JP5909162B2 - Light emitting element - Google Patents

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本発明は、立体映像等の表示装置に用いる発光素子に関するものである。   The present invention relates to a light emitting element used in a display device for stereoscopic images and the like.

像再生型立体表示の代表的な方式には、ホログラフィ、パララクスステレオグラム、レンチキュラシート、インテグラルフォトグラフィ(以下、IPと称す)等があり(例えば非特許文献1参照)、これらのうちIP方式は、コヒーレント光を用いず、垂直方向の視差情報も表現できる方式であるため、疲労の少ない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2参照)。   Typical methods of image reproduction type stereoscopic display include holography, parallax stereogram, lenticular sheet, integral photography (hereinafter referred to as IP), etc. (for example, refer to Non-Patent Document 1). Is a method that can express parallax information in the vertical direction without using coherent light, and is considered promising for early realization of a device capable of natural stereoscopic display with less fatigue (for example, Non-Patent Document 2). reference).

IP方式の表示システムは、光線を再生する多数の微小なレンズ(要素レンズ)を配列したレンズアレイと、各レンズに対応した画像(要素画像)を多数並べて表示するディスプレイとによって構成される。観察者は、一つの要素レンズに対応する一つの要素画像から、観察者の位置に応じた部分的な情報を視覚的に得ることで、これらを要素レンズの数だけ並べた立体像を観察する。すなわち、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および観視距離で決まり、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となる。このような事情から、実用的な立体像をIP方式で生成するには、発光素子と光学素子の高精細化と高機能化が不可欠となっている(例えば非特許文献3参照)。   The IP display system includes a lens array in which a large number of minute lenses (element lenses) that reproduce light rays are arranged, and a display that displays a large number of images (element images) corresponding to each lens. The observer visually obtains partial information corresponding to the position of the observer from one element image corresponding to one element lens, and observes a stereoscopic image in which these are arranged by the number of element lenses. . That is, the resolution of the stereoscopic image is determined by the resolution of the element lens, the resolution of the element image, and the viewing distance, and the performance of the element lens is a dominant factor for the viewing zone angle of the system. Under such circumstances, in order to generate a practical stereoscopic image by the IP method, it is indispensable to increase the definition and function of the light emitting element and the optical element (for example, see Non-Patent Document 3).

しかし、発光素子と光学素子の高精細化が進んでも、レンズを使用する系にはレンズの回折限界や焦点距離のように原理的に取り除くことができない性能限界も存在する。例えば、ディスプレイの画素サイズが要素レンズの最小スポットサイズより小さくなると映像ボケが発生するため、同時にスポットサイズも小さくする必要があるが、これを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。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、これを無限に小さくすることはできない。さらに、視域角は要素レンズのピッチに比例もするため、レンズを用いた系における解像度と視域角との間には、トレードオフの関係がある。従って、レンズを使用せず、例えば素子の表面形状等により微小な幅の光線を形成し、その放射方向を制御できる発光素子が実現できれば、立体像形成技術を飛躍的に進歩させることが可能となる。   However, even if the definition of the light emitting element and the optical element is increased, there are performance limits that cannot be removed in principle, such as the diffraction limit of the lens and the focal length, in the system using the lens. For example, if the pixel size of the display becomes smaller than the minimum spot size of the element lens, image blurring occurs, so it is necessary to simultaneously reduce the spot size, but it is impossible in principle to make this smaller than the Abbe diffraction limit. It is. The viewing zone angle in a system using a lens is inversely proportional to the focal length of the element lens, but it cannot be made infinitely small. Furthermore, since the viewing zone angle is proportional to the pitch of the element lens, there is a trade-off relationship between the resolution and the viewing zone angle in the system using the lens. Therefore, if a light-emitting element that can form a light beam with a minute width according to the surface shape of the element and control the radiation direction without using a lens can be realized, the stereoscopic image forming technology can be dramatically advanced. Become.

近年その発光特性の向上により各種用途で注目を集めているLEDは、照明器具等への応用においては光を拡散させる仕組みが必要となるほど放射光の直進性が強く(例えば特許文献1,2参照)、色純度の高さ等の発光特性にも優れることから、放射方向を制御できる用途に使用できる有望なデバイスと考えられる。指向性発光素子に求められる基本特性は、所望の光線以外の光(迷光)の強度を抑制しながら幅の狭い光線を形成(光線形成)し、任意方向へ放射する(方位制御)ことである。LEDは前記した通り直進性が強いものの、迷光を抑制して一方向へ進む光線を形成するには構造的な工夫が欠かせず、これを目指した提案もなされている(例えば特許文献3,4,5,6参照)。   In recent years, LEDs that have been attracting attention in various applications due to their improved light emission characteristics are so strong in the straightness of emitted light that a mechanism for diffusing light is required for application to lighting equipment or the like (see, for example, Patent Documents 1 and 2). ) And excellent light emission characteristics such as high color purity, it is considered to be a promising device that can be used for applications in which the radiation direction can be controlled. A basic characteristic required for a directional light-emitting element is to form a narrow light beam (light beam formation) while suppressing the intensity of light (stray light) other than a desired light beam, and radiate it in an arbitrary direction (azimuth control). . As described above, the LED has a strong straightness, but structural ingenuity is indispensable for forming a light beam that travels in one direction while suppressing stray light, and proposals aiming at this have been made (for example, Patent Documents 3 and 3). 4, 5, 6).

しかし、これらは発光部と光線形成あるいは拡散部(以下、これらを一括して光波制御部と称す)が独立した構造であるため、当該発光部と拡散部との位置合わせが困難であり、特に多数の素子が並ぶ表示装置において大きな問題となる。さらに、IP方式で形成される立体像の解像度は、光線の密度に応じた解像度となるため、光線密度の最大値の逆数に相当する光線幅を狭く保つことも必要であるが、発光部と光波制御部が分離していれば微細化は困難である。方位制御に関しては構造的な工夫や多数の微細構造物の組み合わせで実現することもできる(例えば特許文献7,8,9参照)。しかし、例えば50型程度の基板を用いて視域角が20度でVGAクラスの解像度を実現するには、1本の光線形成に使用する発光素子のサイズを10μm程度に抑える必要があり、前記の如く複雑または多数の微細構造物を用いることはできない。ただし、LEDに対しては微細加工技術の適用や結晶成長の制御による微細構造物の形成が可能である(例えば特許文献10,11参照)ため、微細構造物の適切な形状と配置、好ましい個数(あるいはパターニングの範囲)が明らかになれば、立体表示装置への応用も可能となる。   However, since these are structures in which the light emitting part and the light beam forming or diffusing part (hereinafter collectively referred to as the light wave control part) are independent, it is difficult to align the light emitting part and the diffusing part. This is a big problem in a display device in which a large number of elements are arranged. Furthermore, since the resolution of the three-dimensional image formed by the IP method is a resolution corresponding to the density of the light beam, it is necessary to keep the light beam width corresponding to the reciprocal of the maximum value of the light beam density. If the light wave control unit is separated, miniaturization is difficult. The orientation control can be realized by a structural device or a combination of many fine structures (see, for example, Patent Documents 7, 8, and 9). However, for example, in order to achieve a VGA class resolution with a viewing angle of 20 degrees using a substrate of about 50 type, it is necessary to suppress the size of the light emitting element used for forming one light beam to about 10 μm. As described above, complicated or many fine structures cannot be used. However, for LEDs, it is possible to form a fine structure by applying a fine processing technique or controlling crystal growth (see, for example, Patent Documents 10 and 11). If the (or patterning range) becomes clear, application to a stereoscopic display device is possible.

特開2008−258302号公報JP 2008-258302 A 特開2010−257573号公報JP 2010-257573 A 特開2007−79093号公報JP 2007-79093 A 特開2008−147182号公報JP 2008-147182 A 特開2008−293858号公報JP 2008-293858 A 特開2009−53345号公報JP 2009-53345 A 特開平10−240165号公報JP-A-10-240165 特開2009−4443号公報JP 2009-4443 A 特開2010−27875号公報JP 2010-27875 A 特開2010−257573号公報JP 2010-257573 A 特開2010−285640号公報JP 2010-285640 A

滝保夫ほか、「画像工学」、コロナ社、1972年、pp.277-326Yasuo Taki et al., "Image Engineering", Corona, 1972, pp.277-326 「電気情報通信学会誌」、2010年5月、Vol.93、No.5、pp.372-381“The Journal of the Institute of Electrical, Information and Communication Engineers”, May 2010, Vol.93, No.5, pp.372-381 財団法人機械システム振興協会・財団法人光産業技術振興協会、「自然な立体視を可能とする空間像の形成に関する調査研究報告書−要旨−」、システム技術開発調査研究 19-R-5、pp.14-16、2008年3月Japan Association for Mechanical Systems Promotion and Japan Optical Industry Technology Promotion Association, “Survey Report on Formation of Spatial Image that Enables Natural Stereoscopic Viewing—Abstract”, System Technology Development Survey 19-R-5, pp .14-16, March 2008

前記したように、従来の技術では、発光素子単体で光線を形成して放射方向を制御することはできないため、IP方式の表示システムではレンズアレイを用いて立体像を表示せざるを得ず、レンズの回折限界や焦点距離のような性能限界を超えることができなかった。   As described above, in the conventional technology, it is impossible to control the radiation direction by forming a light beam with a single light emitting element, so in the IP display system, a three-dimensional image must be displayed using a lens array, Performance limits such as lens diffraction limit and focal length could not be exceeded.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであって、発光素子単体で光線を形成し放射方向を制御することができる発光素子を提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of this point, Comprising: It aims at providing the light emitting element which can form a light ray with a single light emitting element, and can control a radiation direction.

前記課題を解決するために請求項1に係る発光素子は、n型半導体層とp型半導体層との間に半導体発光層を備える発光素子であって、n型半導体層上またはp型半導体層上に形成され、n型半導体層およびp型半導体層よりも小さい誘電率を有する透明誘電体からなる透明誘電体層と、透明誘電体層上に形成され、当該透明誘電体層と同じ透明誘電体からなり、半導体発光層で発生した光の導波路となる複数の誘電体柱状部と、を備え、複数の誘電体柱状部が、透明誘電体層上に環状に配置されるとともに、それぞれ同じ高さを有する少なくとも1本の誘電体柱状部から構成される第1柱群と、当該第1柱群を構成する誘電体柱状部とは高さが異なり、かつ、それぞれ同じ高さを有する少なくとも1本の誘電体柱状部から構成される第2柱群と、からなる構成とした。   In order to solve the above-described problem, a light emitting device according to claim 1 is a light emitting device including a semiconductor light emitting layer between an n type semiconductor layer and a p type semiconductor layer, on the n type semiconductor layer or the p type semiconductor layer. A transparent dielectric layer formed on the transparent dielectric layer having a dielectric constant smaller than that of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, and the same transparent dielectric as the transparent dielectric layer formed on the transparent dielectric layer And a plurality of dielectric columnar portions that serve as waveguides for light generated in the semiconductor light emitting layer, and the plurality of dielectric columnar portions are annularly arranged on the transparent dielectric layer, and are the same The first column group composed of at least one dielectric columnar part having a height is different from the dielectric columnar part constituting the first column group, and each has at least the same height. Second pillar composed of one dielectric pillar And it was to consist of configuration.

このような構成を備える発光素子は、複数の誘電体柱状部の放射面から放射された光が干渉することで光線を形成することができるとともに、第1柱群を構成する誘電体柱状部と第2柱群を構成する誘電体柱状部の高さを相違させることで、高さの低い誘電体柱状部内部を伝播する光が、高さの高い誘電体柱状部内部を伝播する光よりも柱先端の放射面に早く到達して空気中を早く進む。そのため、発光素子は、高さの異なる誘電体柱状部を進む光の間に位相差を設けることができ、当該位相差に応じた方向に光線を放射することができる。なお、前記した第1柱群および第2柱群には、ここでは誘電体柱状部がそれぞれ1本のみの場合も含まれている。   The light emitting device having such a configuration can form a light beam by interference of light emitted from the radiation surfaces of the plurality of dielectric columnar portions, and the dielectric columnar portions constituting the first column group; By making the heights of the dielectric columnar portions constituting the second column group different from each other, the light propagating inside the dielectric columnar portion having a low height is more than the light propagating inside the dielectric columnar portion having a high height. It quickly reaches the radiation surface at the tip of the column and advances quickly through the air. Therefore, the light emitting element can provide a phase difference between light traveling through the dielectric columnar portions having different heights, and can emit a light beam in a direction corresponding to the phase difference. The first column group and the second column group include a case where only one dielectric columnar portion is provided here.

また、発光素子は、半導体材料よりも加工が容易な透明誘電体によって柱状構造物を形成することで、例えば当該柱状構造物を半導体材料で形成する場合のように柱状構造物を結晶成長させる必要がないため、結晶成長条件等の厳密な制御が不要となるとともに、当該柱状構造物を半導体材料で形成する場合のように適用可能な加工方法が限定されることもない。そして、発光素子は、柱状構造物を透明誘電体によって形成することで、当該柱状構造物を不透明な材料で形成した場合と比較して、当該柱状構造物による光の吸収を抑えることができるため、発光素子から取り出すことができる光量を増大させることができる。   In addition, the light emitting element needs to grow the columnar structure by crystal growth as in the case where the columnar structure is formed of a semiconductor material by forming the columnar structure with a transparent dielectric that is easier to process than the semiconductor material. Therefore, strict control of crystal growth conditions and the like is not necessary, and the applicable processing method is not limited as in the case where the columnar structure is formed of a semiconductor material. In the light emitting element, since the columnar structure is formed of a transparent dielectric, light absorption by the columnar structure can be suppressed compared to the case where the columnar structure is formed of an opaque material. The amount of light that can be extracted from the light emitting element can be increased.

