JP6397298B2 - Light emitting element - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子に係り、特に、立体映像表示装置に用いることができる発光素子に関する。   The present invention relates to a light emitting element, and more particularly to a light emitting element that can be used in a stereoscopic image display apparatus.

近年、発光素子単体で光線の成形と方向制御を可能とする簡易な素子構造が提案されている（特許文献１参照）。
図６に示すように、このような発光素子（光線指向型発光素子）１１０は、基板１１３とｎ型半導体層１１４と発光層１１５とｐ型半導体層１１６とが順に積層され、ｐ型半導体層１１６の上に複数（図６では３つ）の光線指向制御部（半導体柱状部）１１１，１２１，１１２が形成されている。この発光素子１１０において、光線指向制御部１２１，１１２の高さが、光線指向制御部１１１の高さと異なるように形成されており、さらに、光線指向制御部１２１，１１２の高さが光線指向制御部１１１の高さよりも高くなるように形成されている。 In recent years, a simple element structure that enables light beam shaping and direction control with a single light emitting element has been proposed (see Patent Document 1).
As shown in FIG. 6, such a light emitting device (light-oriented light emitting device) 110 includes a substrate 113, an n-type semiconductor layer 114, a light-emitting layer 115, and a p-type semiconductor layer 116, which are sequentially stacked. A plurality (three in FIG. 6) of light beam directing control sections (semiconductor columnar sections) 111, 121, and 112 are formed on 116. In the light emitting element 110, the height of the light beam direction control units 121 and 112 is formed to be different from the height of the light beam direction control unit 111, and the height of the light beam direction control units 121 and 112 is further controlled by the light beam direction control. It is formed to be higher than the height of the portion 111.

このような構成を備える発光素子１１０は、発光層１１５によって、ｎ型半導体層１１４とｐ型半導体層１１６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。そして、発光素子１１０は、ｐ型半導体層１１６および光線指向制御部１１１，１２１，１１２内を伝搬して柱頭の射出面１１１ａ，１２１ａ、１１２ａから放射された光が相互に干渉することで、光線を成形する。このとき、高さの低い光線指向制御部１１１内を伝搬する光が、高さの高い光線指向制御部１２１，１１２内を伝搬する光よりも柱頭の射出面に早く到達する。円柱内の屈折率は、空気中より大きく、光の伝搬速度は、空気中の方が円柱中より早く進む。そのため、発光素子１１０は、高さの異なる光線指向制御部１１１と光線指向制御部１２１，１１２との間に位相差を設けることができ、当該位相差に応じた方向に光線を放射することができる。具体的には、図６に示すように、発光素子１１０は、光線指向制御部１１１，１２１，１１２により、素子表面の中心Ｏを通る法線Ｍに対し光線指向制御部１２１，１１２側に傾斜した光線を射出することができる。   In the light emitting element 110 having such a structure, the light emitting layer 115 emits energy generated by recombination of electrons and holes injected from the n-type semiconductor layer 114 and the p-type semiconductor layer 116 as light. The light emitting element 110 propagates in the p-type semiconductor layer 116 and the light beam directing control units 111, 121, and 112, and the light emitted from the exit surfaces 111a, 121a, and 112a of the stigma interferes with each other. Is molded. At this time, the light propagating through the light beam directing control unit 111 having a low height reaches the exit surface of the stigma earlier than the light propagating through the light beam directing control units 121 and 112 having a high height. The refractive index in the cylinder is larger than that in the air, and the propagation speed of light travels faster in the air than in the cylinder. Therefore, the light emitting element 110 can provide a phase difference between the light beam directing control unit 111 and the light beam directing control units 121 and 112 having different heights, and can emit light in a direction according to the phase difference. it can. Specifically, as shown in FIG. 6, the light emitting element 110 is tilted toward the light beam directing control units 121 and 112 with respect to the normal M passing through the center O of the element surface by the light beam directing control units 111, 121, and 112. Can be emitted.

特開２０１３−４４９００号公報JP2013-44900A

図６に示した発光素子１１０の発光層１１５で発光を生じさせるためには、発光素子を作製した後に、ｐ型半導体層１１６用の電極（ｐ型電極）とｎ型半導体層１１４用の電極（ｎ型電極）とに分離した微細な電極を形成し、それぞれの電極から外部電源への外部配線が必要となる。そして、発光素子１１０は、発光層１１５を発光させるためのｐ型電極とｎ型電極とが、例えば一般的なＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子と同様に、ｐ型半導体層１１６とｎ型半導体層１１４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られている。このｐ型電極とｎ型電極とは、仕事関数が異なる金属材料により形成しなければならないため製造工数が増えてしまう。また、発光素子は微細な構造物であるため、電極の正確な位置合わせには手間と時間を要してしまう。   In order to generate light emission in the light-emitting layer 115 of the light-emitting element 110 illustrated in FIG. 6, an electrode for the p-type semiconductor layer 116 (p-type electrode) and an electrode for the n-type semiconductor layer 114 are formed after the light-emitting element is manufactured. Fine electrodes separated into (n-type electrodes) are formed, and external wiring from each electrode to an external power supply is required. In the light emitting element 110, a p-type electrode and an n-type electrode for causing the light-emitting layer 115 to emit light have a p-type semiconductor layer 116 and an n-type semiconductor layer, for example, like a general LED (Light Emitting Diode) element. 114 is provided so as to form an ohmic contact in a portion drawn from the step. Since the p-type electrode and the n-type electrode must be formed of metal materials having different work functions, the number of manufacturing steps increases. Further, since the light emitting element is a fine structure, it takes time and effort to accurately position the electrodes.

そして、このように光線指向制御部１１１，１２１，１１２が形成された素子表面に電極が形成されることで、電極領域や大きさ、さらには外部配線の形状等により光の干渉の状態が変化し光線の指向特性や形状（太さ）に影響を与えてしまう場合があった。そのため、光線指向制御部１１１，１２１，１１２の構造のみによって、光線の指向特性や形状を制御することが困難であった。   In addition, by forming electrodes on the element surface on which the light beam directing control units 111, 121, and 112 are formed in this way, the state of light interference changes depending on the electrode region and size, and the shape of the external wiring. However, the directivity and shape (thickness) of the light beam may be affected. For this reason, it is difficult to control the directivity characteristics and shape of the light beam only by the structure of the light beam directivity control units 111, 121, and 112.

さらに、図６に示すような素子表面に光線指向制御部１１１，１２１，１１２を備える発光素子１１０の場合、発光層１１５における発光領域（言い換えれば、素子表面からの放射光の射出領域）を精密に設計する必要がある。つまり、このような発光素子１１０においては、光線指向制御部１１１，１２１，１１２の先端の射出面１１１ａ，１２１ａ、１１２ａから射出された放射光の相互の干渉によって光線方向を制御している。そのため、発光素子１１０の素子表面における、光線指向制御部１１１，１２１，１１２の先端の射出面１１１ａ，１２１ａ，１１２ａ以外から放射光が射出されると、光線の成形に寄与しない背景雑音（妨害光）となってしまう。このような妨害光は、光線指向制御部１１１，１２１，１１２の先端の射出面１１１ａ，１２１ａ，１１２ａから射出された放射光の相互の干渉性を低下させるおそれがあり、当該発光素子１１０を画素として適用したディスプレイにおいては、表示画像のコントラストを低下させるおそれがある。   Further, in the case of the light emitting element 110 having the light beam directing control units 111, 121, and 112 on the element surface as shown in FIG. 6, the light emitting area in the light emitting layer 115 (in other words, the emission area of the emitted light from the element surface) is precisely set. It is necessary to design to. That is, in such a light emitting element 110, the light beam direction is controlled by the mutual interference of the emitted light emitted from the emission surfaces 111a, 121a, 112a at the tips of the light beam directing control units 111, 121, 112. Therefore, when radiated light is emitted from other than the emission surfaces 111a, 121a, 112a at the tips of the light beam directing control units 111, 121, 112 on the element surface of the light emitting device 110, background noise (interfering light) that does not contribute to the shaping of the light beam. ). Such interference light may reduce the mutual coherence of the radiated light emitted from the emission surfaces 111a, 121a, 112a at the tips of the light beam directing control units 111, 121, 112, and the light emitting element 110 is replaced with a pixel. In the display applied as, there is a possibility that the contrast of the display image is lowered.

このような妨害光の発生を抑制するために、例えば、光線指向制御部１１１，１２１，１１２およびその周辺領域以外の素子表面を覆うようにｐ型電極を設けたり、または、発光層１１５を光線指向制御部１１１，１２１，１１２の直下の一部領域に限定して形成したりすることが提案されている。しかしながら、このような構造とすると、製造工程が複雑となってしまう。   In order to suppress the occurrence of such interference light, for example, a p-type electrode is provided so as to cover the element surface other than the light beam directing control units 111, 121, and 112 and its peripheral region, or the light emitting layer 115 is made to emit light. It has been proposed that the directivity control units 111, 121, and 112 be formed only in a partial region immediately below the directivity control units 111, 121, and 112. However, such a structure complicates the manufacturing process.

以上説明したように、円柱構造物を備える発光素子では、他のＬＥＤ素子と同様の電極形成のための製造工程上の問題だけではなく、ＬＥＤ素子に微細な円柱構造物（光線指向制御部１１１，１２１，１１２）を形成することに伴う特有の問題としての発光領域を限定させる必要性の問題がある。
つまり、従来のＬＥＤの構造を踏襲した場合は、一般的にサファイアなどの基板１１３上にＧａＮのｎ型半導体層１１４を形成し、さらに上方にｐ型半導体層１１６を設けている。ところが、ＬＥＤ素子の表面に円柱構造物を形成して、円柱の先端（柱頭）の射出面（１１１ａ，１２１ａ、１１２ａ）から射出される光の干渉効果を利用した光線形成を行うためには、円柱構造物の直下に発光領域を限定させることが不可欠となる。その際、ＧａＮのｐ型半導体のホールの移動度は、ｎ型半導体の電子に比べて格段に小さいため、発光領域のごく近傍にｐ型電極を形成する必要がある。しかし、ＬＥＤ素子の表面に円柱構造物があった場合には、その円柱構造物をｐ型半導体で形成し、さらに円柱構造物の直下のみを発光させるために、円柱構造物のトップ（ここでは射出面１１２ａ，１２１ａ，１１１ａ）に透明のｐ型電極を形成することになる。その際、ｐ型電極形成のための微細製造プロセスが難しいことに加えて、ｐ型電極を透明化させること、さらにはｐ型電極への外部からの配線が難しいという問題が生じる。 As described above, in the light emitting device including the columnar structure, not only the problem in the manufacturing process for forming the electrode similar to the other LED elements, but also the minute columnar structure (light beam directing control unit 111) in the LED element. , 121, 112), there is a problem of necessity to limit the light emitting region as a specific problem.
That is, in the case of following the structure of a conventional LED, generally, a GaN n-type semiconductor layer 114 is formed on a substrate 113 such as sapphire, and a p-type semiconductor layer 116 is further provided thereon. However, in order to form a cylindrical structure on the surface of the LED element and perform light beam formation using the interference effect of the light emitted from the emission surface (111a, 121a, 112a) of the tip (pillar) of the cylinder, It is indispensable to limit the light emitting region directly below the cylindrical structure. At that time, since the mobility of holes in the p-type semiconductor of GaN is much smaller than that of electrons in the n-type semiconductor, it is necessary to form a p-type electrode in the very vicinity of the light emitting region. However, if there is a cylindrical structure on the surface of the LED element, the cylindrical structure is formed of a p-type semiconductor, and in order to emit light just below the cylindrical structure, the top of the cylindrical structure (here, A transparent p-type electrode is formed on the emission surfaces 112a, 121a, 111a). At that time, in addition to the difficulty of the fine manufacturing process for forming the p-type electrode, there arises a problem that the p-type electrode is made transparent, and further, wiring from the outside to the p-type electrode is difficult.

一方、ＬＥＤ素子表面に形成した円柱構造物の直上部分へのｐ型電極形成を行わずに、円柱構造物の周辺部分にｐ型電極を形成した場合には、円柱構造物以外の周辺部分からの発光が生じてしまうため、円柱構造物の直下に限定した発光領域の形成は難しくなる。円柱構造物直下以外の領域が発光した場合には、円柱構造物直下以外での発光領域の発光成分が光線形成に加わるようになるため、光線の明瞭性や偏向性が悪化してしまうという問題がある。   On the other hand, when the p-type electrode is formed on the peripheral portion of the cylindrical structure without forming the p-type electrode on the portion directly above the cylindrical structure formed on the surface of the LED element, the peripheral portion other than the cylindrical structure is Therefore, it is difficult to form a light emitting region limited to the portion immediately below the cylindrical structure. When light is emitted from a region other than directly under the cylindrical structure, the light emission component in the light emitting region other than directly under the cylindrical structure is added to the light beam formation, so that the clarity and deflection of the light beam deteriorate. There is.

