JP2015032593A - Light-emitting device - Google Patents
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Abstract
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.
近年、発光素子単体で光線の形成と方向制御を可能とする簡易な素子構造が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の発光素子は、素子表面に設けた複数の構造物によって、光線を成形するとともに光線の射出方向を制御している。
図９に示すように、特許文献１に記載の発光素子３０１は、半導体層３０２と発光層３０３とバッファ層３０４とが積層され、バッファ層３０４の上に２つの柱体（構造物）３１０と１つの柱体（構造物）３２０とが形成されている。この発光素子３０１は、柱体３２０の高さが、柱体３１０の高さと異なるように形成されており、さらに、柱体３２０の高さが柱体３１０の高さよりも低くなるように形成されている。
In recent years, there has been proposed a simple element structure that enables the formation and direction control of light rays with a single light emitting element (see Patent Document 1). In the light-emitting element described in Patent Document 1, a plurality of structures provided on the element surface shape a light beam and control the light emission direction.
As illustrated in FIG. 9, the light-emitting element 301 described in Patent Document 1 includes a semiconductor layer 302, a light-emitting layer 303, and a buffer layer 304, and two column bodies (structures) 310 on the buffer layer 304. One column (structure) 320 is formed. The light emitting element 301 is formed so that the height of the column 320 is different from the height of the column 310, and further, the height of the column 320 is lower than the height of the column 310. ing.
このような構成を備える発光素子３０１は、発光層３０３によって、半導体層３０２とバッファ層３０４とから注入される電子および正孔の再結合によって生成されるエネルギーを光として放射する。そして、発光素子３０１は、バッファ層３０４および柱体３１０，３２０内を伝搬して柱頭の射出面から放射された光が相互に干渉することで、光線を形成する。このとき、高さの低い柱体３２０内を伝搬する光が、高さの高い柱体３１０内を伝搬する光よりも柱頭の射出面に早く到達するので、空気中を早く進む。そのため、発光素子３０１は、高さの異なる柱体３１０，３２０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。具体的には、図９に示すように、発光素子３０１は、柱体３１０，３２０により、素子表面の中心Ｏを通る法線方向に対し柱体３２０側に傾斜した光線を射出する。 In the light emitting element 301 having such a structure, the light emitting layer 303 radiates energy generated by recombination of electrons and holes injected from the semiconductor layer 302 and the buffer layer 304 as light. The light emitting element 301 forms a light ray by propagating through the buffer layer 304 and the pillars 310 and 320 and the light emitted from the emission surface of the pillar head mutually interferes. At this time, the light propagating in the columnar 320 having a low height reaches the exit surface of the stigma earlier than the light propagating in the columnar 310 having a high height, and thus proceeds faster in the air. Therefore, the light emitting element 301 can provide a phase difference between the columnar bodies 310 and 320 having different heights, and can emit light in a direction corresponding to the phase difference. Specifically, as illustrated in FIG. 9, the light emitting element 301 emits light beams inclined toward the column body 320 with respect to the normal direction passing through the center O of the element surface by the column bodies 310 and 320.
また、本願出願人は、特許文献１に記載の発光素子をさらに改良し、既出願の特願２０１２−１６３７８１や特願２０１２−２２８１４７に係る発明において、素子表面に６本の構造物を環状に配置し、６本の構造物のうち３本ごとに高さを変えることで光線の成形と光線の方向制御とを行う発光素子を提案している。 Further, the applicant of the present application further improved the light-emitting element described in Patent Document 1, and in the inventions according to the already filed Japanese Patent Application No. 2012-163781 and Japanese Patent Application No. 2012-228147, six structures are annularly formed on the element surface. It proposes a light emitting device that is arranged and performs light beam shaping and light beam direction control by changing the height of every three of the six structures.
しかしながら、前記した従来の発光素子は、発光の方向を２種類の構造物（柱体）の高さの差で制御し、光線の成形を複数の構造物の配置で制御したものである。そのため、光線が射出する方向を比較的大きくなるように制御したときに、２種類の構造物の高さの差が大きくなりすぎてしまい、高さの異なる構造物からそれぞれ放射された光の干渉が十分に得られない場合がある。これによって、素子表面の中心Ｏを通る法線方向に対し所望の傾斜した方向に射出される光だけでなく、構造物からそのまま法線方向に射出される余分な光（サイドビーム・迷光）が多くなっていた。このような法線方向に射出される余分な光は、光線の成形に寄与しない背景雑音となるため、成形された光線の明瞭性（Ｓ／Ｎ比）が低下するという問題があった。また、従来の発光素子では、前記したように発光層での発光の一部がサイドビームとなるため、実際に光線の成形に利用できる光量が少なくなる。このように、発光層で生じた発光エネルギーが分散することで、発光層で生じた発光エネルギーの利用効率が低下し、非効率的であるという問題があった。 However, in the conventional light emitting device described above, the direction of light emission is controlled by the difference in height between two types of structures (columns), and the shaping of light rays is controlled by the arrangement of a plurality of structures. For this reason, when the direction in which the light beam is emitted is controlled to be relatively large, the difference in height between the two types of structures becomes too large, and interference of light emitted from structures having different heights occurs. May not be sufficient. As a result, not only light emitted in a desired inclined direction with respect to the normal direction passing through the center O of the element surface but also extra light (side beam / stray light) emitted from the structure in the normal direction as it is. It was a lot. Such extra light emitted in the normal direction becomes a background noise that does not contribute to the shaping of the light beam, and there is a problem that the clarity (S / N ratio) of the shaped light beam is lowered. Further, in the conventional light emitting device, as described above, a part of the light emitted from the light emitting layer becomes a side beam, so that the amount of light that can actually be used for shaping the light beam is reduced. As described above, there is a problem in that the light emission energy generated in the light emitting layer is dispersed due to the dispersion of the light emission energy generated in the light emitting layer, which is inefficient.
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、明瞭性が高い光線を成形することが可能な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 has a simple element structure that enables light beam shaping and direction control with a single light-emitting element, and forms light beams with high clarity. It is an object to provide a light-emitting element that can be used.
前記課題を解決するために、本発明に係る発光素子は、平坦な表面から突出して形成され、柱頭の射出面から光を放射する柱状の複数の構造物を有する発光素子であって、前記複数の構造物は、素子表面の中心の周囲に、各構造物の中心軸が同じ円周上に等間隔で位置するように環状に配置されるとともに、素子表面の中心を通る高さ方向の垂直平面を境界として対称となる位置に配置された構造物がそれぞれ同じ高さで形成されており、前記円周上で隣り合う同じ高さの構造物の組を第１柱群とし、この第１柱群に隣り合い、前記円周上で対向する同じ高さの構造物の組を第２柱群とし、この第２柱群に隣り合い、円周上で隣り合う同じ高さの構造物の組を第３柱群とした場合に、前記第１柱群から前記第３柱群に向かって、前記構造物の高さが単調に増加または単調に減少しており、前記垂直平面を境界として一方の側に配置された異なる柱群の構造物同士が、前記垂直平面に投影したときに互いに重ならないような間隔で配置されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a light emitting device according to the present invention is a light emitting device that is formed to protrude from a flat surface and has a plurality of columnar structures that emit light from an emission surface of a stigma. These structures are arranged in an annular shape around the center of the element surface so that the central axes of the respective structures are located at equal intervals on the same circumference, and in the vertical direction passing through the center of the element surface. Structures arranged at symmetrical positions with respect to a plane are formed at the same height, and a set of structures having the same height adjacent on the circumference is defined as a first column group. A set of structures of the same height that are adjacent to the column group and face each other on the circumference is defined as a second column group, and the structure of the structure of the same height that is adjacent to the second column group and adjacent to the circumference is provided. When the set is a third pillar group, the structure is moved from the first pillar group toward the third pillar group. Are monotonously increasing or decreasing monotonously, and the structures of different column groups arranged on one side with the vertical plane as a boundary are spaced apart from each other when projected onto the vertical plane. It is arranged.
かかる構成によれば、発光素子は、第１柱群と、第２柱群と、第３柱群とを備え、各柱群を構成する構造物の高さが柱群ごとに異なるので、この第１柱群と、第２柱群と、第３柱群との高さの差に応じて発光の方向を変えることができる。仮に第１柱群と、第２柱群と、第３柱群とに高さの差が無い場合には、光線は、素子表面における各構造物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、かかる構成の本発明の発光素子は、各柱群を構成する構造物の高さが柱群ごとに異なるので、光線の放射方向を、素子表面と垂直な方向から傾斜させることができる。 According to such a configuration, the light emitting element includes the first column group, the second column group, and the third column group, and the height of the structure constituting each column group is different for each column group. The direction of light emission can be changed according to the height difference between the first column group, the second column group, and the third column group. If there is no difference in height between the first pillar group, the second pillar group, and the third pillar group, the light beam is the center of gravity of the plane figure of the locus that connects all the positions of the structures on the element surface. It is formed on a line from the position in a direction perpendicular to the element surface. On the other hand, in the light-emitting element of the present invention having such a configuration, the height of the structure constituting each column group is different for each column group, so that the radiation direction of light can be inclined from the direction perpendicular to the element surface.
また、本発明の発光素子は、それぞれ高さの異なる構造物で構成された３つの柱群を備えている。つまり、本発明の発光素子は、素子表面に設けられる構造物の高さを３段階で異ならせている。そのため、従来の発光素子のように素子表面に設けられる構造物の高さを２段階で異ならせる場合と比較して、本発明の発光素子は、隣り合う柱群間での高さの差が大きくなり過ぎないようにすることができる。これにより、本発明の発光素子は、それぞれの柱群を構成する構造物から放射された光を十分に干渉させることができ、法線方向に射出される余分な光（サイドビーム・迷光）の発生を抑制することができる。とくに光線が射出する方向を比較的大きくなるように制御したときにサイドビームの発生を比較的小さく抑えることができる。したがって、本発明の発光素子は、発光部で生じた発光エネルギーを光線に集中させることができる。 In addition, the light-emitting element of the present invention includes three column groups each formed of a structure having a different height. That is, in the light emitting element of the present invention, the height of the structure provided on the element surface is varied in three stages. Therefore, compared with the case where the height of the structure provided on the element surface is made different in two steps as in the conventional light emitting element, the light emitting element of the present invention has a difference in height between adjacent column groups. You can prevent it from becoming too large. As a result, the light emitting device of the present invention can sufficiently interfere with the light emitted from the structures constituting the respective column groups, and extra light (side beam / stray light) emitted in the normal direction. Occurrence can be suppressed. In particular, when the direction in which the light beam is emitted is controlled to be relatively large, the generation of the side beam can be suppressed to be relatively small. Therefore, the light emitting device of the present invention can concentrate the light emission energy generated in the light emitting portion on the light beam.
さらに、本発明の発光素子は、第１柱群と、第２柱群と、第３柱群とをそれぞれ構成する構造物同士が、垂直平面に投影したときに互いに重ならないような間隔で配置されているので、隣接する構造物間での余分な干渉を抑制することができる。そのため、本発明の発光素子によれば、余分な干渉光や散乱光の発生を抑制することができ、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。 Furthermore, the light-emitting elements of the present invention are arranged at intervals such that the structures constituting the first column group, the second column group, and the third column group do not overlap each other when projected onto a vertical plane. Therefore, extra interference between adjacent structures can be suppressed. Therefore, according to the light emitting device of the present invention, it is possible to suppress generation of extra interference light and scattered light, and to prevent the light beam formed by the light emitting device from spreading.
本発明によれば、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、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ビームを比較的小さく抑えることができ、発光部で生じた発光エネルギーの利用効率を向上させることができる。そのため、本発明の発光素子によれば、光線の明瞭性を高くすることができる。 According to the present invention, the light emitting element can enable light beam shaping and direction control with the element alone. In addition, when the light emitting element is controlled so that the direction in which the light beam is emitted is relatively large, the side beam that is likely to be generated in the light beam can be suppressed to be relatively small, and the use efficiency of the light emission energy generated in the light emitting unit can be reduced. Can be improved. Therefore, according to the light emitting element of the present invention, the clarity of the light beam can be increased.
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.
＜発光素子の構造の概要＞
本実施形態の発光素子について図１を参照して説明する。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射出する光線指向型の発光素子である。図１に示すように、発光素子１には、平坦な素子表面（バッファ層４の上面）内において互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向としたときに、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ直交するＺ方向に突出して、複数の柱状の微細な構造物（以下、柱体という）が形成されている。なお、素子表面において、所定領域を環状に取り囲むように配置された６本の柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０の平面図を図２に示す。柱体の詳細な構成については後記する。
<Outline of structure of light emitting element>
The light emitting device of this embodiment will be described with reference to FIG. The light-emitting element 1 is an element that emits light with high directivity, and is a light-directional light-emitting element that emits light in a specific direction. As shown in FIG. 1, the light-emitting element 1 is orthogonal to the X direction and the Y direction when the two directions perpendicular to each other in the flat element surface (the upper surface of the buffer layer 4) are the X direction and the Y direction. A plurality of columnar fine structures (hereinafter referred to as column bodies) are formed so as to protrude in the Z direction. FIG. 2 shows a plan view of the six pillars 10, 20, 30, 40, 50, 60 arranged so as to surround the predetermined region in an annular shape on the element surface. The detailed configuration of the column will be described later.
＜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。
発光素子１は、図１に示すように、半導体層２と、発光部３と、バッファ層４と、金属層（遮光膜）５とを備えている。
半導体層２は、発光部３の下側に、図示しない基板との間に設けられたｎ型半導体層である。バッファ層４は、発光部３の上側（光取り出し側）および発光部３の周囲に設けられているｐ型半導体層である。なお、図１では、バッファ層４を、発光部３の上面を境として上下に分解して示した。
<Structure of light emitting element>
The light emitting element 1 emits light from a flat surface, such as an LED.
As shown in FIG. 1, the light emitting element 1 includes a semiconductor layer 2, a light emitting unit 3, a buffer layer 4, and a metal layer (light shielding film) 5.
The semiconductor layer 2 is an n-type semiconductor layer provided below the light emitting unit 3 and between a substrate (not shown). The buffer layer 4 is a p-type semiconductor layer provided on the upper side (light extraction side) of the light emitting unit 3 and around the light emitting unit 3. In FIG. 1, the buffer layer 4 is shown in an exploded manner with the upper surface of the light emitting unit 3 as a boundary.
