JP6093139B2 - 発光素子及び表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体からなる発光素子及びその発光素子を用いた表示装置に関するものである。

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（発光ダイオード）は、光を拡散させる仕組みが必要となるほど出射光の直進性が強く（例えば、特許文献１、２参照）、色純度の高さなど発光特性にも優れることから、照明器具などに応用される用途に有望なデバイスと考えられる。微細なＬＥＤを２次元的に配列した高精細画像表示装置は、例えば、ウエハに形成したＬＥＤを画素ごとに分離したのち実装基板に転写して製作されている（例えば、特許文献３参照）。分離されたＬＥＤ画素は、実装基板上に配列され、さらには近傍に電極を配置するため、この電極を設ける工程において微細化における要求を満たす必要がある。

特に表示装置を構成する上では、各画素の点灯状態を制御する、いわゆる画素選択を可能とする仕組みが必要であり、一般的なマトリクス駆動を行なう表示装置においても、行電極と列電極の２系統の電極が適切に配置されていなくてはならない。
一方、立体像表示の一方式であるインテグラルフォトグラフィ（以下、ＩＰという）への応用を目的として提案されている指向性発光素子は、発光面の表面構造によって光線形成と方位制御を行うため、光を透過しない金属電極が放射面に配置されることは好ましくない。

特開２００８−２５８３０２号公報 特開２０１０−２５７５７３号公報 特開２００２−０６２８２５号公報 特開２０１０−１７１２８９号公報 特開２００３−１６８７６２号公報 特開２００７−２２７３５５号公報

しかし、前記した発光素子あるいは表示装置は、以下に示すような問題点が存在した。
前記したＬＥＤ等の発光素子は、厚さ方向にｎ層とｐ層とが積層された半導体であって、ｎ層とｐ層とに注入された電子と正孔との再結合により光を上面より取り出す構造となっているため、電極はＬＥＤ下層及び基板の間と、ＬＥＤ上層表面との２ヵ所に配置される（例えば、特許文献４参照）。

また、表示装置では、それ以外の電極構造に関しても、表面が狭い構成（例えば、特許文献５参照）、あるいは、表面形状が複雑な構成（例えば、特許文献６参照）など、指向性発光素子への応用が難しい点がある。
なお、前記した発光素子では、その電極構造において全ての画素の背面側電極へ個別に信号を送る必要があり、画素数が増加するに従って回路規模が増え、取り出し電極のレイアウトにも困難が生じることになってしまう。

本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたものであり、簡易な駆動が可能な電極構造を備える発光素子及びその発光素子を用いた表示装置を提供することを課題とする。

本発明に係る発光素子は、前記課題を解決するため、以下に示すような構成とした。すなわち、第１半導体層と、半導体発光層と、前記第１半導体層のキャリア移動度より大きいキャリア移動度の第２半導体層とがこの順で積層され前記第２半導体層の平坦な表面に形成した構造物の放射面から光を放射する発光素子であって、前記第１半導体層の一部に先端が部分的に接続して前記構造物に対向して設けた第１電極と、前記第１半導体層に接続され前記第１電極と離間して設けた第２電極と、前記第２半導体層に接続して前記構造物を囲むように設けた第３電極とを備え、前記第１半導体層と前記第２電極との接触抵抗が、前記第１半導体層と前記第１電極との接触抵抗よりも大きくなるように形成され、前記構造物は、第２半導体層の平坦な表面において、当該表面に深さの異なる複数の凹部又は当該表面に高さの異なる複数の凸部となるように設けられた構成にした。

かかる構成により、発光素子は、第１電極と第２電極とに正極性で同一レベルの信号が入力されると両電極間には電位差が生じないことにより、第１電極より注入された正孔の第２電極への移動は起きず、負極に接続された第３電極と第１電極との間に電流が流れて半導体発光層から発光する。一方、発光素子は、第１電極にのみ正極性の信号が入力されても、第１電極より電位の低い第２電極近傍では正孔が第２電極に吸収されることにより低濃度になって第１電極より注入された正孔が第２電極側に移動する。したがって、発光素子は、第１電極と第２電極との間で正孔が流れて、第１電極と第３電極の間に電流が流れない状態となり、半導体発光層からの発光が起こらない非発光となる。つまり、発光素子は、第１電極の電位と、第２電極の電位との関係が、（第１電極の電位≧第２電極の電位）の関係になるように構成されている。発光素子１は、第１電極と第２電極の電位の関係が等しいときに、第１電極である第１陽極から注入された正孔が拡散によりｎ型半導体層側へ向かって移動し、接合部（半導体発光層）でｎ型半導体層の電子と再結合することで発光が得られる。また、発光素子は、第１電極と第２電極の電位の関係が（第１電極の電位＞第２電極の電位）のときに、第２電極近傍の正孔が第２電極より取り出されて濃度が低下するため、第１電極より注入された正孔が第２電極に向かって移動する。さらに、発光素子では、電位の関係により正孔が電界によっても第２電極へと移動させられるので、第２電極による濃度の低下する効果と合わせて正孔が接合部（半導体発光層）に到達しなくなる。
また、発光素子は、半導体発光層から光が導波されて凸部の高さの異なる構造物から光が出力する場合に、高さが低い凸部では高さが高い凸部と比較して光が早く凸部から空気中等の他の媒体に出ることになる。したがって、発光素子では、高さが低い凸部と高さが高い凸部とでは光の進み方が異なり、さらに互いに干渉することで光を表面の垂直方向から所定の傾斜方向に出射するように特定することができる。また、発光素子は、半導体発光層から光が導波されて凹部から出射されるときに、深さが異なることで、深い凹部では光が早く空気中等の他の媒体に出力され、浅い凹部では光が半導体素子中に介在することになる。したがって、発光素子では、深さが異なる深い凹部と浅い凹部とで光の進み方が異なり、かつ、第２半導体層から出るときに互いに干渉することで光を垂直方向から所定の傾斜方向に出射するように特定することができる。

また、前記発光素子は、前記第３電極が負極に接続された状態で、前記第１電極及び前記第２電極に正極性の信号が入力され前記第１電極の電位と前記第２電極の電位とが等しいときに前記放射面から光を放射し、前記第２電極に正極性の信号が入力されず前記第１電極の電位が前記第２電極の電位よりも大きいときは前記放射面から光を放射しない構成としても構わない。

発光素子は、第１電極と第２電極の電位の関係が等しいときに、第１電極である第１陽極から注入された正孔が拡散によりｎ型半導体層側へ向かって移動し、接合部（半導体発光層）でｎ型半導体層の電子と再結合することで発光が得られる。また、発光素子は、第１電極と第２電極の電位の関係が（第１電極の電位＞第２電極の電位）のときに、第２電極近傍の正孔が第２電極より取り出されて濃度が低下するため、第１電極より注入された正孔が第２電極に向かって移動する。

さらに、前記発光素子において、前記構造物は、平坦な表面において予め設定された位置に対して等距離で、かつ、前記位置を中心として周方向に等間隔に設置されている構成としても構わない。
かかる構成により、発光素子は、光の導波路が予め設定される位置の中心から均等、かつ、各構造物が周方向に等間隔となるような距離にあるので、干渉させて光の出射方向を設定し易い構造とすることができる。

そして、前記発光素子は、前記第２半導体層の平坦な表面において、前記第１電極に対向する位置に凸部が設置された場合、当該凸部は、先端に向かって階段面が小さくなるように階段状に形成された柱体であり、予め設定された傾斜させる光出射方向とは反対の前記柱体の体積を減じて形成された構成としても構わない。
かかる構成により、発光素子は、階段面の中心側と、体積を減じて形成した周縁側とにより光の導波路の状態が異なるため、階段面の中心側では凸部内の導波路内を周縁と比較して長く光が通過し、階段面の周縁側の体積が減じて形成された凸部側では導波路内が中心側よりも短い導波路状態となる。そのため、発光素子は、柱体の体積を減じた側と減じてない側とで光が空気等の他の媒体に出射する状態が異なり、その光の出射状態が異なる光がそれぞれ干渉して表面に対して垂直方向よりも傾斜方向に出射することができる。

また、本発明に係る表示装置は、前記課題を解決するため、以下に示すような構成とした。すなわち、表示装置は、複数本の行配線と複数本の列配線の交差部に、それぞれ請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発光素子を配置した表示パネルと、この表示パネルを駆動する駆動回路とを備え、前記行配線が前記発光素子の第２電極に接続され、前記列配線が前記発光素子の第１電極に接続される表示装置であって、前記駆動回路は、前記複数の列配線に対し、画像信号に基づく正極性の駆動信号を列単体で入力する列選択手段と、前記複数の行配線に対し、走査信号に基づく正極性の行選択信号を入力する行選択手段と、を備える構成とした。

