光材料によって決まる波長の光を発する発光構造としている。この構造以外にも、電子注入層やホール注入層を備えた構造などがある。発光した光が透過する上部電極９０１には、ＩＴＯやインジウムスズ酸化物などの透明電極材料を用いることが望ましい。背面電極には、ＩＴＯやインジウムスズ酸化物のほか、不透明であるＡｌやＣｒなどの金属を用いることも可能である。
典型的な低分子有機発光材料としてＡｌｑ，Ｅｕ（ＤＢＭ）３（Ｐｈｅｎ），ＢｅＢｑ，ＤＰＶＢｉなど、典型的なホール輸送性低分子材料としてＴＰＤ，α−ＮＰＤ，ＴＰＴ，Ｓｐｉｒｏ−ＴＰＤ、典型的な電子輸送性低分子材料としてＰＢＤ，ＴＡＺ，ＯＸＤ，Ｂｐｈｅｎ、典型的な高分子有機発光材料として、発光層にポリスチレンスルホン酸やカンファースルホン酸などの酸でドーピングしたポリチオフェンやポリアニリンなどを用いた導電性ポリマーを用いてもよい。以上に挙げた材料以外にも様々な材料を用いることができる。
図８、図９に示した以外にも、化合物半導体材料、無機発光材料、有機発光材料、高分子発光材料、量子ドットやナノ結晶を含む発光媒質など用いて欠陥共振器構造内部に電流注入型の発光構造を設けることで、所望の波長を有する光を共振させて取り出すことができる。
図１０は、電流注入用の電極材料として特にＩＴＯ等の導電性透明電極材料を用いた場合の構成例を示している。電流注入用の電極材料としてＩＴＯ等を用いる場合には、フォトニック結晶中の欠陥共振器構造から光を取り出すための導波路と兼用する構造にすることで、単純な構成にすることができる。欠陥共振器１００１内部に挿入された発光材料１００４に対して、フォトニック結晶１００２を貫通する透明電極１００３により電流を注入し、発光を生じさせる。この際、透明電極１００３はフォトニック結晶１００２の周期性に対して線欠陥となり、また透明電極１００３自体が導波路になるため、欠陥共振器１００１で共振された光の一部が透明電極１００３を通じてフォトニック結晶外に導かれる。
また、外部光源による光励起を行う場合には、フォトニックバンドギャップ以外の波長を用いることで、フォトニック結晶内の発光媒質を効率よく励起して発光させることができる。
図１１は、外部光源により発光層の光励起を行う場合の一例である発光構造１１００を示している。フォトニック結晶１１０２の内部にＰＢＧに含まれる波長の蛍光を発する蛍光物質を内側に含んだ共振器構造１１０３を有している。また、フォトニック結晶１１０２の下部には共振器構造１１０３内の蛍光物質を励起して発光させるために、フォトニック結晶１１０２のＰＢＧより短波長の光を発する紫外線光源１１０４が設けられている。更に、フォトニック結晶１１０２の上部には、共振器構造１１０３から発せられた光を透過する一方で、紫外線光源１１０４から発せられた励起光のみを遮断する波長選択フィルター１１０１が設けられている。
図１１の構成において、外部に設けた制御回路により紫外線光源１１０４のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、発光構造の上部に共振器構造１１０３で共振された光の出力を制御することができる。このような構造にすることによって、フォトニック結晶１１０２内部に電流注入用の電極などを作り込むことが不要となり、より完全なＰＢＧをもつフォトニック結晶を用いた発光構造を構成することができる。複数のフォトニック結晶を有する発光構造から複数の波長を持つ光を任意に選択して発光するためには、各単位発光構造からの発光のＯＮ／ＯＦＦを自由に選択するためのスイッチング機構が必要である。
各フォトニック結晶からの発光をスイッチングする機構としては、発光媒質の発光自体をＯＮ／ＯＦＦする方法と、欠陥共振器構造（又は単位発光構造）からの光の取り出しをＯＮ／ＯＦＦする方法とがある。電流注入による励起を行う場合には比較的応答性良く発光のＯＮ／ＯＦＦが可能であるため、注入する電流によりスイッチングをすることが好ましいが、外部光源による光励起の場合には、発光媒体からの発光を継続的に行う一方で、欠陥共振器構造又はフォトニック結晶からの光の取り出しをスイッチングすることが好ましい。