一方、通常のＬＥＤの構造とｐ型領域とｎ型領域を反転させた構造として、ｐ型領域の上方にｎ型領域を形成し、円柱構造物をｎ型半導体によって形成する方法も考えられる。この方法では、ｎ型電極を複数の円柱構造物用の共通電極として使用することができるため、円柱構造物側への外部からの電極配線は共通化されてデバイス形成は容易化されるものの、発光領域を円柱構造物の直下に限定させるために新たに基板剥離による反転構造の製造プロセスが加わるという問題がある。さらに、ｐ型半導体領域の下方に、発光領域を円柱構造物直下の領域に限定させるために、円柱構造物の直下に微細なｐ型電極の形成が不可欠となる。   On the other hand, as a structure in which a normal LED structure, a p-type region, and an n-type region are inverted, an n-type region is formed above the p-type region, and a cylindrical structure is formed of an n-type semiconductor. In this method, since the n-type electrode can be used as a common electrode for a plurality of cylindrical structures, electrode wiring from the outside to the cylindrical structure side is shared, and device formation is facilitated. In order to limit the light emitting region to a position directly below the cylindrical structure, there is a problem in that a process for manufacturing an inverted structure by removing the substrate is newly added. Furthermore, in order to limit the light emitting region to the region directly below the cylindrical structure below the p-type semiconductor region, it is indispensable to form a fine p-type electrode directly below the cylindrical structure.

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、素子単体で光線の成形と方向制御とが可能な素子構造を有し、電極を形成することなく発光させることができ、かつ、発光領域の設計が容易な発光素子を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and has an element structure capable of forming and controlling the direction of light rays with a single element, and can emit light without forming an electrode. It is another object of the present invention to provide a light-emitting element that can easily design a light-emitting region.

前記課題を解決するために、本発明の発光素子は、基板と、下部半導体層と、励起光によって励起されて発光する活性層と、上部半導体層とが順に積層されるとともに、前記上部半導体層の表面から突出して設けられ、先端の射出面から光を放射する複数の柱状の光線指向制御部とを備える素子部と、前記基板の底面側に前記基板と対向するように配置され、前記励起光を前記基板側から前記活性層に照射する発光部と、を備え、前記素子部の表面に電極を形成しない発光素子において、前記複数の光線指向制御部は、少なくとも１本の光線指向制御部の高さが、その他の光線指向制御部の高さと異なり、前記発光部は、前記素子部の前記活性層における前記複数の光線指向制御部のそれぞれの中心の直下を含む領域に前記活性層の発光波長のエネルギーよりも大きいエネルギーを有する前記励起光を照射する構成を備える。 In order to solve the above problems, a light emitting device according to the present invention includes a substrate, a lower semiconductor layer, an active layer that emits light when excited by excitation light, and an upper semiconductor layer, which are sequentially stacked. And an element part provided with a plurality of columnar light beam directing control parts for emitting light from the emission surface of the tip, and disposed on the bottom side of the substrate so as to face the substrate, and the excitation A light emitting element that irradiates the active layer with light from the substrate side, and the light emitting element that does not form an electrode on the surface of the element part, wherein the plurality of light beam directing control parts include at least one light beam directing control part Is different from the heights of the other light beam directing control units, and the light emitting unit is disposed in a region including a region immediately below the center of each of the plurality of light beam directing control units in the active layer of the element unit. Emission wavelength Comprising a structure that irradiates the excitation light having energy greater than the energy.

かかる構成によれば、発光素子は、発光部により、素子部の活性層における複数の光線指向制御部のそれぞれの中心の直下を含む領域（発光領域）に、活性層の発光波長のエネルギーよりも大きいエネルギーを有する励起光を照射することで、この励起光が基板を透過して下部半導体層、活性層および上部半導体層に入射し、励起光が侵入した部分が励起されて活性層のみが発光する。これによれば、素子表面に電極を形成しなくても、活性層を発光させることができる。また、発光素子は、発光部により、上部半導体層上に一様に設けられた活性層の一部の領域のみを選択的に発光させることができるので、発光領域の設計が容易である。これによれば、活性層で発光した光が、光線指向制御部の射出面以外の素子表面から漏れ出て、光線指向制御部の射出面から放射された光との間で余分な干渉効果を引き起こすのを抑制することができる。   According to such a configuration, the light emitting element causes the light emitting portion to emit a region (light emitting region) including a portion immediately below the center of each of the plurality of light beam directing control portions in the active layer of the element portion, rather than the energy of the emission wavelength of the active layer. By irradiating excitation light having large energy, the excitation light passes through the substrate and enters the lower semiconductor layer, the active layer, and the upper semiconductor layer, and the portion where the excitation light enters is excited to emit only the active layer. To do. According to this, the active layer can emit light without forming an electrode on the element surface. In addition, since the light emitting element can selectively emit light only in a partial region of the active layer uniformly provided on the upper semiconductor layer by the light emitting portion, the design of the light emitting region is easy. According to this, the light emitted from the active layer leaks from the surface of the element other than the exit surface of the beam directing control unit, and has an extra interference effect with the light emitted from the exit surface of the beam directing control unit. It can be suppressed.

さらに、活性層の発光領域を、各光線指向制御部の光の取り入れ量との関係で適切に設定することで、活性層で発光した光の多くを、各光線指向制御部に入射させることができる。そのため、光線指向制御部の射出面から光線の成形に十分な強度の光を射出することができる。   Furthermore, by appropriately setting the light emitting region of the active layer in relation to the amount of light taken in by each light directing control unit, most of the light emitted from the active layer can be incident on each light directing control unit. it can. Therefore, it is possible to emit light having a sufficient intensity for shaping the light beam from the emission surface of the light beam directing control unit.

そして、発光素子は、活性層で発光した光が、さらに上部半導体層内を伝搬して光線指向制御部に入射して、光線指向制御部を光導波路として伝搬し、先端（柱頭）の射出面からそれぞれ空気中に射出される。このようにして、それぞれの光線指向制御部から素子外部に射出された光が空気中で干渉することによって、光線を成形する。   In the light emitting element, the light emitted from the active layer further propagates in the upper semiconductor layer and enters the light beam directing control unit, propagates through the light beam directing control unit as an optical waveguide, and exits from the tip (pillar). Each is injected into the air. In this way, the light emitted from the respective light beam directing control units to the outside of the element interferes in the air, thereby forming a light beam.

ここで、発光素子は、光線指向制御部のうち、少なくとも一つの光線指向制御部の高さを他の光線指向制御部の高さと異ならせているので、複数の光線指向制御部間での柱の高さの差に応じて、発光の方向を変えることができる。
仮に各光線指向制御部が全て同じ高さである場合には、光線は、素子表面における各光線指向制御部の位置をすべて繋いだ軌跡の平面図形の重心位置から、素子表面と垂直な方向に向かう線上に成形されることになる。一方、かかる本発明の発光素子は、複数の光線指向制御部のうち、少なくとも一つの光線指向制御部の高さを他の光線指向制御部の高さと異ならせているので、光の射出方向を素子表面と垂直な方向から傾斜させることができる。 Here, the light emitting element has the height of at least one of the light beam directing control units different from the height of the other light beam directing control units. The direction of light emission can be changed according to the difference in height.
If all the beam directing control units are all at the same height, the light beam is moved in the direction perpendicular to the element surface from the barycentric position of the plane figure of the locus connecting all the positions of the beam directing control units on the element surface. It will be molded on the line going. On the other hand, in the light emitting device of the present invention, the height of at least one light beam directing control unit among the light beam directing control units is different from the height of the other light beam directing control units. It can be inclined from a direction perpendicular to the element surface.

さらに、発光部から照射される励起光は、素子部の基板のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーを有することが好ましい。
仮に、励起光のエネルギーが、発光素子の基板のバンドギャップエネルギーよりも大きい場合、励起光が、基板を透過するときに、基板によって一部吸収されてしまう。そのため、下部半導体層、活性層および上部半導体層に入射される光量は、照射された励起光の光量よりも少なくなってしまう。これに対し、励起光のエネルギーを、基板のバンドギャップエネルギーよりも小さくすることで、基板によって励起光が吸収されるのを防ぐことができるので、励起光の光量を減らさずに、下部半導体層、活性層および上部半導体層に入射させることができる。 Furthermore, it is preferable that the excitation light irradiated from the light emitting part has energy smaller than the band gap energy of the substrate of the element part.
If the energy of the excitation light is larger than the band gap energy of the substrate of the light emitting element, the excitation light is partially absorbed by the substrate when passing through the substrate. Therefore, the amount of light incident on the lower semiconductor layer, the active layer, and the upper semiconductor layer is less than the amount of irradiated excitation light. On the other hand, by making the energy of the excitation light smaller than the band gap energy of the substrate, it is possible to prevent the excitation light from being absorbed by the substrate, so that the lower semiconductor layer is not reduced without reducing the amount of excitation light. , And can enter the active layer and the upper semiconductor layer.

本発明によれば、発光部により素子部の下部半導体層、活性層および上部半導体層内で励起光が侵入した部分が光励起されて、活性層の発光（フォトルミネッセンス）を生じる。このため、励起光を照射することで活性層の一部領域のみを発光させることができるので、素子表面に電極を形成する必要がなくなる。そのため、電極領域や大きさ、外部配線の形状等により光の干渉の状態が変化するのを回避することができ、光線指向制御部の構造のみによって、光線の指向特性や形状を制御することが可能となる。また、発光部により素子部の活性層の一部領域に励起光を照射することで、活性層の一部領域のみを選択的に励起させて発光させることができるので、発光領域の設計が容易である。そのため、妨害光の発生を抑制することができる。さらに、発光素子の製造工数を削減することができ、作製が容易となる。   According to the present invention, the portion where the excitation light enters in the lower semiconductor layer, the active layer, and the upper semiconductor layer of the element portion is photoexcited by the light emitting portion, and the active layer emits light (photoluminescence). For this reason, only part of the active layer can emit light by irradiating with excitation light, so that it is not necessary to form an electrode on the element surface. Therefore, it is possible to avoid changes in the state of light interference depending on the electrode area, size, shape of external wiring, etc., and it is possible to control the directivity characteristics and shape of the light beam only by the structure of the light beam direction control unit. It becomes possible. In addition, by irradiating a part of the active layer of the element part with excitation light by the light emitting part, only a part of the active layer can be selectively excited to emit light, so that the design of the light emitting area is easy. It is. Therefore, generation of interference light can be suppressed. Further, the number of manufacturing steps of the light emitting element can be reduced, and the manufacture becomes easy.

本発明の実施形態の発光素子の構成を説明するための図であり、（ａ）は発光素子を模式的に示す斜視図、（ｂ）は発光素子の光線指向制御部の位置を部分的に示す平面図、（ｃ）は発光素子の指向制御部の高さと照射方向を模式的に示す模式図である。It is a figure for demonstrating the structure of the light emitting element of embodiment of this invention, (a) is a perspective view which shows a light emitting element typically, (b) is the position of the light beam orientation control part of a light emitting element partially FIG. 4C is a schematic diagram schematically showing the height and irradiation direction of the directivity control unit of the light emitting element. （ａ）は、図１に示す発光部を上から見た平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線矢視における断面図である。(A) is the top view which looked at the light emission part shown in FIG. 1 from the top, (b) is sectional drawing in the AA arrow of (a). （ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態に係る発光部の製造方法の一例の説明図である。(A)-(f) is explanatory drawing of an example of the manufacturing method of the light emission part which concerns on embodiment of this invention. （ａ）は、本発明の実施形態に係る発光部の光線指向制御部から射出された光線を光検出装置で測定する様子を説明するための図であり、（ｂ）は、（ａ）の光検出装置の測定結果として得られるビームパターンの一例を示す図である。(A) is a figure for demonstrating a mode that the light ray inject | emitted from the light beam direction control part of the light emission part which concerns on embodiment of this invention is measured with a photodetector, (b) is a figure of (a). It is a figure which shows an example of the beam pattern obtained as a measurement result of a photon detection apparatus. （ａ）は、図４の構成と比較するために光線指向制御部の全て揃えた状態の発光素子を説明するための図であり、（ｂ）は、（ａ）の光検出装置の測定結果として得られるビームパターンの一例を示す図である。(A) is a figure for demonstrating the light emitting element of the state in which all the light directivity control parts were arranged in order to compare with the structure of FIG. 4, (b) is a measurement result of the photon detection apparatus of (a). It is a figure which shows an example of the beam pattern obtained as follows. 従来の素子表面に光線指向制御部（半導体柱状部）を備える発光素子の構成を説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the structure of a light emitting element provided with the light beam directing control part (semiconductor columnar part) on the conventional element surface.

以下、本発明の発光素子を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面が示す部材等の高さ、幅、大きさや間隔等の位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに、以下の説明において、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the light-emitting element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the positional relationship such as the height, width, size, and spacing of the members and the like shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Furthermore, in the following description, the same names and symbols indicate the same or the same members in principle, and the detailed description will be omitted as appropriate.

