JP3576859B2 - 発光装置及びそれを用いたシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明やディスプレイ或いは通信などに用いる発光装置と、それを用いた照明装置、ディスプレイ装置等のシステム、更にはシリコンＩＣと光素子を集積化した光電子集積回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から各種の発光装置が知られているが、いずれもその発光効率は低いものであり、これが解決すべき大きな問題となっていた。最近では、環境問題の点からも低消費電力の光源が求められており、発光効率向上のための技術開発がなされてきた。例えば、白熱電球では熱放射される光の殆どが赤外線であり、可視光はごく僅かであることが効率の低い主原因であるが、これを改善するために図１８のように、ヒートミラーと呼ばれる赤外線反射膜を電球のガラス球につける工夫が行われている（Ｊａｃｋ Ｂｒｅｔｔ ｅｔ ａｌ．， ’Ｒａｄｉａｔｉｏｎ−ｃｏｎｓｅｒｖｉｎｇ ｉｎｃａｎｄｅｓｃｅｎｔ ｌａｍｐｓ’， Ｊ． ｏｆ ＩＥＳ， ｐ．１９７，１９８０）。なお、図中の１８０１はヒートミラー付きガラス球、１８０２はタングステンフィラメントを示している。
【０００３】
しかしながら、反射した赤外光がフィラメントに再び吸収される率、帰還率を増すにはフィラメント位置の微調整等が必要であるが、これには限度があり十分な効果を得ることはできない。
【０００４】
また、より直接的にフィラメントからの赤外線の放射そのものを抑止するために、図１９（ａ）（ｂ）に示したように、発光体の表面に空洞導波管のアレイを設ける方法が提案されている（米国特許ＵＳＰ５０７９４７３）。なお、図中の１９０１はタングステン、１９０２は空洞を示している。この方法では、空洞導波管のカットオフ周波数を予め設定した値にすることで、カットオフ周波数以下の光が放射されにくくなる。
【０００５】
しかし、この場合でも空洞導波管と空洞導波管との間の領域からは、自由に赤外光が放射される。この領域の面積を低減し赤外光放射を防ぐために、空洞導波管と空洞導波管との間を狭くすることが考えられるが、この場合には隣り合った光学モード同士が結合するため、カットオフ周波数が存在しなくなってしまう。即ち、かえって赤外光が自由に放射されるようになるという問題があった。
【０００６】
一方、熱放射を利用したディスプレイも報告されている（Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ Ｈｏｃｈｂｅｒｇ ｅｔ ａｌ．，“Ａ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｃａｎｄｅｓｃｅｎｔ ｄｉｓｐｌａｙ”， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｖｏｌ．ＥＤ−２０， Ｎｏ．１１， ｐ．１００２， １９７３）。この文献には、タングステンからの熱放射を利用したディスプレイの報告があるが、上述したように熱放射された光の中で可視光の占める割合は非常に少ないため、発光部の発光効率は非常に悪くディスプレイ全体としても効率の点で大きな問題があった。
【０００７】
また、光通信においては通常、レーザやＬＥＤが光源として用いられるが、より簡便で低コストの光源が望まれていた。また、シリコンＩＣやＬＳＩの分野においては光電子集積回路の実現が望まれているにも拘わらず、効率良く発光するシリコン素子がないため、ＬＳＩと発光素子とは別々に作成しなければならず応用範囲も限られていた。さらに、ＬＳＩの集積度の増加と共に複雑な電気配線の多層化は、今後の高集積化を阻む最大の障害の一つであった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、発光装置の効率は一般に低くこれを改善するための様々な工夫がなされてきたが、いずれも特性を大幅に向上するには至っていない。また、ＬＳＩでは電気配線が複雑になり高集積化を妨げていた。
【０００９】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、今までにない発光効率の優れた発光装置と、それを用いた各種のシステムを提供することにある。また、本発明の他の目的は、ＬＳＩの複雑な電気配線に代わる光配線を実現し得る光電子集積回路装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は次のような構成を採用している。
【００１１】
即ち本発明は、熱放射による発光により光を放射するフィラメントと、このフィラメントとは非接触で該フィラメントに近接配置されたフォトニック結晶構造とを具備してなる発光装置であって、前記フォトニック結晶構造により前記フィラメントにおける赤外光領域の光の放射を抑制し、且つ可視光領域の光の放射を増強させることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、上記構成の発光装置をアレイ状に並べて照明装置やディスプレイ装置を構成することを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、上記構成の発光装置をシリコンＩＣと集積して光電子集積回路装置を構成することを特徴とする。
【００１５】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００１６】
（１） フォトニック結晶構造として、誘電体膜の中に金属の球状体を規則的に配置したこと。また、誘電体膜中の一部に、金属の球状体を欠落させた欠陥領域を設けたこと。
【００１７】
（２） フォトニック結晶構造として、第１の誘電体膜の中にこれとは屈折率が異なる第２の誘電体の球状体又は空洞を規則的に配置したこと。また、第１の誘電体膜中の一部に、第２の誘電体の球状体又は空洞の一部を欠落させた欠陥領域を設けたこと。
【００１８】
（３） フォトニック結晶構造として、誘電体膜と金属膜との積層構造を形成したこと。また、誘電体膜と金属膜との積層構造に、１次元的又は２次元的な周期構造を持たせたこと。
【００１９】
（作用）
本発明においては、光を放射する発光部に近接した少なくとも一部にフォトニック結晶構造を設けることにより、所望の波長帯以外の光の放射の少なくとも一部を抑制するか、所望の波長帯の光の少なくとも一部を増強させたことを特徴としている。例えば、所望の波長帯として可視光を設定し、赤外光の放射を抑制することができる。
【００２０】
従来の熱放射の発光スペクトルは、プランクの式により決まる黒体放射スペクトルに放射体材料固有の放射率をかけたもので表わされる。発光部の温度が２０００℃程度では、スペクトルに占める可視光の割合はごく僅かである。ここで言うフォトニック結晶構造は、２種類以上の媒質を周期的或いは周期をずらして１ペア以上並べることにより、光学的バンドを形成し光の異方性や分散性を持たせたり、バンドギャップを生成して、ある特定の波長域の光が伝播できないようにした人工結晶である。結晶構造は一次元的なものから３次元的なものまで可能である。