請求項2に係る発光素子は、請求項1に記載の発光素子において、複数の誘電体柱状部が、透明誘電体層上に3〜6本まとめて環状に配置され、第2柱群が、複数の誘電体柱状部の総数の半数以下の誘電体柱状部から構成されている構成とした。   The light-emitting element according to claim 2 is the light-emitting element according to claim 1, wherein a plurality of dielectric columnar portions are arranged in an annular shape on the transparent dielectric layer, and the second column group is It was set as the structure comprised from the dielectric pillar part less than the half of the total number of several dielectric pillar part.

このような構成を備える発光素子は、第2柱群を構成する誘電体柱状部を、複数の誘電体柱状部の総数の半数以下とし、かつ、第1柱群を構成する誘電体柱状部の高さと相違させることで、それぞれの放射面から放射された光に位相差を設けることができ、当該位相差に応じた方向に光線を放射することができる。   In the light emitting device having such a configuration, the dielectric columnar portions constituting the second column group are set to half or less of the total number of the dielectric columnar portions, and the dielectric columnar portions constituting the first column group By making it different from the height, a phase difference can be provided in the light emitted from each radiation surface, and a light beam can be emitted in a direction corresponding to the phase difference.

請求項3に係る発光素子は、請求項1に記載の発光素子において、複数の誘電体柱状部が、透明誘電体層上に6本まとめて環状に配置され、第1柱群および第2柱群が、それぞれ3本の誘電体柱状部から構成されている構成とした。   A light emitting device according to claim 3 is the light emitting device according to claim 1, wherein a plurality of dielectric columnar portions are arranged in a ring shape on the transparent dielectric layer, and the first column group and the second column are arranged. Each group was composed of three dielectric pillars.

このような構成を備える発光素子は、6本の誘電体柱状部の放射面から放射された光が干渉することで光線を形成することができるとともに、6本の誘電体柱状部のうちの3本の高さを相違させることで、高さの低い3本の誘電体柱状部内部を伝播する光が、高さの高い3本の誘電体柱状部内部を伝播する光よりも柱先端の放射面に早く到達して空気中を早く進む。そのため、発光素子は、高さの異なる誘電体柱状部を進む光の間に位相差を設けることができ、当該位相差に応じた方向に光線を放射することができる。   The light emitting element having such a configuration can form a light beam by interference of light radiated from the radiation surfaces of the six dielectric columnar portions, and 3 of the six dielectric columnar portions. By making the heights of the books different, the light propagating inside the three dielectric columnar portions having a low height is emitted at the tip of the column more than the light propagating inside the three dielectric columnar portions having a high height. Reach the surface early and advance quickly in the air. Therefore, the light emitting element can provide a phase difference between light traveling through the dielectric columnar portions having different heights, and can emit a light beam in a direction corresponding to the phase difference.

請求項4に係る発光素子は、請求項2または請求項3に記載の発光素子において、複数の誘電体柱状部が、透明誘電体層上において、それぞれの柱の中心軸が同じ円周上に等間隔で位置するように、環状に配置されている構成とした。   The light-emitting device according to claim 4 is the light-emitting device according to claim 2 or claim 3, wherein the plurality of dielectric columnar portions are on the same circumference on the transparent dielectric layer. It was set as the structure arrange | positioned circularly so that it may be located at equal intervals.

このような構成を備える発光素子は、複数の誘電体柱状部が円周上に等間隔で配置されることで、当該複数の誘電体柱状部の放射面から光が放射された際に、光線として形成される光以外の余分な光(迷光)が特定箇所に固まって妨害となることがない。   A light emitting device having such a configuration has a plurality of dielectric columnar portions arranged at equal intervals on the circumference, so that when light is emitted from the emission surface of the plurality of dielectric columnar portions, As a result, extra light (stray light) other than the light that is formed as follows will not be disturbed by being fixed at a specific location.

請求項5に係る発光素子は、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発光素子において、第1柱群を構成する誘電体柱状部と第2柱群を構成する誘電体柱状部との高さの差が、当該誘電体柱状部の内部を伝播する光の波長以下である構成とした。   The light-emitting device according to claim 5 is the light-emitting device according to any one of claims 1 to 4, wherein the dielectric columnar portion constituting the first column group and the dielectric columnar shape constituting the second column group. The difference in height from the part is equal to or less than the wavelength of light propagating through the dielectric columnar part.

このような構成を備える発光素子は、複数の誘電体柱状部の高さの差を誘電体柱状部の内部を伝播する光の波長以下とすることで、各誘電体柱状部の放射面の位置が離れすぎることがないため、それぞれの放射面から放射される光を干渉しやすくし、迷光の発生を抑制することができる。   A light-emitting element having such a configuration has a difference in height between a plurality of dielectric columnar portions that is equal to or less than the wavelength of light propagating through the dielectric columnar portions, so that the position of the radiation surface of each dielectric columnar portion is reduced. Is not too far away, the light emitted from the respective emission surfaces can be easily interfered with, and the generation of stray light can be suppressed.

請求項1に係る発明によれば、複数の誘電体柱状部を設けることで、発光素子単体で光線を形成することができ、第1柱群を構成する誘電体柱状部と第2柱群を構成する誘電体柱状部の高さを相違させることで、形成した光線の方位角を制御することができる。また、請求項1に係る発明によれば、誘電体柱状部を透明誘電体によって形成することで、当該発光素子を容易に製造することができるとともに、当該発光素子の出力も増強することができる。   According to the first aspect of the present invention, by providing a plurality of dielectric columnar portions, a light beam can be formed by a single light emitting element, and the dielectric columnar portions and the second column group constituting the first column group are provided. The azimuth angle of the formed light beam can be controlled by making the heights of the dielectric columnar parts to be configured different. According to the first aspect of the present invention, the light emitting element can be easily manufactured and the output of the light emitting element can be enhanced by forming the dielectric columnar portion with the transparent dielectric. .

請求項2に係る発明によれば、3〜6本の誘電体柱状部のうちの半数以下の誘電体柱状部の高さを相違させることで、形成した光線の方位角を制御することができる。   According to the invention which concerns on Claim 2, the azimuth angle of the formed light beam can be controlled by making the heights of the dielectric columnar portions equal to or less than half of the three to six dielectric columnar portions differ. .

請求項3に係る発明によれば、6本の誘電体柱状部を設けることで、発光素子単体で光線を形成することができ、6本の誘電体柱状部のうちの3本の柱の高さを相違させることで、形成した光線の方位角を制御することができる。   According to the invention of claim 3, by providing six dielectric columnar portions, light can be formed by a single light emitting element, and the height of three columns of the six dielectric columnar portions can be increased. By making the heights different, the azimuth angle of the formed light beam can be controlled.

請求項4に係る発明によれば、光線として形成される光以外の余分な光(迷光)が特定箇所に固まって妨害となることがないため、形成される光線の品質を向上させることができる。   According to the fourth aspect of the present invention, extra light (stray light) other than the light formed as a light beam does not get stuck in a specific location and can be prevented, so that the quality of the formed light beam can be improved. .

請求項5に係る発明によれば、光線を形成する際に迷光の影響を抑制することができるため、形成された光線の放射方向をより制御しやすくすることができる。   According to the invention which concerns on Claim 5, since the influence of a stray light can be suppressed when forming a light ray, it can make it easier to control the radiation | emission direction of the formed light ray.

本発明の実施形態に係る発光素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the light emitting element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る発光素子を示す図であって、(a)は発光素子の平面図、(b)は発光素子のX−X断面図、である。1A and 1B are diagrams showing a light emitting element according to an embodiment of the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view of the light emitting element, and FIG. 本発明の実施形態に係る発光素子において、誘電体柱状部の高さの差の割合と中心軸上の位相との関係を説明するための概略図である。In the light emitting element concerning the embodiment of the present invention, it is a schematic diagram for explaining the relation between the ratio of the height difference of a dielectric columnar part, and the phase on a central axis. (a)〜(f)は、本発明の実施形態に係る発光素子の製造方法の一例を示す概略図である。(A)-(f) is schematic which shows an example of the manufacturing method of the light emitting element which concerns on embodiment of this invention. (a)〜(f)は、本発明の実施形態に係る発光素子の製造方法の他の例を示す概略図である。(A)-(f) is schematic which shows the other example of the manufacturing method of the light emitting element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る発光素子の実施例と比較例のシミュレーションにおいて用いられた発光素子を示す概略図であって、(a)は実施例の発光素子を示す断面図、(b)は比較例の発光素子を示す断面図、である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the schematic which shows the light emitting element used in the simulation of the Example of the light emitting element which concerns on embodiment of this invention, and a comparative example, (a) is sectional drawing which shows the light emitting element of an Example, (b) is a comparison. It is sectional drawing which shows the light emitting element of an example. 本発明の実施形態に係る発光素子の実施例と比較例のシミュレーション結果を示す図であって、導波柱の高さに対する柱の高さの差の割合を変化させた場合における光の強度を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the Example of the light emitting element which concerns on embodiment of this invention, and a comparative example, Comprising: The intensity | strength of light when changing the ratio of the difference of the column height with respect to the height of a waveguide column is shown. FIG. 本発明の実施形態に係る発光素子の実施例と比較例のシミュレーション結果を示す図であって、導波柱の高さに対する柱の高さの差の割合と、発光素子から発せられる光線の方位角との関係を示すグラフである。It is a figure which shows the simulation result of the Example of the light emitting element which concerns on embodiment of this invention, and a comparative example, Comprising: The ratio of the difference of the height of a pillar with respect to the height of a waveguide pillar, and the azimuth | direction of the light ray emitted from a light emitting element It is a graph which shows the relationship with a corner. 本発明の実施形態に係る発光素子のシミュレーション結果を示す図であって、n型半導体層上またはp型半導体層上に媒質を積層した場合における発光素子の透過率とn型半導体層上またはp型半導体層上に媒質を積層しない場合における透過率との比と、媒質の屈折率との関係を示すグラフである。It is a figure which shows the simulation result of the light emitting element which concerns on embodiment of this invention, Comprising: The transmittance | permeability of a light emitting element in the case of laminating | stacking a medium on an n-type semiconductor layer or a p-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer or p It is a graph which shows the relationship between the ratio with the transmittance | permeability when not laminating | stacking a medium on a type | mold semiconductor layer, and the refractive index of a medium. 本発明の実施形態に係る発光素子の透過率の算出方法を説明するための概略図であって、(a)はn型半導体層上またはp型半導体層上に媒質を積層しない場合、(b)は、n型半導体層上またはp型半導体層上に媒質を積層した場合である。FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a method for calculating the transmittance of a light emitting device according to an embodiment of the present invention, where (a) illustrates a case where a medium is not stacked on an n-type semiconductor layer or a p-type semiconductor layer; ) Is a case where a medium is stacked on the n-type semiconductor layer or the p-type semiconductor layer. 本発明に係る発光素子をIP立体ディスプレイに応用した例を示す概略図であって、(a)は、IP立体ディスプレイの正面図、(b)は、IP立体ディスプレイの斜視図、である。It is the schematic which shows the example which applied the light emitting element which concerns on this invention to IP stereoscopic display, Comprising: (a) is a front view of IP stereoscopic display, (b) is a perspective view of IP stereoscopic display.

以下、本発明の実施形態に係る発光素子について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面が示す部材のサイズや位置関係等は、説明の便宜上誇張していることがある。さらに、以下の説明において、同一の名称および符号については原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。   Hereinafter, light-emitting elements according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the size, positional relationship, and the like of members shown in each drawing may be exaggerated for convenience of explanation. Furthermore, in the following description, the same name and reference sign indicate the same or the same members in principle, and the detailed description will be omitted as appropriate.

[発光素子の構造]
本発明の実施形態に係る発光素子1の構造について、図1〜図3を参照しながら説明する。発光素子(光線指向型発光素子)1は、電圧を印加することで自発光する半導体素子である。発光素子1は、例えばLEDのように概ね平坦な表面を有する固体発光素子が挙げられる。発光素子1は、図1に示すように、半導体発光層10と、n型半導体層20と、p型半導体層30と、透明誘電体層40と、が積層された構造を有している。
[Structure of light-emitting element]
The structure of the light-emitting element 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The light-emitting element (light-emitting light-emitting element) 1 is a semiconductor element that emits light by applying a voltage. Examples of the light emitting element 1 include a solid light emitting element having a substantially flat surface such as an LED. As shown in FIG. 1, the light emitting element 1 has a structure in which a semiconductor light emitting layer 10, an n-type semiconductor layer 20, a p-type semiconductor layer 30, and a transparent dielectric layer 40 are laminated.

なお、図1では図示を省略しているが、半導体発光層10を発光させるための電極は、例えば一般的なLED素子と同様に、n型半導体層20とp型半導体層30との間に段差を設け、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ように設けることができる。但し、電極の構造は特に限定されず、例えばn型半導体層20の下面またはp型半導体層30の上面にp電極を設け、n型半導体層20またはp型半導体層30の側面にn電極を設ける構成としても構わない。電極の材料としては一般的な金属電極を使用することができる。また、発光素子1は、n型半導体層20の下に図示しない基板を備えた構成であっても構わない。   Although not shown in FIG. 1, an electrode for causing the semiconductor light emitting layer 10 to emit light is interposed between the n-type semiconductor layer 20 and the p-type semiconductor layer 30, for example, like a general LED element. A step can be provided, and an ohmic contact can be formed in a portion drawn from the step. However, the structure of the electrode is not particularly limited. For example, a p-electrode is provided on the lower surface of the n-type semiconductor layer 20 or the upper surface of the p-type semiconductor layer 30, and the n-electrode is provided on the side surface of the n-type semiconductor layer 20 or the p-type semiconductor layer 30. It does not matter as a structure to provide. A general metal electrode can be used as an electrode material. Further, the light emitting element 1 may have a configuration including a substrate (not shown) under the n-type semiconductor layer 20.

