JP2000236113A - 自由色発光デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多岐の分野にわたって利用できる自由色発光
デバイスを提供すること。 【解決手段】 モノリシックＳＯＩ基板１における最上
位のＳｉ層４を除去した部分に三原色発光部５を設ける
とともに、前記ＳＯＩ基板１に前記三原色発光部５を制
御する発光制御部７を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、白色は勿論のこ
と、各種色合いの光を発することができる自由色発光デ
バイスに関する。

【０００２】

【発明の背景】光と電子の融合は、各々の特質をともに
最大限に生かす革新的なデバイスの研究が目標となる。
光の特質は、エネルギー伝達の効率がきわめて優れてお
り、特に、遠隔操作に利用することができる。例えば音
声で電子走査を制御できる音声認識による電子制御がで
きるようになりつつあるので、図１０に示すように、人
が音声を発して意思を電子の世界に伝えると、光・電子
融合デバイスが光を制御してその制御された光はそのま
ま人に視覚から情報として伝えることができる。理想的
な光・電子融合デバイスができると、人と光と電子との
関係は、遠隔操作で非接触によるフィードバック構造を
構築することができる。

【０００３】ところで、現在においては、光デバイスも
電子デバイスも各々の単独デバイスにおいては非常に多
岐にわたって種々開発されている。そして、従来のデバ
イスチップの組み合わせでも光デバイスと電子デバイス
タとが融合されていると言えなくもないが、同じプロセ
スで単一デバイスに構築されるモノリシックな状態のデ
バイスが理想的な融合デバイスであることは間違いな
い。

【０００４】しかし、従来から、光デバイスは、II−VI
族、III −Ｖ族のように、化合物半導体が主役であり、
一方、電子デバイスはシリコン（Ｓｉ）が主役であり、
モノリシックなデバイスとしても実現していなかった。
その理由は、化合物半導体は、例えばＧａＡｓ基板を使
用し、電子デバイスではシリコン基板を使用していたた
めである。理想的な融合は、シリコン基板に化合物半導
体の堆積薄膜を構築する方式であるが、化合物半導体結
晶薄膜をシリコン基板に堆積することは、格子定数のミ
スマッチなどで実際にはなかなか実現できなかった。

【０００５】ところで、最近、サファイヤ基板上に窒化
ガリウム（ＧａＮ）、窒素・ガリウム・アルミニウムな
どの薄膜をＭＯＣＶＤ（有機金属気相反応法）の手法に
よって多層堆積して、青色半導体レーザとして、高精度
ＤＶＤ（ディジタル・ビデオ・ディスク）用に開発され
ているが、従来の化合物半導体基板から絶縁物基板で光
デバイスが研究されつつある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、絶縁物
基板、特に、サファイヤはシリコンなどに比べて高価で
加工も困難をきわめるとともに、シリコン系デバイスと
の融合は困難である。

【０００７】これに対して、本願の発明者の一人である
冨田を中心とするグループは、堆積絶縁膜の上面に単結
晶シリコン薄膜を堆積することを長年研究しているが、
γアルミナがサファイヤときわめて類似した絶縁物であ
ることに着目し、昨年、γアルミナ薄膜上に窒化ガリウ
ム薄膜を堆積することに成功している。

【０００８】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、多岐の分野にわたって利用でき
る自由色発光デバイスを提供することを目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の自由色発光デバイスは、モノリシックＳ
ＯＩ基板における最上位のＳｉ層を除去した部分に三原
色発光部を設けるとともに、前記ＳＯＩ基板に前記三原
色発光部を制御する発光制御部を設けている（請求項
１）。ここで、ＳＯＩとは、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉ
ｎｓｕｌａｔｏｒのことである。

【００１０】上記のように構成した自由色発光デバイス
においては、光デバイスである三原色発光部と電子デバ
イスである発光制御部が同じプロセスで単一の基板上に
モノリシックな状態で形成されるため、理想的な光・電
子融合のデバイスとなる。

【００１１】そして、前記自由色発光デバイスにおい
て、モノリシックＳＯＩ基板に音声認識部を形成し、そ
の出力を発光制御部に入力するようにしてもよい（請求
項２）。また、前記自由色発光デバイスにおいて、モノ
リシックＳＯＩ基板に外部からの光を受光する外部光受
光部を設けるとともに、発光制御部に演算機能および外
部制御機能を持たせるようにしてもよい（請求項３）。
さらに、前記三原色発光部の近傍に受光部を設けるとと
もに、三原色発光部および受光部の近傍に滴下されたサ
ンプルに前記三原色発光部からの光を照射しその反射光
を前記受光部によって受光するようにしてもよい（請求
項４）。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１（Ａ），（Ｂ）は、この発明
の自由色発光デバイスの基本構造を模式的に示すもの
で、１はモノリシックＳＯＩ基板で、所定の厚み（例え
ば６００μｍ）を有するシリコン単結晶基板２の上面
に、γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ をエピタキシャル成長させてなる数
μｍ程度の厚みの酸化アルミニウム薄膜３の上面にＳｉ
（１００）をエピタキシャル成長させた厚さ数〜１０数
μｍのＳｉ層４とからなるものである。

