JP2013175537A - Light-emitting element - Google Patents

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靖 本山
Yoshikuni Hirano
芳邦 平野
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克 田中
Keiji Ishii
啓二 石井
Nobuo Saito
信雄 斎藤
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Nippon Hoso Kyokai <Nhk>
日本放送協会
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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 stacked on a light extraction side of a light-emitting layer 3; and a metal layer 5 for shielding light on a part of the light extraction surface on the buffer layer 4, where no hole is formed thereon. Bottom surfaces of holes 10, 20, 30 formed on a top surface of the semiconductor light-emitting element 1, are inclined planes 11, 21, 31, respectively, and light emitted from the light emitting layer 3 is radiated from inclined planes 11, 21, 31 of holes. Elevation angles α of inclined planes are same and azimuth angles of them also are same, respectively. Diameters of holes 10, 20, 30 are larger than a wavelength of radiation light, and intervals between them are smaller than a coherence length of tha radiation light. Light beam is shaped by the interference effect of light from inclined planes 11, 21, 31, and the radiation direction of the light beam can be controlled at the elevation angle α.

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, in particular, it relates to a light emitting device which can be used for the stereoscopic image display device.

従来、像再生型立体表示の代表的な方式として、ホログラフィ、パララクスステレオグラム、レンチキュラシート、インテグラルフォトグラフィ(以下IPと称す)などが知られている。 Conventionally, as a typical method of image reproduction type three-dimensional display, holographic, parallax stereogram, lenticular sheet, (hereinafter referred to as IP) integral photography, etc. are known. 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。 Excluding holography, for practical use of these methods are believed to quickly feasible in a simple manner that does not require coherent light. また、IPは水平方向に加え、垂直方向の視差情報も表現することができるため、自然な立体表示が可能な装置の早期実現に有望であると考えられている(例えば非特許文献1参照)。 Also, IP in addition to the horizontal direction, since the parallax information in the vertical direction can also be expressed, are considered to be promising for the early realization of the possible natural stereoscopic display device (for example, see Non-Patent Document 1) .

IPの表示システムは、光線を再生する多数の微小なレンズ(要素レンズ)を配列したレンズアレイと、各レンズに対応した画像(要素画像)を多数並べて表示するディスプレイとによって構成される。 IP of the display system is composed of a lens array in which a number of minute lenses (element lens) for reproducing beam, by a display for displaying an array of a number of images (element image) corresponding to each lens. 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。 Observer, from one element image corresponding to one element lenses, obtain partial information corresponding to the position of the observer to observe a stereoscopic image by arranging the element image by the number of element lenses. 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。 In IP of the display system, the resolution of the stereoscopic image includes a resolution of the element lenses, and resolution of the element image, determined by the viewing distance. 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。 Further, the viewing angle of the IP of the display system, the performance of the element lenses become dominant factors. 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)。 Under such circumstances, practical to generate an IP system three-dimensional image, high-resolution and high performance of the light emitting element and the optical element is essential (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。 However, advances high definition of the light emitting element and the optical element, the optical system using a lens is also present performance limitations that can not be removed in principle as the diffraction limit and the focal length of the lens. 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。 For example the pixel size of the display, becomes smaller than the minimum spot size of the element lenses, because image blurring occurs at the same time the spot size should also be small, to be smaller than the diffraction limit of the Abbe spot size principle it is 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。 Also, viewing angle in a system using a lens is inversely proportional to the focal length of the element lenses, it can not be reduced focal length of the element lenses in order to increase the viewing angle indefinitely. 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。 Further, the viewing angle, in order to be proportional to the pitch of the element lenses, since it is possible to expand the viewing angle by increasing the pitch of the element lenses to deteriorate the resolution, and the resolution in the optical system using the lens the viewing angle, there is a trade-off.

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。 Although not directly related to the IP of the display system, in the field of light-emitting elements, LED is a self light emitting element (Light Emitting Diode) has recently because its emission characteristics are dramatically improved, attention in various applications It has attracted. 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, because a good straightness of the light emitted, a mechanism for diffusing in applications such as lighting fixtures are required. LEDの放射光を拡散させる技術がさらに進み、光の放射される方位の制御が可能となれば、ディスプレイなどへの応用も可能となる。 Technique of diffusing the light emitted from the LED further proceeds, if is possible to control the orientation which is light emission, it is applicable to such a display.

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。 Not a display using an LED, but as related technology, for example, Patent Document 1, in front of the image display means including a liquid crystal display, by providing the beam deflecting means such as a spatial light modulator using a liquid crystal device, by deflecting the light from the pixel, three-dimensional display device that displays a stereoscopic image from a plurality of different two-dimensional images of the viewpoint position are described.
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。 Further, as a technique for controlling the direction in which light is extracted from the LED, the emission angle of the LED light adjustable light emitting device is described in Patent Document 2.

特開平6−110374号公報 JP-6-110374 discloses 特開2008−147182号公報 JP 2008-147182 JP

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。 However, the light emitting device described in Patent Document 2, various parts are needed to control the direction in which light is extracted from the LED. また、ディスプレイに応用して発光素子ごとの方位制御を行おうとする場合、多数の微細な発光素子を形成する必要がある。 Moreover, if by applying the display you attempt to orientation control of each light-emitting element, it is necessary to form a large number of fine light-emitting elements. 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。 Moreover, it is very difficult to emit a synchrotron radiation of these fine light emitting elements in a direction other than the front.
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。 Furthermore, technology that can control the direction in which light is extracted from the LED having the fine structure is at present not known.

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 aims to provide a light emitting device having a simple device structure to enable the molding and direction control of the light beam from the light emitting device itself to.

前記課題を解決するために、本発明のうち請求項1に記載の発光素子は、平坦な表面から光を放射する発光素子であって、前記平坦な表面に複数の構造物が形成され、前記構造物は、光を射出する端面として前記平坦な表面に対して傾斜した傾斜面を有し、前記平坦な表面において、前記構造物同士の距離が放射光の可干渉長以下であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the light emitting device according to claim 1 of the present invention is a light-emitting element for emitting light from the flat surface, a plurality of structures on the planar surface is formed, the structure has an inclined surface inclined with respect to said planar surface as an end face for emitting light, in said planar surface, wherein the distance of the structure to each other is less than the coherence length of the radiation to.

かかる構成によれば、発光素子は、各構造物の傾斜面の傾斜角度に応じて、発光の方向を変えることができる。 According to such a configuration, the light emitting device, according to the inclination angle of the inclined surface of each structure, it is possible to change the direction of light emission. 仮に各構造物が傾斜面を有しない場合には、光線は、素子表面における各構造物の位置をすべて繋いだ軌跡の平面図形の重心位置から、素子表面と垂直な方向に向かう線上に形成されることになる。 If in each case the structure does not have the inclined surface, light rays from the center of gravity of the plane figure of all the connected trajectory the position of each Structure in the device surface, are formed in a line toward the element surface and a direction perpendicular It becomes Rukoto. 一方、かかる構成の本発明の発光素子は、各構造物が平坦な表面に対して傾斜した傾斜面を有しているので、光線の放射方向を、素子表面と垂直な方向から傾斜させることができる。 On the other hand, the light-emitting device of the present invention having the above configuration, since each structure has an inclined surface inclined to the flat surface, the radial rays, be tilted from the element surface and a direction perpendicular it can.
また、発光素子では、平坦な表面に配置された構造物間において各構造物から出射した光が干渉する。 Further, the light emitting element, the light interferes emitted from the structures between which is disposed on a flat surface structure. そのため、複数の構造物を適切に配置することで、相互の光の干渉効果によって、発光素子で成形される光線が広がらないようにすることができる。 Therefore, by appropriately arranging a plurality of structures, the interference effect of mutual light rays that are formed in the light-emitting element can be prevented from spreading.

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、前記各構造物の傾斜面の仰角がそれぞれ等しく、かつ、前記各構造物の傾斜面の方位角がそれぞれ等しいこととした。 The light-emitting device according to claim 2, in light emitting device according to claim 1, wherein each elevation equal the inclined surface of the structure, and the azimuth angle of the inclined surface of each structure are equal respectively it was decided.

かかる構成によれば、発光素子は、各構造物の傾斜面の仰角および方位角が等しいので、各構造物の傾斜面から出射するそれぞれ光の出射方向が揃うため、それぞれの光が効果的に干渉し、成形される光線を比較的大きく傾けて放射できるように放射方向を制御することができる。 According to such a configuration, the light emitting device, since the elevation and azimuth of the inclined surface of each structure are the same, since the aligned the emission direction of each light emitted from the inclined surface of the structure, each of the light effectively interference, it is possible to control the radial direction so that light rays forming relatively large inclined radiation.

また、請求項3に記載の発光素子は、請求項2に記載の発光素子であって、前記平坦な表面において、前記複数の構造物が形成されていない領域に、光をマスクするための遮光膜を備えることとした。 The light-emitting device according to claim 3, a light-emitting device according to claim 2, wherein the planar surface, said plurality of regions where the structure is not formed, the light shielding for masking light it was decided to prepare for the film.

かかる構成によれば、発光素子は、光線を成形する際に、構造物以外の素子表面から放射される光による妨害をマスクで抑制することができる。 According to such a configuration, the light emitting device, when forming the beam, it is possible to suppress the interference by light emitted from the element surface other than the structure in the mask.

また、請求項4に記載の発光素子は、請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の発光素子であって、前記構造物が、前記平坦な表面から突出する柱体を形成し、その柱体の上面を前記傾斜面として形成したことを特徴とする。 The light-emitting device according to claim 4 is a light-emitting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the structure forms a cylindrical body which projects from the flat surface , characterized in that the formation of the upper surface of the pillar as the inclined surface.

かかる構成によれば、発光素子は、柱体の上面が傾斜面であり、この傾斜面は、柱体の上面が平坦な場合よりも面積が大きいので、光の出射端面を大きくすることができる。 According to such a configuration, the light emitting device, the upper surface of the columnar body is inclined surface, the inclined surface is, the area is larger than the upper surface of the pillar is flat, it is possible to increase the light emitting face of the optical .

また、請求項5に記載の発光素子は、請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の発光素子であって、前記構造物が、前記平坦な表面から凹む孔を形成し、その孔の底面を前記傾斜面として形成したことを特徴とする。 Further, the light emitting device according to claim 5, a light-emitting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the structure forms a hole that is recessed from the planar surface, the the bottom surface of the hole, characterized in that formed as the inclined surface.

かかる構成によれば、発光素子は、孔の底面が傾斜面であり、この傾斜面は、孔の底面が平坦な場合よりも面積が大きいので、光の出射端面を大きくすることができる。 According to such a configuration, the light emitting device is a bottom of the holes the inclined surface, the inclined surface is, since the bottom surface of the hole is larger area than flat, it is possible to increase the emission end face of the light.

また、請求項6に記載の発光素子は、請求項3に記載の発光素子において、発光層と、前記発光層の光取り出し側に積層されたバッファ層と、前記バッファ層の上であって前記複数の構造物が形成されていない領域に積層された前記遮光膜と、を備え、前記各構造物は、前記バッファ層の表面に開口して前記バッファ層に底面を有する孔であって、当該孔の底面が前記傾斜面であり、前記孔の径は、放射光の波長以上であることとした。 The light-emitting device according to claim 6, in the light emitting device according to claim 3, a light emitting layer, the light emitting layer buffer layer laminated on the light extraction side of a the top of the buffer layer the and a light shielding film stacked on the region in which a plurality of structures are not formed, each structure, open to the surface of the buffer layer a hole having a bottom surface in the buffer layer, the the bottom surface of the hole is that the inclined surface, the diameter of the holes was set to not less than the wavelength of the emitted light.

かかる構成によれば、発光素子は、平坦な表面に構造物としての孔が設けられ、各孔は、発光層よりも上方のバッファ層に孔の底面として傾斜面を有する。 According to such a configuration, the light emitting device, holes of a structure is provided on the flat surface, each hole has an inclined surface above the buffer layer than the light emitting layer as a bottom surface of the hole. したがって、孔の直下において、発光層からの光は、バッファ層と孔の内部との界面である傾斜面を境界として、屈折率の相違によって決まる方向に屈折する。 Therefore, immediately below the hole, light from the light emitting layer as a boundary the inclined surface is the interface between the interior of the buffer layer and the hole is refracted in a direction determined by the difference in refractive index. また、発光素子は、各孔同士の距離が放射光の可干渉長以下なので、各孔においてバッファ層中を伝搬して孔の底の傾斜面から放出されたそれぞれの光が互いに干渉し、合成された光の進行方向は曲げられることになる。 Further, the light emitting device, the distance of each hole to each other such less coherence length of the emitted light, and each of the interference light each other emitted from the inclined surface of the bottom of the hole to propagate a buffer layer in each hole, synthetic been traveling direction of light will be bent.

