JP2014082271A - Light-emitting element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light-emitting element having a simple element structure which enables shape forming and directional control of light beams by the light-emitting element alone.SOLUTION: A light-emitting element 1 is a light-emitting element which emits light from a flat surface comprises: a p-type semiconductor layer 20 stacked on a surface of a luminescent layer 30; and a p-type electrode layer 50 which is formed on a surface of the p-type semiconductor layer 20 where columnar bodies are not formed and which implants holes into the p-type semiconductor layer 20 and functions as a light-shielding film. Light emitted from the luminescent layer 30 is emitted from emission surfaces of capitals of the columnar bodies which are formed on the surface of the p-type semiconductor layer 20. Three columnar bodies 11, 12, 13 are formed to have a height H and other three columnar bodies 14, 15, 16 are formed to have a height (H-d). A diameter of the columnar body is equal to or larger than a wavelength of radiation light and a distance between the columnar bodies is equal to or smaller than a coherence length of the radiation light. A shape of light beams is formed by an interference effect of each emission surface and a radiation direction of the light beams is controlled by a ratio of a difference din the height to the height H of the columnar bodies.

Description

本発明は、発光素子に係り、特に、立体映像表示装置に用いることができる発光素子に関する。   The present invention relates to a light emitting element, and more particularly to a light emitting element that can be used in a stereoscopic image display apparatus.

従来、像再生型立体表示の代表的な方式として、ホログラフィ、パララクスステレオグラム、レンチキュラシート、インテグラルフォトグラフィ（以下ＩＰと称す）等が知られている。ホログラフィを除く、これらの方式の実用化に関しては、コヒーレント光を必要としない簡易な方式で早期に実現可能と考えられている。また、ＩＰは水平方向に加え、垂直方向の視差情報も表現することができるため、自然な立体表示が可能な装置の早期実現に有望であると考えられている（例えば非特許文献１参照）。   Conventionally, holography, parallax stereogram, lenticular sheet, integral photography (hereinafter referred to as IP), and the like are known as typical methods of image reproduction type stereoscopic display. Regarding the practical application of these methods, excluding holography, it is thought that it can be realized at an early stage with a simple method that does not require coherent light. Moreover, since IP can express parallax information in the vertical direction in addition to the horizontal direction, it is considered promising for early realization of a device capable of natural stereoscopic display (see, for example, Non-Patent Document 1). .

ＩＰの表示システムは、光線を再生する多数の微小なレンズ（要素レンズ）を配列したレンズアレイと、各レンズに対応した画像（要素画像）を多数並べて表示するディスプレイとによって構成される。観察者は、１つの要素レンズに対応する１つの要素画像から、観察者の位置に応じた部分的な情報を得、要素画像を要素レンズの数だけ並べた立体像を観察する。ＩＰの表示システムにおいて、立体像の解像度は、要素レンズの解像度と、要素画像の解像度と、観視距離とで決まる。また、ＩＰの表示システムの視域角については、要素レンズの性能が支配的な要因になる。このような事情から、実用的な立体像をＩＰ方式で生成するには、発光素子と光学素子の高精細化・高機能化が不可欠である（例えば非特許文献２参照）。   The IP display system includes a lens array in which a large number of minute lenses (element lenses) that reproduce light rays are arranged, and a display that displays a large number of images (element images) corresponding to each lens. The observer obtains partial information corresponding to the position of the observer from one element image corresponding to one element lens, and observes a stereoscopic image in which element images are arranged by the number of element lenses. In the IP display system, the resolution of the stereoscopic image is determined by the resolution of the element lens, the resolution of the element image, and the viewing distance. Further, regarding the viewing zone angle of the IP display system, the performance of the element lens is a dominant factor. Under such circumstances, in order to generate a practical stereoscopic image by the IP method, it is indispensable to increase the definition and function of the light emitting element and the optical element (for example, see Non-Patent Document 2).

しかし、発光素子と光学素子の高精細化が進んでも、レンズを使用する光学系には、レンズの回折限界や焦点距離のように原理的に取り除くことができない性能限界も存在する。例えばディスプレイの画素サイズが、要素レンズの最小スポットサイズより小さくなると、映像ボケが発生するため、同時にスポットサイズも小さくする必要があるが、スポットサイズをＡｂｂｅの回折限界より小さくすることは原理的に不可能である。   However, even if the definition of the light emitting element and the optical element is increased, an optical system using a lens has performance limits that cannot be removed in principle, such as the diffraction limit and focal length of the lens. For example, if the pixel size of the display is smaller than the minimum spot size of the element lens, image blurring occurs, so it is necessary to reduce the spot size at the same time, but in principle it is necessary to make the spot size smaller than the Abbe diffraction limit. Impossible.

また、レンズを用いたシステムでの視域角は、要素レンズの焦点距離に反比例するが、視域角を大きくするために要素レンズの焦点距離を無限に小さくすることはできない。さらに、視域角は、要素レンズのピッチに比例もするため、要素レンズのピッチを大きくすれば視域角の拡大が可能であるが解像度が劣化するので、レンズを用いた光学系における解像度と視域角には、トレードオフの関係がある。   The viewing zone angle in a system using a lens is inversely proportional to the focal length of the element lens, but the focal length of the element lens cannot be made infinitely small in order to increase the viewing zone angle. Furthermore, since the viewing zone angle is proportional to the pitch of the element lens, if the pitch of the element lens is increased, the viewing zone angle can be enlarged, but the resolution deteriorates. There is a trade-off relationship between viewing zone angles.

ＩＰの表示システムとは直接関係ないものの、発光素子の分野においては、自発光素子であるＬＥＤ（Light Emitting Diode）は、近年、その発光特性が飛躍的に進歩したことから、各種用途で注目を集めている。ＬＥＤは、放射される光の直進性が良いため、照明器具等への応用においては拡散させる仕組みが必要となる。ＬＥＤの放射光を拡散させる技術がさらに進み、光の放射される方位の制御が可能となれば、ディスプレイ等への応用も可能となる。   Although not directly related to IP display systems, in the field of light-emitting elements, LEDs (Light Emitting Diodes), which are self-emitting elements, have attracted attention in various applications because their light-emitting characteristics have advanced dramatically in recent years. Collecting. Since LEDs have good linearity of emitted light, a mechanism for diffusing is required for application to lighting equipment and the like. If the technology for diffusing the emitted light of the LED further advances and the direction in which the light is emitted can be controlled, it can be applied to a display or the like.

ＬＥＤを用いたディスプレイではないが、関連技術として、例えば特許文献１には、液晶ディスプレイからなる画像表示手段の手前に、液晶デバイスを用いた空間光変調素子等のビーム偏向手段を設けることで、画素からの光を偏向させて、視点位置の異なる複数の２次元画像から立体像を表示する立体表示装置が記載されている。
また、ＬＥＤから取り出す光の方向を制御する技術として、ＬＥＤ光の出射角度を調整可能な発光装置が特許文献２に記載されている。 Although it is not a display using an LED, as a related technique, for example, in Patent Document 1, by providing a beam deflection unit such as a spatial light modulation element using a liquid crystal device in front of an image display unit composed of a liquid crystal display, There is described a stereoscopic display device that displays a stereoscopic image from a plurality of two-dimensional images having different viewpoint positions by deflecting light from pixels.
Further, as a technique for controlling the direction of light extracted from an LED, Patent Document 2 discloses a light emitting device capable of adjusting the emission angle of LED light.

特開平６−１１０３７４号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-110374 特開２００８−１４７１８２号公報JP 2008-147182 A

「超高精細映像技術・立体映像技術」、電子情報通信学会誌、2010年5月、Vol.93, No.5, p.372-381"Ultra-high-definition image technology and stereoscopic image technology", IEICE Journal, May 2010, Vol.93, No.5, p.372-381 財団法人機械システム振興協会・財団法人光産業技術振興協会、「自然な立体視を可能とする空間像の形成に関する調査研究報告書−要旨−」、システム技術開発調査研究19-R-5、2008年3月、p.14-16Japan Association for Mechanical Systems Promotion and Japan Photonics Technology Promotion Association, “Survey Report on Formation of Spatial Image that Enables Natural Stereoscopic Viewing—Summary”, System Technology Development Survey 19-R-5, 2008 March, p.14-16

しかしながら、特許文献２に記載の発光装置は、ＬＥＤから取り出す光の方向を制御するために多種の部品が必要とされる。また、ディスプレイに応用して発光素子ごとの方位制御を行おうとする場合、多数の微細な発光素子を形成する必要がある。また、これら微細な発光素子の放射光を正面以外の方向へ出射することはきわめて困難である。
さらに、微細な構造を備えたＬＥＤから取り出す光の方向を制御できる技術は知られていないのが現状である。 However, the light emitting device described in Patent Document 2 requires various components in order to control the direction of light extracted from the LED. In addition, when applying to a display to control the direction of each light emitting element, it is necessary to form a large number of fine light emitting elements. In addition, it is very difficult to emit the emitted light of these fine light emitting elements in directions other than the front.
Furthermore, there is no known technology that can control the direction of light extracted from an LED having a fine structure.

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、発光素子単体で光線の成形と方向制御とを可能とする簡易な素子構造を有した発光素子を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a light-emitting element having a simple element structure that enables light beam shaping and direction control with a single light-emitting element. To do.

前記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載の発光素子は、発光層と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、複数の柱体と、ｐ電極層と、を備え、前記複数の柱体のうち少なくとも１本の柱体の高さがその他の柱体の高さと異なり、前記ｐ電極層は、前記複数の柱体で取り囲む前記所定領域の外側領域に少なくとも設けられることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a light-emitting element according to claim 1 of the present invention includes a light-emitting layer, an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, a plurality of pillars, and a p-electrode layer. And the height of at least one of the plurality of columns is different from the height of the other columns, and the p-electrode layer is provided at least in an outer region of the predetermined region surrounded by the plurality of columns. It is characterized by being able to.

かかる構成によれば、発光素子は、ｐ電極層に正電圧が印加されることで、ｐ電極層よりｐ型半導体層に正孔を注入する。発光素子は、これとともに、ｎ型半導体層に接続された電極に負電圧が印加されることで、当該電極よりｎ型半導体層に電子が注入される。発光素子は、ｐ型半導体層に注入された正孔がｐ型半導体層内を拡散しながらｐ型半導体層とｎ型半導体層との接合部である発光層へと移動し、一方、ｎ型半導体層に注入された電子がｎ型半導体層内を接合部である発光層へと移動する。そして、発光素子は、発光層において正孔と電子とが再結合することにより発光する。   According to this configuration, the light emitting element injects holes from the p electrode layer into the p-type semiconductor layer by applying a positive voltage to the p electrode layer. Along with this, when a negative voltage is applied to the electrode connected to the n-type semiconductor layer, electrons are injected from the electrode into the n-type semiconductor layer. In the light-emitting element, holes injected into the p-type semiconductor layer move to the light-emitting layer, which is a junction between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, while diffusing in the p-type semiconductor layer. The electrons injected into the semiconductor layer move in the n-type semiconductor layer to the light emitting layer which is a junction. The light emitting element emits light by recombination of holes and electrons in the light emitting layer.

発光素子は、発光層で発光し、ｐ型半導体層に入射した光は、一部が、ｐ型半導体層の上側に突出して設けられた複数の柱体にそれぞれ入射する。そして、複数の柱体の内部をそれぞれ伝搬して、柱頭の射出面からそれぞれ空気中に出射される。このとき、それぞれの柱体から出射された光が空気中で干渉することによって、光線を形成する。また、ここで、複数の柱体のうち、少なくとも一つの柱体の高さを他の柱体の高さと異ならせているので、複数の柱体間での柱の高さの差に応じて、発光の方向を変えることができる。   The light emitting element emits light from the light emitting layer, and part of the light incident on the p-type semiconductor layer is incident on a plurality of pillars provided to protrude above the p-type semiconductor layer. And it propagates inside each of the plurality of pillars, and is emitted into the air from the exit surface of the stigma. At this time, light emitted from each column body interferes in the air to form a light beam. Also, since the height of at least one of the plurality of columns is different from the height of the other columns, depending on the difference in column height between the plurality of columns. The direction of light emission can be changed.

仮に各柱体が全て同じ高さである場合には、光線は、素子表面における各柱体の位置をすべて繋いだ軌跡の平面図形の重心位置から、素子表面と垂直な方向に向かう線上に形成されることになる。一方、かかる本発明の発光素子は、複数の柱体のうち、少なくとも一つの柱体の高さを他の柱体の高さと異ならせているので、光の出射方向を素子表面と垂直な方向から傾斜させることができる。   If all the columns are the same height, the light beam is formed on a line that goes from the barycentric position of the plane figure of the locus connecting all the positions of the columns on the element surface to the direction perpendicular to the element surface. Will be. On the other hand, in the light-emitting element according to the present invention, the height of at least one of the plurality of pillars is different from the height of the other pillars, and thus the light emission direction is a direction perpendicular to the element surface. Can be tilted from.

また、発光素子は、平坦な表面に配置された複数の柱体間において各射出面から出射した光が干渉する。そのため、複数の柱体を適切に配置することで、相互の光の干渉効果によって、発光素子で成形される光線が広がらないようにすることができる。   In the light emitting element, light emitted from each exit surface interferes between a plurality of columns arranged on a flat surface. Therefore, by appropriately arranging the plurality of pillars, the light beam formed by the light emitting element can be prevented from spreading due to the mutual light interference effect.

ここで、発光素子は、ｎ型半導体層中の電子の移動度が、ｐ型半導体層中の正孔の移動度よりもはるかに大きいので、ｐ電極層と、ｎ型半導体層に接続された電極とに同時に電圧を印加した場合、ｐ型半導体層から発光層に正孔が到達するよりも、ｎ型半導体層から発光層に電子が到達する方が早い。
そのため、正孔と電子との再結合は、発光素子の発光層に正孔が到達した時点で発生する。言い換えれば、発光層は、正孔が到達した領域でのみ発光することになる。この正孔が到達した領域とは、発光層において、ｐ電極層の直下の領域のみならず、正孔がｐ型半導体層中を拡散しながら移動することにより、ｐ型半導体層の厚み程度、発光素子の内側方向に広がるため、ｐ電極層が設けられていない柱体の直下の領域の一部も含まれる。
このように、発光素子は、複数の柱体の直下で発光させることができるので、発光層で発光した光を、複数の柱体に確実に入射させることができる。 Here, since the mobility of electrons in the n-type semiconductor layer is much larger than the mobility of holes in the p-type semiconductor layer, the light-emitting element is connected to the p-electrode layer and the n-type semiconductor layer. When a voltage is applied simultaneously to the electrodes, it is faster for electrons to reach the light emitting layer from the n-type semiconductor layer than for holes to reach the light emitting layer from the p-type semiconductor layer.
Therefore, recombination of holes and electrons occurs when the holes reach the light emitting layer of the light emitting element. In other words, the light emitting layer emits light only in the region where the holes have reached. The region where the holes have reached is not only the region immediately below the p-electrode layer in the light-emitting layer, but also the thickness of the p-type semiconductor layer by moving the holes while diffusing in the p-type semiconductor layer, Since it extends in the inner direction of the light emitting element, a part of a region immediately below the column body where the p-electrode layer is not provided is also included.
Thus, since the light emitting element can emit light immediately below the plurality of pillars, the light emitted from the light emitting layer can surely enter the plurality of pillars.

また、発光素子は、ｐ電極層が、ｐ型半導体層の表面に、複数の柱体で取り囲む所定領域の外側領域に少なくとも設けられるので、発光層で発光し、ｐ型半導体層の表面に設けられたｐ電極層に入射した光が、遮光性を有するｐ電極層によって遮蔽されることにより、空気中に放射されないようにすることができる。そのため、発光素子は、光線を成形する際に、複数の柱体の射出面からそれぞれ出射した光が、柱体以外の素子表面から放射される妨害光と余分な干渉を引き起こすことを抑制することができる。   In the light-emitting element, the p-electrode layer is provided on the surface of the p-type semiconductor layer at least in a region outside the predetermined region surrounded by the plurality of pillars. The light that has entered the p-electrode layer is shielded by the light-shielding p-electrode layer, so that it can be prevented from being emitted into the air. Therefore, when the light emitting element molds a light beam, the light emitted from the exit surfaces of the plurality of column bodies is prevented from causing extra interference with disturbing light emitted from the element surfaces other than the column bodies. Can do.

また、本発明の請求項２に記載の発光素子は、請求項１に記載の発光素子において、前記ｐ電極層の表面は、前記ｐ型半導体層の表面よりも上側に位置し、かつ、最も高さが小さい前記柱体の前記射出面よりも下側に位置することとした。   The light-emitting element according to claim 2 of the present invention is the light-emitting element according to claim 1, wherein the surface of the p-electrode layer is located above the surface of the p-type semiconductor layer, and most The height of the column body is set lower than the exit surface.

かかる構成によれば、ｐ型半導体層中を伝搬して発光素子表面に到達した光は、ｐ電極層によって遮蔽され、各柱体中を伝搬して柱頭の射出面から出射される放射光は、ｐ電極層によって遮蔽されずに、互いに干渉して光線を形成することになる。また、最も高さが小さい柱体の射出面がｐ電極層の表面よりも下側に位置すると、射出面から放出された光がｐ電極層の側面で反射することになるので、放射光の光線方向の制御が高難度となるが、最も高さが小さい柱体の射出面がｐ電極層の表面よりも上側に位置すると、射出面から放出された光がｐ電極層の影響を受けないので、放射光の光線方向の制御がしやすくなる。   According to such a configuration, the light that has propagated through the p-type semiconductor layer and reached the surface of the light emitting element is shielded by the p electrode layer, and the radiated light that has propagated through each column body and emitted from the exit surface of the column head is The light beams are formed by interfering with each other without being shielded by the p-electrode layer. Further, when the emission surface of the column body having the smallest height is positioned below the surface of the p electrode layer, the light emitted from the emission surface is reflected by the side surface of the p electrode layer. Although the control of the light beam direction is highly difficult, the light emitted from the emission surface is not affected by the p electrode layer when the emission surface of the column with the smallest height is positioned above the surface of the p electrode layer. Therefore, it becomes easier to control the direction of the emitted light.