［発光素子の構造］
まず、発光素子の構造について、図１，２を参照して説明する。
図１に示す発光素子１は、指向性の高い光を発光する素子であって、特定の方向に光線を射出する光線指向型の発光素子である。
図１に示すように、発光素子１は、ここでは、基板１３に、下部半導体層１４と、活性層１５と、上部半導体層１６とが積層され、上部半導体層１６の表面に、突出して設けられた柱状の光線指向制御部１１，２１，１２とを備える素子部１０と、活性層１５に励起光を照射する発光部２０と、を備えている。以下では、まず素子部１０の各構成について説明する。 [Structure of light-emitting element]
First, the structure of the light emitting element will be described with reference to FIGS.
A light-emitting element 1 illustrated in FIG. 1 is an element that emits light with high directivity, and is a light-directional light-emitting element that emits light in a specific direction.
As shown in FIG. 1, here, the light-emitting element 1 includes a substrate 13 in which a lower semiconductor layer 14, an active layer 15, and an upper semiconductor layer 16 are stacked, and are provided protruding from the surface of the upper semiconductor layer 16. The columnar light beam directing control units 11, 21, and 12 are provided, and the light emitting unit 20 that irradiates the active layer 15 with excitation light is provided. Below, each structure of the element part 10 is demonstrated first.

＜基板＞
基板１３は、素子部１０の底部を構成する基台となるものであり、下部半導体層１４の下側に設けられている。基板１３は、例えばサファイア等で形成されている。基板１３は、発光部２０から照射される励起光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。 <Board>
The substrate 13 serves as a base constituting the bottom of the element unit 10, and is provided below the lower semiconductor layer 14. The substrate 13 is made of, for example, sapphire. The substrate 13 has a band gap energy larger than the energy of the excitation light emitted from the light emitting unit 20.

＜下部半導体層＞
下部半導体層１４は、活性層１５の下側に設けられており、活性層１５から遠い方から順に、例えば、ＧａＮ層と、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層とが積層された構造とすることができる。 <Lower semiconductor layer>
The lower semiconductor layer 14 is provided on the lower side of the active layer 15, and can have a structure in which, for example, a GaN layer and a GaN / InGaN barrier layer are stacked in order from the far side from the active layer 15.

＜活性層＞
活性層１５は、励起光によって励起されることで光を発生するものである。素子部１０が青色発光素子である場合、活性層１５は、例えば、ＩｎＧａＮの量子井戸層として形成される。この活性層１５は、発光波長のエネルギーが、発光部２０から照射される励起光のエネルギー（ＧａＮのバンドギャップ以下のエネルギー）よりも小さくなっている。活性層１５は、発光部２０から励起光が照射され、照射された半導体層と活性層領域が励起され、さらに活性層１５の一部の領域が選択的に発光する。以下、この領域を、適宜、「発光領域１５ａ」という。ここでは、活性層１５の発光領域１５ａは、平面視円形状となっている。また、活性層１５の発光領域１５ａの直径は、複数の光線指向制御部１１，２１，１２を囲んだ外接円Ｓａの直径と略同等となっている。図１および図２（ａ）に示すように、外接円Ｓａは、活性層１５の発光領域１５ａを、素子表面に投影したものを示している。活性層１５の発光領域１５ａの設定の仕方については、後ほど詳述する。 <Active layer>
The active layer 15 generates light when excited by excitation light. When the element unit 10 is a blue light emitting element, the active layer 15 is formed as, for example, an InGaN quantum well layer. In the active layer 15, the energy of the emission wavelength is smaller than the energy of the excitation light irradiated from the light emitting unit 20 (energy below the band gap of GaN). The active layer 15 is irradiated with excitation light from the light emitting unit 20, the irradiated semiconductor layer and active layer region are excited, and a part of the active layer 15 selectively emits light. Hereinafter, this region is appropriately referred to as “light emitting region 15a”. Here, the light emitting region 15a of the active layer 15 has a circular shape in plan view. The diameter of the light emitting region 15a of the active layer 15 is substantially equal to the diameter of the circumscribed circle Sa surrounding the plurality of light beam directing control units 11, 21 and 12. As shown in FIG. 1 and FIG. 2A, the circumscribed circle Sa indicates a projection of the light emitting region 15a of the active layer 15 on the element surface. How to set the light emitting region 15a of the active layer 15 will be described in detail later.

＜上部半導体層＞
図１および図２（ｂ）に示すように、上部半導体層１６は、活性層１５の上側（光取り出し側）に設けられており、活性層１５側から順に、例えば、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層と、ＧａＮ層と、が積層された構造とすることができる。 <Upper semiconductor layer>
As shown in FIGS. 1 and 2B, the upper semiconductor layer 16 is provided on the upper side (light extraction side) of the active layer 15, and in order from the active layer 15 side, for example, a GaN / InGaN barrier layer and , A GaN layer can be laminated.

＜光線指向制御部＞
光線指向制御部１１，２１，１２は、射出面１１ａ，２１ａ，１２ａ（図２（ｂ）参照）から光を放射するものであり、上部半導体層１６の表面から突出して設けられている。光線指向制御部１１，２１，１２は、ここでは、上部半導体層１６と同一の材料で一体的に形成されている。また、図１に示すように、光線指向制御部１１，２１，１２は、２本ごとに異なる高さに形成されている。すなわち、光線指向制御部１１，２１，１２は、図１に示すように、隣接して配置される２本の光線指向制御部１２の高さが、隣接して配置されるその他の４本の光線指向制御部１１の高さと異なるように形成され、ここでは光線指向制御部１２の高さが光線指向制御部２１の高さよりも高く、光線指向制御部２１の高さが光線指向制御部１１の高さよりも高くなるように形成されている。 <Light beam direction control unit>
The beam directing control units 11, 21, 12 emit light from the emission surfaces 11 a, 21 a, 12 a (see FIG. 2B), and are provided so as to protrude from the surface of the upper semiconductor layer 16. Here, the beam directing control units 11, 21, and 12 are integrally formed of the same material as that of the upper semiconductor layer 16. Further, as shown in FIG. 1, the light beam directing control units 11, 21, and 12 are formed at different heights every two. That is, as shown in FIG. 1, the light beam direction control units 11, 21, and 12 have the other four light beam direction control units 12 arranged adjacent to each other. It is formed so as to be different from the height of the light beam directing control unit 11. Here, the height of the light beam directing control unit 12 is higher than the height of the light beam directing control unit 21, and the height of the light beam directing control unit 21 is the same. It is formed to be higher than the height.

このように２本の光線指向制御部１２と他の４本の他の光線指向制御部１１，２１とを異なる高さとすることで、当該高さの差に応じて光線の傾き角θ（図１参照）を制御することができる。この傾き角θとは、図１に示すように、素子部１０の表面の重心Ｏを通る法線Ｍに対する光線の射出方向の角度を意味する。なお、光線指向制御部１１，２１，１２の高さが全て同じ場合（高さの差がない場合）は、光線指向制御部１１，２１，１２によって成形される光線は、素子部１０の表面と垂直な方向（傾き角θ＝０）に射出される。   Thus, by setting the two light beam directing control units 12 and the other four other light beam directing control units 11 and 21 to different heights, the light beam inclination angle θ (see FIG. 1) can be controlled. As shown in FIG. 1, the inclination angle θ means an angle in the light emission direction with respect to the normal M passing through the center of gravity O of the surface of the element unit 10. When the heights of the light beam directing control units 11, 21, 12 are all the same (when there is no difference in height), the light beam formed by the light beam directing control units 11, 21, 12 is the surface of the element unit 10. In a direction perpendicular to the angle (tilt angle θ = 0).

光線指向制御部１１，２１，１２は、活性層１５で発生した光の導波路として機能する。ここで、例えば発光部２０としてＬＥＤを用いる場合、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、光線指向制御部１１，２１，１２の内部を伝搬した光は、光線指向制御部１１，２１，１２の最上面である射出面１１ａ，２１ａ，１２ａ（図２（ｂ）参照）から素子部１０の表面と垂直な方向、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、所定角度θの方向に傾斜して出力される。ここで、素子部１０の表面からも垂直な方向に光が照射されるが、光線指向制御部１１，２１，１２の高さの差による光の干渉効果で所定角度θの方向に光線を傾斜させることができる。なお、ここでの素子部１０の表面とは、具体的には図１に示す上部半導体層１６の上面のことを意味している。また、ここでの光線とは拡がりのある光を指すものとする。   The light beam directing control units 11, 21, and 12 function as a waveguide for light generated in the active layer 15. Here, for example, when an LED is used as the light emitting unit 20, the LED generally has a coherence length of about 10 to 50 μm. Therefore, light having a different path length in a minute space as described above is interfered with. Form a spatial distribution of effects. Therefore, the light propagating through the inside of the light beam directing control units 11, 21, 12 is transmitted from the exit surfaces 11 a, 21 a, 12 a (see FIG. 2B) which are the uppermost surfaces of the light beam directing control units 11, 21, 12 After being emitted in a direction perpendicular to the surface of the portion 10, that is, in an upward direction in FIG. Here, light is irradiated in a direction perpendicular to the surface of the element unit 10, but the light beam is inclined in the direction of the predetermined angle θ due to the light interference effect due to the difference in height between the light beam directing control units 11, 21, and 12. Can be made. In addition, the surface of the element part 10 here means specifically the upper surface of the upper semiconductor layer 16 shown in FIG. In addition, the light beam here means light that spreads.

光線指向制御部１１，２１，１２は、円柱状に形成され、上部半導体層１６上にそれぞれ同じ断面積で形成されている。光線指向制御部１１，２１，１２は、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λ０程度に設定されている。光線指向制御部１１，２１，１２は、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。ここでは、光線指向制御部１１，２１，１２は、隣り合う柱との間隔が略０ｎｍ（接触はしていない）となるように配置されているので、円の直径は２λ０となる。また、図２（ａ）に示すように、光線指向制御部１１と光線指向制御部１２とは、光軸（法線Ｍ）を挟んで正対して配置される。 The beam directing control units 11, 21, and 12 are formed in a columnar shape and are formed on the upper semiconductor layer 16 with the same cross-sectional area. The light beam directing control units 11, 21, and 12 are formed so that their diameters are equal to each other, and specifically, set to about the wavelength λ 0 of light in free space (in the air). The light beam directing control units 11, 21, and 12 are arranged in an annular shape so that the central axes of the respective columns are positioned at equal intervals on the same circumference. Here, since the light beam directing control units 11, 21, and 12 are arranged so that the interval between adjacent columns is approximately 0 nm (not in contact), the diameter of the circle is 2λ 0 . Further, as shown in FIG. 2A, the light beam directing control unit 11 and the light beam directing control unit 12 are arranged facing each other across the optical axis (normal line M).

図２（ａ）に示す例では、所定の原点Ｏとは、素子表面において６つの光線指向制御部１１，２１，１２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Ｏは、光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの中心軸を通る円Ｓの重心（中心）のことである。   In the example shown in FIG. 2A, the predetermined origin O is a point located in a predetermined area surrounded by the six light beam directing control units 11, 21, 12 on the element surface. The origin O is the center of gravity (center) of the circle S passing through the central axes of the light beam directing control units 11, 21, and 12.

光線指向制御部１１，２１の高さと光線指向制御部１２の高さとは、それぞれ光線指向制御部１１，２１，１２の内部を伝搬する光の波長程度、またはその数倍の高さに設定される。ここで、光線指向制御部１２の高さを「Ｈ」とし、光線指向制御部１２と光線指向制御部１１との高さの差を「ｄ」とし、高さＨに対する高さの差ｄの割合（＝ｄ／Ｈ）を「δ」とする。この場合、光線指向制御部１２と光線指向制御部１１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、光線指向制御部１２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。柱高低差割合δの値を大きくすると、素子部１０の表面と垂直な方向に対する光線の成す角（傾き角θ）が増加する。なお、光線指向制御部２１は、光線の指向の制御の精度をより高めるために設置されている。すなわち、光線指向制御部１１，１２の中間となる高さで、光線指向制御部１１、２１、１２として本数を増やし、光線を発生する射出面１１ａ，２１ａ，１２ａの数を増加さている。したがって、光線指向制御部２１があることで、（光線を形成するための）位相の異なる光の波源が増えることになり、光線指向制御部１１，１２の４本の場合と比較して、波面の整った光線の形成ができ、遠方まで光線の広がりを抑えた光線の形成が可能となる。   The heights of the light beam directing control units 11 and 21 and the height of the light beam directing control unit 12 are set to about the wavelength of light propagating through the light beam directing control units 11, 21, and 12, or several times as high. The Here, the height of the light beam directing control unit 12 is “H”, the height difference between the light beam directing control unit 12 and the light beam directing control unit 11 is “d”, and the height difference d with respect to the height H is The ratio (= d / H) is “δ”. In this case, the height difference d between the light beam directing control unit 12 and the light beam directing control unit 11 can be expressed by d = δH. In the following description, the ratio δ of the column height difference d with respect to the height H of the beam directing control unit 12 will be described as “column height difference ratio δ”. When the value of the column height difference ratio δ is increased, the angle (tilt angle θ) formed by the light beam with respect to the direction perpendicular to the surface of the element portion 10 increases. The light beam directing control unit 21 is installed in order to further improve the accuracy of light beam directing control. That is, the number of the light directivity control units 11, 21, 12 is increased at a height intermediate between the light beam directing control units 11, 12, and the number of exit surfaces 11 a, 21 a, 12 a that generate light beams is increased. Therefore, the presence of the light beam directing control unit 21 increases the number of wave sources having different phases (for forming light beams). Compared with the case of the four light beam directing control units 11 and 12, the wave front Therefore, it is possible to form a light beam that suppresses the spread of the light beam far away.

