JP2013175536A - Light-emitting element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light-emitting element with a simple element structure, capable of shaping light beam and controlling its direction by single light-emitting element.SOLUTION: A light-emitting element 1 is a light-emitting element which emits light from a flat surface, and comprises: a buffer layer 4 having the flat surface; three semiconductor columnar parts 5, 6, 7 arranged above the buffer layer 4 so as to surround a predetermined region and having a diameter being larger than a wavelength of a radiation light in a free space; and light-emitting part 3 arranged in a part of region including points immediately below centers of each of three semiconductor columnar parts 5, 6, 7 below the buffer layer 4. Light emitted from light-emitting part 3 is radiated from semiconductor columnar parts 5, 6, 7, respectively. Since three semiconductor columnar parts 5, 6, 7 are arranged in the arrangement, the light-emitting element 1 can shape light beam by the interference effect of light near columnar parts, and the radiation direction of the light beam can be controlled because of a difference between the height H-δ of one semiconductor columnar part 7 and the height H of other semiconductor columnar parts 5, 6.

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.

現在の立体表示技術は、2眼式、多眼式、体積表示型、空間像再生型に大別することができる。ここで、空間像再生型は、両眼視差、輻輳、ピント調節および運動視差の4つの視覚機能をすべて満たすことを目指して開発が進められているのが現状である。この空間像再生型は、被写体からの光そのものを再現する方式であって、立体観測用の特殊なメガネをかける必要がない。この方式の立体ディスプレイは、前記した4つの視覚機能をすべて使える可能性があるため、眼に疲労を与えず人にやさしい立体映像表示装置となりうる。   Current stereoscopic display technology can be broadly classified into two-lens type, multi-view type, volume display type, and aerial image reproduction type. Here, the aerial image reproduction type is being developed with the aim of satisfying all four visual functions of binocular parallax, convergence, focus adjustment, and motion parallax. This aerial image reproduction type is a method that reproduces the light from the subject itself, and does not require special glasses for stereoscopic observation. This type of stereoscopic display may be able to use all of the four visual functions described above, and thus can be a human-friendly stereoscopic image display device without causing eye fatigue.

この空間像再生型の立体表示技術における代表的な方式としては、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、あるいは、インテグラル・フォトグラフィー(以下IPと称す)などがある。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。なかでも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であり、前記したような眼に疲労を与えず人にやさしい立体ディスプレイを早期に実現可能な方式であるとして、特に有望視されている。   Typical methods in this aerial image reproduction type stereoscopic display technology include holography, parallax stereogram, lenticular sheet, or integral photography (hereinafter referred to as IP). 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. In particular, IP can express parallax information in the vertical direction in addition to the horizontal direction, enabling natural 3D display, and early development of a 3D display that does not cause fatigue to the eyes and is easy on humans. It is particularly promising as a feasible method.

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、照明器具など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、光の放射される方向の制御が可能となれば、ディスプレイなど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 straightness of emitted light, a mechanism for diffusing them is necessary 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向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射出することはきわめて難しい。
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. Further, it is extremely 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.

前記した課題を解決するため、請求項1に記載の発光素子は、平坦な表面を有するバッファ層と、前記バッファ層の上側に、所定領域を取り囲むように設けられ、柱頭の射出面から光を放射する少なくとも3本の半導体柱状部と、前記バッファ層の下側に、前記少なくとも3本の半導体柱状部のそれぞれの中心の直下を含む一部領域に設けられる発光部と、を有し、前記少なくとも3本の半導体柱状部のうち少なくとも1本の柱の高さが他の柱の高さと異なることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the light emitting device according to claim 1 is provided so as to surround a predetermined region on a buffer layer having a flat surface and on the upper side of the buffer layer, and to emit light from the exit surface of the stigma. Radiating at least three semiconductor columnar portions; and a light emitting portion provided in a partial region under the buffer layer and including immediately below the center of each of the at least three semiconductor columnar portions; The height of at least one of the at least three semiconductor columnar portions is different from the height of the other columns.

かかる構成によれば、発光素子は、表面が平坦なバッファ層の下側に設けられた発光部で発光し、表面が平坦なバッファ層の上側に設けられた各半導体柱状部から放射された光の干渉効果により、光線を成形する。仮に各半導体柱状部の高さが同じである場合には、光線は、素子表面における各半導体柱状部の位置をすべて繋いだ軌跡の平面図形の重心位置から、素子表面と垂直な方向に向かう線上に形成されることになる。一方、かかる構成の本発明の発光素子は、少なくとも1本の半導体柱状部の柱の高さが他の半導体柱状部の柱の高さと異なるので、少なくとも1本の半導体柱状部の内部を伝搬して射出面から放射された光と、他の半導体柱状部の内部を伝搬して射出面から射出された光の位相とを異ならせることができる。これにより、異なる位相を有するそれぞれの放射光の干渉によって成形される光線の放射方向を、素子表面と垂直な方向から傾斜させることができる。   According to such a configuration, the light emitting element emits light from the light emitting portion provided below the buffer layer having a flat surface, and is emitted from each semiconductor columnar portion provided above the buffer layer having a flat surface. The light beam is shaped by the interference effect. If the height of each semiconductor columnar part is the same, the light beam is on a line that goes from the center of gravity of the plane figure of the locus connecting all the semiconductor columnar parts on the element surface in a direction perpendicular to the element surface. Will be formed. On the other hand, the light emitting device of the present invention having such a configuration propagates through the inside of at least one semiconductor columnar portion because the height of the column of at least one semiconductor columnar portion is different from the height of the columns of other semiconductor columnar portions. Thus, the phase of the light emitted from the emission surface and the light emitted from the emission surface after propagating through the other semiconductor columnar portions can be made different. Thereby, the radiation direction of the light beam formed by the interference of the respective radiation lights having different phases can be inclined from the direction perpendicular to the element surface.

また、発光部を、バッファ層の下側に一様に設けるのではなく、バッファ層の上側に設けられた少なくとも3本の半導体柱状部のそれぞれの中心の直下を含む一部領域に設けている。この発光部の発光面積と、対応する各半導体柱状部の光の取り入れ面積とを適切に設定することで、発光部で発光した光の多くを、各半導体柱状部に入射させることができる。そのため、各半導体柱状部の柱頭の射出面から光線の成形に十分な強度の光を射出することができる。また、発光部で発光した光が、各発光部の射出面以外の、素子表面(特に、バッファ層の上面)から漏れ出て、各半導体柱状部の柱頭の射出面から放射された光との間で余分な干渉効果を引き起こすのを抑制することができる。   In addition, the light emitting portion is not provided uniformly below the buffer layer, but is provided in a partial region including immediately below the center of each of at least three semiconductor columnar portions provided above the buffer layer. . By appropriately setting the light emitting area of the light emitting portion and the light intake area of each corresponding semiconductor columnar portion, most of the light emitted from the light emitting portion can be incident on each semiconductor columnar portion. Therefore, it is possible to emit light having a strength sufficient for forming a light beam from the emission surface of the top of each semiconductor columnar part. Further, light emitted from the light emitting portion leaks from the element surface (particularly, the upper surface of the buffer layer) other than the light emitting surface of each light emitting portion, and is emitted from the light emitting surface of the column head of each semiconductor columnar portion. It is possible to suppress an extra interference effect between the two.

また、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、前記発光部は、横断面の面積が、前記少なくとも3本の半導体柱状部の全てを囲む外接円の面積以下となるように形成されていることとした。   The light-emitting element according to claim 2 is the light-emitting element according to claim 1, wherein the light-emitting portion has a cross-sectional area equal to or smaller than an area of a circumscribed circle surrounding all of the at least three semiconductor columnar portions. It was decided that it was formed.

かかる構成によれば、発光部で発光した光が、各半導体柱状部の射出面以外の、素子表面(特に、バッファ層の上面)から漏れ出るのを抑制することができる。よって、素子表面から漏れ出た光と、各半導体柱状部の射出面からそれぞれ射出された光と、による余分な干渉効果が生じるのを抑制することができる。このように、素子表面から漏れ出る光の影響を余分な干渉効果が生じない程度に抑制することができるので、光線の放射方向の任意性を高くすることができる。   According to such a configuration, it is possible to prevent light emitted from the light emitting portion from leaking from the element surface (in particular, the upper surface of the buffer layer) other than the emission surface of each semiconductor columnar portion. Therefore, it is possible to suppress an extra interference effect caused by the light leaking from the element surface and the light emitted from the emission surface of each semiconductor columnar part. Thus, since the influence of the light leaking from the element surface can be suppressed to such an extent that an extra interference effect does not occur, it is possible to increase the arbitraryness of the light emission direction.

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、前記発光部は、横断面の面積が、前記少なくとも3本の半導体柱状部の柱の横断面の面積の総和以上となるように形成されていることとした。   The light-emitting device according to claim 3 is the light-emitting device according to claim 1 or 2, wherein the light-emitting portion has a cross-sectional area of the column of the at least three semiconductor columnar portions. It was decided that it was formed so that it might become more than the sum total.

かかる構成によれば、発光部で発光した光の大部分を、各半導体柱状部に入射させることができる。よって、各半導体柱状部の射出面から射出される光の強度を高くすることができ、これらの光の干渉によって成形される光線の明瞭性を高くすることができる。   According to this configuration, most of the light emitted from the light emitting part can be incident on each semiconductor columnar part. Therefore, the intensity of light emitted from the emission surface of each semiconductor columnar portion can be increased, and the clarity of the light beam formed by the interference of these lights can be increased.

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、前記半導体柱状部の柱の高さの差は、前記半導体柱状部の内部における放射光の波長の半分の長さ以下であることを特徴とすることとした。   The light-emitting element according to claim 4 is the light-emitting element according to any one of claims 1 to 3, wherein a difference in height of the columns of the semiconductor columnar portions is radiation in the semiconductor columnar portions. It is characterized by being less than or equal to half the wavelength of light.

かかる構成によれば、発光素子は、柱の高さの差を、少なくとも1つの柱の射出面の位置と他の柱の射出面の位置との違いが支配的な影響を与えるような長さの範囲となるように設定したので、素子表面と垂直な方向に対する放射光の成す角を比較的大きくすることができる。   According to such a configuration, the light emitting element has a length difference such that the difference between the heights of the columns is dominantly affected by the difference between the position of the exit surface of at least one column and the position of the exit surface of the other columns. Therefore, the angle formed by the emitted light with respect to the direction perpendicular to the element surface can be made relatively large.

本発明によれば、以下のような優れた効果を奏する。
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、バッファ層の下側に所定の大きさの発光部を形成し、バッファ層の上側に所定の高さの柱を形成することで、簡単に製造することができる。
請求項2に記載の発明によれば、発光素子は、光線の成形と方向制御を効果的に行うことができる。特に、光線の方向制御を良好に行うことができる。
請求項3に記載の発明によれば、発光素子は、光線の成形と方向制御を効果的に行うことができる。特に、光線の明瞭性を高くすることができる。
請求項4に記載の発明によれば、発光素子は、光線の成形と方向制御を効果的に行うことができる。特に、光線の方向制御を効率的に行うことができる。
According to the present invention, the following excellent effects can be obtained.
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. The light emitting element can be easily manufactured by forming a light emitting portion having a predetermined size below the buffer layer and forming a column having a predetermined height above the buffer layer.
According to the second aspect of the present invention, the light-emitting element can effectively perform light beam shaping and direction control. In particular, the direction control of the light beam can be performed satisfactorily.
According to the third aspect of the present invention, the light emitting element can effectively perform light beam shaping and direction control. In particular, the clarity of light can be increased.
According to the invention described in claim 4, the light emitting element can effectively perform the shaping and direction control of the light beam. In particular, the direction control of the light beam can be performed efficiently.