かかる構成により、表示装置は、駆動回路である行選択手段及び列選択手段から駆動信号及び行選択信号を入力することで、両信号を入力された発光素子の第１電極と第３電極が導通して半導体発光層から光を発光させる。また、表示装置は、行選択手段及び列選択手段のどちらか一方のみからの信号が発光素子に入力された場合、半導体発光層は非発光の状態となる。その理由として、表示装置は、第２電極のみに正極性の信号が入力された場合、第２電極と第２半導体層との間の接触抵抗が大きいため、第２電極から第１半導体に対して正孔の注入が起こらず、半導体発光層が非発光の状態となる。また、表示装置は、第１電極にのみ正極性の信号が入る場合には、第１電極より注入された正孔が第２電極側に移動して発光層に到達できないため、半導体発光層が非発光の状態となる。

本発明に係る発光素子及び表示装置は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
発光素子は、所定の第１電極、第２電極及び第３電極を備え、第１電極及び第２電極に正極性の信号を入力することで、半導体発光層から光を出射する発光状態として制御し、第１電極又は第２電極のいずれか一方しか正極性の信号が入力されないことで、半導体発光層からの光を出射しない非発光状態に切り替えて制御することができ、容易に簡単な構成でオンオフの制御を実現することが可能となる。

発光素子は、簡易な構成で発光及び非発光の制御を行うことと合わせて、第２半導体層に凹部または凸部の構造物を備えることで、出射する光の方向を特定することが可能となる。したがって、発光素子は、ＩＰ方式の立体映像表示装置に使用することに適している。

表示装置は、特に、ＩＰ方式においてレンズを使用することなく立体映像を表示することができ、かつ、発光及び非発光の制御を第１電極及び第２電極に対する正極性の信号の入力により行なうことができ、制御が容易で簡易な構成を実現することが可能となる。

本発明に係る発光素子の全体を断面にして模式的に示す模式図である。 本発明に係る発光素子に設けられる構造物の構成を示す図であり、（ａ）は構造物を示す平面図、（ｂ）は（ａ）における構造物のＸ−Ｘ線の断面図、（ｃ）は（ａ）構造物から光が出射する方向を説明する模式図、（ｄ）は構造物による光の出射方向を示す模式図である。 本発明に係る発光素子の作動状態を断面にして模式的に示す図であり、（ａ）は発光素子の発光状態を示す模式図、（ｂ）は発光素子の非発光状態を示す模式図である。 本発明に係る発光素子を用いた表示装置の全体を模式的に示す模式図である。 本発明に係る表示装置の一部において、分解して模式的に示す分解斜視図である。 本発明に係る表示装置の一部において、発光素子の発光及び非発光状態を模式的示す図であり、（ａ）は表示装置の一つの発光素子を発光させている状態を模式的に示す斜視図、（ｂ）は、表示装置の１エリア（４つ：１行）の発光素子を発光させている状態を模式的に示す斜視図、（ｃ）は、表示装置の全ての発光素子を発光させている状態を模式的に示す斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明に係る表示装置の製造方法における工程を模式的に示す模式図である。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明に係る表示装置の製造方法における工程を模式的に示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明に係る表示装置の製造方法における工程を模式的に示す模式図である。 本発明に係る発光素子に形成される構造物の他の一例を模式的に示す図であり、（ａ）は発光素子の平面図、（ｂ）は発光素子の（ａ）においてＡ-Ａ線で断面にした断面図、（ｃ）は発光素子の（ａ）においてＢ-Ｂ線で断面にした断面図、（ｄ）は発光素子の（ａ）においてＣ−Ｃ線で断面にした状態にて光出射方向を説明するための模式図、（ｅ）は発光素子の光の出射方向を模式的に示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明に係る発光素子の他の構成を示す平面図及び断面図である。 本発明に係る発光素子を用いた表示装置（ＩＰ立体ディスプレイ）の概念図であって、（ａ）は表示装置の正面図、（ｂ）は表示装置の斜視図である。

以下、本発明に係る発光素子及び表示装置について、図面を参照して説明する。
なお、発光素子及び表示装置は、本来微細な構成であるが、説明が分かり易くなるように適宜誇張（デフォルメ）して図示して説明する。また、発光素子は、はじめに光の出射方向を特定する構造物を第２半導体層に備える指向性発光素子を例として説明する。

図１に示すように、指向性発光素子である発光素子１は、構成として基板２側から第１半導体層であるｐ型半導体層４と半導体発光層５と、第２半導体層であるｎ型半導体層６と、構造物７と、半導体発光層５から光を出射するための電極８を備えている。具体的には、発光素子１は、ここでは、基板２上に設けた絶縁体層である誘電体層３と、誘電体層３の上面に設けた第１半導体層であるｐ型半導体層４と、このｐ型半導体層４の上面に設けた半導体発光層５と、この半導体発光層５の上面に設けた第２半導体層であるｎ型半導体層６と、このｎ型半導体層６の上面に形成された構造物７と、を備えている。そして、発光素子１に接続された入力手段１１からの信号により半導体発光層５から光を発光させるものである。

そして、発光素子１の電極８は、構造物７の平面視での中心にｐ型半導体層４及び半導体発光素子５を介して対向する位置となるように基板２に設けた第１電極８ａと、ｐ型半導体層４と誘電体層３との間に設けた第２電極８ｂと、ｎ型半導体層６に接続して設けた第３電極８ｃと、第１電極８ａを外部と接続するように設けた接続電極８ｄとを有し、各電極が外部の入力手段１１に接続される素子回路９により接続されている。

更に、発光素子１では、正極性の信号を入力する入力手段１１において、ここでは切替スイッチＳＷを電源Ｖに接続した構成として説明する。したがって、発光素子１は、第１電極８ａ及び第２電極８ｂの接続と、第１電極８ａ及び第３電極８ｃの接続とに切り替える切替スイッチＳＷを素子回路９に備え、素子回路９の所定位置に電源Ｖを接続している。また、発光素子１は、素子回路９において第３電極８ｃを接地電極Ｇに接続し共通の陰極とするように構成されている。

また、発光素子１としては、ここでは一例として、ｎ型半導体とｐ型半導体の薄膜からなる窒化ガリウム（ＧａＮ）の構成として説明する。ちなみに、ＧａＮは、電子親和力が２．９ｅＶ、エネルギーギャップが３．４ｅＶであるので、そのためｐ層の障壁が６．３ｅＶとなる。
また、基板２は、特に限定されるものではなく、例えば、ガラスなどの絶縁性基板が使用される。

図１に示すように、基板２に設けた誘電体層３は、一般的な発光素子に用いられる金属酸化物や樹脂等の絶縁体が使用される。この誘電体層３は、例えば、二酸化シリコン、二酸化ハフニウム、ＳｉＯＦ（酸化シリコンにフッ素を添加したもの）、ＳｉＯＣ（酸化シリコンに炭素を添加したもの）、有機ポリマー系の材料などのいずれかで構成される。この誘電体層３は、絶縁性を備えていればよい。

第１電極８ａは、構造物７の中心に半導体発光層５及びｐ型半導体層４を挟んで対向する位置となるように基板２上に形成されている。この第１電極８ａは、その電極一端をｐ型半導体層４に接続し、その電極他端を、接続電極８ｄを介して入力手段１１の切替スイッチＳＷと接続している。第１電極８ａは、例えば、Ｐｄ／Ａｕからなる針状に形成されている。そして、第１電極８ａは、誘電体層３の上面から、その先端がｐ型半導体層４に接触できる状態になっている。また、第１電極８ａは、Ｐｄ／Ａｕで形成されることにより、ＧａＮで形成されるｐ型半導体層４との接触抵抗が、約８×１０^-3Ωｃｍ²となる。したがって、後記する第２電極８ｂは、この接触抵抗の数値よりも大きくなるものから構成されることになる。なお、第１電極８ａは、その形状は図面では円錐台形状で示しているが、ｐ型半導体層４にその先端が部分的に接触できる形状であれば円柱形、針形、半球状等、特に限定されるものではない。

接続電極８ｄは、第１電極８ａに接続して電源Ｖからの電流を供給するためのものである。この接続電極８ｄは、その電極一端を第１電極８ａに接続し、その電極他端を入力手段１１の電源Ｖに接続（図示せず）している。接続電極８ｄは、例えば、細線状に形成されている。そして、接続電極８ｄは、基板２の少なくとも一端側から接触できるように、基板２と誘電体層３の間で基板２に設置されている。なお、この接続電極８ｄは、第１電極８ａの一部を連続して形成することで構成しても構わない。