半導体発光層10は、n型半導体層20とp型半導体層30とから注入される電子および正孔の再結合によって生成されるエネルギーを光として放出する層である。半導体発光層10は、n型半導体層20とp型半導体層30との接合部にIn等の不純物が添加されることで形成され、例えばInGaNの量子井戸層として形成される。半導体発光層10は、図1に示すように、n型半導体層20とp型半導体層30との間に形成されており、ここでは矩形状に形成されている。なお、半導体発光層10の厚さは特に限定されない。   The semiconductor light emitting layer 10 is a layer that emits as light energy generated by recombination of electrons and holes injected from the n-type semiconductor layer 20 and the p-type semiconductor layer 30. The semiconductor light emitting layer 10 is formed by adding an impurity such as In to the junction between the n-type semiconductor layer 20 and the p-type semiconductor layer 30, and is formed as an InGaN quantum well layer, for example. As shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting layer 10 is formed between the n-type semiconductor layer 20 and the p-type semiconductor layer 30, and is formed in a rectangular shape here. The thickness of the semiconductor light emitting layer 10 is not particularly limited.

n型半導体層20は、半導体発光層10に対して電子を注入する層である。n型半導体層20は、例えば下から順に、n型GaN層と、n型GaN/InGaN障壁層とが積層されて形成される。n型半導体層20は、図1に示すように、半導体発光層10の下部に形成されており、ここでは矩形状に形成されている。なお、n型半導体層20の厚さは特に限定されない。   The n-type semiconductor layer 20 is a layer that injects electrons into the semiconductor light emitting layer 10. The n-type semiconductor layer 20 is formed by stacking, for example, an n-type GaN layer and an n-type GaN / InGaN barrier layer sequentially from the bottom. As shown in FIG. 1, the n-type semiconductor layer 20 is formed in the lower part of the semiconductor light emitting layer 10, and is formed in a rectangular shape here. Note that the thickness of the n-type semiconductor layer 20 is not particularly limited.

p型半導体層30は、半導体発光層10に対して正孔を注入する層である。p型半導体層30は、例えば下から順に、p型GaN/InGaN障壁層と、p型GaN層とが積層されて形成される。p型半導体層30は、図1に示すように、半導体発光層10の上部に形成されており、ここでは矩形状に形成されている。なお、p型半導体層30の厚さは特に限定されない。   The p-type semiconductor layer 30 is a layer that injects holes into the semiconductor light emitting layer 10. The p-type semiconductor layer 30 is formed, for example, by laminating a p-type GaN / InGaN barrier layer and a p-type GaN layer sequentially from the bottom. As shown in FIG. 1, the p-type semiconductor layer 30 is formed on the semiconductor light emitting layer 10, and is formed in a rectangular shape here. Note that the thickness of the p-type semiconductor layer 30 is not particularly limited.

透明誘電体層40は、光を透過する誘電体からなる層である。透明誘電体層40は、前記したn型半導体層20およびp型半導体層30よりも小さい誘電率(比誘電率)を有する透明誘電体から構成される。透明誘電体層40は、より具体的には空気の誘電率(=約1)よりも高く、n型半導体層20およびp型半導体層30を構成する発光材料(例えばGaN)の誘電率よりも低い誘電率を有している。なお、この関係は屈折率(誘電率の平方根)の場合も同様であり、透明誘電体層40は、空気の屈折率(=約1)よりも高く、n型半導体層20およびp型半導体層30を構成する発光材料(例えばGaN)の屈折率よりも低い屈折率を有している。   The transparent dielectric layer 40 is a layer made of a dielectric material that transmits light. The transparent dielectric layer 40 is made of a transparent dielectric having a dielectric constant (relative dielectric constant) smaller than that of the n-type semiconductor layer 20 and the p-type semiconductor layer 30 described above. More specifically, the transparent dielectric layer 40 is higher than the dielectric constant (= about 1) of air, and is higher than the dielectric constant of the light emitting material (for example, GaN) constituting the n-type semiconductor layer 20 and the p-type semiconductor layer 30. It has a low dielectric constant. This relationship is the same in the case of the refractive index (square root of the dielectric constant), and the transparent dielectric layer 40 is higher than the refractive index of air (= about 1), and the n-type semiconductor layer 20 and the p-type semiconductor layer. 30 has a refractive index lower than the refractive index of the light emitting material (for example, GaN) constituting 30.

透明誘電体層40は、n型半導体層20およびp型半導体層30が例えばGaNから構成される場合は、当該GaNよりも誘電率および屈折率の低いSiO,SiO,SiN,MgF,ZrO等の透明誘電体で形成される。但し、透明誘電体はこれらに限定されず、例えば熱可塑性樹脂や光硬化性樹脂等の樹脂材料も用いることができる。透明誘電体層40上には、図1に示すように、当該透明誘電体層40と同じ透明誘電体で構成された、複数の誘電体柱状部41,42が形成されている。なお、透明誘電体層40の厚さは特に限定されない。 When the n-type semiconductor layer 20 and the p-type semiconductor layer 30 are made of, for example, GaN, the transparent dielectric layer 40 is made of SiO 2 , SiO, SiN, MgF 2 , ZrO having a lower dielectric constant and refractive index than GaN. It is formed of a transparent dielectric such as 2 . However, the transparent dielectric is not limited to these, and a resin material such as a thermoplastic resin or a photocurable resin can also be used. On the transparent dielectric layer 40, as shown in FIG. 1, a plurality of dielectric columnar portions 41 and 42 made of the same transparent dielectric as the transparent dielectric layer 40 are formed. The thickness of the transparent dielectric layer 40 is not particularly limited.

誘電体柱状部41,42は、光線を形成するとともに、当該光線の方向を制御するものである。誘電体柱状部41,42は、ここでは図1に示すように、透明誘電体層40上に6本形成されている。また、誘電体柱状部41,42は、図1に示すように、それぞれ円柱状に形成されている。   The dielectric columnar portions 41 and 42 form a light beam and control the direction of the light beam. Here, as shown in FIG. 1, six dielectric columnar portions 41 and 42 are formed on the transparent dielectric layer 40. Further, the dielectric columnar portions 41 and 42 are each formed in a columnar shape as shown in FIG.

誘電体柱状部41,42は、半導体発光層10から発生した光の導波路として機能する。ここで、例えばLEDは、一般的に10〜50μm程度の可干渉長を持っているため、前記したような微小な空間において異なる経路長を経た光は、干渉効果による空間分布を形成する。従って、誘電体柱状部41,42内部を伝播した光は、誘電体柱状部41,42の最上面である放射面41a,42a(図2(b)参照)から素子表面と垂直な方向、すなわち図1における上方向に放射された後、光の干渉効果によって干渉し、素子表面の重心O(図2(a)参照)から前記した素子表面と垂直な方向に、1本の光線が生成される。なお、ここでの素子表面とは、具体的には図1に示す透明誘電体層40の上面のことを意味している。   The dielectric columnar portions 41 and 42 function as a waveguide for light generated from the semiconductor light emitting layer 10. Here, for example, an LED generally has a coherence length of about 10 to 50 μm, so that light having different path lengths in the minute space as described above forms a spatial distribution due to the interference effect. Therefore, the light propagating through the dielectric columnar portions 41 and 42 is directed in a direction perpendicular to the element surface from the radiation surfaces 41a and 42a (see FIG. 2B) which are the uppermost surfaces of the dielectric columnar portions 41 and 42, that is, After being radiated upward in FIG. 1, the light interferes with the light interference effect, and one light beam is generated in the direction perpendicular to the element surface from the center of gravity O (see FIG. 2A) of the element surface. The The element surface here means specifically the upper surface of the transparent dielectric layer 40 shown in FIG.

誘電体柱状部41,42は、ここでは図1に示すように、3本ごとに異なる高さに形成されている。すなわち、誘電体柱状部41,42は、図1に示すように、3本の誘電体柱状部42の高さが、その他の3本の誘電体柱状部41の高さと異なるように形成され、ここでは誘電体柱状部42の高さが誘電体柱状部41の高さよりも低くなるように形成されている。また、図1に示すように、3本の誘電体柱状部41はそれぞれ高さが等しく、3本の誘電体柱状部42はそれぞれ高さが等しい。また、図1に示すように、6本の誘電体柱状部41,42のうち、高さの高い3本の誘電体柱状部41は、透明誘電体層40上にそれぞれ隣接して配置されているとともに、高さの低い3本の誘電体柱状部41も、透明誘電体層40上にそれぞれ隣接して配置されている。   Here, as shown in FIG. 1, the dielectric columnar portions 41 and 42 are formed at different heights for every three. That is, the dielectric columnar portions 41 and 42 are formed so that the height of the three dielectric columnar portions 42 is different from the height of the other three dielectric columnar portions 41, as shown in FIG. Here, the dielectric columnar portion 42 is formed so that its height is lower than the height of the dielectric columnar portion 41. Further, as shown in FIG. 1, the three dielectric columnar portions 41 have the same height, and the three dielectric columnar portions 42 have the same height. Further, as shown in FIG. 1, among the six dielectric columnar portions 41, 42, the three high dielectric columnar portions 41 are arranged adjacent to each other on the transparent dielectric layer 40. In addition, the three dielectric columnar portions 41 having low heights are also arranged adjacent to each other on the transparent dielectric layer 40.

なお、ここでは、高さの高い3本の誘電体柱状部41によって構成される柱のグループのことを「第1柱群」と定義し、高さの低い3本の誘電体柱状部42によって構成される柱のグループのことを「第2柱群」と定義することとする。この場合、第1柱群および第2柱群は、図1に示すように、それぞれ3本の誘電体柱状部41および3本の誘電体柱状部42で構成される。   Here, a column group constituted by three dielectric columnar portions 41 having a high height is defined as a “first column group”, and three dielectric columnar portions 42 having a low height are defined. The group of pillars to be configured is defined as “second pillar group”. In this case, as shown in FIG. 1, the first column group and the second column group are each composed of three dielectric columnar portions 41 and three dielectric columnar portions 42.

このように、発光素子1は、誘電体柱状部41,42のうちの3本の誘電体柱状部42を他の3本の誘電体柱状部41とは異なる高さとすることで、当該高さの差に応じて光線の方向(方位角)を制御することができる。なお、誘電体柱状部41,42の高さが全て同じ場合(高さの差がない場合)は、誘電体柱状部41,42によって形成される光線は、素子表面と垂直な方向に放射される。ここで、誘電体柱状部41,42による光線の方向制御の詳細については後記する。   As described above, the light emitting element 1 is configured so that the three dielectric columnar portions 42 of the dielectric columnar portions 41 and 42 have different heights from the other three dielectric columnar portions 41. The direction of light (azimuth angle) can be controlled according to the difference. If the heights of the dielectric columnar portions 41 and 42 are all the same (when there is no difference in height), the light beam formed by the dielectric columnar portions 41 and 42 is emitted in a direction perpendicular to the element surface. The Details of the direction control of the light beam by the dielectric columnar portions 41 and 42 will be described later.

誘電体柱状部41,42は、図1および図2(b)に示すように、透明誘電体層40と一体的に構成されている。この誘電体柱状部41,42は、発光素子1の製造段階において、例えば誘電体柱状部41,42の高さまで形成された矩形状の透明誘電体層40を加工することで形成することができる。具体的には、誘電体柱状部41,42は、例えば集束イオンビーム(FIB: Focused Ion Beam)、フォトリソグラフィーや電子線リソグラフィーとエッチングとの組み合わせ等の公知の技術を用いて透明誘電体層40上に形成することができる。   As shown in FIGS. 1 and 2B, the dielectric columnar portions 41 and 42 are configured integrally with the transparent dielectric layer 40. The dielectric columnar portions 41 and 42 can be formed, for example, by processing the rectangular transparent dielectric layer 40 formed up to the height of the dielectric columnar portions 41 and 42 in the manufacturing stage of the light emitting element 1. . Specifically, the dielectric columnar portions 41 and 42 are formed by using a known technique such as a focused ion beam (FIB), photolithography, a combination of electron beam lithography and etching, or the like. Can be formed on top.

なお、発光素子1として、例えば透明誘電体層40を設けずに、p型半導体層30またはn型半導体層20を結晶成長あるいはエッチングすることで、p型半導体層30上またはn型半導体層20上にこれらと同じ半導体材料(例えばGaN等)で構成された柱状構造物を形成することも考えられる。しかし、この場合は、結晶成長条件の厳密な制御が必要であったり、半導体材料に応じて適用可能な加工方法が限定されたり、さらには半導体への物理的・化学的なダメージにも配慮しなくてはならないため、製造が容易ではない。また、柱状構造物を構成するGaN等の半導体材料が不透明な材料であるため、発光素子1から取り出すことができる光量が十分ではないという欠点がある。一方、図1に示すように、誘電体柱状部41,42をGaN等の半導体材料よりも加工がはるかに容易なSiO等の透明誘電体で形成することで、発光素子1単体で光線を形成して放射方向を制御できる指向性発光素子1の製造が容易となるとともに、当該発光素子1の出力も増強することができる。 As the light emitting element 1, for example, the p-type semiconductor layer 30 or the n-type semiconductor layer 20 is crystal-grown or etched without providing the transparent dielectric layer 40, so that the p-type semiconductor layer 30 or the n-type semiconductor layer 20 is formed. It is also conceivable to form a columnar structure made of the same semiconductor material (for example, GaN) as above. However, in this case, strict control of crystal growth conditions is required, applicable processing methods are limited depending on the semiconductor material, and physical and chemical damage to the semiconductor is also taken into consideration. Manufacture is not easy because it must be done. In addition, since the semiconductor material such as GaN constituting the columnar structure is an opaque material, there is a drawback that the amount of light that can be extracted from the light emitting element 1 is not sufficient. On the other hand, as shown in FIG. 1, the dielectric columnar portions 41 and 42 are formed of a transparent dielectric material such as SiO 2 that is much easier to process than a semiconductor material such as GaN. The directional light emitting device 1 that can be formed and whose emission direction can be controlled can be easily manufactured, and the output of the light emitting device 1 can be enhanced.