本発明の実施形態に係る発光素子の構成を模式的に示す一部分解斜視図である。It is a partially exploded perspective view which shows typically the structure of the light emitting element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る発光素子の構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the light emitting element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る発光素子における制御柱と導波柱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 control pillar and waveguide pillar in the light emitting element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る発光素子における半導体柱状部と発光部との寸法の関係を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the relationship of the dimension of the semiconductor columnar part and light emission part in the light emitting element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る発光素子おいて、制御柱と導波柱との高さの差が0のときのビームパターンの計算例を示す説明図であって、(a)は、斜視図、(b)は、XY平面のビームパターンをそれぞれ示している。In the light-emitting device according to the embodiment of the present invention, FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a calculation example of a beam pattern when the difference in height between the control column and the waveguide column is 0, where (a) is a perspective view; (B) shows beam patterns on the XY plane, respectively. 本発明の実施形態に係る発光素子おいて、発光部の横断面における幅と、制御柱と導波柱との高さの差と、を変化させたときのそれぞれのXY平面におけるビームパターンの計算例を示す説明図である。In the light emitting device according to the embodiment of the present invention, calculation of the beam pattern in each XY plane when the width in the cross section of the light emitting portion and the height difference between the control column and the waveguide column are changed. It is explanatory drawing which shows an example. 本発明の実施形態に係る発光素子において、発光部の横断面における幅と、制御柱と導波柱との高さの差を変化させたときに計算で求めた光線方向の制御角を示すグラフである。In the light emitting device according to the embodiment of the present invention, a graph showing the control angle in the light direction obtained by calculation when the width in the cross section of the light emitting section and the height difference between the control column and the waveguide column are changed. It is. 本発明の実施形態に係る発光素子を用いたIP立体ディスプレイの概念図であって、(a)正面図、(b)は斜視図を示す。It is a conceptual diagram of the IP three-dimensional display using the light emitting element which concerns on embodiment of this invention, Comprising: (a) Front view, (b) shows a perspective view.

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

[発光素子の構造の概要]
図1に示すように、発光素子1は、指向性の高い光を発光する素子であって、特定の方向に光線を射出する光線指向型の発光素子である。発光素子1は、例えばLEDのように、平坦な表面から光を放射するものである。発光素子1は、平坦な表面において所定領域を取り囲むように、3本以上の複数の柱(半導体柱状部)を有し、少なくとも1つの半導体柱状部の高さが他と異なり、これらすべての半導体柱状部から光を射出する点に特徴がある。以下では、一例として発光素子1が、横断面が円形状の3本の半導体柱状部5,6,7を有し、半導体柱状部7が半導体柱状部5,6よりも低いものとして説明する。ここで、素子上面において、所定領域を環状に取り囲むように配置された3本の半導体柱状部5,6,7を図2に示す。
[Outline of light emitting device structure]
As shown in FIG. 1, 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. The light emitting element 1 emits light from a flat surface, such as an LED. The light-emitting element 1 has three or more columns (semiconductor columnar portions) so as to surround a predetermined region on a flat surface, and the height of at least one semiconductor columnar portion is different from the others. It is characterized in that light is emitted from the columnar part. Hereinafter, as an example, the light emitting element 1 will be described as having three semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 having a circular cross section, and the semiconductor columnar portion 7 is lower than the semiconductor columnar portions 5 and 6. Here, on the upper surface of the element, three semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 arranged so as to surround a predetermined region in an annular shape are shown in FIG.

<発光素子の構造>
発光素子1は、図1に示すように、半導体層2と、発光部3と、バッファ層4と、半導体柱状部5,6,7とを備えている。半導体層2は、発光部3の下側に、図示しない基板との間に設けられたn型半導体層である。バッファ層4は、発光部3の上側に、素子表面との間に設けられたp型半導体層であり、表面が平坦に形成されている。
<Structure of light emitting element>
As shown in FIG. 1, the light emitting element 1 includes a semiconductor layer 2, a light emitting portion 3, a buffer layer 4, and semiconductor columnar portions 5, 6, and 7. The semiconductor layer 2 is an n-type semiconductor layer provided below the light emitting unit 3 and between a substrate (not shown). The buffer layer 4 is a p-type semiconductor layer provided on the upper side of the light emitting unit 3 and between the element surface, and has a flat surface.

<発光部>
発光部3は、ここでは、横断面が円形状に形成されており、バッファ層4の上側に複数本を1組として設けられた半導体柱状部5のそれぞれの直下を含む一部領域に設けられている。また、発光部3は、重心が、3本の半導体柱状部5の重心と同軸上に位置するように配置されている。詳しくは、後記する。
発光素子1が青色発光素子である場合、発光部3は、例えば、InGaNの量子井戸層として形成される。
<Light emitting part>
Here, the light emitting unit 3 is formed in a partial region including a portion immediately below each of the semiconductor columnar units 5 that are formed in a circular shape in cross section and provided as a set of plural pieces on the upper side of the buffer layer 4. ing. Further, the light emitting unit 3 is arranged so that the center of gravity is located coaxially with the center of gravity of the three semiconductor columnar portions 5. Details will be described later.
When the light emitting element 1 is a blue light emitting element, the light emitting unit 3 is formed as, for example, an InGaN quantum well layer.

<半導体層>
半導体層2は、図示しない基板側から順に、例えば、n型GaN層と、n型GaN/InGaN障壁層とが積層された構造とすることができる。
<バッファ層>
バッファ層4は、発光部3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。
<Semiconductor layer>
The semiconductor layer 2 may have a structure in which, for example, an n-type GaN layer and an n-type GaN / InGaN barrier layer are stacked in this order from the substrate side (not shown).
<Buffer layer>
The buffer layer 4 may have a structure in which, for example, a p-type GaN / InGaN barrier layer and a p-type GaN layer are stacked in order from the light emitting unit 3 side.

<電極>
電極の構造は、図示を省略したが、一般的なLED素子と同様に、半導体層2およびバッファ層4との間に段差を設けて、当該段差から引き出された部分にオーミックコンタクトを形成する形で電極を形成できれば、特に限定されるものではない。また、電極材料としては一般的な金属電極が使用できる。
<Electrode>
Although the illustration of the electrode structure is omitted, a step is provided between the semiconductor layer 2 and the buffer layer 4 and an ohmic contact is formed in a portion drawn from the step, as in a general LED element. If an electrode can be formed by, it will not specifically limit. Moreover, a general metal electrode can be used as an electrode material.

<半導体柱状部>
半導体柱状部5,6,7は、バッファ層4と同様の材料で形成されている。
また、半導体柱状部5,6,7は、発光素子1から放出される光の波長λ0程度以上の径(直径2φ)を有する。ここで、波長λ0は、自由空間における放射光の波長を示す。
<半導体柱状部の平面形状>
図1および図2では半導体柱状部5,6,7が素子表面(上面)に投影されたときの平面図形の形状は円形であるものとした。図1および図2に示すように、各半導体柱状部5,6,7の太さは等しいものとした(半径φ)。
<Semiconductor columnar part>
The semiconductor columnar parts 5, 6, 7 are formed of the same material as that of the buffer layer 4.
In addition, the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 have a diameter (diameter 2φ) that is about the wavelength λ 0 or more of the light emitted from the light emitting element 1. Here, the wavelength λ 0 indicates the wavelength of the emitted light in free space.
<Planar shape of semiconductor columnar part>
In FIG. 1 and FIG. 2, the shape of the planar figure when the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 are projected on the element surface (upper surface) is assumed to be circular. As shown in FIGS. 1 and 2, the thicknesses of the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 are assumed to be equal (radius φ).

<半導体柱状部の間隔>
半導体柱状部7,8,9は、光取り出し面において、所定の原点の周囲に均等な角度β(この場合、α=120度)の方向に、互いに等しい間隔だけ離間して配置されている。半導体柱状部の間隔は、隣り合った半導体柱状部からの光が干渉できる程度の長さに予め設定されている。つまり、半導体柱状部の間隔は、発光素子の可干渉長以下であることが好ましい。なお、光の可干渉長は、光源の発光スペクトルの半値幅と、中心波長とに依存する。光源がLEDの場合、例えば10〜数十μm程度の長さとなる。
<Semiconductor columnar interval>
The semiconductor columnar portions 7, 8, 9 are arranged at equal intervals around the predetermined origin on the light extraction surface in the direction of a uniform angle β (in this case, α = 120 degrees). The interval between the semiconductor columnar portions is set in advance to such a length that light from adjacent semiconductor columnar portions can interfere. In other words, the interval between the semiconductor columnar portions is preferably equal to or less than the coherence length of the light emitting element. The coherence length of light depends on the half-value width of the emission spectrum of the light source and the center wavelength. When the light source is an LED, the length is, for example, about 10 to several tens of μm.

<複数の半導体柱状部の配置の原点M>
図2に示す例では、所定の原点Mとは、素子上面において3つの半導体柱状部5,6,7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、図2に示すように、半導体柱状部5の中心O1と、半導体柱状部6の中心O2と、半導体柱状部7の中心O3とから等距離にある点であり、中心O1,O2,O3を頂点とする正三角形の重心(原点Mと表記する)のことである。ここで、3つの半導体柱状部5,6,7は、円環状かつ均等の距離を置いて配置されることが好ましい。なお、複数の半導体柱状部により取り囲まれた所定領域とは、具体的には複数の半導体柱状部の内接円のことであり、この所定領域の形状やサイズは、半導体柱状部の直径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。例えば半導体柱状部の直径が、発光波長λ0の数波長程度分であれば、所定領域のサイズは、数分の1波長〜数波長程度とすることができる。
<Origin M of Arrangement of Multiple Semiconductor Columns>
In the example shown in FIG. 2, the predetermined origin M is a point located in a predetermined region that is annularly surrounded by three semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 on the upper surface of the element. Further, the origin M, as shown in FIG. 2, the center O 1 of the semiconductor pillar portion 5, the center O 2 of the semiconductor columnar portion 6, a point equidistant from the center O 3 Metropolitan semiconductor pillar portion 7 Yes, it is the center of gravity of the equilateral triangle having the centers O 1 , O 2 , and O 3 as vertices (denoted as the origin M). Here, it is preferable that the three semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 are arranged in an annular shape and at an equal distance. The predetermined region surrounded by the plurality of semiconductor columnar portions is specifically an inscribed circle of the plurality of semiconductor columnar portions, and the shape and size of the predetermined region is balanced with the diameter of the semiconductor columnar portion. As desired, it can be designed appropriately while taking For example, if the diameter of the semiconductor columnar portion is about several wavelengths of the emission wavelength λ 0 , the size of the predetermined region can be set to a fraction of a wavelength to a few wavelengths.

また、原点Mと半導体柱状部5,6,7の中心O1,O2,O3とをそれぞれ結んだ線上にある、原点Mから半導体柱状部5,6,7までの距離ρはそれぞれ100nmとなっている。距離ρは、自由空間における放射光の波長λ0以下、例えば、1/4〜1波長程度であることが好ましい。つまり、距離ρは直径2φの、1/4〜1程度であることが好ましい。特に、距離ρを直径2φの1/4程度となるように設定すると、半導体柱状部5,6,7の射出面5a,6a,7aから射出する光を互いに干渉させて良好に成形し、十分な強度の光線を射出することができるため、このように構成することが好ましい。 Further, the distances ρ from the origin M to the semiconductor columnar portions 5, 6 and 7 on the lines connecting the origin M and the centers O 1 , O 2 and O 3 of the semiconductor columnar portions 5, 6 and 7 are respectively 100 nm. It has become. The distance ρ is preferably not more than the wavelength λ 0 of the emitted light in free space, for example, about ¼ to 1 wavelength. That is, the distance ρ is preferably about 1/4 to 1 of the diameter 2φ. In particular, when the distance ρ is set to be about ¼ of the diameter 2φ, the light emitted from the emission surfaces 5a, 6a, and 7a of the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 is made to interfere with each other, and is sufficiently molded. Since it is possible to emit a light beam with a high intensity, this configuration is preferable.