ｐ型半導体層４は、半導体発光層５に対して正孔を輸送する層である。ｐ型半導体層４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４は、図１に示すように、半導体発光層５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、ｐ型半導体層４の厚さは特に限定されないが、例えば２００〜１５００ｎｍの厚さで形成することができる。

第２電極８ｂは、第１電極８ａと導通して後記する第３電極８ｃに第１電極８ａからの電流の供給を制御するものである。この第２電極は、ｐ型半導体層４側に細線状に形成されて、ｐ型半導体層４と接続し、当該ｐ型半導体層４の少なくとも一端に露出してその電極一端が入力手段１１の切替スイッチＳＷに接続できるように設けられている。また、第２電極８ｂは、第１電極８ａの先端から離間した位置になるようにｐ型半導体層４に設置されている。さらに、第２電極８ｂは、第１電極８ａよりもｐ型半導体層４との接触抵抗が大きな材料により形成されている。第２電極８ｂは、例えばＮｉ／Ａｕから形成されている。第２電極８ｂは、Ｎｉ／Ａｕから形成されると、その接触抵抗が約１３×１０^-3Ωｃｍ²である。

半導体発光層５は、所謂、活性層であり、ｎ型半導体層６とｐ型半導体層４とを介して輸送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。この半導体発光層５は、ｎ型半導体層６とｐ型半導体層４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５は、図１に示すように、ｎ型半導体層６とｐ型半導体層４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５は、その厚さ、材質、形状について特に限定されるものではない。

ｎ型半導体層６は、半導体発光層５に対して電子を輸送する層である。このｎ型半導体層６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６は、図１に示すように、半導体発光層５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、ｎ型半導体層６は、その厚さ、材質、形状について特に限定されるものではない。このｎ型半導体層６の上面には、図１に示すように、構造物７が設けられている。

第３電極８ｃは、ｎ型半導体層６に設置され、第１電極８ａと両半導体層を介して導通して半導体発光層５を発光させるものである。この第３電極は、その電極一端を接地電極Ｇに接続し、その電極他端を電源Ｖの負極に接続している。そして、第３電極８ｃは、第１電極８ａとの間に電源Ｖを接続することで、第１陽極となる第１電極８ａから注入された正孔が、拡散により接合部である半導体発光層５へ移動して、電子との再結合により半導体発光層５で発光を得ることができる。第３電極８ｃは、陰極として使用できるものであれば一般的に使用される例えばＴｉ／Ａｌで形成される等、特に限定されるものではない。

そして、発光素子１は、ｎ型半導体層６及びｐ型半導体層４の構成が、［再結合速度＞電子・正孔いずれかのキャリアの移動速度］の関係になっており、ここでは、［再結合速度＞正孔のキャリアの移動速度］の関係になっている。そのため、ｎ型半導体層６及びｐ型半導体層４では、半導体発光層５において、電子・正孔の両キャリアが揃うタイミング（キャリア移動度の差）は、顕著な差となっている。したがって、ｎ型半導体層６及びｐ型半導体層４では、両層の界面である半導体発光層５において、移動の速いキャリアは遍在し、かつ、移動の遅いキャリアが到達した時点で発光する。この発光する場合、キャリア移動度が小さい層（ここではｐ型半導体層４）の電界分布に依存し、第１電極８ａの電極形状による発光の局在化を生じることになる。つまり、第１電極８ａと第３電極８ｃが両半導体層を介して導通した状態となった場合、半導体発光層５から発光する領域が、例えば、第１電極８ａの形状の範囲に沿ったエリアとなる。

発光素子１では、第１電極８ａと第３電極８ｃとが両半導体層を介して導通状態（電圧がかかると）になったときに、第１電極８ａからｐ型半導体層４を輸送層として正孔（キャリア）が移動し、第３電極８ｃからｎ型半導体層６を輸送層として電子（キャリア）が移動し、両半導体層を移動してきた正孔と電子とは半導体発光層５で再結合して発光し消滅する。このとき、半導体発光層５で消滅したキャリアを補充するために、ｐ型半導体層４を移動する正孔がｎ型半導体層６を移動する電子よりも遅く、かつ、正孔が補充される緩和時間よりも、再結合時間の方が短い。そのため、半導体発光層５において、第１電極８ａからｐ型半導体層４を介して半導体発光層５に最も迅速に正孔が補充される領域である第１電極８ａの直上領域でキャリアの再結合が発生する頻度が高く、選択的に発光する。ここで、緩和時間とは、電子と正孔が濃度勾配を解消するべく移動に要する時間をいう。また、再結合時間とは、電子と正孔が再結合に要する時間をいう。

なお、再結合速度とキャリア移動度の関係について、以下に示す。
粒子ｎの拡散係数がＤのとき、拡散方程式ｄｎ／ｄｔ＝Ｄ∇²ｎの解は、ｔ＝０でｎ＝Ｎδ（ｒ）として、ｎ（ｒ，ｔ）＝Ｎ／（４πＤｔ）^3/2ｅｘｐ［−ｒ²／２Ｄｔ］となる。
そして、位置の分散＜ｒ²＞の時間微分は、ｄ＜ｒ²＞／ｄｔ＝１／Ｎ∫∫∫ｒ²ｎ（ｒ）ｄＶ＝６Ｄ、これより拡散過程では＜ｒ²＞＝６Ｄｔとなる。ここで、∫∫∫ｄＶは、粒子ｎが存在しうる３次元空間の全領域についての積分を示す。
また、キャリア移動度と再結合速度について、以下に示す。

アインシュタインの関係式より電子及び正孔の拡散係数はそれぞれ、Ｄｅ＝３．１×１０^-3，Ｄｈ＝２．６×１０^-5［ｍ²/ｓ］となる。また、電極径０．１ｍｍのとき、電極径の１０％の範囲への拡散に掛かる時間は電子で５ｎｓ、正孔で６００ｎｓとなるので、キャリア移動度に顕著な差がある場合に相当する。そして、再結合寿命１００〜３００ｐｓはこれより遥かに短く、［再結合速度＞正孔のキャリアの移動速度］の場合に相当する。

発光素子１からの発光を制御するためには、第１電極８ａ及び第２電極８ｂに正極性の信号が入力されることが必要である。そのため、第１電極８ａ及び第２電極８ｂに正極性の信号によりオン状態とするには、例えば、外部から信号を入力することで、第１電極８ａ及び第２電極８ｂに正極性の信号を供給することが可能である。もちろん、トランジスタ等による切替スイッチＳＷを使用することもできる。なお、ここでは、入力手段１１の切替スイッチＳＷによる操作で正極性のパルス信号が入力されることとして説明する。

入力手段１１は、発光素子１に発光させるための信号を入力するものである。この入力手段１１は、切替スイッチＳＷ及び電源Ｖを備えており、切替スイッチＳＷの切替により第１電極８ａ及び第２電極８ｂの電位を変えることで発光素子１の点灯及び消灯を行なっている。
切替スイッチＳＷは、第２電極８ｂを、第１電極８ａ又は第３電極８ｃに接続するように切り替えるためのスイッチである。この切替スイッチＳＷは、切り替える動作により、その一端を第１電極８ａと第２電極８ｂとを接続できる状態と、第２電極８ｂと第３電極８ｃとを接続できる状態とになるように設置されている。そして、この切替スイッチＳＷは、切替動作を行なうように制御されている。
電源Ｖは、発光素子１に電力を供給するものである。電源Ｖは、その負極を第３電極８ｃ及び切替スイッチＳＷの一方と接続されると共に、陽極を切替スイッチＳＷの他方と接続されるように設置されている。

したがって、ｎ型半導体層６及びｐ型半導体層４では、第１電極８ａと第２電極８ｂとに電流が流れるように、入力手段１１から切替スイッチＳＷが切替られて電源Ｖから電流が送れ、第１電極８ａと第３電極８ｃとが導通していても、電流の流れ易い第１電極８ａと第２電極８ｂとの間で電流がながれる状態になる。つまり、発光素子１は、第１電極８ａのｐ型半導体層４に対する接触抵抗が、第２電極８ｂのｐ型半導体層４に対する接触抵抗より小さいので、第１電極８ａから第２電極８ｂに正孔が移動するようになる。そのため、発光素子１は、切替スイッチＳＷが一側に切り替わったときには半導体発光層５から発光することがなく非発光の状態となる。また、ｎ型半導体層６及びｐ型半導体層４では、第１電極８ａと第３電極８ｃとに電流が流れるように、入力手段１１の切替スイッチＳＷが切り替えられると、第１電極８ａと第２電極８ｂとが正極となり、第１電極８ａ及び第３電極８ｃの間において、当該第１電極８ａの大きさに対応する範囲で上方にキャリアが移動して、構造物７の形成されているエリアに局在化して光を半導体発光層５から出射することができる。つまり、入力手段１１の切替スイッチＳＷを切り替えることで、第１電極８ａと第２電極８ｂとが同じ極性（正極）となり、正極性のパルス信号を入力したことと同等の動作を行なったことになる。