また、本発明の請求項３に記載の発光素子は、請求項１または請求項２に記載の発光素子において、前記ｐ電極層の下面から前記発光層の表面までの距離は、前記柱体内部における放射光の波長以上であることとした。   The light-emitting element according to claim 3 of the present invention is the light-emitting element according to claim 1 or 2, wherein the distance from the lower surface of the p-electrode layer to the surface of the light-emitting layer is the inside of the column body. It was decided that it is longer than the wavelength of the emitted light.

かかる構成によれば、発光素子は、ｐ電極層の下面から発光層の表面までの距離が、柱体内部における放射光の波長以上である、言い換えれば、ｐ電極層と発光層との間に介在するｐ型半導体層の厚さが柱体内部における放射光の波長以上であるので、ｐ電極層からｐ型半導体層に注入された正孔が発光層に到達するまでの間に、ｐ型半導体層中で発光素子の内側に十分に拡散させることができる。そのため、ｐ電極層からｐ型半導体層に注入された正孔を、発光層における柱体の直下付近までより確実に到達させることができる。   According to such a configuration, the light-emitting element has a distance from the lower surface of the p-electrode layer to the surface of the light-emitting layer that is equal to or greater than the wavelength of the radiated light inside the column body. Since the thickness of the intervening p-type semiconductor layer is equal to or greater than the wavelength of the radiated light in the column body, the p-type semiconductor is formed until the holes injected from the p-electrode layer into the p-type semiconductor layer reach the light-emitting layer. It can be sufficiently diffused inside the light emitting element in the semiconductor layer. Therefore, holes injected from the p-electrode layer into the p-type semiconductor layer can be surely made to reach the vicinity of the column body in the light emitting layer.

また、本発明の請求項４に記載の発光素子は、請求項１に記載の発光素子において、前記複数の柱体は、前記ｐ型半導体層上に所定領域を取り囲むように６本配置され、そのうちの３本の前記柱体の高さが、その他の３本の前記柱体の高さと異なり、前記３本の柱体の高さが互いに等しく、かつ、前記その他の３本の柱体の高さが互いに等しいこととした。   Further, in the light emitting element according to claim 4 of the present invention, in the light emitting element according to claim 1, six of the plurality of pillars are arranged so as to surround a predetermined region on the p-type semiconductor layer, Of these, the heights of the three columns are different from the heights of the other three columns, the heights of the three columns are equal to each other, and the heights of the other three columns are the same. The heights were assumed to be equal to each other.

かかる構成によれば、６本の柱体の射出面から放射された光が干渉することで光線を形成することができ、６本の柱体のうちの３本の高さを相違させることで、当該３本の柱体の射出面から放射された光と、その他の３本の柱体の射出面から放射された光との間に位相差を設けることができ、当該位相差に応じた方向に光線を放射することができる。   According to such a configuration, a light beam can be formed by interference of light emitted from the exit surfaces of the six column bodies, and by making three of the six column bodies different in height. A phase difference can be provided between the light emitted from the exit surfaces of the three pillars and the light emitted from the exit surfaces of the other three pillars, according to the phase difference Can emit light in the direction.

また、本発明の請求項５に記載の発光素子は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発光素子において、前記柱体の直径は、放射光の自由空間における波長以上であることとした。   The light-emitting element according to claim 5 of the present invention is the light-emitting element according to any one of claims 1 to 4, wherein the diameter of the column body is equal to or greater than the wavelength in the free space of the emitted light. It was supposed to be.

かかる構成によれば、発光素子は、各柱体の直径が、放射光の自由空間における波長以上なので、発光層からの光が通るのに充分な太さを有する。   According to such a configuration, the diameter of each column is equal to or greater than the wavelength in the free space of the emitted light, and thus the light emitting element has a thickness sufficient for light from the light emitting layer to pass.

また、本発明の請求項６に記載の発光素子は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発光素子において、前記複数の柱体間の距離が、放射光の可干渉長以下であることとした。   The light-emitting element according to claim 6 of the present invention is the light-emitting element according to any one of claims 1 to 5, wherein the distance between the plurality of pillars is a coherence length of the emitted light. It was decided that

かかる構成によれば、各柱体同士の距離が放射光の可干渉長以下なので、各柱体中を伝搬して柱頭の射出面から放出されたそれぞれの光が互いに干渉し、合成された光の進行方向は曲げられることになる。   According to such a configuration, since the distance between the pillars is equal to or less than the coherence length of the radiated light, the lights propagating through the pillars and emitted from the exit surface of the stigma interfere with each other and are combined light. The direction of travel is bent.

また、本発明の請求項７に記載の発光素子は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の発光素子において、前記柱体は、誘電率が、前記ｐ型半導体層の材料の誘電率よりも小さいこととした。   The light-emitting device according to claim 7 of the present invention is the light-emitting device according to any one of claims 1 to 6, wherein the pillar has a dielectric constant of the material of the p-type semiconductor layer. The dielectric constant was smaller.

かかる構成によれば、柱体は、誘電率が、ｐ型半導体層の材料の誘電率よりも小さいので、言い換えれば、柱体の射出面の透過率をｐ型半導体層の表面よりも高くすることができるので、背景雑音を低下させることができる。   According to this configuration, since the dielectric constant of the column body is smaller than the dielectric constant of the material of the p-type semiconductor layer, in other words, the transmittance of the emission surface of the column body is made higher than the surface of the p-type semiconductor layer. Therefore, background noise can be reduced.

請求項１に記載の発明によれば、発光素子は、素子単体で光線の成形と方向制御を可能とすることができる。また、発光素子は、発光の方向を柱体の高さの差で制御し、光線の成形を複数の柱体の配置で制御したものなので、光線が出射する方向を比較的大きくなるように制御したときに当該光線に生じやすいサイドローブを比較的小さく抑えることができる。つまり、発光素子は、妨害光を遮蔽できるのでＳ／Ｎ比の高い光線成形を行うことができる。
請求項２に記載の発明によれば、発光素子は、妨害光を効果的に遮蔽できるので、よりＳ／Ｎ比の高い光線成形を行うことができる。
請求項３に記載の発明によれば、発光素子は、光線の成形をより確実に行うことができる。 According to the first aspect of the present invention, the light-emitting element can enable light beam shaping and direction control with a single element. In addition, the light emitting element controls the direction of light emission by the difference in the height of the pillars and controls the shaping of the light beam by arranging a plurality of pillars. Therefore, the side lobes that are likely to occur in the light beam can be kept relatively small. That is, since the light emitting element can block the interference light, light shaping with a high S / N ratio can be performed.
According to the second aspect of the present invention, since the light emitting element can effectively block the interference light, it is possible to perform light beam shaping with a higher S / N ratio.
According to the invention described in claim 3, the light emitting element can perform the shaping of the light beam more reliably.

請求項４に記載の発明によれば、６本の柱体を形成することで、それ以下の本数の場合と比較して、光線として形成される光以外の余分な光（妨害光）の発生を抑制することができ、６本の柱体のうちの３本の高さを異ならせることで、光線の放射方向を制御することができる。
請求項５に記載の発明によれば、発光素子は、光線の方向制御をより効果的に行うことができる。
請求項６に記載の発明によれば、発光素子は、光線の方向制御をより効果的に行うことができる。
請求項７に記載の発明によれば、発光素子は、強度の高い光線の成形を行うことができ、かつ、光線の方向制御をより効果的に行うことができる。 According to the fourth aspect of the present invention, by forming six pillars, generation of extra light (interfering light) other than light formed as light rays, compared to the case of the number less than that, And the radiation direction of the light beam can be controlled by changing the height of three of the six pillars.
According to invention of Claim 5, the light emitting element can perform direction control of a light beam more effectively.
According to invention of Claim 6, the light emitting element can perform direction control of a light beam more effectively.
According to the seventh aspect of the present invention, the light emitting element can form a light beam with high intensity and can more effectively control the direction of the light beam.

本発明の実施形態に係る発光素子の構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of the light emitting element which concerns on embodiment of this invention. （ａ）は、図１に示す発光素子を上面から見た図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線矢視における断面図である。(A) is the figure which looked at the light emitting element shown in FIG. 1 from the upper surface, (b) is sectional drawing in the AA arrow of (a). 本発明の実施形態に係る発光素子の発光層の発光領域の説明図である。It is explanatory drawing of the light emission area | region of the light emitting layer of the light emitting element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る発光素子における高い柱体と低い柱体との高さの差に応じた光の干渉の概念図である。It is a conceptual diagram of the interference of light according to the height difference of the high column and the low column in the light emitting device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る発光素子の製造方法の一例の説明図である。It is explanatory drawing of an example of the manufacturing method of the light emitting element which concerns on embodiment of this invention. （ａ）は、本発明の実施形態に係る発光素子において、高い柱体と低い柱体との高さの差の、高い柱体の高さに対する割合を変化させたときのそれぞれのＸＹ平面におけるビームパターンの計算例を示す説明図であり、（ｂ）は、高い柱体と低い柱体との高さの差の、高い柱体の高さに対する割合が０．００のときのビームパターンを示し、（ｃ）は、高い柱体と低い柱体との高さの差の、高い柱体の高さに対する割合が０．１０のときのビームパターンを示す。(A) is the light emitting element which concerns on embodiment of this invention in each XY plane when the ratio with respect to the height of a high column body of the height difference of a high column body and a low column body is changed. It is explanatory drawing which shows the example of calculation of a beam pattern, (b) is a beam pattern when the ratio with respect to the height of a high column body of the height difference of a high column body and a low column body is 0.00. (C) shows the beam pattern when the ratio of the height difference between the high column and the low column to the height of the high column is 0.10. 本発明の実施形態に係る発光素子において、高い柱体と低い柱体との高さの差の、高い柱体に対する割合を変化させたときに計算で求めた光線方向の制御角を示すグラフである。In the light emitting device according to the embodiment of the present invention, in the graph showing the control angle of the light direction obtained by calculation when the ratio of the height difference between the high column and the low column to the high column is changed. is there. 本発明の実施形態に係る発光素子を用いたＩＰ立体ディスプレイの構成および駆動方法を説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the structure and drive method of an IP stereoscopic display using the light emitting element which concerns on embodiment of this invention.

以下、本発明の発光素子を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面に示される部材等のサイズや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。   Hereinafter, embodiments for carrying out the light-emitting element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the size and positional relationship of members and the like shown in the drawings may be exaggerated for clarity of explanation.

本発明の実施形態に係る発光素子について図１および図２を参照して説明する。
＜発光素子の構造＞
発光素子１は、例えばＬＥＤのように、平坦な表面から光を放射するものである。
また、発光素子１は、指向性の高い光を発光する素子であって、特定の方向に光線を出射する光線指向型の発光素子である。 A light emitting device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
<Structure of light emitting element>
The light emitting element 1 emits light from a flat surface, such as an LED.
The light-emitting element 1 is an element that emits light having high directivity, and is a light-directional light-emitting element that emits light in a specific direction.

図１に示すように、発光素子１は、ここでは、ｎ電極層６０と、ｎ型半導体層４０と、発光層３０と、ｐ型半導体層２０と、ｐ電極層５０とが積層され、ｐ型半導体層２０の表面の一部に柱体１０（１１，１２，１３，１４，１５，１６）が突出して設けられた構造を有している。   As shown in FIG. 1, here, the light-emitting element 1 includes an n-electrode layer 60, an n-type semiconductor layer 40, a light-emitting layer 30, a p-type semiconductor layer 20, and a p-electrode layer 50, and p The columnar body 10 (11, 12, 13, 14, 15, 16) protrudes from a part of the surface of the type semiconductor layer 20.

＜柱体＞
柱体１０は、ここでは、素子表面から突出して設けられた、第１の柱体１１と、第２の柱体１２と、第３の柱体１３と、第４の柱体１４と、第５の柱体１５と、第６の柱体１６とを含む。なお、ここでの素子表面とは、具体的にｐ型半導体層２０の表面を意味している。柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６は、ｐ型半導体層２０の表面から突出して設けられており、ｐ型半導体層２０と一体的に形成されている。柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６は、ＧａＮのみで形成されていてもよいし、ＧａＮにＩｎを添加したＬＥＤで形成されていてもよい。ここで、素子表面に所定領域を取り囲むように環状に配置された６つの柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６を図２（ａ）に示す。 <Columnar>
Here, the column body 10 is provided so as to protrude from the element surface, the first column body 11, the second column body 12, the third column body 13, the fourth column body 14, 5 columnar bodies 15 and a sixth columnar body 16. Note that the element surface here specifically means the surface of the p-type semiconductor layer 20. The pillars 11, 12, 13, 14, 15, 16 are provided so as to protrude from the surface of the p-type semiconductor layer 20 and are formed integrally with the p-type semiconductor layer 20. The column bodies 11, 12, 13, 14, 15, and 16 may be formed of only GaN, or may be formed of LEDs obtained by adding In to GaN. Here, FIG. 2 (a) shows six pillars 11, 12, 13, 14, 15, 16 arranged in an annular shape so as to surround a predetermined region on the element surface.

図２（ａ）に示すように、柱体１１の柱頭は射出面１１ａであり、柱体１２の柱頭は射出面１２ａであり、柱体１３の柱頭は射出面１３ａであり、柱体１４の柱頭は射出面１４ａであり、柱体１５の柱頭は射出面１５ａであり、柱体１６の柱頭は射出面１６ａである。   As shown in FIG. 2A, the stigma of the column 11 is the exit surface 11a, the stigma of the column 12 is the exit surface 12a, the stigma of the column 13 is the exit surface 13a, and the column 14 The stigma is the exit surface 14a, the stigma of the column body 15 is the exit surface 15a, and the stigma of the column body 16 is the exit surface 16a.

＜柱体の平面形状＞
図２（ａ）では、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６の形状を円形で示した。つまり、各射出面１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａが素子表面に投影されたときの平面図形の形状は円形であるものとした。また、各射出面１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａは、素子表面に対し略平行である。 <Planar shape of the column>
In FIG. 2A, the shapes of the pillars 11, 12, 13, 14, 15, and 16 are shown as circles. That is, the shape of the plane figure when each of the exit surfaces 11a, 12a, 13a, 14a, 15a, and 16a is projected onto the element surface is assumed to be a circle. In addition, each of the emission surfaces 11a, 12a, 13a, 14a, 15a, and 16a is substantially parallel to the element surface.

＜柱体の直径＞
図２（ａ）に示すように、各射出面１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａを素子表面に投影した平面図形の直径φ１はそれぞれ等しいものとした。直径φ１は、発光素子１の発光層３０からの光が通るのに充分な太さを有する。ここで、充分な太さとは、発光素子１から放出される光の発光波長（以下、λ０と表記する）程度以上である。波長λ０は、放射光の自由空間における発光波長を示す。例えば、直径φ１をλ０とする。 <Cylinder diameter>
As shown in FIG. 2 (a), and the exit surface 11a, 12a, 13a, 14a, 15a, the diameter phi 1 of the plane figures obtained by projecting 16a on the element surface is assumed to be equal, respectively. The diameter φ 1 has a thickness sufficient for light from the light emitting layer 30 of the light emitting element 1 to pass through. Here, the sufficient thickness, the emission wavelength of the light emitted from the light emitting device 1 is (hereinafter, lambda 0 and denoted) about more. The wavelength λ 0 indicates the emission wavelength in the free space of the emitted light. For example, the diameter phi 1 and lambda 0.

＜柱体の配置角度＞
図２（ａ）に示すように、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６は、素子表面の原点Ｍ（詳しくは後記する）の周囲に環状に等間隔で配置されている。ここでは、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６の配置角度θ１を６０度としている。これにより、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６の射出面１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａから光が放射された際に、光線として形成される光以外の余分な光（妨害光）が特定箇所に固まって妨害することがないため、形成される光線の品質を向上させることができる。詳しくは後記する。 <Arrangement angle of the column>
As shown in FIG. 2A, the pillars 11, 12, 13, 14, 15, and 16 are annularly arranged at equal intervals around the origin M (details will be described later) on the element surface. Here, the arrangement angle θ 1 of the column bodies 11, 12, 13, 14, 15 , 16 is 60 degrees. Thereby, when light is radiated | emitted from the emission surfaces 11a, 12a, 13a, 14a, 15a, 16a of the pillars 11, 12, 13, 14, 15, 16 extra light other than the light formed as a light beam Since the (interfering light) does not interfere with the specific location, the quality of the formed light beam can be improved. Details will be described later.

＜柱体の中心間の間隔＞
柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６において、環状に隣り合う柱体の中心間の間隔ｐ１は、隣り合った柱体の射出面から出射された光が干渉できる程度の長さに予め設定されている。ここでは、各柱体の直径φ１をλ０としており、環状に隣り合う柱体１１，１６の中心Ｏ１，Ｏ６間の間隔ｐ１を１．４λ０とした。なお、各柱体の直径φ１をλ０としているので、環状に隣り合う柱体１１，１６間の間隔ｐ２は０．４λ０と極めて小さくなる。 <Spacing between column centers>
In the pillars 11, 12, 13, 14, 15 , 16, the interval p 1 between the centers of the annularly adjacent pillars is long enough to allow light emitted from the exit surface of the neighboring pillars to interfere. Is set in advance. Here, the diameter φ 1 of each column is λ 0 and the interval p 1 between the centers O 1 and O 6 of the circularly adjacent columns 11 and 16 is 1.4λ 0 . Since the diameter φ 1 of each pillar is λ 0 , the interval p 2 between the annularly adjacent pillars 11 and 16 is as extremely small as 0.4λ 0 .