＜半導体層＞
半導体層２は、発光部３に対して電子を注入する層であり、ここでは、横断面が矩形状に形成されている。半導体層２は、図示しない基板側から順に、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。
＜バッファ層＞
バッファ層４は、発光部３に対して正孔を注入する層であり、ここでは、横断面が矩形状に形成されている。バッファ層４は、発光部３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。
＜発光部＞
発光部３は、半導体層２から注入される電子とバッファ層４から注入される正孔との再結合によって生成されるエネルギーを光として放射する層である。発光素子１が青色発光素子である場合、発光部３は、例えば、半導体層２とバッファ層４との接合部にＩｎ等の不純物が添加されることで形成される。発光部３は、例えば、ＩｎＧａＮの量子井戸層として形成される。発光部３で発生した光は、バッファ層４内を伝搬されて、各柱体の底部から各柱体内に入射される。
<Semiconductor layer>
The semiconductor layer 2 is a layer for injecting electrons into the light emitting unit 3, and has a rectangular cross section here. The semiconductor layer 2 may have a structure in which, for example, an n-type GaN layer and an n-type GaN / InGaN barrier layer are stacked in this order from the substrate side (not shown).
<Buffer layer>
The buffer layer 4 is a layer for injecting holes into the light emitting unit 3, and here, the cross section is formed in a rectangular shape. The buffer layer 4 may have a structure in which, for example, a p-type GaN / InGaN barrier layer and a p-type GaN layer are stacked in order from the light emitting unit 3 side.
<Light emitting part>
The light emitting unit 3 is a layer that radiates energy generated by recombination of electrons injected from the semiconductor layer 2 and holes injected from the buffer layer 4 as light. When the light emitting element 1 is a blue light emitting element, the light emitting part 3 is formed, for example, by adding an impurity such as In to the junction between the semiconductor layer 2 and the buffer layer 4. The light emitting unit 3 is formed as, for example, an InGaN quantum well layer. The light generated in the light emitting unit 3 is propagated through the buffer layer 4 and is incident on each column from the bottom of each column.
図１に示すように、発光部３は、ここでは、バッファ層４の下側に一様に設けられるのではなく、素子表面に形成された柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０のそれぞれの中心の直下を含む一部領域に限定して設けられている。図１に示すように、発光部３は、横断面が円形状に形成されている。図１に示すように、発光部３は、その周囲が、発光部３と同じ厚さのバッファ層４により覆われており、発光部３とその周囲のバッファ層４とを合わせた層の横断面が矩形状に形成されている。 As shown in FIG. 1, the light emitting section 3 is not uniformly provided below the buffer layer 4 here, but is formed by columnar bodies 10, 20, 30, 40, 50, 60 formed on the element surface. It is limited to a partial region including directly under each center. As shown in FIG. 1, the light emitting section 3 has a circular cross section. As shown in FIG. 1, the periphery of the light emitting unit 3 is covered with a buffer layer 4 having the same thickness as that of the light emitting unit 3, and a crossing of the combined layer of the light emitting unit 3 and the surrounding buffer layer 4 is performed. The surface is formed in a rectangular shape.
このように発光部３を一部領域に限定して設けることで、バッファ層４の表面から放射される余分な光の発生を抑制することが可能となる。
発光部３の横断面の面積は、各柱体に十分な光量を入射させることができ、かつ、柱体に入射されずにバッファ層４の表面から放射される余分な光の発生を抑制することができる範囲で設定する。ここでは、図２（ａ）に示すように、発光部３の横断面の直径が、素子表面に露出したバッファ層４の表面の直径よりも小さく、かつ、各柱体の中心を通る真円Ｃ１の直径よりも大きく形成されている。
As described above, by providing the light emitting unit 3 limited to a part of the region, it is possible to suppress generation of extra light emitted from the surface of the buffer layer 4.
The area of the cross section of the light emitting unit 3 allows a sufficient amount of light to be incident on each column body, and suppresses the generation of extra light emitted from the surface of the buffer layer 4 without being incident on the column body. Set as much as possible. Here, as shown in FIG. 2A, the diameter of the cross section of the light emitting portion 3 is smaller than the diameter of the surface of the buffer layer 4 exposed on the element surface, and is a perfect circle passing through the center of each column. It is formed larger than the diameter of C1.
＜金属層＞
図１に示すように、金属層５は、バッファ層４の上に積層されている。ただし、金属層５は、発光素子１の光取り出し側において柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０が形成されていない表面に設けられている。すなわち、金属層５は、柱体以外から放射される光をマスクするための遮光膜として機能する。金属層５は、ここでは、バッファ層４の表面において、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０を囲む外接円よりも若干径が大きい円の外側の領域上に、所定の厚さで積層されている。金属層５は、上面の位置が、最も高さが低い柱体の上端よりも低くなるように厚さが設定されている。金属層５の上面の位置が柱体の上端よりも高くなると、柱体から放射された光が金属層５に当たって反射することで光の経路が変わってしまうおそれがあるため、これを防ぐためである。
<Metal layer>
As shown in FIG. 1, the metal layer 5 is stacked on the buffer layer 4. However, the metal layer 5 is provided on the surface where the column bodies 10, 20, 30, 40, 50, 60 are not formed on the light extraction side of the light emitting element 1. That is, the metal layer 5 functions as a light shielding film for masking light emitted from other than the column. Here, the metal layer 5 has a predetermined thickness on the surface of the buffer layer 4 on a region outside the circle slightly larger in diameter than the circumscribed circle surrounding the columnar bodies 10, 20, 30, 40, 50, 60. Are stacked. The thickness of the metal layer 5 is set so that the position of the upper surface is lower than the upper end of the column body having the lowest height. In order to prevent this, if the position of the upper surface of the metal layer 5 is higher than the upper end of the column, light emitted from the column may hit the metal layer 5 and be reflected to change the light path. is there.
＜電極＞
図示を省略したが、一般的なＬＥＤ素子と同様に、半導体層２およびバッファ層４との間に段差を設けて、当該段差から引き出された部分にオーミックコンタクトを形成する形で電極を形成できれば、電極の構造は特に限定されるものではない。例えばｐ電極を、金属層５の部分に設け、ｎ電極を半導体層２の基板側の面に設けてもよい。また、電極材料としては一般的な金属電極が使用できる。
<Electrode>
Although not shown in the drawings, as in the case of a general LED element, if an electrode can be formed by forming a step between the semiconductor layer 2 and the buffer layer 4 and forming an ohmic contact in a portion drawn from the step. The structure of the electrode is not particularly limited. For example, a p-electrode may be provided on the metal layer 5 and an n-electrode may be provided on the surface of the semiconductor layer 2 on the substrate side. Moreover, a general metal electrode can be used as an electrode material.
＜柱体＞
図１および図２に示すように、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０は、光線を成形するとともに、当該光線の方向を制御するものである。柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０は、発光素子１の発光部３で発生した光の導波路として機能し、柱頭の射出面１０ａ，２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａ，６０ａ（図１参照）から光を放射する。
射出面１０ａ，２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａ，６０ａ（図１参照）は、発光部３の発光面に平行であり、中心軸が発光部３の発光面に直交している。
<Columnar>
As shown in FIGS. 1 and 2, the pillars 10, 20, 30, 40, 50, 60 shape the light beam and control the direction of the light beam. The column bodies 10, 20, 30, 40, 50, 60 function as waveguides of light generated in the light emitting section 3 of the light emitting element 1, and the exit surfaces 10a, 20a, 30a, 40a, 50a, 60a of the column heads (see FIG. 1)).
The emission surfaces 10 a, 20 a, 30 a, 40 a, 50 a, 60 a (see FIG. 1) are parallel to the light emitting surface of the light emitting unit 3, and the central axis is orthogonal to the light emitting surface of the light emitting unit 3.
図１に示す発光素子１は、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０の射出面１０ａ，２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａ，６０ａから放射された光が相互に干渉することによって、素子表面に垂直な方向に対し所定の傾斜した方向に光線が射出される。なお、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０から放射された光の干渉の原理については、前記した特許文献１や本願出願人の既出願に係る特願２０１２−１６３７８１や特願２０１２−２２８１４７において説明したのと同様であるので、ここでは説明を省略する。 The light-emitting element 1 shown in FIG. 1 has a structure in which light emitted from the emission surfaces 10a, 20a, 30a, 40a, 50a, and 60a of the pillars 10, 20, 30, 40, 50, and 60 interferes with each other. Light rays are emitted in a direction inclined with respect to a direction perpendicular to the surface. In addition, about the principle of the interference of the light radiated | emitted from the column 10, 20, 30, 40, 50, 60, the above-mentioned patent document 1, Japanese Patent Application No. 2012-163781 and Japanese Patent Application No. 2012 concerning the already-applied application of this-application applicant. Since this is the same as that described in -228147, description thereof is omitted here.
柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＡｓＰ等の半導体材料や、ＧａＮよりも誘電率および屈折率の低いＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＭｇＦ２、ＺｒＯ２等の誘電体材料で形成することができる。また、熱可塑性樹脂や光硬化性樹脂等の樹脂材料で形成してもよい。なお、ここでは、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０をＧａＮで形成するものとする。 The pillars 10, 20, 30, 40, 50, 60 are made of, for example, semiconductor materials such as GaN, AlN, GaAlN, ZnO, GaAs, GaP, GaAlAs, and GaAlAsP, and SiO 2 having a lower dielectric constant and refractive index than GaN. , SiO, SiN, MgF 2 , ZrO 2 or other dielectric material. Moreover, you may form with resin materials, such as a thermoplastic resin and a photocurable resin. Here, the column bodies 10, 20, 30, 40, 50, 60 are formed of GaN.
＜柱体の平面形状＞
図１および図２（ａ）では、柱体の形状を円柱で示した。つまり、各柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０が素子表面（上面）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、図１および図２（ａ）に示すように各柱体の太さ（直径ｗ：図２（ｂ）参照）は等しいものとした。
<Planar shape of the column>
In FIG. 1 and FIG. 2A, the shape of the column is shown as a cylinder. That is, the shape of the planar figure when each of the pillars 10, 20, 30, 40, 50, 60 is projected onto the element surface (upper surface) is assumed to be circular. In addition, as shown in FIGS. 1 and 2A, the thicknesses of the columns (diameter w: see FIG. 2B) are assumed to be equal.
柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０は、発光素子１の発光部３からの光が通るのに充分な太さ（直径ｗ：図２（ｂ）参照）を有する。ここで、充分な太さとは、発光素子１から放射される光の波長（以下、λと表記する）程度以上である。波長λは、自由空間における放射光の波長を示す。なお、この直径ｗ（図２（ｂ）参照）は、柱の形状が円柱ではなく多角柱の場合には、その断面形状の内接円の直径に相当する。 The column bodies 10, 20, 30, 40, 50, 60 have a sufficient thickness (diameter w: see FIG. 2B) to allow light from the light emitting portion 3 of the light emitting element 1 to pass through. Here, the sufficient thickness is about the wavelength of light emitted from the light emitting element 1 (hereinafter referred to as λ) or more. The wavelength λ indicates the wavelength of the emitted light in free space. In addition, this diameter w (refer FIG.2 (b)) is corresponded to the diameter of the inscribed circle of the cross-sectional shape, when the column shape is not a cylinder but a polygonal column.
＜柱体の配置＞
図２（ａ）に示すように、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０は、それぞれの中心１０ｃ，２０，３０ｃ，４０ｃ，５０ｃ，６０ｃを通る半径ｒの真円Ｃ１の円周上に等間隔で環状に配置されている。図２（ａ）では、各柱体の中心１０ｃ，２０，３０ｃ，４０ｃ，５０ｃ，６０ｃを頂点とする正六角形の重心を中心Ｏ１として図示している。真円の中心Ｏ１は、ここでは、素子表面の中心と一致している。
<Arrangement of column>
As shown in FIG. 2A, the pillars 10, 20, 30, 40, 50, 60 are the circumference of a perfect circle C1 having a radius r passing through the respective centers 10c, 20, 30c, 40c, 50c, 60c. It is annularly arranged at equal intervals on the top. In FIG. 2 (a), illustrates the center 10c of the cylindrical body, 20,30c, 40c, 50c, the regular hexagon of the center of gravity whose vertices 60c as the center O 1. Here, the center O 1 of the perfect circle coincides with the center of the element surface.
ここで、本実施形態の発光素子の概要を、比較例および参考例の発光素子の問題点とともに図６を参照しながら説明する。図６（ａ）に比較例の発光素子１０１を示し、図６（ｂ）に参考例の発光素子２０１を示し、図６（ｃ）に、図１に示したのと同様の本実施形態の発光素子１を示した。 Here, the outline of the light emitting device of this embodiment will be described with reference to FIG. 6 together with the problems of the light emitting devices of the comparative example and the reference example. 6A shows a light emitting element 101 of a comparative example, FIG. 6B shows a light emitting element 201 of a reference example, and FIG. 6C shows the same embodiment as that shown in FIG. The light emitting element 1 is shown.
図６（ａ）の下側に示すのは、比較例の発光素子１０１の平面図（上から見た図）であり、図６（ａ）の上側に示すのは、発光素子１０１の素子表面の中心を通るＸＺ平面に投影し、Ｙ方向からみた柱体の図（投影図）である。
図６（ａ）に示すように、比較例の発光素子１０１は、素子表面に、互いに高さが等しい柱体１１０，１２０，１３０と、互いに高さが等しく、かつ、柱体１１０，１２０，１３０よりも高さが低い１４０，１５０，１６０とが円周上に環状に配置されている。なお、発光素子１０１は、柱体の高さおよび配置以外は、図１および図６（ｃ）に示した発光素子１と同様に構成されている。
6A is a plan view (viewed from above) of the light emitting element 101 of the comparative example, and the upper side of FIG. 6A is an element surface of the light emitting element 101. FIG. It is a figure (projection figure) of a pillar object projected on the XZ plane passing through the center of and viewed from the Y direction.
As shown in FIG. 6A, the light-emitting element 101 of the comparative example has column bodies 110, 120, and 130 having the same height on the element surface, and the column bodies 110, 120, and 130 having the same height. 140, 150, and 160 having a height lower than 130 are annularly arranged on the circumference. The light emitting element 101 is configured in the same manner as the light emitting element 1 shown in FIGS. 1 and 6C except for the height and arrangement of the pillars.