【００１３】５は前記モノリシックＳＯＩ基板１の最上
位のＳｉ層４を除去した部分、つまり、酸化層３上に形
成される平面視円形状の三原色発光部で、互いに等しい
面積の赤色発光部５Ｒ、緑色発光部５Ｇ、青色発光部５
Ｂよりなり、ＭＯＣＶＤ法によって微小点スポット（直
径１０〜数１００μｍ）に状態で集積化して形成され
る。この実施の形態においては、赤色発光部５Ｒ、緑色
発光部５Ｇ、青色発光部５Ｂは、それぞれ、ＩｎＧａ
Ｎ、ＩｎＮ、ＧａＮよりなる。

【００１４】６は前記三原色発光部５が側面発光の場合
にその周囲に設けられるミラー部で、三原色発光部５を
形成する微小点スポットを囲むようにしてマイクロマシ
ン技術によって形成される。図１（Ｂ）に示すように、
三原色発光部５によって側方に発せられた光は、反射面
６ａによって基板１平面と垂直な方向に出射することが
できる。

【００１５】７は前記三原色発光部５を構成する赤色発
光部５Ｒ、緑色発光部５Ｇ、青色発光部５Ｂのそれぞれ
の発光時間と発光強度とを制御する発光制御部で、ＩＣ
よりなり、Ｓｉ基板１内に設けられており、各発光部５
Ｒ，５Ｇ，５Ｂとは信号リード線８で接続されている。

【００１６】上記構成の自由色発光デバイスにおいて
は、発光制御部７によって、三原色発光部５における赤
色発光部５Ｒ、緑色発光部５Ｇ、青色発光部５Ｂを同時
に同じ強度で発光させると、図２（Ａ）に示すように、
三原色発光部５からの光は肉眼では白色に見える。そし
て、発光制御部７によって、各発光部５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ
をその発光時間と発光強度とをパルス状電流によって制
御することにより、図２（Ｂ）に示すように、可視領域
における任意の色を発することができる。

【００１７】そして、図３は、一つの基板１上に前記側
面発光方式の三原色発光部５を一次元的に配列して一次
元発光体９を構成した例を示している。また、図４は、
一つの基板１上に前記三原色発光部５を二次元的に配列
して二次元発光体１０を構成した例を示しており、この
ように構成した場合、強力な発光体となるので、照明機
器として利用できる。図４において、１１はケース、１
２は前面の光透過窓である。

【００１８】上記自由色発光デバイスにおいては、次の
ような優れた特長を有する。すなわち、 １．Ｓｉ基板１上の任意の位置に三原色発光部５および
発光制御部７が形成できるので、任意の形態のものが得
られる。 ２．従来のシリコンでのプロセスと光デバイスの製作プ
ロセスとを整合性よく利用できる。 ３．任意の可視光の発光を自在に行うことができる。 ４．光の発光強度、色調、波長、連続発光またはパルス
発光（断続的発光）などの制御を任意に行うことができ
る。 ５．デバイス全体をモノリシック化したことにより、全
体が小型コンパクトとなる。 ６．高機能デバイス化したことにより、省エネ化、携帯
化、量産化が可能となる。

【００１９】

【実施例】次に、上記自由色発光デバイスの実施例につ
いて、図５以下を参照しながら説明する。

【００２０】Ｉ．ワンチップ化非接触・遠隔操作による
自由色発光・受光デバイス この非接触・遠隔操作システムは、人間インタフェース
機能として最大限に光を使う機能デバイスである。図５
は、このシステムにおける自由色発光デバイスの一例を
概略的に示すもので、この図において、２０は例えば部
屋に設けられる自由色発光デバイスで、モノリシックＳ
ＯＩ基板２１に、照明機能を有する三原色発光部２２お
よび発光制御部２３が形成されるとともに、人間Ｍの発
する音声を識別する音声識別部２４および外部光Ｌを受
光する受光部２５が形成され、ワンチップ化されてい
る。

【００２１】より詳しくは、前記発光制御部２３は、単
に三原色発光部２２を制御するのみならず、音声識別部
２４からの信号や外部光受光部２５からの信号に基づい
て、三原色発光部２２を制御する機能や、演算機能およ
び演算などの結果を記憶する記憶機能をも備えている。