高さの高い光線指向制御部１２と高さの低い光線指向制御部１１、２１からそれぞれ放射される光の干渉の原理については、図６を参照して説明した特許文献１に記載の従来の発光素子１１０における高さの高い光線指向制御部１１１と高さの低い光線指向制御部１１２からそれぞれ放射される光の干渉の原理と同様であるので、ここでは説明を省略する。   Regarding the principle of interference of light emitted from the light beam directing control unit 12 having a high height and the light beam directing control units 11 and 21 having a low height, the conventional principle described in Patent Document 1 described with reference to FIG. Since it is the same as the principle of interference of light emitted from the light beam directing control unit 111 having a high height and the light beam directing control unit 112 having a low height in the light emitting element 110, description thereof is omitted here.

本実施形態では、後記する実験結果に基づいて、素子部１０の光線指向制御部１２と光線指向制御部１１との高さの差ｄは、放射光の誘電体中における発光波長の長さ以下であることとした。ここで、放射光の誘電体中における発光波長とは、自由空間においてある発光波長の光を、誘電体中（光線指向制御部の内部）を光導波路として伝搬したときの発光波長である。
一般に、誘電体の誘電率は真空中（空気中）より高いため、誘電体中を伝搬する際の光の速度は、空気中を伝搬する速度に比べて遅くなる。具体的には、放射光の自由空間における発光波長λ０と誘電体中の放射光の発光波長λ１との間には、「λ１＝λ０／ｎ」の関係がある。ここで、ｎは、誘電体の屈折率である。 In the present embodiment, based on the experimental results to be described later, the height difference d between the light beam directing control unit 12 and the light beam directing control unit 11 of the element unit 10 is equal to or less than the length of the emission wavelength of the emitted light in the dielectric. It was decided that. Here, the emission wavelength of the emitted light in the dielectric is the emission wavelength when light having a certain emission wavelength in free space propagates through the dielectric (inside the light beam directing control unit) as an optical waveguide.
In general, since the dielectric constant of a dielectric is higher than that in vacuum (in air), the speed of light when propagating in the dielectric is lower than the speed of propagating in air. Specifically, there is a relationship of “λ 1 = λ 0 / n” between the emission wavelength λ 0 in the free space of the emitted light and the emission wavelength λ 1 of the emitted light in the dielectric. Here, n is the refractive index of the dielectric.

素子部１０における光線指向制御部１１，２１，１２は、光線の放射方向を制御するとともに、妨害光の発生を抑制するうえで合計６本とすることが最も好ましい。
すなわち、光は横波であるため、１本の光線指向制御部から放射された光の高調波を抑制するには光軸（重心）を対称軸とした反対側に発生する電界を打ち消す必要がある。しかし、例えば光線指向制御部を４本にすると、光軸を挟んで正対する光線指向制御部１１と光線指向制御部１２は２組となるが、光軸回りの対称性が向上して回転対称な成分が強め合うことになる。その一方で、軸回りに隣り合う２つの光線指向制御部の中間部分に生じる同じ偏光の高調波は光線指向制御部の配置によって強められるため、光線指向制御部を４本とすると妨害光の影響が大きくなるおそれがある。 It is most preferable that the number of light beam directing control units 11, 21, and 12 in the element unit 10 is six in total in order to control the radiation direction of light beams and to suppress the generation of interference light.
That is, since the light is a transverse wave, it is necessary to cancel the electric field generated on the opposite side with the optical axis (center of gravity) as the symmetry axis in order to suppress the harmonics of the light emitted from one light beam directing control unit. . However, for example, if there are four beam directing control units, there are two pairs of beam directing control unit 11 and beam directing control unit 12 that face each other across the optical axis, but the symmetry around the optical axis is improved and rotational symmetry is achieved. Ingredients will strengthen each other. On the other hand, harmonics of the same polarization generated in the middle part between two light beam directing control units adjacent to each other around the axis are strengthened by the arrangement of the light beam directing control units. May increase.

また、光線指向制御部を５本とすると、光線指向制御部１１と光線指向制御部１２が光軸を挟んで正対しないため、同じ偏光の高調波が強められることがなく、妨害光が抑制される。しかし、光線指向制御部を５本とすると、光軸を含む面に対する対称性が光線指向制御部を６本とした場合よりも劣るので、干渉効果による放射方向の制御が難しくなるおそれがある。一方、素子部１０のように光線指向制御部を６本とすると、光線指向制御部１１と光線指向制御部１２が光軸を挟んで正対し、かつ光軸を含む面に対する対称性も良いため、妨害光の発生を抑制することができるとともに、光線の放射方向も制御することが可能になるため最も好ましい。   Further, if the number of the light beam directing control units is five, the light beam directing control unit 11 and the light beam directing control unit 12 do not face each other across the optical axis, so the harmonics of the same polarization are not intensified and interference light is suppressed. Is done. However, if the number of light beam pointing control units is five, the symmetry with respect to the plane including the optical axis is inferior to the case where the number of light beam pointing control units is six, so that it is difficult to control the radiation direction due to the interference effect. On the other hand, when there are six light beam directing control units like the element unit 10, the light beam directing control unit 11 and the light beam directing control unit 12 face each other across the optical axis and have good symmetry with respect to the plane including the optical axis. The generation of interfering light can be suppressed, and the radiation direction of the light can be controlled, which is most preferable.

［活性層の発光の原理］
次に、素子部１０の活性層１５の発光の原理について説明する。
図１に示すように、発光部２０から照射された励起光は、素子部１０の下側、具体的には基板１３の下側から基板１３に入射され、この励起光が、基板１３を透過して、下部半導体層１４、活性層１５および上部半導体層１６に入射される。
下部半導体層１４、当該活性層１５および上部半導体層１６内に励起光が侵入すると、励起光が侵入した部分が光励起されて、活性層１５の発光（フォトルミネッセンス）を生じる。つまり、下部半導体層１４、活性層１５および上部半導体層１６では、励起光が入射されると、励起光が侵入した領域では熱平衡状態よりも過剰の電子・正孔対が形成される。そして、活性層１５中において、熱平衡状態に戻ろうとするときに電子と正孔とが再結合することで活性層１５の一部である発光領域１５ａが選択的に発光する。 [Principle of light emission of active layer]
Next, the principle of light emission of the active layer 15 of the element unit 10 will be described.
As shown in FIG. 1, the excitation light emitted from the light emitting unit 20 is incident on the substrate 13 from the lower side of the element unit 10, specifically, the lower side of the substrate 13, and this excitation light passes through the substrate 13. Then, the light enters the lower semiconductor layer 14, the active layer 15, and the upper semiconductor layer 16.
When excitation light enters the lower semiconductor layer 14, the active layer 15, and the upper semiconductor layer 16, the portion where the excitation light has entered is photoexcited and light emission (photoluminescence) of the active layer 15 occurs. That is, in the lower semiconductor layer 14, the active layer 15, and the upper semiconductor layer 16, when excitation light is incident, an excess of electron / hole pairs is formed in the region where the excitation light has entered than in the thermal equilibrium state. In the active layer 15, the light emitting region 15 a which is a part of the active layer 15 selectively emits light by recombining electrons and holes when trying to return to the thermal equilibrium state.

活性層１５は、発光部２０により励起光が照射された部分（下部半導体層１４の励起光照射領域１４ａ、発光領域１５ａ、上部半導体層１６の励起光照射領域１６ａ）の内の励起光侵入部分が励起されて、発光領域１５ａのみが発光する。そのため、発光部２０における励起光の照射範囲および位置を適切に設計することで、活性層１５における発光領域１５ａとして適切な範囲に限定することができるので、素子部１０の表面からの妨害光の発生を抑制することができる。なお、発光領域１５ａは、ここでは光線指向制御部１１，２１，１２の外接円Ｓａの範囲としている。これにより、光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの射出面１１ａ，２１ａ、１２ａ（図２（ｂ）参照）から射出された光によって光線を成形する際に、光線指向制御部１１，２１，１２の形成されていない上部半導体層１６から出る妨害光の影響を受けないようにすることができる。発光領域１５ａは、光線指向制御部１１，２１，１２の形成されている範囲以外の光が照射する上部半導体層１６の部分が少ないように励起部分を設定するほど都合がよい。   The active layer 15 is an excitation light intrusion portion in a portion irradiated with excitation light from the light emitting unit 20 (excitation light irradiation region 14a of the lower semiconductor layer 14, light emission region 15a, excitation light irradiation region 16a of the upper semiconductor layer 16). Is excited, and only the light emitting region 15a emits light. Therefore, by appropriately designing the irradiation range and position of the excitation light in the light emitting unit 20, it can be limited to an appropriate range as the light emitting region 15 a in the active layer 15, so that interference light from the surface of the element unit 10 can be prevented. Occurrence can be suppressed. Here, the light emitting region 15a is the range of the circumscribed circle Sa of the light beam directing control units 11, 21 and 12. Thus, when the light beam is shaped by the light emitted from the exit surfaces 11a, 21a, 12a (see FIG. 2B) of the light beam direction control units 11, 21, 12, the light beam direction control units 11, 21 are used. , 12 are not affected by the disturbing light emitted from the upper semiconductor layer 16. In the light emitting region 15a, it is more convenient to set the excitation portion so that the portion of the upper semiconductor layer 16 irradiated with light outside the range where the light beam directing control portions 11, 21, 12 are formed is small.

このようにして、活性層１５の発光領域１５ａで発光した光は、上部半導体層１６に入射され、上部半導体層１６内を伝搬して、光線指向制御部１１，２１，１２の直下から光線指向制御部１１，２１，１２を含む領域内にそれぞれ入射される。そして、光線指向制御部１１，２１，１２を含む領域内にそれぞれ入射された光は、光線指向制御部１１，２１，１２中を光導波路としてそれぞれ伝搬して、それぞれの射出面１１ａ，２１ａ、１２ａ（図２（ｂ）参照）及び発光領域１５ａ内の上部半導体層１６表面から空気中にそれぞれ放出される。光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの射出面１１ａ，２１ａ、１２ａを中心に空気中に放出された放射光が、相互に干渉することで光線を成形し、光線指向制御部１１，２１，１２の高さの違いによって、光線の方向（傾き角θ（図１参照））が制御される。   In this way, the light emitted from the light emitting region 15a of the active layer 15 is incident on the upper semiconductor layer 16, propagates in the upper semiconductor layer 16, and directs light from directly below the light directing control units 11, 21 and 12. The light is incident on the area including the control units 11, 21, and 12. Then, the light respectively incident on the region including the light beam directing control units 11, 21, 12 propagates through the light beam directing control units 11, 21, 12 as optical waveguides, respectively, and exit surfaces 11 a, 21 a, 12a (see FIG. 2B) and the surface of the upper semiconductor layer 16 in the light emitting region 15a are emitted into the air. Light rays emitted into the air centering on the exit surfaces 11a, 21a, and 12a of the light beam directing control units 11, 21 and 12 form a light beam by interfering with each other, and the light beam directing control units 11 and 21 are formed. , 12, the direction of the light beam (tilt angle θ (see FIG. 1)) is controlled.

図１および図２（ｂ）に示すように、発光部２０は、図示しない外部電源から供給された電力により励起光を発生させ、発生させた励起光を素子部１０の基板１３側から照射するものである。図２（ｂ）に示すように、発光部２０は、素子部１０の基板１３の下側に、光の射出面２０ａが基板１３と対向するように配置されている。
発光部２０の射出面２０ａから照射される励起光の照射範囲（横断面の面積・太さ）および位置によって、活性層１５の発光領域１５ａの横断面の面積および活性層１５における位置が定まる。 As shown in FIG. 1 and FIG. 2B, the light emitting unit 20 generates excitation light by power supplied from an external power source (not shown), and irradiates the generated excitation light from the substrate 13 side of the element unit 10. Is. As shown in FIG. 2B, the light emitting unit 20 is disposed on the lower side of the substrate 13 of the element unit 10 so that the light emission surface 20 a faces the substrate 13.
The area of the cross section of the light emitting region 15a of the active layer 15 and the position in the active layer 15 are determined by the irradiation range (area / thickness of the cross section) and the position of the excitation light irradiated from the emission surface 20a of the light emitting unit 20.