つぎに、構造物７について説明する。なお、図２では構造物７を他の構成よりも模式的に誇張して大きく記載している。
図１及び図２に示すように、構造物７は、半導体発光層５から出射される光を特定の方向に向かって出射するためのものである。この構造物７は、凸部又は凹部等の様々な構成をとることができるが、ここでは、例えば、ｎ型半導体層６の上面を凸部とする柱形状とした３本から６本（図１では３本）の長さの異なる半導体柱状部７1，７２として形成した構成として先に説明する。また、構造物７は、ｎ型半導体層６の表面の予め設定された位置から等距離で、かつその位置の中心の周囲に互いが等間隔となるように配置される。そして、構造物７は、光が出射するｎ型半導体層６の表面の中心となる位置に構造物全体の中心が位置するように設けられている。

半導体柱状部７１，７２は、図２に示すように、ｎ型半導体層６上に合計３本、円柱状に形成されている。この半導体柱状部７１，７２は、半導体発光層５から発生した光の導波路として機能する。ここで、例えば半導体発光素子（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、半導体柱状部７１，７２内部を伝播した光は、柱上部の放射面７１ａ，７２ａ（図２（ｂ）参照）から素子表面と垂直な方向、すなわち図１における上方向に出射された後、光の干渉効果によって干渉し、素子表面の重心Ｏ（予め設定された位置：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ｎ型半導体層６の上面のことを意味している。

半導体柱状部７１，７２は、図１に示すように、一部の柱の高さが異なるように構成されている。ここで、一部の柱とは、半導体柱状部７１，７２の総数の半数以下の柱のことを意味している。半導体柱状部７１，７２は、具体的には図２に示すように、３本のうちの１本である半導体柱状部７２の高さが、その他の２本である半導体柱状部７１の高さよりも低くなるように構成されている。
半導体柱状部７１，７２は、ｎ型半導体層６と一体的に構成されており、例えば製造段階において、半導体柱状部７１，７２の高さまで形成された矩形状のｎ型半導体層６の一部をエッチングすることで形成することができる。そのため、半導体柱状部７１，７２は、ｎ型半導体層６と同様に例えばｎ型ＧａＮで構成されている。なお、前記したように半導体柱状部７２を半導体柱状部７１よりも低く形成する場合は、半導体柱状部７１，７２を形成した後にさらに半導体柱状部７２のみをエッチングする。

半導体柱状部７１，７２は、図２（ａ）に示すように、平面視で円形状に形成され、ｎ型半導体層６上にそれぞれ同じ断面積で形成されている。ただし、ｎ型半導体層６の上面の面積に対する半導体柱状部７１，７２の断面積の割合等は特に限定されない。また半導体柱状部７１，７２同士の間隔ｐは、図２（ａ）に示すように、それぞれの放射面７１ａ，７２ａから出射する光を互いに干渉させることができる長さに設定され、例えば自由空間（空気中）における光の波長程度に設定される。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λ₀」として説明する。

柱高低差δＨは、前記した内部波長λ₁を基準に調整され、具体的には当該内部波長λ₁以下に設定される。これにより、発光素子１は、各半導体柱状部７１，７２の放射面７１ａ，７２ａの位置が離れすぎることがないため、それぞれの放射面７１ａ，７２ａから出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、形成された光線の出射方向をより制御しやすくすることができる。

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θ₂（以下、光線成す角θ₂という図２（ｄ）参照）が増加する。そして、後記するように、柱高低差割合δが０．４０、すなわち柱高低差δＨが半導体柱状部７１の高さｈ２の半分近くとなるまでは、半導体柱状部７１の放射面７１ａと，半導体柱状部７２の放射面７２ａの高さが光線成す角θ₂に対して支配的な影響を与え、当該光線成す角θ₂は単調増加することになる。以下、柱高低差δＨと光線成す角θ₂との関係について、図２（ｃ）を参照しながら説明する。なお、図２（ｃ）では、簡便のため、高さの異なる２つの半導体柱状部７１，７２だけを示している。

図２（ｃ）における光路Ａは、半導体柱状部７１内の光の伝播路を示しており、光路Ｂは、半導体柱状部７２内の光の伝播路を示している。図２（ｃ）に示すように、光路Ａ，Ｂを通る光は、高度ｈ１（半導体柱状部７２の高さｈ１）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（半導体柱状部７１の高さｈ２）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θ₃＋αと、高度ｈ２の地点における光路Ｂを通る光の位相θ₃＋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。

θ₃＋α＝θ₃＋２πδＨ／（λ₀／ｎ） ・・・式（１）
θ₃＋β＝θ₃＋２πδＨ／λ₀ ・・・式（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θ₃＋αと位相θ₃＋βとの位相差Ψ（＝（θ₃＋α）−（θ₃＋β））は、以下の式（３）で示すように保存されることになる。

Ψ＝（２πδＨ／λ₀）（ｎ−１） ・・・式（３）

従って、以下の式（４）に示すように、半導体柱状部７１および半導体柱状部７２の柱高低差δＨを調整することで、半導体柱状部７１および半導体柱状部７２の位相差Ψを制御できることがわかる。そして、このように半導体柱状部７１の放射面７１ａおよび半導体柱状部７２の放射面７２ａからそれぞれ出射された光には、図２（ｃ）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θ₂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、半導体柱状部７１および半導体柱状部７２の柱高低差δＨを調整して位相差Ψを制御することで、光線を所望の方向に出射することができる。なお、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、半導体柱状部７１および半導体柱状部７２の位相差Ψを制御することができる。

δＨ＝（Ψ／２π）｛１／（ｎ−１）｝λ₀ ・・・式（４）

そして、半導体柱状部７１を通る光は、半導体柱状部７２を通る光に比べて遅延するため、両者が混合されると、それら２つの光の波面とは全く異なる波面をもつ波が生成される。すなわち、半導体柱状部７１，７２の放射面７１ａ，７２ａから出射される光の波面は互いに干渉し、これら２つの半導体柱状部７１，７２の放射面７１ａ，７２ａ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（方向）に、光が出射されることになる。

続いて、３次元空間の位置ｒ₁にある波源としての半導体柱状部７１と、３次元空間の位置ｒ₂にある波源としての半導体柱状部７２から出射された光の干渉について説明する。位置ｒ₁にある波源と、位置ｒ₂にある波源とからそれぞれ出射された光によって、３次元空間の位置ｒに時刻ｔにおいて合成される光の強度Ｉ（ｒ）は、以下の式（５）で与えられる。

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５で生成された光が、２つの波源からそれぞれ出射された後に重畳されて、波面を変えて波の進行方向を変えることが可能となる。式（５）では、式（６）のγの実部を利用する。γは、式（６）で示すように、０から１までの値をとり、２つの波源から出射された光が時間的・空間的にどのくらい相関を持っているのかを示している。よって、γは、次の式（７）〜式（９）のように場合分けすることができる。

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２の発光素子１においては、光の強度において、前記式（５）の第３項の寄与が大きいため、光の進行方向を大きく曲げられる。

図２（ｃ）では、簡単のため、高さの異なる２本の半導体柱状部７１，７２から出射される光の干渉による光線の方向について説明したが、波源として３本の半導体柱状部７１，７２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、２本のうちの一方の半導体柱状部７１と他方の半導体柱状部７１との組み合わせを２つの波源として前記式（５）を適用し、２本のうちの一方の半導体柱状部７１と半導体柱状部７２との組み合わせを２つの波源として前記式（５）を適用し、２本のうちの他方の半導体柱状部７１と半導体柱状部７２との組み合わせを２つの波源として前記式（５）を適用し、これら３つの組み合わせを加算することで、波源として３つの半導体柱状部７１，７２がある場合についての関係式を求めることができる。

以上のような構成を備える発光素子１は、半導体発光層５で発生した光が、複数の半導体柱状部７１，７２を光導波路として各半導体柱状部７１，７２の放射面７１ａ，７２ａから出射される。これらの放射面７１ａ，７２ａから出射された光は、半導体発光層５を１つの光源として発生した光であるため、互いに干渉して合成され光線が形成される。また、発光素子１は、複数の半導体柱状部７１，７２のうちの少なくとも１本（半導体柱状部７２）の高さをその他の半導体柱状部７１の高さと異なるように構成することで、それぞれの放射面７１ａ，７２ａから出射された光に位相差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出射することができる。

