JP6055316B2 - Light emitting element - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子に係り、特に、立体映像表示装置に用いることができる発光素子に関する。 The present invention relates to a light emitting element, and more particularly to a light emitting element that can be used in a stereoscopic image display apparatus.
従来、像再生型立体表示の代表的な方式として、ホログラフィ、パララクスステレオグラム、レンチキュラシート、インテグラルフォトグラフィ(以下IPと称す)等が知られている。ホログラフィを除く、これらの方式の実用化に関しては、コヒーレント光を必要としない簡易な方式で早期に実現可能と考えられている。また、IPは水平方向に加え、垂直方向の視差情報も表現することができるため、自然な立体表示が可能な装置の早期実現に有望であると考えられている(例えば非特許文献1参照)。 Conventionally, holography, parallax stereogram, lenticular sheet, integral photography (hereinafter referred to as IP), and the like are known as typical methods of image reproduction type stereoscopic display. Regarding the practical application of these methods, excluding holography, it is thought that it can be realized at an early stage with a simple method that does not require coherent light. Moreover, since IP can express parallax information in the vertical direction in addition to the horizontal direction, it is considered promising for early realization of a device capable of natural stereoscopic display (see, for example, Non-Patent Document 1). .
IPの表示システムは、光線を再生する多数の微小なレンズ(要素レンズ)を配列したレンズアレイと、各レンズに対応した画像(要素画像)を多数並べて表示するディスプレイとによって構成される。観察者は、1つの要素レンズに対応する1つの要素画像から、観察者の位置に応じた部分的な情報を得、要素画像を要素レンズの数だけ並べた立体像を観察する。IPの表示システムにおいて、立体像の解像度は、要素レンズの解像度と、要素画像の解像度と、観視距離とで決まる。また、IPの表示システムの視域角については、要素レンズの性能が支配的な要因になる。このような事情から、実用的な立体像をIP方式で生成するには、発光素子と光学素子の高精細化・高機能化が不可欠である(例えば非特許文献2参照)。 The IP display system includes a lens array in which a large number of minute lenses (element lenses) that reproduce light rays are arranged, and a display that displays a large number of images (element images) corresponding to each lens. The observer obtains partial information corresponding to the position of the observer from one element image corresponding to one element lens, and observes a stereoscopic image in which element images are arranged by the number of element lenses. In the IP display system, the resolution of the stereoscopic image is determined by the resolution of the element lens, the resolution of the element image, and the viewing distance. Further, regarding the viewing zone angle of the IP display system, the performance of the element lens is a dominant factor. Under such circumstances, in order to generate a practical stereoscopic image by the IP method, it is indispensable to increase the definition and function of the light emitting element and the optical element (for example, see Non-Patent Document 2).
しかし、発光素子と光学素子の高精細化が進んでも、レンズを使用する光学系には、レンズの回折限界や焦点距離のように原理的に取り除くことができない性能限界も存在する。例えばディスプレイの画素サイズが、要素レンズの最小スポットサイズより小さくなると、映像ボケが発生するため、同時にスポットサイズも小さくする必要があるが、スポットサイズをAbbeの回折限界より小さくすることは原理的に不可能である。 However, even if the definition of the light emitting element and the optical element is increased, an optical system using a lens has performance limits that cannot be removed in principle, such as the diffraction limit and focal length of the lens. For example, if the pixel size of the display is smaller than the minimum spot size of the element lens, image blurring occurs, so it is necessary to reduce the spot size at the same time, but in principle it is necessary to make the spot size smaller than the Abbe diffraction limit. Impossible.
また、レンズを用いたシステムでの視域角は、要素レンズの焦点距離に反比例するが、視域角を大きくするために要素レンズの焦点距離を無限に小さくすることはできない。さらに、視域角は、要素レンズのピッチに比例もするため、要素レンズのピッチを大きくすれば視域角の拡大が可能であるが解像度が劣化するので、レンズを用いた光学系における解像度と視域角には、トレードオフの関係がある。 The viewing zone angle in a system using a lens is inversely proportional to the focal length of the element lens, but the focal length of the element lens cannot be made infinitely small in order to increase the viewing zone angle. Furthermore, since the viewing zone angle is proportional to the pitch of the element lens, if the pitch of the element lens is increased, the viewing zone angle can be enlarged, but the resolution deteriorates. There is a trade-off relationship between viewing zone angles.
IPの表示システムとは直接関係ないものの、発光素子の分野においては、自発光素子であるLED(Light Emitting Diode)は、近年、その発光特性が飛躍的に進歩したことから、各種用途で注目を集めている。LEDは、放射される光の直進性が良いため、照明器具等への応用においては拡散させる仕組みが必要となる。LEDの放射光を拡散させる技術がさらに進み、光の放射される方位の制御が可能となれば、ディスプレイ等への応用も可能となる。 Although not directly related to IP display systems, in the field of light-emitting elements, LEDs (Light Emitting Diodes), which are self-emitting elements, have attracted attention in various applications because their light-emitting characteristics have advanced dramatically in recent years. Collecting. Since LEDs have good linearity of emitted light, a mechanism for diffusing is required for application to lighting equipment and the like. If the technology for diffusing the emitted light of the LED further advances and the direction in which the light is emitted can be controlled, it can be applied to a display or the like.
LEDを用いたディスプレイではないが、関連技術として、例えば特許文献1には、液晶ディスプレイからなる画像表示手段の手前に、液晶デバイスを用いた空間光変調素子等のビーム偏向手段を設けることで、画素からの光を偏向させて、視点位置の異なる複数の2次元画像から立体像を表示する立体表示装置が記載されている。
また、LEDから取り出す光の方向を制御する技術として、LED光の出射角度を調整可能な発光装置が特許文献2に記載されている。
Although it is not a display using an LED, as a related technique, for example, in
Further, as a technique for controlling the direction of light extracted from an LED,
しかしながら、特許文献2に記載の発光装置は、LEDから取り出す光の方向を制御するために多種の部品が必要とされる。また、ディスプレイに応用して発光素子ごとの方位制御を行おうとする場合、多数の微細な発光素子を形成する必要がある。また、これら微細な発光素子の放射光を正面以外の方向へ出射することはきわめて困難である。
さらに、微細な構造を備えたLEDから取り出す光の方向を制御できる技術は知られていないのが現状である。
However, the light emitting device described in
Furthermore, there is no known technology that can control the direction of light extracted from an LED having a fine structure.
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、発光素子単体で光線の成形と方向制御とを可能とする簡易な素子構造を有した発光素子を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a light-emitting element having a simple element structure that enables light beam shaping and direction control with a single light-emitting element. To do.
前記課題を解決するために、本発明のうち請求項1に記載の発光素子は、発光層と、前記発光層の下側に設けられるn型半導体層と、前記発光層の上側に設けられるp型半導体層と、を合わせた発光素子層と、前記p型半導体層の表面に設けられる遮光性を有するp電極層と、前記発光素子層から前記p電極層まで貫通するように形成された穴状部内に設けられる低誘電率部と、前記低誘電率部の表面の所定領域を取り囲むように前記表面から突出して設けられ、先端の射出面から光を放射する複数の柱体と、を備え、前記低誘電率部は、前記発光素子層の材料よりも誘電率が低い材料で形成されており、前記複数の柱体は、前記低誘電率部と同じ材料で形成され、少なくとも1本の柱体の高さが、その他の柱体の高さと異なることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a light emitting device according to
かかる構成によれば、発光素子は、p電極層に正電圧が印加されることで、p電極層よりp型半導体層に正孔を注入する。発光素子は、これとともに、n型半導体層に接続された電極に負電圧が印加されることで、当該電極よりn型半導体層に電子が注入される。発光素子は、p型半導体層に注入された正孔がp型半導体層内を拡散しながらp型半導体層とn型半導体層との接合部である発光層へと移動し、一方、n型半導体層に注入された電子がn型半導体層内を接合部である発光層へと移動する。そして、発光素子は、発光層において正孔と電子とが再結合することにより発光する。 According to this configuration, the light emitting element injects holes from the p electrode layer into the p-type semiconductor layer by applying a positive voltage to the p electrode layer. Along with this, when a negative voltage is applied to the electrode connected to the n-type semiconductor layer, electrons are injected from the electrode into the n-type semiconductor layer. In the light-emitting element, holes injected into the p-type semiconductor layer move to the light-emitting layer, which is a junction between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, while diffusing in the p-type semiconductor layer. The electrons injected into the semiconductor layer move in the n-type semiconductor layer to the light emitting layer which is a junction. The light emitting element emits light by recombination of holes and electrons in the light emitting layer.
そして、発光素子は、発光層で発光した光の一部が低誘電率部に入射し、入射した光が低誘電率部内を伝搬し、その一部が複数の柱体に入射して、柱体を光導波路として伝搬し、先端(柱頭)の射出面からそれぞれ空気中に出射される。ここで、仮に、発光層と複数の柱体の柱頭の射出面との間に、p型半導体層よりも誘電率が小さい材料で形成された低誘電率部がない場合、発光層で発光し、p型半導体層内を伝搬されて複数の柱体に入射した光のうち、柱頭の射出面への入射角が臨界角よりも小さい光だけが、素子外部に取り出される。一方、本発明の発光素子は、発光層と複数の柱体の射出面との間に、p型半導体層よりも誘電率が小さい材料で形成された低誘電率部を備えるので、発光層で発光した光のうち、p型半導体層と低誘電率部との界面への入射角が臨界角よりも小さい光だけが、低誘電率部に入射し、低誘電率部から複数の柱体に入射した光のうち、射出面への入射角が臨界角よりも小さい光だけが、素子外部に取り出される。 In the light emitting element, a part of the light emitted from the light emitting layer is incident on the low dielectric constant part, the incident light is propagated in the low dielectric constant part, and a part of the light is incident on a plurality of pillars. The body propagates as an optical waveguide and is emitted into the air from the exit surface of the tip (pillar). Here, if there is no low dielectric constant portion formed of a material having a lower dielectric constant than the p-type semiconductor layer between the light emitting layer and the emission surface of the pillars of the plurality of pillars, the light emitting layer emits light. Of the light propagating through the p-type semiconductor layer and incident on the plurality of pillars, only the light whose incident angle to the exit surface of the pillar head is smaller than the critical angle is extracted outside the device. On the other hand, the light-emitting element of the present invention includes a low dielectric constant portion formed of a material having a smaller dielectric constant than the p-type semiconductor layer between the light-emitting layer and the emission surfaces of the plurality of pillars. Of the emitted light, only light whose incident angle to the interface between the p-type semiconductor layer and the low dielectric constant is smaller than the critical angle is incident on the low dielectric constant and enters the plurality of pillars from the low dielectric constant. Of the incident light, only light whose incident angle to the exit surface is smaller than the critical angle is extracted outside the device.
仮に、発光層と複数の柱体との間に、p型半導体層よりも誘電率が小さい材料で形成された低誘電率部がない場合、発光層から水平方向に放射された光のように、発光層から放射され、直接柱体に到達しない光は、当然、素子外部に取り出すことはできない。 If there is no low dielectric constant portion made of a material having a smaller dielectric constant than the p-type semiconductor layer between the light emitting layer and the plurality of pillars, like light emitted from the light emitting layer in the horizontal direction. Naturally, the light emitted from the light emitting layer and not directly reaching the column cannot be extracted outside the device.
これに対し、本発明の発光素子は、発光層と複数の柱体との間に、p型半導体層よりも誘電率が小さい材料で形成された低誘電率部を備えるので、発光層から放射され、直接柱体に到達しない光であっても、低誘電率部に入射させることができる。そして、この放射光を、低誘電率部内を伝搬して複数の柱体に入射させ、柱頭の射出面から素子外部に取り出すことが可能となる。 On the other hand, the light-emitting element of the present invention includes a low dielectric constant portion formed of a material having a smaller dielectric constant than the p-type semiconductor layer between the light-emitting layer and the plurality of pillars. Even light that does not directly reach the column can be incident on the low dielectric constant portion. Then, this radiated light can propagate through the low dielectric constant portion and enter the plurality of column bodies, and can be extracted from the emission surface of the column head to the outside of the element.