次に３次元フォトニック結晶の作成方法を説明する。ダイヤモンドオパール構造のように格子点に配置される構造が球状である場合は、所定の材質で製作された部材を適宜三次元格子構造に積層して製作可能である。また、格子点に配置される部材の誘電率がそれらの周囲に配置される部材の誘電率と比較して高誘電率であり、特に格子点に配置される材質が低屈折率材料であるインバース構造の場合は、はじめにシリカ球やポリマー球にて３次元格子構造（面心立方構造やダイヤモンドオパール構造など）を作製した後、球と球との隙間に誘電体材料などの格子材料を充填し、最後にシリカ球やポリマー球を取り除く方法が知られている。格子材料の充填方法としては、ゾルゲル法、ナノ粒子充填法などがある。また、シリカ球やポリマー球を取り除く方法としては、溶剤による溶解、焼成による除去などがある。
一方、ウッドパイル構造などについては、リソグラフィ、成膜、エッチングを含む通常の半導体プロセスを応用することによりその各層を製造することが可能である。また、層数の多い結晶を製作する場合には、通常の半導体プロセスにより所定数のパイル構造を作製したのち、ウエハ融着法などを用いてパイル構造同士を貼り合わせる工程を繰り返し行うことで作製できる。
以下に、上記技術を用いて作成される積層型３次元フォトニック結晶構造の実施例を説明する。
電流注入励起型の積層発光構造についての概略図を図１２に示す。それぞれ異なる波長の光１２０１ａ〜ｃを共振して発光するフォトニック結晶が３層重ねられており、各フォトニック結晶は点欠陥共振器部、発光媒質を含む発光部とを有している。各々の構造１２０４ａ〜ｃを形成するフォトニック結晶構造および共振器構造１２０５ａ〜ｃについて表５、表６に示す。
Figure 0004642527
Figure 0004642527
本実施例においては、各発光部１２１１に無機発光材料を用いて図８に示した構造により発光を生じさせている。各層の共振器内部に具備した発光部に電極１２１０を介して外部から電流を注入することにより特定の波長の光を発生することができる。
既存の発光材料としては以下のようなものが挙げられる。ＺｎＳやＣａＳ、ＳｒＳなどの材料を母体として発光中心として希土類イオンを添加すると様々な波長で発光するＥＬが得られる。例えば、赤色ではＺｎＳを母体にＳｍ３＋を添加したＺｎＳ：Ｓｍ３＋、ＣａＳ：Ｃｅ３＋、緑色では、ＺｎＳ：Ｔｂ３＋、ＳｒＳ：Ｃｅ３＋、青色ではＺｎＳ：Ｔｍ３＋、ＳｒＳ：Ｃｕ＋などが知られている。これらの無機発光材料を用いて発光させるためには、例えばエレクトロルミネセンスを用いることができる。発光層を絶縁層で狭持しさらに両側に電極を配置した構造により発光層に高電界を安定して印加することで、電界励起による発光が可能である。上記以外にも、化合物半導体材料、有機発光材料、高分子発光材料、量子ドットやナノ結晶を含む発光媒質などを用いてもよい。
また、各共振器上部のフォトニック結晶の層数を、共振器下部のフォトニック結晶の層数よりも少なくすることで、共振した光は上部にのみ放出される。発光部の構造はこれに限定されず、用途に応じて適当な構造を用いることができる。
図１３は本実施例における積層発光構造の各層のフォトニックバンドギャップと共振波長との関係を示す。各層はそれぞれ一般のＲＧＢに対応する波長の光を発するように設計されており、各層を形成するフォトニック結晶のフォトニックバンドギャプ（ＰＢＧ）は、他の層から発せられる光の波長を含まないようにすることで、各層は相互に透明になっている。
必要に応じて各層の発光部に注入する電流をスイッチング手段１２１２ａ〜ｃによりＯＮ／ＯＦＦすることにより、ＲＧＢを組み合わせた所望の色合いの光束を発光素子の最上面から放出することができる。本実施例ではフォトニック結晶の発光部に注入する電流のＯＮ／ＯＦＦにより、発光をＯＮ／ＯＦＦ制御しているが、以下に説明する他のスイッチング方法を用いることにより各フォトニック結晶から放出される光のＯＮ／ＯＦＦを制御することも可能である。
図１４は欠陥共振器構造又はフォトニック結晶からの光の取り出しをスイッチングする方法の一例を示している。図１４（ａ）は、構成材質２２１および２２２として液晶を採用したフォトニック結晶の層をスイッチング層として有する例を示している。このスイッチング層においては、その外部に設けた電極から印加される電圧で液晶分子の方向を制御することで、液晶分子の誘電率がその方位によって大きく異なることを利用して、フォトニック結晶内の誘電率分布を変化させてそのフォトニックバンドギャップを変化させている。
図１４（ａ）−１に示すように、液晶を用いたスイッチング層においては、透明電極を介して電圧を印加することで各分散粒子内の液晶分子の配向が揃うため、この状態で下層の欠陥共振器構造で共振された光の波長に対してフォトニックバンドギャップを形成するように液晶分子の特性や、構成材質２２１の大きさや周期が設定される。