また、請求項7に記載の発光素子は、請求項3に記載の発光素子において、発光層と、前記発光層の光取り出し側に積層されて平坦に形成された平坦領域と前記平坦領域から一部突出して形成された複数の突起部とを有するバッファ層と、前記バッファ層の上であって前記平坦領域に積層された前記遮光膜と、を備え、前記各構造物は、前記バッファ層の上に形成された前記突起部であって、前記突起部は、前記傾斜面を有し、当該傾斜面の少なくとも一部が前記遮光膜よりも上方に形成されており、前記突起部の基端において、当該突起部の径は、放射光の波長以上であることとした。 The light emitting device of claim 7, one light-emitting element according to claim 3, a light emitting layer, a flat area formed flat stacked on the light extraction side of the light emitting layer from the flat region comprising a buffer layer having a plurality of protrusions formed by parts projecting, and a light shielding film stacked on the flat area there is on the buffer layer, each structure, the buffer layer a the protrusion formed on the upper, the protruding portion has the inclined surface, at least a portion of the inclined surface is formed above the light shielding film, a base end of the protrusion in, the diameter of the protrusions, it was not less than the wavelength of the emitted light.

かかる構成によれば、発光素子は、平坦な表面の構造物として、バッファ層の突起部が設けられ、各突起部は傾斜面を有する。 According to such a configuration, the light emitting device, a structure of a flat surface, the protrusion of the buffer layer is provided, the protrusions having an inclined surface. ここで、傾斜面の上端は、遮光膜よりも上方に形成されている。 Here, the upper end of the inclined surface is formed above the light shielding film. 傾斜面の下端は、遮光膜よりも上方に位置してもよいし、遮光膜と面一でもよいし、遮光膜より下方に位置してもよい。 The lower end of the inclined surface may be positioned above the light shielding film may be a light shielding film flush, it may be positioned below the light-shielding film. この発光素子は、突起部において、発光層からの光は、バッファ層と外部との界面である傾斜面を境界として、屈折率の相違によって決まる方向に屈折する。 The light-emitting element, the projections, light from the light emitting layer as a boundary the inclined surface is the interface between the buffer layer and the outside is refracted in a direction determined by the difference in refractive index. また、発光素子は、各突起部同士の距離が放射光の可干渉長以下なので、各突起部においてバッファ層中を伝搬して突起部の傾斜面から放出されたそれぞれの光が互いに干渉し、合成された光の進行方向は曲げられることになる。 Further, the light emitting device, the distance between the protrusions is such less coherence length of the radiation, each of the light emitted from the inclined surface of the projecting portion propagates through the buffer layer at the protrusions interfere with each other, the traveling direction of the synthesized light would be bent.

請求項1に記載の発明によれば、発光素子は、素子単体で光線の成形と方向制御を可能とすることができる。 According to the invention described in claim 1, the light emitting device, it is possible to enable molding and direction control of light in a single element. また、発光素子は、発光の方向を構造物の傾斜面で制御し、光線の成形を複数の構造物の配置で制御したものなので、光線が出射する方向を比較的大きくなるように制御したときに当該光線に生じやすいサイドローブを比較的小さく抑えることができる。 The light emitting element is to control the direction of light emission at the inclined surface of the structure, so that by controlling the forming of the light beam in the arrangement of the plurality of structures, when a light beam is controlled to be relatively large direction for emitting easy side lobes occur in the light rays can be suppressed relatively small.

請求項2に記載の発明によれば、発光素子は、光線の方向制御を効果的に行うことができる。 According to the invention described in claim 2, the light emitting device can perform directional control of light rays effectively.
請求項3に記載の発明によれば、発光素子は、妨害光を遮蔽できるので光線の成形と方向制御を効果的に行うことができる。 According to the invention described in claim 3, the light emitting element can perform molding and direction control of the light beam effectively because it shields the interference light. また、発光素子において、遮光膜を金属で形成すれば、遮光膜に電極機能を兼用することができる。 In the light-emitting element, a light-shielding film be formed of a metal, it can be used also the electrode function the light-shielding film.
請求項4または5に記載の発明によれば、発光素子は、光の出射端面を大きくすることができるため、光の強度を大きくすることができる。 According to the invention described in claim 4 or 5, the light emitting device, it is possible to increase the light emitting face of the optical, it is possible to increase the intensity of light.
請求項6に記載の発明によれば、発光素子は、素子表面に複数の孔を適切な配置、形状およびサイズで形成されることで光線の成形と方向制御を効果的に行うことができる。 According to the invention of claim 6, the light emitting device, proper placement of the plurality of holes on the surface of the device, it is possible to effectively perform the molding and direction control of light by being formed in shape and size.
請求項7に記載の発明によれば、発光素子は、素子表面に複数の突起部を適切な配置、形状およびサイズで形成されることで光線の成形と方向制御を効果的に行うことができる。 According to the invention described in claim 7, the light emitting device, proper placement of the plurality of protrusions on the surface of the device, it is possible to effectively perform the molding and direction control of light by being formed in shape and size .

本発明の第1実施形態に係る発光素子の要部を模式的に示す破断斜視図である。 The main parts of a light emitting device according to a first embodiment of the present invention is a broken perspective view schematically showing. 本発明の第1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。 The structure of the light emitting device according to a first embodiment of the present invention is a plan view schematically showing. 図2のA−A線矢視における断面図である。 It is a sectional view along A-A taken along the line of FIG. 図2のB−B線矢視における断面図である。 It is a cross-sectional view taken along view taken along line B-B of FIG. 傾斜面のない参考例の発光素子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、(c)はYZ平面のビームパターンをそれぞれ示している。 An explanatory diagram showing a calculation example of a beam pattern of the light emitting device without inclined surfaces Reference Example, the (a) is a perspective view, (b) the beam pattern in the XY plane, (c) is the YZ plane beam pattern They are shown, respectively. 本発明の第1実施形態に係る発光素子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、(c)はYZ平面のビームパターンをそれぞれ示している。 An explanatory diagram showing a calculation example of a beam pattern of a light emitting device according to a first embodiment of the invention, (a) is a perspective view, (b) the beam pattern in the XY plane, (c) is the YZ plane beam respectively show a pattern. 本発明の第1実施形態に係る発光素子における光強度の遠方界パターンであって、(a)は仰角αが0°のとき、(b)は仰角αが14°のときをそれぞれ示している。 A far field pattern of the light intensity in the light-emitting element according to the first embodiment of the present invention, showing (a) when the elevation angle α is 0 °, (b), respectively when the elevation angle α is 14 ° . 本発明の第2実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す斜視図である。 The structure of the light emitting device according to a second embodiment of the present invention is a perspective view schematically showing. 本発明の第2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。 The structure of a light emitting device according to a second embodiment of the present invention is a plan view schematically showing. 図9のC−C線矢視における断面図である。 It is a sectional view taken along view taken along line C-C in FIG. 図9のD−D線矢視における断面図である。 Is a sectional view taken along line D-D view of the FIG. 本発明の第2実施形態に係る発光素子において仰角αが14°のときの光強度の遠方界パターンである。 In the light-emitting device according to a second embodiment of the present invention is a far-field pattern of the light intensity when the elevation angle α is 14 °. 本発明の第1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)は正面図、(b)は斜視図を示す。 A conceptual diagram of an IP stereoscopic display using a light emitting device according to a first embodiment of the present invention, (a) is a front view, (b) is 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。 Hereinafter, modes for carrying out the light-emitting device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 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。 The size and position relationships of the members such as shown in the drawings may be exaggerated for clarity.

本発明の発光素子は、平坦な表面に複数の微細な構造物(以下、微細構造物という)が形成され、各微細構造物は、光を射出する端面として、平坦な表面に対して傾斜した傾斜面を有している。 Light-emitting device of the present invention, a plurality of fine structures on the flat surface (hereinafter, referred to as microstructure) is formed, the microstructures, as the end face for emitting light, inclined to the flat surface It has an inclined surface. 以下、微細構造物が、素子表面から凹む孔である場合を第1実施形態、微細構造物が素子表面から突出する柱体である場合を第2実施形態として順次説明する。 Hereinafter, the fine structures will be sequentially described first embodiment where a hole recessed from the surface of the device, the case where the fine structure is a pillar protruding from the surface of the device as a second embodiment.

(第1の実施形態) (First Embodiment)
[発光素子の構造の概要] Summary of the structure of the light-emitting element]

本発明の第1実施形態に係る発光素子について図1を参照して説明する。 Referring to FIG. 1 illustrates a light-emitting device according to a first embodiment of the present invention. 図1に示すように、発光素子1には、素子表面(上面)から凹んだ、第1の孔10と、第2の孔20と、第3の孔30と、が設けられている。 As shown in FIG. 1, the light emitting element 1, recessed from the element surface (upper surface), a first hole 10, a second hole 20, the third hole 30, is provided. なお、図1にて破断して示した発光素子1の外観を図6(a)に示す。 Incidentally, it is shown in FIG. 6 (a) the appearance of the light emitting element shown in broken in Figure 1. また、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つの孔10,20,30を図2に示す。 Further, in the top of elements, showing the three holes 10, 20, 30 which are arranged so as to surround a predetermined region annularly in FIG. なお、孔については後記する。 Incidentally, it described later for holes.
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。 The light-emitting element 1 is an element for emitting highly directional light, a light-oriented light-emitting element that emits a light beam in a specific direction.

<発光素子の構造> <Structure of the light-emitting element>
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。 Light-emitting element 1, for example as LED, and so as to emit light from the flat surface.
発光素子1は、図1に示すように、半導体層2と、発光層3と、バッファ層4と、金属層(遮光膜)5とを備えている。 The light-emitting element 1, as shown in FIG. 1, a semiconductor layer 2, a light emitting layer 3, a buffer layer 4, a metal layer (light shielding film) 5.
半導体層2は、発光層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。 The semiconductor layer 2, the lower side of the light-emitting layer 3, an n-type semiconductor layer provided between the substrate (not shown). バッファ層4は、発光層3の上側(光取り出し側)に、発光層3と素子表面との間に設けられたp型半導体層である。 Buffer layer 4, the upper side of the light-emitting layer 3 (light-extraction side) is a p-type semiconductor layer provided between the light-emitting layer 3 and the element surface.

<発光層> <Light-Emitting Layer>
発光素子1が青色発光素子である場合、発光層3は、例えば、InGaNの量子井戸層として形成される。 If the light emitting element 1 is a blue light emitting element, the light-emitting layer 3 may be formed as a quantum well layer of InGaN.
<半導体層> <Semiconductor layer>
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。 The semiconductor layer 2 includes, in order from the substrate side, not shown, for example, can be a n-type GaN layer, and an n-type GaN / InGaN barrier layer and are stacked.
<バッファ層> <Buffer layer>
バッファ層4は、発光層3側から順に、例えば、p型GaN/InGaN障壁層と、p型GaN層と、が積層された構造とすることができる。 Buffer layer 4, in order from the light-emitting layer 3 side, for example, may be a p-type GaN / InGaN barrier layer, and a p-type GaN layer, and are stacked.

<金属層> <Metal layer>
金属層5は、バッファ層4の上に積層されている。 Metal layer 5 is laminated on the buffer layer 4. ただし、金属層5は、発光素子1の光取り出し側において孔10,20,30が形成されていない表面に設けられている。 However, the metal layer 5 is provided on the surface not holes 10, 20 and 30 are formed in the light extraction side of the light-emitting element 1. すなわち、金属層5は、孔以外から放出される光をマスクするための遮光膜として機能する。 That is, the metal layer 5 functions as a light shielding film for masking the light emitted from the other hole.

<電極> <Electrode>
図示を省略したが、一般的なLED素子と同様に、半導体層2およびバッファ層4との間に段差を設けて、当該段差から引き出された部分にオーミックコンタクトを形成する形で電極を形成できれば、電極の構造は特に限定されるものではない。 Although not shown, similar to the general LED element, provided with a step between the semiconductor layer 2 and the buffer layer 4, if forming an electrode in the form of forming an ohmic contact to the pulled-out portion from the stepped , the structure of the electrode is not particularly limited. 例えばp電極を、金属層5の部分に設け、n電極を半導体層2の基板側の面に設けてもよい。 For example the p-electrode, provided in a portion of the metal layer 5 may be provided an n-electrode on the surface on the substrate side of the semiconductor layer 2.
また、電極材料としては一般的な金属電極が使用できる。 Further, general metal electrode can be used as the electrode material.

<孔の傾斜面> <Inclined surface of the hole>
第1の孔10の底面は傾斜面11であり、第2の孔20の底面は傾斜面21であり、第3の孔30の底面は傾斜面31である。 The bottom surface of the first hole 10 is an inclined surface 11, the bottom surface of the second hole 20 are inclined surfaces 21, the bottom surface of the third hole 30 is an inclined surface 31. 各傾斜面11,21,31の面内の輪郭形状(例えば楕円)を素子表面(上面)の位置に投影した平面図形(例えば楕円が投影されれば円になる)の径は、発光素子1の発光層3からの光が通るのに充分な太さを有する。 Diameter of the contour shape (e.g. oval) the device surface in the plane of the inclined surfaces 11, 21, 31 plane figures obtained by projecting the position of the (top) (e.g. ellipse becomes a circle when it is projected), the light emitting element 1 having sufficient thickness for passage of light from the light emitting layer 3. なお、投影された平面図形は円に限定されるものではない。 Incidentally, the projected plane figures is not intended to be limited to a circle. ここで、充分な太さとは、発光素子1から放出される光の波長(以下、λと表記する)程度以上である。 Here, the sufficient thickness, wavelength of light emitted from the light emitting device 1 is not less than about (hereinafter referred to as lambda). 波長λは、自由空間における放射光の波長を示す。 Wavelength λ indicates the wavelength of the emitted light in free space.