つまり、本発明の発光素子によれば、発光層から低誘電率部の界面に入射した光の入射角が臨界角よりも小さければ、低誘電率部内に入射する。そして、入射した光が低誘電率部内で屈折されて伝搬され、一部の光が、複数の柱体の射出面に入射する。このときの光の入射角が臨界角よりも小さければ、この光が、射出面から素子外部に出射される。このように、本発明の発光素子は、発光層と複数の柱体の柱頭の射出面との間に低誘電率部を設けることで、発光層からの放射角(仰角)が小さく、直接、複数の柱体の柱頭の射出面に到達しない光についても、素子外部に取り出すことが可能となる。 That is, according to the light emitting device of the present invention, if the incident angle of the light incident from the light emitting layer to the interface of the low dielectric constant portion is smaller than the critical angle, the light enters the low dielectric constant portion. The incident light is refracted and propagated in the low dielectric constant portion, and a part of the light is incident on the exit surfaces of the plurality of column bodies. If the incident angle of light at this time is smaller than the critical angle, this light is emitted from the emission surface to the outside of the element. As described above, the light emitting element of the present invention has a low dielectric constant portion between the light emitting layer and the emission surfaces of the pillars of the plurality of pillars, so that the emission angle (elevation angle) from the light emitting layer is small and directly. Light that does not reach the exit surface of the pillars of the plurality of pillars can be extracted outside the element.
このようにして、それぞれの柱体から素子外部に出射された光が空気中で干渉することによって、光線を形成する。ここで、発光素子は、複数の柱体のうち、少なくとも一つの柱体の高さを他の柱体の高さと異ならせているので、複数の柱体間での柱の高さの差に応じて、発光の方向を変えることができる。 In this way, light emitted from each column body to the outside of the element interferes in the air to form a light beam. Here, since the light emitting element has a height of at least one of the plurality of columns different from the height of the other columns, the difference in the column height between the plurality of columns. The direction of light emission can be changed accordingly.
仮に各柱体が全て同じ高さである場合には、光線は、素子表面における各柱体の位置をすべて繋いだ軌跡の平面図形の重心位置から、素子表面と垂直な方向に向かう線上に形成されることになる。一方、かかる本発明の発光素子は、複数の柱体のうち、少なくとも一つの柱体の高さを他の柱体の高さと異ならせているので、光の出射方向を素子表面と垂直な方向から傾斜させることができる。 If all the columns are the same height, the light beam is formed on a line that goes from the barycentric position of the plane figure of the locus connecting all the positions of the columns on the element surface to the direction perpendicular to the element surface. Will be. On the other hand, in the light-emitting element according to the present invention, the height of at least one of the plurality of pillars is different from the height of the other pillars, and thus the light emission direction is a direction perpendicular to the element surface. Can be tilted from.
また、発光素子は、平坦な表面に配置された複数の柱体間において各射出面から出射した光が干渉する。そのため、複数の柱体を適切に配置することで、相互の光の干渉効果によって、発光素子で成形される光線が広がらないようにすることができる。 In the light emitting element, light emitted from each exit surface interferes between a plurality of columns arranged on a flat surface. Therefore, by appropriately arranging the plurality of pillars, the light beam formed by the light emitting element can be prevented from spreading due to the mutual light interference effect.
さらに、発光素子は、p電極層が、素子表面において、低誘電率部以外の部分に設けられるので、発光層から放射された光の一部が、p電極層に入射したとしても、遮光性を有するp電極層によって遮蔽されることにより、空気中に出射されないようにすることができる。そのため、発光素子は、光線を成形する際に、低誘電率部の表面に設けられる複数の柱体の射出面からそれぞれ出射した光が、柱体以外の素子表面から出射される妨害光と余分な干渉を引き起こすことを抑制することができる。 Furthermore, since the p-electrode layer is provided on a portion other than the low dielectric constant portion on the surface of the light-emitting element, even if a part of the light emitted from the light-emitting layer is incident on the p-electrode layer, the light-shielding property By being shielded by the p-electrode layer having, it can be prevented from being emitted into the air. Therefore, in the light emitting element, when the light beam is formed, the light emitted from the emission surfaces of the plurality of column bodies provided on the surface of the low dielectric constant portion is not excessively disturbed by the interference light emitted from the element surface other than the column body. Can be suppressed.
また、さらに、発光素子は、柱体が、低誘電率部と同じ材料で形成されているので、言い換えれば、柱体が、p型半導体層の材料の誘電率よりも小さい材料で形成されているので、柱体の射出面の透過率をp型半導体層の表面よりも高くすることができる。これにより、背景雑音を低下させることができる。 Furthermore, since the column body is formed of the same material as the low dielectric constant portion, in other words, the column body is formed of a material smaller than the dielectric constant of the material of the p-type semiconductor layer. Therefore, the transmittance of the exit surface of the column can be made higher than the surface of the p-type semiconductor layer. Thereby, background noise can be reduced.
また、本発明の請求項2に記載の発光素子は、請求項1に記載の発光素子において、前記低誘電率部の底面は、前記p型半導体層の下面よりも20nm以上下方に位置することとした。
かかる構成によれば、発光素子は、低誘電率部が、p型半導体層の下方に位置する発光層のさらに下側まで形成されているため、発光層から水平方向や下方向に放射された光を、低誘電率部に入射させることが可能となる。
The light emitting device according to
According to such a configuration, since the low dielectric constant portion of the light emitting element is formed further below the light emitting layer located below the p-type semiconductor layer, the light emitting element is radiated from the light emitting layer horizontally or downward. Light can be incident on the low dielectric constant portion.
また、本発明の請求項3に記載の発光素子は、請求項1または請求項2に記載の発光素子において、前記低誘電率部は、前記発光素子層を形成する材料の誘電率の1/2以下の誘電率を有する材料で形成されていることとした。
かかる構成によれば、発光素子は、低誘電率部の屈折率が、発光素子層の屈折率よりも小さくなるので、低誘電率部の透過率を、発光素子層の透過率よりも高くすることができる。これにより、背景雑音を低下させることができる。
The light emitting device according to
According to this configuration, in the light emitting element, the refractive index of the low dielectric constant portion is smaller than the refractive index of the light emitting element layer, so that the transmittance of the low dielectric constant portion is higher than the transmittance of the light emitting element layer. be able to. Thereby, background noise can be reduced.
また、本発明の請求項4に記載の発光素子は、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において、少なくとも前記p型半導体層および前記発光層の周囲に反射膜を設けることとした。
かかる構成によれば、発光素子は、p型半導体層および発光層の周囲に反射膜を設けているので、素子外部から放射され、素子内部に入射しようとする光を反射することができる。そのため、例えば、発光素子の発光層から素子外部に放出された放射光が、隣り合う発光素子の素子内部に入射するのを抑制することができる。そのため、発光素子に余分な放射光が入射することによる影響を低減することができる。また、発光素子は、発光層から、素子外側方向に放射された光を反射膜で反射することで、素子内側方向へと向かわせて低誘電率部に入射させることが可能となる。このように、発光素子は、反射膜を設けることで、発光層から、低誘電率部以外の方向に放射された光についても、低誘電率部に入射させることが可能となる。そして、この光を、低誘電率部内を伝搬して柱体に入射させることで、射出面から素子外部に取り出すことが可能となる。
A light emitting device according to
According to such a configuration, since the light emitting element is provided with the reflective film around the p-type semiconductor layer and the light emitting layer, the light emitted from the outside of the element and reflected to enter the inside of the element can be reflected. Therefore, for example, radiation light emitted from the light emitting layer of the light emitting element to the outside of the element can be prevented from entering the inside of the element of the adjacent light emitting element. Therefore, it is possible to reduce the influence caused by the extraneous radiation incident on the light emitting element. In addition, the light emitting element can be incident on the low dielectric constant portion in the direction toward the inner side of the element by reflecting the light emitted from the light emitting layer toward the outer side of the element by the reflection film. As described above, by providing the reflective film in the light emitting element, light emitted from the light emitting layer in a direction other than the low dielectric constant portion can be incident on the low dielectric constant portion. Then, this light can be extracted from the exit surface to the outside of the element by propagating through the low dielectric constant portion and entering the column.
また、本発明の請求項5に記載の発光素子は、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発光素子において、前記複数の柱体は、前記低誘電率部上に所定領域を取り囲むように6本配置され、そのうちの3本の前記柱体の高さが、その他の3本の前記柱体の高さと異なり、前記3本の柱体の高さが互いに等しく、かつ、前記その他の3本の柱体の高さが互いに等しいこととした。
The light-emitting element according to
かかる構成によれば、6本の柱体の射出面から放射された光が干渉することで光線を形成することができ、6本の柱体のうちの3本の高さを相違させることで、当該3本の柱体の射出面から放射された光と、その他の3本の柱体の射出面から放射された光との間に位相差を設けることができ、当該位相差に応じた方向に光線を放射することができる。 According to such a configuration, a light beam can be formed by interference of light emitted from the exit surfaces of the six column bodies, and by making three of the six column bodies different in height. A phase difference can be provided between the light emitted from the exit surfaces of the three pillars and the light emitted from the exit surfaces of the other three pillars, according to the phase difference Can emit light in the direction.
また、本発明の請求項6に記載の発光素子は、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の発光素子において、前記柱体の直径は、放射光の自由空間における波長以上であることとした。
The light-emitting element according to
かかる構成によれば、発光素子は、各柱体の直径が、放射光の自由空間における波長以上なので、発光層からの光が通るのに充分な太さを有する。 According to such a configuration, the diameter of each column is equal to or greater than the wavelength in the free space of the emitted light, and thus the light emitting element has a thickness sufficient for light from the light emitting layer to pass.
また、本発明の請求項7に記載の発光素子は、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発光素子において、前記複数の柱体間の距離が、放射光の可干渉長以下であることとした。
The light-emitting element according to
かかる構成によれば、各柱体同士の距離が放射光の可干渉長以下なので、各柱体中を伝搬して柱頭の射出面から出射されたそれぞれの光が互いに干渉し、合成された光の進行方向は曲げられることになる。 According to such a configuration, since the distance between the column bodies is equal to or less than the coherence length of the radiated light, the lights propagating through the column bodies and emitted from the exit surface of the stigma interfere with each other and are combined light. The direction of travel is bent.
請求項1に記載の発明によれば、発光素子は、素子単体で光線の成形と方向制御を可能とすることができる。また、発光素子は、素子外部に取り出し可能な光量を増大することができるとともに、背景雑音の影響を低下させることができるので、強度の高い光線を成形することができる。
さらに、発光素子は、発光の方向を柱体の高さの差で制御し、光線の成形を複数の柱体の配置で制御したものなので、光線が出射する方向を比較的大きくなるように制御したときに当該光線に生じやすいサイドローブを比較的小さく抑えることができる。つまり、発光素子は、妨害光を遮蔽できるのでS/N比の高い光線成形を行うことができる。
請求項2に記載の発明によれば、発光素子は、素子外部に取り出し可能な光量をより増大することができるので、より強度の高い光線を成形することができる。
請求項3に記載の発明によれば、発光素子は、素子外部に取り出し可能な光量をより増大することができるので、より強度の高い光線を成形することができる。
請求項4に記載の発明によれば、発光素子は、素子外部に取り出し可能な光量をより増大することができ、また、余分な光が素子内部に入射するのを抑制することができるので、より強度の高い光線を成形することができる。
請求項5に記載の発明によれば、6本の柱体を形成することで、それ以下の本数の場合と比較して、光線として形成される光以外の余分な光(妨害光)の発生を抑制することができ、6本の柱体のうちの3本の高さを異ならせることで、光線の放射方向を制御することができる。
請求項6に記載の発明によれば、発光素子は、光線の方向制御をより効果的に行うことができる。
請求項7に記載の発明によれば、発光素子は、光線の方向制御をより効果的に行うことができる。
According to the first aspect of the present invention, the light-emitting element can enable light beam shaping and direction control with a single element. In addition, the light emitting element can increase the amount of light that can be extracted to the outside of the element and can reduce the influence of background noise, so that a light beam with high intensity can be formed.