他方、上記の構造において、図１４（ａ）−２に示すように、電圧を印加しない場合には各分散粒子内の液晶分子はランダムな配向を持つため、スイッチング層内の誘電率分布はフォトニックバンドギャップを形成するための理想的な分布から外れて、特定波長の光を反射する能力が低下する。この結果、欠陥共振器構造で共振された光に対して一定の透過率を持つようになり、構成材質２２１により散乱された光がスイッチング層を介して放射されることとなる。上記の構造においては、欠陥共振器構造とスイッチング層間のフォトニック結晶の層数が数層程度であって、欠陥共振器構造が良好に保たれると同時に、欠陥共振器構造で共振された光の一部がスイッチング層にまで到達することが好ましい。
図１５は、図１４（ａ）に示したスイッチング層の形成するフォトニックバンドギャップの変化の一例を示す。スイッチング層に電圧が印加された場合には、比較的大きなフォトニックバンドギャップ１５１が形成され、欠陥共振器構造から放出される光１１に対して反射面として機能する。一方、スイッチング層に電圧が印加され無い場合には、スイッチング層が形成するフォトニックバンドギャップ１５２は不完全となって、欠陥共振器構造から放出される光１１を透過する。
図１４（ａ）に示した液晶を用いたスイッチング層において、所望のフォトニックバンドギャップが得られれば、構成材質２１１は下層の発光構造を形成するフォトニック結晶の構成材質２１と同じ材質であっても、異なる材質であっても良い。また、図１４（ａ）では、構成材質２１１の内部に液晶層が配置されている場合について示したが、配置を逆にして、液晶層内部に構成材質を配置するインバース型をとることも可能である。
図１４（ｂ）は、構成材質２２２を強誘電体材料としたフォトニック結晶の層をスイッチング層として有する例を示している。このスイッチング層においては、その外部に設けた電極から印加される電圧で強誘電体層に電界を印加することで、強誘電体材料が微小に変形することを利用して、フォトニック結晶内の誘電率分布を変化させてそのフォトニックバンドギャップを変化させている。
スイッチング層に強誘電体を用いた場合にも、上記説明した液晶を用いる場合と同様に、印加する電圧によってフォトニックバンドギャップを変化させ、下層の欠陥共振器構造から放出される光に対して反射面である場合と透過面である場合とをスイッチングする。
図１４（ｂ）は構成材質２２２として強誘電体材料を用いているが、使用する光に対して十分な透過性を持つ強誘電体材料を用いる場合には、構成材質２１２部分について強誘電体材料としても良い。
図１４（ｃ）は、誘電率が可変の層を含む多層膜をスイッチング層として有するフォトニック結晶の一例を示している。このスイッチング層においては、例えば液晶を用いることで、電界を加えることにより特定の方向に関しての誘電率が変化する多層膜を使用している。これにより下層の欠陥共振器から放出される光に対して多層反射膜となる状態と、透過膜になる状態を切り替える。ここで、多層膜に入射する光の角度により反射層として機能しないことを防ぐため、図８に示したような導波路により取り出された光に対して図１４（ｃ）に示すようなスイッチング方法を用いることが好ましい。
図１４（ｄ）−１は、外部からの熱エネルギー供給により誘電率分布を変化させ、ＰＢＧを変化させることによりスイッチングする例である。フォトニック結晶１４００にヒータ１４１０を接触させることにより熱エネルギーを供給し、熱による誘電率変化によりＰＢＧの制御が可能である。熱エネルギー供給手段としては図１４（ｄ）−２に示すように、フォトニック結晶の吸収波長に対応する光を照射したり、ペルチエ素子を用いたりすればよい。
図１４（ｆ）は、外力によりフォトニック結晶を変形させることでＰＢＧを変化させることによりスイッチングする例である。フォトニック結晶１４００に駆動機構１４２０を接続した変形機構の一例を示す。駆動機構１４２０の伸縮によりフォトニック結晶構造に外力が加わることで、フォトニック結晶１４００が伸縮し、フォトニック結晶の格子周期、充填率（高屈折材質と低屈折率材質との体積比）等の構造パラメータが変化するために有効屈折率が変化する。これによりＰＢＧを制御し、光のスイッチングを行なうことができる。
