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 Patent Document 1, by providing a beam deflection unit such as a spatial light modulation element using a liquid crystal device in front of an image display unit composed of a liquid crystal display, There is described a stereoscopic display device that displays a stereoscopic image from a plurality of two-dimensional images having different viewpoint positions by deflecting light from pixels.
Further, as a technique for controlling the direction of light extracted from an LED, Patent Document 2 discloses a light emitting device capable of adjusting the emission angle of LED light.

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

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

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

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

前記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載の発光素子は、発光層と、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 claim 1 of the present invention includes a light emitting layer, an n-type semiconductor layer provided below the light emitting layer, and p provided above the light emitting layer. A light emitting element layer combined with a p-type semiconductor layer, a light-shielding p-electrode layer provided on the surface of the p-type semiconductor layer, and a hole formed so as to penetrate from the light-emitting element layer to the p-electrode layer A low dielectric constant portion provided in the shape portion, and a plurality of columns 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. The low dielectric constant portion is formed of a material having a lower dielectric constant than the material of the light emitting element layer, and the plurality of pillars are formed of the same material as the low dielectric constant portion, and at least one The height of the column is different from the height of other columns That.

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 claim 2 of the present invention is the light emitting device according to claim 1, wherein the bottom surface of the low dielectric constant portion is located 20 nm or more below the lower surface of the p-type semiconductor layer. It was.
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 claim 3 of the present invention is the light emitting device according to claim 1 or 2, wherein the low dielectric constant portion is 1 / of the dielectric constant of the material forming the light emitting device layer. The material is made of a material having a dielectric constant of 2 or less.
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 claim 4 of the present invention is the light emitting device according to any one of claims 1 to 3, wherein a reflective film is provided around at least the p-type semiconductor layer and the light emitting layer. We decided to provide it.
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 claim 5 of the present invention is the light-emitting element according to any one of claims 1 to 4, wherein the plurality of pillars are in a predetermined region on the low dielectric constant portion. Are arranged so as to surround the three columns, the heights of the three columns are different from the heights of the other three columns, the heights of the three columns are equal to each other, and The other three pillars have the same height.

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 claim 6 of the present invention is the light-emitting element according to any one of claims 1 to 5, wherein the diameter of the column body is equal to or greater than the wavelength in the free space of the emitted light. It was supposed to be.

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

また、本発明の請求項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 claim 7 of the present invention is the light-emitting element according to any one of claims 1 to 6, wherein the distance between the plurality of pillars is a coherence length of the emitted light. It was decided that

かかる構成によれば、各柱体同士の距離が放射光の可干渉長以下なので、各柱体中を伝搬して柱頭の射出面から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 claim 4, the light emitting element can further increase the amount of light that can be taken out of the element, and can suppress excess light from entering the element. Higher intensity light can be formed.
According to the invention described in claim 5, by forming six pillars, generation of extra light (interfering light) other than light formed as light rays, compared to the case of the number of columns less than that. And the radiation direction of the light beam can be controlled by changing the height of three of the six pillars.
According to invention of Claim 6, the light emitting element can perform direction control of a light beam more effectively.
According to the seventh aspect of the invention, the light emitting element can more effectively control the direction of the light beam.

本発明の実施形態の発光素子の構成を説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the structure of the light emitting element of embodiment of this invention. （ａ）は、図１に示す発光素子を上から見た平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線矢視における断面図である。(A) is the top view which looked at the light emitting element shown in FIG. 1 from the top, (b) is sectional drawing in the AA arrow of (a). 本発明の実施形態に係る発光素子における高い柱体と低い柱体との高さの差に応じた光の干渉の概念図である。It is a conceptual diagram of the interference of light according to the height difference of the high column and the low column in the light emitting device according to the embodiment of the present invention. （ａ）は、比較例の発光素子において、発光層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角度の範囲の説明図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態の発光素子において、発光層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角度の範囲の説明図である。(A) is explanatory drawing of the range of the angle of the radiation light which can be taken out outside the element with respect to the whole radiation light from a light emitting layer in the light emitting element of a comparative example, (b) is embodiment of this invention. In a light emitting element, it is explanatory drawing of the range of the angle of the radiation light which can be taken out outside the element with respect to the whole radiation light from a light emitting layer. 比較例の発光素子において、発光層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角度の範囲の説明図である。In the light emitting element of a comparative example, it is explanatory drawing of the range of the angle of the radiation light which can be taken out outside the element with respect to the whole radiation light from a light emitting layer. 本発明の実施形態の発光素子において、発光層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角度の範囲の説明図である。In the light emitting element of embodiment of this invention, it is explanatory drawing of the range of the angle of the radiation light which can be taken out out of an element with respect to the whole radiation light from a light emitting layer. （ａ）は、本発明の実施形態の発光素子の性能の一例を表すグラフであり、（ｂ）は、本発明の実施形態の発光素子に用いる材料の一例を表す図である。(A) is a graph showing an example of the performance of the light emitting element of embodiment of this invention, (b) is a figure showing an example of the material used for the light emitting element of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の発光素子の製造方法の一例の説明図である。It is explanatory drawing of an example of the manufacturing method of the light emitting element of embodiment of this invention. 図８に続いて、本発明の実施形態の発光素子の製造方法の一例の説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram of an example of the method for manufacturing the light emitting element according to the embodiment of the present invention, following FIG. 8. （ａ）は、比較例の発光素子と本発明の実施形態の発光素子とを対比するシミュレーションの条件の説明図であり、（ｂ）は、シミュレーション結果を示す図である。(A) is explanatory drawing of the conditions of the simulation which contrasts the light emitting element of a comparative example, and the light emitting element of embodiment of this invention, (b) is a figure which shows a simulation result. 本発明の実施形態の変形例である発光素子の構成を説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the structure of the light emitting element which is a modification of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の発光素子を用いたＩＰ立体ディスプレイの全体構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the whole structure of the IP three-dimensional display using the light emitting element of embodiment of this invention.

以下、本発明の発光素子を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面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 element 1 shown in FIG. 1 emits light from a flat surface, such as an LED.
The light-emitting element 1 is an element that emits light having high directivity, and is a light-directional light-emitting element that emits light in a specific direction.

図１に示すように、発光素子１は、ここでは、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 element 1 includes a p-type semiconductor layer 2, a light-emitting layer 3, an n-type semiconductor layer 4, a p-electrode layer 5, a low dielectric constant portion 6, and an n-electrode layer. 7 and column bodies 8 (81, 82, 83, 84, 85, 86) provided so as to protrude from the element surface. Hereinafter, a combination of the p-type semiconductor layer 2, the light-emitting layer 3, and the n-type semiconductor layer 4 is referred to as a “light-emitting element layer 10”. An IP stereoscopic display is configured by providing a large number of the light emitting elements 1 in parallel in the column direction and the row direction. FIG. 1 shows a light-emitting element 1 as a part of an IP stereoscopic display.

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 light emitting element 1 is shown in FIG. As shown in FIG. 12, in the IP stereoscopic display 100, an n-electrode layer 7 and a light emitting element layer 10 are formed for each column on a substrate 70, and the light emitting element layers 10 and 10 of the adjacent light emitting elements 1 and 1 are arranged. A gap S is formed between 10. In addition, on the surface of the light emitting element layer 10 of each light emitting element 1, a plurality of pillars are formed for each pixel position. Here, since a total of nine light emitting elements 1 are arranged as pixels on the substrate 70, a total of three sets of a plurality of pillars are formed on each stripe-shaped light emitting element layer 10 for each pixel position. In addition, on the surface of the p-type semiconductor layer 2 of each of the three light emitting element layers 10 in the stripe shape, the p electrode layer 5 is formed in a stripe shape so as to be orthogonal to the light emitting element layer 10 and the n electrode layer 7 for each row. Has been. That is, the IP stereoscopic display 100 shown in FIG. 12 uses one n-electrode layer 7 in common for each column and one p-electrode layer 5 in common for each row.