発光部２０としては、例えば公知のレーザやＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を用いることができる。レーザやＳＬＤにより成形される光は指向性が高いため、発光部２０と素子部１０とが離間して配置され、発光部２０における励起光の射出面から基板１３までの距離が長い場合であっても、光線の拡がりを抑制して基板１３に十分な量の励起光を入射させることができる。   For example, a known laser or SLD (super luminescent diode) can be used as the light emitting unit 20. Since the light formed by the laser or SLD has high directivity, the light emitting unit 20 and the element unit 10 are arranged apart from each other, and the distance from the excitation light exit surface of the light emitting unit 20 to the substrate 13 is long. However, a sufficient amount of excitation light can be incident on the substrate 13 while suppressing the spread of light.

素子部１０は、前記したとおり、活性層１５で発生した光が、上部半導体層１６を介して光線指向制御部１１，２１，１２の外接円Ｓａを含む領域に入射し、光線指向制御部１１，２１，１２の内部を光導波路としてそれぞれ伝搬して、それぞれの射出面から射出した光の干渉によって光線を成形するものである。そして、素子部１０は、光線指向制御部１１，２１，１２の高さの違いによって光線の方向を制御するものである。   As described above, in the element unit 10, the light generated in the active layer 15 enters the region including the circumscribed circle Sa of the beam directing control units 11, 21, 12 through the upper semiconductor layer 16, and the beam directing control unit 11. , 21 and 12 are propagated as optical waveguides, and light rays are formed by interference of light emitted from the respective exit surfaces. And the element part 10 controls the direction of a light ray by the difference in the height of the light beam directing control parts 11, 21, 12.

ここで、素子部１０において、光線指向制御部１１，２１，１２の高さの違いによって光線の方向を制御するためには、活性層１５の発光領域１５ａを均一に発光させることが必要である。活性層１５の発光領域１５ａでの発光が不均一であると、光線指向制御部１１，２１，１２に入射される光量が不均一となる。その結果、光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの射出面から射出した光の干渉に影響を及ぼしてしまい、光線指向制御部１１，２１，１２の高さの違いのみによって光線の方向を制御することが困難となる。
なお、発光部２０を基板１３に近接させて対面して配置するために、枠体４０を設置している。この枠体４０は、ここでは、基板１３よりも外側に外縁が位置する大きさに形成され、かつ、絶縁体で形成されている。 Here, in the element unit 10, in order to control the direction of the light beam by the difference in height between the light beam directing control units 11, 21, and 12, it is necessary to uniformly emit the light emitting region 15 a of the active layer 15. . If the light emission in the light emitting region 15a of the active layer 15 is non-uniform, the amount of light incident on the light beam directing control units 11, 21, 12 becomes non-uniform. As a result, it affects the interference of the light emitted from the exit surfaces of the light beam directing control units 11, 21, 12, and the direction of the light beam is changed only by the height difference of the light beam directing control units 11, 21, 12. It becomes difficult to control.
In addition, in order to arrange the light emitting unit 20 so as to be close to the substrate 13 and face each other, the frame body 40 is provided. Here, the frame body 40 is formed in such a size that an outer edge is located outside the substrate 13 and is formed of an insulator.

［励起光の入射方向］
活性層１５の発光領域１５ａを均一に発光させるためには、素子部１０に励起光を入射させる方向を素子部１０の下側、つまり、基板１３の下側に配置し、基板１３側から下部半導体層１４、活性層１５および上部半導体層１６に励起光を入射させることとした。これにより、発光部２０から照射された励起光が、活性層１５の発光領域１５ａを発光させ均等に光線指向制御部１１，２１，１２に入射させることができる。 [Incoming direction of excitation light]
In order to uniformly emit the light emitting region 15a of the active layer 15, the direction in which the excitation light is incident on the element unit 10 is arranged below the element unit 10, that is, below the substrate 13, and from the substrate 13 side to the bottom. Excitation light is incident on the semiconductor layer 14, the active layer 15, and the upper semiconductor layer 16. Thereby, the excitation light irradiated from the light emission part 20 can light-emit the light emission area | region 15a of the active layer 15, and can inject into the light beam direction control part 11,21,12 equally.

［励起光のエネルギーと基板のバンドギャップエネルギーとの関係］
また、光線指向制御部１１，２１，１２の射出面１１ａ，２１ａ，１２ａ（図２（ｂ）参照）からそれぞれ射出された光の干渉によって成形される光線の強度は、下部半導体層１４、活性層１５および上部半導体層１６に入射される励起光の量、および、活性層１５で発光した光が、光線指向制御部１１，２１，１２の内部に取り入れられる量によって変化する。入射される励起光の量が、一定量以下であると、活性層１５で十分な発光が得られず、光線指向制御部１１，２１，１２の内部に取り入れられる量が一定量以下となってしまう。そのため、光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの射出面から十分な強度の光が射出されず、これらの光の干渉によって光線を成形することが困難となる。
活性層１５の発光領域１５ａに、充分な量の励起光を入射させるためには、素子部１０の基板１３側から照射された励起光が、基板１３を透過する際に、基板１３によって励起光が吸収されるのを抑制する必要がある。 [Relationship between excitation light energy and substrate band gap energy]
Further, the intensity of the light beam formed by the interference of the light emitted from the emission surfaces 11a, 21a, 12a (see FIG. 2B) of the light beam directing control units 11, 21, 12 is lower than that of the lower semiconductor layer 14. The amount of excitation light incident on the layer 15 and the upper semiconductor layer 16 and the amount of light emitted from the active layer 15 change depending on the amount taken into the light beam direction control units 11, 21, and 12. If the amount of incident excitation light is less than a certain amount, sufficient light emission cannot be obtained in the active layer 15, and the amount taken into the light beam directing control units 11, 21, 12 is less than a certain amount. End up. For this reason, light with sufficient intensity is not emitted from the exit surfaces of the light beam directing control units 11, 21, and 12, and it becomes difficult to form a light beam due to interference of these lights.
In order to allow a sufficient amount of excitation light to enter the light emitting region 15 a of the active layer 15, the excitation light irradiated from the substrate 13 side of the element unit 10 passes through the substrate 13 and is excited by the substrate 13. Must be suppressed from being absorbed.

ここで、前記したように、活性層１５は、ＩｎＧａＮの量子井戸層として形成される。また、下部半導体層１４は、活性層１５から遠い方から順に、例えば、ＧａＮ層と、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層とが積層された構造となっている。さらに、基板１３は、例えば、サファイアやＳｉＣ等で形成される。このとき、下部半導体層１４のバンドギャップは、３．４ｅＶとなる。また、例えば、基板１３をサファイアで形成する場合、バンドギャップは、約８．６４ｅＶとなる。さらに、活性層１５のバンドギャップは、ＩｎとＧａのモル分率と、モル分率に重畳される曲率因子（ボーングパラメータ）によって変化する。ＩｎＮのバンドギャップは約０．７ｅＶであって、さらにＩｎＧａＮのボーイングパラメータは、１．４〜２．５であり、これらを考慮すると、例えば、Ｉｎ：Ｇａのモル分率を１：９とすると、約２．９ｅＶ、また、Ｉｎ：Ｇａのモル分率を２：８とすると、約２．６ｅＶとなる。   Here, as described above, the active layer 15 is formed as an InGaN quantum well layer. Further, the lower semiconductor layer 14 has a structure in which, for example, a GaN layer and a GaN / InGaN barrier layer are stacked in order from the far side from the active layer 15. Furthermore, the substrate 13 is formed of, for example, sapphire or SiC. At this time, the band gap of the lower semiconductor layer 14 is 3.4 eV. For example, when the substrate 13 is formed of sapphire, the band gap is about 8.64 eV. Further, the band gap of the active layer 15 varies depending on the mole fraction of In and Ga and the curvature factor (Borging parameter) superimposed on the mole fraction. The band gap of InN is about 0.7 eV, and the bowing parameter of InGaN is 1.4 to 2.5. Considering these, for example, when the mole fraction of In: Ga is 1: 9 When the molar fraction of In: Ga is 2: 8, it is about 2.6 eV.

したがって、基板１３は、サファイアのバンドギャップである約８．６４ｅＶに相当する波長１４５ｎｍより短波長の光を吸収し、波長１４５ｎｍより長波長の光は透過する。また、下部半導体層１４は、ＧａＮのバンドギャップである３．４ｅＶに相当する波長３６５ｎｍより短波長の光を吸収し、波長３６５ｎｍより長波長の光は透過する。さらに、活性層１５は、ＩｎＧａＮのバンドギャップである約２．６ｅＶに相当する波長４７７ｎｍより短波長の光を吸収し、波長４７７ｎｍより長波長の光は透過する。   Accordingly, the substrate 13 absorbs light having a wavelength shorter than 145 nm corresponding to about 8.64 eV, which is the band gap of sapphire, and transmits light having a wavelength longer than 145 nm. The lower semiconductor layer 14 absorbs light having a wavelength shorter than 365 nm corresponding to 3.4 eV, which is the band gap of GaN, and transmits light having a wavelength longer than 365 nm. Furthermore, the active layer 15 absorbs light having a wavelength shorter than 477 nm corresponding to about 2.6 eV, which is the band gap of InGaN, and transmits light having a wavelength longer than 477 nm.

仮に、励起光のエネルギーが、基板１３よりも大きい場合、励起光が、基板１３を透過するときに、基板１３によって吸収されてしまうことになる。ここでは、前記したように、基板１３（サファイア）のバンドギャップが約８．６４ｅＶであり、下部半導体層１４（ＧａＮ）のバンドギャップは、３．４ｅＶであるので、励起光のエネルギーが、３．４ｅＶより大きい場合（励起光の波長が、波長３６５ｎｍより短い場合）、励起光が、下部半導体層１４の励起光照射領域１４ａおよび発光領域１５ａならびに上部半導体層１６の励起光照射領域１６ａの内の励起光侵入部分によって吸収される。そこで、励起光のエネルギーが、基板１３のバンドギャップエネルギーより小さく、かつ活性層１５のエネルギーギャップより大きい場合において、ＧａＮでの吸収を伴いながら効率よくＧａＮ母体を励起できれば（活性層１５のフォトルミネッセンス励起帯を励起できれば）、活性層１５の発光領域１５aのみ発光させることができる。   If the energy of the excitation light is larger than that of the substrate 13, the excitation light is absorbed by the substrate 13 when passing through the substrate 13. Here, as described above, since the band gap of the substrate 13 (sapphire) is about 8.64 eV and the band gap of the lower semiconductor layer 14 (GaN) is 3.4 eV, the energy of the excitation light is 3 When the excitation light is larger than .4 eV (when the wavelength of the excitation light is shorter than the wavelength of 365 nm), the excitation light is within the excitation light irradiation region 14 a and the light emission region 15 a of the lower semiconductor layer 14 and the excitation light irradiation region 16 a of the upper semiconductor layer 16. Is absorbed by the excitation light intrusion portion of the. Therefore, when the energy of the excitation light is smaller than the band gap energy of the substrate 13 and larger than the energy gap of the active layer 15, if the GaN matrix can be efficiently excited with absorption by GaN (photoluminescence of the active layer 15). If the excitation band can be excited), only the light emitting region 15a of the active layer 15 can emit light.

そこで、この条件を満たすように、発光部２０で発生させる励起光の種類、あるいは、基板１３と下部半導体層１４と活性層１５と上部半導体層１６の材料を選択すると、励起光を、下部半導体層１４の励起光照射領域１４ａ、発光領域１５ａおよび上部半導体層１６の励起光照射領域１６ａの内の励起光侵入部分で効率的に吸収と励起を生じさせて、活性層１５の発光領域１５ａを発光させることができる。
ここでは、励起光のエネルギー（ｅＶ≒１２４０／波長［ｎｍ］）が、活性層１５（ＩｎＧａＮ）のバンドギャップである約２．６ｅＶよりも大きく、かつ、サファイア基板のバンドギャップである８．６４ｅＶよりも小さく、効率的にＧａＮの母体の吸収を伴いながらフォトルミネッセンスを励起できるようなレーザやＳＬＤを用いることができる。 Therefore, when the type of excitation light generated in the light emitting unit 20 or the material of the substrate 13, the lower semiconductor layer 14, the active layer 15, and the upper semiconductor layer 16 is selected so as to satisfy this condition, the excitation light is transmitted to the lower semiconductor. The excitation light irradiation region 14a of the layer 14 and the light emission region 15a and the excitation light irradiation region 16a of the upper semiconductor layer 16 are efficiently absorbed and excited at the excitation light intrusion portion, so that the light emission region 15a of the active layer 15 is formed. Can emit light.
Here, the energy of the excitation light (eV≈1240 / wavelength [nm]) is larger than about 2.6 eV, which is the band gap of the active layer 15 (InGaN), and 8.64 eV, which is the band gap of the sapphire substrate. It is possible to use a laser or SLD that is smaller than that and can excite photoluminescence while efficiently absorbing GaN matrix.