半導体柱状部5,6,7のうち、2つの半導体柱状部5,6の高さを、それぞれ基準となる高さHとする。そして、半導体柱状部7と他の半導体柱状部5,6との高さの差をδとすると、半導体柱状部7の高さは(H−δ)となる(図1参照)。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、半導体柱状部7の高さの差δは、半導体中における放射光の波長λ1の長さ以下であることとした。ここで、波長λ1は、自由空間において波長λ0の光を、半導体中(半導体柱状部5,6,7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、半導体の誘電率は真空中(空気中)より高いため、半導体中を伝搬する際の光の速度は、空気中を伝搬する速度に比べて遅くなる。具体的には、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。 Of the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7, the heights of the two semiconductor columnar portions 5 and 6 are set as reference heights H, respectively. When the difference in height between the semiconductor columnar portion 7 and the other semiconductor columnar portions 5 and 6 is δ, the height of the semiconductor columnar portion 7 is (H−δ) (see FIG. 1). In the light emitting element 1 of the present embodiment, the height difference δ of the semiconductor columnar portion 7 is not more than the length of the wavelength λ 1 of the emitted light in the semiconductor based on the experimental results described later. Here, the wavelength λ 1 is a wavelength when light having the wavelength λ 0 is propagated in the semiconductor (inside the semiconductor columnar portions 5, 6, 7) as an optical waveguide in free space. In general, since the dielectric constant of a semiconductor is higher than that in a vacuum (in air), the speed of light when propagating in a semiconductor is lower than the speed of propagating in air. Specifically, when the velocity of light in the atmosphere or vacuum is c and the refractive index of the semiconductor is n, the velocity in the semiconductor is given by c / n.

したがって、波長λ1は、波長λ0の値を半導体柱状部5,6,7の内部の屈折率nで除することによって求めることができる。例えば、半導体柱状部5,6,7をGaNにInを添加したLEDで形成する場合、GaNの屈折率nが2.6であるので、近似的に屈折率nを3として計算すると、波長λ1は、約131.5nmとなる。
以下では、半導体柱状部5,6を導波柱5,6と呼称し、半導体柱状部5,6と異なるように高さが調整された半導体柱状部7を制御柱7と呼称する場合もある。
Therefore, the wavelength λ 1 can be obtained by dividing the value of the wavelength λ 0 by the refractive index n inside the semiconductor columnar parts 5, 6, 7. For example, when the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 are formed of LEDs in which In is added to GaN, the refractive index n of GaN is 2.6. 1 is about 131.5 nm.
Hereinafter, the semiconductor columnar portions 5 and 6 are referred to as waveguide columns 5 and 6, and the semiconductor columnar portion 7 whose height is adjusted to be different from the semiconductor columnar portions 5 and 6 may be referred to as a control column 7. .

[発光素子の設計の具体例]
発光素子1は、例えばGaNにInを添加したLEDであるものとし、発光スペクトルの中心波長(λ0)は405nmであるものとした。
発光素子1のバッファ層4(図1参照)の厚さを約500nmとした。
半導体柱状部5,6,7の間隔は、放射光の自由空間での波長λ0に相当する405nmとした。
半導体柱状部5,6,7の半径φ(図2参照)は、放射光の自由空間での波長λ0に相当する405nmとした。
導波柱5,6の高さH(図3参照)は、放射光の半導体中の波長λ1の約2波長分に相当する263nmとした。
制御柱7の高さ(H−δ)(図3参照)は、263nmからδ[nm]を減じた高さとして、δの値を変化させることで、光線方向が制御される。
[Specific examples of light emitting element design]
The light emitting element 1 is, for example, an LED obtained by adding In to GaN, and the center wavelength (λ 0 ) of the emission spectrum is 405 nm.
The thickness of the buffer layer 4 (see FIG. 1) of the light emitting element 1 was about 500 nm.
The interval between the semiconductor columnar portions 5, 6 and 7 was set to 405 nm corresponding to the wavelength λ 0 in the free space of the emitted light.
The radius φ (see FIG. 2) of the semiconductor columnar portions 5, 6 and 7 was set to 405 nm corresponding to the wavelength λ 0 in the free space of the emitted light.
The height H (see FIG. 3) of the waveguide pillars 5 and 6 was set to 263 nm corresponding to about two wavelengths of the wavelength λ 1 in the semiconductor of the emitted light.
The height (H−δ) (see FIG. 3) of the control column 7 is controlled by changing the value of δ as a height obtained by subtracting δ [nm] from 263 nm.

[発光部と半導体柱状部との相互関係]
以下、発光部3の寸法と、半導体柱状部5,6,7の寸法との相互関係について図3を参照しつつ説明する。
[Reciprocal relationship between light emitting part and semiconductor pillar part]
Hereinafter, the correlation between the dimensions of the light emitting section 3 and the dimensions of the semiconductor columnar sections 5, 6, and 7 will be described with reference to FIG.

発光素子1は、前記したとおり、発光部3で発光した光が、バッファ層4を介して半導体柱状部5,6,7に入射し、半導体柱状部5,6,7の内部を光導波路として伝搬して射出面5a,6a,7aから出射した光の干渉によって光線を成形するものである。よって、半導体柱状部5,6,7の射出面5a,6a,7aから出射した光の干渉によって成形される光線の強度は、発光部3で発光した光が、半導体柱状部5,6,7の内部に取り入れられる量によって変化する。そして、発光部3で発光した光が、半導体柱状部5,6,7の内部に取り入れられる量が一定量以下であると、半導体柱状部5,6,7の射出面5a,6a,7aから十分な強度の光が射出されず、これらの光の干渉によって光線を成形することが困難となる。   As described above, in the light emitting element 1, the light emitted from the light emitting portion 3 enters the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 through the buffer layer 4, and the inside of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 is used as an optical waveguide. A light beam is formed by interference of light that has propagated and exited from the exit surfaces 5a, 6a, and 7a. Therefore, the intensity of the light beam formed by the interference of the light emitted from the exit surfaces 5a, 6a, 7a of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 is such that the light emitted from the light emitting portion 3 is the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 Varies depending on the amount taken into the interior. When the amount of light emitted from the light emitting portion 3 is taken into the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 is less than a certain amount, the light exits from the emission surfaces 5 a, 6 a, 7 a of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7. Light with sufficient intensity is not emitted, and it becomes difficult to form a light beam by interference of these lights.

一方、半導体柱状部5,6,7の射出面5a,6a,7aから射出した光線の方向制御の任意性を向上させるためには、発光部3で発光し、半導体柱状部5,6,7に入射せずに素子表面(バッファ層4の上面)から漏れ出た光と、半導体柱状部5,6,7に入射して射出面5a,6a,7aから射出した光と、が余分な干渉を引き起こすことを抑制することが必要である。   On the other hand, in order to improve the arbitrary control of the direction of the light beam emitted from the exit surfaces 5a, 6a, 7a of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7, the light emitting portion 3 emits light and the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 are emitted. The light leaked from the element surface (the upper surface of the buffer layer 4) without being incident on the light and the light incident on the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 and emitted from the exit surfaces 5a, 6a, 7a are excessive interference. It is necessary to suppress the cause.

これらを両立するためには、発光部3と、半導体柱状部5,6,7との間に以下に説明する関係が成立するように、発光部3と半導体柱状部5,6,7との寸法を規定することが望ましい。   In order to achieve both of these, the relationship between the light emitting portion 3 and the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 is established between the light emitting portion 3 and the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 so that the relationship described below is established. It is desirable to define the dimensions.

図3に示すように、まず、3本の半導体柱状部5,6,7の全てを囲むように、半導体柱状部5,6,7の柱の外縁の一部に接するように描いた平面図形を想定する。ここでは、半導体柱状部5,6,7の全てを囲む円形状の図形を想定する。この円の中心は、半導体柱状部5,6,7の中心O,O,Oを頂点とする正三角形の重心である原点Mと一致する。ここで、半導体柱状部5,6,7を全て囲む最小の円の半径は、原点Mから半導体柱状部5,6,7の接点までの距離ρに、半導体柱状部5,6,7の直径2φを加えたものとなる。 As shown in FIG. 3, first, a planar figure drawn so as to be in contact with a part of the outer edge of the pillars of the semiconductor columnar parts 5, 6, 7 so as to surround all of the three semiconductor columnar parts 5, 6, 7. Is assumed. Here, a circular figure surrounding all of the semiconductor columnar parts 5, 6, and 7 is assumed. The center of this circle coincides with the origin M, which is the center of gravity of an equilateral triangle having vertices at the centers O 1 , O 2 , and O 3 of the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7. Here, the radius of the minimum circle surrounding all the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 is the distance ρ from the origin M to the contact point of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7, and the diameter of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7. 2φ is added.

したがって、図3に示すように、半導体柱状部5,6,7を全て囲む最小の円の面積(以下、面積SOと呼称する)と、発光部3の面積(以下、面積SLと呼称する)と、半導体柱状部5,6,7の各面積(以下、面積SPと呼称する)は、それぞれ次の式(1)〜(3)により求めることができる。   Therefore, as shown in FIG. 3, the area of the minimum circle (hereinafter referred to as area SO) surrounding all of the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 and the area of the light emitting portion 3 (hereinafter referred to as area SL). And each area (henceforth referred to as area SP) of semiconductor pillar-like parts 5, 6, and 7 can be calculated by the following formulas (1) to (3), respectively.

ここで、式(1)におけるΨは、発光部3の半径である。
このとき、発光部3の面積SLと、半導体柱状部5,6,7を全て囲む最小の円の面積SOとの間に、次の式(4)に示す関係が成立することが望ましい。
Here, Ψ in the formula (1) is the radius of the light emitting unit 3.
At this time, it is desirable that the relationship expressed by the following formula (4) is established between the area SL of the light emitting unit 3 and the area SO of the smallest circle that surrounds all of the semiconductor columnar units 5, 6, and 7.

また、発光部の面積SLと、半導体柱状部5,6,7の各面積SPの総和である面積3SPとの間に、次の式(5)に示す関係が成立することが望ましい。   Further, it is desirable that the relationship expressed by the following formula (5) is established between the area SL of the light emitting portion and the area 3SP that is the sum of the areas SP of the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7.

なお、前記式(5)において、面積SPに乗算する数は、半導体柱状部の設置本数に応じて変わるものである。   In the above formula (5), the number multiplied by the area SP varies depending on the number of semiconductor columnar portions installed.

よって、これらをまとめると、光線の明瞭性の向上と光線の方向制御の任意性の向上とを両立させるためには、前記した式(4),(5)より、次の式(6)に示す関係が成立することが望ましい。   Therefore, when these are summarized, in order to achieve both the improvement of the clarity of the light beam and the improvement of the arbitrary control of the direction of the light beam, the following equation (6) is obtained from the above equations (4) and (5). It is desirable that the relationship shown is established.

前記式(6)に示したように、発光部3の面積SLを、半導体柱状部5,6,7を全て囲む最小の円の面積SO以下とすることで、発光部3で発光した光が、半導体柱状部5,6,7以外の素子表面(バッファ層4(図1参照)の表面)から漏れ出して、半導体柱状部5,6,7の射出面5a,6a,7a(図1参照)から射出した光と余分な干渉効果を引き起こすのを抑制することができるので、光線の方向制御の任意性を向上させることができる。   As shown in the formula (6), by setting the area SL of the light emitting unit 3 to be equal to or smaller than the area SO of the minimum circle surrounding all the semiconductor columnar parts 5, 6, 7, the light emitted from the light emitting unit 3 can be obtained. Leaked from the element surface (the surface of the buffer layer 4 (see FIG. 1)) other than the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7, the emission surfaces 5a, 6a, and 7a of the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 (see FIG. 1) ) Can be prevented from causing an extra interference effect with the light emitted from the light source), so that it is possible to improve the light beam direction control.