＜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 light emitting element 1 is demonstrated with reference to FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2B, the p-type semiconductor layer 2 is provided on the upper side (light extraction side) of the light-emitting layer 3, and for example, p-type GaN / InGaN in order from the light-emitting layer 3 side. The barrier layer and the p-type GaN layer may be stacked.
The p-type semiconductor layer 2 has a p-electrode layer 5 described later stacked on the surface.
The thickness t 1 of the p-type semiconductor layer 2 is not less than the wavelength λ 1 in the semiconductor of the emitted light. The thickness t 1 of the p-type semiconductor layer 2 is equal to the distance d 1 from the lower surface of the p electrode layer 5 to the upper surface of the light emitting layer 3 described later.

＜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 light emitting element 1 is a blue light emitting element, the light emitting layer 3 is formed as, for example, an InGaN quantum well layer.

＜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-type semiconductor layer 4 is provided on the lower side of the light-emitting layer 3, and for example, in order from the farthest from the light-emitting layer 3, an n-type GaN layer, n A type GaN / InGaN barrier layer may be stacked.

＜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-electrode layer 5 is a thin-film metal electrode laminated on the surface of the p-type semiconductor layer 2, and when a positive voltage is applied from a power source (not shown), the p-type semiconductor Holes are injected into the layer 2. The p electrode layer 5 has an opening 51 at a substantially central portion, and a low dielectric constant portion 6 described later passes through the opening 51.

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 p electrode layer 5 is stacked on the surface of the p-type semiconductor layer 2, and the surface is flush with the base portion of the column 8 and the surface of the low dielectric constant portion 6. It has become.
Further, as shown in FIG. 12, the p electrode layer 5 is provided over the light emitting element layers 10 of the plurality of light emitting elements 1 separated from each other by the gap S. In FIG. 1, for convenience, the p electrode layer 5 is shown cut at a position flush with the end face of the light emitting element 1.
A distance d 1 from the lower surface of the p-electrode layer 5 to the upper surface of the light emitting layer 3 is set to a wavelength λ 1 or more in the semiconductor of the emitted light. In other words, the thickness t 1 of the p-type semiconductor layer 2 interposed between the p-electrode layer 5 and the light emitting layer 3 is set to a wavelength λ 1 or more in the semiconductor of the emitted light.

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 electrode layer 5 can be formed of a material having a work function smaller than that of the p-type semiconductor layer 2. For example, if the p-type semiconductor layer 2 is GaN, the electron affinity is 2.9 eV and the energy gap is 3.4 eV, so the work function ψ is 6.3 eV. Therefore, a metal such as Au (ψ = 4.8 eV), Cu (ψ = 4.18 eV), Ni (ψ = 4.0 eV) having a work function ψ smaller than this, or TaN or HfN (both ψ = 4). .8 eV) and the like may be used.

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 p electrode layer 5 also functions as a light shielding film for masking light emitted from other than the column body 8.
That is, since the p-electrode layer 5 is formed of a light-shielding metal material, when the light emitted from the light-emitting layer 3 and propagated through the p-type semiconductor layer 2 reaches the p-electrode layer 5, the p-electrode layer 5 is shielded. Thereby, light can be prevented from being emitted from the region where the p-electrode layer 5 is laminated on the element surface. The thickness t 2 of the p electrode layer 5 can be appropriately set according to the material forming the p electrode layer 5.
Although not shown, the p electrode layer 5 has a so-called pad electrode formed on a part of its surface, and is connected to the anode of a power source (none of which is shown) via this pad electrode.

＜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 constant portion 6 penetrates the p-electrode layer 5 and is provided in a hole-like portion 61 that is recessed to a predetermined depth in the light emitting element layer 10, rather than the material of the light emitting element layer 10. It is a columnar layer formed of a material having a low dielectric constant. Here, the low dielectric constant portion 6 is formed in a columnar shape and has a flat bottom surface. The bottom surface of the low dielectric constant portion 6 is located 20 nm or more below the bottom surface of the p-type semiconductor layer 2. As shown in FIG. 2B, here, the predetermined depth (depth d 2 from the surface of the p-type semiconductor layer 2) is a depth that is 20 nm or more larger than the thickness t 1 of the p-type semiconductor layer 2. That's it. Therefore, the depth of the low dielectric portion 6 (the depth d 3 from the surface of the p electrode layer 5) were combined and the thickness t 1 of the thickness t 2 and p-type semiconductor layer 2 of the p electrode layer 5 20 nm or more larger than the size. According to this, since the bottom surface of the low dielectric constant portion 6 is located further below the light emitting layer 3, one of the light emitted from the light emitting layer 3 in the horizontal direction or the downward direction is also the same. Part can be made incident in the low dielectric constant part 6.
The diameter φ 1 of the low dielectric constant portion 6 may be any size as long as it can contain the column bodies 8 (six here), and can be set as appropriate. Further, the surface of the low dielectric constant portion 6 is the same height as the surface of the p electrode layer 5.

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 constant portion 6 is not particularly limited as long as it is a dielectric material having a lower dielectric constant than the material for forming the light emitting element layer 10. For example, in the light emitting element layer 10, the p-type semiconductor layer 2 has a structure in which a p-type GaN / InGaN barrier layer and a p-type GaN layer are stacked in order from the light-emitting layer 3 side. When the quantum well layer is used and the n-type semiconductor layer 4 has a structure in which an n-type GaN layer and an n-type GaN / InGaN barrier layer are stacked in order from the light emitting layer 3, the low dielectric constant portion 6 is The light emitting element layer 10 can be formed of SiO 2 or the like having a dielectric constant smaller than that of the material of the light emitting element layer 10. The following effects can be expected by forming the low dielectric constant portion 6 with SiO 2 . That is, since SiO 2 is rich in workability, it is not necessary to control the crystal growth conditions, etc., and suppress physical and chemical damage to the light emitting material constituting the light emitting element layer 10. Can do. Further, since SiO 2 is a transparent dielectric material, internal absorption can be reduced, and background noise can be reduced.

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 constant portion 6 is more preferably formed of a dielectric material having a dielectric constant less than half that of the material forming the light emitting element layer 10. Thereby, since the transmittance of the low dielectric constant portion 6 can be increased, the internal absorption of light can be reduced, and the amount of light that can be extracted outside the device can be further increased.

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 light emitting element 1, an n electrode layer 7 may be provided below the n type semiconductor layer 4 as shown in FIGS. 1, 2 (b), and 12.
The n-electrode layer 7 is a metal electrode provided below the n-type semiconductor layer 4, and injects electrons into the n-type semiconductor layer 4 when a negative voltage is applied from a power source (not shown). Although not shown here, the n-electrode layer 7 has a so-called pad electrode formed on a part of its surface, and is connected to the cathode of a power source (none of which is shown) via this pad electrode. As shown in FIG. 12, the n electrode layer 7 is provided over the plurality of light emitting elements 1. The n electrode layer 7 can be formed of a material whose contact resistance with the n-type semiconductor layer 4 is smaller than the contact resistance between the p electrode layer 5 and the p-type semiconductor layer 2. For example, when the p electrode layer 5 is formed of Ni / Au, the contact resistance with the GaN-p layer is about 13 × 10 −3 Ωcm −2 , and thus the n electrode layer 7 has a smaller contact resistance than this. For example, it can be formed of pd / Au. pd / Au satisfies the condition because the contact resistance with the GaN-p layer is about 8 × 10 −3 Ωcm −2 .

また、発光素子１は、ｎ型半導体層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 light emitting element 1 may be configured to include a substrate (not shown) below the n-type semiconductor layer 4. The substrate can be formed of, for example, sapphire, GaAs, Si, SiC, or the like.

＜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 column body 8 includes a first column body 81, a second column body 82, a third column body 83, and a fourth column, which are provided so as to protrude from the element surface. Column body 84, fifth column body 85, and sixth column body 86. The element surface here specifically means the surface of the low dielectric constant portion 6. The column 8 is provided so as to protrude from the surface of the low dielectric constant portion 6, and here, is integrally formed of the same material as the low dielectric constant portion 6.