【００２２】上記のように構成された自由色発光デバイ
ス２０は、例えば次のように動作する。すなわち、部屋
にいる使用者Ｍが、その部屋の照明状態を確認して、あ
るメッージ、例えば、「部屋が暗い。本が読める程度に
明るく。」というようなメッセージを発する。この音声
によるメッセージは、自由色発光デバイス２０の音声識
別部２４に入力され、さらに、発光制御部２３に入力さ
れる。この入力された指令に基づいて発光制御部２３か
ら所定の信号が出力され、これによって、三原色発光部
２２の輝度が大きくなり、部屋は明るく照明される。

【００２３】ところで、人間が光を利用する方法には、
例えば、（１）目的の箇所（部位）を明るくする照明、
（２）警告など目的信号を使用者に告げる表示と信号の
意味の識別、（３）外部光信号の情報に基づいて状況を
分析し判断して、光の強度、発光に点滅、発光色の変更
などを外部に発光信号として送る、などがある。

【００２４】上記デバイスの適用分野としては、下記の
ようなものがある。 ・半導体クリーンルームの照明 イエロールーム（Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｏｏｍ）における音
声指示による白色照明への変更 ・手術室、治療室、学校の教室の照明 ・農業；植物の温室栽培における照明色の制御 ・一般家庭；音声による照明器具の点灯および消灯、就
寝時の発光色の変更など ・自動車；車内の照明、天候（雨、霧など）や夜間の表
示の制御、発光色の変更、赤色警報など。

【００２５】II. 自動車交通システム全般への適用 この発明の自由色発光デバイスは、交通システムにおけ
る照明、発光表示、識別、判断機能、車間距離制御に適
用することができる。図６は、この実施例における自由
色発光デバイスの構成の一例を示すもので、この図にお
いて、３０は自由色発光デバイスで、モノリシックＳＯ
Ｉ基板３１に、照明機能を有する三原色発光部３２およ
び発光制御部３３が形成されるとともに、外部光Ｌを受
光する外部光受光部３４が形成されている。発光制御部
３３は、三原色発光部３２を制御するのみならず、外部
光受光部３４からの信号に基づいて演算を行い、その結
果に基づいて各種の制御を行うことができる。

【００２６】前記構成の自由色発光デバイス３０を照明
として用いる例としては、例えば図７に示すように、道
路３５に沿って設けられる交通標識照明具３６として使
用できる。この場合、照明強度の自由な選択、点滅信号
と周波数の自由な選択、自由色発光から例えば赤色警報
発光のように自由な発光色の選択を行うことができる。

【００２７】そして、表示、識別としては、図７に示す
ように、保持アーム３７によって保持され、各種の交通
情報を表示するための交通情報表示ボード３８や、信号
機３９として使用できる。この場合、点滅信号などによ
って情報を伝達したり、発光色の自由な組み合わせによ
ってドライバーの注意力を促し、認識力を向上させるこ
とができる。

【００２８】また、計測、発光・受光デバイスのカップ
ル化の例としてはは、高速道路における車両の入出管理
や、鉄道における駅改札口での人の入出管理などのセン
サとして利用することができる。例えば、図７に示すよ
うに、保持アーム３７に受光機能を備えた自由色発光デ
バイスをセンサ４０として設けるのである。

【００２９】そして、車間距離制御に適用する場合は、
例えば図７において拡大して示すようなライト４１を、
自動車４２Ａやトラック４２Ｂなどの車両のヘッドライ
トおよびテールライトとして取り付ける。すなわち、こ
のライト３５は、平面視円形で、周囲に細密充填微小点
スポット構造の三原色発光部３２を設け、中心部に受光
部３４を設けてなるものである。この装置による車間距
離の制御は、例えば次のようにして行われる。

【００３０】すなわち、図７において、 後方車両である自動車４２Ａから前方車両であるト
ラック４２Ｂに対してヘッドライト照明を行う。 トラック４２Ｂから発光受信情報が出力され、自動
車４２Ａがこれを受信する。 自動車４２Ａのヘッドライトが発する自由色の変更
を行い、距離測定信号を発信し、トラック４２Ｂにおけ
る反射による信号を受信する。 発信信号および受信信号に基づいて、自動車４２Ａ
側において車間距離が演算され、車間距離が制御され
る。 自動車４２Ａから後続車（図示していない）に対し
て車間距離に関する信号が出力される。