また、前記式(6)に示したように、発光部3の面積SLを、半導体柱状部5,6,7の各面積SPの総和である面積3SP以上とすることで、発光部3で発光した光のほとんどを半導体柱状部5,6,7の内部に入射させることができる。このため、半導体柱状部5,6,7の内部を伝搬して射出面5a,6a,7a(図1参照)から射出される光の強度を高くすることができ、これによって、これらの光の干渉によって成形される光線の明瞭性を向上させることができる。   In addition, as shown in the above formula (6), the light emitting unit 3 emits light by the light emitting unit 3 by setting the area SL of the light emitting unit 3 to an area 3SP or more which is the sum of the areas SP of the semiconductor columnar units 5, 6, and 7. Most of the emitted light can enter the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7. For this reason, it is possible to increase the intensity of light propagating through the inside of the semiconductor pillars 5, 6, and 7 and exiting from the exit surfaces 5a, 6a, and 7a (see FIG. 1). The clarity of the light beam formed by the interference can be improved.

[発光素子の半導体柱状部から出射される光の干渉の原理]
以下、発光素子1の半導体柱状部5,6,7から出射される光の干渉の原理について図4および下記の数式を適宜用いて説明する。なお、半導体柱状部105,106は高さが同じであるので、図4および下記数式を用いる説明では、簡便のため、高さの異なる2つの半導体柱状部106と半導体柱状部107から出射される光の干渉を例にとって説明する。
[Principle of interference of light emitted from semiconductor columnar portion of light emitting element]
Hereinafter, the principle of interference of light emitted from the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 of the light emitting element 1 will be described with reference to FIG. 4 and the following mathematical expressions as appropriate. Since the semiconductor columnar portions 105 and 106 have the same height, in the explanation using FIG. 4 and the following mathematical formula, the semiconductor columnar portions 105 and 106 are emitted from the two semiconductor columnar portions 106 and the semiconductor columnar portions 107 having different heights for the sake of simplicity. An explanation will be given taking light interference as an example.

図4の発光素子は、発光素子1と同様に、半導体層102と、発光部103と、バッファ層104とを備える。また、素子の最表面を基準の位置とすると、半導体柱状部106の高さがHであり、半導体柱状部107の高さが(H−δ)である。ここで、説明のため、基準とする位置を変更する。すなわち、バッファ層104の上面の位置を基準の高度h0とする。また、半導体柱状部107の柱頭の射出面107aの位置を高度h1とし、半導体柱状部106の柱頭の射出面106aの位置を高度h2とする。つまり、h2−h1=δの関係がある。2つの半導体柱状部106,107の間隔をpとする。2つの半導体柱状部106,107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。 The light emitting element in FIG. 4 includes a semiconductor layer 102, a light emitting unit 103, and a buffer layer 104, similarly to the light emitting element 1. Further, assuming that the outermost surface of the element is a reference position, the height of the semiconductor columnar portion 106 is H, and the height of the semiconductor columnar portion 107 is (H−δ). Here, for explanation, the reference position is changed. That is, the position of the upper surface of the buffer layer 104 is set as the reference altitude h 0 . Also, the position of the stigma of the exit surface 107a of the semiconductor pillar portion 107 and altitude h 1, and altitude h 2 a position of the exit surface 106a of the stigma of a semiconductor columnar portion 106. That is, there is a relationship of h 2 −h 1 = δ. The interval between the two semiconductor columnar portions 106 and 107 is p. A predetermined point C on the vertical central axis located at an equal distance from the central axes of the two semiconductor columnar portions 106 and 107 is defined as an altitude h 3 .

図4の発光素子において、発光部103からの光は、高い半導体柱状部106と低い半導体柱状部107とに分岐して射出される。また、高い半導体柱状部106を通る場合に、1つの光路(以下、光路Aという)として、半導体柱状部106中の点A1と半導体柱状部106の射出面106a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、低い半導体柱状部107を通る場合に、半導体柱状部106の射出面106aの中心点B1と、点B1からδ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 element of FIG. 4, light from the light emitting portion 103 is branched and emitted to a high semiconductor columnar portion 106 and a low semiconductor columnar portion 107. Further, when passing through the high semiconductor columnar portion 106, it passes through a point A1 in the semiconductor columnar portion 106 and a center point A2 of the exit surface 106a of the semiconductor columnar portion 106 as one optical path (hereinafter referred to as optical path A). Assume an optical path reaching point C. Further, an optical path reaching the point C via the center point B1 of the emission surface 106a of the semiconductor columnar part 106 and the point B2 positioned higher than the point B1 by δ when passing through the low semiconductor columnar part 107 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(バッファ層104)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 (buffer layer 104) 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では媒質は半導体柱状部106(半導体)であり、光路Bでは媒質は空気である。前記したように、大気中または真空中の光の速度をc、半導体の屈折率をnとすると、半導体中の速度は、c/nで与えられる(例えばGaNであれば例えばn=2.6)。このため、半導体素子中で発生した光を2つに分岐して、一方をそのまま大気中(もしくは真空中)に射出し、かつ、もう一方を半導体中で伝搬させてから射出した場合、それら2つの光が射出された後に出会うと、光路が異なるため、光の位相は異なるようになる。したがって、図4の発光素子からの光の自由空間中の波長をλ0とし、光路Aでは高度h1から高度h2までの区間の半導体中で位相が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(7)で表される。 The light passing through the optical path A and the light passing through the optical path B travel through different media from the height h 1 to the height h 2 . At this time, in the optical path A, the medium is the semiconductor columnar portion 106 (semiconductor), 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, n = 2.6 for GaN, for example). ). For this reason, when the light generated in the semiconductor element is branched into two, one is emitted as it is in the atmosphere (or in a vacuum), and the other is propagated in the semiconductor and then emitted. When they meet after two lights are emitted, the optical paths are different, so the phases of the light are different. Therefore, if the wavelength in the free space of light from the light emitting element of FIG. 4 is λ 0 and the phase advances by α in the semiconductor in the section from the height h 1 to the height h 2 in the optical path A, the point of the optical path A In A2, the phase is expressed by the following formula (7).

また、光路Bでは高度h1から高度h2までの自由空間中で位相がβだけ進むとすると、光路Bでは点B2において位相は下記式(7)で表される。 Further, assuming that 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 in the optical path B is represented by the following formula (7) at the point B2.

さらに高度h2から高度h3まで自由空間なので、光路Aを通る光と光路Bを通る光とは同じ媒質(自由空間)を進む。また、このとき、光路Aの点A2から点Cまでの距離と、光路Bの点B2から点Cまでの距離とは同じである。したがって、光路Aを通る光の点A2における位相と、光路Bを通る光の点B2における位相との差は、点Cにおいても保存されることとなる。この位相差τは式(9)で表される。すなわち、半導体柱状部106と半導体柱状部107との高さの差δ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。式(9)を変形すると、高さの差δは式(10)で表される。 Furthermore, since it is free space from altitude h 2 to altitude h 3 , the light passing through the optical path A and the light passing through the optical path B travel on the same medium (free space). At this time, the distance from the point A2 to the point C on the optical path A and the distance from the point B2 to the point C on the optical path B are the same. Therefore, the difference between the phase at the point A2 of the light passing through the optical path A and the phase at the point B2 of the light passing through the optical path B is also preserved at the point C. This phase difference τ is expressed by Equation (9). That is, the phase difference τ between the optical path A and the optical path B can be controlled by the height difference δ between the semiconductor columnar section 106 and the semiconductor columnar section 107. When Expression (9) is transformed, the height difference δ is expressed by Expression (10).

そして、半導体柱状部106を通る光は、半導体柱状部107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、半導体柱状部106,107から放出される光の波面は互いに干渉し、これら2つの半導体柱状部106,107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、光が射出されることになる。   Since the light passing through the semiconductor columnar portion 106 is delayed as compared with the light passing through the semiconductor columnar portion 107, when both are mixed, a wave having a completely different wavefront from the wavefront of the two lights is generated. . That is, the wavefronts of the light emitted from the semiconductor columnar portions 106 and 107 interfere with each other, and in a direction (direction) determined by the relative positions (positions of the three-dimensional space) of these two semiconductor columnar portions 106 and 107. The light will be emitted.

続いて、3次元空間の位置rにある波源としての半導体柱状部106と、3次元空間の位置r2にある波源としての半導体柱状部107から射出された光の干渉について説明する。
位置rにある波源と、位置rにある波源とからそれぞれ射出された光によって、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(11)で与えられる。
Next, interference of light emitted from the semiconductor columnar portion 106 as the wave source at the position r 1 in the three-dimensional space and the semiconductor columnar portion 107 as the wave source at the position r 2 in the three-dimensional space will be described.
The intensity I (r) of light formed at the time t in the position r in the three-dimensional space by the light 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 (11). ).

式(11)において、光の干渉を表す第3項が存在するために、発光部103から射出された光が、2つの波源からそれぞれ射出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(11)では、式(12)のγの実部を利用する。式(12)のEは、Eの複素共役であることを示す。γは、式(12)で示すように、0から1までの値をとり、2つの波源から射出された光が時間的・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(13)〜式(15)のように場合分けすることができる。 In Expression (11), since there is a third term representing the interference of light, the light emitted from the light emitting unit 103 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 (11), the real part of γ in equation (12) is used. E * in the formula (12) indicates a complex conjugate of E. As shown in Equation (12), 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 (13) to (15).

式(13)の場合を完全コヒーレント、式(14)の場合をインコヒーレント、式(15)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4の発光素子においては、光の強度において、前記式(11)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 (13) is called fully coherent, the case of Equation (14) is called incoherent, and the case of Equation (15) 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 of FIG. 4, the contribution of the third term of the formula (11) is large in the light intensity, so that the light traveling direction is greatly bent.

なお、半導体柱状部106,107間の水平方向の間隔pが微小であるときには半導体柱状部の高さの差δが支配的な要因となる。   When the horizontal interval p between the semiconductor columnar portions 106 and 107 is very small, the height difference δ of the semiconductor columnar portions becomes a dominant factor.

図4では、簡単のため、高さの異なる2つの半導体柱状部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。波源としての半導体柱状部が3つある場合についても、前記式(11)を拡張することが可能である。例えば、第1の半導体柱状部105と第2の半導体柱状部106との組み合わせを2つの波源として前記式(11)を適用し、第2の半導体柱状部106と第3の半導体柱状部107との組み合わせを2つの波源として前記式(11)を適用し、第3の半導体柱状部107と第1の半導体柱状部105との組み合わせを2つの波源として前記式(11)を適用し、これら3つの組み合わせを加算することで、波源としての半導体柱状部が3つある場 合についての関係式を求めることができる。以下では、本実施形態の発光素子1のように3つの半導体柱状部を有している場合の光線の成形と、光線の方向制御とに関して行ったシミュレーションについて順次説明する。   In FIG. 4, for the sake of simplicity, the direction of the light beam due to the interference of light emitted from two semiconductor columnar portions having different heights has been described. The formula (11) can be extended also when there are three semiconductor columnar portions as wave sources. For example, the above formula (11) is applied using a combination of the first semiconductor columnar part 105 and the second semiconductor columnar part 106 as two wave sources, and the second semiconductor columnar part 106 and the third semiconductor columnar part 107 The above formula (11) is applied using the combination of the two semiconductors as the two wave sources, and the above formula (11) is applied using the combination of the third semiconductor columnar section 107 and the first semiconductor columnar section 105 as the two wave sources. By adding the two combinations, the relational expression for the case where there are three semiconductor columnar portions as wave sources can be obtained. Below, the simulation performed regarding shaping | molding of the light ray in the case of having three semiconductor columnar parts like the light emitting element 1 of this embodiment, and the direction control of a light ray is demonstrated sequentially.