<孔の平面形状> <Planar shape of the hole>
図1および図2では、孔の形状を円形で示した。 1 and 2, showing the shape of the holes in circular. つまり、各傾斜面11,21,31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。 In other words, the shape of the plane figure of when the inclined surfaces 11, 21 and 31 is projected on the surface of the device (the upper surface) is assumed to be circular. また、図1および図2に示すように各孔の太さは等しいものとした(直径d:図3および図4参照)。 Further, the thickness of each hole as shown in FIGS. 1 and 2 was equal (diameter d: see FIG. 3 and FIG. 4).

<孔の間隔p> <Interval of the holes p>
孔10,20,30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、β=120度)の方位に、互いに間隔pだけ離間して配置されている。 Holes 10, 20, 30, in the light extraction surface, the orientation of the equal angles around the predetermined origin beta (in this case, beta = 120 degrees), are spaced apart by a distance p from each other. 孔の間隔pは、隣り合った孔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。 Spacing p of the holes is previously set to a length that the light from the adjacent holes may be interference. つまり、孔の間隔pは、発光素子の可干渉長以下であることが好ましい。 That is, the spacing p of the holes is preferably less coherence length of the light emitting element. 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。 Incidentally, the coherence length of the light has a full width at half maximum of the emission spectrum of the light source and on the central wavelength. 光源がLEDの場合、例えば10〜数十μm程度の長さとなる。 The light source is the case of LED, for example, a length of about 10 to several tens of [mu] m.

<複数の孔の配置の原点M> <Origin M of the arrangement of a plurality of holes>
図2に示す例では、所定の原点とは、素子上面において3つの孔10,20,30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。 In the example shown in FIG. 2, the predetermined origin is a point located in a predetermined region surrounded by the annular by three holes 10, 20, 30 in the top of elements. また、この原点は、第1の孔10の中心O 1と、第2の孔20の中心O 2と、第3の孔30の中心O 3とから等距離にある点であり、中心O 1 ,O 2 ,O 3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。 Further, the origin is the center O 1 of the first hole 10 and the center O 2 of the second hole 20, a point equidistant from the third hole 30 center O 3 Prefecture of the center O 1 is that of an equilateral triangle whose vertices are O 2, O 3 centroid (denoted as the origin M). ここで、3つの孔10,20,30は、円環状かつ均等に配置されることが好ましい。 Here, three holes 10, 20, 30 are preferably annular and evenly spaced. なお、各孔により取り囲まれた所定領域の形状やサイズは、孔の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。 The shape and size of a predetermined region surrounded by the holes can be appropriately designed as desired one while taking the diameter and balance holes. 例えば孔の径が、発光波長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。 For example the diameter of the hole is, if the number wavelengths about content of the emission wavelength, the size of the predetermined area may be a fraction of the wavelength to several order of the wavelength.

<孔の傾斜面の仰角> <Elevation angle of the inclined surface of the hole>
図1では、第3の孔30の傾斜面31の仰角αだけ図示したが、ここでは、3つの孔10,20,30の各傾斜面11,21,31の仰角αがそれぞれ等しいものとした。 In Figure 1, it has been illustrated only the elevation angle α of the inclined surface 31 of the third bore 30, wherein the elevation angle α of the inclined surfaces 11, 21, 31 of the three holes 10, 20 and 30 is assumed to be equal, respectively . 例えば傾斜面21については、図2のA−A線矢視における断面図を図3に示すように、傾斜面21の仰角も角度αとなっている。 For example, for the inclined surface 21, as shown in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along A-A taken along the line of FIG. 2, the elevation angle of the inclined surface 21 also has an angle alpha.

<孔の傾斜面の方位角> <Azimuth angle of the inclined surface of the hole>
発光素子1の各孔10,20,30において各傾斜面11,21,31の方位角はそれぞれ等しいものとした。 The azimuth angles of the inclined surfaces 11, 21, 31 in each hole 10, 20 and 30 of the light-emitting element 1 was equal respectively. ここで、傾斜面の方位角とは、発光素子1を発光面(上面)から見たときの傾斜面の傾斜方向を示す角度であって、例えば高い方から低い方へ傾斜する向きで特定する。 Here, the azimuth angle of the inclined surface, an angle indicating an inclination direction of the inclined surface when viewed light emitting element 1 from the light emitting surface (upper surface), identifying in an orientation which is inclined to lower from example higher . 具体的には、図2において、傾斜面11の方位角の方向は、第1の孔10の中心O 1を始点とする太線の矢印の向きと同じ方向で表される。 Specifically, in FIG. 2, the direction of the azimuth angle of the inclined surface 11 is expressed in the same direction as the thick line of the direction of the arrow starting from the center O 1 of the first hole 10. また、傾斜面21の方位角の方向は、第2の孔20の中心O 2を始点とする太線の矢印の向きと同じ方向で表される。 The direction of the azimuth angle of the inclined surface 21 is represented in the same direction as the thick line of the direction of the arrow starting from the center O 2 of the second bore 20. また、傾斜面31の方位角の方向は、第3の孔30の中心O 3を始点とする太線の矢印の向きと同じ方向で表される。 The direction of the azimuth angle of the inclined surface 31 is represented in the same direction as the thick line of the direction of the arrow starting from the center O 3 of the third hole 30. つまり、この発光素子1の傾斜面の方位角は、地図上ならば南向き(図2において下向き)である。 That is, the azimuth angle of the inclined surface of the light emitting element 1 is if the map southward (downward in FIG. 2). なお、各傾斜面11,21,31は、高い方から低い方へ傾斜する向きが、+Y方向から−Y方向への向きに一致している。 Incidentally, the inclined surfaces 11, 21 and 31, the direction of inclination from the higher to lower is coincident from the + Y direction in the direction of the -Y direction. また、3本の太線の矢印の向きは、発光素子1から広がりを抑えて放射される光線の方向を示している。 Further, three bold arrow direction of indicates the direction of the light rays emitted by suppressing the spread from the light-emitting element 1.

なお、各孔10,20,30において各傾斜面11,21,31の方位角を独立に変化させてもよい。 It is also possible to independently varying the azimuth angle of the inclined surfaces 11, 21, 31 in each hole 10, 20 and 30. この場合、図2に示す配置では、横並びの2つの孔10,20の傾斜面11,21については、方位角を対称に変化させると都合がよい。 In this case, in the arrangement shown in FIG. 2, for the inclined surfaces 11 and 21 side-by-side two holes 10 and 20, it is convenient to vary the azimuthal symmetry. そこで、各傾斜面11,21,31の方位角(太線の矢印の方向)を特定するために、孔ごとに孔の中心を基点とした回転角θを方位角とは区別して導入することとした。 Therefore, in order to identify the azimuth angle of the inclined surfaces 11, 21 and 31 (the direction of the bold arrow), and be introduced separately from the azimuth rotation angle θ which a base point the center of the hole for each hole did.

具体的には、傾斜面11についての回転角θ 1は、図2において、第1の孔10の中心O 1と原点Mと結ぶ線分を基準として、時計回りに角度が大きくなるように表すこととした。 Specifically, the rotation angle theta 1 of the inclined surface 11, in FIG. 2, the center O 1 and the reference line segment connecting the origin M of the first hole 10, expressed as angle increases clockwise it was decided. 図2において、第1の孔10の中心O 1を始点とする太線の矢印の方向(方位角)は、回転角度θ 1が120度のときに対応している。 2, bold arrows in a direction starting from the center O 1 of the first hole 10 (azimuth angle), the rotation angle theta 1 corresponds to the time of 120 degrees.

傾斜面21についての回転角θ 2は、図2において、第2の孔20の中心O 2と原点Mと結ぶ線分を基準として、反時計回りに角度が大きくなるように表すこととした。 Rotation angle theta 2 of the inclined surface 21, in FIG. 2, was be expressed as about O 2 and relative to the line segment connecting the origin M of the second hole 20, the angle increases counterclockwise. 図2において、第2の孔20の中心O 2を始点とする太線の矢印の方向(方位角)は、回転角度θ 2が120度のときに対応している。 2, bold arrows in a direction starting from the center O 2 of the second hole 20 (azimuth angle), the rotation angle theta 2 corresponds to the time of 120 degrees.

傾斜面31についての回転角θ 3は、図2において、第3の孔30の中心O 3と原点Mと結ぶ線分を基準として、反時計回りに角度が大きくなるように表すこととした。 Rotation angle theta 3 of the inclined surface 31, in FIG. 2, it was be expressed as relative to the line segment connecting the center O 3 and the origin M of the third hole 30, the angle increases counterclockwise. 図2において、第3の孔30の中心O 3を始点とする太線の矢印の方向(方位角)は、回転角度θ 3が0度のときに対応している。 2, the third hole 30 bold arrows in the direction of the center O 3 as the starting point of the (azimuth), the rotation angle theta 3 corresponds at 0 degrees. なお、各回転角θの定義は一例であって、角度が大きくなる方向を反時計回りに統一しても差し支えないし、θ 1 、θ 2 、θ 3の初期値の位置を変更してもよい。 As well, the definition of each rotation angle theta is an example, do not harm in a unified direction angle increases counterclockwise, theta 1, theta 2, may change the position of the initial value of theta 3 .

<孔の深さ> <Depth of the hole>
孔10,20,30は、金属層5の厚みよりも深く、かつ、金属層5とバッファ層4とを合わせた厚みよりも浅く形成されている。 Holes 10, 20, 30, deeper than the thickness of the metal layer 5, and formed to be shallower than the total thickness of the metal layer 5 and the buffer layer 4. 孔10,20は、図3および図4に示すように、バッファ層4の表面に開口してバッファ層4に底面11,21を有する。 Holes 10 and 20, as shown in FIGS. 3 and 4, has a bottom surface 11, 21 to the buffer layer 4 and opens to the surface of the buffer layer 4. なお、孔30もバッファ層4の表面に開口してバッファ層4に底面31(図1参照)を有する。 Incidentally, having a bottom surface 31 (see FIG. 1) in the buffer layer 4 hole 30 is also open to the surface of the buffer layer 4. 各孔10,20,30は底面を有しており、孔の底面が傾斜している。 Each hole 10, 20, 30 has a bottom surface, the bottom surface of the hole is inclined. 図3に示すように、孔20の傾斜面(底面)21の最下端は、発光層3よりも上に位置する。 As shown in FIG. 3, the lowermost end of the inclined surface of the hole 20 (bottom surface) 21 is located above the light-emitting layer 3. また、孔20の傾斜面(底面)21の最上端は、金属層5よりも下に位置する。 Further, the uppermost end of the inclined surface (bottom surface) 21 of the hole 20 is positioned below the metallic layer 5. なお、傾斜面(底面)21の最上端は、バッファ層4の上面の開口の周縁よりも下に位置してもよい。 Incidentally, the uppermost end of the inclined surface (bottom surface) 21 may be located below the rim of the opening of the upper surface of the buffer layer 4.

傾斜面21の最上端が金属層5よりも下に位置すると、光が金属層5の側面で反射する。 When the uppermost end of the inclined surface 21 is located below the metal layer 5, the light is reflected on the side surface of the metal layer 5. 具体例として、図3の断面図において、孔20の直下の発光層3からバッファ層4を介して真上へ向かう光を想定すると、傾斜面21への入射角度が仰角αと等しい。 As a specific example, in the sectional view of FIG. 3, assuming a light toward the right above the light emitting layer 3 via the buffer layer 4 immediately below the hole 20, the incident angle of the inclined surface 21 is equal to the elevation angle alpha. そして、この真上へ向かう光は、傾斜面21の上下の媒質の屈折率の相違と入射角とに応じて屈折し、真上(+Z軸)から、+Y方向(図3において右側)に傾いた方向へ出射する。 The light directed to the right above is refracted according to the refractive index difference of the top and bottom of the medium of the inclined surface 21 and the incident angle, from above (+ Z axis), inclined in the + Y direction (right side in FIG. 3) It is emitted to the direction. この出射光は、金属層5の開口部の側面で反射する。 The emitted light is reflected by the side surface of the opening of the metal layer 5. そして、この反射光は、素子真上(+Z軸)から、−Y方向(図3において左側)に傾いた方向で孔20の外部へ出射することとなる。 Then, the reflected light, and thus emitted from the element immediately above (+ Z axis), in a direction inclined in the -Y direction (left side in FIG. 3) of the hole 20 to the outside.