［活性層の発光領域の設計］
次に、活性層１５の発光領域１５ａの設計の仕方について説明する。
活性層１５で十分な発光が得られたとしても、この光が、光線指向制御部１１，２１，１２の内部に取り入れられる量が一定量以下となってしまうと、光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの射出面から十分な強度の光が射出されない。
一方、光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの射出面１１ａ，２１ａ，１２ａ（図２（ｂ）参照）から射出した光で成形される光線の方向制御の任意性を向上させるためには、活性層１５で発光し、光線指向制御部１１，２１，１２に入射せずに素子表面（上部半導体層１６の上面）から漏れ出た光と、複数の光線指向制御部１１，２１，１２に入射してそれぞれの射出面から射出した光と、が余分な干渉を引き起こすことを抑制することが必要である。これらを両立するためには、活性層１５の発光領域１５ａを適切に設定する必要がある。 [Design of light emitting region of active layer]
Next, how to design the light emitting region 15a of the active layer 15 will be described.
Even if sufficient light emission is obtained in the active layer 15, if the amount of this light taken into the light beam direction control units 11, 21, 12 becomes a certain amount or less, the light beam direction control units 11, 21. , 12 do not emit light of sufficient intensity from the respective exit surfaces.
On the other hand, in order to improve the arbitrary control of the direction of the light beam formed by the light emitted from the exit surfaces 11a, 21a, 12a (see FIG. 2B) of the light beam directing control units 11, 21, 12, The light emitted from the active layer 15 and leaked from the element surface (the upper surface of the upper semiconductor layer 16) without being incident on the light beam directing control units 11, 21, 12, and a plurality of light beam directing control units 11, 21, 12 It is necessary to suppress the occurrence of excessive interference between the light incident on the light and exiting from the respective exit surfaces. In order to achieve both, it is necessary to set the light emitting region 15a of the active layer 15 appropriately.

活性層１５の発光領域１５ａは、発光部２０の予め設定されている射出面２０ａから射出される励起光の照射範囲（大きさ・太さ）と位置によって定められる。
活性層１５の発光領域１５ａは、光線指向制御部１１，２１，１２の直下を含む一部領域に設定される。ここでは、図２（ａ），（ｂ）に示したように、光線指向制御部１１，１２を囲む外接円Ｓａを活性層１５に投影したときの外接円内の領域を発光領域１５ａとしている。 The light emitting region 15a of the active layer 15 is determined by the irradiation range (size / thickness) and position of the excitation light emitted from the preset emission surface 20a of the light emitting unit 20.
The light emitting region 15 a of the active layer 15 is set to a partial region including immediately below the light beam directing control units 11, 21, and 12. Here, as shown in FIGS. 2A and 2B, a region in the circumscribed circle when the circumscribed circle Sa surrounding the light beam directing control units 11 and 12 is projected onto the active layer 15 is defined as a light emitting region 15a. .

活性層１５の発光領域１５ａをこのように設計すると、活性層１５の発光領域１５ａで発生した光が、光線指向制御部１１，２１，１２以外の素子部１０の余分な表面から漏れ出るのを抑制することができる。よって、素子部１０の上部半導体層１６の表面から漏れ出た光（妨害光）と、光線指向制御部１１，２１，１２の射出面１１ａ，２１ａ，１２ａ（図２（ｂ）参照）からそれぞれ射出された光と、による余分な干渉効果が生じるのを抑制することができる。したがって、光線の明瞭性を確保することができる。また、光線指向制御部１１，２１，１２の射出面１１ａ，２１ａ，１２ａ（図２（ｂ）参照）からそれぞれ射出された光で成形される光線の方向制御の任意性を向上させることができる。なお、図２（ｂ）では、活性層１５のうち発光領域１５ａのみを間隔の狭い斜線で示している。   When the light emitting region 15a of the active layer 15 is designed in this way, the light generated in the light emitting region 15a of the active layer 15 leaks from the extra surface of the element unit 10 other than the beam directing control units 11, 21 and 12. Can be suppressed. Therefore, the light leaking from the surface of the upper semiconductor layer 16 of the element unit 10 (interfering light) and the emission surfaces 11a, 21a, and 12a (see FIG. 2B) of the light beam directing control units 11, 21, and 12, respectively. It is possible to suppress an extra interference effect caused by the emitted light. Therefore, the clarity of the light beam can be ensured. Further, it is possible to improve the arbitrary control of the direction of the light beam formed by the light emitted from the exit surfaces 11a, 21a, and 12a (see FIG. 2B) of the light beam directing control units 11, 21, and 12, respectively. . In FIG. 2B, only the light emitting region 15a in the active layer 15 is indicated by oblique lines with a narrow interval.

［素子部の製造方法］
素子部１０を製造する方法としては、公知の種々の微細加工技術を用いることができる。
素子部１０の製造工程の一例を、図３を参照して説明する。まず、バッファ層２００を介してＧａＮ等からなる発光素子層（上部半導体層１６、活性層１５および下部半導体層１４）が形成された基板１３を用意する。例えば、図３（ａ）に示すように、バッファ層２００が積層されたサファイア等の基板１３の表面に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等の成膜方法により、図３（ｂ）に示すように、下部半導体層１４を積層し、次に、ＩｎＧａＮの量子井戸層からなる活性層１５を形成し、さらに、上部半導体層１６を積層する。 [Method for Manufacturing Element Section]
As a method for manufacturing the element portion 10, various known fine processing techniques can be used.
An example of the manufacturing process of the element unit 10 will be described with reference to FIG. First, a substrate 13 on which a light emitting element layer (upper semiconductor layer 16, active layer 15 and lower semiconductor layer 14) made of GaN or the like is formed via a buffer layer 200 is prepared. For example, as shown in FIG. 3A, a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method is applied to the surface of a substrate 13 such as sapphire on which a buffer layer 200 is stacked. As shown in FIG. 3B, the lower semiconductor layer 14 is stacked, the active layer 15 made of an InGaN quantum well layer is formed, and the upper semiconductor layer 16 is stacked. To do.

さらに、図３（ｃ）に示すように、上部半導体層１６の表面の画素領域に熱可塑性樹脂または光硬化性樹脂からなるフォトレジストｆをパターニングして積層する。パターニングは、上部半導体層１６の表面において、画素領域を円形に残し、その他を全て覆うパターンとする。例えば、上部半導体層１６の表面の画素領域にフォトレジストｆを塗布後、フォトマスクで皮膜し、紫外線を照射して現像することで形成することができる。   Further, as shown in FIG. 3C, a photoresist f made of a thermoplastic resin or a photocurable resin is patterned and laminated on the pixel region on the surface of the upper semiconductor layer 16. The patterning is a pattern that leaves the pixel region in a circular shape on the surface of the upper semiconductor layer 16 and covers all others. For example, it can be formed by applying a photoresist f to the pixel region on the surface of the upper semiconductor layer 16, coating with a photomask, and developing by irradiating with ultraviolet rays.

続いて、図３（ｄ）に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、上部半導体層１６のフォトレジストｆの周囲をエッチングする。
さらに、図３（ｅ）に示すように、フォトレジストｆをリフトオフする。
そして、図３（ｆ）に示すように、光線指向制御部１１，２１，１２を、それぞれの高さが異なるように、例えば、収束イオンビーム（Focused Ion Beam）法により形成する。なお、光線指向制御部１１，２１，１２を形成する場合には、フォトレジストを使用して反応性イオンエッチング等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングによる公知の手法により形成することとしても構わない。 Subsequently, as shown in FIG. 3D, the periphery of the photoresist f of the upper semiconductor layer 16 is etched by dry etching such as reactive ion etching (RIE) or wet etching using a chemical solution. .
Further, as shown in FIG. 3E, the photoresist f is lifted off.
Then, as shown in FIG. 3F, the light beam directing control units 11, 21 and 12 are formed by, for example, a focused ion beam method so that the heights thereof are different. In the case of forming the light beam directing control units 11, 21, and 12, it may be formed by a known method using dry etching such as reactive ion etching or wet etching using a chemical solution using a photoresist. Absent.

［発光素子の性能］
本実施形態の発光素子１の性能を確かめるために、ＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法によるシミュレーションを行った。ここでは、素子部１０から射出された光線の発光強度の角度分布（指向特性）を、図４（ａ）に示す光検出装置３０によって測定して評価することとした。なお、図４中に示したシミュレーション結果は、ＦＤＴＤ法で導かれた光を電磁波として取り扱った結果で、電界強度成分の分布であって、発光強度は電界成分の２乗で表される。その際の電界強度分布は、２次元平面をｘｙ平面とし、そのｘｙ平面から直交（垂直）する方向をｚ方向としたときに、面内から垂直の方向（ｚ方向）に５４００ｎｍ上昇した面内（ｘｙ平面）での電界分布を表している。なお、本シミュレーションでは、このｘｙ平面を２００×２００のメッシュで区切って計算した結果を示している。また、図４（ａ）、（ｂ）において大文字で示すＸ、Ｙは、直交する方向に光検出装置３０が移動する半球軌道を示している。 [Performance of light emitting element]
In order to confirm the performance of the light-emitting element 1 of the present embodiment, a simulation by the FDTD (Finite-Difference Time-Domain) method was performed. Here, the angular distribution (directional characteristic) of the emission intensity of the light beam emitted from the element unit 10 is measured and evaluated by the light detection device 30 shown in FIG. The simulation result shown in FIG. 4 is a result of handling the light guided by the FDTD method as an electromagnetic wave, which is a distribution of the electric field intensity component, and the emission intensity is expressed by the square of the electric field component. In this case, the electric field intensity distribution is an in-plane increased by 5400 nm from the in-plane direction to the vertical direction (z direction) when the two-dimensional plane is the xy plane and the direction orthogonal (perpendicular) to the xy plane is the z direction. The electric field distribution in (xy plane) is represented. In this simulation, the calculation result is shown by dividing the xy plane with a 200 × 200 mesh. In addition, X and Y indicated by capital letters in FIGS. 4A and 4B indicate hemispherical trajectories in which the light detection device 30 moves in the orthogonal direction.

光検出装置３０は、図４（ａ）に示すように、素子部１０の所定の原点Ｏ（図２（ａ）参照）から所定距離真上に離間した位置を天頂部とする半球面を仮定し、この半球面軌道上において、天頂部を通るように円周（図４（ａ）では破線で表示）上で、光線指向制御部１１，１２から射出された光線の傾き角として法線Ｍに対する正負の角度（天頂角）を±θで測定する。光検出装置３０は、ここではアームやホルダ等を介して受光装置が移動機構（いずれも図示せず）に接続されており、前記した円周上を移動することで、様々な方向からの光線を検出可能となっている。   As shown in FIG. 4A, the light detection device 30 is assumed to be a hemispherical surface having a zenith portion at a position that is separated from a predetermined origin O (see FIG. 2A) of the element unit 10 by a predetermined distance. Then, on this hemispherical orbit, on the circumference (indicated by a broken line in FIG. 4 (a)) so as to pass through the zenith portion, the normal M as the tilt angle of the light beams emitted from the light beam directing control units 11 and 12 Measure the positive and negative angle (zenith angle) with respect to. In the light detection device 30, here, the light receiving device is connected to a moving mechanism (none of which is shown) via an arm, a holder, or the like, and light rays from various directions are moved by moving on the circumference described above. Can be detected.

また、光検出装置３０は、光検出装置３０の中心と、半球面の天頂部とが同軸上となる位置を０度とする。光検出装置３０は、レンズ面（図示せず）に対し垂直に光線を入射したときの自身の位置（０度の位置からの距離と方向）から、素子部１０の所定の原点Ｏ（図４（ａ）参照）を通る法線Ｍに対する光線の傾き角を測定するようになっている。すなわち、光検出装置３０は、軌道上において、試料表面に対する設置角度を変えながら発光強度の角度分布（指向特性）を測定する。この光検出装置３０は、公知のものを適宜用いることができる。また、このシミュレーションでは、光検出装置３０のレンズ面（図示せず）と、素子部１０の表面の中心(原点：重心)Ｏとの距離を５４００ｎｍとした。   In addition, the light detection device 30 sets the position where the center of the light detection device 30 and the hemispherical zenith portion are on the same axis as 0 degrees. The light detection device 30 has a predetermined origin O of the element unit 10 (FIG. 4) from its own position (distance and direction from the 0 degree position) when a light ray is incident perpendicularly to a lens surface (not shown). The inclination angle of the light beam with respect to the normal M passing through (a) is measured. That is, the light detection device 30 measures the angular distribution (directional characteristic) of the emission intensity while changing the installation angle with respect to the sample surface on the orbit. As the light detection device 30, a known device can be used as appropriate. In this simulation, the distance between the lens surface (not shown) of the light detection device 30 and the center (origin: center of gravity) O of the surface of the element unit 10 was set to 5400 nm.