【００３１】III ．化学計測への適用 この発明の自由色発光デバイスは、化学計測、例えば波
長分光にも適用することができる。図８は、腕時計型の
ワンチップ分光器の一例を示す概念図で、この分光器５
０は、モノリシックＳＯＩ基板５１の表面に、自由色発
光デバイスからなる光源部５２と受光部５３とを互いに
近接して設けるとともに、両者５２，５３の間にマイク
ロマシニング技術により分光部５４を形成して測定部５
５を構成し、さらに、光源部５２を制御する発光波長制
御部５６、受光部５３からの信号に基づいて演算を行う
演算部５７、演算結果などを表示する表示部５８、演算
結果などを記憶するメモリ部５９などを備えている。

【００３２】前記ワンチップ分光器５０においては、そ
の測定部５５に、例えばスポイト６０を用いて微量の試
料溶液６１を滴下し、これに対して光源部５２から適宜
の光を波長掃引しながら分光部５４を介して照射し、そ
のとき溶液６１からの反射光を受光部５３で受光し、そ
の出力を演算部５７で処理することにより、試料溶液６
１中に溶解している物質が分析されその結果が表示部５
８に表示される。

【００３３】上記ワンチップ分光器５０は、いわゆる反
射型の分光器であったが、図９に示すように、分光部５
４と受光部５３との間に試料セル６２と比較セル６３と
を並列的に設けるようにしてもよい。

【００３４】この発明の自由色発光デバイスは、上記Ｉ
〜III の実施例に限られるものではなく、他の分野にも
広く適用することができ、例えば、ディスプレイ装置
や、光エネルギーを利用した各種の計測方式（例えば、
光圧、光音響、光歪み、光振動の応用など）、光ピンセ
ットや各種のアクチュエータにも適用できる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の自由色
発光デバイスは、光デバイスである三原色発光部と電子
デバイスである発光制御部が同じプロセスで単一の基板
上にモノリシックな状態で形成されるため、理想的な光
・電子融合のデバイスとなる。そして、特に以下のよう
な優れた利点を有する。すなわち、Ｓｉ基板上の任意の
位置に三原色発光部および発光制御部が形成でき、した
がって、任意の形態のものが得ることができる。従来の
シリコンでのプロセスと光デバイスの製作プロセスとが
整合性よく利用できる。任意の可視光の発光を自在に行
うことができる。光の発光強度、色調、波長、連続発光
またはパルス発光（断続的発光）などの制御を任意に行
うことができる。デバイス全体をモノリシック化したこ
とにより、全体が小型コンパクトである。高機能デバイ
ス化したことにより、省エネ化、携帯化、量産化が可能
である。したがって、各種の技術分野に広く応用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の自由色発光デバイスの基本構造を示
すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。

【図２】前記自由色発光デバイスの動作を説明するため
の図である。

【図３】三原色発光部を一次元的に配列して一次元発光
体を構成した例を示す斜視図である。

【図４】三原色発光部を二次元的に配列して二次元発光
体を構成した例を示す図である。

【図５】第１実施例を説明するための図である。

【図６】第２実施例における自由色発光デバイスの構成
を概略的に示す図である。

【図７】第２実施例を説明するための図である。

【図８】第３実施例を説明するための図である。

【図９】第３実施例の変形例を示す図である。

【図１０】人と光と電子との関係を説明するための図で
ある。

【符号の説明】

１…モノリシックＳＯＩ基板、４…最上位のＳｉ層、５
…三原色発光部、７…発光制御部、２１…モノリシック
ＳＯＩ基板、２２…三原色発光部、２３…発光制御部、
２４…音声認識部、３１…モノリシックＳＯＩ基板、３
２…三原色発光部、３３…発光制御部、３４…外部光受
光部、Ｌ…外部光、５１…モノリシックＳＯＩ基板、５
２…三原色発光部、５３…受光部、６１…サンプル。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モノリシックＳＯＩ基板における最上位
   のＳｉ層を除去した部分に三原色発光部を設けるととも
   に、前記ＳＯＩ基板に前記三原色発光部を制御する発光
   制御部を設けたことを特徴とする自由色発光デバイス。
2. 【請求項２】 モノリシックＳＯＩ基板に音声認識部を
   形成し、その出力を発光制御部に入力するようにした請
   求項１に記載の自由色発光デバイス。
3. 【請求項３】 モノリシックＳＯＩ基板に外部からの光
   を受光する外部光受光部を設けるとともに、発光制御部
   に演算機能および外部制御機能を持たせるようにした請
   求項１に記載の自由色発光デバイス。
4. 【請求項４】 三原色発光部の近傍に受光部を設けると
   ともに、三原色発光部および受光部の近傍に滴下された
   サンプルに前記三原色発光部からの光を照射しその反射
   光を前記受光部によって受光するようにした請求項１に
   記載の自由色発光デバイス。