従って、発光素子１によれば、複数の半導体柱状部７１，７２である構造物７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、複数の半導体柱状部７１，７２のうちの少なくとも１本の高さを相違させることで、形成した光線の出射方向を制御することができる。また、発光素子１は、例えばＬＥＤのように平坦な放射面を有する発光素子１の表面に、半導体柱状部７１，７２のような導波構造物を微細加工して作成することが可能であるため、当該発光素子１をＩＰ方式の表示装置に用いた場合、立体画像の解像度が発光素子１の精細度のみに依存することになり、従来のような光学系の解像度不足による映像ボケは生じなくなる。また、発光素子１をＩＰ方式の表示装置に用いた場合、その視野角が複数の半導体柱状部７１，７２の高さの差δＨに応じた光線の成す角θ₂の最大値のみに依存するため、ＩＰ方式における解像度の問題と視野角の問題とをそれぞれ独立に改善することが可能となる。

つぎに、発光素子１の動作について図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
なお、発光素子１は、図示しない電源スイッチにより電源Ｖのオンオフを行なうように構成されており、その構成は省略する。
図３（ａ）に示すように、発光素子１は、図示しない電源スイッチにより電源が入れられることと共に、切替スイッチＳＷを第１電極８ａと第２電極８ｂとが接続されるように切り替えることで、第１電極８ａと第３電極８ｃとがｐ型半導体層４及びｎ型半導体層６を介して導通して半導体発光層５から光を出射する。すなわち、発光素子１は、第２電極８ｂにも電源Ｖの正極と接続した状態になり、第１電極８ａ及び第２電極８ｂ間において正孔の移動が生じることがなく、第２電極８ｂと第1半導体層４との間のエネルギー障壁よりも小さくなるよう電源Ｖの出力電圧を選べば、第２電極８ｂと第３電極８ｃとの間には電流が流れない。

そして、発光素子１は、印加された電圧値が第1電極８ａとｐ型半導体層４の間の接触抵抗に対して充分な大きさであるときに、第1電極８ａより正孔が注入され、第２電極８ｂの作用がない半導体発光層５の領域においては当該半導体発光層５における再結合により、発光が得られる。

発光素子１では、図３（ｂ）で示すように、第１電極８ａの電位φ1と、第２電極８ｂの電位φ2との関係が、φ１＞φ２の関係となる条件を満たすときに発光しない。したがって、発光素子１は、図３（ａ）に示すように、第１電極８ａと第２電極８ｂの電位の関係がφ１＝φ２のときに、第１電極８ａである第１陽極から注入された正孔が拡散によりｎ型半導体層６側へ向かって移動し、接合部（半導体発光層５）でｎ型半導体層６の電子と再結合することで発光が得られる。

また、図３（ｂ）に示すように、発光素子１は、切替スイッチＳＷを切り替えて、第２電極８ｂと第３１電極８ｃとが接続するようにすることで、非発光状態とすることができる。つまり、発光素子１は、第１電極８ａと第２電極８ｂの電位の関係がφ₁＞φ₂のときに、第２電極８ｂである第２陽極近傍の正孔が第２陽極より取り出されて濃度が低下するため、第１電極８ａである第１陽極より注入された正孔が第２電極８ｂである第２陽極に向かって移動する。さらに、発光素子１では、電位の関係により正孔が電界によっても第２電極８ｂへと移動させられるので、第２電極８ｂである第２陽極による濃度の低下する効果と合わせて正孔が接合部（半導体発光層５）に到達しなくなる。

ここでは、一例として半導体素材として窒化ガリウム（ＧａＮ）を使用しているので、ｃ軸方向（ｐ型半導体層４からｎ型半導体層６に向かう方向）に垂直な方向において移動度が高いので、図３（ｂ）に破線の矢印で示す状態、つまり、正孔が第１電極８ａから第２電極８ｂに向かって引き寄せられる効果は高い。
以上説明したように、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、発光素子１は、切替スイッチＳＷの切替換操作を行うことで、第２電極８ｂが正孔回収用電極として作用することができるため、第１電極８ａから第２電極８ｂに向かって正孔が移動し光を出射しない状態（図３（ｂ））と、また、第１電極８ａから第３電極８ｃ（半導体発光層５側）に向かう方向に正孔が移動し、半導体発光層５から光を出射する状態と（図３（ａ））、を切り替えることができる。

したがって、発光素子１は、ここでは、切替スイッチＳＷの第１切替位置及び第２切替位置に切替操作をすることで、発光及び非発光の制御をすることができ、簡易な構成で容易にオンオフ制御をすることが可能となる。なお、この切替操作は、切替スイッチＳＷを使用することなく外部からの正極性のパルス信号（行選択信号及び列選択信号）を入力することでも可能となる。

つぎに、発光素子１を２次元アレー状に配置して表示装置１００として使用する構成について説明する。以下、図４及び図５を参照して表示装置１００を説明する。なお、発光素子１で既に説明した構成は同じ符号を付して説明を基本的に省略する。また、表示装置１００は、本来であれば数十、数百から数百万以上の発光素子１を配列した表示パネル１０１の状態で構成されているが、説明を簡単にするために行列方向に４行４列の発光素子１を配列して、各発光素子１を一画素単位として説明する。

図４に示すように、表示装置１００は、発光素子１を２次元アレー状に配置した表示パネル１０１と、この表示パネル１０１の画素のオンオフを制御して駆動させるパネル駆動回路１１０とを備えている。そして、表示装置１００は、装置外に設けたタイミングコントローラ１２０を介して映像信号に基づいてパネル駆動回路１１０を制御するように構成されている。

図５に示すように、表示パネル１０１は、ベース基材２０上に設けた基板２と、この基板２に設けた第１電極８ａ及び接続電極８ｄと、基板２に設けた第１電極８ａの先端部分が露出するように設けた誘電体層３と、この誘電体層３の上面に設けたｐ型半導体層４と、このｐ型半導体層４に誘電体層３との間となるように設けた第２電極８ｂと、ｐ型半導体層４の上面に設けた半導体発光層５と、この半導体発光層５の上面に設けたｎ型半導体層６と、このｎ型半導体層６の上面で第１電極８ａに対向する位置に設けた構造物７と、ｎ型半導体層６の側面あるいは上面（図面では上面）に設けた第３電極８ｃと、を備えている。

また、表示装置１００は、図１で示した切替スイッチＳＷの代わりにタイミングコントローラ１２０からパネル駆動回路１１０を介して正極性のパルス信号を入力することで発光素子１の第１電極８ａと第２電極８ｂの一方又は両方に信号を送り、一つ一つの発光素子１の発光及び非発光を制御することで１画素の単位で駆動させるように構成されている。
図４に示すように、表示装置１００では、第１電極８ａが、構造物７ごとに基板２に設けて複数設置されている。この第１電極８ａは、行方向（あるいは列方向）の一列（あるいは一行）ごとに接続電極８ｄに接続して外部配線（図示せず）に接続できるように整列して設置されている。

第２電極８ｂは、第１電極８ａに対して離間した位置で、接続電極８ｄとは直交する方向に配置され、その電極一端側をパネル駆動回路１１０の外部配線（図３参照）に接続できるようにｐ型半導体層４に設けられている。この第２電極８ｂは、ｐ型半導体層４を形成した後に、誘電体層３と接触するｐ型半導体層４の表面に設けられている。

第３電極８ｃは、ｎ型半導体層６に接触していれば良いが、ここでは、ｎ型半導体層６の上面で、一つ一つの構造物７を囲むように設置され、その電極一端が接地電極Ｇ（図１、図３参照）に接続できるように設けられている。この第３電極８ｃは、例えば、金属層を連続的に積層することで形成されている。なお、図５では、第３電極８ｃは、構造物７を囲むようにｎ型半導体層６の上面に設けられている。

また、表示装置１００の表示パネル１０１において、構造物７は、光の出射方向を予め設定された方向に向けるように形成されＩＰ立体ディスプレイとして機能する（図１２参照）。表示パネル１０１は、ＩＰ立体ディスプレイの画素に対応した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１２（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立体ディスプレイとしての表示パネル１０１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、半導体柱状部７１，７２の配置が対称になっていても構わない。

また、ＩＰ立体ディスプレイとしての表示パネル１０１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、半導体柱状部７１，７２の配置が対称になっていても構わない。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θ₁＝０度とするために半導体柱状部７１，７２の高さを等しくすべき位置もある。