次に、シミュレーションにおける素子部１０の設計例を、図４（ａ）を参照して説明する。
素子部１０は、発光素子層（上部半導体層１６、活性層１５および下部半導体層１４）が、ＧａＮにＩｎを添加したＬＥＤであるものとした。
基板１３は、サファイア基板を使用するものとした。
光線指向制御部１１，２１，１２の直径は、放射光の自由空間における発光波長λ０に相当する４７７ｎｍとした。
図２（ａ）に示すように、光線指向制御部１１，２１，１２の平面視における配置角度は、６０度毎とした。光軸を挟んで正対する光線指向制御部間の間隔は、約２．０λ０とした。 Next, a design example of the element unit 10 in the simulation will be described with reference to FIG.
In the element unit 10, the light emitting element layer (the upper semiconductor layer 16, the active layer 15, and the lower semiconductor layer 14) is an LED in which In is added to GaN.
The substrate 13 is a sapphire substrate.
The diameters of the light beam directing control units 11, 21, 12 were 477 nm corresponding to the emission wavelength λ 0 in the free space of the emitted light.
As shown in FIG. 2A, the arrangement angle of the light beam directing control units 11, 21 and 12 in a plan view is set every 60 degrees. The spacing between beam direction control unit directly facing across the optical axis was approximately 2.0λ 0.

隣り合う光線指向制御部間の間隔は、略０ｎｍとした。
光線指向制御部１２の高さＨは、６５０ｎｍとした。
また、光線指向制御部１１の高さは、光線指向制御部１２の高さＨから、ｄ（ｄ＝δＨ）を引いた［Ｈ−ｄ］ｎｍとしている。なお、柱高低差割合δは、光線指向制御部１１，１２の高さの差の割合であり（δ＝ｄ／Ｈ）、この柱高低差割合δの値を変化させることで、光線方向が制御される。そして、光線指向制御部２１は、光線指向制御部１２，１１の中間の高さとしている。光線指向制御部２１があることで、（光線を形成するための）位相の異なる光の波源が増えることになり、光線指向制御部１１，１２の４本の場合と比較して、波面の整った光線の形成ができ、遠方まで光線の広がりを抑えた光線の形成が可能となる。なお、加工精度の関係から、光線指向制御部１１，２１，１２は、６本程度が適切である。
さらに、活性層１５の発光領域１５ａの直径は、約３．０λ０とした。 The interval between adjacent beam directing control units was set to approximately 0 nm.
The height H of the beam directing control unit 12 was set to 650 nm.
The height of the beam directing control unit 11 is [Hd] nm obtained by subtracting d (d = δH) from the height H of the beam directing control unit 12. Note that the column height difference ratio δ is the ratio of the height difference between the light beam directing control units 11 and 12 (δ = d / H). By changing the value of the column height difference ratio δ, the light beam direction is changed. Be controlled. The light beam directing control unit 21 has an intermediate height between the light beam directing control units 12 and 11. The presence of the light beam directing control unit 21 increases the number of light sources having different phases (for forming light beams), and the wavefront is more improved than in the case of the four light beam directing control units 11 and 12. It is possible to form a light beam that suppresses the spread of the light beam far away. From the viewpoint of processing accuracy, about six light beam directing control units 11, 21 and 12 are appropriate.
Further, the diameter of the light emitting region 15a of the active layer 15 was about 3.0λ 0.

次に、図４（ｂ）に示した画像は、図４（ａ）に示すような光検出装置３０で測定された、素子部１０の光線指向制御部１１，２１，１２から射出された光の強度分布を画像化したビームパターンである。このビームパターンは、ここでは、光検出装置３０が０度からＸ方向に±４０°、Ｙ方向に対しても±４０°までのθ方向となる位置の範囲を測定したものである。ビームパターンにおいて、符号ｒの領域は、図４（ｂ）に示すスケールにて、濃いグレーの部分である。なお、ここでは、ビームパターンは、ＦＤＴＤ法における電界強度の２乗（すなわち光強度）とした。   Next, the image shown in FIG. 4B is the light emitted from the light beam directing control units 11, 21, and 12 of the element unit 10 measured by the light detection device 30 as shown in FIG. This is a beam pattern obtained by imaging the intensity distribution. This beam pattern is obtained by measuring a range of positions in which the light detection device 30 is in the θ direction from 0 degree to ± 40 ° in the X direction and ± 40 ° with respect to the Y direction. In the beam pattern, the region denoted by reference symbol r is a dark gray portion on the scale shown in FIG. Here, the beam pattern is the square of the electric field intensity (that is, the light intensity) in the FDTD method.

また、符号ｙの領域は、図４（ｂ）に示すスケールにて２番目に濃いグレーの部分である。さらに、符号ｇの領域は、図４（ｂ）に示すスケールにて中間のグレーの部分である。そして、符号ｂの領域は、図４（ｂ）に示すスケールにて白色の部分である。すなわち、この白色の部分は光の強度がおよそ０．００Ｗ／ｍ2であることを示す。 Moreover, the area | region of the code | symbol y is a 2nd dark gray part on the scale shown in FIG.4 (b). Furthermore, the area | region of the code | symbol is an intermediate | middle gray part in the scale shown in FIG.4 (b). And the area | region of the code | symbol b is a white part in the scale shown in FIG.4 (b). That is, this white part indicates that the light intensity is approximately 0.00 W / m 2 .

なお、図４（ａ）に示す破線は、素子部１０の所定の原点Ｏ（図２（ａ）参照）を通る法線Ｍであり、図４（ｂ）に示す破線の交点は、素子部１０の所定の原点Ｏ（図２（ａ）参照）の位置を示すものである。図４（ｂ）に示すように、光検出装置３０で検出された素子部１０から放射された光のビームパターンは、最も光の強度が高い符号ｒの領域、つまり、成形された光線の中心部分が、表面の法線Ｍに対し右側にずれている。これは、素子部１０から放射された光が、素子部１０の表面の法線Ｍに対し、右側に傾いているということを意味する。また、図４（ｂ）に示すように、素子部１０から放射された光のビームパターンは、成形された光線の中心部分の強度が高く、光線の明瞭性が高いことがわかる。このように、本実施形態に係る素子部１０は、光線の明瞭性が高く、かつ、光線を素子部１０の表面の法線Ｍに対して十分傾けることができるので、ＩＰ立体ディスプレイ等に好適である。   The broken line shown in FIG. 4A is a normal M passing through a predetermined origin O (see FIG. 2A) of the element unit 10, and the intersection of the broken line shown in FIG. 10 shows the position of a predetermined origin O (see FIG. 2A). As shown in FIG. 4B, the beam pattern of the light emitted from the element unit 10 detected by the photodetecting device 30 is an area of the symbol r having the highest light intensity, that is, the center of the shaped light beam. The portion is shifted to the right with respect to the normal M of the surface. This means that the light emitted from the element unit 10 is tilted to the right with respect to the normal line M on the surface of the element unit 10. Moreover, as shown in FIG.4 (b), the beam pattern of the light radiated | emitted from the element part 10 shows that the intensity | strength of the center part of the shape | molded light beam is high, and the clarity of a light beam is high. As described above, the element unit 10 according to the present embodiment has high light beam clarity and can sufficiently tilt the light beam with respect to the normal M of the surface of the element unit 10, and thus is suitable for an IP stereoscopic display or the like. It is.

なお、図５（ａ）に示すように、全て光線指向制御部１２の高さに揃えた発光素子１Ｌは、他の部分を図４で示すものと同じ構成として形成したとき、図５（ｂ）に示すように、ｘｙ平面に対して垂直方向に光線が出力されていることが分かる。つまり、発光素子１，１Ｌのビームパターンの結果からは、同一の高さの光線指向制御部１２以外に、高さを変えた光線指向制御部１１，２１（図４参照）を備えることで光線の方向が制御できることが分かる。   As shown in FIG. 5 (a), when the light emitting element 1L all aligned with the height of the light beam directing control unit 12 is formed in the same configuration as that shown in FIG. As can be seen from the diagram, light rays are output in the direction perpendicular to the xy plane. That is, from the result of the beam pattern of the light emitting elements 1 and 1L, in addition to the light beam directing control unit 12 having the same height, the light beam directing control units 11 and 21 (see FIG. 4) having different heights are provided. It can be seen that the direction can be controlled.

本発明の実施形態に係る発光素子によれば、次のような優れた作用効果が得られる。
すなわち、本発明の実施形態に係る発光素子によれば、素子単体で光線の成形と方向制御を可能とすることができる。
また、本発明の実施形態に係る発光素子によれば、発光部で発生させた励起光を半導体層および活性層に照射することで、半導体層および活性層の一部を選択的に励起させて活性層を発光させることができる。このように、上部半導体用の電極および下部半導体用の電極を形成することなく活性層を発光させることができるので、発光素子の構造が簡単となり、上部半導体用の電極および下部半導体用の電極を形成する場合と比較して、製造工程数を減少することができる。発光素子は、とくに、素子部の表面に電極を形成しなくてよいため、光線指向制御部を避けて電極を形成するための精密な位置合わせや電極領域の設計等が不要となり、作製が容易となるとともに、形状の加工が容易となる。また、素子部の表面に電極を形成しなくてよいため、電極領域や大きさ、外部配線の形状等により光の干渉の状態が変化するのを回避することができ、光線指向制御部の構造のみによって、光線の指向特性や形状を制御することが可能となる。 According to the light emitting device according to the embodiment of the present invention, the following excellent effects can be obtained.
That is, according to the light emitting element according to the embodiment of the present invention, it is possible to form the light and control the direction of the light with a single element.
In addition, according to the light emitting device of the embodiment of the present invention, the semiconductor layer and the active layer are selectively excited by irradiating the semiconductor layer and the active layer with the excitation light generated in the light emitting unit. The active layer can emit light. Thus, since the active layer can emit light without forming the upper semiconductor electrode and the lower semiconductor electrode, the structure of the light emitting element is simplified, and the upper semiconductor electrode and the lower semiconductor electrode are formed. Compared with the case of forming, the number of manufacturing steps can be reduced. The light emitting element does not need to have an electrode formed on the surface of the element part in particular, so that precise alignment and electrode area design for forming the electrode by avoiding the light beam directing control part are not required and easy to manufacture. In addition, the shape can be easily processed. In addition, since it is not necessary to form an electrode on the surface of the element portion, it is possible to avoid a change in the state of light interference depending on the electrode region and size, the shape of the external wiring, etc. Only by this, it becomes possible to control the directivity and shape of the light beam.

さらに、発光素子は、発光部から照射する励起光の照射範囲と位置によって半導体層および活性層の一部を選択的に励起させて発光させるため、発光領域の設計が容易となる。また、発光領域の変更が容易となる。
なお、前記した説明では、発光素子１は、素子部１０の光線指向制御部１１，２１，１２の高さの違いのみによって光線の方向を制御することとしており、活性層１５で発光した光が、光線指向制御部１１，２１，１２内に均一に取り入れられるように、活性層１５の発光領域１５ａを設定している。しかし、例えば、光線指向制御部１１，２１，１２内に取り入れられる光の量をあえて不均一にすることで、光線の方向を変えたい場合は、発光部２０から照射する励起光の照射範囲（横断面の面積・太さ）や位置を変更することによって、活性層１５の発光領域１５ａを変更してもよい。そのような場合、発光素子１によれば、発光部２０からの励起光の照射範囲または位置を変更するだけで、素子部１０の活性層１５の発光領域１５ａを変更することができるので、活性層１５の発光領域１５ａの変更が容易である。 Furthermore, since the light emitting element emits light by selectively exciting a part of the semiconductor layer and the active layer according to the irradiation range and position of the excitation light emitted from the light emitting portion, the design of the light emitting region is facilitated. In addition, the light emitting area can be easily changed.
In the above description, the light emitting element 1 controls the direction of the light beam only by the height difference of the light beam directing control units 11, 21, 12 of the element unit 10, and the light emitted from the active layer 15 The light emitting region 15a of the active layer 15 is set so as to be uniformly incorporated into the light beam directing control units 11, 21 and 12. However, for example, when it is desired to change the direction of the light beam by making the amount of light taken into the light beam directing control units 11, 21, 12 nonuniform, the irradiation range of the excitation light irradiated from the light emitting unit 20 ( The light emitting region 15a of the active layer 15 may be changed by changing the area and thickness of the cross section) and the position. In such a case, according to the light emitting element 1, the light emitting region 15a of the active layer 15 of the element unit 10 can be changed only by changing the irradiation range or position of the excitation light from the light emitting unit 20. The light emitting region 15a of the layer 15 can be easily changed.