Furthermore, the light-emitting element controls the direction of light emission by the difference in the height of the pillars, and controls the shaping of the light beam by arranging multiple pillars, so that the direction in which the light beam is emitted is controlled to be relatively large. Therefore, the side lobes that are likely to occur in the light beam can be kept relatively small. That is, since the light emitting element can block the interference light, light shaping with a high S / N ratio can be performed.
According to the second aspect of the present invention, the light emitting element can further increase the amount of light that can be extracted to the outside of the element, so that a light beam with higher intensity can be formed.
According to the third aspect of the present invention, the light emitting element can further increase the amount of light that can be extracted outside the element, and therefore can form a light beam with higher intensity.
According to the invention described in
According to the invention described in
According to invention of
According to the seventh aspect of the invention, the light emitting element can more effectively control the direction of the light beam.
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、各図面が示す部材等の高さ、幅、大きさや間隔等の位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに、以下の説明において、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the light-emitting element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the positional relationship such as the height, width, size, and spacing of the members and the like shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Furthermore, in the following description, the same names and symbols indicate the same or the same members in principle, and the detailed description will be omitted as appropriate.
<発光素子の構造>
まず、発光素子の構造について、図1,2を参照して説明する。
図1に示す発光素子1は、例えばLEDのように、平坦な表面から光を放射するものである。
また、発光素子1は、指向性の高い光を発光する素子であって、特定の方向に光線を出射する光線指向型の発光素子である。
<Structure of light emitting element>
First, the structure of the light emitting element will be described with reference to FIGS.
A light-emitting
The light-emitting
図1に示すように、発光素子1は、ここでは、p型半導体層2と、発光層3と、n型半導体層4と、p電極層5と、低誘電率部6と、n電極層7と、素子表面から突出して設けられた柱体8(81,82,83,84,85,86)と、を備えている。なお、以下では、p型半導体層2と、発光層3と、n型半導体層4とを合わせたものを「発光素子層10」と呼称する。この発光素子1が列方向および行方向に多数並列して設けることで、IP立体ディスプレイが構成される。図1では、IP立体ディスプレイの一部としての発光素子1を示している。
As shown in FIG. 1, here, the light-emitting
ここで、発光素子1を備えるIP立体ディスプレイ100の全体構成を図12に示す。図12に示すように、IP立体ディスプレイ100は、基板70上に、列ごとにn電極層7と発光素子層10とが形成されており、隣り合う発光素子1,1の発光素子層10,10の間には、間隙Sが形成されている。また、それぞれの発光素子1の発光素子層10の表面には、画素位置ごとに複数の柱体が形成されている。ここでは、基板70上に合計9個の発光素子1を画素として配置したので、ストライプ状の1つの発光素子層10上に画素位置ごとに合計3組の複数の柱体が形成されている。また、3本のストライプ状のそれぞれの発光素子層10のp型半導体層2の表面に、行ごとに発光素子層10およびn電極層7と直交するようにストライプ状にp電極層5が形成されている。つまり、図12に示すIP立体ディスプレイ100は、列ごとに1つのn電極層7を共通して用い、行ごとに1つのp電極層5を共通して用いている。
Here, the entire configuration of the IP stereoscopic display 100 including the
<p型半導体層>
再び、図1,2を参照して発光素子1の各構成について説明する。
図1および図2(b)に示すように、p型半導体層2は、発光層3の上側(光取り出し側)に設けられており、発光層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。
p型半導体層2は、表面に、後記するp電極層5が積層されている。
p型半導体層2の厚さt1は、放射光の半導体中における波長λ1以上とする。このp型半導体層2の厚さt1は、後記するp電極層5の下面から発光層3の上面までの距離d1と等しい。
<P-type semiconductor layer>
Again, each structure of the
As shown in FIGS. 1 and 2B, the p-
The p-
The thickness t 1 of the p-
<発光層>
発光素子1が青色発光素子である場合、発光層3は、例えば、InGaNの量子井戸層として形成される。
<Light emitting layer>
When the
<n型半導体層>
図1および図2(b)に示すように、n型半導体層4は、発光層3の下側に設けられており、発光層3から遠い方から順に、例えば、n型GaN層と、n型GaN/InGaN障壁層とが積層された構造とすることができる。
<N-type semiconductor layer>
As shown in FIGS. 1 and 2B, the n-
<p電極層>
図1および図2に示すように、p電極層5は、p型半導体層2の表面に積層された薄膜状の金属電極であり、図示しない電源から正電圧が印加されると、p型半導体層2に正孔を注入するものである。p電極層5は、略中央部に開口部51を有し、この開口部51内を、後記する低誘電率部6が貫通している。
<P electrode layer>
As shown in FIGS. 1 and 2, the p-
p電極層5は、図2(b)に示すように、p型半導体層2の表面に積層された状態で、表面が、柱体8の根元部分および低誘電率部6の表面と面一となっている。
また、p電極層5は、図12に示すように、間隙Sにより互いに分離された複数の発光素子1の発光素子層10に亘って設けられている。なお、図1では、便宜上、p電極層5を、発光素子1の端面と面一となる位置で切断して示している。
このp電極層5の下面から発光層3の上面までの距離d1は、放射光の半導体中における波長λ1以上とする。言い換えれば、p電極層5と発光層3との間に介在するp型半導体層2の厚さt1を、放射光の半導体中における波長λ1以上とする。
As shown in FIG. 2B, the
Further, as shown in FIG. 12, the
A distance d 1 from the lower surface of the p-
p電極層5は、p型半導体層2の仕事関数よりも小さな仕事関数を持つ材料で形成することができる。例えば、p型半導体層2がGaNであれば、電子親和力が2.9eV、エネルギーギャップが3.4eVであるので、仕事関数ψは6.3eVとなる。そのため、これより小さな仕事関数ψを持つAu(ψ=4.8eV)、Cu(ψ=4.18eV)やNi(ψ=4.0eV)等の金属、あるいは、TaNやHfN(ともにψ=4.8eV)等の化合物を用いるとよい。
The
p電極層5は、柱体8以外から出射される光をマスクするための遮光膜としても機能する。
つまり、p電極層5は、遮光性を有する金属材料で形成されているため、発光層3で発光し、p型半導体層2中を伝搬した光がp電極層5に到達すると、p電極層5によって遮蔽される。これにより、素子表面において、p電極層5を積層した領域から光が出射されないようにすることができる。p電極層5の厚さt2は、p電極層5を形成する材料に応じて適宜設定することができる。
なお、p電極層5は、図示しないが、表面の一部にいわゆるパッド電極が形成されており、このパッド電極を介して電源(いずれも図示せず)の陽極に接続されている。
The
That is, since the p-
Although not shown, the
<低誘電率部>
図1に示すように、低誘電率部6は、p電極層5を貫通し、発光素子層10に所定深さまで凹設された穴状部61に設けられる、発光素子層10の材料よりも誘電率が低い材料で形成された柱状の層である。低誘電率部6は、ここでは、円柱状に形成されており、底面が平坦となっている。低誘電率部6の底面は、p型半導体層2の底面よりも下側に20nm以上離れて位置している。図2(b)に示すように、ここでは、所定深さ(p型半導体層2の表面からの深さd2)とは、p型半導体層2の厚さt1よりも20nm以上大きい深さである。したがって、低誘電率部6の深さ(p電極層5の表面からの深さd3)は、p電極層5の厚さt2とp型半導体層2の厚さt1とを合わせた大きさよりも20nm以上大きい。これによれば、低誘電率部6は、底面が、発光層3よりもさらに下側に位置することとなるので、発光層3から水平方向や下方向に放射される光についても、その一部を、低誘電率部6内に入射させることが可能となる。
低誘電率部6の直径φ1は、柱体8(ここでは、6本)を内包できる大きさであればよく、適宜設定することができる。また、低誘電率部6は、表面が、p電極層5の表面と同じ高さとなっている。
<Low dielectric constant part>
As shown in FIG. 1, the low dielectric
The diameter φ 1 of the low dielectric
低誘電率部6を形成する材料は、発光素子層10を形成する材料よりも誘電率の小さい誘電体材料であれば、特に限定されない。例えば、発光素子層10において、p型半導体層2を発光層3側から順に、p型GaN/InGaN障壁層と、p型GaN層と、が積層された構造とし、発光層3を、InGanの量子井戸層とし、n型半導体層4を、発光層3から遠い方から順に、n型GaN層と、n型GaN/InGaN障壁層とが積層された構造とした場合、低誘電率部6は、このような発光素子層10の材料よりも誘電率が小さいSiO2等で形成することができる。低誘電率部6をSiO2で形成することで、以下のような効果が期待できる。すなわち、SiO2は、加工性に富むことから、結晶成長条件の制御等を行わなくてもよく、また、発光素子層10を構成する発光材料への物理的・化学的なダメージを抑制することができる。また、SiO2は、透明な誘電体材料であるので、内部吸収を小さくすることができるので、背景雑音を低下させることができる。
The material for forming the low dielectric
なお、低誘電率部6は、発光素子層10を形成する材料の半分以下の誘電率を有する誘電体材料で形成するとより望ましい。これにより、低誘電率部6の透過率を高くすることができるので、光の内部吸収をより少なくすることができ、素子外部に取り出すことのできる光量をより増大することが可能となる。
The low dielectric
また、発光素子1は、図1,図2(b)および図12に示すように、n型半導体層4の下側にn電極層7が設けられていてもよい。
n電極層7は、n型半導体層4の下側に設けられた金属電極であり、図示しない電源から負電圧が印加されると、n型半導体層4に電子を注入するものである。n電極層7は、ここでは図示しないが、表面の一部にいわゆるパッド電極が形成され、このパッド電極を介して電源(いずれも図示せず)の陰極に接続されている。n電極層7は、図12に示すように、複数の発光素子1に亘って設けられている。n電極層7は、n型半導体層4との接触抵抗が、p電極層5とp型半導体層2との接触抵抗よりも小さい材料で形成することができる。例えば、p電極層5をNi/Auで形成した場合、GaN−p層との接触抵抗が約13×10−3Ωcm−2であるので、n電極層7は、これよりも接触抵抗が小さい、例えば、pd/Auで形成することができる。pd/Auは、GaN−p層との接触抵抗が約8×10−3Ωcm−2であるので、条件を満たしている。
In the
The n-
また、発光素子1は、n型半導体層4の下側に図示しない基板を備えた構成であっても構わない。基板は、例えば、サファイア、GaAs、SiやSiC等で形成することができる。
In addition, the
<柱体>
図1に示すように、柱体8は、ここでは、素子表面から突出して設けられた、第1の柱体81と、第2の柱体82と、第3の柱体83と、第4の柱体84と、第5の柱体85と、第6の柱体86とを含む。なお、ここでの素子表面とは、具体的に低誘電率部6の表面を意味している。柱体8は、低誘電率部6の表面から突出して設けられており、ここでは、低誘電率部6と同一の材料で一体的に形成されている。
<Columnar>
As shown in FIG. 1, the
したがって、柱体8は、発光素子層10よりも誘電率の小さい誘電体材料で形成されている。柱体8は、前記した低誘電率部6と同様に、例えば、SiO2等で形成することができる。SiO2は、透明な誘電体材料であるので、柱体8をSiO2で形成することで、光の内部吸収を小さくすることができるので、背景雑音を低下させることができる。そのため、射出面から出射される光量の増大が期待できる。なお、柱体8は、低誘電率部6と同様に、発光素子層10を形成する材料の半分以下の誘電率を有する誘電体材料で形成するとより望ましい。これにより、柱体8の透過率を高くすることができるので、内部吸収をより少なくすることができ、素子外部に取り出すことのできる光量をより増大することが可能となる。ここで、素子表面に所定領域を取り囲むように環状に配置された6つの柱体81,82,83,84,85,86を図2(a)に示す。
Therefore, the
図2(a)に示すように、柱体81の柱頭は射出面81aであり、柱体82の柱頭は射出面82aであり、柱体83の柱頭は射出面83aであり、柱体84の柱頭は射出面84aであり、柱体85の柱頭は射出面85aであり、柱体86の柱頭は射出面86aである。
As shown in FIG. 2A, the column head of the
<柱体の平面形状>
図2(a)では、柱体81,82,83,84,85,86の形状を円形で示した。つまり、各射出面81a,82a,83a,84a,85a,86aが素子表面に投影されたときの平面図形の形状は円形であるものとした。また、各射出面81a,82a,83a,84a,85a,86aは、素子表面に対し略平行である。
<Planar shape of the column>
In FIG. 2A, the shapes of the
<柱体の直径>
図2(a)に示すように、各射出面81a,82a,83a,84a,85a,86aを素子表面に投影した平面図形の直径φ2はそれぞれ等しいものとした。直径φ2は、発光素子1の発光層3からの光が通るのに充分な太さを有する。ここで、充分な太さとは、発光素子1から出射される光の発光波長(以下、λ0と表記する)程度以上である。波長λ0は、放射光の自由空間における発光波長を示す。例えば、直径φ2をλ0とする。
<Cylinder diameter>
As shown in FIG. 2 (a), and the
<柱体の配置角度>