図６（ａ）の平面図に示すように、発光素子１０１は、素子表面の中心Ｏ２を通るＹ軸で二分したときの右側の領域に柱体１１０，１２０，１３０が配置され、左方側の領域に柱体１４０，１５０，１６０が配置されている。また、図６（ａ）の投影図に示すように、発光素子１０１は、ＸＺ平面に投影された柱体１１０と、柱体１２０と、柱体１３０とが互いに重なり合っている。同様に、発光素子１０１では、ＸＺ平面に投影された、柱体１４０と、柱体１５０と、柱体１６０とが互いに重なり合っている。 As shown in the plan view of FIG. 6A, the light-emitting element 101 has column bodies 110, 120, and 130 arranged in the right region when divided into two by the Y axis passing through the center O 2 of the element surface, and the left side. Columns 140, 150, and 160 are arranged in the side region. Further, as shown in the projection view of FIG. 6A, in the light emitting element 101, the column 110, the column 120, and the column 130 projected on the XZ plane overlap each other. Similarly, in the light emitting element 101, the column body 140, the column body 150, and the column body 160 projected on the XZ plane overlap each other.
図６（ａ）に示す発光素子１０１では、６本の柱体の高さを２段階で異ならせているので、光線が射出する方向を比較的大きくなるように制御したときに柱体の高さの差が大きくなりすぎてしまい、高さの異なる柱体からそれぞれ放射された光の干渉が十分に得られない場合があった。 In the light emitting element 101 shown in FIG. 6A, the heights of the six columnar bodies are made different in two stages. Therefore, the height of the columnar body is controlled when the direction in which the light beam is emitted is controlled to be relatively large. In some cases, the difference in height becomes too large, and interference of light emitted from columns having different heights cannot be sufficiently obtained.
このような比較例の発光素子の問題点を改善するために、例えば、６本の柱体の高さを２本ずつ３段階で異ならせることが考えられる。図６（ｂ）の下側に示すのは、６本の柱体の高さを２本ずつ異ならせた参考例の発光素子２０１の平面図であり、図６（ｂ）の上側に示すのは、発光素子２０１の素子表面の中心を通るＸＺ平面に投影し、Ｙ方向からみた柱体の図（投影図）である。なお、発光素子２０１は、柱体の高さおよび配置以外は、図６（ａ）に示した発光素子１０１、および、図１，図６（ｃ）に示した発光素子１と同様に構成されている。 In order to improve the problem of the light emitting device of the comparative example, for example, it is conceivable that the heights of the six column bodies are changed in two stages in two stages. The lower side of FIG. 6B is a plan view of the light emitting element 201 of the reference example in which the heights of the six column bodies are different by two, and is shown on the upper side of FIG. 6B. These are figures (projection drawing) of the pillar projected on the XZ plane passing through the center of the element surface of the light emitting element 201 and seen from the Y direction. The light emitting element 201 is configured in the same manner as the light emitting element 101 shown in FIG. 6A and the light emitting element 1 shown in FIGS. 1 and 6C except for the height and arrangement of the pillars. ing.
図６（ｂ）の平面図に示すように、発光素子２０１は、素子表面の中心Ｏ３の周囲に、６本の柱体２１０，２２０，２３０，２４０，２５０，２６０が環状に配置されている。隣り合う柱体２２０と柱体２３０とは、互いに高さが等しく、かつ、最も高さが高くなっている。また、Ｘ軸を挟んで対向する柱体２１０と柱体２４０とは、互いに高さが等しく、かつ、柱体２２０と柱体２３０よりも高さが低くなっている。さらに、隣り合う柱体２５０と柱体２６０は、互いに高さが等しく、かつ、最も高さが低くなっている。 As shown in the plan view of FIG. 6B, the light emitting element 201 has six pillars 210, 220, 230, 240, 250, and 260 arranged in an annular shape around the center O 3 of the element surface. Yes. The columnar body 220 and the columnar body 230 adjacent to each other have the same height and the highest height. Further, the columnar body 210 and the columnar body 240 facing each other across the X axis are equal in height to each other and are lower than the columnar body 220 and the columnar body 230. Further, the columnar body 250 and the columnar body 260 adjacent to each other have the same height and the lowest height.
このように、柱体の高さを２本ずつ３段階で変えることで、高さの異なる柱体間の高さの差を小さくすることができるので、光線が射出する方向を比較的大きくなるように制御した場合であっても、干渉を得やすくなる効果が期待できる。 In this way, by changing the height of the pillars in two stages in three stages, the difference in height between the pillars having different heights can be reduced, so that the direction in which the light beam is emitted becomes relatively large. Even in such a case, an effect of easily obtaining interference can be expected.
その一方で、図６（ｂ）の平面図に示すように、発光素子２０１は、柱体同士が密接して配置されている。そのため、図６（ｂ）の投影図に示すように、発光素子２０１は、ＸＺ平面に投影された柱体２３０と、柱体２４０と、柱体２５０とが互いに重なり合っている。 On the other hand, as shown in the plan view of FIG. 6B, the light emitting elements 201 are arranged in close contact with each other. Therefore, as shown in the projection view of FIG. 6B, in the light emitting element 201, the column body 230, the column body 240, and the column body 250 projected onto the XZ plane overlap each other.
このように、高さの異なる柱体がＸＺ平面に投影されたときに重なり合うほど、柱体が実空間において密に配置されている場合、以下のような問題が考えられる。つまり、ある柱体から放射された光が、隣接する高さの異なる柱体に再入射され、当該隣接する柱体内を伝搬して再放射されることで経路が変わってしまうおそれがある。そして、このようにして経路が変わった光と他の柱体から放射された光との干渉により、余分な干渉光や散乱光が発生してしまい、所望の方向に射出される光線の明瞭性が低下してしまうおそれがある。したがって、柱体の高さを単純に３段階に変えるだけでは、なお、発光素子で成形される光線の明瞭性が十分に得られない。 Thus, the following problems can be considered when the pillars are arranged densely in real space such that the pillars with different heights overlap when projected onto the XZ plane. That is, there is a possibility that light emitted from a certain column is reincident on an adjacent column having a different height, propagates through the adjacent column, and is re-radiated to change the path. The interference between the light whose path has been changed in this way and the light emitted from the other column body generates extra interference light or scattered light, and the clarity of the light emitted in the desired direction. May decrease. Therefore, the clarity of the light beam formed by the light emitting element cannot be sufficiently obtained by simply changing the height of the column body to three steps.
なお、図６（ａ）に示した発光素子１０１も、図６（ａ）の投影図を参照して前記したように、ＸＺ平面内に投影したときに柱体が重なり合うほど、柱体が実空間において密に配置されている。そのため、例えば、図６（ａ）に示した発光素子１０１において、柱体１１０および柱体１６０と、柱体１２０および柱体１５０と、柱体１３０および柱体１４０との高さを異ならせたとしても、図６（ｂ）に示す発光素子２０１と同様の問題が生じる。 Note that the light-emitting element 101 shown in FIG. 6A also has a column body that is so real that the column bodies overlap when projected in the XZ plane, as described above with reference to the projection view of FIG. It is densely arranged in the space. Therefore, for example, in the light emitting element 101 illustrated in FIG. 6A, the column body 110 and the column body 160, the column body 120 and the column body 150, and the column body 130 and the column body 140 have different heights. However, the same problem as the light emitting element 201 shown in FIG.
そこで、図６（ｃ）に示す本実施形態の発光素子１は、図６（ａ），（ｂ）を参照して説明した発光素子における問題を解消しうる構成とした。ここで、図６（ｃ）の下側に示すのは、本実施形態の発光素子１の平面図であり、図６（ｃ）の上側に示すのは、発光素子１の素子表面の中心を通るＸＺ平面に投影し、Ｙ方向からみたときの柱の図（投影図）である。 Therefore, the light-emitting element 1 of this embodiment shown in FIG. 6C has a configuration that can solve the problems in the light-emitting element described with reference to FIGS. 6A and 6B. Here, the lower side of FIG. 6C is a plan view of the light-emitting element 1 of the present embodiment, and the upper side of FIG. 6C is the center of the element surface of the light-emitting element 1. It is a figure (projection figure) of a pillar when it projects on a passing XZ plane and it sees from the Y direction.
図６（ｃ）の平面図に示すように、本実施形態の発光素子１は、６本の柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０が真円Ｃ１の円周上に環状に配置されている。隣り合う柱体２０と柱体３０（第１柱群７０）は、互いに高さが等しく、かつ、最も高さが高くなっている。また、Ｘ軸を挟んで対向する柱体１０と柱体４０（第２柱群８０）は、互いに高さが等しく、かつ、柱体２０と柱体３０よりも高さが低くなっている。さらに、隣り合う柱体５０と柱体６０（第３柱群９０）は、互いに高さが等しく、かつ、最も高さが低くなっている。つまり、発光素子１は、６本柱体の高さを２本ずつ３段階に変えている。 As shown in the plan view of FIG. 6C, in the light-emitting element 1 of the present embodiment, the six column bodies 10, 20, 30, 40, 50, and 60 are annularly arranged on the circumference of the perfect circle C1. Has been. The columnar body 20 and the columnar body 30 (first column group 70) that are adjacent to each other have the same height and the highest height. Further, the column body 10 and the column body 40 (second column group 80) facing each other across the X axis have the same height and are lower than the column body 20 and the column body 30. Furthermore, the columnar body 50 and the columnar body 60 (third column group 90) adjacent to each other have the same height and the lowest height. That is, in the light emitting element 1, the height of the six pillars is changed in two stages in two steps.
また、図６（ｃ）の投影図に示すように、本実施形態の発光素子１は、素子表面の中心Ｏ１を含むＸＺ平面に投影したときに、異なる柱群を構成する柱体が重ならないように実空間において柱体同士が間隔を空けて配置されている。 In addition, as shown in the projection view of FIG. 6C, in the light emitting element 1 of this embodiment, the column bodies constituting different column groups overlap when projected onto the XZ plane including the center O 1 of the element surface. In order to avoid this, the pillars are arranged at an interval in real space.
したがって、図６（ｃ）に示した本実施形態の発光素子１によれば、柱体から放射された光の干渉を得ることができるとともに、余分な干渉光や散乱光の発生を抑制することが可能となるといえる。以下、図１〜図３に戻って、発光素子１における柱体の高さおよび柱体同士の間隔について詳しく説明する。 Therefore, according to the light emitting device 1 of the present embodiment shown in FIG. 6C, it is possible to obtain interference of light emitted from the column body and to suppress generation of extra interference light and scattered light. Can be said to be possible. Hereinafter, returning to FIGS. 1 to 3, the height of the column and the interval between the columns in the light emitting element 1 will be described in detail.
＜柱体の高さ＞
図１に示すように、ＸＺ平面を挟んで対称となる位置に配置された２本の柱体がそれぞれ同じ高さで形成されている。
具体的には、図１および図２（ａ）に示すように、円周上で隣り合う柱体２０と柱体３０とが高さが等しく、かつ、最も高さが高く形成されている。
また、円周上で対向して配置された柱体１０と柱体４０とが、高さが等しく、かつ、柱体２０と柱体３０よりも高さがｈ／２だけ低く形成されている。
さらに、円周上で隣り合う柱体５０と柱体６０とが、高さが等しく、かつ、柱体２０と柱体３０よりも高さがｈ低く形成されている。つまり、柱体５０と柱体６０は、柱体１０と柱体４０よりも高さがｈ／２だけ低く形成されている。なお、柱体２０と柱体５０とは、円周上で対向して配置され、柱体３０と柱体６０とは、円周上で対向して配置されている。
ここで、柱体の高さとは、バッファ層４の表面に位置する柱体の底部から、柱体の上端（射出面）までの長さのことである。
<Height of column>
As shown in FIG. 1, two columnar bodies arranged at symmetrical positions across the XZ plane are formed at the same height.
Specifically, as shown in FIG. 1 and FIG. 2A, the columnar body 20 and the columnar body 30 adjacent to each other on the circumference are equal in height and are formed with the highest height.
Further, the columnar body 10 and the columnar body 40 that are arranged to face each other on the circumference are equal in height, and are lower than the columnar body 20 and the columnar body 30 by h / 2. .
Further, the columnar body 50 and the columnar body 60 that are adjacent on the circumference are formed to have the same height and are lower than the columnar body 20 and the columnar body 30 by h. That is, the columnar body 50 and the columnar body 60 are formed with a height h / 2 lower than the columnar body 10 and the columnar body 40. The column body 20 and the column body 50 are arranged to face each other on the circumference, and the column body 30 and the column body 60 are arranged to face each other on the circumference.
Here, the height of the column is a length from the bottom of the column located on the surface of the buffer layer 4 to the upper end (exit surface) of the column.
前記したように、高さが等しい柱体２０と柱体３０とを合わせて「第１柱群７０」と呼称し、高さが等しい柱体１０と柱体４０とを合わせて「第２柱群８０」と呼称し、高さが等しい柱体５０と柱体６０とを合わせて「第３柱群９０」と呼称する場合がある。 As described above, the column 20 and the column 30 having the same height are collectively referred to as the “first column group 70”, and the column 10 and the column 40 having the same height are collectively referred to as the “second column. In some cases, the column 50 and the column 60 having the same height are collectively referred to as a “third column group 90”.
図１および図２（ａ）に示すように、第１柱群７０と、第２柱群８０と、第３柱群９０とは、Ｘ方向において第２柱群８０が中央に位置し、第２柱群８０の両側に第１柱群７０と第３柱群９０とがそれぞれ位置している。前記したように、第１柱群７０は、最も高さの高い柱体で構成され、第２柱群８０は、第１柱群７０を構成する柱体よりも高さがｈ／２低い柱体で構成され、第３柱群９０は、第１柱群７０を構成する柱体よりも高さがｈ低く、第２柱群８０を構成する柱体よりも高さがｈ／２低い柱体で構成されている。そのため、図１に示すように、第１柱群７０から第３柱群９０に向かって、柱体の高さが単調に減少することとなる。なお、ｈについては、後記する。 As shown in FIG. 1 and FIG. 2A, the first column group 70, the second column group 80, and the third column group 90 are arranged such that the second column group 80 is located in the center in the X direction. The first pillar group 70 and the third pillar group 90 are respectively located on both sides of the two pillar group 80. As described above, the first column group 70 is constituted by the highest columnar body, and the second column group 80 is a column whose height is h / 2 lower than the columnar body constituting the first column group 70. The third column group 90 is a column whose height is lower by h than the column bodies constituting the first column group 70 and whose height is h / 2 lower than the column bodies constituting the second column group 80. Consists of the body. Therefore, as shown in FIG. 1, the height of the column body monotonously decreases from the first column group 70 toward the third column group 90. Note that h will be described later.