また、パネル駆動回路１１０は、外部から送られて来る映像信号をタイミングコントローラ１２０から受け取り各発光素子部分を制御する列選択手段としての列ドライバ１０３、及び、行選択手段としての行ドライバ１０４を備えている。なお、このパネル駆動回路１１０は、一般的なＬＥＤ表示パネル等の駆動機構と同等なものを使用することができる。そして、表示装置１００は、パネル駆動回路１１０により、図１で説明した切替スイッチＳＷの切替動作の代わりに正極性のパルス信号（列選択信号及び行選択信号）を発光素子１に送り、表示パネル１０１の発光素子１のオンオフを制御している。

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装置１００は、従来技術においてレンズ板と発光面とを接合させたインテグラルフォトグラフィ装置と同じ働きを有するようになる（図１２参照）。そして表示装置１００においては、立体表示の解像度が、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出射光の成す角θ₂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。

次に、表示装置１００の動作について、図４及び図６を参照して説明する。
表示装置１００では、図４に示すように、列ドライバ１０３及び行ドライバ１０４にタイミングコントローラ１２０から信号が送られることで、発光素子１のオンオフを切り替えて発光素子１を発光及び非発光状態に制御している。図４及び図６に示すように、表示装置１００では、列ドライバ１０３に接続電極８ｄ（第１電極８ａ）が接続され、行ドライバ１０４に第２電極８ｂが接続されているので、タイミングコントローラ１２０からの信号により列ドライバ１０３及び行ドライバ１０４からの正極性の信号（パルス信号）を発光素子１に入力することで、発光及び非発光状態を制御することができる。

表示装置１００は、例えば、タイミングコントローラ１２０に入力された映像信号により、行ドライバ１０４及び列ドライバ１０３に信号を送り、行ドライバ１０４及び列ドライバ１０３から正極性の信号を同時に接続電極８ｄ及び第２電極８ｂに送り、発光素子１を発光させている。また、表示装置１００は、列ドライバ１０３及び行ドライバ１０４の両方からの信号がない状態あるいは一方のみから信号が送られてきても非発光状態なるように動作する。つまり、表示装置１００は、ここでは、行ドライバ１０４及び列ドライバ１０３から正極性の信号が同時に入力されることで、発光素子１が発光するようになっている。なお、表示装置１００では、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、１画素単位や行単位でオンオフの制御ができるため、これらを組合せ、列ドライバの出力に応じたオンオフを、行単位に同じタイミングで制御する、線順次駆動も可能である。

［発光素子の製造方法］
次に、本発明の実施形態に係る表示装置（発光素子）１００の製造方法の一例について、図７から図９を参照しながら説明する。

まず、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、上部に針状の第１電極８ａが複数設けられた基板（ピン電極アレイ付基板）２を用意し、当該基板２の第１電極８ａの行または列ごとのいずれか一方から各列または各行に配列する第１電極８ａに接続するように接続電極８ｄを設ける。図７（ｃ）に示すように、第１電極８ａの先端が露出するように樹脂６０を充填して誘電体層３を形成する。次に、図７（ｄ）及び図８（ａ）に示すように、低温バッファ層ＴＢを介して発光素子層（ｐ型半導体層４、半導体発光層５、ｎ型半導体層６）ＨＳ及び第２電極８ｂが形成されたサファイア基板ＳＫを用意し、発光素子層ＨＳ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ＨＳは、具体的には図１に示したｎ型半導体層６、半導体発光層５およびｐ型半導体層４からなる層のことである。この発光素子層ＨＳ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６およびｐ型半導体層４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５を形成することで作成することができる。

次に、図８（ｂ）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ＳＫおよび低温バッファ層ＴＢを発光素子層ＨＳから剥離する。次に、図９（ａ）に示すように、集束イオンビーム（ＦＩＢ）等を用いて、ｎ型半導体層６ａをエッチングし、ｎ型半導体層６および構造物７である半導体柱状部７１、７２を形成する。そして、図９（ｂ）に示すように、発光点、すなわち発光素子層ＨＳの上部に形成される構造物７以外の位置に第３電極８ｃを形成することで表示パネル１０１が形成される。そして、列ドライバ１０３と接続電極８ｄとを接続すると共に、行ドライバ１０４と第２電極８ｂとを接続することで表示装置１００を形成している。

なお、図１に示す発光素子１を作製するときには、ダイシングにより発光素子１の境界に沿って切断することで、図１に示す発光素子１を作成することができる。また、図９（ｂ）に示すように、半導体柱状部７１と半導体柱状部７２の高さを変える場合は、図９（ａ）の工程において、半導体柱状部７２のみをさらにエッチングすればよい。

また、第１電極８ａを形成する場合には、基板２にスルーホールを形成し、そのスルーホールから突出した状態としてもよく、あるいは、基板２に設けたスルーホールに低融点金属あるいは導電性樹脂などの導電性材料をスルーホールからはみ出すように充填し、スルーホールからはみ出した導電性材料を、金型を用いて円柱、円錐台等の形状にして第１電極８ａとしても構わない。

さらに、発光素子１及び表示装置１００では、構造物７の形状を柱状として説明したが、図１０あるいは図１１に示すような構成としても構わない。なお、図１０、図１１において、すでに説明した同じ符号は同じ構成を示し、説明を省略する。
図１０に示すように、発光素子１Ａは、凹部である円形の凹孔１６,１７,１８を予め設定した中心Ｍから同距離に３箇所、４箇所、５箇所あるいは６箇所（図面では３箇所で説明）設け、各凹孔１６,１７,１８までの距離を等間隔、中心Ｍから等角度で形成する構成にしても構わない。発光素子１Ａは、ｎ型半導体層６の表面に金属層１３を備え、金属層１３及びｎ型半導体層６に凹孔１６、１７,１８を形成している。発光素子１Ａに凹孔１６,１７,１８を形成する場合には、凹孔１８の孔深さを変えることで、光の出射方向を制御することが可能となる。

なお、図１０において、βは中心Ｍに対する凹孔１６，１７,１８の中心の角度を示し、φは凹孔１６、１７,１８の半径、ｐは凹孔１６,１７,１８の間隔であり発光素子１Ａの発光の可干渉長以下であることが好ましい。光の可干渉長は、光源の発光スペクトルの半値幅と、中心波長とに依存する。光源がＬＥＤの場合には、例えば、１０〜数十μｍ程度の長さとなる。発光素子１Ａは、凹孔１６,１７の孔深さをＤとしたときに、凹孔１８の孔深さをＤ−δとして、３箇所の場合は１箇所がより浅くなるようにしている。孔深さの差δは、出射光の波長λの半分の長さ以下であることとしている。

凹孔１６，１７，１８は、発光素子１Ａから放出される光の波長λ程度以上の径を有する。ここで、波長λは、自由空間における出射光の波長を示す。図１０では、一例として孔の形状を円形で示した。各孔の太さは等しいものとした（半径φ）。凹孔１６，１７，１８は、図１０に示すように、光取り出し面において、所定の原点の周囲に均等な角度β（この場合、β＝１２０度）の方位に、互いに間隔ｐだけ離間して配置されている。

この例では、所定の原点とは、素子上面において３つの凹孔１６，１７，１８により環状に取り囲まれた所定領域に位置する点である。また、この原点は、図１０（ａ）に示すように、凹孔１６の中心Ｏ₃と、凹孔１７の中心Ｏ₂と、凹孔１８の中心Ｏ₁とから等距離にある点であり、中心Ｏ₁，Ｏ₂，Ｏ₃を頂点とする正三角形の重心（原点Ｍと表記する）のことである。ここで、３つの凹孔１６，１７，１８は、円環状かつ均等に配置されることが好ましい。なお、各孔により取り囲まれた所定領域の形状やサイズは、孔の径とバランスを取りながら所望のものとして適宜設計できる。例えば孔の径が、発光波長の数波長程度分であれば、所定領域のサイズは、数分の１波長〜数波長程度とすることができる。

凹孔１６，１７，１８は、金属層１３の厚みよりも深く、かつ、金属層１３とｎ型半導体層６とを合わせた厚みよりも浅く形成されている。ここで、３つの孔のうち２つの凹孔１６，１７の深さを、それぞれ基準となる深さＤとする。そして、凹孔１８と他の凹孔１６，１７との深さの差をδとすると、凹孔１８の深さは（Ｄ−δ）となる（図１０（ｃ）参照）。本実施形態の発光素子１Ａでは、後記する実験結果に基づいて、孔の深さの差δは、出射光の波長λの半分の長さ以下であることとした。凹孔１８は他の孔とは異なるように深さが調整されたので、以下では、制御孔１８と呼称する場合もある。