[発光素子の設計の具体例] [Specific examples of the design of a light emitting device]
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(波長λ)は470nmであるものとした。 Light-emitting element 1, for example, assumed to be LED obtained by adding In into GaN, the center wavelength of the emission spectrum (wavelength lambda) was assumed to be 470 nm.
発光素子1のバッファ層4(図1参照)の厚さを約250nmとした。 The thickness of the buffer layer 4 of the light-emitting element 1 (see FIG. 1) was about 250 nm.
金属層5(図1参照)は、厚さ200nmのMoの金属薄膜とした。 (See FIG. 1) a metal layer 5 has a metal thin film having a thickness of 200 nm Mo.
孔の間隔p(図2参照)は、放射光の自由空間での1波長に相当する470nmとした。 Spacing of the holes p (see FIG. 2) was set to 470nm corresponding to one wavelength in free space of the emitted light. 孔の直径d(図3および図4参照)は、放射光の自由空間での2波長に相当する940nmとした。 Diameter hole d (see FIGS. 3 and 4) was set to 940nm which corresponds to two wavelengths in free space of the emitted light. 孔の傾斜面の方位角は、図2の太い矢印のように−Y方向とした。 Azimuth angle of the inclined surface of the hole was the -Y direction as thick arrows of FIG. つまり、回転角θ 1 =120°、回転角θ 2 =120°、回転角θ 3 =0°とした。 That is, the rotation angle θ 1 = 120 °, the rotational angle θ 2 = 120 °, and the rotation angle θ 3 = 0 °. 孔の傾斜面の仰角αの値を変化させることで、光線方向が制御されることを確かめた。 By changing the value of the elevation angle α of the inclined surface of the hole it was confirmed that the beam direction is controlled.

[発光素子の傾斜面から出射される光の干渉の原理] [Principle of the interference of light emitted from the inclined surface of the light emitting device]
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。 In general, higher than the dielectric constant of the semiconductor in a vacuum (in air), speed of light as it propagates through the semiconductor is slower than the rate of propagation in air. 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(例えばGaNであれば例えばn=2.6)。 Specifically, when the speed of light in or in a vacuum atmosphere c, and the refractive index of the semiconductor is n, the speed in the semiconductor, for example n = 2.6 if given (for example, GaN in c / n ).

そして、図3の断面図において、孔20の直下の発光層3からの光は、バッファ層4に入射し、バッファ層4から外部の空気中(自由空間)へと出射する。 Then, in the sectional view of FIG. 3, the light from the light emitting layer 3 immediately below the hole 20, it enters the buffer layer 4, and is emitted from the buffer layer 4 outside in the air into (free space). このとき、バッファ層4の媒質の方が外部の媒質(空気)よりも高いので、バッファ層4を通過する光は傾斜面21への入射角に応じた方向に屈折する。 In this case, since the direction of the medium of the buffer layer 4 is higher than the external medium (air), light passing through the buffer layer 4 is refracted in a direction corresponding to the incident angle of the inclined surface 21. つまり、バッファ層4を通過する光は、素子表面(金属層5の上面)に垂直な方向ではなく、傾斜面21の仰角αの大きさに応じた屈折角で特定される方向に出射する。 That is, the light passing through the buffer layer 4 is not a direction perpendicular to the element surface (upper surface of the metal layer 5), emitted in the direction specified by the refraction angle corresponding to the magnitude of the elevation angle α of the inclined surface 21.

同様に、孔10の傾斜面11の直下の発光層3からの光や、孔20の傾斜面21の直下の発光層3からの光も仰角αの大きさに応じた屈折角で特定される方向に出射する。 Similarly, light or from the light-emitting layer 3 immediately below the inclined surface 11 of the hole 10, are identified by the refraction angle of light is also in accordance with the magnitude of the elevation angle α from the light-emitting layer 3 immediately below the inclined surface 21 of the hole 20 It is emitted in the direction. そして、これら各孔10,20,30から出射した光は、干渉して所定の広がりを有した光線として成形され、特定の方向を向いた線上に出射する。 Then, these light emitted from the respective holes 10, 20 and 30, the interference and is shaped as a beam having a predetermined spread and emitted on the line facing a specific direction.

以下、発光素子1の傾斜面11,21,31から出射される光の干渉について下記の数式を適宜用いて説明する。 Hereinafter, the interference of light emitted from the inclined surface 11, 21 and 31 of the light emitting element 1 will be described with reference to the following equation appropriately. 下記数式を用いる説明では、簡便のため、2つの傾斜面だけが形成されたLEDの発光素子を想定する。 In the description using a following equation, for convenience, only two inclined surfaces is assumed a light-emitting element LED formed.

ここで、3次元空間の位置r にある波源としての傾斜面と、3次元空間の位置r 2にある波源としての傾斜面とから射出された光の干渉について説明する。 Here, the inclined surface as a wave source at position r 1 of the three-dimensional space, an optical interference emitted from the inclined surface as the wave source in the position r 2 of the three-dimensional space will be described.
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において合成される光の強度I(r)は、次の式(1)で与えられる。 A wave source at position r 1, the light emitted respectively from the wave source at position r 2, the intensity of light to be combined at time t in the position r of the three-dimensional space I (r), the following equation (1 It is given by).

式(1)において、光の干渉を表す第3項が存在するために、発光層3から射出された光が、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。 In the formula (1), in order to the third term representing the interference of light is present, the light emitted from the light-emitting layer 3, is superimposed from two wave sources after emitted respectively, traveling wave by changing the wavefront it is possible to change the direction. 式(1)では、式(2)のγの実部を利用する。 In equation (1), using the real part of γ expression (2). 式(2)のE は、Eの複素共役であることを示す。 E of the formula (2) * indicates the complex conjugate of E. γは、式(2)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。 γ, as shown in equation (2) takes a value from 0 to 1, the light emitted from the two wave sources indicates whether to have a correlation how much spatially and temporally. よって、γは、次の式(3)〜式(5)のように場合分けすることができる。 Thus, gamma can be case analysis as in the following equation (3) to (5).

式(3)の場合を完全コヒーレント、式(4)の場合をインコヒーレント、式(5)の場合を部分的なコヒーレントと呼ぶ。 For a full coherent formula (3) in the case of incoherent equation (4), referred to as a case of partial coherent expression (5). 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。 Here, as the light-emitting element, due to the use of LED light sources have become partially coherent. したがって、図1の発光素子においては、光の強度において、前記式(1)の第3項の寄与が大きい。 Accordingly, the light emitting device of FIG. 1, the intensity of light, a large contribution of the third term of the equation (1).

ここでは、簡単のため、2つの波源から出射される光の干渉について説明した。 Here, for simplicity, it has been described interference of light emitted from the two wave sources. 波源が3つある場合についても、前記式(1)を拡張することが可能である。 For the case where the wave source is also three, it is possible to extend the equation (1). 例えば、第1の孔10と第2の孔20との組み合わせを2つの波源として前記式(1)を適用し、第2の孔20と第3の孔30との組み合わせを2つの波源として前記式(1)を適用し、第3の孔30と第1の孔10との組み合わせを2つの波源として前記式(1)を適用し、これら3つの組み合わせを加算することで、波源としての孔が3つある場合についての関係式を求めることができる。 For example, a first hole 10 the applying equation (1) a combination of the second holes 20 as two wave sources, the second hole 20 a combination of the third hole 30 as two wave sources applying the equation (1), that a third hole 30 the applying equation (1) a combination of the first hole 10 as two wave sources, adds the combination of the three holes of the wave source there can be obtained a relational expression for the case where three is. 以下では、第1実施形態の発光素子1のように3つの孔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。 Hereinafter, the molding of the light beam when it has three holes as the light emitting device 1 of the first embodiment, will be described in order simulation performed with respect to the direction control of the light beam.

[発光素子の性能] [Performance of the light-emitting element]
第1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。 To confirm the performance of the light emitting device 1 of the first embodiment was simulated by FDTD (Finit-Difference Time-Domain) method. シミュレーションの条件としては、発光素子100の表面(上面)と平行な面の正方形領域(大きさ3000nm×3000nm)をベースとして想定した。 The conditions of the simulation were assumed surface of the light emitting element 100 (top surface) parallel to the plane of the square area (size 3000 nm × 3000 nm) as the base. また、発光領域から素子表面の上方3500nmまでの領域を計算対象としてシミュレーションを行った。 Moreover, simulation was performed a region from the light-emitting region to the upper 3500nm of the element surface as a calculation target.

<ビームパターンの具体例1> <Specific examples of beam patterns 1>
ビームパターンの具体例1は、後記するビームパターンの具体例2(本発明の実施例)に対する比較例である。 Specific examples of the beam pattern 1 is a comparative example to the specific example of the later-described beam pattern 2 (embodiment of the present invention).
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つの孔の配置において、孔の傾斜面の仰角αがすべて0度である場合のシミュレーション結果を図5に示す。 As an example of calculation results of the beam pattern in the arrangement of the three holes, as shown in FIG. 2 shows the simulation result when the elevation angle α of the inclined surface of the hole are all 0 degrees in FIG. 具体的には、図5(a)に示すように、孔の傾斜面の仰角αが0度である発光素子100をXYZ軸の3次元空間に配置した。 Specifically, as shown in FIG. 5 (a), the light emitting element 100 elevation α of the inclined surface of the hole is 0 ° are arranged in three-dimensional space of the XYZ axes. 発光素子100は、孔の底面が水平であって傾斜面を有していないので、図1の発光素子1と区別し、3つの孔を110,120,130と表記した。 Emitting element 100, since the bottom surface of the hole does not have an inclined surface be horizontal, to distinguish it from the light emitting element 1 of FIG. 1, three holes were referred to as 110, 120 and 130. また、ここでは、発光素子100のバッファ層4の上面をZ=0(XY平面)として、XY平面において3つの孔110,120,130のそれぞれの中心で定められる重心を原点M(0,0,0)とした。 Further, here, the upper surface of the buffer layer 4 of the light emitting element 100 as a Z = 0 (XY plane), the origin M (0,0 centroid defined by the respective centers of the three holes 110, 120 in the XY plane , it is set to 0).

発光素子100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て図5(b)に示す。 As the emitted light of the light emitting element 100, showing the integrated value of the intensity of the light in the XY plane, FIG. 5 (b) as a beam pattern of the XY plane. 図5(b)において、矩形の画像の幅方向がX方向に対応し、矩形の画像の高さ方向がY方向に対応している。 In FIG. 5 (b), the width direction of the rectangular image corresponds to the X direction, the height direction of the rectangular image corresponds to the Y direction. また、図5(b)において矩形の画像の中心が原点Mに対応している。 The center of the rectangular image corresponds to the origin M in FIG. 5 (b). すなわち、矢印201の延長線と、矢印202の延長線との交点が原点Mに対応している。 That is, the extension line of the arrows 201, the intersection of the extension line of arrow 202 corresponds to the origin M.

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)において画像の右に示すスケールにてred、すなわち、光の強度がおよそ0.05W/m 2であることを示す。 In the beam pattern, area code r represents the red region in case of color display of FIG. 5 (b), the red at the scale shown to the right of the image in FIG. 5 (b), i.e., the intensity of light indicates that approximately 0.05 W / m 2. 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。 Here, the power density taken the square of the electric field in the FDTD method and the intensity of light.

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0.035W/m 2であることを示す。 The area code y indicates a color display yellow area in the case of the FIG. 5 (b), the FIG. 5 (b) to show yellow in scale, i.e., the intensity of light is approximately 0.035W / m 2 indicating that it is.
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0.025W/m 2であることを示す。 Area code g indicates the green area of the case of a color display of FIG. 5 (b), the green at the scale shown in FIG. 5 (b), i.e., the intensity of light is approximately 0.025 W / m 2 indicating that.
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/m 2であることを示す。 Area of the code b denotes a blue region when the color display of FIG. 5 (b), the blue at the scale shown in FIG. 5 (b), i.e., the intensity of light is approximately 0 W / m 2 show.
符号rの領域は、素子表面の上方3500nm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3500nmに光の到達しない領域を示す。 Area code r denotes the light-rich region that has reached the upper 3500nm surface of the device, the area of ​​the sign b indicates the region does not reach the light above 3500nm surface of the device.
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が成形されてしまうことを、この比較例で確かめた。 Assuming that passes through the center point of the intensity distribution of the light rays, since the center point of the intensity distribution of the light appears on the origin, the light rays from being formed on a line toward the element surface perpendicular direction, this It was confirmed in comparative example.

発光素子100の放射光として、YZ平面における光の強度の積算値を、YZ平面のビームパターンとして図5(c)に示す。 As the emitted light of the light emitting element 100, showing the integrated value of the intensity of the light in the YZ plane, in FIG. 5 (c) as a beam pattern of the YZ plane. 図5(c)において、矩形の画像の幅方向がY方向に対応し、矩形の画像の高さ方向がZ方向に対応している。 In FIG. 5 (c), the width direction of the rectangular image corresponds to Y direction, the height direction of the rectangular image corresponds to Z direction. また、図5(c)において矢印203の延長線と、矢印204の延長線との交点が原点Mに対応している。 Further, the extension line of the arrow 203 in FIG. 5 (c), the intersection between the extended line of arrow 204 corresponds to the origin M. このビームパターンにおいて、符号r,y,bの領域は、図5(b)における符号r,y,bと同様な色の領域を示す。 In the beam pattern, area code r, y, b shows code r in FIG. 5 (b), y, b and similar color regions of. ただし、図5(c)に示す光の強度のスケールは、図5(b)に示す光の強度のスケールの目盛り値を2倍したものとなっている。 However, the scale of the intensity of light shown in FIG. 5 (c), and is obtained by doubling the scale value of the scale of the intensity of light shown in Figure 5 (b).