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 column 8 is formed of a dielectric material having a dielectric constant smaller than that of the light emitting element layer 10. The column body 8 can be formed of, for example, SiO 2 , similarly to the low dielectric constant portion 6 described above. Since SiO 2 is a transparent dielectric material, the internal noise absorption can be reduced by forming the column body 8 with SiO 2 , so that background noise can be reduced. Therefore, an increase in the amount of light emitted from the exit surface can be expected. The column body 8 is more preferably formed of a dielectric material having a dielectric constant equal to or less than half that of the material forming the light emitting element layer 10, similarly to the low dielectric constant portion 6. Thereby, since the transmittance of the column 8 can be increased, the internal absorption can be further reduced, and the amount of light that can be extracted outside the device can be further increased. Here, FIG. 2A shows six column bodies 81, 82, 83, 84, 85, 86 arranged in an annular shape so as to surround a predetermined region on the element surface.

図２（ａ）に示すように、柱体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 column body 81 is the exit surface 81a, the column head of the column body 82 is the exit surface 82a, the column head of the column body 83 is the exit surface 83a, and The stigma is the exit surface 84a, the stigma of the column body 85 is the exit surface 85a, and the stigma of the column body 86 is the exit surface 86a.

＜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 pillars 81, 82, 83, 84, 85, 86 are shown in a circle. That is, the shape of the plane figure when each of the exit surfaces 81a, 82a, 83a, 84a, 85a, 86a is projected onto the element surface is assumed to be a circle. In addition, each of the emission surfaces 81a, 82a, 83a, 84a, 85a, 86a is substantially parallel to the element surface.

＜柱体の直径＞
図２（ａ）に示すように、各射出面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 exit surface 81a, 82a, 83a, 84a, 85a, the diameter phi 2 of the plane figures obtained by projecting 86a on the element surface is assumed to be equal, respectively. The diameter φ 2 has a thickness sufficient for light from the light emitting layer 3 of the light emitting element 1 to pass through. Here, the sufficient thickness, the emission wavelength of the light emitted from the light-emitting element 1 is (hereinafter, lambda 0 and denoted) about more. The wavelength λ 0 indicates the emission wavelength in the free space of the emitted light. For example, let the diameter φ 2 be λ 0 .

＜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 pillars 81, 82, 83, 84, 85, 86 are annularly arranged at regular intervals around the origin M (details will be described later) on the element surface. Here, it is the arrangement angle theta 1 of the columnar body 81,82,83,84,85,86 and 60 degrees. Thereby, when light is radiated | emitted from the exit surfaces 81a, 82a, 83a, 84a, 85a, 86a of the column bodies 81, 82, 83, 84, 85, 86, extra light other than light formed as light rays Since the (interfering light) does not interfere with the specific location, the quality of the formed light beam can be improved. Details will be described later.

＜柱体の中心間の間隔＞
柱体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 column bodies 81, 82, 83, 84, 85, 86, the interval between the centers of the circularly adjacent column bodies is set in advance to such a length that the light emitted from the exit surface of the adjacent column bodies can interfere. Is set. Here, the diameter φ 2 of each column is λ 0, and the interval p 1 between the columns facing each other across the optical axis, here, the columns 82 and 85 is 1.2λ 0 . Since the diameter φ 2 of each pillar is λ 0 , the interval p 2 between the annularly adjacent pillars, for example, the pillars 81 and 86 is substantially zero.

＜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 column bodies 81, 82, 83, 84, 85, 86 on the element surface. The origin M includes the center O 1 of the column 81, the center O 2 of the column 82, the center O 3 of the column 83, the center O 4 of the column 84, and the center O 5 of the column 85. And a center of equilateral distance from the center O 6 of the column 86 and a center of gravity of a regular hexagon having the centers O 1 , O 2 , O 3 , O 4 , O 5 , and O 6 as vertices (denoted as an origin M) It is). Here, it is preferable that the six pillars 81, 82, 83, 84, 85, 86 are annularly and equally arranged. It should be noted that the shape and size of the predetermined region surrounded by each column can be appropriately designed as desired while balancing with the diameter φ 2 of the column.
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 column bodies 81, 82, 83, 84, 85, 86 have a height of at least one column body different from that of other column bodies.
In the example shown in FIG. 1 and FIG. 2A, among the column bodies 81, 82, 83, 84, 85, 86, the three column bodies 84, 85, 86 are the other three column bodies 81, 82, It is assumed that the height is lower than 83. The three column bodies 81, 82, and 83 have the same height, and the other three column bodies 84, 85, and 86 have the same height.
Here, the conceptual diagram for demonstrating the height of the column 8 of the light emitting element 1 is shown in FIG.2 (b). Since the high column bodies 81, 82, and 83 have the same height, and the low column bodies 84, 85, and 86 have the same height, in FIG. 2 (b), columns with different heights that face each other across the optical axis. One body is shown (column body 82 and column body 85) one by one, and the other column bodies are not shown.

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 constant portion 6 of the column body 82 (81, 83) is set as a reference height H. Then, the height from the low dielectric portion 6 surface of the pillar member 82 (81, 83), the difference between the height from the low dielectric portion 6 surface of the pillar member 85 (84, 86) When d 4 The height of the column 85 (84, 86) from the surface of the low dielectric constant portion 6 is “Hd 4 ” (see FIG. 2B).

本実施形態の発光素子１では、後記する実験結果に基づいて、柱体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 light emitting device 1 of the present embodiment, based on the experimental results to be described later, the height difference d 4 between the column 82 (81, 83) and the column 85 (84, 86) is in the dielectric of the emitted light. It was decided that it was below the length of the wavelength in. Here, the wavelength of radiated light in the dielectric is the wavelength when light having a certain wavelength in free space propagates through the dielectric (inside the column) as an optical waveguide.
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 high column bodies 81, 82, 83 are referred to as “waveguide columns”, and the low column bodies 84, 85, 86 whose heights are adjusted to be different from the column bodies 81, 82, 83 are “ It may be distinguished by being called a “control pillar”.

＜柱体の配置＞
図２（ａ）に示すように、高い柱体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 high column bodies 81, 82, and 83 (waveguide columns) and the low column bodies 84, 85, and 86 (control columns) are arranged facing each other across the optical axis. The Specifically, the column body 81 and the column body 84 face each other, the column body 82 and the column body 85 face each other, and the column body 83 and the column body 86 face each other.

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

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

［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 light emitting layer 3 of the light emitting element 1 will be described.
In the light-emitting element 1, a positive voltage is applied to the p-electrode layer 5 from a power source through a pad electrode (none of which is shown), and a negative voltage is applied to the n-electrode layer 7 from the power source through a pad electrode (none of which is shown). By applying a voltage, holes are injected from the p-electrode layer 5 into the p-type semiconductor layer 2, and electrons are injected from the n-electrode layer 7 into the n-type semiconductor layer 4. In the light emitting element 1, holes injected from the p electrode layer 5 move to the light emitting layer 3, which is a junction between the p type semiconductor layer 2 and the n type semiconductor layer 4, while diffusing in the p type semiconductor layer 2. On the other hand, electrons injected from the n-electrode layer 7 move in the n-type semiconductor layer 4 to the light-emitting layer 3 which is a junction. The light emitting element 1 emits light by energy generated by recombination of holes and electrons at the junction of the light emitting layer 3.
In the light-emitting element 1, since the surface areas of the p-electrode layer 5 and the light-emitting layer 3 are equal, holes injected from the p-electrode layer 5 reach the entire light-emitting layer 3, so that the entire light-emitting layer 3 emits light. .

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 light emitting layer 3 enters the columnar body 8 from directly below the columnar body 8, propagates through the columnar body 8, and is emitted from the respective exit surfaces into the air.
On the other hand, the light emitted from the light emitting layer 3 and incident on the p electrode layer 5 provided on the upper side of the p-type semiconductor layer 2 is shielded by the light shielding p electrode layer 5 and therefore is not emitted into the air. Therefore, the light emitting element 1 can be prevented from being affected by interference light when the light beam is formed by the light emitted from the emission surface of the column 8.