図2(a)に示すように、柱体81,82,83,84,85,86は、素子表面の原点M(詳しくは後記する)の周囲に環状に等間隔で配置されている。ここでは、柱体81,82,83,84,85,86の配置角度θ1を60度としている。これにより、柱体81,82,83,84,85,86の射出面81a,82a,83a,84a,85a,86aから光が放射された際に、光線として形成される光以外の余分な光(妨害光)が特定箇所に固まって妨害することがないため、形成される光線の品質を向上させることができる。詳しくは後記する。
<Arrangement angle of the column>
As shown in FIG. 2A, the
<柱体の中心間の間隔>
柱体81,82,83,84,85,86において、環状に隣り合う柱体の中心間の間隔は、隣り合った柱体の射出面から出射された光が干渉できる程度の長さに予め設定されている。また、ここでは、各柱体の直径φ2をλ0としており、光軸を挟んで正対する柱体、ここでは、柱体82,85間の間隔p1を1.2λ0とした。なお、各柱体の直径φ2をλ0としているので、環状に隣り合う柱体、例えば、柱体81,86間の間隔p2は略0となる。
<Spacing between column centers>
In the
<複数の柱体の配置の原点>
図2(a)に示す例では、所定の原点Mとは、素子表面において6つの柱体81,82,83,84,85,86により環状に取り囲まれた所定領域に位置する点である。また、この原点Mは、柱体81の中心O1と、柱体82の中心O2と、柱体83の中心O3と、柱体84の中心O4と、柱体85の中心O5と、柱体86の中心O6とから等距離にある点であり、中心O1,O2,O3,O4,O5,O6を頂点とする正六角形の重心(原点Mと表記する)のことである。ここで、6つの柱体81,82,83,84,85,86は、円環状かつ均等に配置されることが好ましい。なお、各柱体により取り囲まれた所定領域の形状やサイズは、柱体の直径φ2とバランスを取りながら所望のものとして適宜設計できる。
例えば、柱体の直径φ2が波長λ0の数波長程度分であれば、所定領域のサイズは、1〜数波長程度とすることができる。
<Origin of arrangement of multiple pillars>
In the example shown in FIG. 2A, the predetermined origin M is a point located in a predetermined area that is annularly surrounded by six
For example, if the number wavelengths about worth of diameter phi 2 is the wavelength lambda 0 of the cylindrical body, the size of the predetermined region can be about one to several wavelengths.
<柱体の高さ>
柱体81,82,83,84,85,86は、少なくとも1つの柱体の高さが他の柱体の高さと異なっている。
図1および図2(a)に示す例では、柱体81,82,83,84,85,86のうち、3つの柱体84,85,86は、他の3つの柱体81,82,83に対し、高さが低いものとする。なお、3つの柱体81,82,83は、互いに同じ高さであり、他の3つの柱体84,85,86は、互いに同じ高さである。
ここで、発光素子1の柱体8の高さを説明するための概念図を図2(b)に示す。高い柱体81,82,83は互いに高さが等しく、低い柱体84,85,86は互いに高さが等しいので、図2(b)では、光軸を挟んで正対する高さの異なる柱体を1本ずつ(柱体82と柱体85)図示し、他の柱体については図示を省略している。
<Height of column>
The
In the example shown in FIG. 1 and FIG. 2A, among the
Here, the conceptual diagram for demonstrating the height of the
図2(b)に示すように、柱体82(81,83)の低誘電率部6の表面からの高さを、それぞれ基準となる高さHとする。そして、柱体82(81,83)の低誘電率部6の表面からの高さと、柱体85(84,86)の低誘電率部6の表面からの高さとの差をd4とすると、柱体85(84,86)の低誘電率部6の表面からの高さは、「H−d4」となる(図2(b)参照)。
As shown in FIG. 2B, the height from the surface of the low dielectric
本実施形態の発光素子1では、後記する実験結果に基づいて、柱体82(81,83)と柱体85(84,86)との高さの差d4は、放射光の誘電体中における波長の長さ以下であることとした。ここで、放射光の誘電体中における波長とは、自由空間においてある波長の光を、誘電体中(柱体の内部)を光導波路として伝搬したときの波長である。
一般に、誘電体の誘電率は真空中(空気中)より高いため、誘電体中を伝搬する際の光の速度は、空気中を伝搬する速度に比べて遅くなる。具体的には、放射光の自由空間における発光波長λ0と誘電体中の放射光の発光波長λ1との間には、「λ1=λ0/n」の関係がある。ここで、nは、誘電体の屈折率である。
なお、以下では、高い柱体81,82,83を「導波柱」と呼称し、柱体81,82,83と異なるように高さが調整された低い柱体84,85,86を「制御柱」と呼称して区別する場合もある。
In the
In general, since the dielectric constant of a dielectric is higher than that in vacuum (in air), the speed of light when propagating in the dielectric is lower than the speed of propagating in air. Specifically, there is a relationship of “λ 1 = λ 0 / n” between the emission wavelength λ 0 in the free space of the emitted light and the emission wavelength λ 1 of the emitted light in the dielectric. Here, n is the refractive index of the dielectric.
Hereinafter, the
<柱体の配置>
図2(a)に示すように、高い柱体81,82,83(導波柱)と、低い柱体84,85,86(制御柱)とは、光軸を挟んで正対して配置される。具体的には、柱体81と柱体84とが正対し、柱体82と柱体85とが正対し、柱体83と柱体86とが正対している。
<Arrangement of column>
As shown in FIG. 2A, the
<柱体の本数>
発光素子1における柱体は、光線の放射方向を制御するとともに、妨害光の発生を抑制するうえで合計6本とすることが最も好ましい。
すなわち、光は横波であるため、1本の柱体から放射された光の高調波を抑制するには光軸(重心)を対称軸とした反対側に発生する電界を打ち消す必要がある。しかし、例えば柱体を4本にすると、光軸を挟んで正対する導波柱と制御柱は2組となるが、光軸回りの対称性が向上して回転対称な成分が強め合うことになる。その一方で、軸回りに隣り合う2つの柱体の中間部分に生じる同偏光の高調波は柱体の配置によって強められるため、柱体を4本とすると妨害光の影響が大きくなるおそれがある。
<Number of columns>
It is most preferable that the number of column bodies in the
That is, since the light is a transverse wave, it is necessary to cancel the electric field generated on the opposite side with the optical axis (center of gravity) as the axis of symmetry in order to suppress the harmonics of the light emitted from one column. However, for example, if there are four column bodies, there are two sets of waveguide columns and control columns that face each other across the optical axis, but the symmetry around the optical axis is improved and the rotationally symmetric components strengthen each other. Become. On the other hand, since the harmonics of the same polarization generated in the middle part between two columnar bodies adjacent to each other around the axis are strengthened by the arrangement of the columnar bodies, if there are four columnar bodies, the influence of interference light may increase. .
また、柱体を5本とすると、導波柱と制御柱が光軸を挟んで正対しないため、同偏光の高調波が強められることがなく、妨害光が抑制される。しかし、柱体を5本とすると、光軸を含む面に対する対称性が柱体を6本とした場合よりも劣るので、干渉効果による放射方向の制御が難しくなるおそれがある。一方、発光素子1のように柱体を6本とすると、導波柱と制御柱が光軸を挟んで正対し、かつ光軸を含む面に対する対称性も良いため、妨害光の発生を抑制することができるとともに、光線の放射方向も制御することが可能になるため最も好ましい。
If the number of column bodies is five, the waveguide column and the control column do not face each other across the optical axis, so that the harmonics of the same polarization are not intensified and the interference light is suppressed. However, if the number of columns is five, the symmetry with respect to the plane including the optical axis is inferior to the case where the number of columns is six, so that it is difficult to control the radiation direction due to the interference effect. On the other hand, when the number of column bodies is six as in the light-emitting
[発光素子の発光層の発光の原理]
次に、発光素子1の発光層3の発光の原理について説明する。
発光素子1は、電源からパッド電極(いずれも図示せず)を介してp電極層5に正電圧が印加され、電源からパッド電極(いずれも図示せず)を介してn電極層7に負電圧が印加されることで、p電極層5よりp型半導体層2に正孔が注入されるとともに、n電極層7よりn型半導体層4に電子が注入される。発光素子1は、p電極層5より注入された正孔がp型半導体層2中を拡散しながらp型半導体層2とn型半導体層4との接合部である発光層3へと移動し、一方、n電極層7より注入された電子がn型半導体層4内を接合部である発光層3へと移動する。そして、発光素子1は、発光層3の接合部において正孔と電子とが再結合することで生じるエネルギーによって発光する。
発光素子1は、p電極層5と発光層3との表面積が等しいため、p電極層5より注入された正孔が発光層3の全体に到達することから、発光層3の全体で発光する。
[Principle of light emission of light emitting layer of light emitting element]
Next, the principle of light emission of the
In the light-emitting
In the light-emitting
このようにして、発光層3から放射された光が、柱体8の直下からそれぞれ柱体8に入射し、柱体8中を伝搬して、それぞれの射出面から空気中に出射される。
一方、発光層3から放射され、p型半導体層2の上側に設けられたp電極層5に入射した光は、遮光性を有するp電極層5によって遮蔽されるので、空気中に放射されない。そのため、発光素子1は、柱体8の射出面から出射された光によって光線を成形する際に、妨害光の影響を受けないようにすることができる。
In this way, the light emitted from the
On the other hand, the light emitted from the
[発光素子の柱体から出射される光の干渉の原理]
続いて、発光素子1の柱体81,82,83,84,85,86から出射される光の干渉の原理について図3および下記の数式を適宜用いて説明する。なお、柱体81,82,83は互いに高さが同じであり、柱体84,85,86は互いに高さが同じであるので、図3および下記数式を用いる説明では、簡便のため、光軸を挟んで正対する高さの異なる2つの柱体82と柱体85から出射される光の干渉を例にとって説明する。なお、この説明では、簡便のため、発光層3から放射された光が、低誘電率部6内に入射した後、低誘電率部6の底面付近から鉛直方向に進んだ光が柱体82,85の中心軸を通って空気中に放射される場合を仮定する。
[Principle of interference of light emitted from column of light emitting element]
Next, the principle of interference of light emitted from the
図3に示すように、発光素子1の表面を基準の位置とすると、柱体82の高さがHであり、柱体85の高さが(H−δH)である。ここで、柱体82の高さHに対する柱の高さの差d4(図2(b)参照)の割合(=d4/H)を「δ」とした場合、柱体82と柱体85との高さの差d4(図2(b)参照)は、d4=δHで表わすことができる。なお、以下の説明では、柱体82と柱体85との高さの差d4(図2(b)参照)を「δH」として説明し、柱体82の高さHに対する、柱体82と柱体85との高さの差d4(図2(b)参照)の割合δを「高さの差の割合δ」として説明する。
As shown in FIG. 3, when the surface of the
図3に示す例では、素子表面(p電極層5および低誘電率部6の上面)の位置を基準の高度h0とする。また、柱体86の柱頭の射出面85aの位置を高度h1とし、柱体82の柱頭の射出面82aの位置を高度h2とする。つまり、h2−h1=δHの関係がある。光軸を挟んで正対する2つの柱体82,85間の間隔をp1とする(図2(a)参照)。光軸を挟んで正対する2つの柱体82,85の中心軸から等距離に位置する鉛直中心軸上の所定地点Cを高度h3とする。
In the example shown in FIG. 3, a high degree h 0 of the reference position of the element surface (upper surface of the
図3に示した発光素子1において、発光層3から低誘電率部6に入射した光は、高い柱体(導波柱)82と低い柱体(制御柱)85とに分岐して出射される。また、高い柱体82を通る場合に、1つの光路(以下、光路Aという)として、柱体82中の点A1と柱体82の射出面82aの中心点A2とを経由して地点Cに達する光路を想定する。また、低い柱体85を通る場合に、柱体85の射出面85aの中心点B1と、点B1からδHだけ高い位置の点B2とを経由して地点Cに達する光路を想定する。
In the
光路Aを通る光と光路Bを通る光とは、高度h1までは同じ媒質(低誘電率部6)を同じ距離だけ進むので同位相のままである。このときの位相を初期位相θ0とすると、光路Aでは点A1において位相はθ0であり、光路Bでは点B1において位相はθ0である。 And light passing through the light and the optical path B passing through the optical path A remains Since the same phase to advanced h 1 advances the same medium (low dielectric portion 6) by the same distance. When the phase of the time the initial phase theta 0, the phase in the optical path A point A1 is theta 0, the phase in the optical path point B1 B, is theta 0.