＜複数の柱体の配置の原点＞
図２（ａ）に示す例では、所定の原点Ｍとは、素子表面において６つの柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６により環状に取り囲まれた所定領域ｓ３に位置する点である。また、この原点Ｍは、柱体１１の中心Ｏ１と、柱体１２の中心Ｏ２と、柱体１３の中心Ｏ３と、柱体１４の中心Ｏ４と、柱体１５の中心Ｏ５と、柱体１６の中心Ｏ６とから等距離にある点であり、中心Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４，Ｏ５，Ｏ６を頂点とする正六角形の重心（原点Ｍと表記する）のことである。ここで、６つの柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６は、円環状かつ均等に配置されることが好ましい。なお、各柱体により取り囲まれた所定領域ｓ３の形状やサイズは、柱体の直径φ１とバランスを取りながら所望のものとして適宜設計できる。
例えば、柱体の直径φ１が発光波長λ０の数波長程度分であれば、所定領域ｓ３のサイズは、１〜数波長程度とすることができる。 <Origin of arrangement of multiple pillars>
In the example shown in FIG. 2 (a), the predetermined origin M, a point which is located in a predetermined area s 3 surrounded annularly by six pillar 11, 12 in the element surface is there. The origin M includes the center O 1 of the column 11, the center O 2 of the column 12, the center O 3 of the column 13, the center O 4 of the column 14, and the center O 5 of the column 15. And a center of equilateral distance from the center O 6 of the column 16 and a center of gravity of a regular hexagon having the centers O 1 , O 2 , O 3 , O 4 , O 5 , O 6 as vertices (indicated as origin M) It is). Here, it is preferable that the six pillars 11, 12, 13, 14, 15, 16 are arranged in an annular shape and equally. The shape and size of a predetermined area s 3 surrounded by the cylindrical body can be appropriately designed as desired one while taking the diameter phi 1 and the balance of the columnar body.
For example, if the diameter φ 1 of the column is about several wavelengths of the emission wavelength λ 0 , the size of the predetermined region s 3 can be about 1 to several wavelengths.

＜柱体の高さ＞
柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６は、少なくとも１つの柱体の高さが他の柱体の高さと異なっている。
図１および図２（ａ）に示す例では、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６のうち、３つの柱体１４，１５，１６は、他の３つの柱体１１，１２，１３に対し、高さが低いものとする。なお、３つの柱体１１，１２，１３は、互いに同じ高さであり、他の３つの柱体１４，１５，１６は、互いに同じ高さである。
ここで、発光素子１の柱体の高さを説明するための概念図を図２（ｂ）に示す。高い柱体１１，１２，１３は互いに高さが等しく、低い柱体１４，１５，１６は互いに高さが等しいので、図２（ｂ）では、環状に隣り合う高さの異なる柱体を１本ずつ（柱体１１と柱体１６）図示し、他の柱体については図示を省略している。 <Height of column>
The column bodies 11, 12, 13, 14, 15, 16 have a height of at least one column body different from that of other column bodies.
In the example shown in FIG. 1 and FIG. 2A, among the column bodies 11, 12, 13, 14, 15, 16, the three column bodies 14, 15, 16 are the other three column bodies 11, 12, In contrast to 13, the height is low. The three column bodies 11, 12, and 13 have the same height, and the other three column bodies 14, 15, and 16 have the same height.
Here, a conceptual diagram for explaining the height of the column of the light emitting element 1 is shown in FIG. Since the high column bodies 11, 12, and 13 have the same height, and the low column bodies 14, 15, and 16 have the same height, in FIG. One by one (column 11 and column 16) is shown, and the other columns are not shown.

図２（ｂ）に示すように、柱体１１（１２，１３）のｐ型半導体層２０の表面からの高さを、それぞれ基準となる高さＨとする。そして、柱体１１（１２，１３）のｐ型半導体層２０の表面からの高さと、柱体１６（１４，１５）のｐ型半導体層２０の表面からの高さとの差をｄ１とすると、柱体１６（１４，１５）のｐ型半導体層２０の表面からの高さは、「Ｈ−ｄ１」となる（図２（ｂ）参照）。 As shown in FIG. 2B, the height of the columnar body 11 (12, 13) from the surface of the p-type semiconductor layer 20 is set as a reference height H. A difference between the height of the pillar 11 (12, 13) from the surface of the p-type semiconductor layer 20 and the height of the pillar 16 (14, 15) from the surface of the p-type semiconductor layer 20 is d 1. The height of the column body 16 (14, 15) from the surface of the p-type semiconductor layer 20 is “Hd 1 ” (see FIG. 2B).

本実施形態の発光素子１では、後記する実験結果に基づいて、柱体１１（１２，１３）と柱体１６（１４，１５）との高さの差ｄ１は、放射光の半導体中における波長の長さ以下であることとした。ここで、放射光の半導体中における波長とは、自由空間においてある波長の光を、半導体中（柱体の内部）を光導波路として伝搬したときの波長である。以下では、放射光の半導体中における波長を「発光波長λ１」として説明する。
一般に、半導体の誘電率は真空中（空気中）より高いため、半導体中を伝搬する際の光の速度は、空気中を伝搬する速度に比べて遅くなる。具体的には、放射光の自由空間における発光波長λ０と半導体中の放射光の発光波長λ１との間には、「λ１＝λ０／ｎ」の関係がある。ここで、ｎは、半導体の屈折率である。 In the light-emitting element 1 of the present embodiment, based on the experimental results described later, the height difference d 1 between the columnar body 11 (12, 13) and the columnar body 16 (14, 15) is the radiation light in the semiconductor. It was decided that it was below the length of the wavelength. Here, the wavelength of the emitted light in the semiconductor is a wavelength when light having a certain wavelength in free space propagates in the semiconductor (inside the column) as an optical waveguide. Hereinafter, the wavelength of the emitted light in the semiconductor will be described as “emission wavelength λ 1 ”.
In general, since the dielectric constant of a semiconductor is higher than that in a vacuum (in air), the speed of light when propagating in a semiconductor is lower than the speed of propagating in air. Specifically, there is a relationship of “λ 1 = λ 0 / n” between the emission wavelength λ 0 in the free space of the emitted light and the emission wavelength λ 1 of the emitted light in the semiconductor. Here, n is the refractive index of the semiconductor.

例えば、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６をＧａＮにＩｎを添加したＬＥＤで形成する場合、放射光の自由空間における発光波長λ０は４０５ｎｍであるので、ＧａＮの屈折率ｎが２．６であるので、近似的に屈折率ｎを３として計算すると、放射光の半導体中における発光波長λ１は、約１３５ｎｍとなる。この場合、例えば、高い柱体１１，１２，１３の高さＨを放射光の半導体中における発光波長λ１（λ１＝λ０／ｎ）の４倍（４波長分）程度とすることができる。この倍数は任意に設定することができる。なお、全ての柱体の射出面がｐ電極層５０の表面よりも高く、かつ、なるべく低い方が好ましい。また、低い柱体１４，１５，１６の高さ「Ｈ−ｄ１」は、柱体１１，１２，１３の高さＨから、柱体１１，１２，１３と柱体１４，１５，１６との高さの差ｄ１［ｎｍ］を減じた高さとして、柱体１１，１２，１３と柱体１４，１５，１６の高さの差ｄ１の値を変化させることで、光線方向が制御される。
なお、以下では、高い柱体１１，１２，１３を「導波柱」と呼称し、柱体１１，１２，１３と異なるように高さが調整された低い柱体１４，１５，１６を「制御柱」と呼称して区別する場合もある。 For example, when the column bodies 11, 12, 13, 14, 15 and 16 are formed of LEDs in which GaN is added with In, the emission wavelength λ 0 in the free space of radiated light is 405 nm, so the refractive index n of GaN is Since it is 2.6, when the refractive index n is approximately calculated as 3, the emission wavelength λ 1 of the emitted light in the semiconductor is about 135 nm. In this case, for example, the height H of the high pillars 11, 12, and 13 is set to about four times (four wavelengths) of the emission wavelength λ 1 (λ 1 = λ 0 / n) in the semiconductor of the emitted light. it can. This multiple can be set arbitrarily. It is preferable that the exit surfaces of all the column bodies be higher than the surface of the p electrode layer 50 and as low as possible. Further, the height “Hd 1 ” of the lower column bodies 14, 15, 16 is calculated from the height H of the column bodies 11, 12, 13, and the column bodies 11, 12, 13 and the column bodies 14, 15, 16, By changing the value of the height difference d 1 between the column bodies 11, 12, 13 and the column bodies 14, 15, 16 as the height obtained by subtracting the height difference d 1 [nm] of Be controlled.
In the following, the high column bodies 11, 12, 13 are referred to as “waveguide columns”, and the low column bodies 14, 15, 16 whose heights are adjusted to be different from the column bodies 11, 12, 13 are “ It may be distinguished by being called a “control pillar”.

＜柱体の配置＞
図２（ａ）に示すように、高い柱体１１，１２，１３（導波柱）と、低い柱体１４，１５，１６（制御柱）とは、光軸を挟んで正対して配置される。具体的には、柱体１１と柱体１４とが正対し、柱体１２と柱体１５とが正対し、柱体１３と柱体１６とが正対している。 <Arrangement of column>
As shown in FIG. 2A, the high pillars 11, 12, 13 (waveguide pillars) and the low pillars 14, 15, 16 (control pillars) are arranged facing each other across the optical axis. The Specifically, the column body 11 and the column body 14 face each other, the column body 12 and the column body 15 face each other, and the column body 13 and the column body 16 face each other.

＜柱体の本数＞
発光素子１における柱体は、光線の放射方向を制御するとともに、妨害光の発生を抑制するうえで合計６本とすることが最も好ましい。
すなわち、光は横波であるため、１本の柱体から放射された光の高調波を抑制するには光軸（重心）を対称軸とした反対側に発生する電界を打ち消す必要がある。しかし、例えば柱体を４本にすると、光軸を挟んで正対する導波柱と制御柱は２組となるが、光軸回りの対称性が向上して回転対称な成分が強め合うことになる。その一方で、軸回りに隣り合う２つの柱体の中間部分に生じる同偏光の高調波は柱体の配置によって強められるため、柱体を４本とすると妨害光の影響が大きくなるおそれがある。 <Number of columns>
It is most preferable that the number of column bodies in the light emitting element 1 is six in total in order to control the radiation direction of light rays and suppress the generation of interference light.
That is, since the light is a transverse wave, it is necessary to cancel the electric field generated on the opposite side with the optical axis (center of gravity) as the axis of symmetry in order to suppress the harmonics of the light emitted from one column. However, for example, if there are four column bodies, there are two sets of waveguide columns and control columns that face each other across the optical axis, but the symmetry around the optical axis is improved and the rotationally symmetric components strengthen each other. Become. On the other hand, since the harmonics of the same polarization generated in the middle part between two columnar bodies adjacent to each other around the axis are strengthened by the arrangement of the columnar bodies, if there are four columnar bodies, the influence of interference light may increase. .

また、柱体を５本とすると、導波柱と制御柱が光軸を挟んで正対しないため、同偏光の高調波が強められることがなく、妨害光が抑制される。しかし、柱体を５本とすると、光軸を含む面に対する対称性が柱体を６本とした場合よりも劣るので、干渉効果による放射方向の制御が難しくなるおそれがある。一方、発光素子１のように柱体を６本とすると、導波柱と制御柱が光軸を挟んで正対し、かつ光軸を含む面に対する対称性も良いため、妨害光の発生を抑制することができるとともに、光線の放射方向も制御することが可能になるため最も好ましい。   If the number of column bodies is five, the waveguide column and the control column do not face each other across the optical axis, so that the harmonics of the same polarization are not intensified and the interference light is suppressed. However, if the number of columns is five, the symmetry with respect to the plane including the optical axis is inferior to the case where the number of columns is six, so that it is difficult to control the radiation direction due to the interference effect. On the other hand, when the number of column bodies is six as in the light-emitting element 1, the waveguide column and the control column face each other across the optical axis and have good symmetry with respect to the plane including the optical axis, thereby suppressing the generation of interference light. It is possible to control the radiation direction of the light beam, and it is most preferable.

＜ｐ型半導体層＞
図１および図２（ｂ）に示すように、ｐ型半導体層２０は、発光層３０の上側（光取り出し側）に、素子表面との間に設けられており、発光層３０側から順に、例えば、ｐ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層と、ｐ型ＧａＮ層と、が積層された構造とすることができる。
前記したように、ｐ型半導体層２０は、表面に、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６が設けられており、表面において、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６で取り囲んだ所定領域の外側領域に、後記するｐ電極層５０が積層されている。詳しくは、後記する。
ｐ型半導体層２０の厚さｔ１は、放射光の半導体中における発光波長λ１以上とする。このｐ型半導体層２０の厚さｔ１は、後記するｐ電極層５０の下面から発光層３０の上面までの距離ｄ２と等しい。 <P-type semiconductor layer>
As shown in FIGS. 1 and 2B, the p-type semiconductor layer 20 is provided on the upper side (light extraction side) of the light emitting layer 30 and the element surface, and in order from the light emitting layer 30 side, For example, a p-type GaN / InGaN barrier layer and a p-type GaN layer can be stacked.
As described above, the p-type semiconductor layer 20 is provided with the pillars 11, 12, 13, 14, 15, 16 on the surface, and the pillars 11, 12, 13, 14, 15, 16 are provided on the surface. A p-electrode layer 50 which will be described later is laminated on the outer region of the predetermined region surrounded by. Details will be described later.
The thickness t 1 of the p-type semiconductor layer 20 is not less than the emission wavelength λ 1 in the semiconductor of the emitted light. The thickness t 1 of the p-type semiconductor layer 20 is equal to the distance d 2 from the lower surface of the p-electrode layer 50 described later to the upper surface of the light emitting layer 30.

＜発光層＞
発光素子１が青色発光素子である場合、発光層３０は、例えば、ＩｎＧａＮの量子井戸層として形成される。 <Light emitting layer>
When the light emitting element 1 is a blue light emitting element, the light emitting layer 30 is formed as an InGaN quantum well layer, for example.

＜ｎ型半導体層＞
図１および図２（ｂ）に示すように、ｎ型半導体層４０は、発光層３０の下側に設けられており、発光層３０から遠い方から順に、例えば、ｎ型ＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層とが積層された構造とすることができる。 <N-type semiconductor layer>
As shown in FIGS. 1 and 2B, the n-type semiconductor layer 40 is provided on the lower side of the light emitting layer 30, and for example, in order from the far side from the light emitting layer 30, an n-type GaN layer, n A type GaN / InGaN barrier layer may be stacked.

＜ｐ電極層＞
ｐ電極層５０は、図１に示すように、ｐ型半導体層２０の一部領域の上側に積層された薄膜状の金属電極であり、図示しない電源から正電圧が印加されると、ｐ型半導体層２０に正孔を注入するものである。ただし、図１および図２に示すように、ｐ電極層５０は、ｐ型半導体層２０の表面において、複数の柱体で取り囲む所定領域の外側領域に少なくとも設けられる。 <P electrode layer>
As shown in FIG. 1, the p-electrode layer 50 is a thin-film metal electrode stacked above a partial region of the p-type semiconductor layer 20. When a positive voltage is applied from a power source (not shown), the p-type electrode layer 50 is formed. Holes are injected into the semiconductor layer 20. However, as shown in FIGS. 1 and 2, the p-electrode layer 50 is provided at least in an outer region of a predetermined region surrounded by a plurality of pillars on the surface of the p-type semiconductor layer 20.

ここで、「複数の柱体で取り囲む所定領域」とは、ｐ型半導体層２０の表面における、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６で取り囲んだ環状の領域をいうものとする。
また、「複数の柱体で取り囲む所定領域の外側領域」とは、ここでは、図２（ａ）に示すように、ｐ型半導体層２０の表面において、所定領域を取り囲む柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６の外接円ｓ１の直径φ２よりやや大きい直径φ３を有する穴ｓ２の外側領域としている。なお、穴ｓ２の直径φ３は、外接円ｓ１の直径φ２と実質的に同一であるとより好ましい。穴ｓ２の直径φ３が外接円ｓ１の直径φ２と実質的に同一であると、外接円ｓ１と穴ｓ２との間のｐ型半導体層２０の表面から放射される妨害光を極限まで低減することができる。なお、穴ｓ２の直径φ３が外接円ｓ１の直径φ２より小さいと、電極角での回折波の影響で光線形成が困難となるため好ましくない。 Here, the “predetermined region surrounded by a plurality of pillars” means an annular region surrounded by the pillars 11, 12, 13, 14, 15, 16 on the surface of the p-type semiconductor layer 20.
The “outside region of the predetermined region surrounded by the plurality of pillars” here refers to the pillars 11, 12, 12 surrounding the predetermined region on the surface of the p-type semiconductor layer 20, as shown in FIG. The outer region of the hole s 2 having a diameter φ 3 slightly larger than the diameter φ 2 of the circumscribed circle s 1 of 13, 14, 15, 16 is used. It is more preferable that the diameter φ 3 of the hole s 2 is substantially the same as the diameter φ 2 of the circumscribed circle s 1 . If the diameter phi 3 of the hole s 2 is substantially equal to the diameter phi 2 of the circumscribed circle s 1, interference light emitted from the p-type surface of the semiconductor layer 20 between the circumscribed circle s 1 and the hole s 2 Can be reduced to the limit. If the diameter φ 3 of the hole s 2 is smaller than the diameter φ 2 of the circumscribed circle s 1 , it is not preferable because it becomes difficult to form a light beam due to the diffracted wave at the electrode angle.