＜柱体の間隔＞
再び、図２（ａ）を参照しながら、柱体の間隔について説明する。
図２（ａ）に示すように、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０は、真円Ｃ１の中心Ｏ１の周囲に均等な角度（この場合、６０度）の方位に、間隔ｇ（ｇ＝ｒ−ｗ）を空けて配置されている。この間隔ｇは、図２（ｂ）に示すように、ＸＺ平面（図１参照）を境界として一方の側に配置された各柱群を構成する柱体をＸＺ平面（図１参照）に投影したときに、当該柱体同士が互いに重なり合わないようにするために、適切な値に設定する必要がある。
<Space between columns>
Again, the interval between the pillars will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 2 (a), the column bodies 10, 20, 30, 40, 50, 60 are spaced in the direction of a uniform angle (in this case, 60 degrees) around the center O 1 of the perfect circle C1. They are arranged with g (g = r−w) therebetween. As shown in FIG. 2 (b), the gap g is projected onto the XZ plane (see FIG. 1) as the column bodies constituting each column group arranged on one side with the XZ plane (see FIG. 1) as a boundary. In order to prevent the columns from overlapping each other, it is necessary to set an appropriate value.
具体的には、柱体の間隔ｇは、少なくとも柱体の直径ｗの０．１５４７倍以上とする。その理由について、以下に説明する。
前記したように、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０は、真円の中心Ｏ１の周囲に６０度間隔で配置されている（図２（ａ）参照）。したがって、真円の中心Ｏ１と、隣り合う２本の柱体の中心とをそれぞれ線で結ぶと正三角形が描かれる。また、前記したように、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０は、真円の円周上に中心軸が配置されている。したがって、真円の中心Ｏ１と、隣り合う２本の柱体の中心とを頂点とする正三角形の一辺の長さは、真円の半径ｒと等しくなる。そして、この真円の半径ｒは、隣り合う２本の柱体の中心間を結んだ距離と等しい。したがって、真円の半径ｒは、柱体の直径ｗと、柱体間の間隔ｇとにより、次の式（１）で表すことができる。
Specifically, the interval g between the pillars is at least 0.1547 times the diameter w of the pillars. The reason will be described below.
As described above, the column bodies 10, 20, 30, 40, 50, and 60 are arranged at intervals of 60 degrees around the center O 1 of the perfect circle (see FIG. 2A). Therefore, an equilateral triangle is drawn by connecting the center O 1 of the perfect circle and the centers of two adjacent columns with lines. In addition, as described above, the pillars 10, 20, 30, 40, 50, and 60 have the central axis arranged on the circumference of a perfect circle. Therefore, the length of one side of the equilateral triangle whose apexes are the center O 1 of the perfect circle and the centers of two adjacent columns is equal to the radius r of the perfect circle. The radius r of this perfect circle is equal to the distance connecting the centers of two adjacent columns. Therefore, the radius r of the perfect circle can be expressed by the following formula (1) by the diameter w of the column bodies and the interval g between the column bodies.
ｒ＝ｗ＋ｇ …式（１） r = w + g Formula (1)
ここで、図２（ｂ）に示すように、各柱体の中心軸を通る真円の中心Ｏ１と同軸上に中心軸が配置される仮想的な柱体００があるものとする。この仮想的な柱体００は、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０と同じ直径ｗで形成されているものとする。このとき、仮想的な柱体００と、第１柱群の柱体３０と、第２柱群の柱体４０とのＸＹ面内における配置に着目する。 Here, as shown in FIG. 2B, it is assumed that there is a virtual column body 00 in which the central axis is arranged coaxially with the center O 1 of a perfect circle passing through the central axis of each column body. The virtual column body 00 is assumed to be formed with the same diameter w as the column bodies 10, 20, 30, 40, 50, 60. At this time, attention is paid to the arrangement in the XY plane of the virtual column body 00, the column body 30 of the first column group, and the column body 40 of the second column group.
隣り合う柱体３０と柱体４０とが、ＸＺ平面に投影したときに重なり合う部分をつくらないようにするためには、ＸＹ面内におけるあるｘの値に対して、柱体３０と柱体４０のいずれか一方のみにｙの値が与えられることが必要である。そのためには、隣り合う柱体３０と柱体４０とで、ｘの値が等しくなる部分がないようにすることが必要である。したがって、図２（ｂ）に示す柱体３０と柱体４０との間隔（水平距離）ｇ´≧０となる。
そして、図２（ｂ）に示すように、柱体００の中心（真円の中心Ｏ１）と、柱体３０の中心３０ｃと、柱体４０の中心４０ｃとを結ぶと、一辺の長さがｒ（ｒ＝ｗ＋ｇ）の正三角形（内角π／６）が描かれることから、間隔ｇ´は、次の式（２）により表される。
In order to prevent the adjacent column body 30 and the column body 40 from forming an overlapping portion when projected onto the XZ plane, the column body 30 and the column body 40 with respect to a certain value of x in the XY plane. It is necessary that only one of the values of y is given. For this purpose, it is necessary that there is no portion in which the value of x is equal between the column 30 and the column 40 adjacent to each other. Therefore, the distance (horizontal distance) g ′ ≧ 0 between the columnar body 30 and the columnar body 40 shown in FIG.
Then, as shown in FIG. 2B, when the center of the column body 00 (the center O 1 of the perfect circle), the center 30c of the column body 30, and the center 40c of the column body 40 are connected, the length of one side is obtained. Since an equilateral triangle (inner angle π / 6) of r (r = w + g) is drawn, the interval g ′ is expressed by the following equation (2).
ｗ＋ｇ´＝ｒ×ｃｏｓ（π／６） …式（２）
この式（２）を変形すると、次の式（３）のように表すことができ、間隔ｇを求めることができる。
w + g ′ = r × cos (π / 6) (2)
When this equation (2) is transformed, it can be expressed as the following equation (3), and the interval g can be obtained.
ｇ´＝（ｇ＋ｗ）ｃｏｓ（π／６）−ｗ≧０
ｇ×ｃｏｓ（π／６）≧ｗ（１−ｃｏｓ（π／６））
ｇ≧ｗ（１−ｃｏｓ（π／６））／ｃｏｓ（π／６）＝０．１５４７…×ｗ
…式（３）
g ′ = (g + w) cos (π / 6) −w ≧ 0
g × cos (π / 6) ≧ w (1-cos (π / 6))
g ≧ w (1−cos (π / 6)) / cos (π / 6) = 0.154 ... × w
... Formula (3)
したがって、発光素子１のＸＺ平面に投影したときに隣り合う柱体同士に重なり合う部分が生じないようにするためには、隣り合う柱体間の実空間における間隔（斜距離）ｇを、少なくとも柱体の直径ｗの０．１５４７倍以上とすることが必要である。そこで、本実施形態の発光素子１では、柱体の間隔ｇを、柱体の直径ｗの０．１５４７倍以上としている。なお、柱体の間隔ｇを、柱体の直径ｗの０．１５４７倍とすると、隣り合う柱体間の実空間における間隔ｇが０となる。そこで、確実のためには、柱体の間隔ｇを、柱体の直径ｗの０．１５４８倍以上とするとよい。 Therefore, in order to prevent an overlapping portion between adjacent column bodies from being generated when projected onto the XZ plane of the light emitting element 1, an interval (slope distance) g in the real space between the adjacent column bodies is set to at least a column. It is necessary to make it at least 0.1547 times the diameter w of the body. Therefore, in the light emitting element 1 of the present embodiment, the interval g between the column bodies is set to 0.1547 times or more the diameter w of the column bodies. In addition, if the space | interval g of a pillar is 0.1547 times the diameter w of a pillar, the space | interval g in the real space between adjacent pillars will be zero. Therefore, in order to ensure, the interval g between the pillars is preferably 0.1548 times or more the diameter w of the pillars.
＜光線の成形＞
次に、本実施形態の発光素子１における光線成形について図３を主に参照しながら説明する。
発光素子１は、図２（ａ）に示すように、６本の柱体がＸＹ平面上においてＸ軸に対して対称に配置されている。そのため、ここでは、ＸＺ平面における放射光の干渉強度に限って、図３（ａ），（ｂ）を参照しながら以下に説明する。なお、ここでは、柱体３０と柱体４０、および、柱体４０と柱体５０の間隔ｇ（図２（ａ）参照）が０であるものとして説明する。
<Shaping of light beam>
Next, light beam shaping in the light emitting device 1 of the present embodiment will be described with reference mainly to FIG.
In the light emitting element 1, as shown in FIG. 2A, six pillars are arranged symmetrically with respect to the X axis on the XY plane. Therefore, here, only the interference intensity of the radiated light in the XZ plane will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b). Here, the description will be made assuming that the column body 30 and the column body 40 and the interval g (see FIG. 2A) between the column body 40 and the column body 50 are zero.
まず、図３（ｂ）に示すように、発光素子１の素子表面と平行にＸ軸とＹ軸をとり、図３（ａ）に示すように、発光素子１の素子表面と垂直にＺ軸をとる。このとき、図３（ａ）に示すように、発光素子１において、素子の最表面である最も高さが高い柱体２０，３０の上端（射出面２０ａ，３０ａ：図１参照）を含むＸＹ平面に、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０の中心１０ｃ，２０ｃ，３０ｃ，４０ｃ，５０ｃ，６０ｃを通る真円Ｃ１（図２（ａ）参照）の中心Ｏ１を投影する。この中心Ｏ１を原点とする。 First, as shown in FIG. 3B, the X axis and the Y axis are parallel to the element surface of the light emitting element 1, and the Z axis is perpendicular to the element surface of the light emitting element 1 as shown in FIG. Take. At this time, as shown in FIG. 3A, in the light-emitting element 1, the XY including the upper ends of the column bodies 20 and 30 that are the outermost surfaces of the elements and have the highest height (emission surfaces 20a and 30a: see FIG. 1). A center O 1 of a perfect circle C1 (see FIG. 2A) passing through the centers 10c, 20c, 30c, 40c, 50c, and 60c of the pillars 10, 20, 30, 40, 50, and 60 is projected onto the plane. The center O 1 is the origin.
ここで、図３（ａ）に示す原点Ｏ１から距離ｌにあり、Ｙ軸と平行かつＺ軸と成す角がθである面を基準面（等位相面）Ｓ１とする。等位相面とは、同一波源（発光部３：図１参照）で発生し、波源から等しい光路長を持つ波で構成される面のことである。
図３（ａ）に、柱体３０，４０，５０の射出面３０ａ，４０ａ，５０ａの中心から等位相面Ｓ１に向かって放射される光を破線、一点鎖線、二点鎖線でそれぞれ表した。
Here, a plane which is at a distance l from the origin O 1 shown in FIG. 3A and is parallel to the Y axis and whose angle formed with the Z axis is θ is defined as a reference plane (equal phase plane) S1. An equiphase plane is a plane formed by waves generated from the same wave source (light emitting unit 3: see FIG. 1) and having an equal optical path length from the wave source.
In FIG. 3A, light emitted from the center of the exit surfaces 30a, 40a, 50a of the column bodies 30, 40, 50 toward the equiphase surface S1 is represented by a broken line, a one-dot chain line, and a two-dot chain line, respectively.
簡単のため、振幅Ａ、各周波数ω、位相０の単色光が、柱体ｊ（ｊ＝１，２，…，６）の底部から柱体ｊ内を経て、等位相面Ｓ１に到達する場合について考える。ｊの値は、図３（ｂ）において柱体に付した符号における１０の位の値と対応している。
柱体ｊから等位相面Ｓ１に到達した光Ｕｊは、伝搬によって生じる位相差をΔｊとすると、次の式（４）により表される。
For simplicity, a case where monochromatic light having an amplitude A, each frequency ω, and a phase 0 reaches the equiphase surface S1 from the bottom of the column j (j = 1, 2,..., 6) through the column j. think about. The value of j corresponds to the value of the tenth place in the reference numerals attached to the pillars in FIG.
The light U j that has reached the equiphase surface S1 from the column body j is represented by the following equation (4), where Δ j is a phase difference caused by propagation.
これにより、光の和Ｕは、次の式（５）により表される。 Thereby, the light sum U is expressed by the following equation (5).
したがって、光の強度Ｉは、次の式（６）により表される。 Therefore, the light intensity I is expressed by the following equation (6).
ここで、前記式（６）におけるΔｊは、柱体の高さをＨｊとし、柱体上端の中心座標を位置ベクトルｃｊ（原点から柱体ｊ上端の中心までの距離と方向）とし、真空中の光の速度をｃ０とすると、次の式（７）により表される。なお、下記数式中では、ベクトルを表すため、例えばｃの文字の上に矢印を付した。また、記号「・」は、ベクトルの内積を表す。 Here, Δ j in the equation (6) is that the height of the column is H j, and the center coordinates of the upper end of the column are the position vectors c j (distance and direction from the origin to the center of the upper end of the column j). When the speed of light in vacuum is c 0 , it is expressed by the following equation (7). In addition, in the following numerical formula, in order to represent a vector, the arrow was attached | subjected on the character of c, for example. The symbol “·” represents an inner product of vectors.
前記式(７)のΔｊは、柱体ｊの底部から上端までの光路長、等位相面Ｓ１と平行かつ原点を通る平面と柱体ｊの上端との距離、原点から等位相面Ｓ１までの距離の総和に相当する。なお、位置ベクトルｃｊが負のとき、柱体ｊの上端（射出面）の中心から等位相面Ｓ１までの距離（位置ベクトル）ｌｊ＞ｌとなる。
ここで、柱体の高さＨｊと、柱体ｊの上端（射出面）の中心座標は、以下の表１により与えられる。なお、ルートの記号「√」は、３に対するものである。ｂは、最も高い柱体の高さであり、ｈは、最も高い柱体との高さの差である。ｒは、柱体が配置された円の半径である。
Δ j in the equation (7) is the optical path length from the bottom to the top of the column j, the distance between the plane parallel to the equiphase surface S1 and passing through the origin and the top of the column j, and from the origin to the equiphase surface S1. Is equivalent to the sum of the distances. When the position vector c j is negative, the distance (position vector) l j > l from the center of the upper end (exit surface) of the column body j to the equiphase surface S1.