［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 column bodies 81, 82, 83, 84, 85, 86 of the light emitting element 1 will be described with reference to FIG. Since the column bodies 81, 82, and 83 have the same height, and the column bodies 84, 85, and 86 have the same height, the description using FIG. An explanation will be given by taking as an example the interference of light emitted from two column bodies 82 and 85 having different heights facing each other across the axis. In this description, for the sake of simplicity, the light emitted from the light emitting layer 3 is incident on the low dielectric constant portion 6, and then the light traveling in the vertical direction from the vicinity of the bottom surface of the low dielectric constant portion 6 is the column 82. , 85 is radiated into the air through the central axis.

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 light emitting element 1 is set as a reference position, the height of the column body 82 is H, and the height of the column body 85 is (H−δH). Here, when the ratio (= d 4 / H) of the column height difference d 4 (see FIG. 2B) to the height H of the column 82 is “δ”, the column 82 and the column The height difference d 4 from 85 (see FIG. 2B) can be expressed by d 4 = δH. In the following description, the height difference d 4 between the column body 82 and the column body 85 (see FIG. 2B) is described as “δH”, and the column body 82 with respect to the height H of the column body 82 is described. The ratio δ of the height difference d 4 (see FIG. 2B) between the column body 85 and the column body 85 will be described as “height difference ratio δ”.

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 p electrode layer 5 and the low dielectric portion 6). Also, the position of the exit surface 85a of the stigma of columnar body 86 and altitude h 1, the position of the exit surface 82a of the stigma of columnar body 82 and advanced h 2. That is, there is a relationship of h 2 −h 1 = δH. The interval between the two column bodies 82 and 85 facing each other across the optical axis is defined as p 1 (see FIG. 2A). And altitude h 3 a predetermined point C on the vertical central axis equidistant from the central axis of the two cylindrical body 82 and 85 to directly facing each other across the optical axis.

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 light emitting device 1 shown in FIG. 3, the light incident on the low dielectric constant portion 6 from the light emitting layer 3 is branched and emitted to a high column (waveguide column) 82 and a low column (control column) 85. The Further, when passing through the high column 82, as a single optical path (hereinafter referred to as optical path A), the point C1 passes through the point A1 in the column 82 and the center point A2 of the exit surface 82a of the column 82. Assume an optical path to reach. In addition, when passing through the low column 85, an optical path reaching the point C via the center point B1 of the exit surface 85a of the column 85 and the point B2 that is higher than the point B1 by δH is assumed.

光路Ａを通る光と光路Ｂを通る光とは、高度ｈ１までは同じ媒質（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 element layer 10 is branched into two, one is emitted as it is in the atmosphere (or in vacuum), and the other is emitted after propagating in the dielectric When the two lights are encountered after they are emitted, the optical paths are different, so the phases of the light are different. Therefore, if the wavelength in the dielectric of light is λ 2 and the phase advances by α in the dielectric (for example, SiO 2 ) in the section from the height h 1 to the height h 2 in the optical path A, the point A 2 of the optical path A The phase is represented by the following formula (1).

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 point B 2 in the optical path B is expressed by the following formula (2 ).

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 column body 82 and the column body 85. When the following equation (3) is transformed, the height difference δH is expressed by equation (4).

したがって、以下の式（４）に示すように、柱体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 column body 82 and the column body 85 can be controlled by adjusting the height difference δH between the column body 82 and the column body 85. Then, the light respectively emitted from the exit surface 85a of the exit surface 82a and columnar body 85 of the thus columnar body 82, since there is a phase difference τ at a point advanced h 2 of FIG. 3, these lights together When the interference occurs, one light beam is generated in a direction inclined by the control angle with respect to the direction perpendicular to the element surface in accordance with the phase difference τ. Therefore, by adjusting the height difference δH between the column body 82 and the column body 85 to control the phase difference τ, the light beam can be emitted in the direction of a desired control angle. Since H in the height difference δH between the column 82 and the column 85 is a fixed value, the ratio δ of the height difference δH between the column 82 and the column 85 with respect to the height H of the column 82 Is adjusted, the phase difference τ between the column body 82 and the column body 85 can be controlled.

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 column 82 is delayed as compared with the light passing through the column 85, when both are mixed, a wave having a completely different wave front from the wave front of the two lights is generated. That is, the wavefronts of the light emitted from the columns 82 and 85 interfere with each other, and light is emitted in a direction (direction) determined by the relative positions of these two columns 82 and 85 (positions in the three-dimensional space). Will be emitted.

続いて、３次元空間の位置ｒ１にある波源としての柱体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 column 82 as the wave source at the position r 1 in the three-dimensional space and the column 85 as the wave source at the position r 2 in the three-dimensional space will be described.
The intensity I (r) of light shaped at the time t at the position r in the three-dimensional space by the light respectively emitted from the wave source at the position r 1 and the wave source at the position r 2 is expressed by the following equation (5 ).

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 light emitting layer 3 is superimposed after being emitted from the two wave sources, and the wave front is changed to advance the wave. The direction can be changed. In equation (5), the real part of γ in equation (6) is used. E * in the formula (6) indicates a complex conjugate of E. As shown in Expression (6), γ takes a value from 0 to 1, and indicates how much the light emitted from the two wave sources is correlated in time and space. Therefore, γ can be divided into cases as shown in the following equations (7) to (9).

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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

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 light emitting layer 3 of the light emitting element 1 will be described. Here, in order to make the explanation easy to understand, a light-emitting element 1 that does not include the low dielectric constant portion 6 (hereinafter referred to as “light-emitting element of comparative example”) is virtually designed and compared with the light-emitting element of the present embodiment. With respect to the light emitting element of the example, the ratio of the radiated light that can be extracted outside the element to the entire radiated light will be described in comparison.

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 element 1 ′ of the comparative example, and FIG. 4B shows a cross-sectional view of the light-emitting element 1 of the present embodiment. Hereinafter, the same reference numerals are used for the configurations common to the light-emitting element 1 ′ of the comparative example illustrated in FIG. 4A and the light-emitting element 1 of the present embodiment illustrated in FIGS. And redundant description is omitted. Here, first, the configuration of the light-emitting element 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 4A will be briefly described. In addition, since the light emitting element 1 of this embodiment shown in FIG.4 (b) is as having demonstrated with reference to FIG.1, 2, the description which overlaps is abbreviate | omitted here.

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 element 1 ′ of the comparative example includes an n-electrode layer 7, an n-type semiconductor layer 4, a light-emitting layer 3, and a p-type semiconductor layer 2, and further, A p electrode layer 5 is laminated on the surface of the p-type semiconductor layer 2. However, in the light emitting element 1 ′ of the comparative example, the p electrode layer 5 has an opening 51 at a substantially central portion, and the p-type semiconductor layer 2 is provided in the opening 51. The light emitting element 1 ′ of the comparative example protrudes from the element surface (the surface of the p-type semiconductor layer 2 in the opening 51) and has six column bodies 8 (column bodies 81, 82, 83, 84, 85, 86 (here) Then, only the column bodies 82 and 85 are shown)), and a predetermined origin M (not shown) is taken at an equal distance from the center of each column body, as in the light emitting device 1 of the present embodiment. ing. The light emitting device 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 4A is similar to the light emitting device 1 of the present embodiment shown in FIGS. Since the column bodies 81, 82, and 83 are the same height as each other, and the column bodies 84, 85, and 86 are the same height as each other, in FIG. Only the bodies 82 and 85 are shown. Further, in the light emitting element 1 ′ of the comparative example, a combination of the n-type semiconductor layer 4, the light emitting layer 3, and the p-type semiconductor layer 2 is referred to as a light emitting element layer 10.