図5(c)に示すように、下方においてrの領域は第3の孔130の位置に対応して発生しており、第3の孔130のない位置では、bの領域が発生している。 As shown in FIG. 5 (c), the region of r in the lower is generated in response to the position of the third hole 130, the no third hole 130 positions, areas of b is generated . また、原点の上方では、yの領域が生じ、光の強度が比較的高いことが分かる。 Further, in the above the origin, the region of y occurs, it can be seen the intensity of light is relatively high. これにより、3つの孔110,120,130の底面の仰角αが0度である場合に、適切な間隔で適切な位置に配置された3つの孔110,120,130からの光が相互に干渉することで、素子表面と垂直な方向に向かう線上に光線が成形されてしまうことを、この比較例で確かめた。 Thus, interference in elevation α of the bottom surface of the three holes 110, 120 and 130 is 0 degrees, the light from being properly positioned three holes 110, 120, 130 to each other at suitable intervals doing, that the light beam from being formed on a line toward the element surface perpendicular direction was confirmed in this comparative example.

<ビームパターンの具体例2> <Specific examples of the beam pattern 2>
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つの孔の配置において、孔の傾斜面の仰角αがすべて14度である場合のシミュレーション結果を図6に示す。 As an example of calculation results of the beam pattern in the arrangement of the three holes, as shown in FIG. 2 shows the simulation result when the elevation angle α of the inclined surface of the hole are all 14 degrees in FIG. 図6の見方は図5と同様なので、図5を参照して説明した符号の説明等を適宜省略し、傾斜面の仰角αを0°から14°に変更したときの相違点を主として説明する。 Because view of Figure 6 is similar to FIG. 5, is omitted as appropriate with reference to the numerals described with description like Figure 5 will be described mainly on differences from when changing the elevation angle α of the inclined surface 14 ° from 0 ° .
まず、図6(a)に示すように、孔の傾斜面の仰角αが14度である発光素子1をXYZ軸の3次元空間に配置した。 First, as shown in FIG. 6 (a), the light-emitting element 1 elevation α of the inclined surface of the hole is 14 degrees were arranged in three-dimensional space of the XYZ axes.

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て図6(b)に示す。 As the emitted light of the light-emitting element 1, it shows the cumulative value of the intensity of the light in the XY plane, in FIG. 6 (b) as a beam pattern of the XY plane. 光の強度分布の中心点を光線が通るものとすると、矢印206の延長線と、矢印202の延長線との交点上に光の強度分布の中心点(rの領域)が現れることから、素子表面と垂直な方向から−Y方向に傾斜した線上に光線を成形できることを確かめた。 Assuming that passes through the center point of the intensity distribution of the light beam, and the extension line of the arrow 206, since the center point of the intensity distribution of light (a region r) appears on the intersection of the extension line of the arrow 202, the element It was confirmed to be able to shape the light beam from the direction perpendicular to the surface on a line inclined in the -Y direction.

発光素子1の放射光として、YZ平面における光の強度の積算値を、YZ平面のビームパターンとして図6(c)に示す。 As the emitted light of the light-emitting element 1, it shows the cumulative value of the intensity of the light in the YZ plane, in FIG. 6 (c) as a beam pattern of the YZ plane. 図6(c)に示すように、下方においてrの領域は、第3の孔130の位置から−Y方向に傾斜した位置に発生しており、そのrの領域から上方において−Y方向に傾斜した位置にyの領域が発生している。 As shown in FIG. 6 (c), the region of r in the lower is generated in a position inclined from the position of the third hole 130 in the -Y direction, inclined in the -Y direction above the region of the r region of y occurs in the position. 図6(c)の矢印205で示す画像の上端は、原点から上方3000nmの位置を表す。 The upper end of the image shown by the arrow 205 in FIG. 6 (c) represents a position above 3000nm from the origin. 図6(c)において原点からの光線を、原点から上方3500nmの位置まで延長すると、画像の左端の延長線に一致する。 The light from the origin in FIG. 6 (c), the Extending from the origin to a position above 3500 nm, matching the left end of the extension line of the image. 図6(c)の原点から画像の左端までの距離は、図6(b)の原点から画像の下端までの距離に対応している。 The distance from the origin to the left edge of the image in FIG. 6 (c) corresponds to the distance from the origin shown in FIG. 6 (b) to the lower end of the image. これらは、原点の位置を基準に、+Z方向の垂直な方向から、−Y方向に22度傾斜した線上に光の強度が最も高い光線が形成されたことを意味する。 These are based on the position of the origin, + the Z direction perpendicular, the intensity of light means that the highest light formed on a line which is inclined 22 degrees in the -Y direction. これにより、3つの孔10,20,30の底面の仰角αが14度である場合に、適切な間隔で適切な位置に配置された3つの孔10,20,30からの光が相互に干渉することで、素子表面と垂直な方向から−Y方向に22度傾斜した線上に光線を成形できることを確かめた。 Thus, interference in elevation α of the bottom surface of the three holes 10, 20 and 30 is 14 degrees, light from a properly positioned three holes 10, 20, 30 to each other at suitable intervals doing, was confirmed to be able to shape the beam to a line which is inclined 22 degrees in the -Y direction from the element surface perpendicular direction.

<遠方界パターン> <Far-field pattern>
FDTD法による計算結果を用い、遠方界パターンを計算し、これを光の方向制御の評価に用いた。 Using the calculation results by the FDTD method, the far-field pattern was calculated, which was used in the evaluation of the directional control of the light. 遠方界パターンは、距離が変わっても角度に対して光の強度が一定となるパターンを示す。 Far field pattern indicates distance to even change angle pattern intensity of light is constant. 前記ビームパターンは、素子表面の上方3500nm(3.5ミクロン)の距離を想定していたが、遠方界パターンは、素子表面の上方のおよそ1mmの距離を想定している。 The beam pattern, it is assumed the distance above the surface of the element 3500 nm (3.5 microns), the far field pattern assumes a distance of approximately 1mm above the element surface.

YZ平面のように発光素子1を上から下に向かって切断するような断面は無数にあるが、光線方向の制御角が最も大きくなるのはYZ平面であった。 Although cross-section as to cut the light-emitting element 1 from top to bottom as the YZ plane are numerous, the control angle of the light beam direction is the largest was YZ plane. よって、このYZ平面について、発光素子1において、3つの孔10,20,30の底面の仰角αの値を変化させたときに、光強度の遠方界パターンの具体例をそれぞれ求めた。 Thus, for this YZ plane, the light-emitting element 1, the case of changing the value of the bottom surface of the elevation angle α of the three holes 10, 20 and 30, to determine the specific example of the far-field pattern of the light intensity, respectively.
図7(a)は、比較のために求めたものであって、3つの孔10,20,30の底面の仰角αが0度である場合(発光素子100)の光強度の遠方界パターンを示す。 7 (a) is, there is obtained for comparison, the far field pattern of the light intensity when the elevation angle α of the bottom surface of the three holes 10, 20 and 30 is 0 degrees (the light emitting element 100) show.
図7(b)は、試した中で最もよい結果であって、3つの孔10,20,30の底面の仰角αが14度である場合(発光素子1)の光強度の遠方界パターンを示す。 7 (b) is a best result among tried, the far-field pattern of the light intensity when the elevation angle α of the bottom surface of the three holes 10, 20 and 30 is 14 degrees (the light-emitting element 1) show.

ここで、原点(放射状のグラフの中心)は、XY平面(Z=0)における3個の孔10,20,30の中心から等しい距離にある点(重心)であって、バッファ層4の上面をZ=0とした点に定めている。 Here, the origin (the center of the radial figure) is a point from the center of the three holes 10, 20, 30 in the XY plane (Z = 0) equal to the distance (centroid), the upper surface of the buffer layer 4 the has set in that the Z = 0. 図7において、角度Ψは、発光素子1の表面の法線と遠方界における光線のメインローブとが成す角を示す。 7, the angle Ψ denotes the angle between the main lobe of the beam in the normal and the far field of the surface of the light emitting element 1. 以下では、角度Ψを制御角Ψとも呼称する。 Hereinafter, it referred the angle [psi with the control angle [psi.

α=0°の場合、図7(a)に示すように、制御角Ψは0度であって、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が分かる。 For alpha = 0 °, as shown in FIG. 7 (a), the control angle Ψ is 0 degrees, it can be seen that molded rays on the line towards the element surface perpendicular direction. なお、メインローブの左右には均等なサイドローブが現れた。 It should be noted that the uniform side lobes appeared to the left and right of the main lobe. そして、3つの孔10,20,30の底面の仰角αを徐々に増加させて制御角Ψを求めたとき、α=14°において最大制御角となった。 When the determined control angle Ψ by gradually increasing the elevation angle alpha of the bottom three holes 10, 20, 30, reaches the maximum control angle in alpha = 14 °.

すなわち、孔の傾斜面の仰角α=14°、回転角θ 1 =120°、回転角θ 2 =120°、回転角θ 3 =0°の場合、図7(b)に示すように、制御角Ψは22度であって、素子表面と垂直な方向から−Y方向に22度傾いた方向に光線を成形できることが分かる。 That is, the elevation angle alpha = 14 ° of the inclined surface of the hole, the rotational angle θ 1 = 120 °, the rotational angle θ 2 = 120 °, when the rotation angle θ 3 = 0 °, as shown in FIG. 7 (b), the control the angle Ψ a 22 degrees, it can be seen that molded rays in a direction inclined 22 degrees in the -Y direction from the element surface perpendicular direction. なお、Z軸から−Y方向へ回転する方向を角度θの正の方向とした。 Incidentally, the direction of rotation from the Z axis in the -Y direction and the positive direction of the angle theta. 例えば図2の平面図の場合、Z軸から−Y方向へ回転する方向とは、第3の孔30から他の孔10,20に向かう方向(原点Mから図2において下に向かう方向)を示す。 For example, in the case of a plan view of FIG. 2, the direction of rotation from the Z axis in the -Y direction, a direction from the third hole 30 to another hole 10, 20 (the direction toward the bottom from the origin M in FIG. 2) show. なお、3つの孔10,20,30の底面の仰角αが14度の場合には、仰角αが0度の場合と比べると、メインローブの右(−Ψの方向)にあるサイドローブが、左(+Ψの方向)のサイドローブよりも小さくなった。 In the case of the elevation angle α is 14 degrees on the bottom of the three holes 10, 20, 30, as compared with the case of the elevation angle α is 0 °, the side lobe to the right (direction of -Pusai) of the main lobe, It becomes smaller than the side lobe of the left (+ direction of Ψ).

[発光素子の製造方法] [Method of manufacturing the light emitting device]
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。 As a method of manufacturing a light emitting device 1 can be used various known microfabrication techniques. 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。 Light-emitting element 1, for example, to prepare a light emitting device having a flat emitting surface as LED, and so can be created the surface is finely processed.

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と発光層3とバッファ層4とを積層する。 As an example of the manufacturing process of the light emitting element 1, first, for example, a semiconductor substrate such as GaAs or Si, for example, molecular beam epitaxy (MBE: Molecular Beam Epitaxy) method, formation of the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) the film forming method, laminating the semiconductor layer 2 and the light emitting layer 3 and the buffer layer 4. 次いで、バッファ層4上に金属材料を蒸着法、スパッタリング法等により積層した後、フォトリソグラフィ法等によって金属層5が作製される。 Then, vapor deposition of metal material on the buffer layer 4, was laminated by a sputtering method or the like, a metal layer 5 is produced by photolithography or the like.

そして、金属層5上において孔を形成する領域以外をマスクして孔10,20,30を形成する。 Then, by masking other than the region for forming the hole on the metal layer 5 is formed a hole 10, 20, 30. このとき、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、孔10,20,30に傾斜面11,21,31を形成する。 In this case, reactive ion etching: a (RIE Reactive Ion Etching) wet etching using a dry etching or chemical or the like to form an inclined surface 11, 21, 31 into the hole 10, 20, 30.

例えば、各孔において傾斜面の上端側となる領域ほど厚くなるように傾斜をつけたフォトレジストを、周囲の前記マスクよりも薄くパターニングして積層し、これを前記周囲のマスクの上からエッチングして、各孔において傾斜面の上端側となる領域ほどエッチングレートを小さくすることで、孔の傾斜面を形成してもよい。 For example, a photoresist beveled so thicker region serving as the upper end side of the inclined surface at each hole, and laminated thin patterned than the mask surrounding, which was etched from the top of the surrounding mask Te, by reducing the etching rate as a region comprising the upper side of the inclined surface at each hole may be formed inclined surface of the hole. また、例えば、ガス種、ガス流量、温度、時間等のエッチング条件を変更する方法を組み合わせて傾斜面を形成してもよい。 Further, for example, gas type, gas flow rate, temperature, may form a sloped surface in combination a method of changing the etching conditions such as time. なお、孔10,20,30に傾斜面11,21,31の形成後に、孔の内壁や金属層5の表面にSiO 2等の絶縁性の保護膜を形成してもよい。 Incidentally, after formation of the inclined surfaces 11, 21 and 31 to the holes 10, 20, 30, the inner wall and the surface of the metal layer 5 of the hole may be formed an insulating protective film of SiO 2 or the like.