Here, the height H j of the column body and the center coordinates of the upper end (exit surface) of the column body j are given by Table 1 below. Note that the symbol “√” of the route is for 3. b is the height of the highest column, and h is the difference in height from the highest column. r is the radius of the circle in which the column is arranged.
したがって、距離ｌｊは、前記表１より、次の式（８）〜（１０）で表される。以下の式において、ｎは屈折率である。 Therefore, the distance l j is expressed by the following equations (8) to (10) from Table 1. In the following formula, n is a refractive index.
具体的には、図３（ａ）に示すように、柱体２０，３０の上端（射出面２０ａ，３０ａ：図１参照）は、原点よりも等位相面Ｓ１までの距離が短いので、距離ｌ２，ｌ３は、計算の結果、前記式（９）で表される。また、図３（ａ）に示すように、柱体１０，４０の上端（射出面１０ａ，４０ａ）は、原点よりも距離（長さ）ｈ／２分だけ下側（−Ｚ方向）に位置しているため、距離ｌよりも等位相面までの距離が長くなる。よって、距離ｌ１，ｌ４は、計算の結果、前記式（８）で表される。さらに、図３（ａ）に示すように、柱体５０，６０の上端（射出面５０ａ，６０ａ：図１参照）は、原点よりも距離（長さ）ｈだけ下側（−Ｚ方向）に位置しているため、距離ｌよりも等位相面Ｓ１までの距離が長くなる。そのため、距離ｌ５，ｌ６は、計算の結果、前記式（１０）で表される。 Specifically, as shown in FIG. 3A, the upper ends of the columnar bodies 20 and 30 (exit surfaces 20a and 30a: see FIG. 1) have a shorter distance to the equiphase surface S1 than the origin. As a result of the calculation, l 2 and l 3 are expressed by the formula (9). Further, as shown in FIG. 3A, the upper ends (exit surfaces 10a and 40a) of the column bodies 10 and 40 are positioned lower (−Z direction) by a distance (length) h / 2 than the origin. Therefore, the distance to the equiphase surface is longer than the distance l. Therefore, the distances l 1 and l 4 are expressed by the above formula (8) as a result of calculation. Further, as shown in FIG. 3A, the upper ends of the column bodies 50, 60 (the exit surfaces 50a, 60a: see FIG. 1) are lower (−Z direction) by a distance (length) h than the origin. Therefore, the distance to the equiphase surface S1 becomes longer than the distance l. Therefore, the distances l 5 and l 6 are expressed by the formula (10) as a result of the calculation.
ここで、２本の柱体（ここでは、ｊとｋとする）から放射された光がある方向θｊｋで強めあう条件は、距離ｌｊと距離ｌｋの差δｊｋが０になるときである。よって、高さの異なる柱体同士の距離、例えば距離ｌ５と距離ｌ２の差を０とする方程式を解くと、ｈは、次の式（１１）で求められることになる。 Here, the condition that the light emitted from the two pillars (here, j and k) is strengthened in a certain direction θ jk is that the difference δ jk between the distance l j and the distance l k becomes zero. It is. Therefore, h is obtained by the following equation (11) by solving an equation in which the distance between column bodies having different heights, for example, the difference between the distance l 5 and the distance l 2 is 0.
そして、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０において、２本の柱体の全ての組み合わせ（合計１５の組み合わせ）について差δｊｋを計算すると、以下の式（１２）〜（１４）に示すとおりとなる。 When the difference δ jk is calculated for all combinations (two combinations in total) of the two column bodies in the column bodies 10, 20, 30, 40, 50, and 60, the following equations (12) to (14) are calculated. It becomes as shown in.
以上より、角度θにおける干渉波の強度Ｉは、次の式（１５）により与えられる。 As described above, the intensity I of the interference wave at the angle θ is given by the following equation (15).
前記式（１５）において、第一項の定数項は、全方向に放射される光を表すため、光線の明瞭さには寄与しない。そこで、これを除き、全放射強度に対する干渉波強度の比を取ると、位相差が０、すなわち、θａ＝０の角度において、干渉波強度の最大値が得られる。つまり、発光素子１において、２本の柱体を組み合わせて光線を成形した場合に干渉波強度の最大値が得られる比は、１２／１５＝８０％となる。 In the formula (15), the constant term of the first term represents light emitted in all directions, and thus does not contribute to the clarity of the light beam. Therefore, except for this, when the ratio of the interference wave intensity to the total radiation intensity is taken, the maximum value of the interference wave intensity is obtained when the phase difference is 0, that is, at an angle of θ a = 0. That is, in the light emitting element 1, when a light beam is formed by combining two column bodies, the ratio at which the maximum value of the interference wave intensity is obtained is 12/15 = 80%.
次に、比較例の発光素子における光線成形について図４，５を参照しながら説明する。まず、比較例の発光素子の構成について図４を参照しながら説明する。図４に示すように、発光素子１０１は、半導体層１０２と発光部１０３とバッファ層１０４とが積層され、バッファ層１０４の上に柱体１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０が形成されている。また、素子表面（バッファ層１０４の上面）において、柱体が形成されていない領域に光をマスクするための金属層１０５が設けられている。 Next, light beam shaping in the light emitting device of the comparative example will be described with reference to FIGS. First, the structure of the light emitting element of the comparative example will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, in the light emitting element 101, a semiconductor layer 102, a light emitting unit 103, and a buffer layer 104 are stacked, and pillars 110, 120, 130, 140, 150, 160 are formed on the buffer layer 104. ing. Further, a metal layer 105 for masking light is provided in a region where the columnar body is not formed on the element surface (the upper surface of the buffer layer 104).
この発光素子１０１は、柱体１１０，１２０，１３０の高さが、柱体１４０，１５０，１６０の高さと異なるように形成されており、さらに、柱体１４０，１５０，１６０の高さが柱体１１０，１２０，１３０の高さよりも低くなるように形成されている。つまり、発光素子１０１は、６本の柱体の高さを２段階で変えている。また、図４に示す発光素子１０１は、図６に示す発光素子１０１と同様であり、また、図１に示す発光素子１に対し、柱体の高さおよび配置が異なるのみで、その他は同様に構成されているので、適宜説明を省略する。 The light emitting element 101 is formed so that the heights of the pillars 110, 120, and 130 are different from the heights of the pillars 140, 150, and 160, and the heights of the pillars 140, 150, and 160 are pillars. It is formed to be lower than the height of the bodies 110, 120, 130. That is, in the light emitting element 101, the height of the six pillars is changed in two steps. 4 is the same as the light-emitting element 101 shown in FIG. 6, and the light-emitting element 101 shown in FIG. 1 is the same as the light-emitting element 1 shown in FIG. Therefore, the description is omitted as appropriate.
図５（ｂ）に示すように、発光素子１０１は、素子表面に６本の柱体１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０が環状に配置されている。発光素子１０１は、６本の柱体が、図１に示した発光素子１の６本の柱体をＺ軸周りにπ／６回転した配置となっている。ここで、図５（ａ）に示すのは、図５（ｂ）に示した発光素子１０１のＸＺ平面（図４参照）に柱体１２０，１５０を投影した図である。なお、この配置では断面図となる。 As shown in FIG. 5B, the light emitting element 101 has six pillars 110, 120, 130, 140, 150, and 160 arranged in an annular shape on the element surface. In the light emitting element 101, the six column bodies are arranged by rotating the six column bodies of the light emitting element 1 shown in FIG. 1 by π / 6 around the Z axis. Here, FIG. 5A shows a projection of the column bodies 120 and 150 on the XZ plane (see FIG. 4) of the light emitting element 101 shown in FIG. 5B. This arrangement is a cross-sectional view.
発光素子１０１は、図５（ｂ）に示すように、６本の柱体がＸＹ平面上において対称に配置されている。そのため、ここでは、図１に示す発光素子１と同様に、図４に示す発光素子１０１のＸＺ平面における放射光の干渉強度に限って、以下に説明する。 In the light emitting element 101, as shown in FIG. 5B, six pillars are arranged symmetrically on the XY plane. Therefore, here, similarly to the light-emitting element 1 illustrated in FIG. 1, description will be made below only on the interference intensity of the emitted light in the XZ plane of the light-emitting element 101 illustrated in FIG. 4.
図５（ａ）に示すように、発光素子１０１において、素子の最表面である最も高さが高い柱体１１０，１２０，１３０（図５（ａ）では柱体１２０のみ図示）の上端（射出面１１０ａ，１２０ａ，１３０ａ：図４参照）を含むＸＹ平面を想定する。このＸＹ平面に、柱体１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０の中心１１０ｃ，１２０ｃ，１３０ｃ，１４０ｃ，１５０ｃ，１６０ｃを通る真円Ｃ２の中心Ｏ２（図５（ｂ）参照）を投影する。この中心Ｏ２を原点とする。 As shown in FIG. 5A, in the light-emitting element 101, the upper end (ejection) of the column bodies 110, 120, and 130 (only the column body 120 is shown in FIG. 5A) that is the outermost surface of the element. Assume an XY plane including planes 110a, 120a, and 130a (see FIG. 4). The center O 2 (see FIG. 5B) of the perfect circle C2 passing through the centers 110c, 120c, 130c, 140c, 150c, and 160c of the pillars 110, 120, 130, 140, 150, and 160 is projected onto the XY plane. To do. This center O 2 is the origin.
ここで、柱体の高さＨｊと、柱体ｊの上端（射出面）の中心座標（位置ベクトルｃｊ）は、以下の表２により与えられる。なお、ルートの記号「√」は、３に対するものである。ｂは、最も高い柱体の高さであり、ｈは、最も高い柱体との高さの差である。ｒは、柱体が配置された円の半径である。 Here, the height H j of the column body and the center coordinates (position vector c j ) of the upper end (exit surface) of the column body j are given by Table 2 below. Note that the symbol “√” of the route is for 3. b is the height of the highest column, and h is the difference in height from the highest column. r is the radius of the circle in which the column is arranged.
ここで、図５（ａ）に示すように、原点Ｏ２から距離ｌにあり、Ｙ軸と平行かつＺ軸と成す角がθである面を基準面（等位相面）Ｓ２とする。図５（ａ）に、柱体１２０，１５０の上端（射出面１２０ａ，１５０ａ：図４参照）の中心から等位相面Ｓ２に向かって放射される光を破線と二点鎖線で表した。 Here, as shown in FIG. 5 (a), there from the origin O 2 at a distance l, the angle formed between the Y axis and the parallel and Z-axis as a reference plane (equiphase surface) S2 surface is theta. In FIG. 5A, light emitted from the center of the upper ends of the column bodies 120 and 150 (exit surfaces 120a and 150a: see FIG. 4) toward the equiphase surface S2 is represented by a broken line and a two-dot chain line.
このとき、各柱体の上端（射出面）の中心から、図５（ａ）に示す等位相面Ｓ２までの距離をｌｊ（ｊ＝１，２，…，６）とする。なお、柱番号ｊの値は、図５（ｂ）において柱体に付した符号における１０の位の値と対応している。距離ｌ１〜ｌ６は、前記表２により、次の式（１６），（１７）に示すとおりとなる。 At this time, the distance from the center of the upper end (exit surface) of each column to the equiphase surface S2 shown in FIG. 5A is defined as l j (j = 1, 2,..., 6). Note that the value of the column number j corresponds to the value of the tenth place in the reference numerals attached to the column bodies in FIG. The distances l 1 to l 6 are as shown in the following formulas (16) and (17) according to Table 2.
そして、柱体１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０のうち、いずれか２本の柱体により放射された光の光路長にそれぞれ相当する距離ｌｊと距離ｌｋの差δｊｋを計算すると、次の式（１８）〜（２２）に示すとおりとなる。 Then, the difference δ jk between the distance l j and the distance l k corresponding to the optical path length of the light emitted from any two of the pillars 110, 120, 130, 140, 150, 160 is calculated. Then, the following equations (18) to (22) are obtained.
差δｊｋが０となる条件より、前記式（１８）〜（２２）において干渉波の各項が最大値をとる方向θｊｋを調べると、次の式（２３）〜（２６）に示すとおり４つの解が得られる。 When the direction θ jk in which each term of the interference wave takes the maximum value in the equations (18) to (22) is examined under the condition that the difference δ jk becomes 0, the following equations (23) to (26) are obtained. Four solutions are obtained.
干渉波の強度が最大となる角度は、θ＝０を除くと、式（２５），（２６）で与えられる。
前記式（１５）を用いて干渉波の強度Ｉを求めて比を取ると、干渉波強度の最大値が得られる比は、４／１５＝２７％となる。前記したように、発光素子１では、干渉波強度の最大値が得られる比が８０％であったことを考えると、発光素子１は、発光素子１０１に対し格段に性能が高い（良好な光線が成形される）ことがわかる。
The angle at which the intensity of the interference wave is maximum is given by equations (25) and (26), excluding θ = 0.
When the interference wave intensity I is obtained using the above equation (15) and the ratio is determined, the ratio at which the maximum value of the interference wave intensity is obtained is 4/15 = 27%. As described above, in light-emitting element 1, considering that the ratio at which the maximum value of the interference wave intensity is obtained is 80%, light-emitting element 1 has significantly higher performance than light-emitting element 101 (good light beam). Is formed).
ここで、図５（ｃ）に示すのは、比較例の発光素子１０１についての測定結果である。具体的には、比較例の発光素子１０１について、２本の柱体の組み合わせごと（合計１５の組み合わせ）に、２本の柱体間の高さの差の割合を変化させたときの光線の角度特性の変化を測定したものである。 Here, FIG. 5C shows a measurement result of the light emitting element 101 of the comparative example. Specifically, with respect to the light emitting element 101 of the comparative example, for each combination of two column bodies (a total of 15 combinations), the light beam when the ratio of the height difference between the two column bodies is changed is changed. This is a measurement of changes in angular characteristics.
図５（ｃ）のグラフ内では、図５（ａ）に示す柱体１１０と柱体１５０との組み合わせを、「ｔｈ１５」のように表記している。つまり、図５（ａ）に示す柱体に付した符号における１０の位の数字を組み合わせて表記している。ここでは、適宜、２本の柱体の組み合わせを同様に表記するものとする。 In the graph of FIG. 5C, the combination of the column 110 and the column 150 shown in FIG. 5A is represented as “th15”. That is, it is described by combining the tenth digits in the reference numerals attached to the pillars shown in FIG. Here, the combination of two column bodies is similarly described as appropriate.