【００２１】
フォトニックバンドギャップの概念は文献（Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，５８， ｐ２０５９， １９８７）で提案された。このフォトニック結晶を前述の発光部に近接して配置することにより、ある特定の波長域の光が発光部から放射できないようにすることができる。例えば、光学的バンドギャップを赤外域に設定しておけば、赤外光の放射を抑止することができ、可視光の割合を増すことができる。
【００２２】
また本発明は、光を放出する発光部に近接した少なくとも一部にフォトニック結晶構造を設けることにより、所望の波長帯の光の偏光状態を制御するか、所望の波長帯の光の放射パターンを制御したことを特徴とする。この場合には、所望の波長帯の放射光のうち実際に利用できる光を増加して、実質的な発光効率を増大できる。
【００２３】
以上は可視光に適用した場合であるが、同様にして光通信で用いる近赤外光、特に１３００ｎｍや１５５０ｎｍ付近の光を効率良く発光できるように設定することも可能である。
【００２４】
また、本発明はフォトニックバンド構造が少なくとも金属を含むことを特徴とする。この場合には、特に光学的バンドギャップを大きくすることができ、可視光から遠赤外までの広い波長域に渡って発光スペクトルを制御することができる。このため、より高効率の光源が可能となる。さらに本発明では、これらの高効率な発光装置をアレイ状に並べることにより、高効率のみならず高輝度の照明装置やディスプレイ装置を実現することができるようになる。特に、偏光を制御した光源を液晶ディスプレイ装置のバックライトとして使用した場合、従来は無駄になっていた偏光成分がもともとないため、効率の大幅な向上が達成できる。
【００２５】
また本発明では、熱放射を起こす発光体領域を例えばシリコンやタングステンで形成することにより、シリコンＬＳＩと光素子とを容易に集積することができるようになる。さらに本発明では、ＬＳＩ上に形成した熱放射を利用した発光素子とフォトニック結晶構造を利用した光導波路などとを組み合わせて従来の電気配線の少なくとも一部を光配線に置き換えることにより配線を単純化でき、ＬＳＩの集積度を上げることが容易になる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる発光装置の構造を説明するためのもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【００２８】
図中１０１はタングステンフィラメントであり、このフィラメント１０１の両端はそれぞれ金電極１０２につながっている。金電極１０２は後述するように、絶縁スペーサ１０６を介して基板上に固定されている。また、ガラス基板１０３上に球状のＡｇ（銀）１０４とＴｉＯ２ １０５からなる３次元フォトニック結晶構造を設けてある。そして、タングステンフィラメント１０１はＳｉＯ２ スペーサ１０６により空中に保持されている。
【００２９】
具体的には、ガラス基板１０３上に、ＴｉＯ２ 膜１０５中に球状（直径が数ｎｍ〜数十ｎｍ）のＡｇ１０４を規則的に配置してなる３次元の第１のフォトニック結晶構造１１０が形成され、その上にＳｉＯ２ スペーサ１０６を介して２つの金電極１０２が所定距離離して取着されている。これらの金電極１０２間に、タングステンフィラメント１０１が接続されている。
【００３０】
また、第１のフォトニック結晶構造１１０上の一部には、フィラメント１０１の両端部を除く領域を覆うように、第１のフォトニック結晶構造１１０と同様な構成の第２のフォトニック結晶構造１２０が形成されている。なお、この第２のフォトニック結晶構造１２０には、フィラメント１０１と直接接しないようにフィラメント方向に沿って空洞（溝）が設けられている。これによりフィラメント１０１は、フォトニック結晶構造１１０，１２０と直接接することなく、その端部を除いてフォトニック結晶構造１１０，１２０で囲まれるものとなっている。
【００３１】
このような構成において、フォトニック結晶構造部分の反射率は、図１６のように波長１μｍ以上ではほぼ１００％であり、波長０．１μｍ付近ではほぼ０％であった。そして、タングステンフィラメント１０１に電流を流して発光スペクトルを測定したところ、フォトニック結晶構造のないものでは、図１７の点線で示したように赤外光の放射が主であった。これに対し、本実施形態のようにフォトニック結晶構造を付加したものでは、赤外光の放射が抑えられ、可視光の強度が上がっていた。これは、フォトニック結晶構造によりフィラメント１０１からの赤外光の放射が抑制されたためであると考えられる。
【００３２】
発光効率としては、従来の赤外リフレクター付きのもので５０ ｌｍ／ｗであったが、本実施形態では１００ ｌｍ／ｗが得られた。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係わる発光装置の構造を説明するためのもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３３】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、フォトニック結晶構造の構成にある。即ち、第１の実施形態では球状の金属を誘電体で取り囲んでいたが、本実施形態では２次元的に周期構造を持たせた薄い層を積層してフォトニック結晶構造を構成している。図中２０１は厚さ約２０ｎｍのＡｇ膜、２０２は厚さ約２０ｎｍのＴｉＯ２ 膜、２１０は第１のフォトニック結晶構造、２２０は第２のフォトニック結晶構造である。
【００３４】
本実施形態のフォトニック結晶構造を作成するには、例えばガラス基板１０３上にＴｉＯ２ 膜２０２を比較的厚く（２０ｎｍよりも厚く）形成した後、このＴｉＯ２ 膜２０２の表面に例えば６角形のレジストパターンを配列し、これをマスクにＴｉＯ２ 膜２０２をその途中までテーパ状にエッチングする。その後は、下地の形状が反映するような堆積法を用いてＡｇ膜２０１とＴｉＯ２ 膜２０２を順次積層することにより、２１０のようなフォトニック結晶構造が得られる。
【００３５】
本実施形態の構造においても、フォトニック結晶構造により赤外光の放射が抑制されるため、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３６】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係わる発光装置の要部構成を示す鳥瞰図である。
【００３７】
図中の３０１はタングステンフィラメントであり、このフィラメント３０１と同軸的に筒状のフォトニック結晶構造が配設されている。フォトニック結晶構造は、厚さ約２０ｎｍのＴｉＯ２ 膜３０２、厚さ約２０ｎｍのＡｇ膜３０３、厚さ約２０ｎｍのＴｉＯ２ 膜３０２を積層した三層構造となっている。そして、フォトニック結晶構造は支持棒３０４で支持されている。
【００３８】
このような構成でも、フォトニック結晶構造により赤外光の放射が抑制されるため、第１の実施形態とほぼ同様な効果を得ることができる。
【００３９】