ここで、素子表面上での孔の間隔ｐ（図１０（ａ）参照）は、隣り合った孔からの光が干渉できる程度の長さに予め設定されている。つまり、孔の間隔ｐは、発光素子の可干渉長以下であることが好ましい。なお、第１電極８ａは、ここでは、発光層５の広い範囲から凹孔１６〜１８を介して光を照射できる大きさに形成されている。

［発光素子の設計の具体例］
発光素子１Ａは、例えばＧａＮにＩｎを添加したＬＥＤであるものとし、発光スペクトルの中心波長（波長λ）は４７０ｎｍであるものとした。
発光素子１Ａのｎ型半導体層６（図１０参照）の厚さを約２５０ｎｍとした。
金属層１３（図１０参照）は、厚さ２００ｎｍのＭｏの金属薄膜とした。
孔の間隔ｐ（図１０参照）は、出射光の自由空間での１波長に相当する４７０ｎｍとした。孔の半径φ（図１０参照）は、出射光の自由空間での１波長に相当する４７０ｎｍとした。凹孔１６，１７の深さＤは、発光スペクトルの中心波長４７０ｎｍの半分である２３５ｎｍより充分大きな深さの一例として３８８ｎｍを選んだ。
制御孔１８の深さ（Ｄ−δ）は、３８８ｎｍからδ［ｎｍ］を減じた深さとして、δの値を変化させることで、光線方向が制御されることを確かめた。

図１０（ａ）のＡ−Ａ線矢視における断面図を図１０（ｂ）に示し、図１０（ａ）のＢ−Ｂ線矢視における断面図を図１０（ｃ）に示す。ここで、図１０（ｃ）は、制御孔１８の深さ（Ｄ−δ）の一例としてδ＝０．４×（λ／２）の場合を図示したものである。

発光素子１Ａにおいて制御孔１８の深さ（Ｄ−δ）を変化させた場合に、図１０（ａ）のＣ−Ｃ線矢視における断面図の具体例を示すと次のようになる。すなわち、凹孔１６，１７の深さＤと、制御孔１８の深さ（Ｄ−δ）とにおいて、深さの差が半波長の０．２倍のとき、すなわち、δ＝０．２×（λ／２）の場合や、あるいは、深さの差が半波長の０．４倍のとき、すなわち、δ＝０．４×（λ／２）の場合であっても構わない。なお、図１０（ｅ）に示すように、δ＝０．４×（λ／２）の場合は、傾斜角度がθ＝６度として光を出射することができる。

［発光素子の孔から出射される光の干渉の原理］
以下、発光素子１Ａの凹孔１６，１７，１８から出射される光の干渉について図１０（ｄ）を参照しつつ下記の数式を適宜用いて説明する。図１０（ｄ）および下記数式を用いる説明では、簡便のため、深さの異なる２つの凹孔１７，１８だけが形成されたＬＥＤの発光素子を想定する。

図１０（ｄ）の発光素子１Ａは、発光素子１と同様に、基板２と、誘電体層３と、ｐ型半導体層４と、半導体発光層５と、ｎ型半導体層６と、金属層１３とを備える。また、素子の最表面を基準の位置とすると、凹孔１７の深さがＤであり、凹孔１８の深さが（Ｄ−δ）である。ここで、説明のため、基準とする位置を変更する。すなわち、半導体発光層５の上面の位置を基準の高度ｈ₀とする。また、凹孔１７の底面の位置を高度ｈ₁とし、凹孔１８の底面の位置を高度ｈ₂とする。つまり、ｈ₂−ｈ₁＝δの関係がある。２つの凹孔１７，１８の間隔をｐとする（図２参照）。２つの凹孔１７，１８の中心軸から等距離に位置する鉛直中心軸上の所定地点Ｃを高度ｈ₃とする。

図１０（ｄ）の発光素子において、半導体発光層５からの光は、素子最表面の金属層１３に遮蔽されるため、浅い凹孔１８と深い凹孔１７とに分岐して射出される。浅い凹孔１８を通る場合に、１つの光路（以下、光路Ａという）として、ｎ型半導体層６中の点Ａ１と凹孔１８の底面の中心点Ａ２とを経由して地点Ｃに達する光路を想定する。また、深い凹孔１７を通る場合に、１つの光路（以下、光路Ｂという）として、凹孔１７の底面の中心点Ｂ１と、点Ｂ１からδだけ高い位置の点Ｂ２とを経由して地点Ｃに達する光路を想定する。

光路Ａを通る光と光路Ｂを通る光とは、高度ｈ₁までは同じ媒質（ｎ型半導体層６）を同じ距離だけ進むので同位相のままである。このときの位相を初期位相θ₀とすると、光路Ａでは点Ａ１において位相はθ₀であり、光路Ｂでは点Ｂ１において位相はθ₀である。

これら光路Ａを通る光と光路Ｂを通る光とは、高度ｈ₁から高度ｈ₂まで異なる媒質を進む。このとき、光路Ａでは媒質はｎ型半導体層６であり、光路Ｂでは媒質は空気である。一般に、半導体の誘電率は真空中（空気中）より高いため、半導体中を伝搬する際の光の速度は、空気中を伝搬する速度に比べて遅くなる。具体的には、大気中または真空中の光の速度をｃ、半導体の屈折率をｎとすると、半導体中の速度は、ｃ／ｎで与えられる（例えばＧａＮであれば例えばｎ＝２.６）。このため、半導体素子中で発生した光を２つに分岐して、一方をそのまま大気中（もしくは真空中）に射出し、かつ、もう一方を半導体中で伝搬させてから射出した場合、それら２つの光が射出された後に出会うと、光路が異なるため、光の位相は異なるようになる。したがって、図１０（ｄ）の発光素子からの光の自由空間中の波長をλとし、光路Ａでは高度ｈ₁から高度ｈ₂までの区間の半導体中で位相がαだけ進むとすると、光路Ａでは点Ａ２において位相は下記式（１０）で表される。

また、光路Ｂでは高度ｈ₁から高度ｈ₂までの自由空間中で位相がβだけ進むとすると、光路Ｂでは点Ｂ２において位相は下記式（１１）で表される。

さらに高度ｈ₂から高度ｈ₃まで自由空間なので、光路Ａを通る光と光路Ｂを通る光とは同じ媒質（自由空間）を進む。また、このとき、光路Ａの点Ａ２から点Ｃまでの距離と、光路Ｂの点Ｂ２から点Ｃまでの距離とは同じである。したがって、光路Ａを通る光の点Ａ２における位相と、光路Ｂを通る光の点Ｂ２における位相との差は、点Ｃにおいても保存されることとなる。この位相差Ψは式（１２）で表される。すなわち、凹孔１７と凹孔１８との深さの差δによって光路Ａと光路Ｂとの位相差Ψを制御することができる。式（１２）を変形すると、深さの差δは、式（１３）で表される。

そして、凹孔１７を通る光は、凹孔１８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、凹孔１７，１８から放出される光の波面は互いに干渉し、これら２つの凹孔１７，１８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（方向）に、光が射出されることになる。

続いて、３次元空間の位置ｒ₁にある波源としての凹孔１７と、３次元空間の位置ｒ₂にある波源としての凹孔１８から射出された光の干渉について説明する。
位置ｒ₁にある波源と、位置ｒ₂にある波源とからそれぞれ射出された光によって、３次元空間の位置ｒに時刻ｔにおいて合成される光の強度Ｉ（ｒ）は、次の式（１４）で与えられる。

式（１４）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５から射出された光が、２つの波源からそれぞれ射出された後に重畳されて、波面を変えて波の進行方向を変えることが可能となる。式（１４）では、式（１５）のγの実部を利用する。式（１５）のＥ^*は、Ｅの複素共役であることを示す。γは、式（１５）で示すように、０から１までの値をとり、２つの波源から射出された光が時間的・空間的にどのくらい相関を持っているのかを示している。よって、γは、次の式（１６）〜式（１８）のように場合分けすることができる。

式（１６）の場合を完全コヒーレント、式（１７）の場合をインコヒーレント、式（１８）の場合を部分的なコヒーレントと呼ぶ。ここでは、発光素子として、ＬＥＤの光源を使用しているため、部分的なコヒーレントになっている。したがって、図１０（ｄ）の発光素子においては、光の強度において、前記式（１４）の第３項の寄与が大きいため、光の進行方向を大きく曲げられる。

図１０（ｄ）では、簡単のため、深さの異なる２つの孔から出射される光の干渉による光線の方向について説明した。波源としての孔が３つある場合についても、前記式（１４）を拡張することが可能である。例えば、第１の孔と第２の孔との組み合わせを２つの波源として前記式（１４）を適用し、第２の孔と第３の孔との組み合わせを２つの波源として前記式（１４）を適用し、第３の孔と第１の孔との組み合わせを２つの波源として前記式（１４）を適用し、これら３つの組み合わせを加算することで、波源としての孔が３つある場合についての関係式を求めることができる。