誘電体柱状部41,42は、図2(a)に示すように、平面視でそれぞれ円形状に形成され、透明誘電体層40上にそれぞれ同じ断面積で形成されている。また、透明誘電体層40の上面の面積に対する誘電体柱状部41,42の断面積の割合等は特に限定されない。誘電体柱状部41,42は、図2(a)に示すように、それぞれの直径が等しくなるように形成されており、具体的には自由空間(空気中)における光の波長程度に設定されている。なお、以下の説明では、前記した自由空間中における光の波長のことを「外部波長λ」として説明する。 As shown in FIG. 2A, the dielectric columnar portions 41 and 42 are each formed in a circular shape in plan view, and are formed on the transparent dielectric layer 40 with the same cross-sectional area. Further, the ratio of the cross-sectional area of the dielectric columnar portions 41 and 42 to the area of the upper surface of the transparent dielectric layer 40 is not particularly limited. As shown in FIG. 2A, the dielectric columnar portions 41 and 42 are formed to have the same diameter, and are specifically set to the wavelength of light in free space (in the air). ing. In the following description, the wavelength of light in the above-described free space is described as “external wavelength λ 0 ”.

誘電体柱状部41,42は、図2(a)に示すように、それぞれの柱の中心軸が同じ円周C上に等間隔で位置するように、環状に配置されている。言い換えれば、誘電体柱状部41,42は、図2(a)に示すように、当該誘電体柱状部41,42が作る重心Oを中心とする円周C上にそれぞれ隣接して配置されている。また、この円周Cは、図2(a)に示すように、半径がλ(あるいは直径が2λ)に設定されている。そして、この円周C上において重心Oの点対称に配置された誘電体柱状部41,42は、図2(a)に示すように、それぞれの柱の中心軸を結ぶ距離が2λに設定されている。このように発光素子1は、誘電体柱状部41,42が円周上に等間隔で配置されることで、誘電体柱状部41,42の放射面41a,42aから光が放射された際に、光線として形成される光以外の余分な光(迷光)が特定箇所に固まって妨害となることがないため、形成される光線の品質を向上させることができる。 As shown in FIG. 2A, the dielectric columnar portions 41 and 42 are annularly arranged so that the central axes of the respective columns are positioned on the same circumference C at equal intervals. In other words, as shown in FIG. 2A, the dielectric columnar portions 41 and 42 are arranged adjacent to each other on a circumference C centering on the center of gravity O formed by the dielectric columnar portions 41 and 42. Yes. Further, as shown in FIG. 2A, the circumference C has a radius set to λ 0 (or a diameter of 2λ 0 ). The dielectric columnar portions 41 and 42 arranged symmetrically with respect to the center of gravity O on the circumference C set the distance connecting the central axes of the respective columns to 2λ 0 as shown in FIG. Has been. As described above, the light emitting element 1 has the dielectric columnar portions 41 and 42 arranged at equal intervals on the circumference, so that light is emitted from the radiation surfaces 41a and 42a of the dielectric columnar portions 41 and 42. Since extra light (stray light) other than the light formed as a light beam does not get stuck in a specific place and interfere with it, the quality of the formed light beam can be improved.

第1柱群を構成する誘電体柱状部41の高さと第2柱群を構成する誘電体柱状部42の高さとは、それぞれ誘電体柱状部41,42の内部を伝播する光の波長程度、あるいはその数倍の高さに設定される。なお、以下の説明では、誘電体柱状部41の高さを「H」として説明し、誘電体柱状部41と誘電体柱状部42との高さの差を「d」とし、誘電体柱状部42の高さを「H−d」とし、誘電体柱状部41,42の内部を伝播する光の波長のことを「内部波長λ」として説明する。この内部波長λと前記した外部波長λとは、誘電体柱状部41,42の屈折率をnとした場合、「λ=λ/n」の関係がある。 The height of the dielectric columnar portion 41 constituting the first column group and the height of the dielectric columnar portion 42 constituting the second column group are approximately the wavelength of light propagating inside the dielectric columnar portions 41 and 42, respectively. Alternatively, the height is set several times higher. In the following description, the height of the dielectric columnar portion 41 is described as “H”, the difference in height between the dielectric columnar portion 41 and the dielectric columnar portion 42 is defined as “d”, and the dielectric columnar portion The height of 42 will be described as “Hd”, and the wavelength of light propagating through the dielectric columnar portions 41 and will be described as “internal wavelength λ 1 ”. The internal wavelength λ 1 and the external wavelength λ 0 have a relationship of “λ 1 = λ 0 / n” where n is the refractive index of the dielectric columnar portions 41 and 42.

ここで、誘電体柱状部41の高さHに対する柱の高さの差dの割合(=d/H)を「δ」とした場合、誘電体柱状部41と誘電体柱状部42との高さの差dは、d=δHで表わすことができる。なお、以下の説明では、誘電体柱状部41と誘電体柱状部42との高さの差dを「柱高低差δH」とし、誘電体柱状部41の高さHに対する柱の高さの差dの割合δを「柱高低差割合δ」として説明する。   Here, when the ratio of the column height difference d to the height H of the dielectric columnar portion 41 (= d / H) is “δ”, the height between the dielectric columnar portion 41 and the dielectric columnar portion 42 is high. The difference d can be expressed by d = δH. In the following description, the height difference d between the dielectric columnar portion 41 and the dielectric columnar portion 42 is referred to as “column height difference δH”, and the difference in column height with respect to the height H of the dielectric columnar portion 41. The ratio δ of d will be described as “column height difference ratio δ”.

第1柱群を構成する誘電体柱状部41と第2柱群を構成する誘電体柱状部42との高さの差である柱高低差δHは、前記した内部波長λを基準に調整され、具体的には当該内部波長λ以下に設定される。これにより、発光素子1は、各誘電体柱状部41,42の放射面41a,42aの位置が離れすぎることがないため、それぞれの放射面41a,42aから放射される光を干渉しやすくし、迷光の発生を抑制することができ、形成された光線の放射方向をより制御しやすくすることができる。 The difference in height of the pillar height difference δH and the dielectric pillar portion 41 constituting the first pillar group a dielectric columnar portion 42 constituting the second pillar group is adjusted on the basis of the internal wavelength lambda 1 described above It is specifically set below the internal wavelength lambda 1. Thereby, since the light emitting element 1 does not leave the radiation surfaces 41a and 42a of the dielectric columnar portions 41 and 42 too far apart, the light emitted from the radiation surfaces 41a and 42a can easily interfere with each other. Generation of stray light can be suppressed, and the emission direction of the formed light beam can be controlled more easily.

ここで、後記するように、柱高低差割合δ(または柱高低差δH)の値を大きくすると、素子表面と垂直な方向に対する光線の成す角θ(以下、方位角θという)が増加する。以下、柱高低差δHと方位角θとの関係について、図3を参照(適宜図2(b)を参照)しながら説明する。 Here, as will be described later, when the value of the column height difference ratio δ (or column height difference δH) is increased, the angle θ 1 (hereinafter referred to as the azimuth angle θ 1 ) formed by the light with respect to the direction perpendicular to the element surface increases. To do. Hereinafter, the relationship between the column height difference δH and the azimuth angle θ 1 will be described with reference to FIG. 3 (refer to FIG. 2B as appropriate).

図3は、図1に示す発光素子1から、p型半導体層30、透明誘電体層40および誘電体柱状部41,42だけを抜き出して模式的に示したものである。また、図3における光路Aは、誘電体柱状部41内の光の伝播路を示しており、光路Bは、誘電体柱状部42内の光の伝播路を示している。図3に示すように、光路A,Bを通る光は、高度h1(誘電体柱状部42の高さH−d)までは同じ媒質の中を進むため同位相のままであるが、高度h1から高度h2(誘電体柱状部41の高さH)の間は媒質が異なる。従って、高度h2の地点における光路Aを通る光の位相θ+αと、高度h2の地点における光路Bを通る光の位相θ+βとは、以下の式(1)および式(2)に示すように、それぞれ異なる値となる。 FIG. 3 schematically shows only the p-type semiconductor layer 30, the transparent dielectric layer 40, and the dielectric columnar portions 41 and 42 extracted from the light-emitting element 1 shown in FIG. 3 indicates a light propagation path in the dielectric columnar portion 41, and an optical path B indicates a light propagation path in the dielectric columnar portion. As shown in FIG. 3, since the light passing through the optical paths A and B travels in the same medium up to altitude h1 (height Hd of the dielectric columnar portion 42), it remains in the same phase, but the altitude h1. To the height h2 (height H of the dielectric columnar portion 41), the medium is different. Therefore, the phase θ 2 + α of the light passing through the optical path A at the point of the altitude h2 and the phase θ 2 + β of the light passing through the optical path B at the point of the altitude h2 are expressed by the following equations (1) and (2). As such, the values are different.

θ+α=θ+2πδH/(λ/n) ・・・式(1)
θ+β=θ+2πδH/λ ・・・式(2)
θ 2 + α = θ 2 + 2πδH / (λ 0 / n) (1)
θ 2 + β = θ 2 + 2πδH / λ 0 Formula (2)

また、高度h2から高度h3の間は自由空間であるため、上端(h2)から中心軸にいたる光路の長さと媒質は等しく、前記した位相θ+αと位相θ+βとの位相差Ψ(=(θ+α)−(θ+β))は、以下の式(3)で示すように保存されることになる。 Further, since the space between the altitude h2 and the altitude h3 is a free space, the length of the optical path from the upper end (h2) to the central axis is equal to the medium, and the phase difference Ψ () between the phase θ 2 + α and the phase θ 2 + β is described above. = (Θ 2 + α) − (θ 2 + β)) is stored as shown in the following equation (3).

Ψ=(2πδH/λ)(n−1) ・・・式(3) Ψ = (2πδH / λ 0 ) (n−1) (3)

従って、以下の式(4)に示すように、誘電体柱状部41および誘電体柱状部42の柱高低差δHを調整することで、誘電体柱状部41および誘電体柱状部42の位相差Ψを制御できることがわかる。そして、このように誘電体柱状部41の放射面41aおよび誘電体柱状部42の放射面42aからそれぞれ放射された光には、図3の高度h2の地点において位相差Ψがあるため、これらの光が互いに干渉すると、前記した位相差Ψに応じて、素子表面と垂直な方向に対して所定角度θだけ傾いた方向に1本の光線が生成されることになる。従って、誘電体柱状部41および誘電体柱状部42の柱高低差δHを調整して位相差Ψを制御することで、光線を所望の方位角θの方向に放射することができる。なお、図3に示すように、誘電体柱状部41よりも誘電体柱状部42の方が柱高低差δHだけ低い場合は、この1本の光線は誘電体柱状部42側に所定角度θだけ傾いて放射される。また、柱高低差δHにおけるHは固定値であるため、柱高低差割合δを調整すれば、誘電体柱状部41および誘電体柱状部42の位相差Ψを制御することができる。 Therefore, as shown in the following formula (4), the phase difference Ψ between the dielectric columnar part 41 and the dielectric columnar part 42 is adjusted by adjusting the column height difference δH between the dielectric columnar part 41 and the dielectric columnar part 42. It can be seen that can be controlled. Since the light emitted from the radiation surface 41a of the dielectric columnar part 41 and the radiation surface 42a of the dielectric columnar part 42 has a phase difference Ψ at the point of the altitude h2 in FIG. When the light interferes with each other, one light beam is generated in a direction inclined by a predetermined angle θ 1 with respect to the direction perpendicular to the element surface in accordance with the phase difference Ψ described above. Therefore, by adjusting the column height difference δH between the dielectric columnar part 41 and the dielectric columnar part 42 to control the phase difference Ψ, the light beam can be emitted in the direction of the desired azimuth angle θ 1 . As shown in FIG. 3, when the dielectric columnar portion 42 is lower than the dielectric columnar portion 41 by the column height difference δH, this one light beam has a predetermined angle θ 1 toward the dielectric columnar portion 42. Only tilted and radiated. Since H in the column height difference δH is a fixed value, the phase difference Ψ between the dielectric columnar portion 41 and the dielectric columnar portion 42 can be controlled by adjusting the column height difference ratio δ.

δH=(Ψ/2π){1/(n−1)}λ ・・・式(4) δH = (Ψ / 2π) {1 / (n−1)} λ 0 Formula (4)

そして、誘電体柱状部41を通る光は、誘電体柱状部42を通る光に比べて遅延するため、両者が混合されると、それら2つの光の波面とは全く異なる波面をもつ波が生成される。すなわち、誘電体柱状部41,42の放射面41a,42aから放射される光の波面は互いに干渉し、これら2つの誘電体柱状部41,42の放射面41a,42aの相対的な位置(3次元空間の位置)によって決定される方位に、光が放射されることになる。   Since the light passing through the dielectric columnar portion 41 is delayed as compared with the light passing through the dielectric columnar portion 42, when they are mixed, a wave having a completely different wavefront from the wavefront of the two lights is generated. Is done. That is, the wavefronts of light emitted from the radiation surfaces 41a and 42a of the dielectric columnar portions 41 and 42 interfere with each other, and the relative positions of the radiation surfaces 41a and 42a of the two dielectric columnar portions 41 and 42 (3 Light is emitted in an orientation determined by the position of the dimensional space.

続いて、3次元空間の位置rにある波源としての誘電体柱状部41と、3次元空間の位置r2にある波源としての誘電体柱状部42から放射された光の干渉について説明する。位置rにある波源と、位置rにある波源とからそれぞれ放射された光によって、3次元空間の位置rに時刻tにおいて合成される光の強度I(r)は、以下の式(5)で与えられる。 Next, interference of light radiated from the dielectric columnar part 41 as the wave source at the position r 1 in the three-dimensional space and the dielectric columnar part 42 as the wave source at the position r 2 in the three-dimensional space will be described. The intensity I (r) of the light synthesized at the time r in the three-dimensional space r by the light emitted from the wave source at the position r 1 and the wave source at the position r 2 is expressed by the following equation (5) ).

前記した式(5)において、光の干渉を表す第3項が存在するために、半導体発光層10で生成された光が、2つの波源からそれぞれ放射された後に重畳されて、波面を変えて波の進行方向を変えることが可能となる。式(5)では、式(6)のγの実部を利用する。γは、式(6)で示すように、0から1までの値をとり、2つの波源から放射された光が時間的・空間的にどのくらい相関を持っているのかを示している。よって、γは、次の式(7)〜式(9)のように場合分けすることができる。   In Equation (5), since the third term representing the interference of light exists, the light generated in the semiconductor light emitting layer 10 is superimposed after being emitted from the two wave sources, and the wavefront is changed. It becomes possible to change the traveling direction of the wave. In equation (5), the real part of γ in equation (6) is used. As shown in Expression (6), γ takes a value from 0 to 1, and indicates how much the light emitted from the two wave sources is correlated in time and space. Therefore, γ can be divided into cases as shown in the following equations (7) to (9).