穴ｓ２の内側の領域にはｐ電極層５０が設けられていないので、穴ｓ２からは、ｐ電極層５０の下方に設けられるｐ型半導体層２０の表面が露出している。この穴ｓ２と外接円ｓ１は、それぞれ原点Ｍを中心とする同心円となっている。例えば、各柱体の直径φ１を放射光の自由空間における発光波長λ０程度とし、柱体の中心間の間隔ｐ２を１．４λ０とするとき、外接円ｓ１の直径φ２が３．８λとなる。この場合、穴ｓ２の直径φ３は、例えば、４．０λ０程度とすることができる。 Since the p-electrode layer 50 is not provided in the region inside the hole s 2 , the surface of the p-type semiconductor layer 20 provided below the p-electrode layer 50 is exposed from the hole s 2 . The hole s 2 and the circumscribed circle s 1 are concentric circles with the origin M as the center. For example, when the diameter φ 1 of each column is about the emission wavelength λ 0 in the free space of the radiated light and the interval p 2 between the centers of the columns is 1.4λ 0 , the diameter φ 2 of the circumscribed circle s 1 is 3.8λ. In this case, the diameter phi 3 of the hole s 2, for example, can be about 4.0λ 0.

ｐ電極層５０は、図２（ｂ）に示すように、ｐ型半導体層２０の表面に積層された状態で、表面が、素子表面（ｐ型半導体層２０の表面）と高さの低い柱体１４，１５，１６（図１参照）の射出面１４ａ，１５ａ，１６ａ（図１参照）との間に位置している。つまり、ｐ電極層５０の表面とｐ型半導体層２０の表面とは、ｐ電極層５０の厚さ分だけ高さの差がある。   As shown in FIG. 2B, the p-electrode layer 50 is stacked on the surface of the p-type semiconductor layer 20, and the surface is a column whose height is lower than that of the element surface (the surface of the p-type semiconductor layer 20). It is located between the emitting surfaces 14a, 15a, 16a (see FIG. 1) of the bodies 14, 15, 16 (see FIG. 1). That is, the surface of the p electrode layer 50 and the surface of the p-type semiconductor layer 20 have a height difference corresponding to the thickness of the p electrode layer 50.

また、ｐ電極層５０の下面から発光層３０の上面までの距離ｄ２は、放射光の半導体中における発光波長λ１以上とする。言い換えれば、ｐ電極層５０と発光層３０との間に介在するｐ型半導体層２０の厚さｔ１を、放射光の半導体中における発光波長λ１以上とする。
なお、距離ｄ２（厚さｔ１）は、放射光の半導体中における発光波長λ１の１波長以上であり、放射光の自由空間における発光波長λ０の２波長以下程度となるように設定するとよい。これによれば、ｐ型半導体層２０に注入された正孔をｐ型半導体層２０中において適度に拡散させ、発光層３０における柱体の直下の領域にまで到達させることができる。 Further, the distance d 2 from the lower surface of the p-electrode layer 50 to the upper surface of the light emitting layer 30 is set to the emission wavelength λ 1 or more in the semiconductor of the emitted light. In other words, the thickness t 1 of the p-type semiconductor layer 20 interposed between the p-electrode layer 50 and the light-emitting layer 30 is set to the emission wavelength λ 1 or more in the semiconductor of the emitted light.
The distance d 2 (thickness t 1 ) is set so as to be not less than one wavelength of the emission wavelength λ 1 in the semiconductor of the emitted light and not more than two wavelengths of the emission wavelength λ 0 in the free space of the emitted light. Good. According to this, the holes injected into the p-type semiconductor layer 20 can be appropriately diffused in the p-type semiconductor layer 20 and reach the region immediately below the column in the light emitting layer 30.

ｐ電極層５０は、ｐ型半導体層２０の仕事関数よりも小さな仕事関数を持つ材料で形成することができる。例えば、ｐ型半導体層２０がＧａＮであれば、電子親和力が２．９ｅＶ、エネルギーギャップが３．４ｅＶであるので、仕事関数φは６．３ｅＶとなる。そのため、これより小さな仕事関数φを持つＡｕ（φ＝４．８ｅＶ）、Ｃｕ（φ＝４．１８ｅＶ）やＮｉ（φ＝４．０ｅＶ）等の金属、あるいは、ＴａＮやＨｆＮ（ともにφ＝４．８ｅＶ）等の化合物を用いるとよい。   The p electrode layer 50 can be formed of a material having a work function smaller than that of the p-type semiconductor layer 20. For example, if the p-type semiconductor layer 20 is GaN, since the electron affinity is 2.9 eV and the energy gap is 3.4 eV, the work function φ is 6.3 eV. Therefore, a metal such as Au (φ = 4.8 eV), Cu (φ = 4.18 eV) or Ni (φ = 4.0 eV) having a smaller work function φ, or TaN or HfN (both φ = 4). .8 eV) and the like may be used.

ｐ電極層５０は、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６以外から放出される光をマスクするための遮光膜としても機能する。
つまり、ｐ電極層５０は、遮光性を有する金属材料で形成されているため、発光層３０で発光し、ｐ型半導体層２０中を伝搬した光がｐ電極層５０に到達すると、ｐ電極層５０によって遮蔽される。これにより、素子表面において、ｐ電極層５０を積層した領域から光が放出されないようにすることができる。ｐ電極層５０の厚さｔ２は、ｐ電極層５０の表面が、素子表面と低い柱体１４，１５，１６の射出面１４ａ，１５ａ，１６ａとの間に位置していれば、ｐ電極層５０を形成する材料に応じて適宜設定することができる。
なお、ｐ電極層５０は、図示しないが、表面の一部にいわゆるパッド電極が形成されており、このパッド電極を介して電源（いずれも図示せず）の陽極に接続されている。 The p-electrode layer 50 also functions as a light shielding film for masking light emitted from other than the column bodies 11, 12, 13, 14, 15, 16.
That is, since the p-electrode layer 50 is formed of a light-shielding metal material, when the light emitted from the light-emitting layer 30 and propagated through the p-type semiconductor layer 20 reaches the p-electrode layer 50, the p-electrode layer 50 is shielded. Thereby, it is possible to prevent light from being emitted from the region where the p-electrode layer 50 is laminated on the element surface. The thickness t 2 of the p-electrode layer 50, the surface of the p-electrode layer 50, the exit surface 14a of the element surface and the lower cylindrical body 14, 15, 16, 15a, if located between the 16a, the p-electrode It can be set as appropriate depending on the material forming the layer 50.
Although not shown, the p electrode layer 50 has a so-called pad electrode formed on a part of its surface, and is connected to the anode of a power source (none of which is shown) via this pad electrode.

また、発光素子１は、図１および図２（ｂ）に示すように、ｎ型半導体層４０の下側にｎ電極層６０が設けられていてもよい。
ｎ電極層６０層は、ｎ型半導体層４０の下側に設けられた金属電極であり、図示しない電源から負電圧が印加されると、ｎ型半導体層４０に電子を注入するものである。ｎ電極層６０は、ここでは図示しないが、表面の一部にいわゆるパッド電極が形成され、このパッド電極を介して電源（いずれも図示せず）の陰極に接続されている。ｎ電極層６０層は、ｐ型半導体層２０との接触抵抗が、ｐ電極層５０とｐ型半導体層２０との接触抵抗よりも小さい材料で形成することができる。例えば、ｐ電極層５０をＮｉ／Ａｕで形成した場合、ＧａＮ−ｐ層との接触抵抗が約１３×１０−３Ωｃｍ−２であるので、ｎ電極層６０は、これよりも接触抵抗が小さい、例えば、ｐｄ／Ａｕで形成することができる。ｐｄ／Ａｕは、ＧａＮ−ｐ層との接触抵抗が約８×１０−３Ωｃｍ−２であるので、条件を満たしている。 In the light emitting element 1, as shown in FIGS. 1 and 2B, an n electrode layer 60 may be provided below the n type semiconductor layer 40.
The n electrode layer 60 is a metal electrode provided on the lower side of the n-type semiconductor layer 40, and injects electrons into the n-type semiconductor layer 40 when a negative voltage is applied from a power source (not shown). Although not shown here, the n-electrode layer 60 has a so-called pad electrode formed on a part of its surface, and is connected to the cathode of a power source (none of which is shown) via this pad electrode. The n electrode layer 60 layer can be formed of a material whose contact resistance with the p-type semiconductor layer 20 is smaller than the contact resistance between the p-electrode layer 50 and the p-type semiconductor layer 20. For example, when the p electrode layer 50 is formed of Ni / Au, the contact resistance with the GaN-p layer is about 13 × 10 −3 Ωcm −2 , so the n electrode layer 60 has a smaller contact resistance than this. For example, it can be formed of pd / Au. pd / Au satisfies the condition because the contact resistance with the GaN-p layer is about 8 × 10 −3 Ωcm −2 .

また、発光素子１は、ｎ型半導体層４０の下に図示しない基板を備えた構成であっても構わない。基板は、例えば、サファイア、ＧａＡｓ、ＳｉやＳｉＣ等で形成することができる。   Further, the light emitting element 1 may have a configuration in which a substrate (not shown) is provided under the n-type semiconductor layer 40. The substrate can be formed of, for example, sapphire, GaAs, Si, SiC, or the like.

［発光素子の柱体から出射される光の干渉の原理］
以下、発光素子１の柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６から出射される光の干渉の原理について図３および下記の数式を適宜用いて説明する。なお、柱体１１，１２，１３は互いに高さが同じであり、柱体１４，１５，１６は互いに高さが同じであるので、図３および下記数式を用いる説明では、簡便のため、高さの異なる２つの柱体１１と柱体１６から出射される光の干渉を例にとって説明する。 [Principle of interference of light emitted from column of light emitting element]
Hereinafter, the principle of interference of light emitted from the column bodies 11, 12, 13, 14, 15, and 16 of the light emitting element 1 will be described with reference to FIG. 3 and the following mathematical formulas as appropriate. Since the pillars 11, 12, and 13 have the same height, and the pillars 14, 15, and 16 have the same height, in the description using FIG. An explanation will be given by taking as an example the interference of light emitted from two column bodies 11 and 16 having different thicknesses.

図３に示すように、発光素子１の表面を基準の位置とすると、柱体１１の高さがＨであり、柱体１６の高さが（Ｈ−δＨ）である。ここで、柱体１１の高さＨに対する柱の高さの差ｄ１（図２（ｂ）参照）の割合（＝ｄ１／Ｈ）を「δ」とした場合、柱体１１と柱体１６との高さの差ｄ１（図２（ｂ）参照）は、ｄ１＝δＨで表わすことができる。なお、以下の説明では、柱体１１と柱体１６との高さの差ｄ１（図２（ｂ）参照）を「δＨ」として説明し、柱体１１の高さＨに対する、柱体１１と柱体１６との高さの差ｄ１（図２（ｂ）参照）の割合δを「高さの差の割合δ」として説明する。 As shown in FIG. 3, when the surface of the light emitting element 1 is a reference position, the height of the column 11 is H, and the height of the column 16 is (H−δH). Here, when the ratio (= d 1 / H) of the column height difference d 1 (see FIG. 2B) to the height H of the column 11 is “δ”, the column 11 and the column The height difference d 1 from 16 (see FIG. 2B) can be expressed by d 1 = δH. In the following description, the difference d 1 in height between the columnar body 11 and the columnar body 16 (see FIG. 2B) is described as “δH”, and the columnar body 11 with respect to the height H of the columnar body 11 is described. The ratio δ of the height difference d 1 (see FIG. 2B) between the cylinder 16 and the column body 16 will be described as “height difference ratio δ”.

図３に示す例では、素子表面（ｐ型半導体層２０の上面）の位置を基準の高度ｈ0とする。また、柱体１６の柱頭の射出面１６ａの位置を高度ｈ1とし、柱体１１の柱頭の射出面１１ａの位置を高度ｈ2とする。つまり、ｈ2−ｈ1＝δＨの関係がある。２つの柱体１１，１６の間隔をｐ２とする（図２（ａ）参照）。環状に隣り合う２つの柱体１１，１６の中心軸から等距離に位置する鉛直中心軸上の所定地点Ｃを高度ｈ3とする。なお、説明では、簡便のため、発光層３０から鉛直方向に進んだ光が柱体１１，１６の中心軸を通って空気中に放射される場合を仮定する。 In the example shown in FIG. 3, a high degree h 0 of the reference position of the element surface (upper surface of the p-type semiconductor layer 20). In addition, the position of the exit surface 16a of the column head of the column body 16 is defined as an altitude h 1, and the position of the exit surface 11a of the column head 11 is defined as an altitude h 2 . That is, there is a relationship of h 2 −h 1 = δH. The distance between two pillars bodies 11, 16 and p 2 (see FIG. 2 (a)). A predetermined point C on the vertical center axis located at an equal distance from the center axis of the two circularly adjacent column bodies 11 and 16 is defined as an altitude h 3 . In the description, for the sake of simplicity, it is assumed that light traveling in the vertical direction from the light emitting layer 30 is emitted into the air through the central axes of the column bodies 11 and 16.

図３の発光素子１において、発光層３０からの光は、高い柱体（導波柱）１１と低い柱体（制御柱）１６とに分岐して出射される。また、高い柱体１１を通る場合に、１つの光路（以下、光路Ａという）として、柱体１１中の点Ａ１と柱体１６の射出面１６ａの中心点Ａ２とを経由して地点Ｃに達する光路を想定する。また、低い柱体１６を通る場合に、柱体１１の射出面１１ａの中心点Ｂ１と、点Ｂ１からδＨだけ高い位置の点Ｂ２とを経由して地点Ｃに達する光路を想定する。   In the light emitting device 1 of FIG. 3, the light from the light emitting layer 30 is branched and emitted to a high column (waveguide column) 11 and a low column (control column) 16. Further, when passing through the high column 11, as one optical path (hereinafter referred to as “optical path A”), the point C 1 passes through the point A 1 in the column 11 and the center point A 2 of the exit surface 16 a of the column 16. Assume an optical path to reach. Further, an optical path reaching the point C via the center point B1 of the exit surface 11a of the column 11 and the point B2 at a position higher by δH from the point B1 when passing through the lower column 16 is assumed.

光路Ａを通る光と光路Ｂを通る光とは、高度ｈ1までは同じ媒質（ｐ型半導体層２０）を同じ距離だけ進むので同位相のままである。このときの位相を初期位相θ0とすると、光路Ａでは点Ａ１において位相はθ0であり、光路Ｂでは点Ｂ１において位相はθ0である。 And light passing through the light and the optical path B passing through the optical path A remains Since the same phase to advanced h 1 advances the same medium (p-type semiconductor layer 20) by the same distance. When the phase of the time the initial phase theta 0, the phase in the optical path A point A1 is theta 0, the phase in the optical path point B1 B, is theta 0.

これら光路Ａを通る光と光路Ｂを通る光とは、高度ｈ1から高度ｈ2まで異なる媒質を進む。このとき、光路Ａでは媒質は柱体１１（半導体）であり、光路Ｂでは媒質は空気である。前記したように、大気中または真空中の光の速度をｃ、半導体の屈折率をｎとすると、半導体中の速度は、ｃ／ｎで与えられる（例えばＧａＮであればｎ＝２.６など）。このため、半導体素子中で発生した光を２つに分岐して、一方をそのまま大気中（もしくは真空中）に出射し、かつ、もう一方を半導体中で伝搬させてから出射した場合、それら２つの光が出射された後に出会うと、光路が異なるため、光の位相は異なるようになる。したがって、図３の発光素子からの光の自由空間中の波長をλ０とし、光路Ａでは高度ｈ1から高度ｈ2までの区間のＧａＮ中で位相がαだけ進むとすると、光路Ａの点Ａ２において位相は下記式（１）で表される。 The light passing through the optical path A and the light passing through the optical path B travel through different media from the height h 1 to the height h 2 . At this time, in the optical path A, the medium is the column 11 (semiconductor), and in the optical path B, the medium is air. As described above, when the velocity of light in the atmosphere or vacuum is c and the refractive index of the semiconductor is n, the velocity in the semiconductor is given by c / n (for example, n = 2.6 for GaN) ). For this reason, when the light generated in the semiconductor element is branched into two, one is emitted as it is in the atmosphere (or in the vacuum), and the other is propagated in the semiconductor and then emitted. When they meet after two lights are emitted, the optical paths are different, so the phases of the light are different. Therefore, if the wavelength in the free space of light from the light emitting element of FIG. 3 is λ 0 and the phase advances by α in the GaN in the section from the height h 1 to the height h 2 in the optical path A, the point of the optical path A In A2, the phase is represented by the following formula (1).

また、光路Ｂでは高度ｈ1から高度ｈ2までの自由空間中で位相がβだけ進むとすると、光路Ｂでは点Ｂ２において位相は下記式（２）で表される。 Further, assuming that the phase advances by β in the free space from the altitude h 1 to the altitude h 2 in the optical path B, the phase in the optical path B is expressed by the following formula (2) at the point B2.

さらに高度ｈ2から高度ｈ3まで自由空間なので、光路Ａを通る光と光路Ｂを通る光とは同じ媒質（自由空間）を進む。また、このとき、光路Ａの点Ａ２から点Ｃまでの距離と、光路Ｂの点Ｂ２から点Ｃまでの距離とは同じである。したがって、光路Ａを通る光の点Ａ２における位相と、光路Ｂを通る光の点Ｂ２における位相との差は、点Ｃにおいても保存されることとなる。この位相差τは以下の式（３）で表される。すなわち、柱体１１と柱体１６との高さの差δＨによって光路Ａと光路Ｂとの位相差τを制御することができる。以下の式（３）を変形すると、高さの差δＨは式（４）で表される。 Furthermore, since it is free space from altitude h 2 to altitude h 3 , the light passing through the optical path A and the light passing through the optical path B travel on the same medium (free space). At this time, the distance from the point A2 to the point C on the optical path A and the distance from the point B2 to the point C on the optical path B are the same. Therefore, the difference between the phase at the point A2 of the light passing through the optical path A and the phase at the point B2 of the light passing through the optical path B is also preserved at the point C. This phase difference τ is expressed by the following equation (3). That is, the phase difference τ between the optical path A and the optical path B can be controlled by the height difference δH between the column body 11 and the column body 16. When the following equation (3) is transformed, the height difference δH is expressed by equation (4).