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 element 1 ′ of the comparative example, the light-emitting layer 3 is uniformly provided on the upper surface of the n-type semiconductor layer 4, and the column body 8 (82, 85) is the same material as the p-type semiconductor layer 2. It is integrally formed on the surface of the p-type semiconductor layer 2.
Here, in the light emitting element 1 ′ of the comparative example, the column body 8 (82, 85) refers only to a portion protruding from the surface of the p-type semiconductor layer 2.

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 light emitting element 1 ′ of the comparative example emits light on the same principle as the light emitting element 1 of the present embodiment described above with reference to FIGS. Here, in the light emitting element 1 ′ of the comparative example, the light emitting layer 3 is uniformly provided, while the p electrode layer 5 is provided in part. In the light-emitting element 1 ′ of the comparative example, the holes injected from the p-electrode layer 5 are propagated while diffusing in the p-type semiconductor layer 2. Therefore, in addition to the region immediately below the p-electrode layer 5, the opening 51 A part of the area directly below is also reached. Since the mobility of electrons in the n-type semiconductor layer 4 is much larger than the mobility of holes in the p-type semiconductor layer 2, recombination of holes and electrons is caused by the light-emitting element 1 ′ of the comparative example. It occurs when holes reach the light emitting layer 3. In other words, the light emitting layer 3 emits light only in a region where holes have reached. Therefore, the light emission range of the light emitting element 1 ′ of the comparative example is limited to a part of the light emitting layer 3.

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 light emitting element 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 4A considers light emission at the point indicated by reference numeral 401 in the light emitting layer 3. In the light-emitting element 1 ′ of the comparative example, the refractive index of the light-emitting element layer 10 is n A. Furthermore, in the light emitting element 1 ′ of the comparative example, the distance from the perpendicular L 1 drawn along the interface between the p electrode layer 5 and the p type semiconductor layer 2 to the light emitting position 401 is x.

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 light emitting element 1 of the present embodiment shown in FIG. 4B, the light emission at the point indicated by the reference numeral 402 in the light emitting layer 3 is considered. In the light-emitting element 1 of this embodiment, the distance from the vertical line L 2 drawn down along the interface between the p electrode layer 5 and the low dielectric portion 6 to the light emitting position 402 and x.
Further, in the light emitting element 1 of the present embodiment shown in FIG. 4B, the refractive index of the light emitting element layer 10 is n A and the refractive index of the low dielectric constant portion 6 is n B. At this time, the relationship of refractive index n A > refractive index n B is established. Here, the refractive index n A of the light emitting element layer 10 is approximated by the square root of the dielectric constant of the material forming the light emitting element layer 10, and the refractive index n B of the low dielectric constant portion 6 forms the low dielectric constant portion 6. It is approximated by the square root of the dielectric constant of the material.

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 light emitting device 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 4A and the light emitting device 1 of the present embodiment shown in FIG. 4B, the emitted light from the light emitting layer 3 is emitted to the outside of the device. The principle to be compared will be explained.
As shown in FIG. 4A, in the light emitting element 1 ′ of the comparative example, the incident angle θ 1 to the exit surface of the column 8 out of the radiated light from the light emitting position 401 of the light emitting layer 3 is the critical angle θ A. Only smaller radiated light is emitted outside the device.

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 light emitting device 1 of the present embodiment is incident on the interface between the light emitting layer 3 and the low dielectric constant portion 6 out of the emitted light from the light emitting position 402 of the light emitting layer 3. Only radiated light having an angle θ 2 smaller than the critical angle θ AB is incident on the low dielectric constant portion 6. The light emitting element 1 radiates only the radiated light incident on the low dielectric constant portion 6 to the outside of the element, with the incident angle θ 3 on the exit surface of the column 8 being smaller than the critical angle θ B. Will be.

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 light emitting element 1 ′ of the comparative example, out of the radiated light from the light emitting layer 3, the radiated light is directly incident on the exit surface of the column 8 and the incident angle θ 1 is smaller than the critical angle θ A. Only the element is taken out. On the other hand, since the light emitting element 1 of the present embodiment includes the low dielectric constant portion 6, the incident angle θ 2 when the radiated light from the light emitting layer 3 is incident on the low dielectric constant portion 6 in the horizontal direction is critical. When the incident angle θ 3 is smaller than the angle θ AB and the incident angle θ 3 when propagating through the low dielectric constant portion 6 and entering the exit surface of the column 8 is smaller than the critical angle θ B , it can be taken out of the element. it can.

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 light emitting element 1 ′ of the comparative example, only a part of the light that goes directly from the light emitting layer 3 to the emission surface of the column body 8 can be extracted outside the element. Therefore, in the light emitting element 1 ′, the angle range of light that can be extracted outside the element is extremely narrow and limited.
On the other hand, according to the light emitting element 1 of the present embodiment, the light emitting element 3 emits light by providing the low dielectric constant portion 6 having a refractive index different from that of the light emitting element layer 10 between the light emitting layer 3 and the exit surface of the column body 8. Not only the radiated light radiated from the layer 3 and directly incident on the exit surface of the columnar body 8, but also the radiated light in a wider angular range can be extracted outside the device.

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 light emitting device 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 5 and the light emitting device 1 of the present embodiment shown in FIG. 6, the radiation that can be extracted outside the device with respect to the entire emitted light from the light emitting layer 3 The ratio of light will be explained.
Here, the light emitting element 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 5 is the same as the light emitting element 1 ′ shown in FIG. 4A, and the light emitting element 1 of the present embodiment shown in FIG. This is the same as the light-emitting element 1 shown in FIG. The light-emitting element 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 5 and the light-emitting element 1 according to the present embodiment shown in FIG. 6 have the same shape but different internal structures (two-dimensional cross sections). FIG. 5 shows a two-dimensional cross section of the light emitting element 1 ′ of the comparative example, but has a rotationally symmetric structure including a predetermined origin M (not shown) and a line perpendicular to the substrate as a central axis. . Similarly, FIG. 6 shows a two-dimensional cross section of the light-emitting element 1 according to the present embodiment, but the light-emitting element 1 is centered on a line that includes the predetermined origin M shown in FIG. It has a rotationally symmetric structure with an axis.

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 light emitting device 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 5, the range of the radiation angle that can be extracted outside the device and the ratio of the emitted light that can be extracted outside the device with respect to the entire emitted light from the light emitting layer 3 will be described. To do.
In the light emitting device 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 5, when the refractive index of the light emitting device layer 10 is n A and the critical angle with respect to the incident angle to the exit surface of the column 8 is θ A , the critical angle θ A is It is defined as the following equation (10).

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 light emitting element 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 5, the light emission of the light emitting layer 3 is isotropic emission with a density γ, and the light emitting layer 3 is directly below the interface between the p electrode layer 5 and the p-type semiconductor layer 2. Assuming that the position I is the reference position (distance 0) and the intensity I at the light emitting position separated by the distance x is expressed by the following equation (11), the emitted light from the light emitting layer 3 is exposed to the outside of the element. The ratio dI to be taken out is expressed by the following formula (12).

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 light emitting element 1 ′ of the comparative example, and θ 2 is the light emitting element 1 ′ of the comparative example. This is the maximum value of the radiation angle of radiation that can be extracted outside the device. Here, the minimum value θ 1 and the maximum value θ 2 are expressed by an elevation angle with respect to the surface of the light emitting layer 3. Further, the emitted light emitted at the emission angle R 1 within the range from the minimum value θ 1 to the maximum value θ 2 can be extracted outside the element.
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 cylindrical body 8 of the emitted light It represents with following Formula (13) between (theta) A.

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 light emitting device 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 5, since there is a p-electrode layer 5 that shields the emitted light from the light emitting layer 3 above the light emitting layer 3, the emitted light from the light emitting layer 3 toward the upper portion of the device. Among these, light incident on the p electrode layer 5 is shielded by the p electrode layer 5. Therefore, in the light emitting element 1 ′ of the comparative example, the maximum value θ 1 of the radiation angle of the radiated light that can be extracted outside the element is the p-type semiconductor layer 2 in the light emitting layer 3 as shown in the following formula (14). This is limited by the depth D from the surface and the distance x to the light emission position 501.