これら光路Aを通る光と光路Bを通る光とは、高度h1から高度h2まで異なる媒質を進む。このとき、光路Aでは媒質は柱体82(誘電体)であり、光路Bでは媒質は空気である。前記したように、大気中または真空中の光の速度をc、半導体の屈折率をnとすると、半導体中の速度は、c/nで与えられる(例えばSiO2であれば例えばn=1.5)。このため、発光素子層10中で発生した光を2つに分岐して、一方をそのまま大気中(もしくは真空中)に出射し、かつ、もう一方を誘電体中で伝搬させてから出射した場合、それら2つの光が出射された後に出会うと、光路が異なるため、光の位相は異なるようになる。したがって、光の誘電体中の波長をλ2とし、光路Aでは高度h1から高度h2までの区間の誘電体(例えばSiO2)中で位相がαだけ進むとすると、光路Aの点A2において位相は下記式(1)で表される。
The light passing through the optical path A and the light passing through the optical path B travel through different media from the altitude h 1 to the altitude h 2 . At this time, in the optical path A, the medium is a column 82 (dielectric), and in the optical path B, the medium is air. As described above, when the speed of light in the atmosphere or vacuum is c and the refractive index of the semiconductor is n, the speed in the semiconductor is given by c / n (for example, if SiO 2 , for example, n = 1. 5). For this reason, when the light generated in the light emitting
また、光の自由空間中の波長をλ0とし、光路Bでは高度h1から高度h2までの自由空間中で位相がβだけ進むとすると、光路Bでは点B2において位相は下記式(2)で表される。
If the wavelength in the free space of light is λ 0 and the phase advances by β in the free space from the height h 1 to the height h 2 in the optical path B, the phase at the
さらに高度h2から高度h3まで自由空間なので、光路Aを通る光と光路Bを通る光とは同じ媒質(自由空間)を進む。また、このとき、光路Aの点A2から点Cまでの距離と、光路Bの点B2から点Cまでの距離とは同じである。したがって、光路Aを通る光の点A2における位相と、光路Bを通る光の点B2における位相との差は、点Cにおいても保存されることとなる。この位相差τは以下の式(3)で表される。すなわち、柱体82と柱体85との高さの差δHによって光路Aと光路Bとの位相差τを制御することができる。以下の式(3)を変形すると、高さの差δHは式(4)で表される。
Since more free space from the altitude h 2 to advanced h 3, the light passing through the light and the optical path B passing through the optical path A travels the same medium (free space). At this time, the distance from the point A2 to the point C on the optical path A and the distance from the point B2 to the point C on the optical path B are the same. Therefore, the difference between the phase at the point A2 of the light passing through the optical path A and the phase at the point B2 of the light passing through the optical path B is also preserved at the point C. This phase difference τ is expressed by the following equation (3). That is, the phase difference τ between the optical path A and the optical path B can be controlled by the height difference δH between the
したがって、以下の式(4)に示すように、柱体82と柱体85の高さの差δHを調整することで、柱体82と柱体85との位相差τを制御できることがわかる。そして、このように柱体82の射出面82aと柱体85の射出面85aからそれぞれ放射された光には、図3の高度h2の地点において位相差τがあるため、これらの光が互いに干渉すると、前記した位相差τに応じて、素子表面と垂直な方向に対して制御角の分だけ傾いた方向に1本の光線が生成されることになる。したがって、柱体82と柱体85との高さの差δHを調整して位相差τを制御することで、光線を所望の制御角の方向に放射することができる。なお、柱体82と柱体85との高さの差δHにおけるHは固定値であるため、柱体82の高さHに対する柱体82と柱体85との高さの差δHの割合δを調整すれば、柱体82と柱体85の位相差τを制御することができる。
Therefore, as shown in the following formula (4), it is understood that the phase difference τ between the
そして、柱体82を通る光は、柱体85を通る光に比べて遅延するため、両者が混合されると、それら2つの光の波面とは全く異なる波面をもつ波が生成される。すなわち、柱体82,85から出射される光の波面は互いに干渉し、これら2つの柱体82,85の相対的な位置(3次元空間の位置)によって決定される方向(方向)に、光が出射されることになる。
Since the light passing through the
続いて、3次元空間の位置r1にある波源としての柱体82と、3次元空間の位置r2にある波源としての柱体85から出射された光の干渉について説明する。
位置r1にある波源と、位置r2にある波源とからそれぞれ出射された光によって、3次元空間の位置rに時刻tにおいて成形される光の強度I(r)は、次の式(5)で与えられる。
Next, interference of light emitted from the
The intensity I (r) of light shaped at the time t at the position r in the three-dimensional space by the light respectively emitted from the wave source at the position r 1 and the wave source at the position r 2 is expressed by the following equation (5 ).
式(5)において、光の干渉を表す第3項が存在するために、発光層3から出射された光が、2つの波源からそれぞれ出射された後に重畳されて、波面を変えて波の進行方向を変えることが可能となる。式(5)では、式(6)のγの実部を利用する。式(6)のE*は、Eの複素共役であることを示す。γは、式(6)で示すように、0から1までの値をとり、2つの波源から出射された光が時間的・空間的にどのくらい相関を持っているのかを示している。よって、γは、次の式(7)〜式(9)のように場合分けすることができる。
In Equation (5), since there is a third term representing the interference of light, the light emitted from the
式(7)の場合を完全コヒーレント、式(8)の場合をインコヒーレント、式(9)の場合を部分的なコヒーレントと呼ぶ。ここでは、発光素子として、LEDの光源を使用しているため、部分的なコヒーレントになっている。したがって、図3の発光素子1においては、光の強度において、前記式(5)の第3項の寄与が大きいため、光の進行方向を大きく曲げられる。
The case of Equation (7) is called fully coherent, the case of Equation (8) is called incoherent, and the case of Equation (9) is called partial coherent. Here, since the light source of LED is used as a light emitting element, it is partially coherent. Therefore, in the light-emitting
図3では、簡単のため、高さの異なる2つの柱体から出射される光の干渉による光線の方向について説明した。波源としての柱体が6つある場合についても、前記式(5)を拡張することが可能である。 In FIG. 3, for the sake of simplicity, the direction of the light beam due to the interference of the light emitted from the two columnar bodies having different heights has been described. The formula (5) can be expanded even when there are six pillars as wave sources.
[発光素子の外部に取り出し可能な放射光の割合]
次に、図4〜6を参照して、発光素子1の発光層3からの放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合について説明する。ここでは、説明をわかりやすくするために、低誘電率部6を備えない発光素子1(以下、「比較例の発光素子」という)を仮想的に設計し、本実施形態の発光素子と、比較例の発光素子とで、放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合を対比説明する。
[Proportion of synchrotron radiation that can be extracted outside the light emitting element]
Next, with reference to FIGS. 4-6, the ratio of the radiated light which can be taken out of the element with respect to the entire radiated light from the
具体的には、図4(a)に、比較例の発光素子1´の断面図を示し、図4(b)に、本実施形態の発光素子1の断面図を示している。以下では、図4(a)に示した比較例の発光素子1´と、図1,2および図4(b)に示した本実施形態の発光素子1とで共通する構成には同様の符号を付し、重複する説明を省略する。ここでは、まず、図4(a)に示す比較例の発光素子1´の構成について、簡単に説明する。なお、図4(b)に示した本実施形態の発光素子1は、図1,2を参照して説明したとおりであるので、ここでは、重複する説明を省略する。
Specifically, FIG. 4A shows a cross-sectional view of the light-emitting
図4(a)に示すように、比較例の発光素子1´は、n電極層7と、n型半導体層4と、発光層3と、p型半導体層2と、が積層され、さらに、p型半導体層2の表面において、p電極層5が積層された構成となっている。ただし、比較例の発光素子1´は、p電極層5が、略中央部に開口部51を有し、この開口部51内にp型半導体層2が設けられている。比較例の発光素子1´は、素子表面(開口部51内のp型半導体層2の表面)から突出して6本の柱体8(柱体81,82,83,84,85,86(ここでは、柱体82,85のみ図示))が設けられており、本実施形態の発光素子1と同様に、それぞれの柱体の中心から等距離に、所定の原点M(図示せず)をとっている。なお、図4(a)に示す比較例の発光素子1´は、図1,2および図4(b)に示す本実施形態の発光素子1と同様に、6本の柱体8のうち、柱体81,82,83が互いに同じ高さであり、柱体84,85,86が互いに同じ高さであることから、図4(a)では、代表して光軸を挟んで正対する柱体82,85のみを図示している。また、比較例の発光素子1´において、n型半導体層4と、発光層3と、p型半導体層2とを合わせたものを発光素子層10と呼称する。
As shown in FIG. 4A, the light-emitting
比較例の発光素子1´は、発光層3がn型半導体層4の上面に一様に設けられており、また、柱体8(82,85)がp型半導体層2と同じ材料で、p型半導体層2の表面に一体的に形成されている。
ここで、比較例の発光素子1´において、柱体8(82,85)とは、p型半導体層2の表面から突出した部分のみを指すものとする。
In the light-emitting
Here, in the