したがって、以下の式（４）に示すように、柱体１１と柱体１６の高さの差δＨを調整することで、柱体１１と柱体１６との位相差τを制御できることがわかる。そして、このように柱体１１の射出面１１ａと柱体１６の射出面１６ａからそれぞれ放射された光には、図３の高度ｈ２の地点において位相差τがあるため、これらの光が互いに干渉すると、前記した位相差τに応じて、素子表面と垂直な方向に対して制御角θ２だけ傾いた方向に１本の光線が生成されることになる。したがって、柱体１１と柱体１６との高さの差δＨを調整して位相差τを制御することで、光線を所望の制御角θ２の方向に放射することができる。なお、柱体１１と柱体１６との高さの差δＨにおけるＨは固定値であるため、柱体１１の高さＨに対する柱体１１と柱体１６との高さの差δＨの割合δを調整すれば、柱体１１と柱体１６の位相差τを制御することができる。 Therefore, as shown in the following formula (4), it is understood that the phase difference τ between the columnar body 11 and the columnar body 16 can be controlled by adjusting the height difference δH between the columnar body 11 and the columnar body 16. Then, the light respectively emitted from the exit surface 16a of the exit surface 11a and columnar body 16 of the thus columnar body 11, since there is a phase difference τ at a point advanced h 2 of FIG. 3, these lights together When the interference occurs, one light beam is generated in a direction inclined by the control angle θ 2 with respect to the direction perpendicular to the element surface in accordance with the phase difference τ. Thus, by controlling the phase difference τ by adjusting the height of the difference δH and the pillar body 11 and columnar body 16 can emit light in the direction of the desired control angle theta 2. Since H in the height difference δH between the column 11 and the column 16 is a fixed value, the ratio δ of the height difference δH between the column 11 and the column 16 with respect to the height H of the column 11 Is adjusted, the phase difference τ between the columnar body 11 and the columnar body 16 can be controlled.

そして、柱体１１を通る光は、柱体１６を通る光に比べて遅延するため、両者が混合されると、それら２つの光の波面とは全く異なる波面をもつ波が生成される。すなわち、柱体１１，１６から放出される光の波面は互いに干渉し、これら２つの柱体１１，１６の相対的な位置（３次元空間の位置）によって決定される方向（方向）に、光が出射されることになる。   Since the light passing through the column 11 is delayed as compared with the light passing through the column 16, when both are mixed, a wave having a completely different wave front from the wave front of the two lights is generated. That is, the wavefronts of the light emitted from the pillars 11 and 16 interfere with each other, and light is emitted in a direction (direction) determined by the relative positions of these two pillars 11 and 16 (positions in the three-dimensional space). Will be emitted.

続いて、３次元空間の位置ｒ１にある波源としての柱体１１と、３次元空間の位置ｒ2にある波源としての柱体１６から出射された光の干渉について説明する。
位置ｒ１にある波源と、位置ｒ２にある波源とからそれぞれ出射された光によって、３次元空間の位置ｒに時刻ｔにおいて成形される光の強度Ｉ（ｒ）は、次の式（５）で与えられる。 Next, interference of light emitted from the column 11 as the wave source at the position r 1 in the three-dimensional space and the column 16 as the wave source at the position r 2 in the three-dimensional space will be described.
The intensity I (r) of light shaped at the time t at the position r in the three-dimensional space by the light respectively emitted from the wave source at the position r 1 and the wave source at the position r 2 is expressed by the following equation (5 ).

式（５）において、光の干渉を表す第３項が存在するために、発光層３０から出射された光が、２つの波源からそれぞれ出射された後に重畳されて、波面を変えて波の進行方向を変えることが可能となる。式（５）では、式（６）のγの実部を利用する。式（６）のＥ＊は、Ｅの複素共役であることを示す。γは、式（６）で示すように、０から１までの値をとり、２つの波源から出射された光が時間的・空間的にどのくらい相関を持っているのかを示している。よって、γは、次の式（７）〜式（９）のように場合分けすることができる。 In Formula (5), since there is a third term representing the interference of light, the light emitted from the light emitting layer 30 is superimposed after being emitted from the two wave sources, and the wave front is changed to advance the wave. The direction can be changed. In equation (5), the real part of γ in equation (6) is used. E * in the formula (6) indicates a complex conjugate of E. As shown in Expression (6), γ takes a value from 0 to 1, and indicates how much the light emitted from the two wave sources is correlated in time and space. Therefore, γ can be divided into cases as shown in the following equations (7) to (9).

式（７）の場合を完全コヒーレント、式（８）の場合をインコヒーレント、式（９）の場合を部分的なコヒーレントと呼ぶ。ここでは、発光素子として、ＬＥＤの光源を使用しているため、部分的なコヒーレントになっている。したがって、図３の発光素子１においては、光の強度において、前記式（５）の第３項の寄与が大きいため、光の進行方向を大きく曲げられる。   The case of Equation (7) is called fully coherent, the case of Equation (8) is called incoherent, and the case of Equation (9) is called partial coherent. Here, since the light source of LED is used as a light emitting element, it is partially coherent. Therefore, in the light-emitting element 1 of FIG. 3, since the contribution of the third term of the formula (5) is large in the light intensity, the light traveling direction is greatly bent.

なお、柱体１１，１６間の水平方向の間隔ｐ２が微小であるときには柱体の高さの差δＨが支配的な要因となる。 Incidentally, the difference δH height of the column body will be the limiting factor when horizontal spacing p 2 between pillar 11 and 16 is very small.

図３では、簡単のため、高さの異なる２つの柱体から出射される光の干渉による光線の方向について説明した。波源としての柱体が６つある場合についても、前記式（５）を拡張することが可能である。以下では、本実施形態の発光素子１のように６つの柱体を有している場合の光線の成形と、光線の方向制御とに関して行ったシミュレーションについて順次説明する。   In FIG. 3, for the sake of simplicity, the direction of the light beam due to the interference of the light emitted from the two columnar bodies having different heights has been described. The formula (5) can be expanded even when there are six pillars as wave sources. Below, the simulation performed regarding the shaping | molding of the light ray in the case of having six column bodies like the light emitting element 1 of this embodiment, and the direction control of a light ray is demonstrated one by one.

［発光素子の発光層の発光領域］
まず、発光素子１の発光層３０の発光領域について図４を参照して説明する。なお、柱体１１，１２，１３は互いに等しい高さＨ（図３参照）であり、柱体１４，１５，１６は互いに等しい高さ「Ｈ−δＨ」（図３参照）であるので、図４を用いる説明では、簡便のため、高さの異なる２つの柱体１１と柱体１６のみを図示する。また、図４に示すのは、発光素子１の断面図であるが、ここでは見易さのため、各構成要素のハッチングを省略している。 [Light emitting region of the light emitting layer of the light emitting element]
First, the light emitting region of the light emitting layer 30 of the light emitting element 1 will be described with reference to FIG. The column bodies 11, 12, and 13 have the same height H (see FIG. 3), and the column bodies 14, 15, and 16 have the same height “H−δH” (see FIG. 3). In the description using 4, only the two columnar bodies 11 and 16 having different heights are illustrated for convenience. FIG. 4 is a cross-sectional view of the light-emitting element 1, but the hatching of each component is omitted here for easy viewing.

発光素子１は、電源からパッド電極（いずれも図示せず）を介してｐ電極層５０に正電圧が印加され、電源からパッド電極（いずれも図示せず）を介してｎ電極層６０に負電圧が印加されることで、ｐ電極層５０よりｐ型半導体層２０に正孔ｈが注入されるとともに、ｎ電極層６０よりｎ型半導体層４０に電子ｅが注入される。発光素子１は、ｐ電極層５０より注入された正孔ｈがｐ型半導体層２０中を拡散しながらｐ型半導体層２０とｎ型半導体層４０との接合部である発光層３０へと移動し、一方、ｎ電極層６０より注入された電子ｅがｎ型半導体層４０内を接合部である発光層３０へと移動する。そして、発光素子は、発光層３０の接合部において正孔ｈと電子ｅとが再結合することで生じるエネルギーによって発光する。   In the light-emitting element 1, a positive voltage is applied to the p-electrode layer 50 from the power source via the pad electrode (none shown), and negative to the n-electrode layer 60 from the power source via the pad electrode (none shown). By applying a voltage, holes h are injected from the p-electrode layer 50 into the p-type semiconductor layer 20, and electrons e are injected from the n-electrode layer 60 into the n-type semiconductor layer 40. In the light emitting element 1, holes h injected from the p electrode layer 50 move to the light emitting layer 30, which is a junction between the p type semiconductor layer 20 and the n type semiconductor layer 40, while diffusing in the p type semiconductor layer 20. On the other hand, the electrons e injected from the n-electrode layer 60 move in the n-type semiconductor layer 40 to the light emitting layer 30 which is a junction. The light emitting element emits light by energy generated by recombination of holes h and electrons e at the junction of the light emitting layer 30.

ここで、発光素子１は、ｎ型半導体層４０の電子ｅの移動度が、ｐ型半導体層２０の正孔ｈの移動度よりもはるかに大きいので、ｐ電極層５０とｎ電極層６０とに同時に電圧を印加した場合、ｐ型半導体層２０から発光層３０に正孔ｈが到達するよりも、ｎ型半導体層４０から発光層３０に電子ｅが到達する方が早い。
そのため、正孔ｈと電子ｅとの再結合は、発光素子１の発光層３０に正孔ｈが到達した時点で発生する。言い換えれば、発光層３０に正孔ｈが到達した領域でのみ発光が生じる。この「正孔ｈが到達した領域」とは、図４に示したように、発光層３０において、ｐ電極層５０の直下の領域のみならず、正孔ｈがｐ型半導体層２０中を拡散しながら移動することにより、ｐ型半導体層２０の厚み程度、発光素子１の内側方向に広がるため、素子表面において、ｐ電極層５０が設けられていない部分の直下に位置する発光層３０の一部も含まれる。図４では、発光層３０に正孔ｈが到達した領域（発光領域）を塗りつぶして示している。図４に示すように、発光層３０に電子ｅが到達していても正孔ｈが到達していない領域では発光は生じない。 Here, since the mobility of the electrons e in the n-type semiconductor layer 40 is much larger than the mobility of the holes h in the p-type semiconductor layer 20 in the light-emitting element 1, the p-electrode layer 50, the n-electrode layer 60, When a voltage is applied simultaneously to the light-emitting layer 30, the electron e reaches the light-emitting layer 30 from the n-type semiconductor layer 40 faster than the hole h reaches the light-emitting layer 30 from the p-type semiconductor layer 20.
Therefore, recombination of holes h and electrons e occurs when the holes h reach the light emitting layer 30 of the light emitting element 1. In other words, light emission occurs only in the region where the holes h reach the light emitting layer 30. As shown in FIG. 4, the “region where the holes h have reached” means that not only the region immediately below the p electrode layer 50 but also the holes h diffuse in the p-type semiconductor layer 20 in the light emitting layer 30. By moving while moving, the thickness of the p-type semiconductor layer 20 is increased in the inner direction of the light-emitting element 1, so that one of the light-emitting layers 30 positioned immediately below the portion where the p-electrode layer 50 is not provided on the element surface. Part is also included. In FIG. 4, a region where the hole h reaches the light emitting layer 30 (light emitting region) is shown in a solid color. As shown in FIG. 4, light emission does not occur in the region where the holes h do not reach even if the electrons e reach the light emitting layer 30.

仮に、ｐ型半導体層２０の厚さが薄ければ、正孔が発光層３０に到達するまでに、ｐ型半導体層２０中において素子内側方向にほとんど拡散しないため、発光層３０において、ｐ電極層５０の直下（図２（ａ）に示した穴ｓ２の外側に位置する部分）に位置する部分以外ではほとんど発光しないことになる。これに対し、発光素子１は、ｐ型半導体層２０の厚さｔ１が、放射光の自由空間における発光波長λ０以上であるので、正孔が発光層３０に到達するまでに、ｐ型半導体層２０中において素子内側方向に十分に拡散させることができる。そのため、発光素子１は、前記したように、発光層３０において、ｐ電極層５０の直下のみならず、ｐ電極層５０の直下以外（図２（ａ）に示した穴ｓ２の内側に位置する部分）でも一部発光させることができる。したがって、発光層３０で発光した光を、柱体に確実に入射させることができる。 If the thickness of the p-type semiconductor layer 20 is thin, holes hardly diffuse in the element inner direction in the p-type semiconductor layer 20 until the holes reach the light-emitting layer 30. immediately below the layer 50 will be almost no emission except the portion located (a portion located outside the hole s 2 as shown in FIG. 2 (a)). In contrast, the light-emitting element 1, the thickness t 1 of the p-type semiconductor layer 20, since it is the emission wavelength lambda 0 or in a free space of the emitted light, until the holes reach the luminescent layer 30, p-type The semiconductor layer 20 can be sufficiently diffused in the element inner direction. Therefore, the light emitting element 1, as described above, in the light emitting layer 30, not directly under the p-electrode layer 50 only, located inside the bore s 2 shown other than directly below the p-electrode layer 50 (FIGS. 2 (a) Part of the light can also be emitted. Therefore, the light emitted from the light emitting layer 30 can be reliably incident on the column.

そして、発光素子１は、発光層３０で発光した光が、図４に示すように、柱体１１，柱体１６の直下からそれぞれ柱体１１，１６に入射し、柱体１１，１６中を伝搬して、射出面１１ａ，１６ａから空気中に出射される。   In the light emitting element 1, the light emitted from the light emitting layer 30 enters the column bodies 11 and 16 from directly below the column bodies 11 and 16 as shown in FIG. It propagates and exits into the air from the exit surfaces 11a and 16a.

また、発光層３０で発光し、ｐ型半導体層２０の上側に設けられたｐ電極層５０に入射した光が、遮光性を有するｐ電極層５０によって遮蔽されるので、空気中に放射されない。そのため、発光素子１は、光線Ｌを成形する際に、妨害光の影響を受けないようにすることができる。   In addition, light emitted from the light emitting layer 30 and incident on the p electrode layer 50 provided on the upper side of the p-type semiconductor layer 20 is shielded by the light shielding p electrode layer 50 and is not radiated into the air. Therefore, the light emitting element 1 can be prevented from being affected by interference light when the light beam L is formed.

なお、前記した図３において説明したように、図４に示す高い柱体１１の射出面１１ａから出射された光と低い柱体１６の射出面１６ａから出射された光とは、位相が異なるので、この位相差に応じた傾き方向に光線Ｌが形成される。以下では、法線方向に対する光線Ｌの傾き角度を制御角θ２という。 As described with reference to FIG. 3, the light emitted from the exit surface 11a of the high column 11 shown in FIG. 4 and the light emitted from the exit surface 16a of the low column 16 are different in phase. The light beam L is formed in the tilt direction corresponding to the phase difference. Hereinafter, the inclination angle of the light beam L with respect to the normal direction is referred to as a control angle θ 2 .

発光素子１は、以上のような構成を備えるので、図１の発光層３０で発生した光は、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６を光導波路として柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６の射出面１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａから出射される。これらの射出面１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａから出射された光は、発光層３０を１つの光源として発生した光であるため、互いに干渉して合成され光線が形成される。   Since the light-emitting element 1 has the above-described configuration, the light generated in the light-emitting layer 30 in FIG. 1 uses the column bodies 11, 12, 13, 14, 15, and 16 as the optical waveguides and the column bodies 11, 12, 13. , 14, 15 and 16 are emitted from exit surfaces 11a, 12a, 13a, 14a, 15a and 16a. Since the light emitted from these exit surfaces 11a, 12a, 13a, 14a, 15a, and 16a is light generated by using the light emitting layer 30 as one light source, they interfere with each other and are combined to form a light beam.

発光素子１は、ｐ型半導体層２０の表面に、穴ｓ２の外側にｐ電極層５０を積層しているので、発光層３０において、ｐ電極層５０の直下で発光し、素子表面に向かう光をｐ電極層５０で遮光することができるので、妨害光の発生を抑制することができる。
また、発光素子１は、ｐ型半導体層２０の厚さｔ１を、放射光の自由空間における発光波長λ０以上としているので、ｐ型半導体層２０に注入された正孔がｐ型半導体層２０中を移動して発光層３０に到達するまでに、素子内側方向に十分に拡散させることができる。そのため、発光素子１は、発光層３０において、ｐ電極層５０の直下（図２（ａ）に示した穴ｓ２の外側に位置する部分）のみならず、ｐ電極層５０の直下以外（図２（ａ）に示した穴ｓ２の内側に位置する部分）でも一部発光させることができる。したがって、発光層３０で発光した光を、柱体に確実に入射させることができる。
これにより、発光素子１は、Ｓ／Ｎ比の高い光線を成形することができる。 The light-emitting element 1, the surface of the p-type semiconductor layer 20, since the laminated p-electrode layer 50 side of the hole s 2, in the light emitting layer 30 emits light directly under the p-electrode layer 50, toward the element surface Since light can be shielded by the p-electrode layer 50, generation of interference light can be suppressed.
Further, the light-emitting element 1, the thickness t 1 of the p-type semiconductor layer 20, since the light emission wavelength lambda 0 or in a free space of the emitted light, holes p-type semiconductor layer that is implanted into the p-type semiconductor layer 20 It can be sufficiently diffused in the element inner direction before moving through 20 and reaching the light emitting layer 30. Therefore, the light emitting element 1, the light-emitting layer 30, not p immediately under the electrode layer 50 only (part located outside the hole s 2 as shown in FIG. 2 (a)), other than directly below the p-electrode layer 50 (FIG. 2 (a) can be partially) but some light emitting located inside the bore s 2 as shown in. Therefore, the light emitted from the light emitting layer 30 can be reliably incident on the column.
Thereby, the light emitting element 1 can shape a light beam having a high S / N ratio.