図１４（ｆ）では、フォトニック結晶全体に外力を加えて変形させたが、構造の一部に対して外力を加えてもよく、例えば導波路に外力を加えることでスイッチングしてもよい。
また、図１４（ｇ）に示すように導波路を形成することによりスイッチングしてもよく、フォトニック結晶１４００において導波路のみを駆動機構１４２０に接続した構造を示す。
駆動機構１４２０が伸長しているときには、導波路部分はフォトニック結晶構造内に配置されており、ＰＢＧを形成するため光は外部に漏れないが、駆動機構１４２０が伸縮した場合、導波路部分はフォトニック結晶構造外部に引き出され、線欠陥導波路が形成されるためフォトニック結晶外部へ光を取り出すことができる。これによりスイッチングすることができる。
以上のような発光部を備えた積層型３次元フォトニック結晶により、電流注入型の積層発光構造を実現することができる。また本実施例では、それぞれＲＧＢに対応するフォトニック結晶を３層だけ積層した例について説明したが、層数はこれに限定されることはなく、必要に応じて任意の層数を積層することができる。以上、本実施例によればフルカラー動作する発光素子を実現することができる。
また、積層型３次元フォトニック結晶を一画素として、二次元的に配置することにより、外部信号に基づいてＲＧＢを組み合わせて任意の色彩を表現することができる画像表示装置を構成することができる。
紫外光励起型の積層発光構造について図１６に示す。フォトニック結晶１６０２ａ〜ｃと欠陥共振器構造１６０３ａ〜ｃ、スイッチング層１６０１ａ〜ｃからなるフォトニック結晶が積層され、その最下層に欠陥共振器構造１６０３ａ〜ｃ内に設けられた蛍光物質を励起可能な波長の光を発する紫外線光源１６０５が配置され、最上層には当該紫外線光源１６０５からの光のみを遮断する波長選択フィルター１６０４が設けられている。
紫外線光源１６０５から発せられる紫外光により、各フォトニック結晶内の欠陥共振器構造１６０３ａ〜ｃに設けられた蛍光物質を励起して発光を生じさせる。各欠陥共振器構造１６０３ａ〜ｃで共振して取り出された各波長の光はスイッチング層１６０１ａ〜ｃの状態に応じて積層発光構造の上部へ透過する。この際に、各欠陥共振器構造１６０３ａ〜ｃから取り出される光をＲＧＢの各波長に設計すると、フルカラー動作する紫外光励起型の発光素子を実現することができる。
それぞれのフォトニック結晶構造１６０２ａ〜ｃ、欠陥共振器構造１６０３ａ〜ｃは表５、表６に示したものと同様であって、図１６と同様のフォトニックバンドギャップと共振波長との関係を有する。ただし欠陥共振器構造１６０３ａ〜ｃは、紫外線励起によって所望の波長の蛍光を発する蛍光物質を有している。紫外線光源１６０５に４００ｎｍ以下の波長を使用した場合には、表５の各フォトニック結晶は当該光に対して透明であるため、紫外光は各欠陥共振器構造１６０３ａ〜ｃ内の蛍光物質を励起することができる。
紫外光励起により蛍光を発する蛍光物質の一例としては、赤色については、Ｙ２Ｏ２Ｓを母体結晶としてＥｕイオンを不純物として添加したＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕなどを用いることができる。同様に、緑色に対してＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、青色に対してＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｌなど既存の材料を用いることができる。
各スイッチング層１６０１ａ〜ｃは図１４（ａ）で説明したような、液晶を用いたスイッチング層である。外部から入力される信号により、液晶が所定の状態に配向した場合に対応する欠陥共振器構造から発する光の波長を含むＰＢＧを形成し、当該光が単位発光構造外に放出されないようにしている。また、液晶が配向していない場合にはスイッチング層は対応する欠陥共振器構造からの光を透過し、上部に向けて光を放出する。また、いずれのスイッチング層も他の単位発光構造から発せられた光、及び紫外線光源１６０５から発せられた光に対しては透明であるようなＰＧＢを有している。
ただし各スイッチング層１６０１ａ〜ｃの構造は上記で説明したものに限られず、強誘電体を用いたもの等から適宜選択することができる。
最上層の波長選択フィルター１６０４は、紫外線光源１６０５から発せられた光が積層発光構造外に放射されることを防止しており、公知の紫外線吸収剤、又は紫外線光源１６０５から光の波長にＰＢＧを有するフォトニック結晶としてもよい。特に波長選択フィルター１６０４として所定のＰＢＧを有するフォトニック結晶を用いた場合には、励起用光線の利用効率を高めることができる。