（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係わる発光装置の構造を説明するためのもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。なお、図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４０】
本実施形態が先に説明した第２の実施形態と異なる点は、フォトニック結晶構造の構成にある。即ち、第２の実施形態ではフォトニック結晶構造を２次元的に形成したが、本実施形態ではフォトニック結晶構造を１次元的に周期構造を持たせて形成している。
【００４１】
この場合には、第２の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、熱放射であるにも拘わらず、偏光方向の揃った光を効率良く発生させることが可能である。
【００４２】
（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態に係わる発光装置の構造を説明するためのもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４３】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、フォトニック結晶構造の構成にある。即ち本実施形態では、上側のフォトニック結晶構造１２０の一部で、球状の金属であるＡｇを欠落させた、いわゆる欠陥領域５０１を形成している。
【００４４】
この場合には、第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、欠陥領域５０１に光が集中するため、この欠陥領域５０１から光を効率良く取り出すことができる。即ち、素子の上方に指向性の良い光ビームが得られた。
【００４５】
（第６の実施形態）
図６は、本発明の第６の実施形態に係わる発光装置の構造を示す斜視図である。
【００４６】
図中の６０６はＳｉＯ２ 膜であり、このＳｉＯ２ 膜６０６上にＳｉからなるフィラメント６０１が橋のように配設されている。即ち、ＳｉＯ２ 膜６０６の上に所定距離離して２つの電極６０２が形成され、これらの電極６０２間にフィラメント６０１が接続されている。フィラメント６０１の中央部分が発光領域６１１であり、この部分を除いてフィラメント６０１には周期的な孔６１２が貫通するように設けられている。
【００４７】
この場合、フィラメント６０１に設けた周期的な孔６１２が１次元のフォトニック結晶構造として機能することになり、フィラメント６０１からの遠赤外光の光放射は抑制され、効率の良い可視光発光が得られる。
【００４８】
（第７の実施形態）
図７は、本発明の第７の実施形態に係わる発光装置の構造を示す断面図である。なお、図６と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４９】
本実施形態が先に説明した第６の実施形態と異なる点は、フィラメント６０１に直交する方向にも、Ｓｉフィラメント７０１及び孔７１２からなるフォトニック結晶構造を設けた点にある。なお、フィラメント７０１側に設ける孔７１２の配列は、光学的欠陥を生じるように発光領域を挟んで位相をずらしてある。
【００５０】
本実施形態の構成では、フィラメント７０１を設けることにより出射ビームの形状が同心円状に近くなり、第６の実施形態よりも更に効率の良い可視光発光が得られた。
【００５１】
（第８の実施形態）
図８は、本発明の第８の実施形態に係わる発光装置の構造を示す断面図である。
【００５２】
本実施形態はＭＩＳ型の発光装置であり、ＳｉＣ結晶８０２上に絶縁層８０４を介して金属電極８０５が形成され、ＳｉＣ結晶８０２の裏面側には所定距離離間して金属電極８０１がそれぞれ形成されている。そして、２つの金属電極８０１間のＳｉＣ結晶８０２内には空洞８０３が規則的に配置され、これによりフォトニック結晶構造が構成されている。
【００５３】
本実施形態の構成では、効率の良い青色発光が得られた。
【００５４】
（第９の実施形態）
図９は、本発明の第９の実施形態に係わる有機ＥＬ発光装置の構造を示す断面図である。
【００５５】
図中９１５は発光層であり、この発光層９１５は電子輸送層９１４と正孔輸送層９１６で挟まれている。上側の電子輸送層９１４上には透明電極９１２が形成され、この透明電極９１２は一部延在して設けられ電極支持台９１３に固定されている。下側の正孔輸送層９１６の下面には透明電極９１１が形成されており、この透明電極９１１は後述する基板上に形成されている。
【００５６】
ガラス基板９０３上にはＳｉＯ２ 膜９０５中に球状のＴｉＯ２ ９０４を規則的に配置してなる第１のフォトニック結晶構造が形成され、この上に前記電極９１１及び電極支持台９１３が設置されている。また、第１のフォトニック構造上には、ＥＬ発光部を覆うように、第１のフォトニック結晶構造と同様の構成の第２のフォトニック構造が形成されている。第２のフォトニック構造において、第５の実施形態と同様に、光学的欠陥を設けるためにＴｉＯ２ ９０４の球体を形成していない欠陥領域５０１が設けられている。
【００５７】
本実施形態の構成においては、フォトニック構造の付加により、効率の良い、かつ指向性の強い青色発光が得られた。
【００５８】
（第１０の実施形態）
図１０は、本発明の第１０の実施形態に係わる電界放出による蛍光体発光装置の構造を示す断面図である。
【００５９】
図中１００１は基板であり、この基板１００１上にカソード電極１００２が形成され、その上にエミッタ１００５がアレイ状に配列されている。エミッタ１００５間のカソード電極１００２上には絶縁層１００３が形成され、この絶縁層１００３上にゲート電極１００４が形成されている。
【００６０】
一方、上記のアレイ基板と対向する位置に配置される対向基板は、ガラス基板１００９の表面に、蛍光体１００７中に球状の空洞１００８を規則的に配置してなるフォトニック結晶構造を形成し、その上にアルミ薄膜１００６を形成して構成されている。そして、アルミ薄膜１００６側がアレイ基板側に対向するようになっている。
【００６１】
本実施形態の構成の場合は、空洞によるフォトニックバンド効果で効率の良い蛍光体発光が得られた。
【００６２】
（第１１の実施形態）
図１１は、本発明の第１１の実施形態に係わる照明装置の構造を示す平面図である。
【００６３】
図中１１０１は第１の実施形態で示した発光装置であり、基板１１００上にアレイ状に並べてある。それぞれの発光装置１１０１は電気配線１１０２により並列に接続されている。発光装置１１０１としては、第２，第４，第５の実施形態のようなものを用いることも勿論可能である。
【００６４】
このような構成では、個々の発光装置１１０１の効率向上により照明装置としても高効率の発光が得られた。
【００６５】
（第１２の実施形態）
図１２は、本発明の第１２の実施形態に係わるディスプレイ装置の構成を示す等価回路図である。
【００６６】