式(7)の場合を完全コヒーレント、式(8)の場合をインコヒーレント、式(9)の場合を部分的なコヒーレントと呼ぶ。ここでは、発光素子1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。従って、図3の発光素子1においては、光の強度において、前記式(5)の第3項の寄与が大きいため、光の進行方向を大きく曲げることができる。   The case of Equation (7) is called fully coherent, the case of Equation (8) is called incoherent, and the case of Equation (9) is called partial coherent. Here, since the light source of LED is used as the light emitting element 1, it is partially coherent. Therefore, in the light-emitting element 1 of FIG. 3, since the contribution of the third term of the formula (5) is large in the light intensity, the light traveling direction can be greatly bent.

なお、図3では、簡単のため、高さの異なる2本の誘電体柱状部41,42から放射される光の干渉による光線の方向について説明したが、波源として6本の誘電体柱状部41,42がある場合についても、前記式(5)を拡張することが可能である。例えば、6本の誘電体柱状部41,42のうちの2本の柱の組み合わせごと(合計15の組み合わせ)に前記式(5)を適用し、これら15の組み合わせを加算することで、波源として6つの誘電体柱状部41,42がある場合についての関係式を求めることができる。   In FIG. 3, for the sake of simplicity, the direction of the light beam caused by the interference of light emitted from the two dielectric columnar portions 41 and 42 having different heights has been described. However, the six dielectric columnar portions 41 serve as wave sources. , 42 can also be used to extend Equation (5). For example, the equation (5) is applied to each combination of two columns of the six dielectric columnar portions 41 and 42 (a total of 15 combinations), and by adding these 15 combinations, the wave source The relational expression for the case where there are six dielectric columnar portions 41 and 42 can be obtained.

以上のような構成を備える発光素子1は、6本の誘電体柱状部41,42の放射面41a,42aから放射された光が干渉することで光線を形成することができるとともに、6本の誘電体柱状部41,42のうちの3本の高さを相違させることで高さの低い3本の誘電体柱状部42内部を伝播する光が、高さの高い3本の誘電体柱状部41内部を伝播する光よりも柱先端の放射面42aに早く到達して空気中を早く進む。そのため、発光素子1は、高さの異なる誘電体柱状部41,42を進む光の間に位相差Ψを設けることができ、当該位相差Ψに応じた方向に光線を放射することができる。従って、発光素子1によれば、6本の誘電体柱状部41,42を設けることで、発光素子1単体で光線を形成することができ、6本の誘電体柱状部41,42のうちの3本の柱の高さを相違させることで、形成した光線の方位角θを制御することができる。 The light-emitting element 1 having the above-described configuration can form a light beam by interference of light emitted from the radiation surfaces 41a and 42a of the six dielectric columnar portions 41 and 42, and six be to different three height of the dielectric column portions 41 and 42, light, three tall dielectric columnar propagating high low three dielectric columnar portion 42 inside The light reaches the radiation surface 42a at the tip of the column earlier than the light propagating through the inside of the portion 41, and proceeds faster in the air. Therefore, the light emitting element 1 can provide a phase difference Ψ between lights traveling through the dielectric columnar portions 41 and 42 having different heights, and can emit light in a direction corresponding to the phase difference Ψ. Therefore, according to the light emitting element 1, by providing the six dielectric columnar portions 41 and 42, a light beam can be formed by the light emitting element 1 alone, and of the six dielectric columnar portions 41 and 42. By making the heights of the three columns different, the azimuth angle θ 1 of the formed light beam can be controlled.

また、発光素子1は、半導体材料よりも加工が容易な透明誘電体によって柱状構造物(誘電体柱状部41,42)を形成することで、例えば当該柱状構造物を半導体材料で形成する場合のように柱状構造物を結晶成長させる必要がないため、結晶成長条件等の厳密な制御が不要となるとともに、当該柱状構造物を半導体材料で形成する場合のように適用可能な加工方法が限定されることもない。そして、発光素子1は、柱状構造物を透明誘電体によって形成することで、当該柱状構造物を不透明な材料で形成した場合と比較して、当該柱状構造物による光の吸収を抑えることができるため、発光素子1から取り出すことができる光量を増大させることができる。従って、発光素子1によれば、誘電体柱状部41,42を透明誘電体によって形成することで、当該発光素子1を容易に製造することができるとともに、当該発光素子1の出力も増強することができる。   Further, the light emitting element 1 is formed by forming the columnar structure (dielectric columnar portions 41 and 42) with a transparent dielectric that is easier to process than the semiconductor material, for example, when the columnar structure is formed of a semiconductor material. Thus, there is no need for crystal growth of the columnar structure, so that strict control of crystal growth conditions and the like is not necessary, and applicable processing methods are limited as in the case where the columnar structure is formed of a semiconductor material. It never happens. And the light emitting element 1 can suppress the absorption of the light by the said columnar structure compared with the case where the said columnar structure is formed with an opaque material by forming a columnar structure with a transparent dielectric material. Therefore, the amount of light that can be extracted from the light emitting element 1 can be increased. Therefore, according to the light emitting element 1, the dielectric columnar portions 41 and 42 are formed of a transparent dielectric, whereby the light emitting element 1 can be easily manufactured and the output of the light emitting element 1 is enhanced. Can do.

[発光素子の動作]
以下、発光素子1の動作について、図1を参照(適宜図3も参照)しながら説明する。発光素子1は、図示しない電極を介して半導体発光層10に電流が供給されると、半導体発光層10において、n型半導体層20およびp型半導体層30から注入される電子および正孔の再結合によって生成されるエネルギーが光として放出される。このように半導体発光層10で生成された光は透明誘電体層40上の誘電体柱状部41,42を伝播し、それぞれの放射面41a,42a(図3参照)から外部へと放射される。
[Operation of light emitting element]
Hereinafter, the operation of the light-emitting element 1 will be described with reference to FIG. 1 (refer to FIG. 3 as appropriate). When a current is supplied to the semiconductor light emitting layer 10 through an electrode (not shown), the light emitting element 1 recycles electrons and holes injected from the n-type semiconductor layer 20 and the p-type semiconductor layer 30 in the semiconductor light emitting layer 10. The energy generated by the binding is released as light. Thus, the light generated in the semiconductor light emitting layer 10 propagates through the dielectric columnar portions 41 and 42 on the transparent dielectric layer 40 and is emitted from the respective radiation surfaces 41a and 42a (see FIG. 3) to the outside. .

ここで、誘電体柱状部41,42は、図3に示すように、誘電体柱状部42の高さがその他の誘電体柱状部41の高さと比較して、柱高低差δHだけ低くなるように構成されている。そのため、誘電体柱状部41の放射面41aおよび誘電体柱状部42の放射面42aからそれぞれ放射された光には、図3の高度h2の地点において位相差Ψが生じることになり、これらの光が互いに干渉すると、前記した位相差Ψに応じて、素子表面と垂直な方向に対して所定角度θ傾いた方向に1本の光線が生成される。このように、発光素子1によれば、6本の誘電体柱状部41,42を設け、当該6本の誘電体柱状部41,42のうちの3本の高さを相違させることで、発光素子1単体で光線を形成するとともに、当該光線の方位角θを制御することができる。 Here, as shown in FIG. 3, the dielectric columnar portions 41 and 42 are such that the height of the dielectric columnar portion 42 is lower than the height of the other dielectric columnar portions 41 by the column height difference δH. It is configured. Therefore, the light emitted from the radiation surface 41a of the dielectric columnar section 41 and the radiation surface 42a of the dielectric columnar section 42 has a phase difference ψ at the point of the altitude h2 in FIG. When There interfering with each other, wherein the in accordance with the phase difference [psi, rays one at a predetermined angle theta 1 inclined direction is generated for the element surface perpendicular direction. As described above, according to the light emitting element 1, the six dielectric columnar portions 41 and 42 are provided, and the height of the three of the six dielectric columnar portions 41 and 42 is made different, thereby emitting light. The element 1 alone can form a light beam, and the azimuth angle θ 1 of the light beam can be controlled.

[発光素子の製造方法]
以下、本発明の実施形態に係る発光素子1の製造方法の一例について、図4および図5を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、図1に示す発光素子1を2次元状に複数並べ、かつ、p電極およびn電極を設けた発光素子1の素子群の製造方法について説明する。
[Method for Manufacturing Light-Emitting Element]
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the light-emitting element 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5. In the following description, a method for manufacturing an element group of the light-emitting element 1 in which a plurality of light-emitting elements 1 shown in FIG. 1 are two-dimensionally arranged and provided with a p-electrode and an n-electrode will be described.

まず、図4(a)に示すように、上部にピン状のp電極71が複数設けられた基板(ピン電極アレイ付基板)50を用意し、当該基板50の上から樹脂60を充填する。なお、ここでは図示を省略したが、それぞれのp電極71の下面と基板50との間には、帯状の薄膜電極が設けられており、p電極71は当該薄膜電極が外部の電源と接続される。   First, as shown in FIG. 4A, a substrate (substrate with a pin electrode array) 50 having a plurality of pin-shaped p-electrodes 71 provided thereon is prepared, and a resin 60 is filled from above the substrate 50. Although not shown here, a strip-shaped thin film electrode is provided between the lower surface of each p electrode 71 and the substrate 50, and the p electrode 71 is connected to an external power source. The

次に、図4(b)に示すように、バッファ層90を介してGaN等からなる発光素子層80が形成されたサファイア基板100を用意し、発光素子層80と樹脂60とを300℃程度で融着する。なお、ここでは図示は省略したが、発光素子層80は、具体的には図1に示した半導体発光層10、n型半導体層20およびp型半導体層30からなる層のことである。この発光素子層80は、例えば分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、有機金属化学気相成長(MOCVD)法等の成膜方法によってn型半導体層20およびp型半導体層30を積層し、その接合部にIn等の不純物を添加して半導体発光層10を形成することで作成することができる。   Next, as shown in FIG. 4B, a sapphire substrate 100 on which a light emitting element layer 80 made of GaN or the like is formed via a buffer layer 90 is prepared, and the light emitting element layer 80 and the resin 60 are heated to about 300 ° C. Fuse with. Although not shown here, the light emitting element layer 80 is specifically a layer composed of the semiconductor light emitting layer 10, the n-type semiconductor layer 20, and the p-type semiconductor layer 30 shown in FIG. The light emitting element layer 80 is formed by laminating an n-type semiconductor layer 20 and a p-type semiconductor layer 30 by a film forming method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. The semiconductor light emitting layer 10 can be formed by adding an impurity such as In to the junction.

次に、図4(c)に示すように、レーザーリフトオフ法、ケミカルリフトオフ法またはボイド形成剥離法等を用いて、サファイア基板100およびバッファ層90を剥離する。次に、図4(d)に示すように、発光点、すなわち発光素子層80の上部以外の位置にn電極72を形成する。次に、図4(e)に示すように、気相成膜法(CVD法)等を用いて、発光素子層80上にSiO等からなる透明誘電体層40aを形成する。次に、図4(f)に示すように、集束イオンビーム(FIB)等を用いて、透明誘電体層40aをエッチングして透明誘電体層40および誘電体柱状部41,42を形成し、図1に示す発光素子1が複数並べられた素子群を作成する。なお、図1に示す発光素子1のように誘電体柱状部41と誘電体柱状部42の高さを変える場合は、図4(f)の工程において、誘電体柱状部42のみをさらにエッチングすればよい。 Next, as shown in FIG. 4C, the sapphire substrate 100 and the buffer layer 90 are peeled using a laser lift-off method, a chemical lift-off method, a void formation peeling method, or the like. Next, as shown in FIG. 4D, an n-electrode 72 is formed at a position other than the light emitting point, that is, the upper portion of the light emitting element layer 80. Next, as shown in FIG. 4E, a transparent dielectric layer 40a made of SiO 2 or the like is formed on the light emitting element layer 80 by using a vapor deposition method (CVD method) or the like. Next, as shown in FIG. 4 (f), the transparent dielectric layer 40a is etched using a focused ion beam (FIB) or the like to form the transparent dielectric layer 40 and the dielectric columnar portions 41 and 42. An element group in which a plurality of light emitting elements 1 shown in FIG. 1 are arranged is created. When the heights of the dielectric columnar portion 41 and the dielectric columnar portion 42 are changed as in the light-emitting element 1 shown in FIG. 1, only the dielectric columnar portion 42 is further etched in the step of FIG. That's fine.

このような発光素子1の製造方法によれば、誘電体柱状部41,42をエッチングする際に、図4(f)に示すように、透明誘電体層40を残すようにエッチングを行うため、発光素子層80への物理的・化学的ダメージを軽減することができる。   According to the method for manufacturing the light emitting element 1, when the dielectric columnar portions 41 and 42 are etched, the etching is performed so as to leave the transparent dielectric layer 40 as shown in FIG. Physical and chemical damage to the light emitting element layer 80 can be reduced.

発光素子1は、図4に示す方法以外にも、図5に示す方法によっても製造することができる。この場合、まずバッファ層90を介してGaN等からなる発光素子層80が形成されたサファイア基板100を用意する。そして、図5(a)に示すように、レーザーリフトオフ法、ケミカルリフトオフ法またはボイド形成剥離法等を用いて、サファイア基板100およびバッファ層90を剥離する。次に、図5(b)に示すように、発光素子層80上(ここでは下面)に、マスクを用いた金属蒸着法等によってn電極72を1本以上形成する。なお、その際、n電極72上にSn等の融着層を設けても構わない。   The light emitting element 1 can be manufactured not only by the method shown in FIG. 4 but also by the method shown in FIG. In this case, first, the sapphire substrate 100 on which the light emitting element layer 80 made of GaN or the like is formed via the buffer layer 90 is prepared. Then, as shown in FIG. 5A, the sapphire substrate 100 and the buffer layer 90 are peeled using a laser lift-off method, a chemical lift-off method, a void formation peeling method, or the like. Next, as shown in FIG. 5B, one or more n-electrodes 72 are formed on the light emitting element layer 80 (here, the lower surface) by metal vapor deposition using a mask or the like. At that time, a fusion layer such as Sn may be provided on the n-electrode 72.