以上のような積層型３次元フォトニック結晶により、光励起型の積層発光構造を実現することができる。また本実施例では、それぞれＲＧＢに対応するフォトニック結晶を３層だけ積層した例について説明したが、層数はこれに限定されることなく、必要に応じて任意の層数を積層することができる。以上、本実施例によればフルカラー動作する発光素子を実現することができる。
また、積層型３次元フォトニック結晶を一画素として、二次元的に配置することにより、外部信号に基づいてＲＧＢを組み合わせて任意の色彩を表現することができる画像表示装置を構成することができる。
次に、フォトニック結晶の積層順番による光取り出し効率の違いについて述べる。図１７に積層型３次元フォトニック結晶の模式図を示す。基板上に、点欠陥共振器１７０２を含む３次元フォトニック結晶１７０１を積層した。ここで示した３つの３次元フォトニック結晶構造（１７０１ｂ、１７０１ｇ、１７０１ｒ）を表７に示す。
Figure 0004642527
基板の法線方向に上記３つの３次元フォトニック結晶を積層し、空気側から光を取り出す場合を考える。このとき、基板上に積層する順番として６種類の組み合わせを考えることができる。空気側からより効率的に光を取り出すことができる組み合わせを調べた。６種類の組み合わせについては図１８に示す。
格子周期の異なる３次元フォトニック結晶を積層するため、それぞれの構造においてフォトニックバンドギャップ帯域が異なる。フォトニックバンドギャップ帯域においては光はほぼ１００％反射される。例えば、表６に記載した構造１７０１ｇを８周期の厚みにした場合の波長５３０ｎｍにおける透過率は０．０９９％である。
上記６種類の組み合わせについて、各３次元フォトニック結晶から放出された光が、それぞれ空気側へどのくらい透過するかを調べた。各フォトニック結晶構造の周期数は８周期とし、それぞれの共振波長に対する透過率をもとに比較した結果を表８に示す。（１）基板−Ｒ−Ｇ−Ｂの積層順番であるときのＧについては、フォトニック結晶１７０１ｇから放出された光がフォトニック結晶１７０１ｂを透過したときの透過率がＧの透過率６８．２５％である。同様にＲについては、フォトニック結晶１７０１ｒから放出された光がフォトニック結晶１７０１ｇ及びフォトニック結晶１７０１ｂを透過したときの透過率がＲの透過率６７．１５％である。
Figure 0004642527
表８に示すように、基板上にフォトニック結晶を積層するときの順番よりそれぞれの光に対する透過率が異なっており、適切な積層順番を選択することが重要である。
特に格子周期に対して光の波長がほぼ等しいか数倍の領域においては、フォトニックバンドギャップ以外の波長帯域において、回折効率が不安定になる現象がアノマリーとして知られている。例えば、Ｂの光がフォトニック結晶１７０１ｒを透過する際の透過率が低くなる。
表８より積層順番が（１）基板−Ｒ−Ｇ−Ｂの場合が最適であることがわかる。つまり、光取り出し対象となる光の波長とフォトニックバンドギャップとが一致しないようにするとともに、それぞれのフォトニックバンドギャップの中心波長が積層方向に対して順に短波長側へ変化するように積層されていることが光取り出し効率を向上する上で重要である。
なお本発明の上記の説明において、光の三原色ＲＧＢとは、発光スペクトルの中心波長が６００ｎｍ−７８０ｎｍの範囲にある場合にＲ（赤色）とし、５００ｎｍ−６００ｎｍの範囲にある場合にＧ（緑色）とし、３８０ｎｍ−５００ｎｍの範囲にある場合にＢ（青色）としている。
以上のように、本発明によれば単一の発光構造から広い波長領域にわたる複数の波長分布を有する光を発することが可能であって、高密度に集積することができ、さらに放射光の放射モードパターンについて制御可能な発光構造を提供できる。
複数の波長分布を有する光を発する積層発光構造の概略図 回折格子による回折の概略図 フォトニック結晶表面における回折の概略図 ＰＢＧと共振波長との関係図 ２種類のフォトニック結晶についてのＰＢＧと共振波長の関係図 フォトニック結晶の周期数と反射率との関係図 欠陥共振器から光を取り出す手段の説明図 発光材料に無機発光材料を用いたときの発光構造の概略図 発光材料に有機発光材料を用いたときの発光構造の概略図 導電性透明電極材料を電流注入用電極として用いた時の概略図 光励起型の発光構造の概略図 電流注入型発光構造を用いた積層発光構造の概略図 積層発光構造の各層のフォトニックバンドギャップと共振波長との関係図 光取り出しをスイッチングする手段の説明図 スイッチング機構によるフォトニックバンドギャップの変化の説明図 光励起型発光構造を用いた積層発光構造の概略図 積層型３次元フォトニック結晶の概略図 ３次元フォトニック結晶の積層順番の説明図 ３次元フォトニック結晶構造の説明図