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 layer 3, there is a case where the minimum value theta 1 radiation angle exceeds the maximum value theta 2. In such a case, the radiated light emitted from the point of the distance x cannot be extracted outside the element. Therefore, the distance x must be in the range of 0 ≦ x ≦ Dtan θ A.
From the above, in the light emitting device 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 5, the ratio I c of the radiated light that can be extracted outside the device with respect to the entire radiated light from the light emitting layer 3 is expressed by the following equation (15). Is done.

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 light emitting device 1 of the present embodiment shown in FIG. 6, the range of the radiation angle that can be extracted outside the device, and the ratio I of the emitted light that can be extracted outside the device with respect to the entire emitted light from the light emitting layer 3. d will be described.
As shown in FIG. 6, in the light-emitting element 1 of the present embodiment, the refractive index of the light-emitting element layer 10 is n A, and the refractive index of the low dielectric constant portion 6 is n B (where n B <n A ), The critical angle with respect to the incident angle to the interface between the light emitting element layer 10 and the low dielectric constant portion 6 is θ AB, and the critical angle with respect to the incident angle to the exit surface of the column 8 is θ B. However, the critical angle θ AB and the critical angle θ B are defined by the following equations (16) and (17).

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 light emitting device 1 of the present embodiment shown in FIG. 6, the emitted light from the light emitting layer 3 is partially incident on the low dielectric constant portion 6 and then incident on the low dielectric constant portion 6 as described above. A part of the emitted light is incident on the exit surface of the column 8 and is emitted from the exit surface to the outside of the element.
In this case, in the light emitting element 1 of the present embodiment, the minimum value θ 1 of the radiation angle of the radiated light that can be extracted out of the light emitted from the light emitting layer 3 is the incident angle to the low dielectric constant portion 6. From the angle which becomes (π / 2−θ B ), it is expressed by the following equations (18) and (19). Here, the minimum value θ 1 is represented by an elevation angle with respect to the surface of the light emitting layer 3, and the maximum value θ 2 is represented by an dip angle with respect to the bottom surface of the p electrode layer 5.

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 light emitting device 1 of the present embodiment is different from the minimum value theta 1 of the light emitting element 1 'of the comparative example.
In the light emitting device 1 of the present embodiment, the maximum value θ 2 of the radiation angle of the radiated light that can be extracted out of the light emitted from the light emitting layer 3 is the same as that of the p electrode layer 5 in the light emitting layer 3 and the low dielectric constant. It changes according to the distance x to the light emission position when the position immediately below the interface with the rate part 6 is set as a reference position (distance 0). Specifically, the maximum value θ 2 decreases as the distance x increases. Further, the maximum value θ 2 is expressed as follows in consideration of shielding by the p electrode layer 5.
That is, in the light emitting element 1 of the present embodiment, when the value of the distance x is small, the emitted light is not blocked because it does not enter the p electrode layer 5. Therefore, the maximum value θ max in this case is expressed by the following equation (20).
On the other hand, in the light emitting element 1 of the present embodiment, when the value of the distance x is increased, the emitted light is incident on the p electrode layer 5 and is blocked. Therefore, the maximum value θ max in this case is expressed by the following equation (21).

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 light emitting element 1 of the present embodiment, the emitted light emitted at the radiation angle R 2 within the range from the minimum value θ 1 to the maximum value θ 2 from the light emitting position can be extracted outside the element.
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.

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 light emitting device 1 of the present embodiment from the above, the percentage I d of to the entire light emitted from the light-emitting layer 3, which can be emitted light is taken out to the outside of the device is represented by finally the following equation (23).

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 light emitting device 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 5, the ratio I c of the radiated light that can be extracted outside the device with respect to the entire radiated light from the light emitting layer 3, and the light emitting device 1 of the present embodiment shown in FIG. in, the ratio of the total light emitted from the light-emitting layer 3, the ratio I d of possible emitted light is taken out to the outside of the device is expressed by the following equation (24).

Figure 0006055316
Figure 0006055316

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 light emitting element 1 ′ of the comparative example shown in FIG. 5 and the light emitting element 1 according to the present embodiment shown in FIG. 6, it is assumed that the emission points are uniformly distributed throughout the light emitting layer 3. In a two-dimensional section, it can be said that the number of radiation points increases as the distance from the central axis increases. As described above, the light-emitting element 1 of the present embodiment can extract radiation emitted from a radiation point having a larger distance x than the light-emitting element 1 ′ of the comparative example, that is, a radiation point far from the central axis, to the outside of the element. it can. Therefore, it can be seen that the light-emitting element 1 according to the present embodiment can extract emitted light from more radiation points to the outside of the element than the light-emitting element 1 ′ of the comparative example, and thus the emission intensity is increased.

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 element layer 10 of the light emitting element 1 of the present embodiment is made of GaN (refractive index n A = 2.6, but here, the refractive index n A = 3.0 is approximately set). When the low dielectric constant portion 6 is formed of a plurality of materials having different dielectric constants, the ratio of the ratio of the emitted light that can be extracted outside the device to the entire emitted light from the light emitting layer 3 is confirmed. Is shown in FIG.

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 light emitting device 1 ′ of the comparative example shown in FIGS. 4A and 5 is compared with the light emitting device 1 of the present embodiment shown in FIGS. It can be said that the light emitting element 1 can increase the extraction intensity of the emitted light to the outside of the element as compared with the light emitting element 1 ′ of the comparative example.

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

以下、図１に示す発光素子１を２次元状に複数並べ、かつ、ｎ電極層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 elements 1 shown in FIG. 1 are arranged two-dimensionally and provided with an n-electrode layer 7 will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 8A, first, a substrate 120 on which the light emitting element layer 10 made of GaN or the like is formed via a buffer layer 21 is prepared. As shown in FIG. 8A, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method is applied to the surface of a substrate 120 such as Si on which a buffer layer 21 is laminated. The n-type semiconductor layer 4 is laminated by a film forming method such as the above, then the light emitting layer 3 made of an InGaN quantum well layer is formed, and the p-type semiconductor layer 2 is further laminated.

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 substrate 120 and the buffer layer 21 are peeled off by a laser lift-off method, a chemical lift-off method, a void formation peeling method, or the like. Next, as shown in FIG. 8B, the n-electrode layer 7 is striped on the n-type semiconductor layer 4 (lower side in FIG. 8) of the light-emitting element layer 10 by metal vapor deposition using a mask or the like. One or more are formed in a shape. At that time, a fusion layer such as Sn may be formed on the n-electrode layer 7.

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 element layer 10 provided with the n-electrode layer 7 is arranged on a substrate 20 such as sapphire with the n-electrode layer 7 facing down, and a surface activated bonding method. The two are joined by, for example. In the surface activated bonding method, specifically, the surface of the light-emitting element layer 10 is activated by Ar plasma or the like, and is bonded to the substrate 20. However, in the above-described step of FIG. 8B, when a fusion layer such as Sn is provided on the n-electrode layer 7, only the heating is performed in this step to bond the light emitting element layer 10 and the substrate 20 together. .

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-type semiconductor layer 2. The patterning is a pattern that leaves the pixel region in a circular shape on the surface of the p-type semiconductor layer 2 and covers all others. For example, it can be formed by applying a photoresist f to a pixel region on the surface of the p-type semiconductor layer 2, coating with a photomask, and developing by irradiating with ultraviolet rays.

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 hole 61. Specifically, the periphery of the photoresist f of the light emitting element layer 10 is etched from the lower surface of the p-type semiconductor layer 2 to a depth of 20 nm or more.
Further, as shown in FIG. 8 (f), a material having a lower dielectric constant than that of the material forming the light emitting element layer 10 is filled in the hole-shaped portion 61 recessed in the light emitting element layer 10 by etching. The rate part 6 is formed.

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 constant portion 6. The patterning of the photoresist f is performed by the same method as described with reference to FIG.
Further, as shown in FIG. 9B, the p-type semiconductor layer 2 around the photoresist f is etched by dry etching such as reactive ion etching (RIE) or wet etching using a chemical solution. .