次に、図5(c)に示すように、n電極72が設けられた発光素子層80を基板50上に配置し、表面活性化接合法等によって、両者を接合する。なお、表面活性化接合法では、具体的にはArプラズマ等によって発光素子層80の表面を活性化させて基板50と圧着を行う。但し、前記した図5(b)の工程において、n電極72上にSn等の融着層を設けた場合は、この工程では加熱のみを行って発光素子層80と基板50とを接合する。   Next, as shown in FIG. 5C, the light emitting element layer 80 provided with the n-electrode 72 is disposed on the substrate 50, and both are bonded by a surface activated bonding method or the like. In the surface activated bonding method, specifically, the surface of the light emitting element layer 80 is activated by Ar plasma or the like, and is bonded to the substrate 50. However, in the above-described step of FIG. 5B, when a fusion layer of Sn or the like is provided on the n-electrode 72, only the heating is performed in this step to bond the light emitting element layer 80 and the substrate 50.

次に、図5(d)に示すように、n電極72と直交する方向に、当該n電極72と交差するように、多数のp電極71を形成する。次に、図5(e)に示すように、気相成膜法(CVD法)等を用いて、p電極71上にSiO等からなる透明誘電体層40aを形成する。次に、図5(f)に示すように、集束イオンビーム(FIB)等を用いて、透明誘電体層40aをエッチングし、透明誘電体層40および誘電体柱状部41,42を形成し、図1に示す発光素子1が複数並べられた素子群を作成する。なお、図1に示す発光素子1のように誘電体柱状部41と誘電体柱状部42の高さを変える場合は、図5(f)の工程において、誘電体柱状部42のみをさらにエッチングすればよい。 Next, as shown in FIG. 5D, a large number of p-electrodes 71 are formed in a direction orthogonal to the n-electrode 72 so as to intersect the n-electrode 72. Next, as shown in FIG. 5E, a transparent dielectric layer 40a made of SiO 2 or the like is formed on the p-electrode 71 by using a vapor deposition method (CVD method) or the like. Next, as shown in FIG. 5 (f), the transparent dielectric layer 40a is etched using a focused ion beam (FIB) or the like to form the transparent dielectric layer 40 and the dielectric columnar portions 41 and 42, An element group in which a plurality of light emitting elements 1 shown in FIG. 1 are arranged is created. When the heights of the dielectric columnar portion 41 and the dielectric columnar portion 42 are changed as in the light emitting element 1 shown in FIG. 1, only the dielectric columnar portion 42 is further etched in the process of FIG. That's fine.

このような発光素子1の製造方法によれば、誘電体柱状部41,42をエッチングする際に、図5(f)に示すように、透明誘電体層40を残すようにエッチングを行うため、発光素子層80への物理的・化学的ダメージを軽減することができる。   According to the method for manufacturing the light emitting element 1, when the dielectric columnar portions 41 and 42 are etched, the etching is performed so as to leave the transparent dielectric layer 40 as shown in FIG. Physical and chemical damage to the light emitting element layer 80 can be reduced.

以下、本発明の実施例について図6〜図10を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.

<第1の実験例>
第1の実験例では、FDTD(Finite-Difference Time-Domain)法によるシミュレーションによって、発光素子1の誘電体柱状部41,42による光線の形成と、当該光線の方位角θ制御について評価を行った。本実験例では、実施例および比較例の発光素子を用意し、それぞれGaNにInを添加した縦6000nm×横6000nmのサイズのLEDを用いた。
<First Experimental Example>
In the first experimental example, the formation of light rays by the dielectric columnar portions 41 and 42 of the light-emitting element 1 and the control of the azimuth angle θ 1 of the light rays are evaluated by simulation using a FDTD (Finite-Difference Time-Domain) method. It was. In this experimental example, the light-emitting elements of Examples and Comparative Examples were prepared, and LEDs each having a size of 6000 nm in length and 6000 nm in width where In was added to GaN were used.

(実施例の発光素子)
実施例の発光素子1は、図6(a)に示すように、p型半導体層30上に透明誘電体層40を積層し、透明誘電体層40上に6本の誘電体柱状部41,42を一体的に形成した。なお、図6(a)は、発光素子1の断面図であるため、誘電体柱状部41,42はここでは2本のみ図示している。また、発光素子1は、図6(a)に示すように、p型半導体層30の厚さを130nmとし、透明誘電体層40の厚さを275nmとすることで、半導体発光層10の上面が誘電体柱状部41,42の底面から、外部波長λに相当する405nmの深さに位置するように構成した。
(Light Emitting Element of Example)
As shown in FIG. 6A, the light-emitting element 1 of the example has a transparent dielectric layer 40 laminated on a p-type semiconductor layer 30, and six dielectric columnar portions 41, 42 was formed integrally. 6A is a cross-sectional view of the light-emitting element 1, and therefore only two dielectric columnar portions 41 and 42 are shown here. 6A, the thickness of the p-type semiconductor layer 30 is set to 130 nm and the thickness of the transparent dielectric layer 40 is set to 275 nm, so that the upper surface of the semiconductor light-emitting layer 10 is obtained. Is located at a depth of 405 nm corresponding to the external wavelength λ 0 from the bottom surface of the dielectric columnar portions 41, 42.

また、誘電体柱状部41の高さHは、図6(a)に示すように、発光スペクトルの中心波長(外部波長λ=405nm)をSiOの屈折率(=1.5)で割ることで、当該SiO中における内部波長λを算出し、その2波長分に相当する540nmとした。このように、発光素子1は、透明誘電体層40および誘電体柱状部41,42を誘電体であるSiOで形成することを想定している。なお、以下の説明では、誘電体柱状部41を「導波柱41」として説明し、誘電体柱状部42を「制御柱42」として説明する。 Further, as shown in FIG. 6A, the height H of the dielectric columnar portion 41 is obtained by dividing the center wavelength (external wavelength λ 0 = 405 nm) of the emission spectrum by the refractive index (= 1.5) of SiO 2. Thus, the internal wavelength λ 1 in the SiO 2 was calculated and set to 540 nm corresponding to the two wavelengths. Thus, the light emitting element 1 assumes that the transparent dielectric layer 40 and the dielectric columnar portions 41 and 42 are formed of SiO 2 that is a dielectric. In the following description, the dielectric columnar portion 41 is described as the “waveguide column 41”, and the dielectric columnar portion 42 is described as the “control column 42”.

(比較例の発光素子)
比較例の発光素子101は、図6(b)に示すように、p型半導体層30上に6本の半導体柱状部31,32を形成した。なお、図6(b)は、発光素子101の断面図であるため、半導体柱状部31,32はここでは2本のみ図示している。また、発光素子101は、図6(b)に示すように、p型半導体層30の厚さを外部波長λに相当する405nmとした。
(Light emitting device of comparative example)
In the light emitting device 101 of the comparative example, as shown in FIG. 6B, six semiconductor columnar portions 31 and 32 are formed on the p-type semiconductor layer 30. Note that FIG. 6B is a cross-sectional view of the light emitting element 101, and therefore, only two semiconductor columnar portions 31 and 32 are illustrated here. The light emitting element 101, as shown in FIG. 6 (b), was 405nm which corresponds to the thickness of the p-type semiconductor layer 30 outside the wavelength lambda 0.

また、半導体柱状部31の高さHは、図6(b)に示すように、発光スペクトルの中心波長(外部波長λ=405nm)をGaNの屈折率(=3.1)で割ることで、当該GaN中における内部波長λ算出し、その2波長分に相当する263nmとした。GaNの屈折率は、GaNの誘電率(=9.5)の平方根をとることで算出した。なお、以下の説明では、半導体柱状部31を「導波柱31」として説明し、半導体柱状部32を「制御柱32」として説明する。 Further, as shown in FIG. 6B, the height H of the semiconductor columnar portion 31 is obtained by dividing the center wavelength of the emission spectrum (external wavelength λ 0 = 405 nm) by the refractive index of GaN (= 3.1). The internal wavelength λ 1 in the GaN was calculated and set to 263 nm corresponding to the two wavelengths. The refractive index of GaN was calculated by taking the square root of the dielectric constant of GaN (= 9.5). In the following description, the semiconductor columnar portion 31 will be described as the “waveguide column 31” and the semiconductor columnar portion 32 will be described as the “control column 32”.

本実験例では、まず実施例および比較例のそれぞれについて、発光素子1,101表面と平行な縦6000nm×横6000nmのサイズの正方形領域をベースとして、当該発光素子1,101表面から上方3000nmの領域を対象に、導波柱41,31および制御柱42,32の柱高低差割合δを変化させ、ビーム形状を観察した。また、本実験例の評価にあたっては、発光素子1,101の計算領域上端(3000nm地点)に到達する光の強度分布を積算し、強度が最も強い点を光線中心とした。   In this experimental example, first, for each of the example and the comparative example, a region of 3000 nm above the surface of the light emitting device 1,101 is based on a square region having a size of 6000 nm in length and 6000 nm in width parallel to the surface of the light emitting device 1,101. The beam shape was observed by changing the column height difference ratio δ between the waveguide columns 41 and 31 and the control columns 42 and 32. Further, in the evaluation of this experimental example, the intensity distribution of the light reaching the upper end of the calculation region (the 3000 nm point) of the light emitting element 1,101 was integrated, and the point having the strongest intensity was set as the center of the light beam.

図7は、柱高低差割合δを変化させた場合のビームの強度分布を示しており、赤は到達した光が強い領域(0.4W/m)を、青は光が到達しない領域(0.0W/m)をそれぞれ示している。本実験例では、到達した光が最も強い領域(メインビーム)の形に加えて、メインビーム以外に光が到達している領域(サイドビーム)の有無からビーム形状を評価し、具体的にはメインビーム近傍以外に黄色で示される強度約50%の領域(0.2W/m)が観察されたらサイドビームが大きすぎて使えない(不合格)と判定した。なお、図7では、合格と判定されたビームの強度分布を破線で囲って示している。 FIG. 7 shows the intensity distribution of the beam when the column height difference ratio δ is changed. Red is a region where light that has reached is strong (0.4 W / m 2 ), and blue is a region where light does not reach (0.4 W / m 2 ). 0.0 W / m 2 ). In this experimental example, in addition to the shape of the region where the light that reached the strongest (main beam), in addition to the main beam, the beam shape is evaluated based on the presence or absence of the region where the light reaches (side beam). If an area of about 50% intensity (0.2 W / m 2 ) shown in yellow other than the vicinity of the main beam was observed, it was determined that the side beam was too large to be used (failed). In FIG. 7, the intensity distribution of the beam determined to be acceptable is surrounded by a broken line.

比較例は、図7に示すように、δ=0.0〜0.2の場合は合格と判定され、δ=0.3〜0.6の場合は黄色の領域yが観察されたため、不合格と判定された。一方、実施例は、図7に示すように、δ=0.0〜0.5の場合は合格と判定され、δ=0.6の場合は黄色の領域yが観察されたため、不合格と判定された。これは、実施例と比べて比較例のほうが黄色の領域yがより早く発生する、すなわち実施例と比べて比較例のほうが、サイドビームが大きくなりやすいことを示している。ビームの形状については、実施例と比較例とで同等の形状であることがわかる。このように、導波柱41および制御柱42をSiO等の透明誘電体で形成した場合(実施例)、導波柱31および制御柱32をGaN等の半導体材料で形成した場合(比較例)と比較して、柱高低差割合δをより大きくした場合であってもサイドビームが発生しない良好なビームを得られることがわかる。 In the comparative example, as shown in FIG. 7, when δ = 0.0 to 0.2, it was determined to be acceptable, and when δ = 0.3 to 0.6, a yellow region y was observed. It was determined to pass. On the other hand, as shown in FIG. 7, in the example, when δ = 0.0 to 0.5, it was determined to be acceptable, and when δ = 0.6, a yellow region y was observed. It was judged. This indicates that the yellow region y is generated earlier in the comparative example than in the example, that is, the side beam is likely to be larger in the comparative example than in the example. About the shape of a beam, it turns out that it is an equivalent shape in an Example and a comparative example. Thus, when the waveguide pillar 41 and the control pillar 42 are formed of a transparent dielectric such as SiO 2 (Example), the waveguide pillar 31 and the control pillar 32 are formed of a semiconductor material such as GaN (Comparative Example). ), It can be seen that even when the column height difference ratio δ is made larger, a good beam with no side beam can be obtained.

図8は、導波柱41,31および制御柱42,32が配置された領域の重心O(図2(a)参照)を通る、発光素子1,101表面に対する法線からのメインビームの方位角θを示したものである。図8に示すグラフの縦軸は光線の方位角θであり、横軸は柱高低差割合δである。図8に示すグラフでは、具体的には、サイドビームの強度が黄色(強度約50%)となった場合にメインビームに匹敵する強度のサイドビームが出現してビームが崩れたと判断し、当該ビームが崩れるまでの柱高低差割合δをプロットした。 FIG. 8 shows the orientation of the main beam from the normal to the surface of the light-emitting element 1, 101 passing through the center of gravity O (see FIG. 2A) of the region where the waveguide pillars 41, 31 and the control pillars 42, 32 are arranged. The angle θ 1 is shown. The vertical axis of the graph shown in FIG. 8 is the azimuth angle θ 1 of the light beam, and the horizontal axis is the column height difference ratio δ. In the graph shown in FIG. 8, specifically, when the side beam intensity is yellow (intensity of about 50%), it is determined that a side beam having an intensity comparable to the main beam has appeared and the beam has collapsed. The column height difference ratio δ until the beam collapses was plotted.