先の第１１の実施形態で示したアレイ状の発光装置の回路構成をこのように変えることで、個々の発光装置の選択的な駆動が可能となり、これにより高効率のディスプレイを実現することができる。なお、１２０１は発光装置、１２０２はダイオード、１２０３は電気配線である。
【００６７】
（第１３の実施形態）
図１３は、本発明の第１３の実施形態に係わるディスプレイ装置の動作を説明する模式図である。
【００６８】
バックライト付きの液晶ディスプレイでは、発光素子１３０１からの光は偏光板１３０２を通って一定の偏光の光のみが液晶パネル１３０３に到達する。そして、液晶パネル１３０３で偏光が変化した場合のみ、２つめの偏光板１３０４を透過し発光点となる。
【００６９】
このように、発光素子１３０１からの光は最初の偏光板１３０２で半分がカットされるため、通常は複雑な光学系を用いて偏光を揃えることが必要である。これに対し、発光素子１３０１に第４の実施形態のような発光装置を用いることにより、発光素子１３０１自体から偏光の揃った光が最初から得られる。従って、偏光を揃えるための複雑な光学系を用いる必要はなく、極めて低コストで高効率のディスプレイ装置が実現可能となる。
【００７０】
（第１４の実施形態）
図１４は、本発明の第１４の実施形態に係わるディスプレイ装置の構造を示す平面図である。１４０１はＳｉ基板であり、このＳｉ基板上にデータ処理用のＩＣ１４０２、選択駆動が可能な発光素子１４０４、発光素子１４０４を駆動するためのＩＣ１４０３が集積配置されている。
【００７１】
この場合の発光素子１４０４としては、先に説明した各実施形態の発光装置を用いることができる。特に、Ｓｉやタングステンをフィラメントとして熱放射を利用する場合には、シリコンＬＳＩとの集積化が容易になり低コストでディスプレイ装置が得られる。
【００７２】
（第１５の実施形態）
図１５は、本発明の第１５の実施形態に係わる光電子集積回路の構造を示す平面図である。
【００７３】
図中の１５０１はＳｉ基板、１５０４は受光素子、１５０５は発光素子、１５０６及び１５０７はシリコンＩＣである。また、１５０２はフォトニック結晶構造を実現するための空洞、１５０３は光学的欠陥を形成した領域であり、光の導波路として作用する。
【００７４】
このような構成において、ＩＣ１５０６の入力部へ入力があるとその出力部に電圧が発生し、ここに接続された発光素子１５０５が発光する。発光素子１５０５からの光は、光導波路１５０３を通って受け側のＩＣ１５０７に入力される。このとき、フォトニック結晶構造を利用した導波構造を採用しているので、光導波路１５０３を急角度に曲げても損失なく導波させることができる。受け側のＩＣ１５０７では光導波路を通ってきた光を受光素子１５０４で受光し、これにより出力信号が発生する。
【００７５】
本実施形態の構成では、電子素子と光素子を微細に集積化することが容易で、光による配線が可能となる。また、３次元的に集積回路を構成することも可能であり、より複雑な機能を持たせることもできる。
【００７６】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。熱放射による発光を行うためのフィラメントの材質は、ＷやＳｉに限るものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。例えば、ＳｉＣ，ＧａＮ，ＡｌＮ，炭素，ダイヤモンドを使うこともできる。また、フォトニック結晶構造を実現するための材料も、仕様に応じて適宜変更可能である。
【００７７】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００７８】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、熱放射により光を放射する発光装置において、該熱放射をしている物体に近接した一部にフォトニックバンド構造を有することにより効率良い光の放射を起こすことができる。このため、従来得られなかった高効率の発光装置を実現することができる。その結果、照明装置やディスプレイ装置、或いは光情報処理システムで用いる発光装置やシステムを低コストで得られる。また、シリコンＬＳＩと光素子とを容易に集積することができ、ＬＳＩの集積度を上げることも可能である。その信頼性も高く、本発明の有用性は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる発光装置の構造を示す平面図及び断面図。
【図２】第２の実施形態に係わる発光装置の構造を示す平面図と断面図。
【図３】第３の実施形態に係わる発光装置の要部を示す鳥瞰図。
【図４】第４の実施形態に係わる発光装置の構造を示す平面図と断面図。
【図５】第５の実施形態に係わる発光装置の構造を示す平面図と断面図。
【図６】第６の実施形態に係わる発光装置の構造を示す鳥瞰図。
【図７】第７の実施形態に係わる発光装置の構造を示す鳥瞰図。
【図８】第８の実施形態に係わる発光装置の構造を示す断面図。
【図９】第９の実施形態に係わる発光装置の構造を示す断面図。
【図１０】第１０の実施形態に係わる発光装置の構造を示す断面図。
【図１１】第１１の実施形態に係わる照明装置の構造を示す平面図。
【図１２】第１２の実施形態に係わるディスプレイ装置の回路を示す図。
【図１３】第１３の実施形態に係わるディスプレイ装置の動作を説明する図。
【図１４】第１４の実施形態に係わるディスプレイ装置の構造を示す正面図。
【図１５】第１５の実施形態に係わる光電子集積回路の模式構造を示す平面図。
【図１６】本発明の効果を示すための反射特性を示す図。
【図１７】本発明の効果を示すための図。
【図１８】従来の照明用電球を説明するための図。
【図１９】従来の照明用電球のフィラメント構造を示す平面図と断面図。
【符号の説明】
１０１，３０１…タングステンフィラメント
１０２，６０２，８０１，８０５…電極
１０３，９０３，１００９…ガラス基板
１０４…Ａｇ（球状体）
１０５，２０２，３０２…ＴｉＯ２ 膜
１０６…ＳｉＯ２ スペーサ
１０７…空洞（溝）
１１０，１２０，２１０，２２０…フォトニック結晶構造
２０１，３０３…Ａｇ膜
３０４…支持棒
５０１…光学的欠陥領域
６０６，９０５…ＳｉＯ２ 膜
６０１，７０１…Ｓｉフィラメント
６１１…発光領域
６１２，７１２…孔
８０２…ＳｉＣ結晶
８０３，１００８…球状の空洞
８０４…絶縁層
９０４…ＴｉＯ２ 球体
９１１…透明電極
９１２…透明電極
９１３…電極支持台
９１４…電子輸送層
９１５…発光層
９１６…正孔輸送層
１００１…アレイ側基板
１００２…カソード電極
１００３…絶縁層
１００４…ゲート
１００５…エミッタ
１００６…アルミ薄膜
１００７…蛍光体
