特許 6397298 発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6397298

(24)【登録日】2018年9月7日

(45)【発行日】2018年9月26日

(54)【発明の名称】発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/50 20100101AFI20180913BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/50

【請求項の数】5

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2014-205618(P2014-205618)

(22)【出願日】2014年10月6日

(65)【公開番号】特開2016-76578(P2016-76578A)

(43)【公開日】2016年5月12日

【審査請求日】2017年9月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004352

【氏名又は名称】日本放送協会

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】田中 克

(72)【発明者】

【氏名】平野 芳邦

(72)【発明者】

【氏名】本山 靖

(72)【発明者】

【氏名】斎藤 信雄

【審査官】 吉岡 一也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１７５５３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 独国特許出願公開第１０３５４９３６（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−０８７２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５２８８９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２１７６３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表平１１−５１０９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０２０９５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−０６０１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２１８３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６３６６０１８（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／０１６８６６６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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。

【請求項2】

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。

【請求項3】

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。

【請求項4】

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。

【請求項5】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−４４９００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【課題を解決するための手段】

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【発明の効果】

【0019】

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。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】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。

【図2】（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。

【図3】（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。

【図4】（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。

【図5】（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。

【図6】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。

【発明を実施するための形態】

【0021】

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。

【0022】

［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。

【0023】

＜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。

【0024】

＜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。

【0025】

＜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。

【0026】

＜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。

【0027】

＜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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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λ_０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２λ_０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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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λ_０と誘電体中の放射光の発光波長λ_１との間には、「λ_１＝λ_０／ｎ」の関係がある。ここで、ｎは、誘電体の屈折率である。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

［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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

［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。

【0045】

［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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

［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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

［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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

［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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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λ_０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２．０λ_０とした。

【0060】

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３．０λ_０とした。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

［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。

【符号の説明】

【0075】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】