図8を参照すると、方位角θについても、実施例と比較例とで同程度の最大8度程度であることがわかる。但し、比較例では、方位角θの最大値は柱高低差割合δが0.2の場合に得られているが、実施例では、方位角θの最大値は柱高低差割合δが0.5の場合に得られており、柱高低差割合δの変化に対する方位角θの変化が小さい。これは、ある方位角θを得ようとして柱(導波柱および制御柱)を形成する際に、比較例よりも実施例のほうが、形成された柱の高さが設計値からずれた場合における方位角θのずれを小さくできることを示している。すなわち、本発明に係る発光素子1によれば、作成時の柱(導波柱および制御柱)の高さに関する加工精度の要求が緩和されることになる。 Referring to FIG. 8, it can be seen that the azimuth angle θ 1 is about 8 degrees at the same level in the example and the comparative example. However, in the comparative example, the maximum value of the azimuth angle θ 1 is obtained when the column height difference ratio δ is 0.2, but in the example, the maximum value of the azimuth angle θ 1 is the column height difference ratio δ. It is obtained in the case of 0.5, and the change in the azimuth angle θ 1 with respect to the change in the column height difference ratio δ is small. This is because when the column (waveguide column and control column) is formed to obtain a certain azimuth angle θ 1 , the height of the formed column is deviated from the design value in the example rather than the comparative example. shows that can reduce the deviation of the azimuth angle theta 1 at. That is, according to the light emitting element 1 according to the present invention, the processing accuracy requirement regarding the height of the columns (waveguide columns and control columns) at the time of creation is relaxed.

このように、第1の実験例では、柱状構造物を透明誘電体で形成することで(図6(a)参照)、柱状構造物を半導体材料で形成した場合(図6(b)参照)よりも、良好なビームを得ることができるとともに、加工性を向上できることが確認できた。   As described above, in the first experimental example, the columnar structure is formed of a transparent dielectric (see FIG. 6A), and the columnar structure is formed of a semiconductor material (see FIG. 6B). As a result, it was confirmed that a good beam can be obtained and the workability can be improved.

<第2の実験例>
第2の実験例では、n型半導体層20上またはp型半導体層30上に媒質X(すなわち透明誘電体層40、導波柱41および制御柱42)を積層した場合における発光素子1の透過率T’10とn型半導体層20上またはp型半導体層30上に媒質Xを積層しない場合における透過率T10との比(T’10/T10)と、媒質Xの屈折率nとの関係について確認した。なお、以下の説明では、T’10/T10のことを「透過率比T’10/T10」として説明する。
<Second Experimental Example>
In the second experimental example, the transmission of the light emitting element 1 when the medium X (that is, the transparent dielectric layer 40, the waveguide column 41, and the control column 42) is stacked on the n-type semiconductor layer 20 or the p-type semiconductor layer 30. and 'the ratio between the transmittance T 10 when the on 10 and n-type semiconductor layer 20 or on the p-type semiconductor layer 30 is not laminated medium X (T' rate T 10 / T 10), the refractive index n of the medium X The relationship was confirmed. In the following description, T ′ 10 / T 10 is described as “transmittance ratio T ′ 10 / T 10 ”.

図9に示すグラフの縦軸は透過率比T’10/T10であり、横軸は媒質Xの屈折率nである。図9に示すグラフでは、具体的には、種々の発光材料(GaN,GaAs,AIN,ZnSe,ZnO,InN,Si)で形成したn型半導体層20上またはp型半導体層30上に屈折率nを有する媒質Xを積層させた場合における透過率比T’10/T10を、所定の屈折率nごとにプロットした。この透過率比T’10/T10は、媒質Xを積層した場合の透過率T’10が媒質Xを積層しない場合の透過率T10よりも大きければ、1よりも大きな値となり、媒質Xを積層した場合の透過率T’10が媒質Xを積層しない場合の透過率T10よりも小さければ、1よりも小さくなる。 The vertical axis of the graph shown in FIG. 9 is the transmittance ratio T ′ 10 / T 10 , and the horizontal axis is the refractive index n of the medium X. In the graph shown in FIG. 9, specifically, the refractive index on the n-type semiconductor layer 20 or the p-type semiconductor layer 30 formed of various light emitting materials (GaN, GaAs, AIN, ZnSe, ZnO, InN, Si). The transmittance ratio T ′ 10 / T 10 in the case where the medium X having n is stacked is plotted for each predetermined refractive index n. The transmittance ratio T ′ 10 / T 10 is greater than 1 if the transmittance T ′ 10 when the medium X is stacked is larger than the transmittance T 10 when the medium X is not stacked. If the transmittance T ′ 10 in the case of laminating is smaller than the transmittance T 10 in the case of not laminating the medium X, it becomes smaller than 1.

すなわち、図9に示すグラフにおいて、例えば縦軸の「1」は、媒質Xを積層した場合の透過率T’10と、媒質Xを積層しない場合の透過率T10とが同じであることを示している。また、図9に示すグラフにおいて、縦軸の「1.2」は、媒質Xを積層した場合の透過率T’10が、媒質Xを積層しない場合の透過率T10の20%増であることを示している。そして、図9に示すグラフにおいて、縦軸の「1.4」は、媒質Xを積層した場合の透過率T’10が、媒質Xを積層しない場合の透過率T10の40%増であることを示している。従って、図9のグラフを参照することで、n型半導体層20上またはp型半導体層30上に、どの程度の屈折率nを有する媒質Xを用いれば、透過率がどの程度向上するのか(出力がどの程度増強するのか)を容易に把握することできる。 That is, in the graph shown in FIG. 9, for example, “1” on the vertical axis indicates that the transmittance T ′ 10 when the medium X is stacked and the transmittance T 10 when the medium X is not stacked are the same. Show. Further, in the graph shown in FIG. 9, the vertical axis "1.2", the transmittance T '10 in the case of stacking the medium X is, is 20% increase in transmittance T 10 when no laminating medium X It is shown that. Then, in the graph shown in FIG. 9, the vertical axis "1.4", the transmittance T '10 in the case of stacking the medium X is, is 40% increase of the transmittance T 10 when no laminating medium X It is shown that. Accordingly, by referring to the graph of FIG. 9, how much the transmittance is improved by using a medium X having a refractive index n on the n-type semiconductor layer 20 or the p-type semiconductor layer 30 ( It is possible to easily grasp how much the output is increased.

例えば、屈折率nが1.5であるSiOを媒質Xとして用いると、図9のD部に示すように、発光材料(n型半導体層20およびp型半導体層30)としてGaNを用いることで約15%の出力増強効果を得ることができ、その他の発光材料を用いる場合であっても概ね10〜20%程度の出力増強効果を得ることができる。また、例えばSiO以外の媒質Xであっても、屈折率nが1(=空気と同じ)から発光材料の屈折率までの間の値を有する媒質Xを用いることで、空気中に透過してくる光量を増強可能であることがわかる。このような媒質Xとしては、例えば前記したSiOの他に、SiO,SiN,MgF,ZrO等が挙げられる。 For example, when SiO 2 having a refractive index n of 1.5 is used as the medium X, GaN is used as the light emitting material (n-type semiconductor layer 20 and p-type semiconductor layer 30) as shown in part D of FIG. Thus, an output enhancement effect of about 15% can be obtained, and even when other light emitting materials are used, an output enhancement effect of about 10 to 20% can be obtained. For example, even if the medium X is other than SiO 2 , the medium X having a refractive index n between 1 (= same as air) and the refractive index of the light emitting material can be used to transmit into the air. It can be seen that the amount of light coming can be increased. Examples of such a medium X include SiO, SiN, MgF 2 , ZrO 2 and the like in addition to the above-described SiO 2 .

ここで、図9における透過率T’10,T10の算出方法について、図10を参照しながら説明する。例えば屈折率nの媒質から屈折率nの媒質に光が入射した場合の反射率Rは、以下の式(11)で表わすことができる。 Here, a method of calculating the transmittances T ′ 10 and T 10 in FIG. 9 will be described with reference to FIG. For example, the reflectance R when light enters from a medium with a refractive index n 1 to a medium with a refractive index n 0 can be expressed by the following equation (11).

R=(n−n/(n+n ・・・式(11) R = (n 1 −n 0 ) 2 / (n 1 + n 0 ) 2 Formula (11)

ここで、図10(a)に示すように、発光材料であるGaN上に媒質Xが積層されていない場合、すなわち図6(b)に示すような発光素子101の場合、屈折率nの媒質はGaNとなり、屈折率nの媒質は空気となる。そして、このような場合の透過率T10は、以下の式(12)で表わすことができる。例えば簡単のためGaNの屈折率nを3とすると、空気の屈折率は約1であるため、前記した式(11)および式(12)より、T10=0.75となる。 Here, as shown in FIG. 10 (a), a light-emitting material if medium X on the GaN is not stacked, that is, when the light emitting element 101 as shown in FIG. 6 (b), the refractive index n 1 The medium is GaN, and the medium having a refractive index n 0 is air. Then, the transmittance T 10 in such a case can be represented by the following equation (12). For example, if the refractive index n 1 of GaN is 3 for simplicity, the refractive index of air is about 1, so that T 10 = 0.75 from the above-described equations (11) and (12).

10=1−R ・・・式(12) T 10 = 1−R (12)

一方、図10(b)に示すように、発光材料であるGaN上に媒質Xが積層されている場合、すなわち図6(a)に示すような発光素子1の場合、屈折率nの媒質がGaNである場合は屈折率nの媒質は媒質Xとなり、屈折率nの媒質が媒質Xである場合は屈折率nの媒質は空気となる。そして、このような場合の透過率T’10は、以下の式(13)で表わすことができる。 On the other hand, as shown in FIG. 10B, in the case where the medium X is laminated on GaN as the light emitting material, that is, in the case of the light emitting element 1 as shown in FIG. 6A, the medium having the refractive index n 1 . Is GaN, the medium having the refractive index n 0 is the medium X, and when the medium having the refractive index n 1 is the medium X, the medium having the refractive index n 0 is air. The transmittance T ′ 10 in such a case can be expressed by the following equation (13).

T’10=T12×T20 ・・・式(13) T ′ 10 = T 12 × T 20 Formula (13)

なお、前記した式(13)におけるT12は、屈折率nの媒質がGaNであり、屈折率nの媒質が媒質Xである場合の透過率であり、前記した式(13)におけるT20は、屈折率nの媒質がGaNであり、屈折率nの媒質が媒質Xである場合の透過率である。これらの透過率T12,T20は、それぞれ前記した式(12)によって算出することができる。 T 12 in the above equation (13) is a transmittance when the medium having the refractive index n 1 is GaN and the medium having the refractive index n 0 is the medium X, and T 12 in the above equation (13). 20 is the transmittance when the medium having the refractive index n 1 is GaN and the medium having the refractive index n 0 is the medium X. These transmittances T 12 and T 20 can be calculated by the aforementioned equation (12).

ここで、図10(b)に示す媒質XがGaNの場合は、図10(a)と実質的に同じものとなり、両者の透過率は同じものとなる(T10=T’10)。また同様に、図10(b)に示す媒質Xが空気である場合も、図10(a)と実質的に同じものとなり、両者の透過率は同じものとなる(T10=T’10)。一方、図10(b)に示す媒質Xが空気の屈折率よりも大きく、かつ、GaNの屈折率よりも小さい物質である場合、図10(a)のように光が放出される面EがGaNである場合と比較して、当該光が放出される面Fと空気との屈折率の差が小さくなる。従って、図9および図10に示すように、媒質Xとして、空気の屈折率よりも大きく、かつ、GaNの屈折率よりも小さい物質を用いることで、透過率を向上させ、出力を増強させることができる。また、屈折率は誘電率の平方根であるため、屈折率を誘電率に置き換えても同じ関係となる。 Here, when the medium X shown in FIG. 10B is GaN, it is substantially the same as FIG. 10A, and the transmittance of both is the same (T 10 = T ′ 10 ). Similarly, when the medium X shown in FIG. 10B is air, it is substantially the same as FIG. 10A, and the transmittance of both is the same (T 10 = T ′ 10 ). . On the other hand, when the medium X shown in FIG. 10B is a substance having a refractive index larger than that of air and smaller than that of GaN, a surface E from which light is emitted as shown in FIG. Compared to the case of GaN, the difference in refractive index between the surface F from which the light is emitted and air is small. Therefore, as shown in FIGS. 9 and 10, by using a material that is larger than the refractive index of air and smaller than the refractive index of GaN as the medium X, the transmittance is improved and the output is enhanced. Can do. Further, since the refractive index is the square root of the dielectric constant, the same relationship is obtained even if the refractive index is replaced with the dielectric constant.

このように、第2の実験例では、図1に示すように、p型半導体層30上に当該p型半導体層30よりも小さい屈折率(あるいは誘電率)を有する透明誘電体からなる透明誘電体層40、誘電体柱状部41,42を積層することで、光の透過率を向上させ、出力増強効果を得られることが確認できた。   Thus, in the second experimental example, as shown in FIG. 1, a transparent dielectric made of a transparent dielectric having a refractive index (or dielectric constant) smaller than that of the p-type semiconductor layer 30 on the p-type semiconductor layer 30. It was confirmed that by laminating the body layer 40 and the dielectric columnar portions 41 and 42, the light transmittance was improved and the output enhancement effect was obtained.

以上、本発明に係る発光素子1について、発明を実施するための形態により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。   The light-emitting element 1 according to the present invention has been specifically described above with reference to embodiments for carrying out the invention. However, the gist of the present invention is not limited to these descriptions, and is based on the description of the claims. Must be interpreted widely. Needless to say, various changes and modifications based on these descriptions are also included in the spirit of the present invention.

例えば、前記した発光素子1は、図1に示すように、半導体発光層10が矩形状に形成されているが、当該半導体発光層10を誘電体柱状部41,42の直下のみに形成しても構わない。   For example, as shown in FIG. 1, the light emitting element 1 has the semiconductor light emitting layer 10 formed in a rectangular shape, but the semiconductor light emitting layer 10 is formed only directly below the dielectric columnar portions 41 and 42. It doesn't matter.