[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(Finit-Difference Time Domain)法によるシミュレーションを行った。シミュレーション結果の説明に先立ち、FDTD法によるシミュレーションによるビームパターンの計算結果の一例について説明する。
[Performance of light emitting element]
In order to confirm the performance of the light-emitting element 1 of the present embodiment, a simulation by a FDTD (Finit-Difference Time Domain) method was performed. Prior to the description of the simulation result, an example of the calculation result of the beam pattern by the simulation by the FDTD method will be described.

(ビームパターン)
ビームパターンの計算結果の一例として、図2に示すような3つの半導体柱状部5,6,7の配置において、半導体柱状部5,6,7の高さが等しい場合(δ=0)のシミュレーション結果を図5に示す。具体的には、図5(a)に示したように、3つの半導体柱状部5,6,7の高さを等しくした発光素子1をXYZ軸の3次元空間に配置した。
(Beam pattern)
As an example of the calculation result of the beam pattern, in the arrangement of the three semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 as shown in FIG. 2, the simulation is performed when the heights of the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 are equal (δ = 0). The results are shown in FIG. Specifically, as shown in FIG. 5A, the light-emitting elements 1 in which the heights of the three semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 are made equal are arranged in an XYZ-axis three-dimensional space.

図5(b)に示したのは、発光素子1の放射光として、XY平面における光の強度の積算値を、XY平面のビームパターンとしたものである。このビームパターンにおいて、符号rの領域は、図5(b)のカラー表示の場合の赤色の領域を示し、図5(b)に示すスケールにてred、すなわち、光の強度がおよそ0.1W/m2であることを示す。なお、ここでは、FDTD法における電界の自乗をとった電力密度を光の強度とした。 FIG. 5B shows an integrated value of the light intensity on the XY plane as the radiation pattern of the light emitting element 1 as a beam pattern on the XY plane. In this beam pattern, the area denoted by reference numeral r represents the red area in the case of color display in FIG. 5B, and is red on the scale shown in FIG. 5B, that is, the light intensity is about 0.1 W. / M 2 . Here, the power density obtained by taking the square of the electric field in the FDTD method was used as the light intensity.

また、符号yの領域は、図5(b)のカラー表示の場合の黄色の領域を示し、図5(b)に示すスケールにてyellow、すなわち、光の強度がおよそ0.07W/m2であることを示す。
符号gの領域は、図5(b)のカラー表示の場合の緑色の領域を示し、図5(b)に示すスケールにてgreen、すなわち、光の強度がおよそ0.05W/m2であることを示す。
符号bの領域は、図5(b)のカラー表示の場合の青色の領域を示し、図5(b)に示すスケールにてblue、すなわち、光の強度がおよそ0W/m2であることを示す。
符号rの領域は、素子表面の上方8000nmに到達した光の多い領域を示し、符号bの領域は、素子表面の上方8000nmに光の到達しない領域を示す。
光の強度分布の中心点を光線が通るものとすると、原点上に光の強度分布の中心点が現れることから、素子表面と垂直な方向に向かう線上に光線を成形できることを確かめた。
The area indicated by the symbol y indicates the yellow area in the case of color display in FIG. 5B, and is yellow on the scale shown in FIG. 5B, that is, the light intensity is approximately 0.07 W / m 2. Indicates that
The area indicated by the symbol g indicates the green area in the color display shown in FIG. 5B, and is green on the scale shown in FIG. 5B, that is, the light intensity is about 0.05 W / m 2 . It shows that.
The area denoted by reference numeral b represents the blue area in the color display of FIG. 5B, and is blue on the scale shown in FIG. 5B, that is, the light intensity is approximately 0 W / m 2. Show.
The region denoted by reference symbol r represents a region with much light reaching 8000 nm above the device surface, and the region denoted by symbol b represents a region where light does not reach 8000 nm above the device surface.
Assuming that the light beam passes through the central point of the light intensity distribution, the central point of the light intensity distribution appears on the origin, so that it was confirmed that the light beam can be formed on a line extending in a direction perpendicular to the element surface.

次に、本実施形態に係る発光素子1において、発光部3の半径Ψの寸法と、半導体柱状部5,6,7の高さの差δとをパラメータとしたFDTD法によるシミュレーション結果について図6,7および適宜図1を参照しつつ説明する。   Next, in the light-emitting element 1 according to the present embodiment, the simulation result by the FDTD method using the dimension of the radius Ψ of the light-emitting portion 3 and the height difference δ of the semiconductor columnar portions 5, 6 and 7 as parameters is shown in FIG. 7 and FIG. 1 as appropriate.

ここでは、発光部3の半径Ψを1.4λ0〜2.6λ0の間で変化させるとともに、半導体柱状部5,6,7の高さの差δを0〜λ1の範囲で変化させてそれぞれのシミュレーションを行い、図6に示す表にその結果を示した。シミュレーションの条件としては、発光素子1の表面(上面)と平行な面の正方形領域(大きさ4000nm×4000nm)をベースとして想定した。また、発光領域から素子表面の上方8000nmまでの領域を計算対象とした。なお、ここでは、高い半導体柱状部5,6(導波柱5,6)の素子表面からの高さを263nmとしている。
また、光線方向の評価は、計算領域の上端において電界強度が最大となる点を光線の中心とし、発光素子1の表面の法線となす角を光線方向の制御角θとした。
Here, the radius Ψ of the light emitting portion 3 is changed between 1.4λ 0 and 2.6λ 0 , and the height difference δ of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 is changed within the range of 0 to λ 1. Each simulation was performed, and the results are shown in the table shown in FIG. As a simulation condition, a square region (size: 4000 nm × 4000 nm) having a plane parallel to the surface (upper surface) of the light emitting element 1 was assumed. In addition, a region from the light emitting region to 8000 nm above the element surface was set as a calculation target. Here, the height of the high semiconductor columnar portions 5 and 6 (waveguide columns 5 and 6) from the element surface is 263 nm.
In the evaluation of the light direction, the point where the electric field intensity is maximum at the upper end of the calculation region is the center of the light beam, and the angle formed with the normal of the surface of the light emitting element 1 is the control angle θ in the light direction.

図6に示す表において、各列は、導波柱5,6と制御柱7との高さの差δを、半導体中の発光波長λ1の2波長分の長さ(2λ1)を単位として示す。各行は、計算で求めた光線方向の制御角θを示す。
また、図6の表における画像は、XY面内にて、発光素子1から放射された光の軌跡(波面)を示すビームパターンである。このときの制御角θは、発光部3の半径Ψの寸法や半導体柱状部5,6,7の高さの差δを反映している。また、図6に示す表では、上から下に向かって、比較例1、実施例1、実施例2、比較例2となっている。なお、前記したように、半導体柱状部5,6,7の半径φは、自由空間における発光波長であるλ0と等しく、距離ρは、半径φの1/4としている。
In the table shown in FIG. 6, each column represents the height difference δ between the waveguide columns 5 and 6 and the control column 7, and the length (2λ 1 ) of two wavelengths of the emission wavelength λ 1 in the semiconductor. As shown. Each row indicates the control angle θ in the light ray direction obtained by calculation.
Further, the image in the table of FIG. 6 is a beam pattern showing a locus (wavefront) of light emitted from the light emitting element 1 in the XY plane. The control angle θ at this time reflects the size of the radius Ψ of the light emitting part 3 and the height difference δ of the semiconductor columnar parts 5, 6, 7. Moreover, in the table | surface shown in FIG. 6, it becomes the comparative example 1, Example 1, Example 2, and the comparative example 2 from the top to the bottom. As described above, the radius φ of the semiconductor columnar portions 5, 6 and 7 is equal to λ 0 which is the emission wavelength in free space, and the distance ρ is ¼ of the radius φ.

また、式(2)における半導体柱状部5,6,7の半径φ、距離ρ、および、式(3)における半導体柱状部5,6,7を全て囲む円の半径rSO(図4参照)は、全て、自由空間における発光波長λ0で表現することができる。以下では、式(1)における発光部3の半径Ψを発光波長λ0で表現したことに合わせて、式(2)において、半径φ=λ0、距離ρ≒4/λ0と置き換え、式(3)において、半径rSO≒(2+1/4)λ0と置き換えて計算する。また、導波柱5,6と制御柱7との高さの差δは、基準となる導波柱5,6の高さH(263nm〔2λ〕)に、高さの差の割合の数値を乗じて求めることとする。 Further, the radius φ and distance ρ of the semiconductor columnar portions 5, 6 and 7 in the formula (2) and the radius r SO of the circle surrounding all the semiconductor columnar portions 5, 6 and 7 in the formula (3) (see FIG. 4). Can all be expressed in terms of the emission wavelength λ 0 in free space. In the following, in conformity with the expression of the radius Ψ of the light emitting unit 3 in the expression (1) by the light emission wavelength λ 0 , in the expression (2), the radius φ = λ 0 and the distance ρ≈4 / λ 0 are replaced. In (3), the radius r SO ≈ (2 + 1/4) λ 0 is substituted for calculation. Further, the height difference δ between the waveguide pillars 5 and 6 and the control pillar 7 is equal to the height H of the reference waveguide pillars 5 and 6 (263 nm [2λ 1 ]). It is determined by multiplying by a numerical value.

〔比較例1の場合〕
比較例1では、発光部3の半径Ψを1.4λ0としている。ここで、半径Ψが1.4λ0のとき、発光部3の面積SLは、前記した式(3)より、SL=1.96λ0 となる。一方、半導体柱状部5,6,7の各面積SPは、前記した式(3)より、λ0 となるので、各面積SPの総和は、面積3SP=3λ0 となる。よって、面積SLと面積3SPとの間には、SL<3SPの関係が成立する。したがって、比較例1は、前記した式(6)の条件を満たさない。
[In the case of Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, and the 1.4Ramuda 0 radius Ψ of the light emitting portion 3. Here, when the radius Ψ is 1.4λ 0 , the area SL of the light emitting unit 3 is SL = 1.96λ 0 2 from the above-described equation (3). On the other hand, each area SP of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 is λ 0 2 according to the above-described equation (3), and thus the total sum of the areas SP is area 3SP = 3λ 0 2 . Therefore, a relationship of SL <3SP is established between the area SL and the area 3SP. Therefore, the comparative example 1 does not satisfy the condition of the above-described formula (6).

この場合、図6のグラフに示すように、半導体柱状部5,6,7の高さの差δが0.0H〜0.2Hのとき、発光部3で発光した光が半導体柱状部5,6,7の内部に十分に導かれず、その結果、射出面5a,6a,7aからそれぞれ射出される光の強度が低くなってしまうため、成形された光線の中心部分の強度が低くなっている。したがって、前記した式(6)の条件を満たさない比較例1は、光線の明瞭性が低いことを確かめた。   In this case, as shown in the graph of FIG. 6, when the height difference δ of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 is 0.0H to 0.2H, the light emitted from the light emitting portion 3 is emitted from the semiconductor columnar portions 5, 5. As a result, the intensity of the light emitted from each of the exit surfaces 5a, 6a, and 7a is reduced, and therefore the intensity of the central portion of the shaped light beam is reduced. . Therefore, it was confirmed that Comparative Example 1 that does not satisfy the condition of the above-described formula (6) has low light clarity.