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明やディスプレイ或いは通信などに用いる発光装置と、それを用いた照明装置、ディスプレイ装置等のシステム、更にはシリコンＩＣと光素子を集積化した光電子集積回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から各種の発光装置が知られているが、いずれもその発光効率は低いものであり、これが解決すべき大きな問題となっていた。最近では、環境問題の点からも低消費電力の光源が求められており、発光効率向上のための技術開発がなされてきた。例えば、白熱電球では熱放射される光の殆どが赤外線であり、可視光はごく僅かであることが効率の低い主原因であるが、これを改善するために図１８のように、ヒートミラーと呼ばれる赤外線反射膜を電球のガラス球につける工夫が行われている（Ｊａｃｋ Ｂｒｅｔｔ ｅｔ ａｌ．， ’Ｒａｄｉａｔｉｏｎ−ｃｏｎｓｅｒｖｉｎｇ ｉｎｃａｎｄｅｓｃｅｎｔ ｌａｍｐｓ’， Ｊ． ｏｆ ＩＥＳ， ｐ．１９７，１９８０）。なお、図中の１８０１はヒートミラー付きガラス球、１８０２はタングステンフィラメントを示している。
【０００３】
しかしながら、反射した赤外光がフィラメントに再び吸収される率、帰還率を増すにはフィラメント位置の微調整等が必要であるが、これには限度があり十分な効果を得ることはできない。
【０００４】
また、より直接的にフィラメントからの赤外線の放射そのものを抑止するために、図１９（ａ）（ｂ）に示したように、発光体の表面に空洞導波管のアレイを設ける方法が提案されている（米国特許ＵＳＰ５０７９４７３）。なお、図中の１９０１はタングステン、１９０２は空洞を示している。この方法では、空洞導波管のカットオフ周波数を予め設定した値にすることで、カットオフ周波数以下の光が放射されにくくなる。
【０００５】
しかし、この場合でも空洞導波管と空洞導波管との間の領域からは、自由に赤外光が放射される。この領域の面積を低減し赤外光放射を防ぐために、空洞導波管と空洞導波管との間を狭くすることが考えられるが、この場合には隣り合った光学モード同士が結合するため、カットオフ周波数が存在しなくなってしまう。即ち、かえって赤外光が自由に放射されるようになるという問題があった。
【０００６】
一方、熱放射を利用したディスプレイも報告されている（Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ Ｈｏｃｈｂｅｒｇ ｅｔ ａｌ．，“Ａ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｃａｎｄｅｓｃｅｎｔ ｄｉｓｐｌａｙ”， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｖｏｌ．ＥＤ−２０， Ｎｏ．１１， ｐ．１００２， １９７３）。この文献には、タングステンからの熱放射を利用したディスプレイの報告があるが、上述したように熱放射された光の中で可視光の占める割合は非常に少ないため、発光部の発光効率は非常に悪くディスプレイ全体としても効率の点で大きな問題があった。
【０００７】
また、光通信においては通常、レーザやＬＥＤが光源として用いられるが、より簡便で低コストの光源が望まれていた。また、シリコンＩＣやＬＳＩの分野においては光電子集積回路の実現が望まれているにも拘わらず、効率良く発光するシリコン素子がないため、ＬＳＩと発光素子とは別々に作成しなければならず応用範囲も限られていた。さらに、ＬＳＩの集積度の増加と共に複雑な電気配線の多層化は、今後の高集積化を阻む最大の障害の一つであった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、発光装置の効率は一般に低くこれを改善するための様々な工夫がなされてきたが、いずれも特性を大幅に向上するには至っていない。また、ＬＳＩでは電気配線が複雑になり高集積化を妨げていた。
【０００９】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、今までにない発光効率の優れた発光装置と、それを用いた各種のシステムを提供することにある。また、本発明の他の目的は、ＬＳＩの複雑な電気配線に代わる光配線を実現し得る光電子集積回路装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は次のような構成を採用している。
【００１１】
即ち本発明は、熱放射による発光により光を放射するフィラメントと、このフィラメントとは非接触で該フィラメントに近接配置されたフォトニック結晶構造とを具備してなる発光装置であって、前記フォトニック結晶構造により前記フィラメントにおける赤外光領域の光の放射を抑制し、且つ可視光領域の光の放射を増強させることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、上記構成の発光装置をアレイ状に並べて照明装置やディスプレイ装置を構成することを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、上記構成の発光装置をシリコンＩＣと集積して光電子集積回路装置を構成することを特徴とする。
【００１５】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００１６】
（１） フォトニック結晶構造として、誘電体膜の中に金属の球状体を規則的に配置したこと。また、誘電体膜中の一部に、金属の球状体を欠落させた欠陥領域を設けたこと。
【００１７】
（２） フォトニック結晶構造として、第１の誘電体膜の中にこれとは屈折率が異なる第２の誘電体の球状体又は空洞を規則的に配置したこと。また、第１の誘電体膜中の一部に、第２の誘電体の球状体又は空洞の一部を欠落させた欠陥領域を設けたこと。
【００１８】
（３） フォトニック結晶構造として、誘電体膜と金属膜との積層構造を形成したこと。また、誘電体膜と金属膜との積層構造に、１次元的又は２次元的な周期構造を持たせたこと。
【００１９】
（作用）
本発明においては、光を放射する発光部に近接した少なくとも一部にフォトニック結晶構造を設けることにより、所望の波長帯以外の光の放射の少なくとも一部を抑制するか、所望の波長帯の光の少なくとも一部を増強させたことを特徴としている。例えば、所望の波長帯として可視光を設定し、赤外光の放射を抑制することができる。
【００２０】
従来の熱放射の発光スペクトルは、プランクの式により決まる黒体放射スペクトルに放射体材料固有の放射率をかけたもので表わされる。発光部の温度が２０００℃程度では、スペクトルに占める可視光の割合はごく僅かである。ここで言うフォトニック結晶構造は、２種類以上の媒質を周期的或いは周期をずらして１ペア以上並べることにより、光学的バンドを形成し光の異方性や分散性を持たせたり、バンドギャップを生成して、ある特定の波長域の光が伝播できないようにした人工結晶である。結晶構造は一次元的なものから３次元的なものまで可能である。
【００２１】
フォトニックバンドギャップの概念は文献（Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，５８， ｐ２０５９， １９８７）で提案された。このフォトニック結晶を前述の発光部に近接して配置することにより、ある特定の波長域の光が発光部から放射できないようにすることができる。例えば、光学的バンドギャップを赤外域に設定しておけば、赤外光の放射を抑止することができ、可視光の割合を増すことができる。
【００２２】