図５（ｃ）に示すグラフにおいて、縦軸は、２本の柱体の組み合わせにより成形される光線の角度［ｄｅｇ］であり、横軸は、２本の柱体のうち、高さの高い柱体に対する高さの低い柱体の高さの差を、発光波長λ（λ＝４６５ｎｍ）を基準として表したときの、発光波長λに対する割合（柱高低差割合）δである。ここでは、図５（ｃ）に示すように、δを０〜０．８の間で変化させた。また、ここでは、高さの高い柱体の高さを５４０ｎｍ程度とした。 In the graph shown in FIG. 5C, the vertical axis is the angle [deg] of the light beam formed by the combination of the two columns, and the horizontal axis is the height of the two columns. This is a ratio (column height difference ratio) δ with respect to the emission wavelength λ when the difference in height of the column with a low height relative to the column is expressed on the basis of the emission wavelength λ (λ = 465 nm). Here, as shown in FIG.5 (c), (delta) was changed between 0-0.8. Here, the height of the tall column is about 540 nm.
図５（ｃ）では省略したが、高さが等しい柱体の組み合わせであるｔｈ１２、ｔｈ１３、ｔｈ２３、ｔｈ４５、ｔｈ４６およびｔｈ５６においては、それぞれの柱体の射出面から放射される光が法線方向に直進するため、互いに直進成分を打ち消し合う。そのため、ｔｈ１２、ｔｈ１３、ｔｈ２３、ｔｈ４５、ｔｈ４６およびｔｈ５６によりそれぞれ成形される光線は直進し、Ｚ軸に対する天頂角θは０度となる。 Although omitted in FIG. 5C, in the th12, th13, th23, th45, th46, and th56 combinations of columns having the same height, the light emitted from the exit surface of each column is in the normal direction. Because they go straight ahead, they cancel each other's straight-ahead components. Therefore, the light beams formed by th12, th13, th23, th45, th46, and th56 go straight, and the zenith angle θ with respect to the Z axis is 0 degree.
また、高さの異なる柱体の組み合わせがｔｈ１４、ｔｈ１６、ｔｈ３４、ｔｈ３６の干渉波のＸＺ面における角度（天頂角θ）は１３度であるが、ＸＹ面上での角度（水平角）が６０度の範囲に分布するため、主軸への寄与は低い。同様に、高さの異なる柱体の組み合わせが柱体ｔｈ１４、ｔｈ１６、ｔｈ３４、ｔｈ３６の場合も、干渉波の天頂角θは２２．５度であるが、水平角が１２０度の範囲に分布するため、主軸への寄与は低い。これらの干渉波が同一の天頂角θを持てば、対称性により明瞭な光線形成が可能となるが、本構造では４本ずつに分離しているため、明瞭な光線を得ることは難しい。
図５（ｃ）に示すように、高さの異なる柱体の組み合わせがｔｈ２５の場合、２本の柱体の高さの差の割合δが０．８のとき天頂角θが最大となるが、１０度程度しか得られない。
In addition, the angle (the zenith angle θ) in the XZ plane of the interference wave of th14, th16, th34, and th36 in the combination of the pillars having different heights is 13 degrees, but the angle (horizontal angle) on the XY plane is 60. Because it is distributed over a range of degrees, the contribution to the main axis is low. Similarly, when the combinations of the pillars having different heights are the pillars th14, th16, th34, and th36, the zenith angle θ of the interference wave is 22.5 degrees, but the horizontal angle is distributed in the range of 120 degrees. Therefore, the contribution to the main shaft is low. If these interference waves have the same zenith angle θ, it becomes possible to form a clear light beam due to symmetry, but it is difficult to obtain a clear light beam because it is separated into four in this structure.
As shown in FIG. 5C, when the combination of the columnar bodies having different heights is th25, the zenith angle θ is maximized when the ratio δ of the height difference between the two columnar bodies is 0.8. Only about 10 degrees can be obtained.
以上の結果に示すとおり、図４および図５（ａ），（ｂ）に示した発光素子１０１のように、柱体の高さを２段階で変える場合、柱体から放射された光のうち法線方向（傾斜角度０度方向）に直進する余分な光（妨害光）が多くなってしまう。そのため、発光素子１０１では、発光部１０３での発光のエネルギーが分散してしまい、柱体から放射された光の干渉が十分に得られないことで、光線の角度特性が十分に得られないことが測定結果からも明らかである。 As shown in the above results, when the height of the column is changed in two steps as in the light-emitting element 101 shown in FIGS. 4 and 5A, 5B, the light emitted from the column Excessive light (interfering light) traveling straight in the normal direction (inclination angle 0 degree direction) increases. Therefore, in the light emitting element 101, the energy of light emitted from the light emitting unit 103 is dispersed, and interference of light emitted from the column cannot be sufficiently obtained, so that the angle characteristics of light rays cannot be sufficiently obtained. Is clear from the measurement results.
＜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（上面）と平行な面の正方形領域（大きさ６０００ｎｍ×６０００ｎｍ）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６０００ｎｍ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. As a simulation condition, a square region (size: 6000 nm × 6000 nm) parallel to the surface (upper surface) of the light-emitting element 1 was assumed as a base. In addition, a simulation was performed with a region from the light emitting region to 6000 nm above the element surface as a calculation target.
＜発光素子の設計の具体例＞
シミュレーションに用いた発光素子１の設計例について、図１および図７（ａ）を参照しながら説明する。なお、図７（ａ）では、発光素子１の発光部３（図１参照）を省略している。
図７（ａ）に示すように、発光素子１は、例えばＧａＮ（屈折率ｎ＝２．４７）にＩｎを添加したＬＥＤであるものとし、発光スペクトルの中心波長（波長λ）は４６５ｎｍであるものとした。
発光素子１のバッファ層４と半導体層２とを合わせた厚さを２４００ｎｍとした。
金属層５は、厚さ３００ｎｍのＭｏの金属薄膜とした。
スペクトル半値幅は、２０ｎｍとした。
柱体の直径ｗ（図２（ｂ）参照）は、４７０ｎｍとした。
真円Ｃ１の中心Ｏ１（図２（ａ）参照）から各柱体の中心までの距離（真円Ｃ１の半径ｒ：図２（ａ）参照）は、５６５ｎｍとした。
柱体の間隔ｇ（図２（ｂ）参照）は、９５ｎｍとした。
最も高さが高い柱体２０，３０の高さｂは、５４０ｎｍとした。
シミュレーションの格子間隔は、１５ｎｍとした。
<Specific examples of light emitting element design>
A design example of the light-emitting element 1 used for the simulation will be described with reference to FIGS. 1 and 7A. In FIG. 7A, the light emitting unit 3 (see FIG. 1) of the light emitting element 1 is omitted.
As shown in FIG. 7A, the light emitting element 1 is assumed to be an LED in which In is added to GaN (refractive index n = 2.47), for example, and the center wavelength (wavelength λ) of the emission spectrum is 465 nm. It was supposed to be.
The total thickness of the buffer layer 4 and the semiconductor layer 2 of the light-emitting element 1 was 2400 nm.
The metal layer 5 was a Mo metal thin film having a thickness of 300 nm.
The half width of the spectrum was 20 nm.
The diameter w of the column (see FIG. 2B) was 470 nm.
The distance from the center O 1 (see FIG. 2A) of the perfect circle C1 to the center of each column (radius r of the perfect circle C1: see FIG. 2A) was 565 nm.
The interval g between the column bodies (see FIG. 2B) was set to 95 nm.
The height b of the column bodies 20 and 30 having the highest height was 540 nm.
The lattice spacing in the simulation was 15 nm.
本シミュレーションでは、柱体２０，３０の高さｂは固定値であるが、高さｂに対する柱体１０，４０の高さをｂ−ｈ／２とし、高さｂに対する柱体５０，６０の高さをｂ−ｈとしたときのｈの値を０〜１８５ｎｍの範囲内で変化させた。ここで、柱体２０，３０と柱体５０，６０との高さの差ｈは、ｈ＝δλ（λは、ＬＥＤの発光波長であり、λ＝４６５ｎｍ）で表される。つまり、δは、高さの高い柱体に対する高さの低い柱体の高さの差ｈを、発光波長λ（λ＝４６５ｎｍ）を基準として表したときの、発光波長λに対する割合である。
以下では、δを、柱体２０，３０の高さｂに対する柱体５０，６０の高さの差ｈを、発光波長λを基準として表したときの発光波長λに対する割合として説明している。ただし、柱体２０，３０と柱体１０，４０との間でも、柱体２０，３０と柱体１０，４０との間におけるのと同様にδを定義することができる。なお、図７（ｂ）については後記する。
In this simulation, the height b of the column bodies 20 and 30 is a fixed value, but the height of the column bodies 10 and 40 with respect to the height b is b−h / 2, and the column bodies 50 and 60 with respect to the height b are The value of h when the height was b-h was changed within the range of 0 to 185 nm. Here, the height difference h between the column bodies 20 and 30 and the column bodies 50 and 60 is represented by h = δλ (λ is the light emission wavelength of the LED, and λ = 465 nm). That is, δ is a ratio with respect to the emission wavelength λ when the difference in height h between the lower column and the lower column is expressed with reference to the emission wavelength λ (λ = 465 nm).
Hereinafter, δ is described as a ratio of the height h of the column bodies 50 and 60 to the height b of the column bodies 20 and 30 with respect to the emission wavelength λ when the emission wavelength λ is used as a reference. However, δ can be defined between the column bodies 20 and 30 and the column bodies 10 and 40 as well as between the column bodies 20 and 30 and the column bodies 10 and 40. Note that FIG. 7B will be described later.
次に、本シミュレーションに用いた比較例の発光素子１０１の設計例について、図４および図８（ａ）を参照しながら説明する。
図８（ａ）に示す発光素子１０１は、図７（ａ）を参照して説明した発光素子１の設計例と同様に設計されている。なお、図７（ａ）では、発光素子１０１の発光部１０３（図４参照）を省略している。
発光素子１０１は、高さの高い柱体１１０，１２０，１３０の高さを５４０ｎｍとした。
本シミュレーションでは、発光素子１０１の高さの高い柱体１１０，１２０，１３０の高さをｂとし、高さの低い柱体１４０，１５０，１６０の高さをｂ−ｈとしたときに、ｈの値を０〜１８５ｎｍの範囲内で変化させた。なお、図８（ａ）に示す発光素子１０１は、柱体１１０，１２０，１３０の高さｂに対する柱体１４０，１５０，１６０の高さの差ｈの割合（柱高低差割合）をδとした場合、柱体１１０，１２０，１３０と柱体１４０，１５０，１６０との高さの差は、ｈ＝δλで表される。
Next, a design example of the light emitting element 101 of the comparative example used in this simulation will be described with reference to FIGS. 4 and 8A.
The light emitting element 101 shown in FIG. 8A is designed in the same manner as the design example of the light emitting element 1 described with reference to FIG. In FIG. 7A, the light emitting portion 103 (see FIG. 4) of the light emitting element 101 is omitted.
In the light-emitting element 101, the height of the high pillars 110, 120, and 130 was set to 540 nm.
In this simulation, when the height of the columnar bodies 110, 120, and 130 of the light emitting element 101 is b, and the height of the columnar bodies 140, 150, and 160 of the low height is bh, h The value of was changed within the range of 0 to 185 nm. In the light-emitting element 101 shown in FIG. 8A, the ratio of the height difference h of the column bodies 140, 150, 160 to the height b of the column bodies 110, 120, 130 (column height difference ratio) is δ. In this case, the height difference between the column bodies 110, 120, and 130 and the column bodies 140, 150, and 160 is represented by h = δλ.
また、本シミュレーションでは、発光素子１，１０１のバッファ層４，１０４の上面をＺ＝０（ＸＹ平面）として、ＸＹ平面において素子表面の中心を原点（０，０，０）とした。
本シミュレーションでは、柱高低差割合δを、０．０、０．２、０．４の３つのパターンで変化させ、発光素子１，１０１の表面から上方３０００ｎｍの発光分布（ビーム形状）を観察した。
In this simulation, the upper surface of the buffer layers 4 and 104 of the light emitting elements 1 and 101 is set to Z = 0 (XY plane), and the center of the element surface on the XY plane is set to the origin (0, 0, 0).
In this simulation, the column height difference ratio δ was changed in three patterns of 0.0, 0.2, and 0.4, and an emission distribution (beam shape) of 3000 nm above the surface of the light-emitting elements 1 and 101 was observed. .
図７（ｂ）、図８（ｂ）に示すのは、発光素子１，１０１の放射光として、柱高低差割合δを変化させた場合の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（強度分布）として表したものである。図７（ｂ）、図８（ｂ）において、矩形の画像の幅方向がＸ方向に対応し、矩形の画像の高さ方向がＹ方向に対応している。また、図７（ｂ）、図８（ｂ）において矩形の画像の中心が原点に対応している。 FIG. 7B and FIG. 8B show the integrated value of the light intensity on the XY plane when the column height difference ratio δ is changed as the radiated light of the light emitting elements 1 and 101. This is expressed as a beam pattern (intensity distribution). In FIGS. 7B and 8B, the width direction of the rectangular image corresponds to the X direction, and the height direction of the rectangular image corresponds to the Y direction. 7B and 8B, the center of the rectangular image corresponds to the origin.
このビームパターンにおいて、符号ｒｅの領域は、図７（ｂ）、図８（ｂ）のカラー表示の場合の赤色の領域を示し、図７（ｂ）、図８（ｂ）において画像の右に示すスケールにてred、すなわち、光の強度がおよそ０．０２Ｗ／ｍ2であることを示す。なお、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。 In this beam pattern, an area denoted by re indicates a red area in the case of color display in FIGS. 7B and 8B, and on the right side of the image in FIGS. 7B and 8B. The scale shown shows red, that is, the light intensity is approximately 0.02 W / m 2 . Here, the power density obtained by taking the square of the electric field in the FDTD method was used as the light intensity.