比較例の発光素子1´は、図1,2を参照して前記した本実施形態の発光素子1と同様の原理で発光する。ここで、比較例の発光素子1´は、発光層3が一様に設けられている一方、p電極層5は、一部に設けられている。比較例の発光素子1´において、p電極層5より注入された正孔は、p型半導体層2内を拡散しながら伝搬されるため、p電極層5の直下の領域に加え、開口部51の直下の領域にも一部到達する。n型半導体層4中の電子の移動度が、p型半導体層2中の正孔の移動度よりもはるかに大きいので、正孔と電子との再結合は、比較例の発光素子1´の発光層3に正孔が到達した時点で発生する。言い換えれば、発光層3は、正孔が到達した領域でのみ発光することになる。したがって、比較例の発光素子1´の発光範囲は、発光層3の一部に制限される。
The
図4(a)に示す比較例の発光素子1´は、発光層3において、符号401で示す点の位置での発光を考えるものとする。また、比較例の発光素子1´において、発光素子層10の屈折率をnAとする。さらに、比較例の発光素子1´において、p電極層5とp型半導体層2との界面に沿って下ろした垂線L1から発光位置401までの距離をxとする。
The
図4(b)に示す本実施形態の発光素子1は、発光層3において、符号402で示す点の位置での発光を考えるものとする。また、本実施形態の発光素子1において、p電極層5と低誘電率部6との界面に沿って下ろした垂線L2から発光位置402までの距離をxとする。
さらに、図4(b)に示す本実施形態の発光素子1は、発光素子層10の屈折率をnAとし、低誘電率部6の屈折率をnBとする。このとき、屈折率nA>屈折率nBの関係が成立するものとする。ここで、発光素子層10の屈折率nAは、発光素子層10を形成する材料の誘電率の平方根で近似し、低誘電率部6の屈折率nBは、低誘電率部6を形成する材料の誘電率の平方根で近似する。
In the
Further, in the
次に、図4(a)に示す比較例の発光素子1´と、図4(b)に示す本実施形態の発光素子1のそれぞれについて、発光層3からの放射光が、素子外部に射出される原理について対比説明する。
図4(a)に示すように、比較例の発光素子1´は、発光層3の発光位置401からの放射光のうち、柱体8の射出面への入射角θ1が臨界角θAよりも小さい放射光のみ、素子外部に放射されることとなる。
Next, for each of the
As shown in FIG. 4A, in the
一方、図4(b)に示すように、本実施形態の発光素子1は、発光層3の発光位置402からの放射光のうち、発光層3と低誘電率部6との界面への入射角θ2が臨界角θABよりも小さい放射光だけが、低誘電率部6に入射する。そして、発光素子1は、低誘電率部6に入射された放射光のうち、柱体8の射出面への入射角θ3が臨界角θBよりも小さい放射光だけが、素子外部に放射されることとなる。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, the
このように、比較例の発光素子1´は、発光層3からの放射光のうち、柱体8の射出面に直接入射し、かつ、入射角θ1が臨界角θAよりも小さい放射光のみ、素子外部に取り出される。これに対し、本実施形態の発光素子1は、低誘電率部6を備えるので、発光層3からの放射光が、低誘電率部6に水平方向に入射したときの入射角θ2が臨界角θABよりも小さく、かつ、低誘電率部6内を伝搬して柱体8の射出面に入射したときの入射角θ3が臨界角θBよりも小さい場合、素子外部に取り出すことができる。
As described above, in the
つまり、比較例の発光素子1´では、発光層3から柱体8の射出面に直接向かう光の一部しか、素子外部に取り出すことができない。したがって、発光素子1´では、素子外部に取り出し可能な光の角度範囲が極めて狭く限定的となる。
これに対し、本実施形態の発光素子1によれば、発光層3と柱体8の射出面との間に、発光素子層10と屈折率が異なる低誘電率部6を設けることで、発光層3から放射され、柱体8の射出面に直接入射する放射光だけでなく、より広い角度範囲の放射光を素子外部に取り出し可能となる。
That is, in the
On the other hand, according to the
この点について、図5,6を参照して、より詳しく説明する。具体的には、図5に示す比較例の発光素子1´および,図6に示す本実施形態の発光素子1のそれぞれについて、発光層3からの放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合を対比説明する。
ここで、図5に示す比較例の発光素子1´は、図4(a)に示す発光素子1´と同様のものであり、また、図6に示す本実施形態の発光素子1は、図4(b)に示す発光素子1と同様のものである。図5に示す比較例の発光素子1´と図6に示す本実施形態に係る発光素子1とは、内部構造(2次元断面)が異なるものの形状は同一である。図5では、比較例の発光素子1´の2次元断面を示しているが、所定の原点M(図示せず)を含み基板に垂直な線を中心軸とした回転対称な構造となっている。同様に、図6では、本実施形態に係る発光素子1の2次元断面を示しているが、発光素子1は、図2(a)に示す所定の原点Mを含み基板に垂直な線を中心軸とした回転対称な構造となっている。
This point will be described in more detail with reference to FIGS. Specifically, for each of the
Here, the
まず、図5に示す比較例の発光素子1´において、素子外部に取り出し可能な放射角の範囲、および、発光層3からの放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合について説明する。
図5に示す比較例の発光素子1´において、発光素子層10の屈折率をnAとし、柱体8の射出面への入射角に対する臨界角をθAとすると、臨界角θAは、次の式(10)のように定義される。
First, in the
In the
図5に示す比較例の発光素子1´において、発光層3の発光が密度γの等方放射であり、かつ、発光層3におけるp電極層5とp型半導体層2との界面の直下の位置を基準の位置(距離0)としたときに、距離xだけ離れた発光位置での強度Iが次の式(11)で表されるとすると、発光層3からの放射光が素子外部に取り出される割合dIは、次の式(12)で表される。
In the
前記式(12)において、θ1は、比較例の発光素子1´において、素子外部に取り出し可能な放射光の放射角の最小値であり、θ2は、比較例の発光素子1´において、素子外部に取り出し可能な放射光の放射角の最大値である。ここで、最小値θ1および最大値θ2は、発光層3の表面を基準とした仰角で表される。また、最小値θ1から最大値θ2までの範囲内の放射角R1で放射された放射光が、素子外部に取り出し可能なものとなる。
次に、図5に示す比較例の発光素子1´において、素子外部に取り出し可能な放射光の放射角の最小値θ1は、放射光の柱体8の射出面への入射角に対する臨界角θAとの間で、次の式(13)で表される。
In the formula (12), θ 1 is the minimum value of the radiation angle of the radiated light that can be extracted outside the element in the
Next, the light-emitting element 1 'of the comparative example shown in FIG. 5, the minimum value theta 1 radiation angle possible emitted light is taken out to the outside of the device, the critical angle for the incident angle to the exit surface of the
図5に示す比較例の発光素子1´において、発光層3の上方に、発光層3からの放射光を遮蔽するp電極層5があることから、発光層3から素子上方に向かう放射光のうち、p電極層5に入射した光は、p電極層5で遮蔽される。したがって、比較例の発光素子1´において、素子外部に取り出し可能な放射光の放射角の最大値θ1は、次の式(14)に示すように、発光層3における、p型半導体層2の表面からの深さDと、発光位置501までの距離xとにより制限される。
In the
ここで、距離xの値が大きくなると、発光層3において、放射角の最小値θ1が最大値θ2を超える場合がある。そのような場合の距離xの地点から放射された放射光は、素子外部に取り出すことができない。したがって、距離xは、0≦x≦DtanθAの範囲内になければならない。
以上から、図5に示す比較例の発光素子1´において、発光層3からの放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合Icは、次の式(15)のように表される。
Here, the value of the distance x increases, the light-emitting
From the above, in the
続いて、図6に示す本実施形態の発光素子1において、素子外部に取り出し可能な放射角の範囲、および、発光層3からの放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合Idについて、説明する。
図6に示すように、本実施形態の発光素子1は、発光素子層10の屈折率をnAとし、低誘電率部6の屈折率をnB(ただし、nB<nA)とし、発光素子層10と低誘電率部6との界面への入射角に対する臨界角をθABとし、柱体8の射出面への入射角に対する臨界角をθBとする。ただし、臨界角θABおよび臨界角θBは、次の式(16),(17)によって定義されるものとする。
Subsequently, in the
As shown in FIG. 6, in the light-emitting
図6に示す本実施形態の発光素子1において、発光層3からの放射光は、前記したように、一部が、低誘電率部6に入射され、次に、低誘電率部6に入射された光のさらに一部が、柱体8の射出面に入射されて、射出面から素子外部に出射される。
この場合、本実施形態の発光素子1において、発光層3からの放射光のうち、素子外部に取り出し可能な放射光の放射角の最小値θ1は、低誘電率部6への入射角が(π/2−θB)となる角度より、次の式(18),(19)によって表される。ここで、最小値θ1は、発光層3の表面を基準とした仰角で表され、最大値θ2は、p電極層5の底面を基準とした伏角で表される。
In the
In this case, in the
つまり、本実施形態の発光素子1の最小値θ1は、比較例の発光素子1´の最小値θ1と異なる。
また、本実施形態の発光素子1において、発光層3からの放射光のうち、素子外部に取り出し可能な放射光の放射角の最大値θ2は、発光層3におけるp電極層5と低誘電率部6との界面の直下の位置を基準の位置(距離0)としたときの、発光位置までの距離xに応じて変化する。具体的には、最大値θ2は、距離xが大きくなると小さくなる。さらに、最大値θ2は、p電極層5による遮蔽を考慮すると以下のように表される。
つまり、本実施形態の発光素子1において、距離xの値が小さい場合、放射光はp電極層5に入射しないので遮蔽されない。したがって、この場合の最大値θmaxは、次の式(20)で表される。
一方、本実施形態の発光素子1において、距離xの値が大きくなると、放射光がp電極層5に入射して遮蔽されることとなる。したがって、この場合の最大値θmaxは、次の式(21)で表される。
In other words, the minimum value theta 1 of the
In the
That is, in the
On the other hand, in the
本実施形態の発光素子1において、発光位置から、最小値θ1から最大値θ2までの範囲内の放射角R2で放射された放射光が、素子外部に取り出し可能なものとなる。
ただし、距離xがさらに大きくなり、次の式(22)に示す条件が成立する場合、最小値θ1が最大値θ2を超えてしまうため、この部分を除外する必要がある。
In the
However, when the distance x is further increased and the condition shown in the following equation (22) is satisfied, the minimum value θ 1 exceeds the maximum value θ 2 , so this portion needs to be excluded.
以上から、本実施形態の発光素子1において、発光層3からの放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合Idは、最終的に次の式(23)で表される。
In the
そして、図5に示す比較例の発光素子1´において、発光層3からの放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合Icと、図6に示す本実施形態の発光素子1において、発光層3からの放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合Idとの比は、次の式(24)で表される。
Then, in the
ただし、式(24)において、θAは、前記式(10)に示したものとし、θBは、前記式(17)に示したものとし、θABは、前記式(16)に示したものとし、θ1は、前記式(19)に示したものとする。 However, in the formula (24), θ A is as shown in the formula (10), θ B is as shown in the formula (17), and θ AB is shown as the formula (16). Suppose that θ 1 is as shown in the equation (19).