また本発明は、光を放出する発光部に近接した少なくとも一部にフォトニック結晶構造を設けることにより、所望の波長帯の光の偏光状態を制御するか、所望の波長帯の光の放射パターンを制御したことを特徴とする。この場合には、所望の波長帯の放射光のうち実際に利用できる光を増加して、実質的な発光効率を増大できる。
【００２３】
以上は可視光に適用した場合であるが、同様にして光通信で用いる近赤外光、特に１３００ｎｍや１５５０ｎｍ付近の光を効率良く発光できるように設定することも可能である。
【００２４】
また、本発明はフォトニックバンド構造が少なくとも金属を含むことを特徴とする。この場合には、特に光学的バンドギャップを大きくすることができ、可視光から遠赤外までの広い波長域に渡って発光スペクトルを制御することができる。このため、より高効率の光源が可能となる。さらに本発明では、これらの高効率な発光装置をアレイ状に並べることにより、高効率のみならず高輝度の照明装置やディスプレイ装置を実現することができるようになる。特に、偏光を制御した光源を液晶ディスプレイ装置のバックライトとして使用した場合、従来は無駄になっていた偏光成分がもともとないため、効率の大幅な向上が達成できる。
【００２５】
また本発明では、熱放射を起こす発光体領域を例えばシリコンやタングステンで形成することにより、シリコンＬＳＩと光素子とを容易に集積することができるようになる。さらに本発明では、ＬＳＩ上に形成した熱放射を利用した発光素子とフォトニック結晶構造を利用した光導波路などとを組み合わせて従来の電気配線の少なくとも一部を光配線に置き換えることにより配線を単純化でき、ＬＳＩの集積度を上げることが容易になる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる発光装置の構造を説明するためのもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【００２８】
図中１０１はタングステンフィラメントであり、このフィラメント１０１の両端はそれぞれ金電極１０２につながっている。金電極１０２は後述するように、絶縁スペーサ１０６を介して基板上に固定されている。また、ガラス基板１０３上に球状のＡｇ（銀）１０４とＴｉＯ２ １０５からなる３次元フォトニック結晶構造を設けてある。そして、タングステンフィラメント１０１はＳｉＯ２ スペーサ１０６により空中に保持されている。
【００２９】
具体的には、ガラス基板１０３上に、ＴｉＯ２ 膜１０５中に球状（直径が数ｎｍ〜数十ｎｍ）のＡｇ１０４を規則的に配置してなる３次元の第１のフォトニック結晶構造１１０が形成され、その上にＳｉＯ２ スペーサ１０６を介して２つの金電極１０２が所定距離離して取着されている。これらの金電極１０２間に、タングステンフィラメント１０１が接続されている。
【００３０】
また、第１のフォトニック結晶構造１１０上の一部には、フィラメント１０１の両端部を除く領域を覆うように、第１のフォトニック結晶構造１１０と同様な構成の第２のフォトニック結晶構造１２０が形成されている。なお、この第２のフォトニック結晶構造１２０には、フィラメント１０１と直接接しないようにフィラメント方向に沿って空洞（溝）が設けられている。これによりフィラメント１０１は、フォトニック結晶構造１１０，１２０と直接接することなく、その端部を除いてフォトニック結晶構造１１０，１２０で囲まれるものとなっている。
【００３１】
このような構成において、フォトニック結晶構造部分の反射率は、図１６のように波長１μｍ以上ではほぼ１００％であり、波長０．１μｍ付近ではほぼ０％であった。そして、タングステンフィラメント１０１に電流を流して発光スペクトルを測定したところ、フォトニック結晶構造のないものでは、図１７の点線で示したように赤外光の放射が主であった。これに対し、本実施形態のようにフォトニック結晶構造を付加したものでは、赤外光の放射が抑えられ、可視光の強度が上がっていた。これは、フォトニック結晶構造によりフィラメント１０１からの赤外光の放射が抑制されたためであると考えられる。
【００３２】
発光効率としては、従来の赤外リフレクター付きのもので５０ ｌｍ／ｗであったが、本実施形態では１００ ｌｍ／ｗが得られた。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係わる発光装置の構造を説明するためのもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３３】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、フォトニック結晶構造の構成にある。即ち、第１の実施形態では球状の金属を誘電体で取り囲んでいたが、本実施形態では２次元的に周期構造を持たせた薄い層を積層してフォトニック結晶構造を構成している。図中２０１は厚さ約２０ｎｍのＡｇ膜、２０２は厚さ約２０ｎｍのＴｉＯ２ 膜、２１０は第１のフォトニック結晶構造、２２０は第２のフォトニック結晶構造である。
【００３４】
本実施形態のフォトニック結晶構造を作成するには、例えばガラス基板１０３上にＴｉＯ２ 膜２０２を比較的厚く（２０ｎｍよりも厚く）形成した後、このＴｉＯ２ 膜２０２の表面に例えば６角形のレジストパターンを配列し、これをマスクにＴｉＯ２ 膜２０２をその途中までテーパ状にエッチングする。その後は、下地の形状が反映するような堆積法を用いてＡｇ膜２０１とＴｉＯ２ 膜２０２を順次積層することにより、２１０のようなフォトニック結晶構造が得られる。
【００３５】
本実施形態の構造においても、フォトニック結晶構造により赤外光の放射が抑制されるため、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３６】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係わる発光装置の要部構成を示す鳥瞰図である。
【００３７】
図中の３０１はタングステンフィラメントであり、このフィラメント３０１と同軸的に筒状のフォトニック結晶構造が配設されている。フォトニック結晶構造は、厚さ約２０ｎｍのＴｉＯ２ 膜３０２、厚さ約２０ｎｍのＡｇ膜３０３、厚さ約２０ｎｍのＴｉＯ２ 膜３０２を積層した三層構造となっている。そして、フォトニック結晶構造は支持棒３０４で支持されている。
【００３８】
このような構成でも、フォトニック結晶構造により赤外光の放射が抑制されるため、第１の実施形態とほぼ同様な効果を得ることができる。
【００３９】
（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係わる発光装置の構造を説明するためのもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。なお、図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４０】
本実施形態が先に説明した第２の実施形態と異なる点は、フォトニック結晶構造の構成にある。即ち、第２の実施形態ではフォトニック結晶構造を２次元的に形成したが、本実施形態ではフォトニック結晶構造を１次元的に周期構造を持たせて形成している。