さらに、発光素子１は、柱体のうちの少なくとも１本（ここでは３本）の高さをその他の柱体の高さと異なるように構成することで、それぞれの射出面から出射された光に位相差を設けることができ、当該位相差に応じた傾き方向に光線を放射することができる。
さらに加えて、発光素子１は、６本の柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６を形成することで、光線として形成される光以外の余分な妨害光の発生を効果的に抑制することができる。 Furthermore, the light emitting element 1 is configured so that the height of at least one (three in this case) of the pillars is different from the height of the other pillars, so that the light emitted from the respective emission surfaces can be reduced. A phase difference can be provided, and light can be emitted in a tilt direction corresponding to the phase difference.
In addition, the light-emitting element 1 effectively suppresses generation of extra disturbing light other than light formed as light rays by forming the six column bodies 11, 12, 13, 14, 15, and 16. can do.

［発光素子の製造方法］
発光素子１を製造する方法としては、公知の種々の微細加工技術を用いることができる。発光素子１は、例えばＬＥＤのように平坦な放射面を有する発光素子を用意し、その表面を微細加工して作成することが可能である。 [Method for Manufacturing Light-Emitting Element]
As a method for manufacturing the light-emitting element 1, various known fine processing techniques can be used. The light-emitting element 1 can be prepared by preparing a light-emitting element having a flat radiation surface such as an LED and finely processing the surface.

以下、図１に示す発光素子１を２次元状に複数並べ、かつ、ｎ電極層６０を設けた素子群を製造する方法を、図５を参照して説明する。なお、ここでは、発光素子１において、外接円ｓ１の直径φ１（図２（ａ）参照）と穴ｓ２の直径φ３（図２（ａ）参照）とを実質的に同一としたものとして説明する。 Hereinafter, a method of manufacturing an element group in which a plurality of light-emitting elements 1 shown in FIG. 1 are arranged two-dimensionally and provided with an n-electrode layer 60 will be described with reference to FIG. Here, the light-emitting element 1 was a diameter phi 1 circumcircle s 1 (see FIG. 2 (a)) and the hole s 2 with a diameter phi 3 (see FIG. 2 (a)) and substantially identical It will be explained as a thing.

まずバッファ層９０を介してＧａＮ等からなる発光素子層８０が形成された基板１７０を用意する。図５（ａ）に示すように、例えばバッファ層９０が積層されたＳｉ等の基板１７０の表面に、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等の成膜方法により、ｎ型半導体層４０を積層し、次に、ＩｎＧａＮの量子井戸層からなる発光層３０を形成し、さらに、ｐ型半導体層２０を積層する。このとき、ｐ型半導体層２０については、まず、柱体の最上部以上の厚みで成膜する。以下では、このｐ型半導体層２０と発光層３０とｎ型半導体層４０とを合わせて発光素子層８０という場合もある。   First, a substrate 170 on which a light emitting element layer 80 made of GaN or the like is formed via a buffer layer 90 is prepared. As shown in FIG. 5A, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method is applied to the surface of a substrate 170 such as Si on which a buffer layer 90 is stacked. The n-type semiconductor layer 40 is stacked by a film forming method such as the above, then the light emitting layer 30 made of an InGaN quantum well layer is formed, and the p-type semiconductor layer 20 is further stacked. At this time, the p-type semiconductor layer 20 is first formed with a thickness greater than or equal to the top of the column. Hereinafter, the p-type semiconductor layer 20, the light-emitting layer 30, and the n-type semiconductor layer 40 may be collectively referred to as a light-emitting element layer 80.

そして、図５（ａ）に示すように、レーザーリフトオフ法、ケミカルリフトオフ法またはボイド形成剥離法等により、基板１７０およびバッファ層９０を剥離する。次に、図５（ｂ）に示すように、発光素子層８０のｎ型半導体層４０の上（図５では下側）に、マスクを用いた金属蒸着法等によってｎ電極層６０を、ストライプ状に１本以上形成する。なお、その際、ｎ電極層６０上にＳｎ等の融着層を形成しても構わない。   Then, as shown in FIG. 5A, the substrate 170 and the buffer layer 90 are peeled by a laser lift-off method, a chemical lift-off method, a void formation peeling method, or the like. Next, as shown in FIG. 5B, the n-electrode layer 60 is striped on the n-type semiconductor layer 40 of the light-emitting element layer 80 (on the lower side in FIG. 5) by metal vapor deposition using a mask or the like. One or more are formed in a shape. At that time, a fusion layer such as Sn may be formed on the n-electrode layer 60.

次に、図５（ｃ）に示すように、ｎ電極層６０が設けられた発光素子層８０を、ｎ電極層６０を下にしてサファイア等の基板７０上に配置し、表面活性化接合法等により、両者を接合する。なお、表面活性化接合法では、具体的にはＡｒプラズマ等によって発光素子層８０の表面を活性化させて基板７０と圧着を行う。ただし、前記した図５（ｂ）の工程において、ｎ電極層６０上にＳｎ等の融着層を設けた場合は、この工程では加熱のみを行って発光素子層８０と基板７０とを接合する。   Next, as shown in FIG. 5C, the light-emitting element layer 80 provided with the n-electrode layer 60 is disposed on a substrate 70 such as sapphire with the n-electrode layer 60 facing down, and a surface activated bonding method. The two are joined by, for example. In the surface activated bonding method, specifically, the surface of the light emitting element layer 80 is activated by Ar plasma or the like, and is bonded to the substrate 70. However, in the above-described step of FIG. 5B, when a fusion layer such as Sn is provided on the n-electrode layer 60, only the heating is performed in this step to bond the light emitting element layer 80 and the substrate 70. .

次に、図５（ｄ）に示すように、ｐ型半導体層２０の表面の画素領域に熱可塑性樹脂または光硬化性樹脂からなるフォトレジストｆをパターニングして積層する。パターニングは、ｐ型半導体層２０の表面において、画素領域を円形に残し、その他を全て覆うパターンとする。例えば、ｐ型半導体層２０の表面の画素領域にフォトレジストｆを塗布後、フォトマスクで皮膜し、紫外線を照射して現像することで形成することができる。   Next, as shown in FIG. 5D, a photoresist f made of a thermoplastic resin or a photocurable resin is patterned and laminated on the pixel region on the surface of the p-type semiconductor layer 20. The patterning is a pattern that leaves the pixel region in a circular shape on the surface of the p-type semiconductor layer 20 and covers all others. For example, it can be formed by applying a photoresist f to the pixel region on the surface of the p-type semiconductor layer 20, coating with a photomask, and developing by irradiating with ultraviolet rays.

続いて、図５（ｅ）に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、ｐ型半導体層２０のフォトレジストｆの周囲をエッチングする。
さらに、図５（ｆ）に示すように、金属材料を蒸着法、スパッタリング法等により積層した後、フォトリソグラフィ法等によってｐ電極層５０が作製される。 Subsequently, as shown in FIG. 5E, the periphery of the photoresist f of the p-type semiconductor layer 20 is etched by dry etching such as reactive ion etching (RIE) or wet etching using a chemical solution. To do.
Furthermore, as shown in FIG. 5F, after the metal materials are stacked by vapor deposition, sputtering, or the like, the p-electrode layer 50 is formed by photolithography or the like.

またさらに、図５（ｇ）に示すように、余分なｐ電極層５０ごとフォトレジストｆをリフトオフする。
そして、図５（ｈ）に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、複数の柱体１０（１１，１２，１３，１４，１５，１６）を形成する。 Furthermore, as shown in FIG. 5G, the photoresist f is lifted off together with the excess p-electrode layer 50.
Then, as shown in FIG. 5 (h), a plurality of pillars 10 (11, 12, 13, 14,... Are formed by dry etching such as reactive ion etching (RIE) or wet etching using a chemical solution. 15, 16).

ここで、図５（ｇ）に示す状態から、高い柱体１１，１２，１３と低い柱体１４，１５，１６とを形成する方法の一例について説明する。
まず、図５（ｇ）に示すｐ型半導体層２０の表面の、高い柱体１１，１２，１３となる部分にフォトレジストを形成する。そして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、フォトレジストの周囲をエッチングする。これによって、高い柱体１１，１２，１３の上側の一部が形成される。次に、ｐ型半導体層２０の表面の、低い柱体１４，１５，１６となる部分にフォトレジストｆを形成する。そして、前記したようなエッチングにより、高い柱体１１，１２，１３、および、高い柱体１４，１５，１６となる柱体の表面に形成したフォトレジストの周囲をエッチングする。これにより、高い柱体１１，１２，１３、および、高い柱体１４，１５，１６以外の表面が削られ、高い柱体１１，１２，１３、および、高い柱体１４，１５，１６が形成される。なお、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６（図１および図２（ａ）参照）の形成後に、柱体の内壁やｐ電極層５０の表面にＳｉＯ2等の絶縁性の保護膜を形成してもよい。 Here, an example of a method of forming the high column bodies 11, 12, 13 and the low column bodies 14, 15, 16 from the state shown in FIG.
First, a photoresist is formed on portions of the surface of the p-type semiconductor layer 20 shown in FIG. Then, the periphery of the photoresist is etched by dry etching such as reactive ion etching (RIE) or wet etching using a chemical solution. Thereby, a part of the upper side of the high pillars 11, 12, 13 is formed. Next, a photoresist f is formed on portions of the surface of the p-type semiconductor layer 20 that become the low pillars 14, 15, 16. Then, the periphery of the photoresist formed on the surface of the columnar body that becomes the high columnar bodies 11, 12, 13 and the high columnar bodies 14, 15, 16 is etched by the etching as described above. As a result, the surfaces other than the high column bodies 11, 12, 13 and the high column bodies 14, 15, 16 are scraped, and the high column bodies 11, 12, 13 and the high column bodies 14, 15, 16 are formed. Is done. After forming the pillars 11, 12, 13, 14, 15, 16 (see FIG. 1 and FIG. 2A), insulating protection such as SiO 2 is applied to the inner walls of the pillars and the surface of the p-electrode layer 50. A film may be formed.

［発光素子の性能］
本実施形態の発光素子１の性能を確かめるために、ＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法によるシミュレーションを行った。シミュレーションの条件としては、発光素子１の表面（ｐ型半導体層２０の上面）と平行な面の正方形領域（大きさ３５００ｎｍ×３５００ｎｍ）をベースとして想定した。また、発光領域から素子表面の上方３５００ｎｍまでの領域を計算対象としてシミュレーションを行った。 [Performance of light emitting element]
In order to confirm the performance of the light-emitting element 1 of the present embodiment, a simulation by the FDTD (Finite-Difference Time-Domain) method was performed. The simulation condition was assumed based on a square region (size: 3500 nm × 3500 nm) parallel to the surface of the light emitting element 1 (upper surface of the p-type semiconductor layer 20). In addition, a simulation was performed with a region from the light emitting region to 3500 nm above the element surface as a calculation target.

［発光素子の設計の具体例］
以下、シミュレーションにおける発光素子１の設計例を以下に記載する。
発光素子１は、ＧａＮにＩｎを添加したＬＥＤであるものとし、放射光の自由空間における発光波長λ０は４０５ｎｍであるものとした。
発光素子１のｐ型半導体層２０（図１参照）の厚さｔ１を、放射光の半導体中における発光波長λ１以上である約４００ｎｍとした。
ｐ電極層５０（図１参照）は、厚さｔ２が１５０ｎｍのＡｇの金属薄膜とした。
柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６の直径φ１（図２（ａ），（ｂ）参照）は、放射光の自由空間における発光波長λ０に相当する４０５ｎｍとした。
柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６の配置角度θ１（図２（ａ）参照）は、６０度とした。
隣り合う柱体の中心間の間隔ｐ１（図２（ａ）参照）は、１．４λ０とした。
隣り合う柱体間の間隔ｐ２（図２（ａ）参照）は、０．４λ０とした。
柱体１１，１２，１３の高さＨ（図２（ｂ）参照）は、５４０ｎｍとした。これは、本設計例における放射光の半導体中における発光波長λ１（λ１＝λ０／ｎ）の４波長分に相当する。
また、柱体１４，１５，１６の高さ「Ｈ−ｄ１」（図２（ｂ）参照）は、柱体１１，１２，１３の高さＨから、柱体１１，１２，１３と柱体１４，１５，１６との高さの差「δＨ」［ｎｍ］を減じた高さとして、柱体１１，１２，１３（図１参照）の高さＨに対する柱体１４，１５，１６（図１参照）の高さの差δＨの割合δ（δ＝ｄ１／Ｈ）の値を変化させることで、光線方向が制御される。
柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６の外接円ｓ１の直径φ２（図２（ａ）参照）は、３．８λ０とした。また、穴ｓ２の直径φ３（図２（ａ）参照）は、４．０λ０とした。
以下、図６，８および適宜図１を参照して、シミュレーション結果について説明する。 [Specific examples of light emitting element design]
Hereinafter, design examples of the light-emitting element 1 in the simulation will be described below.
The light-emitting element 1 was an LED in which In was added to GaN, and the emission wavelength λ 0 in the free space of radiated light was 405 nm.
The thickness t 1 of the p-type semiconductor layer 20 of the light emitting element 1 (see FIG. 1), was about 400nm is the emission wavelength lambda 1 or more in the semiconductor in the emitted light.
p electrode layer 50 (see FIG. 1), the thickness t 2 is a thin metal film of 150nm of Ag.
The diameter φ 1 (see FIGS. 2A and 2B) of the pillars 11, 12, 13, 14, 15 and 16 was set to 405 nm corresponding to the emission wavelength λ 0 in the free space of the emitted light.
The arrangement angle θ 1 (see FIG. 2A) of the column bodies 11, 12, 13, 14, 15, and 16 was set to 60 degrees.
Spacing between the centers of adjacent columnar bodies p 1 (see FIG. 2 (a)) was set to 1.4λ 0.
Spacing between the adjacent pillar p 2 (see FIG. 2 (a)) was set to 0.4λ 0.
The height H (see FIG. 2B) of the column bodies 11, 12, 13 was set to 540 nm. This corresponds to four wavelengths of the emission wavelength λ 1 (λ 1 = λ 0 / n) in the semiconductor of the emitted light in this design example.
Further, the heights “Hd 1 ” (see FIG. 2B) of the column bodies 14, 15, and 16 are determined from the height H of the column bodies 11, 12, and 13 and the column bodies 11, 12, and 13. The column bodies 14, 15, 16 (with respect to the height H of the column bodies 11, 12, 13 (see FIG. 1) are obtained by subtracting the height difference “δH” [nm] from the bodies 14, 15, 16 (see FIG. 1). By changing the value of the ratio δ (δ = d 1 / H) of the height difference δH in FIG. 1), the light ray direction is controlled.
Diameter phi 2 circumcircle s 1 of the cylindrical body 11, 12 (see FIG. 2 (a)) was set to 3.8λ 0. The diameter phi 3 of the hole s 2 (see FIG. 2 (a)) was set to 4.0λ 0.
Hereinafter, simulation results will be described with reference to FIGS.

発光素子１の放射光であるＸＹ平面における光の強度の積算値を、ＸＹ平面のビームパターンとして図６（ａ）〜（ｃ）に示す。図６（ａ）は、柱体１１，１２，１３（図１参照）の高さＨに対する柱体１４，１５，１６（図１参照）の高さの差δＨの割合δの値を０．００〜０．２０まで変化させた場合のビームパターンであり、（ｂ）は、全ての柱体の高さが等しい場合のビームパターンであり、（ｃ）は、高さの差の割合δを０．１０とした場合のビームパターンである。なお、図６（ｂ），（ｃ）では、発光素子１（図１参照）の柱体１１，１６と、ｐ電極層５０と、ｐ型半導体層２０の一部とを示している。
また、光線方向の評価は、計算領域の上端において電界強度が最大となる点を光線の中心とし、発光素子１の表面の法線となす角を光線方向の制御角θ２とした。
さらに、図７に、柱体１１，１２，１３（図１参照）の高さＨに対する柱体１４，１５，１６（図１参照）の高さの差δＨの割合δの値を０．００〜０．１６まで変化させた場合の素子表面の法線と光線方向とが成す角（制御角）θ２の変化をグラフで示した。なお、図７に示すグラフの横軸は、柱体１１，１２，１３（図１参照）に対する柱体１４，１５，１６（図１参照）の高さの差δＨの高さＨに対する割合δの値であり、図７に示すグラフの縦軸は、制御角θ２である。 The integrated value of the light intensity in the XY plane, which is the emitted light of the light emitting element 1, is shown in FIGS. 6A to 6C as a beam pattern in the XY plane. 6A shows the value of the ratio δ of the height difference δH of the column bodies 14, 15, 16 (see FIG. 1) with respect to the height H of the column bodies 11, 12, 13 (see FIG. 1). (B) is a beam pattern when the heights of all the columns are equal, and (c) is a ratio δ of the height difference. The beam pattern is 0.10. 6B and 6C show the pillars 11 and 16 of the light-emitting element 1 (see FIG. 1), the p-electrode layer 50, and a part of the p-type semiconductor layer 20.
In the evaluation of the light beam direction, the point where the electric field intensity is maximum at the upper end of the calculation area is the center of the light beam, and the angle formed with the normal of the surface of the light emitting element 1 is the control angle θ 2 in the light beam direction.
Further, in FIG. 7, the value of the ratio δ of the height difference δH of the column bodies 14, 15, 16 (see FIG. 1) to the height H of the column bodies 11, 12, 13 (see FIG. 1) is 0.00. the change in angular (control angle) theta 2 formed between the normal and the beam direction of the element surface when changing to 0.16 indicated graphically. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 7 indicates the ratio δ of the height difference δH of the column bodies 14, 15, 16 (see FIG. 1) to the column bodies 11, 12, 13 (see FIG. 1) relative to the height H. a value, the vertical axis of the graph shown in FIG. 7 is a control angle theta 2.