ここで、図5に示した比較例の発光素子1´および図6に示した本実施形態に係る発光素子1において、放射地点が発光層3の全体に均一に分布していると仮定すれば、2次元断面において、中心軸から遠いほど放射地点の数が多くなるといえる。前記したように、本実施形態の発光素子1は、比較例の発光素子1´よりも、距離xが大きい放射地点、すなわち、中心軸から遠い放射地点からの放射光を素子外部に取り出すことができる。したがって、本実施形態に係る発光素子1は、比較例の発光素子1´よりも、多くの放射地点からの放射光を素子外部に取り出すことができ、よって、発光強度が高くなることがわかる。
Here, in the
次に、一例として、本実施形態の発光素子1の発光素子層10をGaN(屈折率nA=2.6であるが、ここでは、近似的に屈折率nA=3.0とする)で形成し、低誘電率部6を誘電率の異なる複数の材料でそれぞれ形成した場合において、発光層3からの放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合の比を確認した結果を図7に示す。
Next, as an example, the light emitting
図7(a)に示すように、本実施形態の発光素子1(図1参照)は、低誘電率部6(図1参照)の屈折率nBが1.64以下であるとき、素子外部への放射光の取り出し割合の比F(nA,nB)(ここでは、屈折率nA=3.0)が1.0より大きくなるので、素子外部への放射光の取り出し強度を向上させることができる。また、図7(b)に示すように、低誘電率部6(図1参照)を、ZnO(屈折率nB=1.30)で形成した場合、素子外部への放射光の取り出し割合の比F(nA,nB)が2.4以上となり、素子外部への放射光の取り出し強度が最も高くなり、以下、MgF2(屈折率nB=1.37)で形成した場合(取り出し割合の比F(nA,nB)が1.97以上)、Al2O3(屈折率nB=1.48)で形成した場合(取り出し割合の比F(3.0,nB)が1.50以上)、SiO2(屈折率nB=1.50)で形成した場合(取り出し割合の比F(nA,nB)が1.35以上)、の順で続いている。このように、本実施形態の発光素子1(図1参照)によれば、低誘電率部6(図1参照)を、図7(b)に例示したいずれの材料によって形成した場合にも、取り出し割合の比F(nA,nB)を1.0より大きくすることができる。つまり、本実施形態の発光素子1(図1参照)は、低誘電率部6(図1参照)を備えることで、素子外部への放射光の取り出し強度を向上させることができるといえる。 As shown in FIG. 7A, the light-emitting element 1 (see FIG. 1) of this embodiment has an external element when the refractive index n B of the low dielectric constant portion 6 (see FIG. 1) is 1.64 or less. Since the ratio F (n A , n B ) (here, refractive index n A = 3.0) of the ratio of extraction of the emitted light to the element is greater than 1.0, the intensity of extraction of the emitted light to the outside of the element is improved. Can be made. In addition, as shown in FIG. 7B, when the low dielectric constant portion 6 (see FIG. 1) is formed of ZnO (refractive index n B = 1.30), the ratio of extraction of emitted light to the outside of the element When the ratio F (n A , n B ) is 2.4 or more and the extraction intensity of the emitted light to the outside of the element is the highest, hereinafter, when formed with MgF 2 (refractive index n B = 1.37) (extraction When the ratio F (n A , n B ) is 1.97 or more), when formed with Al 2 O 3 (refractive index n B = 1.48) (extraction ratio F (3.0, n B )) Is 1.50 or more), and when formed with SiO 2 (refractive index n B = 1.50) (extraction ratio F (n A , n B ) is 1.35 or more). Thus, according to the light emitting element 1 (see FIG. 1) of the present embodiment, even when the low dielectric constant portion 6 (see FIG. 1) is formed of any material illustrated in FIG. 7B, The ratio F (n A , n B ) of the extraction ratio can be made larger than 1.0. That is, it can be said that the light emitting element 1 (see FIG. 1) of the present embodiment includes the low dielectric constant portion 6 (see FIG. 1), thereby improving the extraction intensity of the emitted light to the outside of the element.
以上のように、図4(a)および図5に示す比較例の発光素子1´と、図4(b)および図6に示す本実施形態の発光素子1とを対比すると、本実施形態の発光素子1は、比較例の発光素子1´に比べて、素子外部への放射光の取り出し強度を高くすることができるといえる。
As described above, when the
[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
以下、図1に示す発光素子1を2次元状に複数並べ、かつ、n電極層7を設けた素子群を製造する方法を、図8,9を参照して説明する。
図8(a)に示すように、まずバッファ層21を介してGaN等からなる発光素子層10が形成された基板120を用意する。図8(a)に示すように、例えばバッファ層21が積層されたSi等の基板120の表面に、例えば分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、有機金属化学気相成長(MOCVD)法等の成膜方法により、n型半導体層4を積層し、次に、InGaNの量子井戸層からなる発光層3を形成し、さらに、p型半導体層2を積層する。
Hereinafter, a method of manufacturing an element group in which a plurality of light-emitting
As shown in FIG. 8A, first, a
そして、図8(a)に示すように、レーザーリフトオフ法、ケミカルリフトオフ法またはボイド形成剥離法等により、基板120およびバッファ層21を剥離する。次に、図8(b)に示すように、発光素子層10のn型半導体層4の上(図8では下側)に、マスクを用いた金属蒸着法等によってn電極層7を、ストライプ状に1本以上形成する。なお、その際、n電極層7上にSn等の融着層を形成しても構わない。
Then, as shown in FIG. 8A, the
次に、図8(c)に示すように、n電極層7が設けられた発光素子層10を、n電極層7を下にしてサファイア等の基板20上に配置し、表面活性化接合法等により、両者を接合する。なお、表面活性化接合法では、具体的にはArプラズマ等によって発光素子層10の表面を活性化させて基板20と圧着を行う。ただし、前記した図8(b)の工程において、n電極層7上にSn等の融着層を設けた場合は、この工程では加熱のみを行って発光素子層10と基板20とを接合する。
Next, as shown in FIG. 8C, the light-emitting
次に、図8(d)に示すように、p型半導体層2の表面の画素領域に熱可塑性樹脂または光硬化性樹脂からなるフォトレジストfをパターニングして積層する。パターニングは、p型半導体層2の表面において、画素領域を円形に残し、その他を全て覆うパターンとする。例えば、p型半導体層2の表面の画素領域にフォトレジストfを塗布後、フォトマスクで皮膜し、紫外線を照射して現像することで形成することができる。
Next, as shown in FIG. 8D, a photoresist f made of a thermoplastic resin or a photocurable resin is patterned and laminated on the pixel region on the surface of the p-
続いて、図8(e)に示すように、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、p型半導体層2(発光素子層10)のフォトレジストfの周囲を所定深さまでエッチングして穴状部61とする。具体的には、発光素子層10のフォトレジストfの周囲を、p型半導体層2の下面から20nm以上の深さまでエッチングする。
さらに、図8(f)に示すように、エッチングにより発光素子層10に凹設した穴状部61内に、発光素子層10を形成する材料よりも誘電率の低い材料を充填し、低誘電率部6を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 8E, the p-type semiconductor layer 2 (light emitting element layer 10) is photo-etched by dry etching such as reactive ion etching (RIE) or wet etching using a chemical solution. The periphery of the resist f is etched to a predetermined depth to form a
Further, as shown in FIG. 8 (f), a material having a lower dielectric constant than that of the material forming the light emitting
次に、図9(a)に示すように、低誘電率部6の表面に熱可塑性樹脂または光硬化性樹脂からなるフォトレジストfをパターニングして積層する。フォトレジストfのパターニングは、図8(d)を参照して説明したのと同様の手法により行う。
さらに、図9(b)に示すように、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、フォトレジストfの周囲のp型半導体層2をエッチングする。
Next, as shown in FIG. 9A, a photoresist f made of a thermoplastic resin or a photocurable resin is patterned and laminated on the surface of the low dielectric
Further, as shown in FIG. 9B, the p-
続いて、図9(c)に示すように、発光素子層10をブロックごとに分割する。この分割の方法の一例について説明する。まず、図9(b)に示す状態において、分割する部分以外の発光素子層10および低誘電率部6の表面にフォトレジストを形成する。そして、反応性イオンエッチング等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、フォトレジストの周囲をn型半導体層4の下面の位置と同等の深さまでエッチングする。これによって、発光素子層10がブロックごとに分割され、隣り合うブロックとの間に間隙Sが形成される。なお、ここでは、発光素子層10の全体を分割したが、少なくとも、発光層3までが分割されていれば足りる。その場合、エッチングの深さを変えればよい。
Subsequently, as shown in FIG. 9C, the light emitting
さらに、続いて、図9(d)に示すように、金属材料を蒸着法、スパッタリング法等により複数のブロックに亘るように積層した後、フォトリソグラフィ法等によってp電極層5を作製する。これにより、p電極層5が、複数のブロックに亘って形成される。
そして、図9(e)に示すように、余分なp電極層5ごとフォトレジストfをリフトオフする。このようにして形成されたp電極層5は、ブロックごとに開口部51を有し、この開口部51内を、低誘電率部6が貫通している。
Subsequently, as shown in FIG. 9D, after a metal material is laminated so as to cover a plurality of blocks by an evaporation method, a sputtering method, or the like, a p-
Then, as shown in FIG. 9E, the photoresist f is lifted off together with the extra p-
そして、図9(f)に示すように、反応性イオンエッチング等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、複数の柱体8(81,82,83,84,85,86)を形成する。なお、図9(f)では、簡便のため、複数の柱体8の高さを全て等しくしている。
Then, as shown in FIG. 9F, a plurality of pillars 8 (81, 82, 83, 84, 85, 86) are formed by dry etching such as reactive ion etching or wet etching using a chemical solution. . In FIG. 9F, for the sake of simplicity, the heights of the plurality of
ここで、図9(e)に示す状態から、高い柱体81,82,83と低い柱体84,85,86とを形成する方法の一例について説明する。
まず、図9(e)に示す低誘電率部6の表面の、高い柱体81,82,83となる部分にフォトレジストを形成する。そして、反応性イオンエッチング等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、フォトレジストの周囲をエッチングする。これによって、高い柱体81,82,83の上側の一部が形成される。次に、低誘電率部6の表面の、低い柱体84,85,86となる部分にフォトレジストfを形成する。そして、前記したようなエッチングにより、高い柱体81,82,83、および、低い柱体84,85,86となる柱体の表面に形成したフォトレジストの周囲をエッチングする。これにより、高い柱体81,82,83、および、低い柱体84,85,86以外の表面が削られ、高い柱体81,82,83、および、低い柱体84,85,86が形成される。なお、柱体8の形成後に、p電極層5の表面にSiO2等の絶縁性の保護膜を形成してもよい。
Here, an example of a method of forming the
First, a photoresist is formed on portions of the surface of the low dielectric
発光素子1は、以上のような構成を備えるので、柱体8に直接入射しない放射光についても、低誘電率部6を介して柱体8に入射させることができる。そして、柱体8内を光導波路として、より多くの放射光を柱体8の射出面に入射させることが可能となる。その結果、発光素子1は、放射光の素子外部への取り出し強度を向上させることができ、光線を形成するための光量を増大することができる。これによって、発光素子1は、強度の高い光線を形成することができる。なお、柱体8の射出面からの放射光は、発光層3を1つの光源として発生した光であるため、互いに干渉して合成され、光線が形成される。
Since the
発光素子1は、p型半導体層2の表面において、低誘電率部6以外の部分にp電極層5を積層しているので、発光層3において、p電極層5の直下で発光し、素子表面に向かう光をp電極層5で遮光することができ、これによって、妨害光の発生を抑制することができる。
Since the light-emitting
さらに、発光素子1は、柱体のうちの少なくとも1本(ここでは3本)の高さをその他の柱体の高さと異なるように構成することで、それぞれの射出面から出射された光に位相差を設けることができ、当該位相差に応じた傾き方向に光線を放射することができる。
また、さらに、発光素子1は、6本の柱体81,82,83,84,85,86を形成することで、光線として形成される光以外の余分な妨害光の発生を効果的に抑制することができる。
さらに加えて、発光素子1は、隣り合う発光素子1との間に設けられた間隙Sによって、発光素子層10が、隣り合う発光素子1の発光素子層10と互いに分離されているので、発光素子層10の端面(GaN端面)が平坦であれば、GaNと素子外部の大気との界面において光を反射する。そのため、発光素子1は、隣り合う発光素子1の発光層3で発光し、素子外部に放出された放射光が発光素子1内に入射するのを抑制することができるので、余分な放射光による影響を低減することができる。
Furthermore, the
Furthermore, the light-emitting
In addition, the
[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。ここでは、発光素子1の表面(p電極層5および低誘電率部6の上面)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、発光素子1の垂直方向の原点を、低誘電率部6の底面にとり、原点の上方3000nmの地点の電界強度を評価することとした。
次に、シミュレーションにおける発光素子1の設計例を、図10(a)を参照して説明する。
[Performance of light emitting element]
In order to confirm the performance of the light-emitting
Next, a design example of the
[発光素子の設計の具体例]
図10(a)に示すように、発光素子1は、発光素子層10(p型半導体層2,発光層3およびn型半導体層4)が、GaNにInを添加したLED(屈折率nA≒3.0)であるものとした。発光層3からの放射光の自由空間における発光波長λ0は405nmであるものとした。
p型半導体層2(図1参照)の厚さt1は、約200nmとした。
p電極層5(図1参照)は、厚さt2が200nmのAgの金属薄膜とした。
低誘電率部6の直径φ1は、1300nmとした。
低誘電率部6は、SiO2(屈折率nB=1.50)で形成した。
低誘電率部6のp型半導体層2の表面からの深さd2は、400nmとした。つまり、低誘電率部6の深さd3を、600nmとした。
低誘電率部6の外周面と発光素子層10の端面とを結んだ直線距離p3を1200nmとした。
柱体81,82,83,84,85,86の直径φ2は、放射光の自由空間における発光波長λ0に相当する405nmとした。
柱体81,82,83,84,85,86の配置角度θ1(図2(a)参照)は、60度とした。
光軸を挟んで正対する柱体間の間隔p1は、約1.2λ0(485nm)とした。
隣り合う柱体間の間隔p2(図2(a)参照)は、略0とした。
柱体81,82,83(図10(a)では、柱体82のみ図示)の高さHは、526nmとした。
また、柱体84,85,86(図10(a)では、柱体85のみ図示)の高さ「H−d4」は、柱体81,82,83の高さHから、柱体81,82,83と柱体84,85,86との高さの差「δH」[nm]を減じた高さとして、柱体81,82,83の高さHに対する柱体84,85,86の高さの差δHの割合δ(δ=d4/H)の値を変化させることで、光線方向が制御される。
この発光素子層10の周囲には、大気(屈折率n=1.0)が流通しているものとする。
[Specific examples of light emitting element design]
As shown in FIG. 10A, the light-emitting
The thickness t 1 of the p-type semiconductor layer 2 (see FIG. 1) was about 200 nm.
p electrode layer 5 (see FIG. 1), the thickness t 2 is a thin metal film of 200nm of Ag.