(第2実施形態) (Second Embodiment)
本発明の第2実施形態に係る発光素子について図8を参照して説明する。 Referring to FIG. 8 illustrates a light-emitting device according to a second embodiment of the present invention. 図8に示すように、発光素子1Aには、素子表面(上面)から突出する柱体の上面が傾斜面として形成された、第1の突起部40と、第2の突起部50と、第3の突起部60と、が設けられている。 As shown in FIG. 8, the light emitting device 1A, the upper surface of the columnar body projecting from the element surface (upper surface) is formed as an inclined surface, a first protrusion 40, and the second projecting portion 50, the and third projections 60, are provided. また、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つの突起部40,50,60を図9に示す。 Further, in the top of elements, showing the three projections 40, 50 and 60 disposed so as to surround a predetermined region annularly FIG. 発光素子1A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。 Light emitting device 1A is a device emitting highly directional light, a light-oriented light-emitting element that emits a light beam in a specific direction. なお、発光素子1Aにおいて、第1実施形態に係る発光素子1と同様な構成には同様の符号を付し、説明を適宜省略する。 Incidentally, those in the light emitting device 1A, the same configuration as the light emitting element 1 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, the description as appropriate.

<発光素子の構造> <Structure of the light-emitting element>
発光素子1A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。 Emitting device 1A, for example as LED, and so as to emit light from the flat surface.
発光素子1Aは、図8に示すように、半導体層2と、発光層3と、バッファ層4と、金属層(遮光膜)5とを備えている。 Light emitting device 1A, as shown in FIG. 8, a semiconductor layer 2, a light emitting layer 3, a buffer layer 4, a metal layer (light shielding film) 5.
半導体層2は、発光層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。 The semiconductor layer 2, the lower side of the light-emitting layer 3, an n-type semiconductor layer provided between the substrate (not shown). バッファ層4は、発光層3の上側(光取り出し側)に、素子表面との間に設けられたp型半導体層である。 Buffer layer 4, the upper side of the light-emitting layer 3 (light-extraction side) is a p-type semiconductor layer provided between the element surface. バッファ層4は、上面に、平坦に形成された平坦領域と、この平坦領域から一部突出して形成された複数の突起部40,50,60とを有する。 Buffer layer 4, the upper surface has a flat region formed flat, and a plurality of projections 40, 50, 60 formed to protrude partially from the flat region. バッファ層4の平坦領域には、金属層5が積層されている。 The flat region of the buffer layer 4, the metal layer 5 is laminated.

<突起部の傾斜面> <Inclined surfaces of the protrusions>
第1の突起部40の上面は傾斜面41であり、第2の突起部50の上面は傾斜面51であり、第3の突起部60の上面は傾斜面61である。 The upper surface of the first protrusion 40 is an inclined surface 41, the upper surface of the second projecting portion 50 is an inclined surface 51, the upper surface of the third protrusion 60 are inclined surfaces 61. 突起部40,50,60の金属層5よりも上方に位置する基端において、各突起部の径は、放射光の波長以上である。 At the proximal end which is located above the metal layer 5 of the protrusions 40, 50, 60, the diameter of the protrusions is more than the wavelength of the emitted light. すなわち、各傾斜面41,51,61を素子表面(上面)に投影した平面図形の径は、発光素子1Aの発光層3からの光が通るのに充分な太さを有する。 That is, the diameter of the plane figures obtained by projecting the respective inclined surfaces 41, 51 and 61 on the element surface (upper surface) has a sufficient thickness for the light from the light emitting layer 3 of the light emitting device 1A passes. ここで、充分な太さとは、発光素子1Aから放出される光の波長λ程度以上である。 Here, the sufficient thickness is not less than about the wavelength λ of light emitted from the light emitting device 1A.
なお、各傾斜面41,51,61は、高い方から低い方へ傾斜する向きが、−Y方向から+Y方向への向きに一致している。 Incidentally, the inclined surfaces 41, 51 and 61, the direction of inclination from the higher to lower is coincident with the direction from the -Y direction + Y direction. つまり、発光素子1Aの傾斜面の向きと、第1実施形態の発光素子1の傾斜面の向きとは180度異なっている。 That is, the orientation of the inclined surface of the light emitting element 1A, the orientation of the inclined surface of the light emitting device 1 of the first embodiment is different from 180 degrees.

<突起部の平面形状> <Planar shape of the protrusions>
図9では、突起部の平面形状を円形で示した。 In Figure 9, showing a planar shape of the protrusions is circular. つまり、図8に示す各傾斜面41,51,61の面内の輪郭形状(楕円)が素子表面(上面)の位置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。 In other words, the shape of the plane figure when the contour in the plane of the inclined surfaces 41, 51 and 61 shown in FIG. 8 (ellipse) is projected to the position of the element surface (upper surface) is assumed to be circular. また、図8および図9に示すように各突起部の太さは等しいものとした(直径d:図10および図11参照)。 Further, the thickness of the protrusions 8 and 9 was assumed to be equal (the diameter d: see FIGS. 10 and 11).

<突起部の間隔p> <Interval p of protrusions>
突起部40,50,60は、光取り出し面において、原点Mの周囲に均等な角度β(この場合、β=120度)の方位に、互いに間隔pだけ離間して配置されている。 Projections 40, 50, 60 in the light extraction surface, uniform angle beta (in this case, beta = 120 degrees) around the origin M to orientation, are spaced apart by a distance p from each other. 突起部の間隔pは、隣り合った突起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。 Spacing p of protrusions is previously set to the length of the extent to which light from the protrusions adjacent to each other can interfere. なお、原点Mは、第1の突起部40の中心O 1と、第2の突起部50の中心O 2と、第3の突起部60の中心O 3とを頂点とする正三角形の重心に対応している。 Note that the origin M is the center O 1 of the first protrusion 40 and the center O 2 of the second projecting portion 50, the center of gravity of the equilateral triangle whose vertices are the center O 3 of the third protrusions 60 It is compatible.

<突起部の傾斜面の仰角> <Elevation of the inclined surfaces of the protrusions>
3つの突起部40,50,60の各傾斜面41,51,61の仰角はそれぞれ等しいものとした。 Three elevation angle of the inclined surfaces 41, 51 and 61 of the projections 40, 50 and 60 was equal, respectively. 例えば傾斜面51については、図9のC−C線矢視における断面図を図10に示すように、傾斜面51の仰角は角度αとなっている。 For example, for the inclined surface 51, as shown in FIG. 10 is a cross-sectional view taken along view taken along line C-C in FIG. 9, the elevation angle of the inclined surface 51 has a angle alpha.

<突起部の傾斜面の方位角> <Azimuth angle of the inclined surface of the protrusion>
発光素子1の各突起部40,50,60において各傾斜面41,51,61の方位角はそれぞれ等しいものとした。 The azimuth angles of the inclined surfaces 41, 51 and 61 at the protrusions 40, 50 and 60 of the light-emitting element 1 was equal respectively. 傾斜面の方位角は、例えば高い方から低い方へ傾斜する向きで特定する。 Azimuth angle of the inclined surface is identified in the orientation inclined to lower from e.g. higher. 図9において、傾斜面41の方位角の方向は、第1の突起部40の中心O 1を始点とする太線の矢印の向きと反対の方向で表される。 9, the direction of the azimuth angle of the inclined surface 41 is represented by the direction opposite to the direction of the bold line arrows starting at the center O 1 of the first protrusion 40. また、傾斜面51の方位角の方向は、第2の突起部50の中心O 2を始点とする太線の矢印の向きと反対の方向で表される。 The direction of the azimuth angle of the inclined surface 51 is represented by the direction opposite to the direction of thick arrows the center O 2 of the second projecting portion 50 as a start point. また、傾斜面61の方位角の方向は、第3の突起部60の中心O 3を始点とする太線の矢印の向きと反対の方向で表される。 The direction of the azimuth angle of the inclined surface 61 is represented by the direction opposite to the direction of thick arrows the center O 3 of the third protrusions 60 as the starting point. つまり、この発光素子1Aの傾斜面の方位角は、地図上ならば北向き(図9において上向き)である。 That is, the azimuth angle of the inclined surface of the light emitting device 1A is if the map north (upward in FIG. 9). 傾斜面41についての回転角θ 1は、図2に示す傾斜面11についての回転角θ 1と同様に表すこととした。 Rotation angle theta 1 of the inclined surface 41 was set to be expressed in the same manner as the rotation angle theta 1 of the inclined surface 11 shown in FIG. 傾斜面51についての回転角θ 2は、図2に示す傾斜面21についての回転角θ 2と同様に表すこととした。 Rotation angle theta 2 of the inclined surface 51 was set to be expressed in the same manner as the rotation angle theta 2 of the inclined surfaces 21 shown in FIG. 傾斜面61についての回転角θ 3は、図2に示す傾斜面31についての回転角θ 3と同様に表すこととした。 Rotation angle theta 3 of the inclined surface 61 was set to be expressed in the same manner as the rotation angle theta 3 of the inclined surface 31 shown in FIG. なお、3本の太線の矢印の向きは、発光素子1から広がりを抑えて放射される光線の方向を示している。 Incidentally, three bold arrow direction of indicates the direction of the light rays emitted by suppressing the spread from the light-emitting element 1.

<突起部の傾斜面の位置> <Positions of the inclined surfaces of the protrusions>
各傾斜面41,51,61は、金属層5よりも上方に形成されている。 The inclined surfaces 41, 51 and 61 are formed above the metal layer 5. より詳細には、図10および図11に示すように、バッファ層4の突起部40,50,60は、金属層5の上面よりも下側の形状が円柱である。 More specifically, as shown in FIGS. 10 and 11, projections 40, 50 and 60 of the buffer layer 4, it is cylindrical lower shape than the top surface of the metal layer 5. また、突起部40,50,60は、金属層5の上面よりも上側の形状が円柱を斜断した形状である。 Further, projections 40, 50 and 60 has a shape that the upper side of the shape was Hasudan cylindrical than the top surface of the metal layer 5. また、図10に示すように、突起部50の傾斜面(上面)51の最下端は、金属層5の上面に段差なく滑らかに繋がっている。 Further, as shown in FIG. 10, the lowermost end of the inclined surface (upper surface) 51 of the projecting portion 50 is connected to without any step smoothly on the upper surface of the metal layer 5.

傾斜面51の最下端が金属層5の上面に段差なく滑らかに繋がっていると、光が金属層5の側面で反射することはない。 When the lowermost end of the inclined surface 51 is smoothly connected to no level difference on the upper surface of the metal layer 5, no light is reflected by the side surface of the metal layer 5. 具体例として、図10の断面図において、突起部50の直下の発光層3からバッファ層4を介して真上へ向かう光を想定すると、傾斜面51への入射角度が仰角αと等しい。 As a specific example, in the sectional view of FIG. 10, assuming a light toward the right above the light emitting layer 3 via the buffer layer 4 immediately below the projections 50, the incident angle of the inclined surface 51 is equal to the elevation angle alpha. そして、この真上へ向かう光は、傾斜面51の上下の媒質の屈折率の相違と入射角とに応じて屈折し、真上(+Z軸)から、−Y方向(図10において左側)に傾いた方向へ出射することとなる。 The light directed to the right above is refracted in accordance with the difference between the incident angle of the refractive index of the upper and lower medium inclined surface 51, from directly above (+ Z axis), in the -Y direction (left side in FIG. 10) and thus to emit the inclined direction. つまり、傾斜面51からの光は、図3を参照して説明した傾斜面21からの孔20の外部への光と同じ方向に出射し、また、出射光の強度は、より大きな値となる。 That is, the light from the inclined surface 51 is emitted in the same direction as the light to the outside of the hole 20 from the inclined surface 21 described with reference to FIG. 3, also, the intensity of output light becomes a larger value .

[発光素子の設計の具体例] [Specific examples of the design of a light emitting device]
発光素子1Aは、第1実施形態の発光素子1と同様な材料、同様なサイズで同様に設計することができる。 Emitting device 1A, a material similar to that of the light emitting device 1 of the first embodiment can be similarly designed in the same size. なお、第2実施形態の発光素子1Aにおいては、突起部の傾斜面の方位角は、図9の太い矢印を180度回転させて+Y方向とした。 In the light emitting device 1A of the second embodiment, the azimuth angle of the inclined surface of the protrusions was thick arrows is rotated 180 degrees in the + Y direction of FIG. つまり、回転角θ 1 =300°、回転角θ 2 =300°、回転角θ 3 =180°とした。 That is, the rotation angle θ 1 = 300 °, the rotational angle θ 2 = 300 °, and the rotation angle θ 3 = 180 °. その上で、突起部の傾斜面の仰角αの値を変化させることで、光線方向が制御されることを確かめた。 On top of that, by changing the value of the elevation angle α of the inclined surface of the protrusion was confirmed that the beam direction is controlled.