【００４１】
この場合には、第２の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、熱放射であるにも拘わらず、偏光方向の揃った光を効率良く発生させることが可能である。
【００４２】
（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態に係わる発光装置の構造を説明するためのもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４３】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、フォトニック結晶構造の構成にある。即ち本実施形態では、上側のフォトニック結晶構造１２０の一部で、球状の金属であるＡｇを欠落させた、いわゆる欠陥領域５０１を形成している。
【００４４】
この場合には、第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、欠陥領域５０１に光が集中するため、この欠陥領域５０１から光を効率良く取り出すことができる。即ち、素子の上方に指向性の良い光ビームが得られた。
【００４５】
（第６の実施形態）
図６は、本発明の第６の実施形態に係わる発光装置の構造を示す斜視図である。
【００４６】
図中の６０６はＳｉＯ２ 膜であり、このＳｉＯ２ 膜６０６上にＳｉからなるフィラメント６０１が橋のように配設されている。即ち、ＳｉＯ２ 膜６０６の上に所定距離離して２つの電極６０２が形成され、これらの電極６０２間にフィラメント６０１が接続されている。フィラメント６０１の中央部分が発光領域６１１であり、この部分を除いてフィラメント６０１には周期的な孔６１２が貫通するように設けられている。
【００４７】
この場合、フィラメント６０１に設けた周期的な孔６１２が１次元のフォトニック結晶構造として機能することになり、フィラメント６０１からの遠赤外光の光放射は抑制され、効率の良い可視光発光が得られる。
【００４８】
（第７の実施形態）
図７は、本発明の第７の実施形態に係わる発光装置の構造を示す断面図である。なお、図６と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４９】
本実施形態が先に説明した第６の実施形態と異なる点は、フィラメント６０１に直交する方向にも、Ｓｉフィラメント７０１及び孔７１２からなるフォトニック結晶構造を設けた点にある。なお、フィラメント７０１側に設ける孔７１２の配列は、光学的欠陥を生じるように発光領域を挟んで位相をずらしてある。
【００５０】
本実施形態の構成では、フィラメント７０１を設けることにより出射ビームの形状が同心円状に近くなり、第６の実施形態よりも更に効率の良い可視光発光が得られた。
【００５１】
（第８の実施形態）
図８は、本発明の第８の実施形態に係わる発光装置の構造を示す断面図である。
【００５２】
本実施形態はＭＩＳ型の発光装置であり、ＳｉＣ結晶８０２上に絶縁層８０４を介して金属電極８０５が形成され、ＳｉＣ結晶８０２の裏面側には所定距離離間して金属電極８０１がそれぞれ形成されている。そして、２つの金属電極８０１間のＳｉＣ結晶８０２内には空洞８０３が規則的に配置され、これによりフォトニック結晶構造が構成されている。
【００５３】
本実施形態の構成では、効率の良い青色発光が得られた。
【００５４】
（第９の実施形態）
図９は、本発明の第９の実施形態に係わる有機ＥＬ発光装置の構造を示す断面図である。
【００５５】
図中９１５は発光層であり、この発光層９１５は電子輸送層９１４と正孔輸送層９１６で挟まれている。上側の電子輸送層９１４上には透明電極９１２が形成され、この透明電極９１２は一部延在して設けられ電極支持台９１３に固定されている。下側の正孔輸送層９１６の下面には透明電極９１１が形成されており、この透明電極９１１は後述する基板上に形成されている。
【００５６】
ガラス基板９０３上にはＳｉＯ２ 膜９０５中に球状のＴｉＯ２ ９０４を規則的に配置してなる第１のフォトニック結晶構造が形成され、この上に前記電極９１１及び電極支持台９１３が設置されている。また、第１のフォトニック構造上には、ＥＬ発光部を覆うように、第１のフォトニック結晶構造と同様の構成の第２のフォトニック構造が形成されている。第２のフォトニック構造において、第５の実施形態と同様に、光学的欠陥を設けるためにＴｉＯ２ ９０４の球体を形成していない欠陥領域５０１が設けられている。
【００５７】
本実施形態の構成においては、フォトニック構造の付加により、効率の良い、かつ指向性の強い青色発光が得られた。
【００５８】
（第１０の実施形態）
図１０は、本発明の第１０の実施形態に係わる電界放出による蛍光体発光装置の構造を示す断面図である。
【００５９】
図中１００１は基板であり、この基板１００１上にカソード電極１００２が形成され、その上にエミッタ１００５がアレイ状に配列されている。エミッタ１００５間のカソード電極１００２上には絶縁層１００３が形成され、この絶縁層１００３上にゲート電極１００４が形成されている。
【００６０】
一方、上記のアレイ基板と対向する位置に配置される対向基板は、ガラス基板１００９の表面に、蛍光体１００７中に球状の空洞１００８を規則的に配置してなるフォトニック結晶構造を形成し、その上にアルミ薄膜１００６を形成して構成されている。そして、アルミ薄膜１００６側がアレイ基板側に対向するようになっている。
【００６１】
本実施形態の構成の場合は、空洞によるフォトニックバンド効果で効率の良い蛍光体発光が得られた。
【００６２】
（第１１の実施形態）
図１１は、本発明の第１１の実施形態に係わる照明装置の構造を示す平面図である。
【００６３】
図中１１０１は第１の実施形態で示した発光装置であり、基板１１００上にアレイ状に並べてある。それぞれの発光装置１１０１は電気配線１１０２により並列に接続されている。発光装置１１０１としては、第２，第４，第５の実施形態のようなものを用いることも勿論可能である。
【００６４】
このような構成では、個々の発光装置１１０１の効率向上により照明装置としても高効率の発光が得られた。
【００６５】
（第１２の実施形態）
図１２は、本発明の第１２の実施形態に係わるディスプレイ装置の構成を示す等価回路図である。
【００６６】
先の第１１の実施形態で示したアレイ状の発光装置の回路構成をこのように変えることで、個々の発光装置の選択的な駆動が可能となり、これにより高効率のディスプレイを実現することができる。なお、１２０１は発光装置、１２０２はダイオード、１２０３は電気配線である。
【００６７】
（第１３の実施形態）
図１３は、本発明の第１３の実施形態に係わるディスプレイ装置の動作を説明する模式図である。
【００６８】
バックライト付きの液晶ディスプレイでは、発光素子１３０１からの光は偏光板１３０２を通って一定の偏光の光のみが液晶パネル１３０３に到達する。そして、液晶パネル１３０３で偏光が変化した場合のみ、２つめの偏光板１３０４を透過し発光点となる。