〔実施例1の場合〕
実施例1では、発光部3の半径Ψを1.8λ0としている。ここで、半径Ψが1.8λ0のとき、面積SLは、前記した式(3)より、SL=3.24λ0 となる。一方、半導体柱状部5,6,7の各面積SPは、前記した式(3)より、λ0 となるので、各面積SPの総和は、面積3SP=3λ0 となる。よって、面積SLと面積3SPとの間には、SL≒3SPの関係が成立する。したがって、実施例1は、前記した式(6)の条件を満たす。
[In the case of Example 1]
In Example 1, and the 1.8Ramuda 0 radius Ψ of the light emitting portion 3. Here, when the radius Ψ is 1.8λ 0 , the area SL is SL = 3.24λ 0 2 from the above-described equation (3). On the other hand, each area SP of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 is λ 0 2 according to the above-described equation (3), and thus the total sum of the areas SP is area 3SP = 3λ 0 2 . Therefore, the relationship SL≈3SP is established between the area SL and the area 3SP. Therefore, Example 1 satisfies the condition of the above-described formula (6).

この場合、図6のグラフに示すように、半導体柱状部5,6,7の高さの差δが0.0H〜0.3Hのとき、半導体柱状部5,6,7の射出面5a,6a,7aから射出された光の干渉によって、中心部分の強度が高い光線が形成されていることがわかる。また、高さの差δが大きくなるにつれて、光線の中心部分の位置が変化している、具体的には、制御角θが大きくなっている。
したがって、前記した式(6)の条件を満たす実施例1は、光線の明瞭性を向上することができ、かつ、光線の方向制御の任意性を向上することができることを確かめた。
In this case, as shown in the graph of FIG. 6, when the height difference δ of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 is 0.0H to 0.3H, the exit surfaces 5 a of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 are formed. It can be seen that a light beam having a high intensity at the central portion is formed by interference of light emitted from 6a and 7a. Further, as the height difference δ increases, the position of the central portion of the light beam changes. Specifically, the control angle θ increases.
Therefore, it was confirmed that Example 1 satisfying the condition of the above-described formula (6) can improve the clarity of the light beam and can improve the arbitrary control of the direction of the light beam.

〔実施例2の場合〕
実施例2では、発光部3の半径Ψを2.2λ0としている。ここで、半径Ψが2.2λ0のとき、発光部3の面積SLは、前記した式(3)より、SL=4.84λ0 となる。一方、半導体柱状部5,6,7を全て囲む最小の円の面積SOは、前記した式(3)より、SO=(2+1/4)λ0 ≒5λ0 となる。
よって、面積SLと面積SOとの間には、SL≒SOの関係が成立する。したがって、実施例2は、前記した式(6)の条件を満たす。
[In the case of Example 2]
In Example 2, and the 2.2Ramuda 0 radius Ψ of the light emitting portion 3. Here, when the radius Ψ is 2.2λ 0 , the area SL of the light emitting unit 3 is SL = 4.84λ 0 2 from the above-described formula (3). On the other hand, the area SO of the smallest circle surrounding all the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 is SO = (2 + 1/4) 2 λ 0 2 ≈5λ 0 2 from the above-described equation (3).
Therefore, the relationship SL≈SO is established between the area SL and the area SO. Therefore, Example 2 satisfies the condition of the above-described formula (6).

この場合、図6のグラフに示すように、半導体柱状部5,6,7の高さの差δが0.0H〜0.4Hのとき、半導体柱状部5,6,7の射出面5a,6a,7aから射出された光の干渉によって、中心部分の強度が高い光線が形成されている。また、高さの差δが大きくなるにつれて、光線の中心部分の位置が変化している、具体的には、光線の傾き角度θが大きくなっている。
したがって、実施例2によると、光線の明瞭性を向上することができ、かつ、光線の方向制御の任意性を向上することができることを確かめた。
In this case, as shown in the graph of FIG. 6, when the height difference δ of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 is 0.0H to 0.4H, the emission surfaces 5 a, Due to the interference of the light emitted from 6a and 7a, a light beam having a high intensity at the central portion is formed. Further, as the height difference δ increases, the position of the central portion of the light beam changes, specifically, the light beam inclination angle θ increases.
Therefore, according to Example 2, it was confirmed that the clarity of the light beam can be improved and the arbitrary control of the light beam direction can be improved.

〔比較例2の場合〕
比較例2では、発光部3の半径Ψを2.6λ0としている。ここで、発光部3の半径Ψが2.6λ0の場合、発光部3をバッファ層4に正射影したときの円の面積SLは、前記した式(3)より、面積SL=5.66λ0 となる。一方、半導体柱状部5,6,7を全て囲む最小の円の面積SOは、前記した式(3)より、面積SO=(2+1/4)λ≒5λ0 となる。よって、面積SLと面積SOとの間には、SL>SOの関係が成立する。したがって、実施例2は、前記した式(6)の条件を満たさない。
[In the case of Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, the radius Ψ of the light emitting unit 3 is 2.6λ 0 . Here, when the radius Ψ of the light emitting unit 3 is 2.6λ 0 , the area SL of the circle when the light emitting unit 3 is orthogonally projected onto the buffer layer 4 is calculated by the area SL = 5.66λ from the above equation (3). 0 2 On the other hand, the area SO of the minimum circle surrounding all the semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 is the area SO = (2 + 1/4) 2 λ 2 ≈5λ 0 2 from the above-described equation (3). Therefore, the relationship SL> SO is established between the area SL and the area SO. Therefore, Example 2 does not satisfy the condition of the above-described formula (6).

この場合、図6のグラフに示すように、半導体柱状部5,6,7の高さの差δが0.0H〜0.4Hのとき、半導体柱状部5,6,7の射出面5a,6a,7aから射出された光の干渉によって、中心部分の強度が高い光線が形成されるが、高さの差δを0.0H〜0.4Hまで変化させても、光線の中心部分の位置がほとんど変化していない。したがって、比較例2によると、光線の方向制御の任意性が低いことを確かめた。   In this case, as shown in the graph of FIG. 6, when the height difference δ of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 is 0.0H to 0.4H, the emission surfaces 5 a, A light beam having a high intensity at the central portion is formed by interference of light emitted from 6a and 7a, but the position of the central portion of the light beam can be obtained even if the height difference δ is changed from 0.0H to 0.4H. There has been little change. Therefore, according to Comparative Example 2, it was confirmed that the arbitrary control of the direction of the light beam was low.

また、図6のグラフに示すように、実施例1,2および比較例1,2に共通して、半導体柱状部5,6,7の高さの差δがある程度以上大きくなると、サイドローブが大きくなってしまい、光線の成形ができなくなる。具体的には、比較例1では、高さの差δが0.3Hより大きいとき、実施例1では、高さの差δが0.4Hより大きいとき、実施例2および比較例2では、高さの差δが0.5Hより大きいとき、光線の成形ができないという結果が得られた。したがって、光線の方向制御を良好に行うためには、実施例1,2において、導波柱5,6と制御柱7との高さの差が最大で半導体中における発光波長λ1(δ=0.5H)以下とし、より望ましくは、高さの差δを0.3H程度となるように設定するとよい。 In addition, as shown in the graph of FIG. 6, in common with Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, when the height difference δ of the semiconductor columnar portions 5, 6 and 7 becomes larger than a certain level, the side lobes are reduced. It becomes large and it becomes impossible to form a light beam. Specifically, in Comparative Example 1, when the height difference δ is larger than 0.3H, in Example 1, when the height difference δ is larger than 0.4H, in Example 2 and Comparative Example 2, When the height difference δ was larger than 0.5H, the result was that the beam could not be shaped. Therefore, in order to satisfactorily control the direction of the light beam, in Examples 1 and 2, the height difference between the waveguide pillars 5 and 6 and the control pillar 7 is the largest, and the emission wavelength λ 1 (δ = 0.5H) or less, and more preferably, the height difference δ is set to be about 0.3H.

以上説明したシミュレーションにおける方向制御は、図7に示すグラフによっても確認することができる。
図7に示すグラフは、発光部3の半径Ψの値を1.4λ0〜2.8λ0まで変化させてシミュレーションした結果を示している。図7では、実施例3として、発光部3の半径Ψの値が2.0λ0の場合のシミュレーション結果を追加した。また、比較例3〜5として、発光部3の半径Ψの値が1.6λ0の場合、2.4λ0の場合、2.8λ0の場合のシミュレーション結果をそれぞれ追加した。
なお、図7では、図6において説明したように、シミュレーションによって、半導体柱状部5,6,7の高さの差δが0.4H以上になると、光線の成形が困難となるという結果が得られたので、図7では、高さの差δの値が0.0H〜0.3Hのときのシミュレーション結果を主に示している。なお、図7に示すグラフにおいて、横軸は、導波柱5,6と制御柱7との高さの差δを、半導体中における発光波長λ1の長さを単位として示す。縦軸は、計算で求めた光線方向の制御角θを示す。
The direction control in the simulation described above can also be confirmed by the graph shown in FIG.
The graph shown in FIG. 7 shows the result of simulation by changing the value of the radius Ψ of the light emitting unit 3 from 1.4λ 0 to 2.8λ 0 . In FIG. 7, as Example 3, a simulation result in the case where the value of the radius Ψ of the light emitting unit 3 is 2.0λ 0 is added. As Comparative Examples 3 to 5, simulation results were added for the case where the value of the radius Ψ of the light emitting unit 3 was 1.6λ 0 , 2.4λ 0 , and 2.8λ 0 .
In FIG. 7, as described in FIG. 6, when the height difference δ of the semiconductor columnar parts 5, 6, and 7 is 0.4 H or more, the result that the shaping of the light beam becomes difficult is obtained. Therefore, FIG. 7 mainly shows the simulation results when the value of the height difference δ is 0.0H to 0.3H. In the graph shown in FIG. 7, the horizontal axis indicates the height difference δ between the waveguide columns 5 and 6 and the control column 7 in units of the length of the emission wavelength λ 1 in the semiconductor. The vertical axis represents the control angle θ in the light ray direction obtained by calculation.

図7のグラフに示すように、発光部3の半径Ψの寸法と、制御角θとが反比例していることがわかる。つまり、発光部3の半径Ψの寸法が小さいほど、制御角θが大きくなり、光線を、発光素子1の表面の法線に対して傾けやすくなる。一方、発光部3の半径Ψの寸法が大きいほど、制御角θが小さくなり、光線を、発光素子1の表面の法線に対して傾けにくくなることがわかる。   As shown in the graph of FIG. 7, it can be seen that the dimension of the radius Ψ of the light emitting unit 3 and the control angle θ are inversely proportional. That is, as the dimension of the radius Ψ of the light emitting unit 3 is smaller, the control angle θ is larger and the light beam is more easily inclined with respect to the normal line of the surface of the light emitting element 1. On the other hand, it can be seen that the greater the dimension of the radius Ψ of the light emitting unit 3, the smaller the control angle θ and the more difficult it is to tilt the light beam with respect to the normal of the surface of the light emitting element 1.

ここで、前記した式(6)の条件を満たす発光部3の半径Ψの寸法は、前記したとおり、1.8λ0≦Ψ≦2.2λ0である。
発光部3の半径Ψが1.8λ0である場合(実施例1)、図7のグラフに示すように、導波柱5,6と制御柱7との高さの差δが大きくなるにつれて制御角θが大きくなっていることがわかる。そして、制御角θの最大値は、高さの差δが0.3Hのときの、約9度である。つまり、高さの差δを0.0Hから0.3Hまで変化させることにより、制御角θを0度から最大約9度まで変化させることができる。よって、実施例1によれば、光線の方向制御が良好に行えることがわかる。
Here, as described above, the dimension of the radius Ψ of the light emitting unit 3 that satisfies the condition of the above-described formula (6) is 1.8λ 0 ≦ Ψ ≦ 2.2λ 0 .
If the radius Ψ of the light emitting portion 3 is 1.8λ 0 (Example 1), as shown in the graph of FIG. 7, as the difference in height between Shirubehahashira 5,6 and the control column 7 [delta] increases It can be seen that the control angle θ is increased. The maximum value of the control angle θ is about 9 degrees when the height difference δ is 0.3H. That is, by changing the height difference δ from 0.0H to 0.3H, the control angle θ can be changed from 0 degree to a maximum of about 9 degrees. Therefore, according to Example 1, it turns out that the direction control of a light beam can be performed favorably.