符号の説明
１１ 欠陥共振器構造内の発光強度
１２ フォトニックバンドギャップ
１３ 透過率
１５１ スイッチング層の透過率（Ｖｏｎ）
１５２ スイッチング層の透過率（Ｖｏｆｆ）
２１１、２１２ スイッチング層の構成材料
２２１ 液晶材料
２２２ 強誘電体材料
２３ 欠陥共振器構造
２４ 線欠陥導波路構造
２５ 点欠陥結合型導波路構造
３１ 透明電極
３２ 電極
３４ 多層反射膜
１４００ フォトニック結晶
１４１０ ヒータ
１４２０ 駆動装置
８０１ 上部透明電極
８０２ 上部絶縁層
８０３ 発光層
８０４ 下部絶縁層
８０５ 下部透明電極
９０１ 背面電極
９０２ 電子輸送層
９０３ 発光層
９０４ ホール輸送層
９０５ 透明電極
１００１ 欠陥共振器
１００２ フォトニック結晶
１００３ 透明電極
１００４ 発光材料
１１０１ 波長選択フィルター
１１０２ フォトニック結晶
１１０３ 共振器構造
１１０４ 紫外線光源
１２０１ａ〜ｃ 第１〜３のフォトニック結晶からの光
１２０４ａ〜ｃ 第１〜３のフォトニック結晶
１２０５ａ〜ｃ 第１〜３の共振器構造
１２１０ 電極
１２１１ 発光部
１２１２ａ〜ｃ スイッチング手段
１６０１ａ〜ｃ 第１〜３の光
１６０２ａ〜ｃ 第１〜３のフォトニック結晶
１６０３ａ〜ｃ 第１〜３の共振器構造
１６０４ 波長選択フィルター
１６０５ 励起光源
１６０６ａ〜ｃ 第１〜３のフォトニック結晶からの発光
１６０７ａ〜ｃ スイッチング手段
１７０１ ３次元フォトニック結晶
１７０２ 欠陥共振器

Claims (10)

  1. 互いに異なるフォトニックバンドギャップを有する複数の３次元フォトニック結晶を積層して構成される積層型３次元フォトニック結晶であって、
    前記複数の３次元フォトニック結晶はそれぞれの内部に周期欠陥で形成された共振器を有し、
    前記周期欠陥は、励起されることにより発光する活性媒質を含んでおり、
    前記複数の３次元フォトニック結晶の共振器は互いに異なる波長の光を放出し、
    前記複数の３次元フォトニック結晶は、それぞれのフォトニックバンドギャップの中心波長が、光の放出方向に対して、順に短波長側へ変化するように積層されていることを特徴とする積層型３次元フォトニック結晶。
  2. 前記活性媒質は、電流注入により発光する活性媒質であることを特徴とする請求項１に記載の積層型３次元フォトニック結晶。
  3. 前記活性媒質は、励起光照射により発光する活性媒質であることを特徴とする請求項１に記載の積層型３次元フォトニック結晶。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の積層型３次元フォトニック結晶と、前記活性媒質を励起する励起手段とを有することを特徴とする発光素子。
  5. 請求項４に記載の発光素子の発光状態を切換える切換手段を有することを特徴とする発光素子。
  6. 前記切換手段は前記励起手段の駆動信号を切換えることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
  7. 前記切換手段は前記共振器の共振波長を変更して前記発光素子の発光状態を切換えることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
  8. 前記切換手段は前記共振器より放出される光の光路を遮断して前記発光素子の発光状態を切換えることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
  9. ＲＧＢのうち少なくとも１以上の波長領域で発光することを特徴とする請求項４乃至８のいずれかに記載の発光素子。
  10. 請求項４乃至９のいずれかに記載の発光素子を配置して構成されることを特徴とする画像表示装置。
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