なお、図６（ａ）〜（ｃ）は、発光素子１から計算領域上端（３５００ｎｍ地点）に到達する光の強度分布を積算したものを表しており、光の強度が最も強い点を光線中心として示している。ここでは、ＦＤＴＤ法における電界の自乗をとった電力密度を光の強度とした。図６（ａ）は、素子表面と平行な面での光線形状を示しており、図６（ｂ）,（ｃ）における右側の目盛は、光の強度の積算値の目盛を示したものであり、上の１．００×１０４Ｗ／ｍ２に近づくほど到達した光が多く、下の０．００×１０４Ｗ／ｍ２に近づくほど到達した光が少ないことを示している。また、赤は到達した光が強い領域（１．００×１０４Ｗ／ｍ２）を、黄は到達した光が比較的強い領域、緑は到達した光が比較的弱い領域、青は光が到達しない領域（０．００×１０４Ｗ／ｍ２）をそれぞれ示している。 6A to 6C show the integrated light intensity distribution reaching the upper end of the calculation region (3500 nm point) from the light emitting element 1, and the point where the light intensity is the strongest is the center of the light beam. As shown. Here, the power density obtained by taking the square of the electric field in the FDTD method was used as the light intensity. FIG. 6A shows the light beam shape in a plane parallel to the element surface, and the right scale in FIGS. 6B and 6C shows the scale of the integrated value of light intensity. There is more light that has reached the upper 1.00 × 10 4 W / m 2, and less light that has reached the lower 0.00 × 10 4 W / m 2 . In addition, red is a region where the reached light is strong (1.00 × 10 4 W / m 2 ), yellow is a region where the reached light is relatively strong, green is a region where the reached light is relatively weak, and blue is a region where the light is relatively weak Regions that do not reach (0.00 × 10 4 W / m 2 ) are shown.

参考例として、図６（ａ）のδ＝０．００の場合、すなわち、図６（ｂ）に示すように、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６の高さが等しい場合、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６の中心に光線が成形されることを確かめた。
また、この場合、図７に示すように、制御角θ２が０．００度であることを確かめた。つまり、素子表面と垂直な方向に向かう線上に光線が成形されることを確かめた。 As a reference example, in the case of δ = 0.00 in FIG. 6 (a), that is, as shown in FIG. 6 (b), when the heights of the pillars 11, 12, 13, 14, 15, 16 are equal, It was confirmed that a light beam was formed at the center of the pillars 11, 12, 13, 14, 15, 16.
Further, in this case, as shown in FIG. 7, it was confirmed that the control angle θ 2 was 0.00 degrees. In other words, it was confirmed that the light beam was formed on a line directed in a direction perpendicular to the element surface.

次に実施例として、柱体１１，１２，１３の高さＨに対する柱体１４，１５，１６の高さの差δＨの割合δを０．０４〜０．２０まで変化させた場合に成形される光線について説明する。なお、緑の領域はピーク強度（１．００×１０４Ｗ／ｍ２）の半値以下の強度を示すため、光線方向の評価においては、微弱なものとして無視した。 Next, as an example, it is formed when the ratio δ of the height difference δH of the column bodies 14, 15, 16 to the height H of the column bodies 11, 12, 13 is changed from 0.04 to 0.20. The light rays to be described will be described. In addition, since the green area | region shows the intensity | strength below the half value of peak intensity (1.00 * 10 < 4 > W / m < 2 >), in the evaluation of a light direction, it was disregarded as weak.

図６（ａ）に示すように、高さの差の割合δを０．０４とした場合、発光素子１の表面の法線に対し、傾斜した方向に光線が成形できることを確かめた。また、メインローブの周辺に、サイドローブが発生しないことを確かめた。
また、図７に示すように、高さの差の割合δを０．０４とした場合、制御角θ２が１．７８度であることを確かめた。 As shown in FIG. 6A, when the height difference ratio δ is set to 0.04, it was confirmed that the light beam can be shaped in an inclined direction with respect to the normal of the surface of the light emitting element 1. It was also confirmed that no side lobe was generated around the main lobe.
Further, as shown in FIG. 7, it was confirmed that the control angle θ 2 was 1.78 degrees when the height difference ratio δ was 0.04.

図６（ａ）に示すように、高さの差の割合δを０．０８とした場合、発光素子１の表面の法線に対し、傾斜した方向に光線が成形できることを確かめた。また、メインローブの周辺に、サイドローブが発生しないことを確かめた。また、図７に示すように、高さの差の割合δを０．０８とした場合、制御角θ２が３．８６度であることを確かめた。 As shown in FIG. 6A, when the height difference ratio δ is set to 0.08, it was confirmed that the light beam can be shaped in a direction inclined with respect to the normal line of the surface of the light emitting element 1. It was also confirmed that no side lobe was generated around the main lobe. Further, as shown in FIG. 7, it was confirmed that the control angle θ 2 was 3.86 degrees when the height difference ratio δ was 0.08.

図６（ａ），（ｃ）に示すように、高さの差の割合δを０．１０とした場合、発光素子１の表面の法線に対し、傾斜した方向に光線が成形できることを確かめた。一方、メインローブの隣に、微弱なサイドローブ（緑の領域）が発生することを確かめた。ただし、光線方向には影響を与えない程度の微弱なものであるため、無視することができる。また、図７に示すように、高さの差の割合δを０．１０とした場合、制御角θ２が５．９６度であることを確かめた。 As shown in FIGS. 6A and 6C, when the ratio δ of the height difference is set to 0.10, it is confirmed that the light beam can be shaped in an inclined direction with respect to the normal line of the surface of the light emitting element 1. It was. On the other hand, it was confirmed that a weak side lobe (green region) was generated next to the main lobe. However, since it is so weak that it does not affect the direction of the light, it can be ignored. Further, as shown in FIG. 7, it was confirmed that the control angle θ 2 was 5.96 degrees when the height difference ratio δ was 0.10.

図６（ａ）に示すように、高さの差の割合δを０．１２とした場合、発光素子１の表面の法線に対し、傾斜した方向に光線が成形できることを確かめた。一方、メインローブの隣に、微弱なサイドローブ（緑の領域）がやや広範囲で発生することを確かめた。また、図７に示すように、高さの差の割合δを０．１２とした場合、制御角θ２が８．１４度であることを確かめた。 As shown in FIG. 6A, it was confirmed that when the height difference ratio δ was 0.12, the light beam could be shaped in an inclined direction with respect to the normal of the surface of the light emitting element 1. On the other hand, it was confirmed that a weak side lobe (green region) was generated in a slightly wide area next to the main lobe. Further, as shown in FIG. 7, it was confirmed that the control angle θ 2 was 8.14 degrees when the height difference ratio δ was 0.12.

図６（ａ）に示すように、高さの差の割合δを０．１６とした場合、発光素子１の表面の法線に対し、傾斜した方向に光線が成形できることを確かめた。一方、メインローブの隣に、微弱なサイドローブ（緑の領域）がやや広範囲で発生することを確かめた。また、図７に示すように、高さの差の割合δを０．１６とした場合、制御角θ２が１０．５度であることを確かめた。 As shown in FIG. 6A, it was confirmed that when the height difference ratio δ is 0.16, the light beam can be shaped in an inclined direction with respect to the normal of the surface of the light emitting element 1. On the other hand, it was confirmed that a weak side lobe (green region) was generated in a slightly wide area next to the main lobe. Further, as shown in FIG. 7, it was confirmed that the control angle θ 2 was 10.5 degrees when the height difference ratio δ was 0.16.

図６（ａ）に示すように、高さの差の割合δを０．２０とした場合、発光素子１の表面の法線に対し、傾斜した方向に光線を成形できるものの、メインローブの隣に、微弱なサイドローブ（緑の領域）が広範囲で発生し、光線の明瞭性が低下してしまうことを確かめた。   As shown in FIG. 6A, when the ratio δ of the height difference is 0.20, the light beam can be shaped in an inclined direction with respect to the normal of the surface of the light emitting element 1, but next to the main lobe. In addition, it was confirmed that a weak side lobe (green region) was generated in a wide range and the clarity of the light beam was lowered.

以上のように、柱体１１，１２，１３の高さＨに対する柱体１４，１５，１６の高さの差δＨの割合δを０．０４〜０．２０まで変化させることによる、制御角θ２の変化について確かめた。
このうち、柱体１１，１２，１３の高さＨに対する柱体１４，１５，１６の高さの差δの割合δを０．０４〜０．１６まで変化させた場合、明瞭であり様々な方向の光線を形成できることを確かめた。つまり、図６（ａ）に示すように、高さの差の割合δを０．０４〜０．１６まで変化させた場合、中心部分（赤の領域）の強度が高い光線を形成できることを確かめた。また、柱体１１，１２，１３の高さＨに対する柱体１４，１５，１６の高さの差ｄ１の割合δを０．０４〜０．１６まで変化させた場合、光線の中心部分の位置がそれぞれ異なっているので、法線方向に対し傾斜した光線を成形できることを確かめた。
具体的には、柱体１１，１２，１３の高さＨに対する柱体１４，１５，１６の高さの差ｄ１の割合δを０．０４〜０．１６とした場合、光線の回りにサイドローブ、すなわち妨害光が若干発生しているものの、メインローブの光量は十分に得られていることから、サイドローブの悪影響を抑制することができることを確かめた。 As described above, the control angle θ is obtained by changing the ratio δ of the height difference δH of the column bodies 14, 15, 16 to the height H of the column bodies 11, 12, 13 from 0.04 to 0.20. I confirmed the change of 2 .
Among these, when the ratio δ of the height difference δ of the column bodies 14, 15, 16 with respect to the height H of the column bodies 11, 12, 13 is changed from 0.04 to 0.16, it is clear and various. It was confirmed that a light beam in the direction can be formed. That is, as shown in FIG. 6A, when the height difference ratio δ is changed from 0.04 to 0.16, it is confirmed that a light beam having a high intensity in the central portion (red region) can be formed. It was. Further, when the ratio δ of the height difference d 1 of the column bodies 14, 15, 16 to the height H of the column bodies 11, 12, 13 is changed from 0.04 to 0.16, the central portion of the light beam Since the positions are different, it was confirmed that a light beam inclined with respect to the normal direction can be formed.
Specifically, the height ratio of the difference d 1 of the columnar body 14, 15, 16 to the height H of the cylindrical body 11, 12, 13 [delta] case of the 0.04 to 0.16, around the beam Although some side lobes, i.e., disturbing light, are generated, the main lobe light quantity is sufficiently obtained, so it was confirmed that the adverse effects of the side lobes can be suppressed.

一方、柱体１１，１２，１３の高さＨに対する柱体１４，１５，１６の高さの差ｄ１の割合δを０．２０とした場合、図６（ａ）に示すように、法線方向に対し傾斜した光線を成形できるものの、サイドローブの悪影響が大きくなってしまい、明瞭な光線の成形が困難であることを確かめた。
今回のシミュレーションでは、高さの差の割合δを増やすと、制御角θ２が大きくなる一方で、サイドローブの影響が大きくなるという結果が得られた。このようなサイドローブの悪影響を抑制できる範囲で高さの差の割合δを変化させることで、様々な制御角θ２の光線を得ることができる。今回のシミュレーションにおいて、サイドローブの悪影響を抑制できる範囲での制御角θ２の最大値は、図７に示すように、高さの差の割合δが０．１６の場合であり、１０．５度を得ることができた。 On the other hand, when the ratio δ of the height difference d 1 of the column bodies 14, 15, 16 to the height H of the column bodies 11, 12, 13 is 0.20, as shown in FIG. Although it was possible to shape a light beam inclined with respect to the line direction, it was confirmed that the adverse effect of the side lobe was increased and it was difficult to form a clear light beam.
In this simulation, when the height difference ratio δ is increased, the control angle θ 2 is increased, while the influence of the side lobe is increased. By changing the height difference ratio δ within a range in which the adverse effects of the side lobes can be suppressed, light beams having various control angles θ 2 can be obtained. In this simulation, the maximum value of the control angle θ 2 within a range in which the adverse effect of the side lobe can be suppressed is as shown in FIG. 7 when the height difference ratio δ is 0.16, and 10.5 I was able to get a degree.

また、図６（ｂ），（ｃ）に示すように、ｐ型半導体層２０の表面（素子表面）において、ｐ電極層５０が積層された位置の上方の空間に青の領域があることから、当該空間には、光が放射されていないことを確かめた。つまり、発光素子１のｐ型半導体層２０の表面（素子表面）において、発光層３０から柱体で取り囲んだ所定領域の外側領域（ここでは、穴ｓ２の外側の領域（図２（ａ）参照））に到達した光がｐ電極層５０によって遮蔽されていることを確かめた。このように、発光素子１は、素子表面において、穴ｓ２の外側の領域（図２（ａ）参照）に、ｐ電極層５０を積層することで、サイドローブが効果的に抑制されることを確かめた。 Further, as shown in FIGS. 6B and 6C, on the surface of the p-type semiconductor layer 20 (element surface), there is a blue region in the space above the position where the p-electrode layer 50 is stacked. It was confirmed that no light was radiated in the space. That is, the surface (element surface) of the p-type semiconductor layer 20 of the light emitting element 1, the outer area of a predetermined region surrounded by the columnar body from the light-emitting layer 30 (here, the region outside of the hole s 2 (FIGS. 2 (a) It was confirmed that the light reaching the reference)) was blocked by the p-electrode layer 50. As described above, in the light emitting element 1, side lobes can be effectively suppressed by laminating the p electrode layer 50 in the region outside the hole s 2 (see FIG. 2A) on the element surface. I confirmed.

さらに、図６（ｂ），（ｃ）に示すように、ｐ型半導体層２０の表面において、柱体１１と柱体１６の間の空間に青の領域があることから、ｐ型半導体層２０の表面において、柱体で取り囲んだ所定領域の内側領域（ここでは、穴ｓ２の内側の領域（図２（ａ）参照））の表面からは、ほとんど光が放射されていないことを確かめた。 Further, as shown in FIGS. 6B and 6C, since there is a blue region in the space between the column 11 and the column 16 on the surface of the p-type semiconductor layer 20, the p-type semiconductor layer 20. in surface (here, the region inside the hole s 2 (see FIG. 2 (a))) inner region of the predetermined surrounded by columnar body region from the surface of the, most light was confirmed that no radiated .

このように、柱体１１，１２，１３（導波柱）と柱体１４，１５，１６（制御柱）との高さの差の割合δを変化させることで、明瞭であり、かつ、様々な角度の光線を形成できることを確かめた。   Thus, by changing the ratio δ of the height difference between the column bodies 11, 12, 13 (waveguide columns) and the column bodies 14, 15, 16 (control columns), it is clear and various. It was confirmed that a light beam with a proper angle could be formed.

以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, the meaning of this invention is not limited to these description, and must be interpreted widely based on description of a claim. Needless to say, various changes and modifications based on these descriptions are also included in the spirit of the present invention.

例えば、前記した発光素子１は、ＬＥＤ素子の材料をＧａＮとしたが、本発明はこれに限らず、例えば、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＡｓＰ等であってもよい。   For example, although the light emitting element 1 described above uses GaN as the material of the LED element, the present invention is not limited thereto, and may be AlN, GaAlN, ZnO, GaAs, GaP, GaAlAs, GaAlAsP, or the like.

また例えば、前記した発光素子１は、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６をｐ型半導体層２０と同じ材料であるＧａＮで形成するものとして説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、発光素子１の柱体のみを素子表面と比較して小さな誘電率である透明導電体で形成してもよい。より具体的には、空気の誘電率（＝１）よりも高く、発光素子１の発光素子層８０（図５，６参照）を構成する材料（例えば、ＧａＮ）の誘電率よりも低い誘電率である材料（例えば、ＳｉＯ２，ＳｉＯ，ＳｉＮ，ＭｇＦ２，ＺｒＯ２等）で形成してもよい。以下では、発光素子１の柱体のみをＳｉＯ２で形成する場合について説明する。 Further, for example, in the light emitting element 1 described above, the column bodies 11, 12, 13, 14, 15, and 16 are described as being formed of GaN, which is the same material as the p-type semiconductor layer 20, but the present invention is not limited thereto. For example, you may form only the column of the light emitting element 1 with the transparent conductor which is a small dielectric constant compared with the element surface. More specifically, the dielectric constant is higher than the dielectric constant (= 1) of air and lower than the dielectric constant of the material (for example, GaN) constituting the light emitting element layer 80 (see FIGS. 5 and 6) of the light emitting element 1. in a material (e.g., SiO 2, SiO, SiN, MgF 2, ZrO 2 , etc.) may be formed in. Below, the case where only the column of the light emitting element 1 is formed of SiO 2 will be described.