発光部3の半径Ψが2.0λ0である場合、図7のグラフに示すように、導波柱5,6と制御柱7との高さの差δが大きくなるにつれて制御角θが大きくなっていることがわかる。そして、制御角θの最大値は、高さの差δが0.3Hのときの、約8度である。つまり、高さの差δを0.0Hから0.3Hまで変化させることにより、制御角θを0度から最大約8度まで変化させることができる。よって、実施例2によれば、光線の方向制御が良好に行えることがわかる。 If the radius Ψ of the light emitting portion 3 is 2.0Ramuda 0, as shown in the graph of FIG. 7, large control angle θ is as the difference in height between Shirubehahashira 5,6 and the control column 7 [delta] increases You can see that The maximum value of the control angle θ is about 8 degrees when the height difference δ is 0.3H. That is, by changing the height difference δ from 0.0H to 0.3H, the control angle θ can be changed from 0 degree to a maximum of about 8 degrees. Therefore, according to Example 2, it turns out that the direction control of a light beam can be performed favorably.

発光部3の半径Ψが2.2λ0である場合(実施例2)、図7のグラフに示すように、導波柱5,6と制御柱7との高さの差δが大きくなるにつれて制御角θが大きくなっていることがわかる。そして、制御角θの最大値は、高さの差δが0.3Hのときの、約7度である。つまり、高さの差δを0.0Hから0.3Hまで変化させることにより、制御角θを0度から最大約7度まで変化させることができる。よって、実施例2によれば、光線の方向制御が良好に行えることがわかる。
このように、発光部3の半径Ψの寸法が1.8λ0≦Ψ≦2.2λ0の範囲内である場合、光線を発光素子1の表面の法線に対して十分傾けることができるので、本実施形態に係る発光素子1は、IP立体ディスプレイ等に好適である。
If the radius Ψ of the light emitting portion 3 is 2.2λ 0 (Example 2), as shown in the graph of FIG. 7, as the difference in height between Shirubehahashira 5,6 and the control column 7 [delta] increases It can be seen that the control angle θ is increased. The maximum value of the control angle θ is about 7 degrees when the height difference δ is 0.3H. That is, the control angle θ can be changed from 0 degree to a maximum of about 7 degrees by changing the height difference δ from 0.0H to 0.3H. Therefore, according to Example 2, it turns out that the direction control of a light beam can be performed favorably.
As described above, when the dimension of the radius Ψ of the light emitting unit 3 is in the range of 1.8λ 0 ≦ Ψ ≦ 2.2λ 0 , the light beam can be sufficiently tilted with respect to the normal line of the surface of the light emitting element 1. The light emitting device 1 according to this embodiment is suitable for an IP stereoscopic display and the like.

[発光素子の応用例]
図8(a)および図8(b)に示すように、発光素子1を基板11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10を提供することが可能である。図示は省略するが、IP立体ディスプレイ10に対応したIP立体撮影装置がレンズ板を介して図8(b)に示す円柱や立方体等の被写体を予め撮影しておくことが、立体を表示(再生)するための前提となる。これにより、図8(b)に示すように、IP立体ディスプレイ10の各発光素子1が要素画像を空間上に投影し、それらが集積されて、被写体の再生像(立体像)として、例えば円柱や立方体が表示される。
[Application examples of light-emitting elements]
As shown in FIGS. 8A and 8B, by arranging a large number of light emitting elements 1 on a substrate 11, it is possible to provide an IP 3D display 10 that is an IP display. Although illustration is omitted, it is possible to display (reproduce) a solid by having an IP stereoscopic photographing apparatus corresponding to the IP stereoscopic display 10 photograph a subject such as a cylinder or a cube shown in FIG. ). As a result, as shown in FIG. 8B, each light emitting element 1 of the IP stereoscopic display 10 projects the element images onto the space, and these are integrated to form a reproduced image (stereoscopic image) of the subject, for example, a cylinder. Or a cube is displayed.

IP立体ディスプレイ10は、図8(a)に示すように、画面に向かって一番右側の列に並べられた発光素子1は、2つの半導体柱状部が配置された側(導波柱5,6の側)を画面の右側に向け、1つの半導体柱状部が配置された側(制御柱7側)を画面の左側に向けている。これは、画面に向かって右側の発光素子1においては、光線を素子表面の法線方向から図8において左側に向けて傾けることを企図した配置である。ここで、画素に対応した発光素子1の1つ1つにおいて、高さの差は画素毎に決定されており、当該画素から射出する光線の方向を規定するように設定される。図8(b)にて、例えば円柱や立方体を終点とする太い矢印が光線の方向を示している。   As shown in FIG. 8A, the IP stereoscopic display 10 has the light emitting elements 1 arranged in the rightmost column facing the screen on the side on which two semiconductor columnar portions are arranged (waveguide pillars 5, 5). 6 side) is directed to the right side of the screen, and the side where one semiconductor columnar portion is disposed (control column 7 side) is directed to the left side of the screen. This is an arrangement in which the light-emitting element 1 on the right side toward the screen is intended to tilt the light beam from the normal direction of the element surface toward the left side in FIG. Here, in each of the light emitting elements 1 corresponding to the pixels, the difference in height is determined for each pixel, and is set so as to define the direction of the light beam emitted from the pixel. In FIG. 8B, for example, a thick arrow whose end point is a cylinder or a cube indicates the direction of the light beam.

また、IP立体ディスプレイ10において、画面に向かって一番左側の列に並べられた発光素子1と、画面に向かって一番右側の列に並べられた発光素子とは、半導体柱状部の配置が対称になっている。これは、画面に向かって左側の発光素子1においては、光線を素子表面の法線方向から図8において右側に向けて傾けることを企図した配置である。   Further, in the IP stereoscopic display 10, the light emitting elements 1 arranged in the leftmost column facing the screen and the light emitting elements arranged in the rightmost column facing the screen have semiconductor columnar portions arranged. It is symmetrical. This is an arrangement intended to tilt the light beam from the normal direction of the element surface toward the right side in FIG.

また、IP立体ディスプレイ10において、画面に向かって一番上の列に並べられた発光素子1と、画面に向かって一番下側の列に並べられた発光素子とは、半導体柱状部の配置が対称になっている。この配置も同様な理由によるものである。さらに、その他の画面領域に並べられた発光素子1も場所に応じた配置で配置されている。
よって、素子単位の画素構造(発光素子1)の中の3つの波源からそれぞれ射出された光によって、当該画素において強度変調が可能となる。なお、画素の位置によっては、制御角θ=0度とするために半導体柱状部5,6,7の高さを等しくすべき位置もある。
In the IP stereoscopic display 10, the light emitting elements 1 arranged in the uppermost row toward the screen and the light emitting elements arranged in the lowermost row toward the screen are arranged in a semiconductor columnar portion. Is symmetric. This arrangement is also for the same reason. Furthermore, the light emitting elements 1 arranged in other screen areas are also arranged in accordance with the location.
Therefore, intensity modulation can be performed in the pixel by the light emitted from each of the three wave sources in the pixel structure of the element unit (light emitting element 1). Depending on the position of the pixel, there is a position where the heights of the semiconductor pillars 5, 6, and 7 should be made equal in order to set the control angle θ = 0 degree.

一方、立体ディスプレイ10の発光素子1間、すなわち、画素間においては、光源(発光部3)が異なるので、発光強度の点では相関性を持たない。そのため、成形される光の強度は、3つの画素から射出されたそれぞれの光の強度の単なる加算となる。つまり、画素間において成形される光の強度は、3つの画素を3つの波源とみなしたときに、前記式(11)の第1項と第2項に相当する演算で求められることとなる。
このように立体ディスプレイ10は、各画素を構成する発光素子1が、個別に、射出される方向(方向)が決定されていることによって、光学レンズを介することなく、各発光素子1から特定の方向(方向)への指向性をもった光を射出することができる。
On the other hand, since the light source (light emitting unit 3) is different between the light emitting elements 1 of the three-dimensional display 10, that is, between pixels, there is no correlation in terms of light emission intensity. Therefore, the intensity of the light to be molded is simply an addition of the intensity of each light emitted from the three pixels. In other words, the intensity of the light formed between the pixels is obtained by an operation corresponding to the first term and the second term of the equation (11) when the three pixels are regarded as three wave sources.
As described above, the three-dimensional display 10 has a specific light emitting element 1 from each light emitting element 1 without passing through an optical lens by individually determining the direction (direction) in which the light emitting elements 1 constituting each pixel are emitted. Light having directivity in the direction (direction) can be emitted.

このような微細構造を有する発光素子1を多数個並べた表示素子(FPD)は、従来技術においてレンズ板と発光面とを接合させた装置と同じ働きを有するようになる。このようにして作成したIP立体ディスプレイ10においては、立体表示の解像度は、発光素子1の精細度にのみ依存し、光学系の解像度不足による映像ボケが生じない。また、発光素子1を用いたIP表示における視域角は、素子表面と垂直な方向に対する放射光の成す角(制御角θ)の最大値にのみ依存し、解像度と視域角とを独立に改善することが可能である。   A display element (FPD) in which a large number of light emitting elements 1 having such a fine structure are arranged has the same function as an apparatus in which a lens plate and a light emitting surface are joined in the prior art. In the IP stereoscopic display 10 created in this way, the resolution of the stereoscopic display depends only on the definition of the light-emitting element 1, and video blur due to insufficient resolution of the optical system does not occur. Further, the viewing zone angle in the IP display using the light emitting element 1 depends only on the maximum value of the angle (control angle θ) formed by the radiated light with respect to the direction perpendicular to the element surface, and the resolution and the viewing zone angle are independent. It is possible to improve.

[発光素子の利用可能性]
発光素子1は、光線の成形と方向制御を必要とするデバイス一般に応用することが可能である。例えば、プロジェクター用光源、空間光インターコネクションに用いる接続器、拡散板を必要としない照明用光源などに好適である。
[Possibility of using light emitting elements]
The light-emitting element 1 can be applied to general devices that require light beam shaping and direction control. For example, it is suitable for a light source for a projector, a connector used for spatial light interconnection, an illumination light source that does not require a diffuser.

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

発光素子1の製造工程の一例を挙げると、まず、例えばGaAsやSi等の半導体基板に、例えば分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、有機金属化学気相成長(MOCVD)法などの成膜方法により、半導体層2と発光部3とバッファ層4とを積層する。   An example of the manufacturing process of the light-emitting element 1 is as follows. First, a semiconductor substrate such as GaAs or Si is formed on a semiconductor substrate such as a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. The semiconductor layer 2, the light emitting portion 3, and the buffer layer 4 are stacked by a film method.

ここで、発光部3については、半導体層2の上に、発光部3の厚み以上の厚みで発光部3の材料を成膜する。それから、発光部3を形成する領域をマスクする。そして、マスクの上から反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングを行うことにより、発光部3を形成する。
あるいは、半導体層2の上に、発光部3の材料を成膜し、発光部3となる部分以外の部分をパターニングすることで、発光部3を形成してもよい。
また、半導体層2の上に、発光部3の材料を成膜し、例えばレーザー光などを用いて局部的に励起させることで、一部領域を発光部3として機能させてもよい。
Here, for the light emitting unit 3, the material of the light emitting unit 3 is formed on the semiconductor layer 2 with a thickness equal to or greater than the thickness of the light emitting unit 3. Then, a region where the light emitting unit 3 is formed is masked. Then, the light emitting portion 3 is formed by performing dry etching such as reactive ion etching (RIE) or wet etching using a chemical solution from above the mask.
Alternatively, the light emitting unit 3 may be formed by depositing a material of the light emitting unit 3 on the semiconductor layer 2 and patterning a portion other than the portion that becomes the light emitting unit 3.
Alternatively, a part of the region may function as the light emitting unit 3 by forming a material of the light emitting unit 3 on the semiconductor layer 2 and exciting the material locally using, for example, laser light.