また、前記した発光素子1の製造方法は、図4および図5に示したものに限定されない。例えば、発光素子1は、半導体発光層10、n型半導体層20およびp型半導体層30が積層された発光素子層80の表面に、柱断面と相似な形状の窓を有する誘電体反射膜を配置するとともに、表面に複数の誘電体柱状部41,42が形成された透明誘電体基板を別途用意し、発光素子層80の誘電体反射膜を有する面と、透明誘電体基板の背面(誘電体柱状部41,42が形成されていない面)とを張り合わせることで作成することもできる。   Moreover, the manufacturing method of the above-mentioned light emitting element 1 is not limited to what was shown in FIG.4 and FIG.5. For example, the light-emitting element 1 includes a dielectric reflection film having a window having a shape similar to a column cross section on the surface of the light-emitting element layer 80 in which the semiconductor light-emitting layer 10, the n-type semiconductor layer 20, and the p-type semiconductor layer 30 are stacked. A transparent dielectric substrate having a plurality of dielectric columnar portions 41 and 42 formed on the surface thereof is prepared separately, and a surface having a dielectric reflection film of the light emitting element layer 80 and a back surface of the transparent dielectric substrate (dielectric) It can also be created by pasting together the surfaces on which the body columnar portions 41 and 42 are not formed.

また、前記した発光素子1は、図1に示すように、誘電体柱状部41,42が断面円形状かつ円柱状に形成されていたが、当該誘電体柱状部41,42は断面多角形かつ多角柱状に形成されても構わない。   Further, as shown in FIG. 1, the light emitting element 1 has the dielectric columnar portions 41 and 42 formed in a circular cross section and a cylindrical shape. However, the dielectric columnar portions 41 and 42 are polygonal in cross section. It may be formed in a polygonal column shape.

また、前記した発光素子1は、図1に示すように、下からn型半導体層20、半導体発光層10、p型半導体層30の順に積層されていたが、n型半導体層20とp型半導体層30の順序は入れ替えても構わない。   In addition, as shown in FIG. 1, the light-emitting element 1 described above is stacked in order of the n-type semiconductor layer 20, the semiconductor light-emitting layer 10, and the p-type semiconductor layer 30 from the bottom. The order of the semiconductor layers 30 may be changed.

また、前記した発光素子1は、図1に示すように、第1柱群を構成する3本の誘電体柱状部(導波柱)41と、第2柱群を構成する3本の誘電体柱状部(制御柱)42の合計6本の柱状構造物を備えていたが、柱状構造物の数をこれよりも少なくしても構わない。すなわち、発光素子1は、それぞれ同じ高さを有する少なくとも1本の誘電体柱状部41によって第1柱群を構成し、当該第1柱群を構成する誘電体柱状部41とは高さが異なり、かつ、それぞれ同じ高さを有する少なくとも1本の誘電体柱状部42によって第2柱群を構成すればよい。なお、この場合、第1柱群には、誘電体柱状部41が1本のみの態様も含まれており、第2柱群には、誘電体柱状部42が1本のみの態様も含まれている。   Further, as shown in FIG. 1, the light-emitting element 1 described above includes three dielectric columnar portions (waveguide columns) 41 constituting the first column group and three dielectrics constituting the second column group. Although a total of six columnar structures (columns (control columns) 42) are provided, the number of columnar structures may be smaller than this. That is, the light emitting element 1 includes a first column group by at least one dielectric columnar portion 41 having the same height, and the height is different from that of the dielectric columnar portion 41 configuring the first column group. In addition, the second column group may be configured by at least one dielectric columnar portion 42 having the same height. In this case, the first column group includes an embodiment in which only one dielectric columnar portion 41 is included, and the second column group also includes an embodiment in which only one dielectric columnar portion 42 is included. ing.

また、前記した発光素子1は、複数の誘電体柱状部41,42が透明誘電体層40上に3〜6本まとめて環状に配置され、第2柱群が、複数の誘電体柱状部41,42の総数の半数以下の誘電体柱状部42から構成されたものしても構わない。このような構成であっても、発光素子1は、当該発光素子単体で光線を形成することができるとともに、形成した光線の方位角を制御することができる。   Further, in the light emitting element 1 described above, the plurality of dielectric columnar portions 41 and 42 are arranged on the transparent dielectric layer 40 in an annular shape, and the second column group includes the plurality of dielectric columnar portions 41. , 42 may be composed of dielectric columnar portions 42 that are not more than half of the total number. Even with such a configuration, the light emitting element 1 can form a light beam by itself and can control the azimuth angle of the formed light beam.

また、前記した発光素子1は、複数の誘電体柱状部41,42が透明誘電体層40上に3本まとめて環状に配置され、第1柱群が、2本の誘電体柱状部41から構成され、第2柱群が、1本の誘電体柱状部42から構成されたものとしても構わない。このような構成であっても、発光素子1は、当該発光素子単体で光線を形成することができ、第1柱群を構成する誘電体柱状部41と第2柱群を構成する誘電体柱状部42の高さを相違させることで、形成した光線の方位角を制御することができる。   In the light-emitting element 1, the plurality of dielectric columnar portions 41 and 42 are arranged on the transparent dielectric layer 40 in an annular shape, and the first column group is formed from the two dielectric columnar portions 41. The second column group may be configured by one dielectric columnar portion 42. Even in such a configuration, the light emitting element 1 can form a light beam by itself, and the dielectric columnar portion 41 constituting the first column group and the dielectric columnar shape constituting the second column group. By making the height of the portion 42 different, the azimuth angle of the formed light beam can be controlled.

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

IP立体ディスプレイDSPの画素に対応した1つ1つの発光素子1において、柱高低差δHは画素ごとに予め決定されており、当該画素から放射する光線の方向を規定するように設定される。図11(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。また、IP立体ディスプレイDSP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1とは、誘電体柱状部41,42の配置が対称になっている。   In each of the light emitting elements 1 corresponding to the pixels of the IP stereoscopic display DSP, the column height difference δH is determined in advance for each pixel, and is set so as to define the direction of light rays emitted from the pixel. In FIG. 11B, for example, a thick arrow whose end point is a cylinder or a cube indicates the direction of light. In the IP stereoscopic display DSP, the light emitting elements 1 arranged in the leftmost column toward the screen and the light emitting elements 1 arranged in the rightmost column toward the screen are composed of the dielectric columnar portions 41. , 42 are symmetrical.

また、IP立体ディスプレイDSP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1とは、誘電体柱状部41,42の配置が対称になっている。さらに、その他の画面領域に並べられた発光素子1も場所に応じた配置で配置されている。よって、素子単位の画素構造(発光素子1)の中の6つの波源からそれぞれ放射された光によって、当該画素において強度変調が可能となる。なお、画素の位置によっては、方位角θ=0度とするために誘電体柱状部41,42の高さを等しくすべき位置もある。 Further, in the IP stereoscopic display DSP, the light emitting elements 1 arranged in the uppermost row toward the screen and the light emitting elements 1 arranged in the lowermost row toward the screen are composed of dielectric columnar portions. The arrangement of 41 and 42 is symmetric. Furthermore, the light emitting elements 1 arranged in other screen areas are also arranged in accordance with the location. Therefore, intensity modulation can be performed in the pixel by the light emitted from each of the six wave sources in the pixel structure of the element unit (light emitting element 1). Depending on the position of the pixel, there is a position where the heights of the dielectric columnar portions 41 and 42 should be equal in order to set the azimuth angle θ 1 = 0 degree.

このような微細構造を有する発光素子1を多数個並べた表示素子(FPD)は、従来技術においてレンズ板と発光面とを接合させた装置と同じ働きを有するようになる。このようにして作成したIP立体ディスプレイDSPにおいては、立体表示の解像度は、発光素子1の精細度にのみ依存し、光学系の解像度不足による映像ボケが生じない。また、発光素子1を用いたIP表示における視域角は、素子表面と垂直な方向に対する放射光の光線成す角θの最大値にのみ依存し、解像度と視域角とを独立に改善することが可能である。 A display element (FPD) in which a large number of light emitting elements 1 having such a fine structure are arranged has the same function as an apparatus in which a lens plate and a light emitting surface are joined in the prior art. In the IP stereoscopic display DSP created in this way, the resolution of the stereoscopic display depends only on the definition of the light emitting element 1, and image blur due to insufficient resolution of the optical system does not occur. Further, the viewing zone angle in the IP display using the light emitting element 1 depends only on the maximum value of the angle θ 2 formed by the radiated light with respect to the direction perpendicular to the element surface, and the resolution and the viewing zone angle are independently improved. It is possible.

なお、発光素子1は、前記したように、要素レンズの代わりに基板BD上に多数並べることでIP立体ディスプレイDSPを提供することが可能であるが、その際に発光素子1自体を基板BDに対して傾斜させて配置することで、方位角θをより広範囲に制御することができる。 As described above, it is possible to provide the IP stereoscopic display DSP by arranging a large number of the light emitting elements 1 on the substrate BD instead of the element lens. In this case, the light emitting element 1 itself is provided on the substrate BD. By disposing it with respect to it, the azimuth angle θ 1 can be controlled over a wider range.

また、発光素子1は、光線の形成と放射方向の制御を必要とするデバイス一般にも応用することが可能であり、例えばプロジェクター用光源、空間光インターコネクションに用いる接続器、拡散板を必要としない照明用光源等にも利用することができる。   The light-emitting element 1 can also be applied to general devices that require the formation of light rays and the control of the radiation direction. For example, a light source for a projector, a connector used for spatial light interconnection, and a diffusion plate are not required. It can also be used as a light source for illumination.

1,101 発光素子(光線指向型発光素子)
10 半導体発光層
20 n型半導体層
30,30A p型半導体層
31 半導体柱状部(導波柱)
32 半導体柱状部(制御柱)
40 透明誘電体層
41 誘電体柱状部(導波柱)
42 誘電体柱状部(制御柱)
41a,42a 放射面
50 基板(ピン電極アレイ付基板)
60 樹脂
71 p電極
72 n電極
80 発光素子層
90 バッファ層
100 サファイア基板
BD 基板
DSP IP立体ディスプレイ
1,101 Light-emitting element (light-emitting light-emitting element)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor light emitting layer 20 N-type semiconductor layer 30, 30A p-type semiconductor layer 31 Semiconductor columnar part (waveguide pillar)
32 Semiconductor pillar (control pillar)
40 Transparent dielectric layer 41 Dielectric column (waveguide column)
42 Dielectric Column (Control Column)
41a, 42a Radiation surface 50 substrate (substrate with pin electrode array)
60 resin 71 p electrode 72 n electrode 80 light emitting element layer 90 buffer layer 100 sapphire substrate BD substrate DSP IP stereoscopic display

Claims (5)

n型半導体層とp型半導体層との間に半導体発光層を備える発光素子であって、
前記n型半導体層上または前記p型半導体層上に形成され、前記n型半導体層および前記p型半導体層よりも小さい誘電率を有する透明誘電体からなる透明誘電体層と、
前記透明誘電体層上に形成され、当該透明誘電体層と同じ透明誘電体からなり、前記半導体発光層で発生した光の導波路となる複数の誘電体柱状部と、を備え、
前記複数の誘電体柱状部は、前記透明誘電体層上に環状に配置されるとともに、それぞれ同じ高さを有する少なくとも1本の前記誘電体柱状部から構成される第1柱群と、当該第1柱群を構成する前記誘電体柱状部とは高さが異なり、かつ、それぞれ同じ高さを有する少なくとも1本の前記誘電体柱状部から構成される第2柱群と、からなることを特徴とする発光素子。
A light emitting device comprising a semiconductor light emitting layer between an n type semiconductor layer and a p type semiconductor layer,
A transparent dielectric layer formed on the n-type semiconductor layer or the p-type semiconductor layer and made of a transparent dielectric having a dielectric constant smaller than that of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer;
A plurality of dielectric pillars formed on the transparent dielectric layer, made of the same transparent dielectric as the transparent dielectric layer, and serving as a waveguide of light generated in the semiconductor light emitting layer;
The plurality of dielectric columnar portions are annularly arranged on the transparent dielectric layer, and each of the first column group including at least one dielectric columnar portion having the same height, The dielectric columnar portion constituting one column group is different in height and includes a second column group composed of at least one dielectric columnar portion having the same height. A light emitting element.
前記複数の誘電体柱状部は、前記透明誘電体層上に3〜6本まとめて環状に配置され、
前記第2柱群は、前記複数の誘電体柱状部の総数の半数以下の前記誘電体柱状部から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
The plurality of dielectric columnar portions are arranged in a ring shape on the transparent dielectric layer in a group of 3 to 6,
2. The light emitting device according to claim 1, wherein the second column group includes the dielectric columnar portions that are half or less of the total number of the plurality of dielectric columnar portions.
前記複数の誘電体柱状部は、前記透明誘電体層上に6本まとめて環状に配置され、
前記第1柱群および前記第2柱群は、それぞれ3本の前記誘電体柱状部から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
The plurality of dielectric columnar portions are arranged in a ring on the transparent dielectric layer in a group of six,
2. The light emitting device according to claim 1, wherein each of the first column group and the second column group includes three dielectric columnar portions.
前記複数の誘電体柱状部は、前記透明誘電体層上において、それぞれの柱の中心軸が同じ円周上に等間隔で位置するように、環状に配置されたことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の発光素子。   The plurality of dielectric columnar portions are arranged in an annular shape on the transparent dielectric layer so that the central axes of the respective columns are positioned at equal intervals on the same circumference. Or the light emitting element of Claim 3. 前記第1柱群を構成する前記誘電体柱状部と前記第2柱群を構成する前記誘電体柱状部との高さの差は、当該誘電体柱状部の内部を伝播する光の波長以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発光素子。   The difference in height between the dielectric columnar portion constituting the first column group and the dielectric columnar portion constituting the second column group is less than or equal to the wavelength of light propagating through the dielectric columnar portion. The light emitting element according to claim 1, wherein the light emitting element is provided.
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