【００６９】
このように、発光素子１３０１からの光は最初の偏光板１３０２で半分がカットされるため、通常は複雑な光学系を用いて偏光を揃えることが必要である。これに対し、発光素子１３０１に第４の実施形態のような発光装置を用いることにより、発光素子１３０１自体から偏光の揃った光が最初から得られる。従って、偏光を揃えるための複雑な光学系を用いる必要はなく、極めて低コストで高効率のディスプレイ装置が実現可能となる。
【００７０】
（第１４の実施形態）
図１４は、本発明の第１４の実施形態に係わるディスプレイ装置の構造を示す平面図である。１４０１はＳｉ基板であり、このＳｉ基板上にデータ処理用のＩＣ１４０２、選択駆動が可能な発光素子１４０４、発光素子１４０４を駆動するためのＩＣ１４０３が集積配置されている。
【００７１】
この場合の発光素子１４０４としては、先に説明した各実施形態の発光装置を用いることができる。特に、Ｓｉやタングステンをフィラメントとして熱放射を利用する場合には、シリコンＬＳＩとの集積化が容易になり低コストでディスプレイ装置が得られる。
【００７２】
（第１５の実施形態）
図１５は、本発明の第１５の実施形態に係わる光電子集積回路の構造を示す平面図である。
【００７３】
図中の１５０１はＳｉ基板、１５０４は受光素子、１５０５は発光素子、１５０６及び１５０７はシリコンＩＣである。また、１５０２はフォトニック結晶構造を実現するための空洞、１５０３は光学的欠陥を形成した領域であり、光の導波路として作用する。
【００７４】
このような構成において、ＩＣ１５０６の入力部へ入力があるとその出力部に電圧が発生し、ここに接続された発光素子１５０５が発光する。発光素子１５０５からの光は、光導波路１５０３を通って受け側のＩＣ１５０７に入力される。このとき、フォトニック結晶構造を利用した導波構造を採用しているので、光導波路１５０３を急角度に曲げても損失なく導波させることができる。受け側のＩＣ１５０７では光導波路を通ってきた光を受光素子１５０４で受光し、これにより出力信号が発生する。
【００７５】
本実施形態の構成では、電子素子と光素子を微細に集積化することが容易で、光による配線が可能となる。また、３次元的に集積回路を構成することも可能であり、より複雑な機能を持たせることもできる。
【００７６】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。熱放射による発光を行うためのフィラメントの材質は、ＷやＳｉに限るものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。例えば、ＳｉＣ，ＧａＮ，ＡｌＮ，炭素，ダイヤモンドを使うこともできる。また、フォトニック結晶構造を実現するための材料も、仕様に応じて適宜変更可能である。
【００７７】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００７８】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、熱放射により光を放射する発光装置において、該熱放射をしている物体に近接した一部にフォトニックバンド構造を有することにより効率良い光の放射を起こすことができる。このため、従来得られなかった高効率の発光装置を実現することができる。その結果、照明装置やディスプレイ装置、或いは光情報処理システムで用いる発光装置やシステムを低コストで得られる。また、シリコンＬＳＩと光素子とを容易に集積することができ、ＬＳＩの集積度を上げることも可能である。その信頼性も高く、本発明の有用性は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる発光装置の構造を示す平面図及び断面図。
【図２】第２の実施形態に係わる発光装置の構造を示す平面図と断面図。
【図３】第３の実施形態に係わる発光装置の要部を示す鳥瞰図。
【図４】第４の実施形態に係わる発光装置の構造を示す平面図と断面図。
【図５】第５の実施形態に係わる発光装置の構造を示す平面図と断面図。
【図６】第６の実施形態に係わる発光装置の構造を示す鳥瞰図。
【図７】第７の実施形態に係わる発光装置の構造を示す鳥瞰図。
【図８】第８の実施形態に係わる発光装置の構造を示す断面図。
【図９】第９の実施形態に係わる発光装置の構造を示す断面図。
【図１０】第１０の実施形態に係わる発光装置の構造を示す断面図。
【図１１】第１１の実施形態に係わる照明装置の構造を示す平面図。
【図１２】第１２の実施形態に係わるディスプレイ装置の回路を示す図。
【図１３】第１３の実施形態に係わるディスプレイ装置の動作を説明する図。
【図１４】第１４の実施形態に係わるディスプレイ装置の構造を示す正面図。
【図１５】第１５の実施形態に係わる光電子集積回路の模式構造を示す平面図。
【図１６】本発明の効果を示すための反射特性を示す図。
【図１７】本発明の効果を示すための図。
【図１８】従来の照明用電球を説明するための図。
【図１９】従来の照明用電球のフィラメント構造を示す平面図と断面図。
【符号の説明】
１０１，３０１…タングステンフィラメント
１０２，６０２，８０１，８０５…電極
１０３，９０３，１００９…ガラス基板
１０４…Ａｇ（球状体）
１０５，２０２，３０２…ＴｉＯ２ 膜
１０６…ＳｉＯ２ スペーサ
１０７…空洞（溝）
１１０，１２０，２１０，２２０…フォトニック結晶構造
２０１，３０３…Ａｇ膜
３０４…支持棒
５０１…光学的欠陥領域
６０６，９０５…ＳｉＯ２ 膜
６０１，７０１…Ｓｉフィラメント
６１１…発光領域
６１２，７１２…孔
８０２…ＳｉＣ結晶
８０３，１００８…球状の空洞
８０４…絶縁層
９０４…ＴｉＯ２ 球体
９１１…透明電極
９１２…透明電極
９１３…電極支持台
９１４…電子輸送層
９１５…発光層
９１６…正孔輸送層
１００１…アレイ側基板
１００２…カソード電極
１００３…絶縁層
１００４…ゲート
１００５…エミッタ
１００６…アルミ薄膜
１００７…蛍光体
Claims (5)
- 熱放射による発光により光を放射するフィラメントと、このフィラメントとは非接触で該フィラメントに近接配置されたフォトニック結晶構造とを具備してなり、
前記フォトニック結晶構造により前記フィラメントにおける赤外光領域の光の放射を抑制し、且つ可視光領域の光の放射を増強させることを特徴とする発光装置。 - 前記フォトニック結晶構造は、前記フィラメントを囲むように設けられていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
- 前記フォトニック結晶構造は、前記可視光領域の光の偏光状態を制御することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
- 請求項１記載の発光装置をアレイ状に並べたことを特徴とするディスプレイ装置。
- 請求項１記載の発光装置を、シリコンＩＣと集積したことを特徴とする光電子集積回路装置。
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