また、符号ｙｅの領域は、図７（ｂ）、図８（ｂ）のカラー表示の場合の黄色の領域を示し、図７（ｂ）、図８（ｂ）に示すスケールにてyellow、すなわち、光の強度がおよそ０．１５Ｗ／ｍ2であることを示す。
符号ｇｒの領域は、図７（ｂ）、図８（ｂ）のカラー表示の場合の緑色の領域を示し、図７（ｂ）、図８（ｂ）に示すスケールにてgreen、すなわち、光の強度がおよそ０．０１Ｗ／ｍ2であることを示す。
符号ｂｌの領域は、図７（ｂ）、図８（ｂ）のカラー表示の場合の青色の領域を示し、図７（ｂ）、図８（ｂ）に示すスケールにてblue、すなわち、光の強度がおよそ０Ｗ／ｍ2であることを示す。
符号ｒｅの領域は、素子表面の上方３０００ｎｍに到達した光の多い領域を示し、符号ｂの領域は、素子表面の上方３０００ｎｍに光の到達しない領域を示す。
The area indicated by the symbol ye is a yellow area in the case of color display in FIGS. 7B and 8B, and is yellow on the scales shown in FIGS. 7B and 8B. , Indicating that the light intensity is approximately 0.15 W / m 2 .
The area indicated by reference numeral gr indicates a green area in the case of color display in FIGS. 7B and 8B, and is green, that is, light on the scales shown in FIGS. 7B and 8B. It shows that the intensity | strength of is about 0.01 W / m < 2 >.
The area | region of the code | symbol shows the blue area | region in the case of the color display of FIG.7 (b) and FIG.8 (b), and is blue, ie, light, in the scale shown in FIG.7 (b) and FIG.8 (b). It shows that the intensity | strength of is about 0 W / m < 2 >.
The region denoted by re indicates a region with much light reaching 3000 nm above the device surface, and the region denoted by b indicates a region where light does not reach 3000 nm above the device surface.
本シミュレーションでは、到達した光が最も強い領域（メインビーム）の形に加えて、メインビーム以外に光が到達している領域（サイドビーム）の有無からビーム形状を評価した。また、本シミュレーションの評価においては、発光素子１，１０１の計算領域の上端に到達する光の強度分布を積算し、強度が最も高い点を光線中心とした。 In this simulation, in addition to the shape of the region (main beam) where the reached light is the strongest, the beam shape is evaluated based on the presence or absence of the region (side beam) where the light reaches other than the main beam. In the evaluation of this simulation, the intensity distribution of the light reaching the upper end of the calculation area of the light emitting elements 1 and 101 is integrated, and the point with the highest intensity is set as the center of the light beam.
図７（ｂ）に示すように、本実施形態の発光素子１において、δ＝０．０とした場合、すなわち、柱体２０，３０の高さｂに対する柱の高さの差ｈを０．０λ（ｈ＝０）とした場合、原点上に光の強度分布の中心点（ｒｅの領域）が現れる。したがって、この場合、素子表面と垂直な方向に光線を成形できることを確かめた。また、メインビーム以外に光が到達している領域はなく、良好なビーム形状が得られることを確かめた。 As shown in FIG. 7B, in the light emitting device 1 of the present embodiment, when δ = 0.0, that is, the difference in column height h from the height b of the column bodies 20 and 30 is set to 0. When 0λ (h = 0), the central point (re region) of the light intensity distribution appears on the origin. Therefore, in this case, it was confirmed that the light beam can be shaped in a direction perpendicular to the element surface. In addition, it was confirmed that there was no region where light reached other than the main beam, and that a good beam shape was obtained.
また、図７（ｂ）に示すように、本実施形態の発光素子１において、δ＝０．２とした場合、すなわち、柱体２０，３０の高さｂに対する柱の高さの差ｈを０．２λ（ｈ≒９３）とした場合、原点からずれた＋Ｘ方向および−Ｙ方向ずれた位置に光の強度分布の中心点（ｒｅの領域）が現れる。したがって、この場合、素子表面と垂直な方向から傾斜した線上に光線を成形できることを確かめた。また、メインビーム以外に光が到達している領域はなく、良好なビーム形状が得られることを確かめた。 Further, as shown in FIG. 7B, in the light emitting device 1 of the present embodiment, when δ = 0.2, that is, the difference in column height h from the height b of the column bodies 20 and 30 is expressed as follows. In the case of 0.2λ (h≈93), the center point (re region) of the light intensity distribution appears at positions shifted from the origin in the + X direction and the −Y direction. Therefore, in this case, it was confirmed that the light beam can be formed on a line inclined from a direction perpendicular to the element surface. In addition, it was confirmed that there was no region where light reached other than the main beam, and that a good beam shape was obtained.
さらに、図７（ｂ）に示すように、本実施形態の発光素子１において、δ＝０．４とした場合、すなわち、柱体２０，３０の高さｂに対する柱の高さの差ｈを０．４λ（ｈ≒１８５）とした場合、原点から＋Ｘ方向にずれた位置に光の強度分布の中心点（ｒｅの領域）が現れる。
高さの差ｈを０．４λとした場合、高さの差ｈを０．２λとした場合よりも、光の強度分布の中心点が現れる位置が原点から＋Ｘ方向により大きくずれている。つまり、高さの差ｈを０．４λとした場合、高さの差ｈを０．２λとした場合よりも、素子表面と垂直な方向からより大きく傾斜した線上に光線を成形できることを確かめた。また、メインビーム以外に光が到達している領域はなく、良好なビーム形状が得られることを確かめた。
Further, as shown in FIG. 7B, in the light-emitting element 1 of the present embodiment, when δ = 0.4, that is, the difference in column height h from the height b of the column bodies 20 and 30 is When 0.4λ (h≈185), the central point (re region) of the light intensity distribution appears at a position shifted in the + X direction from the origin.
When the height difference h is set to 0.4λ, the position at which the central point of the light intensity distribution appears is greatly deviated in the + X direction from the case where the height difference h is set to 0.2λ. That is, when the height difference h is set to 0.4λ, it was confirmed that the light beam can be formed on a line inclined more greatly from the direction perpendicular to the element surface than when the height difference h is set to 0.2λ. . In addition, it was confirmed that there was no region where light reached other than the main beam, and that a good beam shape was obtained.
一方、図８（ｂ）に示すように、比較例の発光素子１０１において、δ＝０．０とした場合、すなわち、柱体１１０，１２０，１３０の高さｂに対する柱の高さの差ｈを０．０λ（ｈ＝０）とした場合、原点上に光の強度分布の中心点（ｒｅの領域）が現れる。したがって、この場合、素子表面と垂直な方向に光線を成形できることを確かめた。また、メインビーム以外に光が到達している領域はなく、良好なビーム形状が得られることを確かめた。 On the other hand, as shown in FIG. 8B, in the light emitting device 101 of the comparative example, when δ = 0.0, that is, the difference in column height h from the height b of the column bodies 110, 120, 130. Is 0.0λ (h = 0), the central point (re region) of the light intensity distribution appears on the origin. Therefore, in this case, it was confirmed that the light beam can be shaped in a direction perpendicular to the element surface. In addition, it was confirmed that there was no region where light reached other than the main beam, and that a good beam shape was obtained.
また、図８（ｂ）に示すように、本実施形態の発光素子１０１において、δ＝０．２とした場合、すなわち、柱体１１０，１２０，１３０の高さｂに対する柱の高さの差ｈを０．２λ（ｈ≒９３）とした場合、原点から＋Ｘ方向にずれた位置に光の強度分布の中心点（ｒｅの領域）が現れる。したがって、この場合、素子表面と垂直な方向から傾斜した線上に光線を成形できることを確かめた。また、メインビームの近傍にｇｒの領域があり、微弱なサイドビームが発生しており、若干ビーム形状が崩れていることを確かめた。 Further, as shown in FIG. 8B, in the light emitting element 101 of the present embodiment, when δ = 0.2, that is, the difference in the height of the column with respect to the height b of the column bodies 110, 120, and 130. When h is 0.2λ (h≈93), the center point (re region) of the light intensity distribution appears at a position shifted in the + X direction from the origin. Therefore, in this case, it was confirmed that the light beam can be formed on a line inclined from a direction perpendicular to the element surface. Further, it was confirmed that there was a gr region in the vicinity of the main beam, a weak side beam was generated, and the beam shape was slightly broken.
さらに、図８（ｂ）に示すように、本実施形態の発光素子１において、δ＝０．４とした場合、すなわち、柱体１１０，１２０，１３０の高さｂに対する柱の高さの差ｈを０．４λ（ｈ≒１８５）とした場合、原点から＋Ｘ方向にずれた位置に光の強度分布の中心点（ｒｅの領域）が現れる。高さの差ｈを０．４λとした場合、高さの差ｈを０．２λとした場合よりも、光の強度分布の中心点が現れる位置が原点から＋Ｘ方向により大きくずれている。つまり、高さの差ｈを０．４λとした場合、高さの差ｈを０．２λとした場合よりも、素子表面と垂直な方向からより大きく傾斜した線上に光線を成形できることを確かめた。また、メインビームの近傍に広範囲にｇｒの領域があり、強力なサイドビームが発生しているためにビーム形状が崩れていることを確かめた。 Further, as shown in FIG. 8B, in the light emitting device 1 of the present embodiment, when δ = 0.4, that is, the difference in the height of the column with respect to the height b of the columns 110, 120, and 130. When h is set to 0.4λ (h≈185), the center point (re region) of the light intensity distribution appears at a position shifted in the + X direction from the origin. When the height difference h is set to 0.4λ, the position at which the central point of the light intensity distribution appears is greatly deviated in the + X direction from the case where the height difference h is set to 0.2λ. That is, when the height difference h is set to 0.4λ, it was confirmed that the light beam can be formed on a line inclined more greatly from the direction perpendicular to the element surface than when the height difference h is set to 0.2λ. . In addition, it was confirmed that there was a wide area of gr in the vicinity of the main beam, and the beam shape was broken because a strong side beam was generated.
以上のように、図７に示した本実施形態の発光素子１によれば、図８に示した比較例の発光素子１０１に比べて、光線が射出する方向を比較的大きくなるように制御したときにサイドビームの発生を比較的小さく抑えることができることを確かめた。 As described above, according to the light emitting element 1 of the present embodiment shown in FIG. 7, the direction in which light is emitted is controlled to be relatively larger than that of the light emitting element 101 of the comparative example shown in FIG. 8. It has been confirmed that the generation of side beams can sometimes be kept relatively small.
＜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.
発光素子１の製造工程の一例を挙げると、まず、例えばＧａＡｓやＳｉ等の半導体基板に、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）法などの成膜方法により、半導体層２と発光部３とバッファ層４とを積層する。 An example of the manufacturing process of the light-emitting element 1 is as follows. First, a semiconductor substrate such as GaAs or Si is formed on a semiconductor substrate such as a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. The semiconductor layer 2, the light emitting portion 3, and the buffer layer 4 are stacked by a film method.
ここで、発光部３については、半導体層２の上に、発光部３の厚み以上の厚みで発光部３の材料を成膜する。それから、発光部３を形成する領域をマスクする。そして、マスクの上から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を行うことにより、発光部３を形成する。
あるいは、半導体層２の上に、発光部３の材料を成膜し、発光部３となる部分以外の部分をパターニングすることで、発光部３を形成してもよい。
また、半導体層２の上に、発光部３の材料を成膜し、例えばレーザー光などを用いて局部的に励起させることで、一部領域を発光部３として機能させてもよい。
Here, for the light emitting unit 3, the material of the light emitting unit 3 is formed on the semiconductor layer 2 with a thickness equal to or greater than the thickness of the light emitting unit 3. Then, a region where the light emitting unit 3 is formed is masked. Then, the light emitting portion 3 is formed by performing dry etching such as reactive ion etching (RIE) or wet etching using a chemical solution from above the mask.
Alternatively, the light emitting unit 3 may be formed by depositing a material of the light emitting unit 3 on the semiconductor layer 2 and patterning a portion other than the portion that becomes the light emitting unit 3.
Alternatively, a part of the region may function as the light emitting unit 3 by forming a material of the light emitting unit 3 on the semiconductor layer 2 and exciting the material locally using, for example, laser light.
また、バッファ層４については、まず、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０の最上部（柱体２０，３０の射出面２０ａ，３０ａ）以上の厚みで成膜する。それから、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０を形成する領域をマスクする。そして、マスクの上から、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）法や、前記した各種エッチング法に基づいて段階的にエッチングを行うことにより、３段階の高さの柱群となるように柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０を形成する。また、バッファ層４の表面の予め定められた領域にのみ集束イオンビームを照射することで、マスクなしにエッチングを行うことができ、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０を形成することができる。 In addition, the buffer layer 4 is first formed with a thickness equal to or greater than the uppermost portion of the pillars 10, 20, 30, 40, 50, 60 (the emission surfaces 20a, 30a of the pillars 20, 30). Then, the region for forming the pillars 10, 20, 30, 40, 50, 60 is masked. Then, by performing stepwise etching based on the focused ion beam (FIB) method and the various etching methods described above from the top of the mask, the pillars are formed in a three-stage height column group. Form bodies 10, 20, 30, 40, 50, 60. Further, by irradiating only a predetermined region on the surface of the buffer layer 4 with the focused ion beam, etching can be performed without a mask, and the pillars 10, 20, 30, 40, 50, 60 are formed. be able to.
そして、バッファ層４上において柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０をマスクして、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金属層５が作製される。そして、リフトオフにより、柱体１０，２０，３０，４０，５０，６０上のマスクとこのマスク上の金属層を除去する。なお、その後、柱体の表面や金属層５の表面にＳｉＯ2等の絶縁性の保護膜を形成してもよい。 Then, after columnar bodies 10, 20, 30, 40, 50 and 60 are masked on the buffer layer 4 and a metal material is laminated by a vapor deposition method, a sputtering method or the like, the metal layer 5 is produced by a photolithography method or the like. The Then, the mask on the pillars 10, 20, 30, 40, 50, 60 and the metal layer on the mask are removed by lift-off. After that, an insulating protective film such as SiO 2 may be formed on the surface of the column body or the surface of the metal layer 5.