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 element layer 10 is divided into blocks. An example of this division method will be described. First, in the state shown in FIG. 9B, a photoresist is formed on the surfaces of the light emitting element layer 10 and the low dielectric constant portion 6 other than the portion to be divided. Then, the periphery of the photoresist is etched to a depth equivalent to the position of the lower surface of the n-type semiconductor layer 4 by dry etching such as reactive ion etching or wet etching using a chemical solution. As a result, the light emitting element layer 10 is divided into blocks, and a gap S is formed between adjacent blocks. Here, the entire light emitting element layer 10 is divided, but at least the light emitting layer 3 may be divided. In that case, the depth of etching may be changed.

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-electrode layer 5 is formed by a photolithography method or the like. Thereby, the p electrode layer 5 is formed over a plurality of blocks.
Then, as shown in FIG. 9E, the photoresist f is lifted off together with the extra p-electrode layer 5. The p electrode layer 5 formed in this way has an opening 51 for each block, and the low dielectric constant portion 6 penetrates the opening 51.

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 columnar bodies 8 are all equal.

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 high column bodies 81, 82, 83 and the low column bodies 84, 85, 86 from the state shown in FIG.
First, a photoresist is formed on portions of the surface of the low dielectric constant portion 6 shown in FIG. Then, the periphery of the photoresist is etched by dry etching such as reactive ion etching or wet etching using a chemical solution. Thereby, a part of the upper side of the high column bodies 81, 82, 83 is formed. Next, a photoresist f is formed on portions of the surface of the low dielectric constant portion 6 that become the low column bodies 84, 85, 86. Then, the periphery of the photoresist formed on the surface of the columnar body that becomes the high columnar bodies 81, 82, 83 and the low columnar bodies 84, 85, 86 is etched by the etching as described above. Thereby, surfaces other than the high column bodies 81, 82, 83 and the low column bodies 84, 85, 86 are shaved, and the high column bodies 81, 82, 83 and the low column bodies 84, 85, 86 are formed. Is done. Note that an insulating protective film such as SiO 2 may be formed on the surface of the p electrode layer 5 after the column body 8 is formed.

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 light emitting element 1 has the above-described configuration, the radiated light that does not directly enter the column body 8 can be incident on the column body 8 via the low dielectric constant portion 6. Then, it becomes possible to make more radiated light incident on the exit surface of the column 8 by using the inside of the column 8 as an optical waveguide. As a result, the light emitting element 1 can improve the intensity of the emitted light to the outside of the element, and can increase the amount of light for forming a light beam. Thereby, the light emitting element 1 can form a light beam with high intensity. In addition, since the emitted light from the emission surface of the column 8 is light generated using the light emitting layer 3 as one light source, they are combined by interfering with each other to form a light beam.

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 element 1 has the p-electrode layer 5 laminated on the surface of the p-type semiconductor layer 2 at a portion other than the low dielectric constant portion 6, the light-emitting element 3 emits light immediately below the p-electrode layer 5 in the light-emitting layer 3. Light directed to the surface can be shielded by the p-electrode layer 5, thereby suppressing generation of interference light.

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 light emitting element 1 is configured so that the height of at least one (three in this case) of the pillars is different from the height of the other pillars, so that the light emitted from the respective emission surfaces can be reduced. A phase difference can be provided, and light can be emitted in a tilt direction corresponding to the phase difference.
Furthermore, the light-emitting element 1 effectively suppresses generation of extra interference light other than light formed as light rays by forming the six column bodies 81, 82, 83, 84, 85, 86. can do.
In addition, the light emitting element 1 emits light because the light emitting element layer 10 is separated from the light emitting element layer 10 of the adjacent light emitting element 1 by the gap S provided between the adjacent light emitting elements 1. If the end face (GaN end face) of the element layer 10 is flat, light is reflected at the interface between GaN and the atmosphere outside the element. For this reason, the light emitting element 1 emits light from the light emitting layer 3 of the adjacent light emitting element 1 and can prevent the emitted light emitted outside the element from entering the light emitting element 1. The influence can be reduced.

［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 element 1 of the present embodiment, a simulation by the FDTD (Finite-Difference Time-Domain) method was performed. Here, a square region (size: 6000 nm × 6000 nm) parallel to the surface of the light emitting element 1 (upper surfaces of the p-electrode layer 5 and the low dielectric constant portion 6) was assumed. Further, the vertical origin of the light emitting element 1 is taken as the bottom surface of the low dielectric constant portion 6, and the electric field strength at a point 3000 nm above the origin is evaluated.
Next, a design example of the light emitting element 1 in the simulation will be described with reference to FIG.

［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 element 1 includes an LED (refractive index n A ) in which the light-emitting element layer 10 (p-type semiconductor layer 2, light-emitting layer 3, and n-type semiconductor layer 4) is doped with GaN. ≈3.0). The emission wavelength λ 0 in the free space of the emitted light from the light emitting layer 3 was assumed to be 405 nm.
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 dielectric portion 6 was set to 1300 nm.
The low dielectric constant portion 6 was formed of SiO 2 (refractive index n B = 1.50).
The depth d 2 of the low dielectric constant portion 6 from the surface of the p-type semiconductor layer 2 was 400 nm. That is, the depth d 3 of the low dielectric constant portion 6 is 600 nm.
A linear distance p 3 connecting the outer peripheral surface of the low dielectric constant portion 6 and the end surface of the light emitting element layer 10 was set to 1200 nm.
The diameter φ 2 of the column bodies 81, 82, 83, 84, 85, 86 was set to 405 nm corresponding to the emission wavelength λ 0 in the free space of the emitted light.
The arrangement angle θ 1 (see FIG. 2A) of the column bodies 81, 82, 83, 84, 85, 86 was 60 degrees.
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 column bodies 81, 82, 83 (only the column body 82 is shown in FIG. 10A) was 526 nm.
Further, the height “Hd 4 ” of the column bodies 84, 85, 86 (only the column body 85 is shown in FIG. 10A) is determined from the height H of the column bodies 81, 82, 83. , 82, 83 and the column bodies 84, 85, 86 as the height obtained by subtracting the height difference “δH” [nm], the column bodies 84, 85, 86 with respect to the height H of the column bodies 81, 82, 83. The direction of the light beam is controlled by changing the value of the ratio δ (δ = d 4 / H) of the height difference δH.
It is assumed that air (refractive index n = 1.0) flows around the light emitting element layer 10.

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 element 1 ′ that does not include the low dielectric constant portion 6 in order to easily understand the performance of the light-emitting element 1 of the present embodiment. The configuration of the light emitting element 1 ′ is as described with reference to FIG. In the light emitting element 1 ′, the column bodies 81, 82, 83 and the light emitting element layer 10 are formed of LEDs (refractive index n A ≈3.0) in which GaN is added with In. In the light emitting element 1 ′, the configuration common to the light emitting element 1 is the same as the simulation conditions of the light emitting element 1 shown in FIG.