[発光素子の傾斜面から出射される光の干渉の原理] [Principle of the interference of light emitted from the inclined surface of the light emitting device]
発光素子1Aにおいては、第1実施形態の発光素子1における孔を突起部に置き換えることで、複数の突起部からの光が同様な原理で同様に干渉することができる。 In the light emitting device 1A, by replacing the holes in the light-emitting element 1 of the first embodiment the protrusions, can be light from a plurality of projections interfere similarly on the same principle.

[発光素子の性能] [Performance of the light-emitting element]
第2実施形態の発光素子1Aの性能を確かめるために、FDTD法によるシミュレーションを、第1実施形態と同様な手法で行った。 To confirm the performance of the light emitting device 1A of the second embodiment, a simulation using the FDTD method, was carried out in a similar manner as the first embodiment method. FDTD法による計算結果を用い、遠方界パターンを計算し、これを光の方向制御の評価に用いた。 Using the calculation results by the FDTD method, the far-field pattern was calculated, which was used in the evaluation of the directional control of the light. 図12は、試した中で最もよい結果であって、発光素子1Aの3つの突起部40,50,60の上面の仰角αが14度である場合の光強度の遠方界パターンを示す。 Figure 12 is a best result among tried, shows a far field pattern of the light intensity when the elevation angle α of the three upper surface of the projections 40, 50, 60 of the light emitting device 1A is 14 degrees.

ここで、原点(放射状のグラフの中心)は、XY平面(Z=0)における3個の突起部40,50,60の中心から等しい距離にある点(重心)であって、バッファ層4の上面をZ=0とした点に定めている。 Here, the origin (the center of the radial figure) is a XY plane (Z = 0) 3 pieces of a point equal distance from the center of the protrusions 40, 50, and 60 in (centroid) of the buffer layer 4 defining an upper surface in that the Z = 0.
突起部の傾斜面の仰角α=14°、回転角θ 1 =300°、回転角θ 2 =300°、回転角θ 3 =180°の場合、図12に示すように、制御角Ψは22度であって、素子表面と垂直な方向から+Y方向に22度傾いた方向に光線を成形できることが分かる。 Elevation alpha = 14 ° of the inclined surface of the protrusion, the rotational angle θ 1 = 300 °, the rotational angle θ 2 = 300 °, when the rotation angle θ 3 = 180 °, as shown in FIG. 12, the control angle [psi 22 Each time the a, it is found that can be molded rays in a direction inclined 22 degrees from the element surface and perpendicular to the + Y direction.

[発光素子の製造方法] [Method of manufacturing the light emitting device]
発光素子1A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。 As a method of manufacturing a light emitting device 1A, it is possible to use various known microfabrication techniques. 発光素子1A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。 Emitting device 1A, for example, to prepare a light emitting device having a flat emitting surface as LED, and so can be created the surface is finely processed.

発光素子1A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と発光層3とバッファ層4とを積層する。 As an example of the light emitting device 1A of the manufacturing process, first, for example, a semiconductor substrate such as GaAs or Si, for example, molecular beam epitaxy (MBE: Molecular Beam Epitaxy) method, formation of the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) the film forming method, laminating the semiconductor layer 2 and the light emitting layer 3 and the buffer layer 4. 次いで、バッファ層4上に金属材料を蒸着法、スパッタリング法等により積層した後、フォトリソグラフィ法等によって金属層5が作製される。 Then, vapor deposition of metal material on the buffer layer 4, was laminated by a sputtering method or the like, a metal layer 5 is produced by photolithography or the like.

ここで、バッファ層4については、まず、突起部の最上部以上の厚みで成膜する。 Here, the buffer layer 4, firstly, deposited at the top more than the thickness of the protrusions. それから、突起部40,50,60を形成する領域をマスクする。 Then, to mask the region for forming the protrusions 40, 50 and 60. このとき、傾斜面の仰角に対応させて、傾斜面の上端となる領域が下端となる領域よりも厚くなるようにマスクの厚みに傾斜をつける。 At this time, corresponding to the elevation angle of the inclined surface, a region serving as the upper end of the inclined surface is ramping to the thickness of the mask to be thicker than the region to be the lower end. そして、バッファ層4のマスクの上から、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、突起部40,50,60を形成する。 Then, from the top of the mask of the buffer layer 4, reactive ion etching: by wet etching using (RIE Reactive Ion Etching) dry etching or chemical or the like to form a protrusion 40, 50 and 60. このとき、突起部の傾斜面の上端となる領域と下端となる領域とでは、エッチングレートが異なるので、突起部40,50,60に傾斜面41,51,61が形成される。 At this time, in the region serving as a region and the lower end of the upper end of the inclined surface of the protrusion, since the etching rates are different, the inclined surfaces 41, 51 and 61 are formed on the projections 40, 50, 60.

そして、バッファ層4上において突起部40,50,60をマスクして、金属材料を蒸着法、スパッタリング法等により積層した後、フォトリソグラフィ法等によって金属層5が作製される。 Then, by masking the protrusion 40, 50 and 60 on the buffer layer 4, a metal material evaporation method, was laminated by a sputtering method or the like, a metal layer 5 is produced by photolithography or the like. そして、リフトオフにより、突起部40,50,60上のマスクとこのマスク上の金属層を除去する。 Then, by lift-off, removing the metal layer on the mask and mask on projections 40, 50 and 60. なお、その後、突起部の表面や金属層5の表面にSiO 2等の絶縁性の保護膜を形成してもよい。 Incidentally, thereafter, it may be formed an insulating protective film of SiO 2 or the like on the surface and the surface of the metal layer 5 of the protrusion.

[発光素子の応用例] [Application example of a light emitting device]
第1および第2の実施形態の発光素子1,1Aを基板上に多数並べることにより、IP方式のディスプレイであるIP立体ディスプレイを提供することが可能である。 By arranging a large number of light emitting elements 1,1A the first and second embodiments on a substrate, it is possible to provide an IP stereoscopic display is a display of the IP method.
一例として、図13(a)および図13(b)に、第1の実施形態の発光素子1を基板71上に多数並べたIP立体ディスプレイ70を示す。 As an example, in FIGS. 13 (a) and FIG. 13 (b), the light-emitting element 1 of the first embodiment showing the IP stereoscopic display 70 composed of an array of a number on the substrate 71. 図示は省略するが、IP立体ディスプレイ70に対応したIP立体撮影装置がレンズ板を介して図13(b)に示す円柱や立方体等の被写体を予め撮影した要素画像群を取得しておくことが、立体を表示(再生)するための前提となる。 Although not shown, that IP stereoscopic imaging device corresponding to the IP stereoscopic display 70 you obtain a pre-imaging elements image group an object such as a cylinder or a cube shown in FIG. 13 (b) through the lens plate , it is a prerequisite for displaying a three-dimensional (playback). 撮影に用いるレンズ板は、要素レンズを所定のレンズピッチで並置して構成された要素レンズアレイになっている。 Lens plate used in photography has become an element lens array constituted by juxtaposing element lenses at a predetermined lens pitch. 従来のIP方式のディスプレイでは、例えば液晶パネルに要素画像群を表示して、撮影時と同様の要素レンズアレイの各要素レンズを介して各要素画像を投影し、それらを集積した像を、被写体に対応した立体再生像として観察する。 The display of the conventional IP system, for example to display the element images on the liquid crystal panel, and projecting each element image through each element lenses of similar elements lens array and time of photographing, an image obtained by integrating them, subject observed as a stereoscopic reproduction image corresponding to. IP立体ディスプレイ70の場合、密集して配置された複数の発光素子1が1単位の要素画素群として要素画像を形成し、通常のIP立体ディスプレイの個々の要素レンズに相当する領域に、要素画素群(1つの単位構造)が並置される構造となる。 For IP stereoscopic display 70, a dense plurality of light-emitting elements 1 arranged in the form of an element image as an element group of pixels one unit, corresponding to each element lenses of conventional IP stereoscopic display region, element pixel a structure in which the group (one unit structure) are juxtaposed. これにより、図13(b)に示すように、IP立体ディスプレイ70の各要素画素群(複数の発光素子1からなるの単位構造)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。 Thus, as shown in FIG. 13 (b), the elements image (a unit structure composed of a plurality of light emitting elements 1) Each element pixel group IP stereoscopic display 70 is projected onto the space, they are integrated, subject reproduced image as (stereoscopic image), for example a cylinder or a cube are displayed.

IP立体ディスプレイ70は、図13(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、1つの孔が配置された側(第3孔30の側)を画面の右側に向け、2つの孔が配置された側(第1の孔10、第2の孔20の側)を画面の左側に向けている。 IP stereoscopic display 70, as shown in FIG. 13 (a), the light-emitting element 1 arranged in the most right column towards the screen, one hole is arranged side (the side of the third hole 30) the towards the right side of the screen, the two holes arranged side which is directed toward the (first hole 10, the side of the second hole 20) on the left side of the screen. 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13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。 This is because, in the light emitting element 1 on the right side of the screen is an arrangement which contemplates the tilting toward the left side in FIG. 13 the light beam from the normal direction of the element surface. ここで、画素に対応した発光素子1の1つ1つにおいて、深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。 Here, in each one of the light emitting element 1 corresponding to the pixel, the difference in depth is determined for each pixel, is set to define the direction of the ray emerging from the pixel. 図13(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。 13 at (b), for example, thick arrows a cylinder or a cube as the end point indicates the direction of light rays.

また、IP立体ディスプレイ70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、孔の配置が対称になっている。 Further, the IP stereoscopic display 70, a light-emitting element 1 arranged in the leftmost column toward the screen, ordered the light-emitting element in the far right column toward the screen, the arrangement of the holes is symmetrically going on. 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13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。 This is because, in the light emitting device 1 of the left side of the screen is an arrangement which contemplates the tilting toward the right side in FIG. 13 the light beam from the normal direction of the element surface.

また、IP立体ディスプレイ70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、孔の配置が対称になっている。 Further, the IP stereoscopic display 70, a light-emitting element 1 arranged in columns on top toward the screen, ordered the light emitting element rows of the bottom side to the screen, the arrangement of the holes is symmetrical It has become. この配置も同様な理由によるものである。 This arrangement also is due to the same reason. 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。 Further, the light emitting device 1 arranged in the other screen region are arranged in an arrangement corresponding to the location.
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。 Therefore, the light emitted from each of the three wave sources in the pixel structure of the element units (light-emitting element 1), the intensity modulation is possible in the pixel. なお、画素の位置によっては、制御角θ=0度とするために仰角αを0度とすべき位置もある。 Incidentally, depending on the position of the pixel, there is also the position should be the elevation angle alpha 0 ° to the control angle theta = 0 degrees.

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(発光層3)が異なるので、発光強度の点では相関性を持たない。 On the other hand, between the light emitting element 1 of the three-dimensional display 10, i.e., in the inter-pixel, since the light source (light-emitting layer 3) are different, in terms of luminous intensity no correlation. そのため、合成される光の強度は、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。 Therefore, the intensity of the synthesized light being is a simple addition of the intensity of each light emitted from the three pixels. つまり、画素間において合成される光の強度は、3つの画素を3つの波源とみなしたときに、前記式(1)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。 That is, the intensity of light synthesized between pixels, when regarded as three wave sources three pixels, and thus obtained by the calculation corresponding to the first and second terms of the equation (1).
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(方位)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(方位)への指向性をもった光を射出することができる。 Thus the three-dimensional display 10, the light emitting element 1 constituting each pixel individually, by the direction (azimuth) is determined to be emitted without passing through the optical lens, a specific from the light emitting element 1 it can emit light having a directivity in the direction (azimuth).

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。 Such a display device the light-emitting element 1 was a large number side by side with a fine structure (FPD) it will have the same function as the prior art device is bonded to the lens plate and the light emitting surface in. このようにして作成したIP立体ディスプレイ70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。 In such IP stereoscopic display 70 created by the resolution of the stereoscopic display depends only on the resolution of the light emitting element 1, it does not occur video blur by insufficient resolution of an optical system. 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。 Moreover, viewing zone angle in IP display using a light-emitting element 1 depends only on the maximum value of the angular (control angle theta) formed by the emitted light with respect to the element surface perpendicular direction, independently and resolution and viewing zone angle it is possible to improve.

[発光素子の利用可能性] [Availability of Element]
発光素子1,1A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。 Emitting element 1,1A may be applied to devices generally require molding and direction control of the light beam. 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。 For example, a projector light source, connector for use in space optical interconnection is suitable, such as the illumination light source that does not require a diffusion plate.