＜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。
このような微細構造を有する発光素子１を多数個並べた表示素子（ＦＰＤ：Flat Panel Display）は、レンズ板を用いることなく、従来技術においてレンズ板と発光面とを接合させた装置と同じ働きを有するようになる。このようにして作成したＩＰ立体ディスプレイにおいては、立体表示の解像度は、発光素子１の精細度にのみ依存し、光学系の解像度不足による映像ボケが生じない。また、発光素子１を用いたＩＰ表示における視域角は、素子表面と垂直な方向に対する放射光の成す角の最大値にのみ依存し、解像度と視域角とを独立に改善することが可能である。
<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.
A display element (FPD: Flat Panel Display) in which a large number of light-emitting elements 1 having such a fine structure are arranged has the same function as an apparatus in which a lens plate and a light-emitting surface are joined in the prior art without using a lens plate. Will have. In the IP stereoscopic display created in this way, the resolution of the stereoscopic display depends only on the definition of the light emitting element 1, and image blur due to insufficient resolution of the optical system does not occur. Further, the viewing zone angle in the IP display using the light emitting element 1 depends only on the maximum value of the angle formed by the emitted light with respect to the direction perpendicular to the element surface, and the resolution and the viewing zone angle can be improved independently. It is.
以上説明したように、本実施形態の発光素子１は、素子表面に複数の構造物（柱体）を形成することで光の干渉効果により光線を成形できる。
また、発光素子１は、素子表面に形成した柱体の高さの差を適切に設定することで、素子表面から垂直な方向以外の任意方向へ放射する光線を成形することが可能となる。
As described above, the light emitting device 1 of the present embodiment can form a light beam by the interference effect of light by forming a plurality of structures (columns) on the device surface.
In addition, the light emitting element 1 can form a light beam radiated in an arbitrary direction other than the direction perpendicular to the element surface by appropriately setting the difference in height between the pillars formed on the element surface.
さらに、発光素子１は、それぞれ高さの異なる柱体で構成された第１柱群７０と第２柱群８０と第３柱群９０（図２（ａ）参照）とを備えており、素子表面に設けられる柱体の高さを３段階で異ならせている。そのため、比較例の発光素子１０１（図４参照）のように素子表面に設けられる柱体の高さを２段階で異ならせる場合と比較して、発光素子１は、隣り合う柱群間での柱体の高さの差が大きくなり過ぎないようにすることができる。これにより、発光素子１は、それぞれの柱群を構成する柱体から放射された光を十分に干渉させることができ、法線方向に射出される余分な光（サイドビーム・迷光）の発生を抑制することができる。とくに光線が射出する方向を比較的大きくなるように制御したときにサイドビームの発生を比較的小さく抑えることができる。したがって、発光素子１は、発光部３で生じた発光エネルギーを光線に集中させることができ、発光エネルギーの利用効率を向上させることができる。 Furthermore, the light-emitting element 1 includes a first column group 70, a second column group 80, and a third column group 90 (see FIG. 2A) each formed of a column having different heights. The height of the pillars provided on the surface is varied in three stages. Therefore, as compared with the case where the height of the column body provided on the element surface is made different in two steps as in the light-emitting element 101 of the comparative example (see FIG. 4), the light-emitting element 1 is different between adjacent column groups. It is possible to prevent the height difference between the columns from becoming too large. Thereby, the light emitting element 1 can sufficiently interfere with the light emitted from the column bodies constituting the respective column groups, and can generate extra light (side beam / stray light) emitted in the normal direction. Can be suppressed. In particular, when the direction in which the light beam is emitted is controlled to be relatively large, the generation of the side beam can be suppressed to be relatively small. Therefore, the light emitting element 1 can concentrate the light emission energy generated in the light emitting unit 3 on the light beam, and can improve the utilization efficiency of the light emission energy.
加えて、発光素子１は、第１柱群７０と第２柱群８０と第３柱群９０（図２（ａ）参照）とが、素子表面の中心を通るＸＺ平面に投影したときに、互いに重ならないよう実空間で間隔を空けて配置されているので、隣接する柱体間での余分な干渉を抑制することができる。そのため、発光素子１によれば、余分な干渉光や散乱光の発生を抑制することができ、発光素子１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。そのため、発光素子１によれば、明瞭性の高い光線を成形することができる。 In addition, when the first column group 70, the second column group 80, and the third column group 90 (see FIG. 2A) are projected onto the XZ plane passing through the center of the element surface, the light-emitting element 1 is Since they are arranged at intervals in the real space so as not to overlap each other, it is possible to suppress excessive interference between adjacent column bodies. Therefore, according to the light emitting element 1, generation | occurrence | production of excess interference light and scattered light can be suppressed, and the light beam shape | molded by the light emitting element 1 can be prevented from spreading. Therefore, according to the light emitting element 1, a light beam with high clarity can be formed.
また、発光素子１は、前記したように柱群が配置されていることで、集束イオンビーム法などによる段階的なエッチングにより、素子表面に各柱群を容易に形成することができる。
例えば、図６（ｂ）に示した参考例の発光素子２０１では、高さの異なる柱体を素子表面の中心を通るＸＺ平面に投影したときに互いに重なるほど実空間で密接して配置されているので、集束イオンビーム法などにより、素子表面に高さの異なる柱体を一度に形成することができない。そのため、工程数が非常に多くなるとともに、形成される柱体に欠け等が生じないようにするために複雑な制御が必要であるため、発光素子２０１の作成が困難であった。
これに対し、図１や図６（ｃ）に示した本実施形態の発光素子１によれば、高さの異なる柱体を素子表面の中心を通るＸＺ平面に投影したときに、互いに重ならないよう実空間で間隔を空けて配置されているので、集束イオンビーム法などにより、素子表面に高さの異なる柱体を一度に形成することができる。そのため、本実施形態の発光素子１によれば、素子表面に柱体を容易に形成することができるので、発光素子１の作成が容易となる。
In addition, since the light emitting element 1 is provided with the column groups as described above, each column group can be easily formed on the element surface by stepwise etching using a focused ion beam method or the like.
For example, in the light emitting device 201 of the reference example shown in FIG. 6B, the pillars having different heights are closely arranged in the real space as they overlap each other when projected onto the XZ plane passing through the center of the device surface. Therefore, column bodies having different heights cannot be formed at the same time on the element surface by the focused ion beam method or the like. For this reason, the number of steps is extremely large, and complicated control is required to prevent the formed pillars from being chipped. Therefore, it is difficult to produce the light emitting element 201.
On the other hand, according to the light-emitting element 1 of the present embodiment shown in FIG. 1 and FIG. 6C, the column bodies having different heights do not overlap each other when projected onto the XZ plane passing through the center of the element surface. Thus, columns having different heights can be formed on the element surface at a time by the focused ion beam method or the like. Therefore, according to the light emitting element 1 of the present embodiment, the columnar body can be easily formed on the element surface, so that the light emitting element 1 can be easily created.
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
発光素子は、ＬＥＤ素子のような注入型のＥＬ素子に限定されず、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。
発光素子において、遮光膜を金属で形成したので、この金属膜（金属層５）に電極機能を兼用させてもよい。
発光素子は、柱体の断面形状が、図示した円に限らず、多角形等であってもよい。前記した実施形態では、柱体の本数を合計６本とし、第１柱群、第２柱群、第３柱群をそれぞれ２本の柱体で構成したが、これに限られない。例えば、柱体の本数を合計８本とし、第２柱群を４本の柱体で構成してもよい。柱体の本数を８本とした場合、８本の柱体を、真円Ｃ１の中心Ｏ１（図２（ａ）参照）の周囲に均等な角度（この場合、４５度）で配置すればよい。
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to this.
The light emitting element is not limited to an injection type EL element such as an LED element, and may be an intrinsic EL element such as an organic EL element or an inorganic EL element.
In the light emitting element, since the light shielding film is formed of a metal, the metal film (metal layer 5) may have an electrode function.
In the light-emitting element, the cross-sectional shape of the column is not limited to the illustrated circle, and may be a polygon or the like. In the above-described embodiment, the total number of pillars is six, and the first pillar group, the second pillar group, and the third pillar group are each constituted by two pillar bodies, but the present invention is not limited thereto. For example, the total number of pillars may be eight, and the second pillar group may be composed of four pillars. If the number of column bodies is 8, if the eight column bodies are arranged at an equal angle (45 degrees in this case) around the center O 1 (see FIG. 2A) of the perfect circle C1 Good.
前記した実施形態では、発光部３をバッファ層４の下側の一部領域に限定して設け、この発光部３が、バッファ層４と半導体層２とから注入される電子および正孔の再結合によって生成されるエネルギーを光として放射していたが、これに限られない。例えば、バッファ層４の下側の一部領域に限定していない発光層として設けてもよい。この場合、バッファ層４上に金属層５を設けると、バッファ層４の表面から放射される余分な光を効果的に抑制できるので好ましい。 In the above-described embodiment, the light emitting unit 3 is limited to a partial region below the buffer layer 4, and the light emitting unit 3 recycles electrons and holes injected from the buffer layer 4 and the semiconductor layer 2. The energy generated by the coupling is emitted as light, but is not limited thereto. For example, you may provide as a light emitting layer which is not limited to the one part area | region under the buffer layer 4. FIG. In this case, it is preferable to provide the metal layer 5 on the buffer layer 4 because it is possible to effectively suppress excess light emitted from the surface of the buffer layer 4.
また、例えば、バッファ層４の下側の全体に発光層を設けるとともに、外部光源から発光層の一部領域に励起光を照射することで、発光層の一部領域を選択的に励起させて発光させてもよい。このように光源として外部光源を用いることで、発光層を発光させるための電極を設けなくてもよいため、構成を簡素化することができ、発光素子の作製が容易となる。さらに、外部光源からの励起光の照射範囲を限定することで、発光層の一部を選択的に励起させて発光させることができるので、発光領域を適切な範囲に設計することで余分な干渉光の発生を抑制することができる。 In addition, for example, a light emitting layer is provided on the entire lower side of the buffer layer 4, and a part of the light emitting layer is selectively excited by irradiating a part of the light emitting layer with an excitation light from an external light source. You may make it light-emit. By using an external light source as the light source in this manner, it is not necessary to provide an electrode for causing the light emitting layer to emit light, so that the configuration can be simplified and the light emitting element can be easily manufactured. Furthermore, by limiting the irradiation range of the excitation light from the external light source, a part of the light emitting layer can be selectively excited to emit light, so extra interference can be obtained by designing the light emitting region to an appropriate range. Generation of light can be suppressed.
発光素子１は、光線の成形と方向制御を必要とするデバイス一般に応用することが可能である。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などに好適である。 The light-emitting element 1 can be applied to general devices that require light beam shaping and direction control. For example, it is suitable for a light source for a projector, a connector used for spatial light interconnection, an illumination light source that does not require a diffuser.
１ 発光素子
２ 半導体層
３ 発光部
４ バッファ層
５ 金属層（マスク）
１０，２０，３０，４０，５０，６０ 柱体
１０ａ，２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａ，６０ａ 射出面
７０ 第１柱群
８０ 第２柱群
９０ 第３柱群
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light emitting element 2 Semiconductor layer 3 Light emission part 4 Buffer layer 5 Metal layer (mask)
10, 20, 30, 40, 50, 60 Columns 10a, 20a, 30a, 40a, 50a, 60a Exit surface 70 First column group 80 Second column group 90 Third column group
Claims (5)
前記複数の構造物は、素子表面の中心の周囲に、各構造物の中心軸が同じ円周上に等間隔で位置するように環状に配置されるとともに、素子表面の中心を通る高さ方向の垂直平面を境界として対称となる位置に配置された構造物がそれぞれ同じ高さで形成されており、
前記円周上で隣り合う同じ高さの構造物の組を第１柱群とし、この第１柱群に隣り合い、前記円周上で対向する同じ高さの構造物の組を第２柱群とし、この第２柱群に隣り合い、円周上で隣り合う同じ高さの構造物の組を第３柱群とした場合に、前記第１柱群から前記第３柱群に向かって、前記構造物の高さが単調に増加または単調に減少しており、
前記垂直平面を境界として一方の側に配置された異なる柱群の構造物同士が、前記垂直平面に投影したときに互いに重ならないような間隔で配置されていることを特徴とする発光素子。 A light-emitting element that is formed to protrude from a flat surface and has a plurality of columnar structures that emit light from the exit surface of the stigma,
The plurality of structures are arranged in an annular shape around the center of the element surface so that the central axes of the structures are located at equal intervals on the same circumference, and the height direction passing through the center of the element surface The structures arranged at symmetrical positions with respect to the vertical plane are respectively formed at the same height,
A set of structures of the same height adjacent on the circumference is defined as a first column group, and a set of structures of the same height adjacent to the first column group and opposed on the circumference is defined as a second column. When the third pillar group is a group of structures having the same height and adjacent to the second pillar group and adjacent to each other on the circumference, the first pillar group is directed to the third pillar group. The height of the structure is monotonously increasing or monotonically decreasing,
A light emitting device, wherein structures of different pillar groups arranged on one side with the vertical plane as a boundary are arranged at intervals so as not to overlap each other when projected onto the vertical plane.
前記第１柱群の前記構造物に対して、前記第２柱群の前記構造物の高さがｈ／２だけ低く形成されるとともに、前記第１柱群の前記構造物に対して、前記第３柱群の前記構造物の高さがｈだけ低く形成されており、
前記間隔ｇが、少なくとも前記直径ｗの０．１５４７倍以上である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。
ただし、ｒ＝ｗ＋ｇ …式（１）
ｈ＝√３ｒｓｉｎθ／ｎ−ｃｏｓθ …式（１１）
ｎ：各構造物の屈折率、θ：素子表面に垂直な方向に対する放射光の射出方向とする。 The plurality of structures are six structures formed with a diameter w, and are annularly arranged on a circumference of a radius r so that a gap between the structures is g.
The height of the structure of the second column group is lower by h / 2 than the structure of the first column group, and the structure of the first column group is The height of the structure of the third column group is formed low by h,
The light emitting element according to any one of claims 1 to 3, wherein the interval g is at least 0.1547 times the diameter w.
However, r = w + g ... Formula (1)
h = √3 rsin θ / n−cos θ Formula (11)
n: Refractive index of each structure, θ: Radiation direction of emitted light with respect to a direction perpendicular to the element surface.
前記発光層の光取り出し側に積層され、表面に前記複数の構造物が形成されるバッファ層と、をさらに備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発光素子。 A light emitting layer;
The light emitting element according to claim 1, further comprising: a buffer layer that is stacked on a light extraction side of the light emitting layer and on which a plurality of structures are formed.
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