そして、本発明の実施形態に係る発光素子は、発光部から照射する励起光のエネルギーが、基板の材料のバンドギャップエネルギーよりも小さいため、基板によって励起光が吸収されることがない。そのため、発光素子によれば、発光部により素子部の基板の下側から照射した励起光を、光量を減らさずに半導体層および活性層に入射させることができるので、素子部の外部に取り出し可能な光量を増大することができる。また、発光素子によれば、発光部により活性層の発光領域のみを選択的に励起させて発光させるので、素子表面から妨害光が漏れ出るのを抑制することができる。したがって、背景雑音の影響を低下させることができるので、強度の高い光線を成形することができる。   And since the energy of the excitation light irradiated from the light emission part is smaller than the band gap energy of the material of a board | substrate, the light emitting element which concerns on embodiment of this invention does not absorb excitation light by a board | substrate. Therefore, according to the light emitting element, the excitation light irradiated from the lower side of the substrate of the element part by the light emitting part can be incident on the semiconductor layer and the active layer without reducing the amount of light, and can be taken out of the element part. The amount of light can be increased. Further, according to the light emitting element, only the light emitting region of the active layer is selectively excited by the light emitting part to emit light, so that leakage of interference light from the element surface can be suppressed. Therefore, since the influence of background noise can be reduced, a light beam with high intensity can be formed.

そして、本発明の実施形態に係る発光素子は、素子部の光線指向制御部のうちの少なくとも１本（ここでは３本）の高さをその他の光線指向制御部の高さと異なるように構成することで、それぞれの射出面から射出された光に位相差を設けることができ、当該位相差に応じた傾き方向に光線を放射することができる。このように、発光素子は、発光の方向を光線指向制御部の高さの差で制御し、光線の成形を複数の光線指向制御部の配置で制御したものなので、光線が射出する方向を比較的大きくなるように制御したときに当該光線に生じやすいサイドローブを比較的小さく抑えることができる。つまり、本発明の実施形態に係る発光素子は、妨害光の発生を抑制できるのでＳ／Ｎ比の高い光線成形を行うことができる。   And the light emitting element which concerns on embodiment of this invention is comprised so that the height of at least 1 (here 3 pieces) of the light beam direction control parts of an element part may differ from the height of another light beam direction control part. Thus, a phase difference can be provided to the light emitted from each exit surface, and a light beam can be emitted in a tilt direction corresponding to the phase difference. In this way, the light emitting element controls the direction of light emission by the height difference of the light beam directing control unit, and controls the shaping of the light beam by the arrangement of a plurality of light beam directing control units. Therefore, the side lobe that is likely to be generated in the light beam when it is controlled to be as large as possible can be kept relatively small. That is, since the light emitting element according to the embodiment of the present invention can suppress the generation of interference light, it can perform light beam shaping with a high S / N ratio.

以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, the meaning of this invention is not limited to these description, and must be interpreted widely based on description of a claim. Needless to say, various changes and modifications based on these descriptions are also included in the spirit of the present invention.

例えば、前記した実施形態において、素子部１０の基板１３の材料は、サファイアとし、ＬＥＤ素子の材料は、ＧａＮとして説明したが、本発明はこれに限られない。素子部１０は、基板１３のバンドギャップが、励起光のエネルギーよりも大きく、かつ、活性層１５のバンドギャップが、励起光のエネルギーよりも小さいという条件が満たされれば、材料を変更してもよい。例えば、ＬＥＤ素子をＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＡｓＰ等としてもよいし、基板１３を、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＣ等としてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the material of the substrate 13 of the element unit 10 is sapphire and the material of the LED element is GaN. However, the present invention is not limited to this. The element unit 10 can be changed in material if the condition that the band gap of the substrate 13 is larger than the energy of the excitation light and the band gap of the active layer 15 is smaller than the energy of the excitation light is satisfied. Good. For example, the LED element may be AlN, GaAlN, ZnO, GaAs, GaP, GaAlAs, GaAlAsP, or the like, and the substrate 13 may be GaAs, Si, SiC, or the like.

また、素子部１０の活性層１５の発光領域１５ａを、例えば光線指向制御部１１，２１，１２をそれぞれ活性層１５に投影したときの各領域内としてもよいし、光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの中心軸を通る円Ｓを活性層１５に投影したときの円Ｓ（図２参照）内の領域としてもよい。さらに、活性層１５の発光領域１５ａを、光線指向制御部１１，２１，１２の外接円Ｓａの領域内としてもよい。なお、前記した外接円Ｓａを含む領域とは、外接円Ｓａと同心円状に、例えば、半径で１．１倍広げた領域である。この発光領域１５ａの範囲は、シミュレーションして光線が傾斜することで設定されることが好ましい。   In addition, the light emitting region 15a of the active layer 15 of the element unit 10 may be, for example, within each region when the light beam directing control units 11, 21 and 12 are respectively projected onto the active layer 15, or the light beam directing control units 11 and 21. , 12 may be an area within the circle S (see FIG. 2) when the circle S passing through the central axis of each of the projections 12 is projected onto the active layer 15. Furthermore, the light emitting region 15 a of the active layer 15 may be within the region of the circumscribed circle Sa of the light beam directing control units 11, 21, 12. The region including the circumscribed circle Sa described above is a region that is concentric with the circumscribed circle Sa, for example, a region that is 1.1 times larger in radius. The range of the light emitting region 15a is preferably set by simulating the light beam by simulation.

さらに、素子部１０は、図１に示すように、光線指向制御部が、断面円形状かつ円柱状に形成されていたが、これに限らず、断面多角形状かつ多角柱状であってもよい。また、すべての光線指向制御部の直径は必ずしも等しくなくてもよい。
なお、素子部１０は、最も好ましい例として光線指向制御部を上部半導体層１６の表面に６本形成したが、この他に、光線指向制御部を上部半導体層１６の表面に３本形成しても構わない。光線指向制御部の本数を３本とした場合、１本を光線指向制御部１２とし、他の２本を光線指向制御部１１とするか、２本を光線指向制御部１２とし、他の１本を光線指向制御部１１とする。あるいは、光線指向制御部１２，２１，１１をそれぞれ一本ずつとしても構わない。３本の光線指向制御部の平面視における配置は図２（ａ）の角度αが１２０度となるようにすることが好ましい。 Further, as shown in FIG. 1, in the element unit 10, the light beam directing control unit is formed in a circular cross section and a cylindrical shape, but is not limited thereto, and may be a polygonal cross section and a polygonal column shape. In addition, the diameters of all the beam directing control units are not necessarily equal.
In the element unit 10, six light beam directing control units are formed on the surface of the upper semiconductor layer 16 as the most preferable example, but in addition to this, three light beam directing control units are formed on the surface of the upper semiconductor layer 16. It doesn't matter. When the number of light beam directing control units is 3, one is a light beam directing control unit 12 and the other two are light beam directing control units 11, or two are light beam directing control units 12 and the other 1 The book is referred to as a beam directing control unit 11. Alternatively, the light beam directing control units 12, 21, and 11 may be provided one by one. The arrangement of the three light beam directing control units in plan view is preferably such that the angle α in FIG. 2A is 120 degrees.

また、発光素子１は、光線の成形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。
なお、図示しない移動機構は、光線を受光する受光装置を、ホルダ等を介して支持する半円状のレールと、このレールの基端を支持して円軌道上に沿って当該レールを移動させる構成であってもよい。また、移動機構は、光線を受光する受光装置を支持する半円状のレールと、このレールの基端を支持して、その支持する部分に設けた回動軸により、当該レールが垂直状態から水平状態となる方向に向かって所定角度で角度を設定できる構成であってもよい。つまり、移動機構は、受光装置を支持して半球面軌道上を移動できる構成であれば、特に限定されるものではない。 The light-emitting element 1 can also be applied to general devices that require light beam shaping and radiation direction control. 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.
A moving mechanism (not shown) moves the rail along a circular path by supporting a light-receiving device that receives a light beam through a holder or the like and a semicircular rail that supports the base end of the rail. It may be a configuration. Further, the moving mechanism has a semicircular rail that supports the light receiving device that receives the light beam, and a rotating shaft that is provided on the supporting portion of the rail and supports the base end of the rail. The structure which can set an angle by a predetermined angle toward the direction used as a horizontal state may be sufficient. That is, the moving mechanism is not particularly limited as long as it can move on the hemispherical track while supporting the light receiving device.

［発光素子の応用例］
本実施形態に係る発光素子１の素子部１０を基板上に多数並べ、基板の下側に素子部１０の位置に対応して発光部２０を配置することにより、ＩＰ方式のディスプレイであるＩＰ立体ディスプレイを提供することが可能である。このような構成のＩＰ立体ディスプレイでは、駆動させたい発光素子１の素子部１０の下側から発光部２０により励起光を照射することで、各発光素子１を独立して駆動させることができるので、駆動操作が簡便である。 [Application examples of light-emitting elements]
A large number of element units 10 of the light emitting element 1 according to the present embodiment are arranged on a substrate, and the light emitting unit 20 is arranged on the lower side of the substrate corresponding to the position of the element unit 10, thereby providing an IP solid display that is an IP display. A display can be provided. In the IP stereoscopic display having such a configuration, each light emitting element 1 can be driven independently by irradiating excitation light from the lower side of the element part 10 of the light emitting element 1 to be driven by the light emitting unit 20. The driving operation is simple.

１ 発光素子
１０ 素子部
１１，１２ 光線指向制御部
１１ａ，１２ａ 射出面
１３ 基板
１４ 下部半導体層
１５ 活性層
１５ａ 発光領域
１６ 上部半導体層
２０ 発光部
１１０ 発光素子
１１１，１２１，１１２ 光線指向制御部
１１１ａ，１２１ａ，１１２ａ 射出面
１１３ 基板
１１４ ｎ型半導体層
１１５ 発光層
１１６ ｐ型半導体層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light emitting element 10 Element part 11,12 Light beam direction control part 11a, 12a Emission surface 13 Substrate 14 Lower semiconductor layer 15 Active layer 15a Light emitting area 16 Upper semiconductor layer 20 Light emitting part 110 Light emitting element 111, 121, 112 Light beam direction control part 111a , 121a, 112a Emitting surface 113 Substrate 114 N-type semiconductor layer 115 Light emitting layer 116 P-type semiconductor layer

Claims (5)

基板と、下部半導体層と、励起光によって励起されて発光する活性層と、上部半導体層とが順に積層されるとともに、前記上部半導体層の表面から突出して設けられ、先端の射出面から光を放射する複数の柱状の光線指向制御部とを備える素子部と、前記基板の底面側に前記基板と対向するように配置され、前記励起光を前記基板側から前記活性層に照射する発光部と、を備え、前記素子部の表面に電極を形成しない発光素子において、
前記複数の光線指向制御部は、少なくとも１本の光線指向制御部の高さが、その他の光線指向制御部の高さと異なり、
前記発光部は、前記素子部の前記活性層における前記複数の光線指向制御部のそれぞれの中心の直下を含む領域に前記活性層の発光波長のエネルギーよりも大きいエネルギーを有する前記励起光を照射することを特徴とする発光素子。 A substrate, a lower semiconductor layer, an active layer that emits light when excited by excitation light, and an upper semiconductor layer are sequentially stacked, and are provided so as to protrude from the surface of the upper semiconductor layer. An element unit including a plurality of columnar light beam directing control units that radiate; a light emitting unit that is disposed on the bottom surface side of the substrate so as to face the substrate; and that irradiates the active layer with the excitation light from the substrate side; In a light emitting device comprising no electrode on the surface of the device portion,
The plurality of light beam directing control units, the height of at least one light beam directing control unit is different from the height of the other light beam directing control unit,
The light emitting unit irradiates the excitation light having an energy larger than the energy of the emission wavelength of the active layer on a region including a region immediately below each center of the plurality of beam directing control units in the active layer of the element unit. A light emitting element characterized by the above. 前記励起光は、前記素子部の前記基板のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーを有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein the excitation light has energy smaller than a band gap energy of the substrate of the device unit. 前記発光部は、前記素子部の前記活性層において前記複数の光線指向制御部を囲んだ外接円を投影したときの当該外接円内を含む領域に前記励起光を照射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。   The light emitting unit irradiates the excitation light to a region including the inside of a circumscribed circle when a circumscribed circle surrounding the plurality of beam directing control units is projected on the active layer of the element unit. Item 3. The light emitting device according to item 1 or 2. 前記発光部は、前記素子部の前記活性層において前記複数の光線指向制御部のそれぞれの中心軸を通る円周を投影したときの当該円周内を含む領域に前記励起光を照射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。   The light emitting unit irradiates the excitation light to a region including the inside of the circumference when the circumference passing through the central axis of each of the plurality of beam directing control units is projected in the active layer of the element unit. The light emitting device according to claim 1 or 2, wherein the light emitting device is characterized in that: 前記発光部は、前記素子部の前記活性層においてそれぞれの前記光線指向制御部の横断面を投影したときの当該横断面内を含む領域に前記励起光を照射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。   The said light emission part irradiates the said excitation light to the area | region including the said cross section when the cross section of each said light beam direction control part is projected in the said active layer of the said element part. Or the light emitting element of Claim 2.
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