Diameter phi 1 of the low
The low dielectric
The depth d 2 of the low dielectric
A linear distance p 3 connecting the outer peripheral surface of the low dielectric
The diameter φ 2 of the
The arrangement angle θ 1 (see FIG. 2A) of the
The interval p 1 between the columns facing directly across the optical axis was about 1.2λ 0 (485 nm).
The interval p 2 between adjacent column bodies (see FIG. 2A) was set to approximately zero.
The height H of the
Further, the height “Hd 4 ” of the
It is assumed that air (refractive index n = 1.0) flows around the light emitting
次に、前記したシミュレーション条件に基づくシミュレーションを行った結果を、図10(b)を参照して説明する。シミュレーションは、本実施形態の発光素子1の性能をわかりやすくするために、低誘電率部6を備えない仮想的な発光素子1´との対比により行った。発光素子1´の構成は、前記図4(a)を参照して説明したとおりである。発光素子1´は、柱体81,82,83および発光素子層10をGaNにInを添加したLED(屈折率nA≒3.0)で形成するものとした。また、発光素子1´において、発光素子1と共通する構成については、図10(a)に示した発光素子1のシミュレーション条件と同様とした。
Next, the result of the simulation based on the simulation conditions described above will be described with reference to FIG. The simulation was performed by comparison with a virtual light-emitting
図10(b)に、発光素子1および発光素子1´において、高い柱体81,82,83に対する低い柱体84,85,86の高さの差の割合δを0.00〜0.50まで変化させたときの、素子外部への放射光の取り出し強度(ピーク強度)を比較した結果を示す。以下に記載する、発光素子1,1´の素子外部への放射光の取り出し強度の値の単位は[×104W/m2]とする。
発光素子1,1´において、高さの差の割合δを0.00とした場合、発光素子1´の素子外部への放射光の取り出し強度は、1.36であるのに対し、発光素子1の素子外部への放射光の取り出し強度は、6.87であることを確かめた。
発光素子1,1´において、高さの差の割合δを0.10とした場合、発光素子1´の素子外部への放射光の取り出し強度は、1.33であるのに対し、発光素子1の素子外部への放射光の取り出し強度は、7.21であることを確かめた。
発光素子1,1´において、高さの差の割合δを0.20とした場合、発光素子1´の素子外部への放射光の取り出し強度は、1.34であるのに対し、発光素子1の素子外部への放射光の取り出し強度は、7.85であることを確かめた。
発光素子1,1´において、高さの差の割合δを0.30とした場合、発光素子1´の素子外部への放射光の取り出し強度は、1.44であるのに対し、発光素子1の素子外部への放射光の取り出し強度は、9.02であることを確かめた。
発光素子1,1´において、高さの差の割合δを0.40とした場合、発光素子1´の素子外部への放射光の取り出し強度は、1.47であるのに対し、発光素子1の素子外部への放射光の取り出し強度は、9.91であることを確かめた。
発光素子1,1´において、高さの差の割合δを0.50とした場合、発光素子1´の素子外部への放射光の取り出し強度は、1.60であるのに対し、発光素子1の素子外部への放射光の取り出し強度は、11.30であることを確かめた。
In FIG. 10B, in the
In the light-emitting
In the
In the
In the
In the
In the light-emitting
以上のように、本実施形態の発光素子1および比較例の発光素子1´のそれぞれについて、柱体81,82,83の高さHに対する柱体84,85,86の高さの差δHの割合δを変化させることによる、放射光の素子外部への取り出し強度の変化について確かめた。
本実施形態の発光素子1および比較例の発光素子1´のそれぞれについて、柱体81,82,83の高さHに対する柱体84,85,86の高さの差δの割合δを0.10〜0.50まで変化させた場合、本実施形態の発光素子1は、比較例の発光素子1´に比べて、放射光の素子外部への取り出し強度(ピーク強度)を約5〜7倍向上できることを確かめた。
As described above, for each of the light-emitting
For each of the
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, the meaning of this invention is not limited to these description, and must be interpreted widely based on description of a claim. Needless to say, various changes and modifications based on these descriptions are also included in the spirit of the present invention.
ここで、本実施形態の変形例に係る発光素子を図11に示した。
図11に示す発光素子1Aは、図1に示す発光素子1に対し、発光素子層10の周面を覆うように、反射膜9を設けた点で相違する。この反射膜9は、発光層3から放射された放射光を反射する材料で形成される。例えば、反射膜9は、酸化アルミニウムや二酸化チタン等の白色の絶縁物で形成することが望ましい。発光素子1Aに反射膜9を設けることで、発光素子1Aの発光層3で発光し、素子外部に放出されて隣り合う発光素子1Aに向かった放射光を、当該隣り合う発光素子1Aの反射膜9によって反射することができる。そのため、発光素子1Aの発光層3からの放射光以外の余分な放射光が、隣り合う発光素子1A内に入射するのを、さらに有効に抑制することができる。これによって、発光素子1Aは、余分な放射光による影響をより低減することができる。
Here, a light emitting device according to a modification of the present embodiment is shown in FIG.
A light emitting element 1A shown in FIG. 11 is different from the
例えば、この発光素子1Aを基板上に多数並べてIP方式のディスプレイであるIP立体ディスプレイを構成した場合のように、隣り合う素子が独立して制御されるときに、発光すべきでない素子から光が放出されるのを有効に防止することができる。つまり、ONの画素(発光素子1A)の発光が発光層3と平行な方向に伝搬してOFFの画素(発光素子1A)に入射し、OFFの画素(発光素子1A)より外部へ放射されるのを防止することができる。そのため、このようなIP立体ディスプレイによれば、表示映像の雑音を低減することができる。
For example, when adjacent elements are controlled independently, such as when an IP stereoscopic display that is an IP display is configured by arranging a large number of the light emitting elements 1A on a substrate, light is emitted from elements that should not emit light. It can be effectively prevented from being released. That is, the light emitted from the ON pixel (light emitting element 1A) propagates in the direction parallel to the
また、発光素子1Aの内部の発光層3から、発光素子1Aの外側に向かった放射光を反射膜9で反射させて、発光素子1Aの内側に向かわせることができるので、この反射光の一部を、発光素子1Aの内部の低誘電率部6に入射させることが可能となる。これによって、発光素子1Aは、放射光の素子外部への取り出し強度をさらに向上させることができる。
Further, the radiated light directed toward the outside of the light emitting element 1A can be reflected by the
また、発光素子1,1Aは、発光素子層10をGaNで形成したが、本発明はこれに限らず、例えば、AlN、GaAlN、ZnO、GaAs、GaP、GaAlAs、GaAlAsP等であってもよい。
さらに、発光素子1,1Aは、低誘電率部6をSiO2で形成したが、本発明はこれに限らず、発光素子層10の材料よりも誘電率が低い誘電体材料であれば、材料は特に限定されない。例えば、低誘電率部6を、発光素子層10の材料よりも誘電率が低い絶縁体材料や半導体材料で形成してもよい。なお、低誘電率部6を、透明な誘電体材料で形成すると、光の内部吸収を抑えることができるので、より好ましい。
In the
Furthermore, although the low dielectric
また、さらに、発光素子1,1Aは、LED素子のような注入型のEL素子に限らず、有機EL素子や無機EL素子のような真性EL素子であってもよい。
さらに、発光素子1,1Aは、図1,11に示すように、柱体が、断面円形状かつ円柱状に形成されていたが、これに限らず、断面多角形状かつ多角柱状であってもよい。また、すべての柱体の直径は必ずしも等しくなくてもよい。
Furthermore, the
Furthermore, as shown in FIGS. 1 and 11, in the
なお、発光素子1,1Aは、最も好ましい例として柱体を低誘電率部6の表面に6本形成したが、この他に、柱体を低誘電率部6の表面に3本形成しても構わない。柱体の本数を3本とした場合、1本の柱体を制御柱とし、他の柱体を導波柱とするか、2本の柱体を制御柱とし、他の柱体を導波柱とする。3本の柱体の配置は図2(a)の角度αが120度となるようにすることが好ましい。
In the light-emitting
また、発光素子1,1Aは、光線の形成と放射方向の制御を必要とするデバイス一般にも応用することが可能であり、例えばプロジェクター用光源、空間光インターコネクションに用いる接続器、拡散板を必要としない照明用光源等にも利用することができる。
The
[発光素子の応用例]
本実施形態に係る発光素子1または1A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。このように、本実施形態に係る発光素子1または1Aを基板上に複数並べてIP立体ディスプレイを構成することで、パッシブマトリクス駆動が可能となるので、IP立体ディスプレイの低消費電力化、低コスト化等を実現できる。
[Application examples of light-emitting elements]
By arranging a large number of light-emitting
1,1A 発光素子
2 p型半導体層
3 発光層
4 n型半導体層
5 p電極層
51 開口部
6 低誘電率部
61 穴状部
7 n電極層
8 柱体
81,82,83 導波柱(柱体)
84,85,86 制御柱(柱体)
81a,82a,83a,84a,85a,86a 射出面
9 反射膜
10 発光素子層
20 基板
21 バッファ層
DESCRIPTION OF
84, 85, 86 Control pillar (pillar)
81a, 82a, 83a, 84a, 85a,
Claims (7)
前記p型半導体層の表面に設けられる遮光性を有するp電極層と、
前記発光素子層から前記p電極層まで貫通するように形成された穴状部内に設けられる低誘電率部と、
前記低誘電率部の表面の所定領域を取り囲むように前記表面から突出して設けられ、先端の射出面から光を放射する複数の柱体と、を備え、
前記低誘電率部は、前記発光素子層の材料よりも誘電率が低い材料で形成されており、
前記複数の柱体は、前記低誘電率部と同じ材料で形成され、少なくとも1本の柱体の高さが、その他の柱体の高さと異なることを特徴とする発光素子。 A light-emitting element layer including a light-emitting layer, an n-type semiconductor layer provided below the light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer provided above the light-emitting layer;
A light-shielding p-electrode layer provided on the surface of the p-type semiconductor layer;
A low dielectric constant portion provided in a hole-like portion formed so as to penetrate from the light emitting element layer to the p electrode layer;
A plurality of pillars that project from the surface so as to surround a predetermined region of the surface of the low dielectric constant portion, and emit light from the emission surface of the tip, and
The low dielectric constant portion is formed of a material having a dielectric constant lower than that of the light emitting element layer,
The plurality of pillars are formed of the same material as the low dielectric constant part, and the height of at least one pillar is different from the heights of the other pillars.
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