このような発光素子１Ａでは、垂直な出射光に対して１０度傾斜した出射光を出力することが可能となる。したがって、発光素子１Ａを図１２のように２次元アレー状に配列して制御することで、図１２で示す構成と同様に要素レンズを使用することなくＩＰ方式の映像を表示することが可能となる。

次に、図１１に示すように、発光素子１Ｂは、素子表面６３に構造物２７を備えることとしてもよい。発光素子１Ｂは、ｎ型半導体層６の上面に凸部として、先端に向かって階段面が小さくなるように階段状に設けた階段状柱体である構造物２７を備え、この構造物２７は、光出射方向とは反対の柱体の体積を減じて形成された構成としても構わない。
構造物２７は、図１１に示すように、先端の先端段部２３と、この先端段部２３よりも広く形成された基端段部２４とを備える。
先端段部２３は、一例として円柱を基にした形状となっている。この円柱の中心軸は、図１１（ａ）の原点Ｏを通り、Ｚ軸（図１１（ｂ）参照）に一致している。
基端段部２４をＸＹ平面に投影したときに生じる図形は、図１１（ａ）に示すように円が歪んだ形状となっている。図１１（ａ）において、１１は基端段部２４の左領域の投影形状を示し、２１は基端段部２４の右領域の投影形状を示す。
図１１（ｂ）に示すようにＺＸ平面において、基端段部２４はＺ軸を中心として非対称になっている。図１１（ｂ）において、１２は基端段部２４の左領域のＺＸ平面における断面形状を示し、２２は基端段部２４の右領域のＺＸ平面における断面形状を示す。

階段状柱体である構造物２７は、ｎ型半導体層６とは別部材、例えば、ＳｉＯ₂で形成され、中心軸線から左右あるいは前後に区画したときに、その左右対称位置あるいは前後対称位置となる２区画において一方の区画された領域の体積が他方の区画された領域の体積よりも小さく形成されている部分を有している。そして、この構造物２７は、先端段部が先端側に延びる中心軸線に直交する断面の外径の最大値が発光波長以上、出射光の可干渉長の２倍以下に形成されている。なお、構造物２７は、その屈折率ｎαがｎ型半導体層６の屈折率ｎβよりも小さいものであれば、ＳｉＯ₂に限定されるものではない。

構造物２７の中心を通る光は、周縁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、構造物２７の中心及び周縁から放出される光の波面は互いに干渉し、これら２つの導波路の長さが異なる相対的な位置（３次元空間の位置）によって決定される方位（方向）に、光が射出されることになる。
つまり、発光素子１Ｂでは、構造物２７の中心を通る光の導波路が体積が少ない周縁を通る光の導波路よりも長いので、図１１（ｃ）に示すように、体積の大きい方に光が干渉して傾斜することで、特定の出射方向に光７０４を向けることが可能となる。

以上のように、表示装置１００あるいは発光素子１，１Ａ，１Ｂの構成について説明したが、例えば、構造物７，１７，２７は、他の形状であってもよく、また、透明誘電体層（図示せず）をｎ型半導体層６上に形成して、その透明誘導体層を加工して柱状部（７１，７２）としても構わない。このような透明誘電体層に柱状部を形成する構成とすることで、誘電体柱状部分をエッチングする際に、透明誘電体層を残すようにエッチングを行うため、発光素子層ＨＳへの物理的・化学的ダメージを軽減することができる。

また、発光素子１，１Ａ，１Ｂとしてｎ型とｐ型の薄膜からなる窒化ガリウム（ＧａＮ）を取り上げて説明したが（ＧａＮは電子親和力が２．９ｅＶ、エネルギーギャップ３．４ｅＶよりp層の障壁が６．３ｅＶとなる）、第1電極８ａよりもｐ型半導体層４との接触抵抗が大きな第２電極８ｂは、これより仕事関数の大きな材料を選べば、第１電極８ａよりも高抵抗なショットキー接触となるので、例えば、窒化バナジウムや窒化チタンなどの化合物を使用して、正孔回収用電極としての動作が可能である。

さらに、発光素子１，１Ａ，１Ｂは、前記したように、要素レンズの代わりにベース基材２０上に多数並べることでＩＰ立体ディスプレイとしての表示装置１００を提供することが可能であるが、その際に発光素子１自体をベース基材２０に対して傾斜させて配置することで、光線の出射角θ₂をより広範囲に制御することができる。

構造物７，１７では、光が干渉可能な範囲内に環状に配置され、そのＮ本の柱状部あるいはＮ個の凹孔の内、少なくとも一本の柱の高さあるいは一つの凹孔の深さが他とは異なるように形成されている構成で、その光照射面の高低差により位相差が設けられ、その位相差に応じた方向に光を合成した光線として出射するものであれば構わない。

また、表示装置１００は、ある一定の画素単位でオンオフ制御ができるため、例えば、光の三原色を示す赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を各発光素子１，１Ａ，１Ｂに振り分けて構成することもできる。そして、表示装置１００は、カラー表示する場合、３つの発光素子１，１Ａ，１ＢをＧＲＢとすることや、あるいは、２行２列の４つの発光素子１をＧＢＲＧとする画素で示すように構成することもできる。
さらに、発光素子１，１Ａ，１Ｂ及び表示装置１００において、第１電極８ａは、図１及び図１０に示すように、その大きさや形状は特に限定されるものではない。また、第１電極８ａは、図１０では、図１の構成と比較してｐ型半導体層４との接触面積を大きくして設置した例を示したが、図１０における各孔（あるいは柱）に対応する数で図１に示すような小さな構成の第１電極８ａを複数設置する（凹孔の数が３なら３つ、６なら６つ等）構成としても構わない。つまり、第１電極８ａ、第２電極８ｂ及び第３電極８ｃが設置されている構成であれば、各電極の形状や設置位置、各電極の数等につては特に限定されるものではない。

１ 発光素子
２ 基板
３ 誘電体層
４ ｐ型半導体層（第１半導体層）
５ 半導体発光層
６ ｎ型半導体層（第２半導体層）
７ 構造物
１００ 表示装置
１０１ 表示パネル
１０３ 列ドライバ（列選択手段）
１０４ 行ドライバ（行選択手段）
１１０ 駆動回路

Claims (5)

1. 第１半導体層と、半導体発光層と、前記第１半導体層のキャリア移動度より大きいキャリア移動度の第２半導体層とがこの順で積層され前記第２半導体層の平坦な表面に形成した構造物の放射面から光を放射する発光素子であって、
   前記第１半導体層の一部に先端が部分的に接続して前記構造物に対向して設けた第１電極と、前記第１半導体層に接続され前記第１電極と離間して設けた第２電極と、前記第２半導体層に接続して前記構造物を囲むように設けた第３電極とを備え、
   前記第１半導体層と前記第２電極との接触抵抗が、前記第１半導体層と前記第１電極との接触抵抗よりも大きくなるように形成され、
   前記構造物は、第２半導体層の平坦な表面において、当該表面に深さの異なる複数の凹部又は当該表面に高さの異なる複数の凸部となるように設けられたことを特徴とする発光素子。
2. 前記第３電極が負極に接続された状態で、
   前記第１電極及び前記第２電極に正極性の信号が入力され前記第１電極の電位と前記第２電極の電位とが等しいときに前記放射面から光を放射し、
   前記第２電極に正極性の信号が入力されず前記第１電極の電位が前記第２電極の電位よりも大きいときは前記放射面から光を放射しないことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記構造物は、平坦な表面において予め設定された位置に対して等距離で、かつ、前記位置を中心として周方向に等間隔に設置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。
4. 前記第２半導体層の平坦な表面において、前記第１電極に対向する位置に凸部が設置された場合、当該凸部は、先端に向かって階段面が小さくなるように階段状に形成された柱体であり、前記平坦な表面の垂線に対して予め設定された傾斜する光出射方向とは反対の前記柱体の体積を減じて形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
5. 複数本の行配線と複数本の列配線の交差部に、それぞれ請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発光素子を配置した表示パネルと、この表示パネルを駆動する駆動回路とを備え、前記行配線が前記発光素子の第２電極に接続され、前記列配線が前記発光素子の第１電極に接続される表示装置であって、
   前記駆動回路は、前記複数の列配線に対し、画像信号に基づく正極性の駆動信号を列単体で入力する列選択手段と、
   前記複数の行配線に対し、走査信号に基づく正極性の行選択信号を入力する行選択手段と、を備えることを特徴とする表示装置。

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