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 light emitting element 1 and the light emitting element 1 ′, the ratio δ of the height difference of the low column bodies 84, 85, 86 with respect to the high column bodies 81, 82, 83 is 0.00 to 0.50. The result of having compared the extraction intensity | strength (peak intensity | strength) of the radiated light outside the element when changing to is shown. The unit of the value of the extraction intensity of the emitted light to the outside of the light emitting elements 1 and 1 ′ described below is [× 10 4 W / m 2 ].
In the light-emitting elements 1 and 1 ′, when the height difference ratio δ is 0.00, the emission intensity of the emitted light to the outside of the light-emitting element 1 ′ is 1.36, whereas the light-emitting element It was confirmed that the extraction intensity of the radiated light to the outside of the element 1 was 6.87.
In the light emitting elements 1 and 1 ′, when the ratio δ of the height difference is 0.10, the extraction intensity of the emitted light to the outside of the light emitting element 1 ′ is 1.33, whereas the light emitting element 1 ′ It was confirmed that the extraction intensity of the radiated light to the outside of the element 1 was 7.21.
In the light emitting elements 1 and 1 ′, when the height difference ratio δ is 0.20, the intensity of the emitted light from the light emitting element 1 ′ to the outside of the element is 1.34, whereas the light emitting element It was confirmed that the extraction intensity of the emitted light to the outside of the element 1 was 7.85.
In the light emitting elements 1 and 1 ′, when the height difference ratio δ is 0.30, the intensity of the emitted light to the outside of the light emitting element 1 ′ is 1.44, whereas the light emitting element 1 ′ It was confirmed that the extraction intensity of the radiated light to the outside of the element 1 was 9.02.
In the light emitting elements 1 and 1 ′, when the height difference ratio δ is 0.40, the intensity of the emitted light from the light emitting element 1 ′ to the outside of the element is 1.47, whereas the light emitting element 1 ′ It was confirmed that the extraction intensity of radiated light to the outside of the element 1 was 9.91.
In the light-emitting elements 1 and 1 ′, when the height difference ratio δ is 0.50, the emission intensity of the emitted light to the outside of the light-emitting element 1 ′ is 1.60. It was confirmed that the extraction intensity of the radiated light to the outside of the element 1 was 11.30.

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 element 1 of the present embodiment and the light-emitting element 1 ′ of the comparative example, the difference δH in the height of the column bodies 84, 85, 86 with respect to the height H of the column bodies 81, 82, 83 is The change in the intensity of the emitted light to the outside of the device by changing the ratio δ was confirmed.
For each of the light emitting element 1 of the present embodiment and the light emitting element 1 ′ of the comparative example, the ratio δ of the height difference δ of the column bodies 84, 85, 86 with respect to the height H of the column bodies 81, 82, 83 is set to 0. When changed from 10 to 0.50, the light emitting element 1 of the present embodiment has about 5 to 7 times the extraction intensity (peak intensity) of the emitted light to the outside of the element as compared with the light emitting element 1 ′ of the comparative example. I confirmed that it can be improved.

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 light emitting element 1 shown in FIG. 1 in that a reflective film 9 is provided so as to cover the peripheral surface of the light emitting element layer 10. The reflective film 9 is formed of a material that reflects the emitted light emitted from the light emitting layer 3. For example, the reflective film 9 is preferably formed of a white insulator such as aluminum oxide or titanium dioxide. By providing the reflective film 9 on the light emitting element 1A, the light emitting layer 3 of the light emitting element 1A emits light, and the emitted light emitted to the outside of the element toward the adjacent light emitting element 1A is reflected on the reflective film of the adjacent light emitting element 1A. 9 can be reflected. Therefore, it is possible to more effectively suppress the extraneous radiation light other than the radiation light from the light emitting layer 3 of the light emitting element 1A from entering the adjacent light emitting element 1A. As a result, the light emitting element 1A can further reduce the influence of excess radiation.

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 light emitting layer 3, enters the OFF pixel (light emitting element 1A), and is emitted from the OFF pixel (light emitting element 1A) to the outside. Can be prevented. Therefore, according to such an IP stereoscopic display, it is possible to reduce display image noise.

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 reflective film 9 from the light emitting layer 3 inside the light emitting element 1A and can be directed toward the inside of the light emitting element 1A. Part can be made incident on the low dielectric constant part 6 inside the light emitting element 1A. As a result, the light emitting element 1A can further improve the extraction strength of the emitted light to the outside of the element.

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 light emitting elements 1 and 1A, the light emitting element layer 10 is formed of GaN. However, the present invention is not limited thereto, and may be AlN, GaAlN, ZnO, GaAs, GaP, GaAlAs, GaAlAsP, or the like.
Furthermore, although the low dielectric constant portion 6 is formed of SiO 2 in the light emitting elements 1 and 1A, the present invention is not limited to this, and any material can be used as long as the dielectric material has a lower dielectric constant than the material of the light emitting element layer 10. Is not particularly limited. For example, the low dielectric constant portion 6 may be formed of an insulator material or a semiconductor material having a dielectric constant lower than that of the light emitting element layer 10. In addition, it is more preferable to form the low dielectric constant portion 6 with a transparent dielectric material because internal absorption of light can be suppressed.

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 light emitting elements 1 and 1A are not limited to injection type EL elements such as LED elements, but may be intrinsic EL elements such as organic EL elements and inorganic EL elements.
Furthermore, as shown in FIGS. 1 and 11, in the light emitting elements 1 and 1A, the column body is formed in a circular cross section and a columnar shape. Good. Moreover, the diameters of all the pillars are not necessarily equal.

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 elements 1 and 1A, six columnar bodies are formed on the surface of the low dielectric constant portion 6 as the most preferable example, but in addition, three columnar bodies are formed on the surface of the low dielectric constant portion 6. It doesn't matter. When the number of columns is three, one column is used as a control column and another column is used as a waveguide column, or two columns are used as control columns, and other columns are guided. A pillar. The three columns are preferably arranged such that the angle α in FIG. 2A is 120 degrees.

また、発光素子１，１Ａ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 light emitting elements 1 and 1A can also be applied to general devices that require the formation of light rays and the control of the radiation direction. For example, a light source for a projector, a connector used for spatial light interconnection, and a diffusion plate are required. It can also be used for illumination light sources that do not.

［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 elements 1 or 1A according to this embodiment on a substrate, it is possible to provide an IP stereoscopic display which is an IP display. As described above, since the IP stereoscopic display is configured by arranging a plurality of the light emitting elements 1 or 1A according to the present embodiment on the substrate, passive matrix driving is possible, so that the power consumption and the cost of the IP stereoscopic display are reduced. Etc. can be realized.

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 SYMBOLS 1,1A Light emitting element 2 P type semiconductor layer 3 Light emitting layer 4 N type semiconductor layer 5 P electrode layer 51 Opening part 6 Low dielectric constant part 61 Hole part 7 N electrode layer 8 Column body 81, 82, 83 Waveguide pillar ( Column)
84, 85, 86 Control pillar (pillar)
81a, 82a, 83a, 84a, 85a, 86a Emitting surface 9 Reflecting film 10 Light emitting element layer 20 Substrate 21 Buffer layer

Claims (7)

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. 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、下側に位置することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。   2. The light emitting device according to claim 1, wherein a bottom surface of the low dielectric constant portion is located 20 nm or more below a lower surface of the p-type semiconductor layer. 前記低誘電率部は、誘電率が、前記ｐ型半導体層の材料の誘電率の１／２以下である材料で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。   3. The light emitting device according to claim 1, wherein the low dielectric constant portion is formed of a material having a dielectric constant of ½ or less of a dielectric constant of the material of the p-type semiconductor layer. element. 少なくとも前記ｐ型半導体層および前記発光層の周面に、光を反射する反射膜を設けた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。   4. The light-emitting element according to claim 1, wherein a reflective film that reflects light is provided at least on a peripheral surface of the p-type semiconductor layer and the light-emitting layer. 5. 前記複数の柱体は、前記ｐ型半導体層の表面に、前記所定領域を取り囲むように６本配置され、そのうちの３本の前記柱体の高さが、その他の３本の前記柱体の高さと異なり、前記３本の柱体の高さが互いに等しく、かつ、前記その他の３本の柱体の高さが互いに等しいことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発光素子。   The plurality of pillars are arranged on the surface of the p-type semiconductor layer so as to surround the predetermined region, and the height of three of the pillars is that of the other three pillars. 5. The height of the three column bodies is different from each other, and the heights of the other three column bodies are equal to each other. The light emitting element as described in. 前記柱体の直径は、放射光の自由空間における波長以上であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発光素子。   6. The light emitting device according to claim 1, wherein a diameter of the column body is equal to or greater than a wavelength in a free space of radiated light. 前記複数の柱体間の距離が、放射光の可干渉長以下であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の発光素子。   7. The light emitting device according to claim 1, wherein a distance between the plurality of pillars is equal to or shorter than a coherence length of the radiated light.
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