以上説明したように、本発明の実施形態に係る発光素子1,1Aは、表面に複数の微細構造物(孔または突起部)を形成することで光の干渉効果により光線を成形できる。 As described above, the light emitting element 1,1A according to the embodiment of the present invention can form the beam by the interference effect of light by forming a plurality of microstructures on the surface (holes or protrusions).
また、発光素子1,1Aは、表面に形成した微細構造物(孔または突起部)の傾斜面の仰角αを適切に選ぶことで、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。 The light emitting element 1,1A, by choosing the elevation angle α of the inclined surfaces of the microstructures formed on the surface (holes or protrusions) properly, the light rays emitted to any direction other than the direction perpendicular from the surface of the element it is possible to mold.

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。 Having described the present invention based on the embodiments, the present invention is not limited thereto. 例えば、LED素子の材料は、GaNであるもとして説明したが、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。 For example, the material of the LED element has been described by the original is GaN, the present invention is not limited to this, for example, AlN, GaAlN, ZnO, GaAs, GaP, GaAlAs, or may be GaAlAsP like.

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。 The light emitting element is not limited to injection type EL element such as an LED element, it may be an intrinsic EL elements such as organic EL elements and inorganic EL elements.
また、発光素子の遮光機能としての金属層5に電極機能を持たせてもよい。 Further, it may be provided with the electrode function metal layer 5 as a light-shielding function of the light-emitting element. また、発光素子の金属層5の部分を、透明電極層と遮光機能としての金属薄膜とで構成してもよい。 Also, portions of the metal layer 5 of the light-emitting element, may be constituted by a transparent electrode layer and the metal thin film as a light shielding function.

前記各実施形態では、発光素子の表面に形成した微細構造物(孔または突起部)からの光線の方向が等しいものとして説明した。 In each of embodiments has been described as the direction of the light rays from the microstructures formed on the surface of the light emitting element (holes or protrusions) are equal. すなわち、第1実施形態では、発光素子1の孔の傾斜面の仰角α=14°、回転角θ 1 =120°、回転角θ 2 =120°、回転角θ 3 =0°の場合を例示することで、3つの孔10,20,30の傾斜面の方位角が等しいものとした。 That is, in the first embodiment, illustrated elevation alpha = 14 ° of the inclined surface of the hole the light-emitting element 1, the rotation angle theta 1 = 120 °, the rotational angle θ 2 = 120 °, the rotation case θ 3 = 0 ° by the azimuth angle of the inclined surface of the three holes 10, 20 and 30 is assumed to be equal. また、第2実施形態では、発光素子1Aの突起部の傾斜面の仰角α=14°、回転角θ 1 =300°、回転角θ 2 =300°、回転角θ 3 =180°の場合を例示することで、3つの突起部40,50,60の傾斜面の方位角が等しいものとした。 In the second embodiment, the inclined surface of the projection of the light emitting device 1A elevation alpha = 14 °, the rotational angle θ 1 = 300 °, the rotation angle theta 2 = 300 °, the rotation case θ 3 = 180 ° by example, the azimuth angle of the inclined surface of the three projections 40, 50, 60 is assumed to be equal. ただし、本発明は、これに限定されるものではない。 However, the present invention is not limited thereto. 本発明の発光素子は、各微細構造物の傾斜面の方位角が等しくなくても、広がりを抑えた光線を成形することが可能である。 Light-emitting element of the present invention may be equal azimuth angle of the inclined surface of each microstructure, it is possible to mold the beam with reduced divergence. このとき、広がりを抑えた光線は、どのような線上に成形されることになるのかは、各微細構造物の傾斜面の方位角によって定められ、ケースバイケースである。 At this time, it lights with reduced spread, what kind of will be formed on the line, defined by the azimuth angle of the inclined surface of each microstructure, a case-by-case basis.

以下、発光素子の表面に形成した微細構造物(孔または突起部)についての変形例を列挙する。 Listed below are modification of the microstructures formed on the surface of the light emitting element (holes or protrusions). ここでは、微細構造物が例えば孔であるものとする。 Here, it is assumed microstructure is, for example, holes.
孔の断面形状は、図示した円に限らず、多角形等であってもよい。 The cross-sectional shape of the holes is not limited to the circle shown, it may be polygonal or the like. また、孔の個数を3つとしたが、2つまたは4つ以上であってもよい。 Further, although three and the number of holes may be two or four or more.
孔の個数を2つにする場合、図1および図2に示した第3孔30を取り除いて、第1の孔10と第2の孔20のように横並びで傾斜面の方位が揃った状態で配置することが好ましい。 If you decide to have two number of holes, a state in which to remove the third hole 30 shown in FIGS. 1 and 2, the orientation of the inclined surfaces side by side as in the first hole 10 and the second hole 20 are aligned in is preferably arranged. 孔の個数が3つ以上の場合、所定領域を取り囲むように円環状に孔を配置することが好ましい。 If the number of holes is three or more, it is preferable to arrange the holes annularly so as to surround the predetermined area. 例えば孔の個数を4つとした場合、4つの孔の配置は図2の角度βが90度となるようにすることが好ましい。 For example, if you four and the number of holes, the arrangement of the four holes of the angle β is 2 preferably made to be 90 degrees.

孔の個数を5つとした場合、5つの孔の配置は図2の角度βが72度となるようにすることが好ましい。 If the number of holes 5 bracts, and the arrangement of five holes of the angle β is 2 preferably made to be 72 degrees.

孔の個数を6つとした場合、6つの孔の配置は図2の角度βが60度となるようにすることが好ましい。 If the number of holes was 6 bracts, the arrangement of the six holes of the angle β is 2 preferably made to be 60 degrees. 例えば6つの孔を環状に配列した場合、間隔p(図2参照)はほぼ0であっても構わない。 For example, when six holes arranged in a ring, (see FIG. 2) interval p does not matter even almost zero.

波源としての孔が4以上の整数Nである場合については、隣り合った2つの孔の組み合わせの個数をN2とすれば、孔が3つある場合に32 (=3)回だけ前記式(1)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(1)を適用して加算することで前記式(1)を拡張することが可能である。 For the case hole as the wave source is an integer of 4 or more N is the number of combinations of the two holes adjacent if N C 2, only 3 C 2 (= 3) times when the hole is in three obtained in the same procedure to that sum by applying the formula (1), it is possible to extend the equation (1) by adding by applying the formula by N C 2 times (1).

一重に環状に配列した複数の孔の間隔p(図2参照)をほぼ0としても、孔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孔の総数を適宜設計することができる。 The interval of a plurality of holes arranged in annular singlet p (see FIG. 2) as approximately 0, the size of the element increases in proportion to the total number of holes, the total number of holes to the size of the desired element it can be appropriately designed.
内側に3個、外側に6個のように、環状に配列した複数の孔を二重に配列してもよい。 3 inwardly, as six outwardly, a plurality of holes arranged in a circular or may be arranged in double.
すべての孔の径は必ずしも等しくなくてもよい。 Diameter of all pores may not necessarily equal.

発光素子の表面に形成した微細構造物としての孔についての変形例は、同様に微細構造物としての突起部の変形例に置き換えることができる。 Modification of the hole of the microstructures formed on the surface of the light-emitting element can be replaced with a modification of the projections as well as microstructures.
第2実施形態の発光素子1Aにおいては、図10を参照して、突起部50の傾斜面51の最下端は、金属層5の上面と面一であるものとして説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。 In light emitting device 1A of the second embodiment, with reference to FIG. 10, the lowermost end of the inclined surface 51 of the protrusion 50 has been described as a top flush metal layer 5, the present invention is, the present invention is not limited to this. 例えば突起部50の傾斜面51の最下端は、金属層5の上面よりも上に位置してもよい。 For example the lowermost end of the inclined surface 51 of the protrusion 50 may be located above the upper surface of the metal layer 5. この場合、突起部50は、金属層5の上面よりも上側の形状が、円柱に、円柱を斜断した形状を継ぎ足したような形状となる。 In this case, the projecting portions 50, the upper shape than the top surface of the metal layer 5 is in a cylindrical, a shape as replenishing a shape Hasudan the cylinder.

また、突起部50の傾斜面51の上端が金属層5の上面よりも上に位置していれば、傾斜面51の下端は、金属層5の上面よりも下に位置してもよい。 Further, if the upper end of the inclined surface 51 of the protruding portion 50 is positioned above the upper surface of the metal layer 5, the lower end of the inclined surface 51 may be located below the upper surface of the metal layer 5. この場合、突起部50は、金属層5の上面から突出した部分と、金属層5の上面から凹んだ部分とを合わせ持つ構造となる。 In this case, the protrusion 50 is a structure having combined a portion projected from the upper surface of the metal layer 5, and a recessed portion from the upper surface of the metal layer 5.

また、微細構造物が突起部の場合、複数の突起部のうち、傾斜面の仰角の値が異なる突起部があってもよいし、方位角の方向が異なる突起部があってもよい。 Also, if the microstructure is of the protrusion, among the plurality of projections, to the value of the elevation angle of the inclined surface may be a different projections, the direction of the azimuth angle may be different projections.

1,1A 発光素子 2 半導体層 3 発光層 4 バッファ層 5 金属層(マスク) 1,1A emitting element 2 semiconductor layer 3 light-emitting layer 4 buffer layer 5 metal layer (mask)
10,20,30 孔 11,21,31 傾斜面 40,50,60 突起部 41,51,61 傾斜面 70 IP立体ディスプレイ 71 基板 10, 20, 30 holes 11, 21 and 31 inclined surfaces 40, 50, 60 projections 41, 51, 61 inclined surface 70 IP stereoscopic display 71 substrate

Claims (7)

  1. 平坦な表面から光を放射する発光素子であって、 A light-emitting element emits light from a planar surface,
    前記平坦な表面に複数の構造物が形成され、 A plurality of structures formed on the planar surface,
    前記構造物は、光を射出する端面として前記平坦な表面に対して傾斜した傾斜面を有し、 The structure has an inclined surface inclined with respect to said planar surface as an end face for emitting light,
    前記平坦な表面において、前記構造物同士の距離が放射光の可干渉長以下であることを特徴とする発光素子。 In the flat surface, the light emitting element, wherein the distance of the structure to each other is less than the coherence length of the radiation.
  2. 前記各構造物の傾斜面の仰角がそれぞれ等しく、かつ、前記各構造物の傾斜面の方位角がそれぞれ等しいことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 Wherein each elevation equal the inclined surface of the structure, and light emitting device of claim 1, the azimuth angle of the inclined surface of each structure is characterized in that respectively equal.
  3. 前記平坦な表面において、前記複数の構造物が形成されていない領域に、光をマスクするための遮光膜を備えることを特徴とする請求項2に記載の発光素子。 In the flat surface, the light emitting device of claim 2, said plurality of regions where the structure is not formed, characterized in that it comprises a light shielding film for masking the light.
  4. 前記構造物は、前記平坦な表面から突出する柱体を形成し、その柱体の上面を前記傾斜面として形成したことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の発光素子。 The structure, the forming a columnar body which projects from the flat surface, according to the upper surface of the pillar to any one of claims 1 to 3, characterized in that formed as the inclined surface the light-emitting element.
  5. 前記構造物は、前記平坦な表面から凹む孔を形成し、その孔の底面を前記傾斜面として形成したことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の発光素子。 The structure, the holes are formed recessed from the flat surface, the light emitting device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the formation of the bottom of the hole as the inclined surface.
  6. 発光層と、 A light-emitting layer,
    前記発光層の光取り出し側に積層されたバッファ層と、 A buffer layer laminated on the light extraction side of the light-emitting layer,
    前記バッファ層の上であって前記複数の構造物が形成されていない領域に積層された前記遮光膜と、を備え、 And a light shielding film laminated on a region where the plurality of structures is not formed there is on the buffer layer,
    前記各構造物は、前記バッファ層の表面に開口して前記バッファ層に底面を有する孔であって、 Each structure, open to the surface of the buffer layer a hole having a bottom surface on said buffer layer,
    当該孔の底面が前記傾斜面であり、 Bottom surface of the hole is the inclined surface,
    前記孔の径は、放射光の波長以上であることを特徴とする請求項3に記載の発光素子。 Diameter of the holes, light emitting device according to claim 3, characterized in that at least the wavelength of the emitted light.
  7. 発光層と、 A light-emitting layer,
    前記発光層の光取り出し側に積層されて平坦に形成された平坦領域と前記平坦領域から一部突出して形成された複数の突起部とを有するバッファ層と、 A buffer layer having a plurality of protrusions formed to protrude partially from the flat region and stacked in flat-formed flat area on the light extraction side of the light-emitting layer,
    前記バッファ層の上であって前記平坦領域に積層された前記遮光膜と、を備え、 And a light shielding film stacked on the flat area there is on the buffer layer,
    前記各構造物は、前記バッファ層の上に形成された前記突起部であって、 Each structure is the above protrusion formed on the buffer layer,
    前記突起部は、前記傾斜面を有し、当該傾斜面の少なくとも一部が前記遮光膜よりも上方に形成されており、 The protruding portion has the inclined surface is formed above the at least a portion of the inclined surface is the light shielding film,
    前記突起部の基端において、当該突起部の径は、放射光の波長以上であることを特徴とする請求項3に記載の発光素子。 At the proximal end of the protrusion, the diameter of the protrusions, the light emitting device according to claim 3, characterized in that it emitted light wavelength or more.
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