また、バッファ層4については、まず、半導体柱状部5,6,7の最上部(導波柱5,6の射出面5a,6a)以上の厚みで成膜する。それから、半導体柱状部5,6,7を形成する領域をマスクする。そして、マスクの上から、前記した各種エッチング法に基づいてエッチングを行うことにより、半導体柱状部5,6,7を形成する。   The buffer layer 4 is first formed with a thickness equal to or greater than the uppermost portions of the semiconductor columnar portions 5, 6, 7 (the exit surfaces 5 a, 6 a of the waveguide columns 5, 6). Then, a region for forming the semiconductor columnar parts 5, 6, and 7 is masked. Then, semiconductor columnar portions 5, 6, and 7 are formed by performing etching on the mask based on the various etching methods described above.

また、発光素子1を次のようにして形成してもよい。まず、例えばGaAsやSi等の半導体基板に、例えば分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、有機金属化学気相成長(MOCVD)法などの成膜方法により、半導体層2と発光部3とバッファ層4とを積層する。そして、バッファ層4の上に、半導体柱状部5のそれぞれの中心の直下を含む大きさで一部領域に形成された窓を1個有する誘電体反射膜を成膜する。一方で、表面に半導体柱状部5をそれぞれ配置した透明誘電体基板を別途形成する。そして、バッファ層4の誘電体反射膜を設けた面に、透明誘電体基板の複数の半導体柱状部5を設けた面と反対側の面を張り合わせ法などによって張り合わせる。このとき、誘電体反射膜に設けた窓が、透明誘電体基板の半導体柱状部5のそれぞれの中心の直下を含む一部領域に配置されるように位置を合わせて張り合わせるものとする。   Moreover, you may form the light emitting element 1 as follows. First, the semiconductor layer 2 and the light emitting portion 3 are formed on a semiconductor substrate such as GaAs or Si by a film forming method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. The buffer layer 4 is stacked. Then, on the buffer layer 4, a dielectric reflection film having one window formed in a partial region with a size including a position immediately below the center of each of the semiconductor columnar portions 5 is formed. On the other hand, a transparent dielectric substrate having the semiconductor columnar portions 5 disposed on the surface is separately formed. Then, the surface opposite to the surface on which the plurality of semiconductor columnar portions 5 of the transparent dielectric substrate are provided is attached to the surface on which the dielectric reflection film of the buffer layer 4 is provided by a bonding method or the like. At this time, it is assumed that the windows provided in the dielectric reflection film are aligned and pasted so as to be disposed in a partial region including a portion immediately below the center of each of the semiconductor columnar portions 5 of the transparent dielectric substrate.

なお、本実施形態では、バッファ層6の下面の一部領域に発光部3を設けているので、発光部3を設けた部分とその他の部分とで、発光部3の厚さの分だけ厚さの差が生じる。しかし、発光部3は、前記したように厚さが極めて薄い(約3〜10nm)ので、厚さの差により隙間等はほとんど生じないことから、厚さの差による影響を特段考慮する必要はない。また、前記したような不純物(Inイオン)を打ち込む位置を制御する方法によれば、界面の高さが等しくなるので、隙間そのものが生じない。   In the present embodiment, since the light emitting unit 3 is provided in a partial region of the lower surface of the buffer layer 6, the portion where the light emitting unit 3 is provided and the other portions are thicker by the thickness of the light emitting unit 3. A difference arises. However, since the light emitting portion 3 is extremely thin (about 3 to 10 nm) as described above, there is almost no gap due to the difference in thickness. Absent. Further, according to the method for controlling the position of implanting impurities (In ions) as described above, the height of the interface becomes equal, so that no gap itself is generated.

以上説明したように、本発明の実施形態に係る発光素子1は、表面に3本以上の半導体柱状部を形成することで、半導体柱状部からそれぞれ放射された光の相互の干渉効果により光線を成形できる。また、発光素子1は、制御柱7の高さを適切に選んで柱の高さのバランスを崩しておくことで、素子表面から垂直な方向以外の任意方向へ放射する光線を成形することが可能となる。また、発光素子1は、表面に半導体柱状部5,6,7を形成するだけで光線の方向を制御できるため、その構造が簡単である。   As described above, the light emitting device 1 according to the embodiment of the present invention forms light beams by the mutual interference effect of the light emitted from the semiconductor columnar portions by forming three or more semiconductor columnar portions on the surface. Can be molded. In addition, the light emitting element 1 can shape a light beam radiated in an arbitrary direction other than the vertical direction from the element surface by appropriately selecting the height of the control column 7 and breaking the balance of the column heights. It becomes possible. Further, the light emitting element 1 has a simple structure because the direction of the light beam can be controlled only by forming the semiconductor columnar parts 5, 6, and 7 on the surface.

以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、LED素子の材料は、GaNであるものとして説明したが、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。
また、発光素子は、LED素子のような注入型のEL素子に限定されず、有機EL素子や無機EL素子のような真性EL素子であってもよい。
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to this. For example, although the material of the LED element has been described as being GaN, the present invention is not limited to this, and may be AlN, GaAlN, ZnO, GaAs, GaP, GaAlAs, GaAlAsP, or the like.
The light emitting element is not limited to an injection type EL element such as an LED element, and may be an intrinsic EL element such as an organic EL element or an inorganic EL element.

以下、発光素子の半導体柱状部についての変形例を列挙する。
半導体柱状部の断面形状は、図示した円に限らず、多角形等であってもよい。また、半導体柱状部の本数を3本としたが、4本以上であってもよい。半導体柱状部の本数を4本とした場合、1本の半導体柱状部を制御柱とし、他の半導体柱状部を導波柱とするか、2本の半導体柱状部を制御柱とし、他の半導体柱状部を導波柱とする。4本の半導体柱状部の配置は図2の角度αが90度となるようにすることが好ましい。
Hereinafter, the modification about the semiconductor columnar part of a light emitting element is enumerated.
The cross-sectional shape of the semiconductor columnar portion is not limited to the illustrated circle, and may be a polygon or the like. In addition, the number of semiconductor columnar portions is three, but may be four or more. When the number of semiconductor columnar portions is four, one semiconductor columnar portion is a control column and another semiconductor columnar portion is a waveguide column, or two semiconductor columnar portions are control columns and other semiconductors The columnar portion is a waveguide column. The four semiconductor columnar portions are preferably arranged such that the angle α in FIG. 2 is 90 degrees.

半導体柱状部の本数を5本とした場合、1または2本の半導体柱状部を同様の制御柱とし、他の半導体柱状部を導波柱とする。5本の半導体柱状部の配置は図2の角度αが72度となるようにすることが好ましい。   When the number of semiconductor columnar portions is five, one or two semiconductor columnar portions are the same control columns, and the other semiconductor columnar portions are waveguide columns. The five semiconductor columnar portions are preferably arranged such that the angle α in FIG. 2 is 72 degrees.

半導体柱状部の本数を6本とした場合、1,2または3本の半導体柱状部を同様の制御柱とし、他の半導体柱状部を導波柱とする。6本の半導体柱状部の配置は図2の角度αが60度となるようにすることが好ましい。例えば6本の半導体柱状部を環状に配列した場合、間隔はほぼ0であっても構わない。   When the number of semiconductor columnar portions is 6, one, two, or three semiconductor columnar portions are the same control columns, and the other semiconductor columnar portions are waveguide columns. The six semiconductor columnar portions are preferably arranged such that the angle α in FIG. 2 is 60 degrees. For example, when six semiconductor columnar portions are arranged in a ring shape, the interval may be substantially zero.

波源としての半導体柱状部が4以上の整数Nである場合については、隣り合った2つの柱の組み合わせの個数をNC2とすれば、半導体柱状部が3本ある場合に32(=3)回だけ前記式(11)を適用して加算したのと同様な手法により、N2回だけ前記式(11)を適用して加算することで前記式(11)を拡張することが可能である。 When the semiconductor columnar portion as the wave source is an integer N of 4 or more, if the number of combinations of two adjacent columns is N C2, 3 C 2 (= 3) when there are three semiconductor columnar portions. It is possible to extend the equation (11) by applying and adding the equation (11) only N C 2 times in the same manner as applying the equation (11) times. It is.

なお、一重に環状に配列した複数の半導体柱状部の間隔をほぼ0としても、半導体柱状部の総数に比例して素子のサイズが大きくなるので、所望の素子のサイズに合わせて半導体柱状部の総数を適宜設計することができる。
内側に3個、外側に6個のように、環状に配列した複数の半導体柱状部を二重に配列してもよい。
また、すべての半導体柱状部の直径は必ずしも等しくなくてもよい。
Even if the interval between the plurality of semiconductor columnar portions arranged in a single annular shape is substantially zero, the size of the element increases in proportion to the total number of semiconductor columnar portions. The total number can be designed as appropriate.
A plurality of semiconductor columnar portions arranged in a ring shape, such as three on the inner side and six on the outer side, may be doubled.
In addition, the diameters of all the semiconductor columnar portions are not necessarily equal.

1 発光素子
2 半導体層
3 発光部
4 バッファ層
5,6 導波柱(半導体柱状部)
7 制御柱(半導体柱状部)
10 IP立体ディスプレイ
11 基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light emitting element 2 Semiconductor layer 3 Light emitting part 4 Buffer layer 5,6 Waveguide pillar (semiconductor columnar part)
7 Control column (semiconductor column)
10 IP stereoscopic display 11 Substrate

Claims (4)

平坦な表面を有するバッファ層と、
前記バッファ層の上側に、所定領域を取り囲むように設けられ柱頭の射出面から光を放射する少なくとも3本の半導体柱状部と、
前記バッファ層の下側に、前記少なくとも3本の半導体柱状部のそれぞれの中心の直下を含む一部領域に設けられる発光部と、を有し、
前記少なくとも3本の半導体柱状部のうち少なくとも1本の柱の高さが他の柱の高さと異なることを特徴とする発光素子。
A buffer layer having a flat surface;
On the upper side of the buffer layer, at least three semiconductor columnar portions that are provided so as to surround a predetermined region and emit light from the emission surface of the stigma,
A light emitting portion provided in a partial region including a portion directly below the center of each of the at least three semiconductor columnar portions, on the lower side of the buffer layer;
A light emitting device, wherein a height of at least one of the at least three semiconductor columnar portions is different from a height of another column.
前記発光部は、横断面の面積が、前記少なくとも3本の半導体柱状部の全てを囲む外接円の面積以下となるように形成されてい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 the light emitting portion is formed so that a cross-sectional area is equal to or smaller than a circumscribed circle surrounding all of the at least three semiconductor columnar portions. 前記発光部は、横断面の面積が、前記少なくとも3本の半導体柱状部の柱の横断面の面積の総和以上となるように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。   The light-emitting portion is formed so that a cross-sectional area is equal to or greater than a sum of cross-sectional areas of columns of the at least three semiconductor columnar portions. The light emitting element of description. 前記半導体柱状部の柱の高さの差は、前記半導体柱状部の内部における放射光の波長の半分の長さ以下であることを特徴とすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発光素子。   The difference in height between the columns of the semiconductor columnar portions is equal to or less than half the wavelength of the emitted light inside the semiconductor columnar portions. The light emitting element as described in any one.
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