発光素子１の柱体のみをＳｉＯ２で形成する場合、柱体の本数、配置角度θ１、直径φ１は、柱体をＧａＮで形成する場合と同様とすることができる。ただし、発光素子１の柱体のみをＳｉＯ２で形成する場合、例えば、高い柱体１１，１２，１３（導波柱）の高さＨをＳｉＯ２中における放射光の２波長分に相当する５４０ｎｍとすることができる。なお、ここでは、ＳｉＯ２の屈折率ｎを１．５として高さＨを求めた。
なお、低い柱体１４，１５，１６（制御柱）の高さ「Ｈ−ｄ１」は、柱体１１，１２，１３の高さＨ（ここでは、５４０ｎｍ）から柱体１１，１２，１３と柱体１４，１５，１６との高さの差ｄ１［ｎｍ］を減じた高さとして、高さの差の割合δの値を変化させることで、光線方向が制御される。 When only the pillars of the light-emitting element 1 are formed of SiO 2 , the number of pillars, the arrangement angle θ 1 , and the diameter φ 1 can be the same as when the pillars are formed of GaN. However, when only the column body of the light emitting element 1 is formed of SiO 2 , for example, the height H of the high column bodies 11, 12, 13 (waveguide column) corresponds to two wavelengths of emitted light in SiO 2. It can be 540 nm. Here, the height H was determined by setting the refractive index n of SiO 2 to 1.5.
The height “Hd 1 ” of the lower column bodies 14, 15, 16 (control column) is the column bodies 11, 12, 13 from the height H (here, 540 nm) of the column bodies 11, 12, 13. By changing the value of the height difference ratio δ as the height obtained by subtracting the height difference d 1 [nm] between the column bodies 14, 15 and 16, the light beam direction is controlled.

発光素子１の柱体のみをＳｉＯ２で形成する場合の発光素子の製造方法について簡単に説明する。例えば、図５（ｃ）に示すような発光素子層８０が形成された基板７０を用意する。次に、発光素子層８０のｐ型半導体層２０上に、気相成長法等によりＳｉＯ２層を形成する。そして、ＳｉＯ２層を集束イオンビーム（ＦＩＢ）等によりエッチングし、複数の柱体を形成することで、柱体のみをＳｉＯ２で形成した発光素子１を製造することができる。 A method for manufacturing a light-emitting element when only the column of the light-emitting element 1 is formed of SiO 2 will be briefly described. For example, a substrate 70 on which a light emitting element layer 80 as shown in FIG. 5C is formed is prepared. Next, a SiO 2 layer is formed on the p-type semiconductor layer 20 of the light emitting element layer 80 by vapor phase growth or the like. Then, by etching the SiO 2 layer with a focused ion beam (FIB) or the like to form a plurality of pillars, the light-emitting element 1 in which only the pillars are formed of SiO 2 can be manufactured.

このように、発光素子１の柱体のみをＳｉＯ２で形成することで、以下のような効果が期待できる。すなわち、ＳｉＯ２は、加工性に富むことから、結晶成長条件の制御等を行わなくてもよく、また、発光素子層８０（図５参照）を構成する発光材料への物理的・化学的なダメージを抑制することができる。そのため、柱体をＳｉＯ２で形成することで、発光素子の製造がより容易となるといえる。また、ＳｉＯ２は、透明な誘電体材料であるので、柱体による光の吸収を小さくすることができる。つまり、柱体の射出面の透過率を素子表面（ここでは、ＧａＮ）よりも高くすることができるので、背景雑音を低下させることができる。そのため、柱体をＳｉＯ２で形成することで、射出面から出射される光量の増大が期待できる。さらに加えて、制御角θ２の増大も期待できる。 Thus, the following effects can be expected by forming only the column of the light emitting element 1 with SiO 2 . That is, since SiO 2 is rich in workability, it is not necessary to control the crystal growth conditions or the like, and the physical and chemical properties of the light emitting material constituting the light emitting element layer 80 (see FIG. 5). Damage can be suppressed. Therefore, it can be said that the light emitting element can be easily manufactured by forming the column body with SiO 2 . Since SiO 2 is a transparent dielectric material, light absorption by the column can be reduced. That is, since the transmittance of the exit surface of the column can be made higher than that of the element surface (here, GaN), background noise can be reduced. Therefore, by forming the column body with SiO 2 , an increase in the amount of light emitted from the emission surface can be expected. In addition, an increase in the control angle θ 2 can be expected.

また例えば、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６を一般的なＬＥＤで形成する場合、放射光の自由空間における発光波長λ０は４６５ｎｍとなり、屈折率ｎは、約１．５となるので、高い柱体１１，１２，１３の高さＨを、放射光の半導体中における発光波長λ１の４波長分程度である約１２４０ｎｍとすることができる。 Further, for example, when the pillars 11, 12, 13, 14, 15, 16 are formed of general LEDs, the emission wavelength λ 0 in the free space of the emitted light is 465 nm, and the refractive index n is about 1.5. Therefore, the height H of the high pillars 11, 12, and 13 can be about 1240 nm, which is about four wavelengths of the emission wavelength λ 1 in the semiconductor of the emitted light.

また、発光素子１は、ｐ型半導体層２０の表面において、複数の柱体で取り囲む所定領域の外側領域を穴ｓ２（図２（ａ）参照）よりも外側の領域とし、ｐ電極層５０を、穴ｓ２（図２（ａ）参照）の外側領域に設けている。しかし、これに限らず、発光素子１は、ｐ電極層５０を、ｐ型半導体層２０の表面において複数の柱体で取り囲む所定領域の外側領域の全てに設けてもよい。また、発光素子１は、ｐ電極層５０を、ｐ型半導体層２０の表面の全てに設けてもよい。つまり、発光素子１は、ｐ電極層５０を、ｐ型半導体層２０の表面において、柱体１１，１２，１３，１４，１５，１６を設けた部分以外の全ての表面に設けてもよい。これにより、柱体が形成された部分以外の素子表面から妨害光が放射されるのをより確実に抑制することができる。 Further, in the light-emitting element 1, on the surface of the p-type semiconductor layer 20, an outer region of a predetermined region surrounded by a plurality of pillars is set as a region outside the hole s 2 (see FIG. 2A), and the p-electrode layer 50 Are provided in the outer region of the hole s 2 (see FIG. 2A). However, the present invention is not limited thereto, and the light-emitting element 1 may be provided with the p-electrode layer 50 in all the outer regions of a predetermined region that is surrounded by a plurality of pillars on the surface of the p-type semiconductor layer 20. In the light emitting element 1, the p electrode layer 50 may be provided on the entire surface of the p-type semiconductor layer 20. That is, in the light-emitting element 1, the p-electrode layer 50 may be provided on all surfaces of the surface of the p-type semiconductor layer 20 except for the portions where the column bodies 11, 12, 13, 14, 15, and 16 are provided. Thereby, it can suppress more reliably that disturbance light is radiated | emitted from the element surface other than the part in which the column body was formed.

また、発光素子１は、ＬＥＤ素子のような注入型のＥＬ素子に限らず、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子のような真性ＥＬ素子であってもよい。
さらに、前記した発光素子１は図１に示すように、柱体が、断面円形状かつ円柱状に形成されていたが、これに限らず、断面多角形状かつ多角柱状であってもよい。また、すべての柱体の直径は必ずしも等しくなくてもよい。 The light emitting element 1 is not limited to an injection type EL element such as an LED element, but may be an intrinsic EL element such as an organic EL element or an inorganic EL element.
Furthermore, as shown in FIG. 1, the light emitting element 1 is formed in a circular cross section and a columnar shape as shown in FIG. 1, but is not limited thereto, and may be a polygonal cross section and a polygonal columnar shape. Moreover, the diameters of all the pillars are not necessarily equal.

なお、前記した発光素子１は、最も好ましい例として柱体をｐ型半導体層２０の表面に６本形成したが、この他に、柱体をｐ型半導体層２０の表面に３本形成しても構わない。柱体の本数を３本とした場合、１本の柱体を制御柱とし、他の柱体を導波柱とするか、２本の柱体を制御柱とし、他の柱体を導波柱とする。３本の柱体の配置は図２（ａ）の角度αが１２０度となるようにすることが好ましい。   In the light-emitting element 1 described above, six columnar bodies are formed on the surface of the p-type semiconductor layer 20 as the most preferable example, but in addition, three columnar bodies are formed on the surface of the p-type semiconductor layer 20. It doesn't matter. When the number of columns is three, one column is used as a control column and another column is used as a waveguide column, or two columns are used as control columns, and other columns are guided. A pillar. The three columns are preferably arranged such that the angle α in FIG. 2A is 120 degrees.

また、発光素子１は、光線の形成と放射方向の制御を必要とするデバイス一般にも応用することが可能であり、例えばプロジェクター用光源、空間光インターコネクションに用いる接続器、拡散板を必要としない照明用光源等にも利用することができる。   The light-emitting element 1 can also be applied to general devices that require the formation of light rays and the control of the radiation direction. For example, a light source for a projector, a connector used for spatial light interconnection, and a diffusion plate are not required. It can also be used as a light source for illumination.

［発光素子の応用例］
本実施形態の発光素子１を基板上に多数並べることにより、ＩＰ方式のディスプレイであるＩＰ立体ディスプレイを提供することが可能である。
一例として、図８に、第１の実施形態の発光素子１を基板７０上に多数並べたＩＰ立体ディスプレイ１００を示す。 [Application examples of light-emitting elements]
By arranging a large number of light-emitting elements 1 of the present embodiment on a substrate, it is possible to provide an IP stereoscopic display which is an IP display.
As an example, FIG. 8 shows an IP stereoscopic display 100 in which a large number of light emitting devices 1 of the first embodiment are arranged on a substrate 70.

＜ＩＰ立体ディスプレイの駆動方法＞
図８に示す例では、ＩＰ立体ディスプレイ１００は、基板７０上に３行×３列の合計９個の発光素子１を画素として配置している。ＩＰ立体ディスプレイ１００は、図８に示すように、基板７０上に、列ごとにｎ電極層６０と発光素子層８０とが形成されている。それぞれの発光素子層８０の表面には、画素位置ごとに複数の柱体が形成されている。ここでは、基板７０上に合計９個の発光素子１を画素として配置したので、ストライプ状の１つの発光素子層８０上に画素位置ごとに合計３組の複数の柱体が形成されている。また、３本のストライプ状のそれぞれの発光素子層８０のｐ型半導体層２０の表面に、行ごとに発光素子層８０およびｎ電極層６０と直交するようにストライプ状にｐ電極層５０が形成されている。ここでは、図示を省略するが、ｐ電極層５０の表面には、図示しないパッド電極が形成されており、ストライプ状のｎ電極層６０の端部には、図示しないパッド電極が形成されているものとする。
なお、ＩＰ立体ディスプレイ１００を、前記した製造方法の一例により製造した場合、３本のストライプ状の発光素子層８０およびｎ電極層６０を１本ずつ列ごとに分離する際には、適宜エッチング等を実施すればよい。 <Driving method of IP stereoscopic display>
In the example shown in FIG. 8, the IP stereoscopic display 100 has a total of nine light emitting elements 1 of 3 rows × 3 columns arranged as pixels on a substrate 70. As shown in FIG. 8, in the IP stereoscopic display 100, an n-electrode layer 60 and a light-emitting element layer 80 are formed on a substrate 70 for each column. On the surface of each light emitting element layer 80, a plurality of pillars are formed for each pixel position. Here, since a total of nine light emitting elements 1 are arranged as pixels on the substrate 70, a total of three sets of a plurality of pillars are formed on one stripe-shaped light emitting element layer 80 for each pixel position. Further, the p-electrode layer 50 is formed in a stripe shape on the surface of the p-type semiconductor layer 20 of each of the three stripe-shaped light-emitting element layers 80 so as to be orthogonal to the light-emitting element layer 80 and the n-electrode layer 60 for each row. Has been. Although not shown here, a pad electrode (not shown) is formed on the surface of the p-electrode layer 50, and a pad electrode (not shown) is formed at the end of the striped n-electrode layer 60. Shall.
In addition, when the IP stereoscopic display 100 is manufactured by an example of the above-described manufacturing method, when separating the three stripe-shaped light emitting element layers 80 and the n electrode layers 60 one by one for each column, etching or the like is appropriately performed. Should be implemented.

ここで、図８に示すＩＰ立体ディスプレイ１００において、行ごとに形成したｐ電極層５０を奥側から手前側に向かって順に、ｐ−１，ｐ−２，ｐ−３とし、列ごとに形成したｎ電極層６０を左側から右側に向かって順に、ｎ−１，ｎ−２，ｎ−３とする。ＩＰ立体ディスプレイ１００は、ｐ−１，ｐ−２，ｐ−３に対して、図示しないパッド電極（図１参照）を介して＋Ｖの電圧パルスを順次印加し、ｎ−１，ｎ−２，ｎ−３に対しては、発光させる画素位置に応じて、図示しないパッド電極を介して０か−Ｖの電圧パルスを印加することで、画素位置ごとにＯＮ／ＯＦＦを切り替えることができる。
例えば、最も左奥（１行目×１列目）の画素だけを発光させる場合、ＩＰ立体ディスプレイ１００は、ｐ−１に＋Ｖの電圧パルス、ｎ−１に−Ｖの電圧パルスを印加し、ｐ−２，ｐ−３，ｎ−２およびｎ−３は接地電位とすればよい。
このように、本実施形態の発光素子１を基板上に複数並べてＩＰ立体ディスプレイ１００を構成することで、パッシブマトリクス駆動が可能となるので、ＩＰ立体ディスプレイ１００の低消費電力化、低コスト化等を実現できる。 Here, in the IP stereoscopic display 100 shown in FIG. 8, the p electrode layer 50 formed for each row is set to p−1, p−2 and p−3 in order from the back side to the near side, and is formed for each column. The n electrode layer 60 thus obtained is designated as n-1, n-2, n-3 in order from the left side to the right side. The IP stereoscopic display 100 sequentially applies + V voltage pulses to p−1, p−2 and p−3 via pad electrodes (not shown) (see FIG. 1), and n−1, n−2, For n−3, ON / OFF can be switched for each pixel position by applying a voltage pulse of 0 or −V via a pad electrode (not shown) according to the pixel position to emit light.
For example, when only the pixel at the far left (first row × first column) emits light, the IP stereoscopic display 100 applies a + V voltage pulse to p−1 and a −V voltage pulse to n−1, p-2, p-3, n-2, and n-3 may be ground potential.
As described above, since the IP stereoscopic display 100 is configured by arranging a plurality of the light emitting elements 1 of the present embodiment on the substrate, passive matrix driving becomes possible, and thus the power consumption and cost reduction of the IP stereoscopic display 100 are reduced. Can be realized.

１ 発光素子
１０ 柱体
１１，１２，１３ 導波柱（柱体）
１４，１５，１６ 制御柱（柱体）
１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａ 射出面
２０ ｐ型半導体層
３０ 発光層
４０ ｎ型半導体層
５０ ｐ電極層
６０ ｎ電極層
７０ 基板
８０ 発光素子層
９０ バッファ層
１００ ＩＰ立体ディスプレイ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light emitting element 10 Column body 11, 12, 13 Waveguide column (column body)
14, 15, 16 Control pillar (pillar)
11a, 12a, 13a, 14a, 15a, 16a Emission surface 20 p-type semiconductor layer 30 light emitting layer 40 n-type semiconductor layer 50 p electrode layer 60 n electrode layer 70 substrate 80 light emitting element layer 90 buffer layer 100 IP stereoscopic display

Claims (7)

発光層と、
前記発光層の下面に設けられるｎ型半導体層と、
前記発光層の上面に設けられるｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層の表面に、所定領域を取り囲むように突出して設けられ、柱頭の射出面から光を放射する複数の柱体と、
前記ｐ型半導体層の表面の一部に設けられる遮光性を有するｐ電極層と、
前記複数の柱体は、少なくとも１本の柱体の高さが、その他の柱体の高さと異なり、
前記ｐ電極層は、前記複数の柱体で取り囲む前記所定領域の外側領域に少なくとも設けられる
ことを特徴とする発光素子。 A light emitting layer;
An n-type semiconductor layer provided on the lower surface of the light emitting layer;
A p-type semiconductor layer provided on an upper surface of the light emitting layer;
A plurality of pillars that are provided on the surface of the p-type semiconductor layer so as to surround a predetermined region and emit light from the exit surface of the stigma;
A light-shielding p-electrode layer provided on a part of the surface of the p-type semiconductor layer;
The plurality of pillars have a height of at least one pillar different from the height of the other pillars,
The p-electrode layer is provided at least in an outer region of the predetermined region surrounded by the plurality of pillars. 前記ｐ電極層の表面は、前記ｐ型半導体層の表面よりも上側に位置し、かつ、最も高さが小さい前記柱体の前記射出面よりも下側に位置することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。   The surface of the p-electrode layer is located above the surface of the p-type semiconductor layer and is located below the exit surface of the column body having the smallest height. 2. The light emitting device according to 1. 前記ｐ電極層の下面から前記発光層の表面までの距離は、前記ｐ型半導体層の内部における放射光の波長以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。   3. The light emitting device according to claim 1, wherein a distance from a lower surface of the p electrode layer to a surface of the light emitting layer is equal to or greater than a wavelength of emitted light inside the p type semiconductor layer. 前記複数の柱体は、前記ｐ型半導体層の表面に、前記所定領域を取り囲むように６本配置され、そのうちの３本の前記柱体の高さが、その他の３本の前記柱体の高さと異なり、前記３本の柱体の高さが互いに等しく、かつ、前記その他の３本の柱体の高さが互いに等しいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発光素子。   The plurality of pillars are arranged on the surface of the p-type semiconductor layer so as to surround the predetermined region, and the height of three of the pillars is that of the other three pillars. 4. The height of the three column bodies is different from each other, and the heights of the other three column bodies are equal to each other. The light emitting element as described in. 前記柱体の直径は、放射光の自由空間における波長以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発光素子。   5. The light-emitting element according to claim 1, wherein a diameter of the column body is equal to or greater than a wavelength in a free space of the emitted light. 前記複数の柱体間の距離が、放射光の可干渉長以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発光素子。   6. The light emitting device according to claim 1, wherein a distance between the plurality of column bodies is equal to or shorter than a coherence length of the emitted light. 前記柱体は、誘電率が、前記ｐ型半導体層の材料の誘電率よりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の発光素子。   The light emitting device according to any one of claims 1 to 6, wherein the pillar has a dielectric constant smaller than a dielectric constant of a material of the p-type semiconductor layer.
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