特許 6983554 光偏向素子、及び、表示装置

(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】6983554

(24)【登録日】2021年11月26日

(45)【発行日】2021年12月17日

(54)【発明の名称】光偏向素子、及び、表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/29 20060101AFI20211206BHJP

   G02F 1/017 20060101ALI20211206BHJP

   G02B 30/10 20200101ALI20211206BHJP

   H01L 33/02 20100101ALI20211206BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/29

   G02F1/017 501

   G02F1/017 506

   G02B30/10

   H01L33/02

【請求項の数】6

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2017-130624(P2017-130624)

(22)【出願日】2017年7月3日

(65)【公開番号】特開2019-15767(P2019-15767A)

(43)【公開日】2019年1月31日

【審査請求日】2020年6月2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】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】田中 克

(72)【発明者】

【氏名】本山 靖

(72)【発明者】

【氏名】平野 芳邦

(72)【発明者】

【氏名】菊池 宏

【審査官】 井部 紗代子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１１７６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２５２９６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１９４２３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２８３０２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２２０４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１８４５５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１５８８８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５５６１６８３（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１３３７１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０２７８４７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 MOTOYAMA, Yasushi, et al.，Directional Control of Light-Emitting-Device Emission Via Sub-micron Dielectric Structures，2014 IEEE Photonics Conference，IEEE，2014年10月16日，MH2.3，pp. 160-161

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００ − １／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１ − ７／００

Ｇ０２Ｂ２７／００ −３０／６０

Ｈ０１Ｌ３３／００ −３３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

サファイア基板と、
前記サファイア基板のＣ面上に設けたＧａ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を母体材料とするｎ型層と、
前記ｎ型層に積層された活性層である、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）で構成される量子井戸層又はＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）と障壁層（ＧａＮ）のペアを多層化した多重量子井戸と、
前記量子井戸層又は前記多重量子井戸に積層されたＧａ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を母体材料とするｐ型層と、
前記ｎ型層、前記量子井戸層、及び前記ｐ型層の積層体の第１領域に順バイアスの第１電圧を印加することにより、前記第１領域を発光ダイオード部として機能させる第１電圧印加部と、
前記積層体のうち、前記第１領域よりも前記発光ダイオード部の発光がダイオード内を光伝搬する方向にある第２領域に設けられ、前記発光ダイオード部の発光を偏光し、さらに前記偏光した発光を特定の方向に出射させる偏向部と
を含む、光偏向素子。

【請求項2】

前記偏向部は、前記第２領域において前記ｐ型層の内部又は前記ｐ型層に対して前記量子井戸層とは反対側において、所定間隔で設けられる複数の金属ワイヤを有するワイヤグリッド偏光子であり、
前記ワイヤグリッド偏光子と、前記ｎ型層との間に、前記ｎ型層に対して前記第１電圧とは逆方向の第２電圧を印加する第２電圧印加部をさらに含み、
前記ワイヤグリッド偏光子で前記発光のうちのＴＥ偏光成分を除去し、前記発光のうちのＴＭ偏光成分を偏光し、さらに第２電圧印加部に電圧を印加することによって前記ＴＭ偏光成分を偏向して、前記ワイヤグリッド偏光子から前記発光を外部の特定の方向に出射させる、請求項１記載の光偏向素子。

【請求項3】

前記偏向部は、前記第２領域において前記ｐ型層の内部又は前記ｐ型層に対して前記量子井戸層とは反対側において、所定間隔で設けられる複数の金属ワイヤを有するワイヤグリッド偏光子であり、
前記ワイヤグリッド偏光子と、前記ｎ型層との間に、前記ｎ型層に対して前記第１電圧とは逆方向の第２電圧を印加する第２電圧印加部をさらに含み、
前記ワイヤグリッド偏光子の前記複数の金属ワイヤは、同心円状に配列される円周状の複数のワイヤであり、
前記第２電圧印加部は、前記円周状の複数のワイヤに前記第２電圧を印加することにより、前記ワイヤグリッド偏光子から外部に出射させた発光の光ビームを収束させる請求項１記載の光偏向素子。

【請求項4】

前記第２電圧印加部は、前記円周状の複数のワイヤに対して所定角度毎に設けられ、径方向に伸延する複数の電極を有し、各電極に第２電圧を個別に印加することにより、前記ワイヤグリッド偏光子から外部に出射された発光の光ビームの収束の形状、出射方向、及び出射角度を制御する、請求項３記載の光偏向素子。

【請求項5】

前記偏向部は、前記第２領域において前記ｐ型層上に設けられる薄膜状の金属クラッディングであり、
前記金属クラッディングで前記発光のうちのＴＭ偏光成分を除去し、前記発光のうちのＴＥ偏光成分をダイオード内で光伝搬させ、さらに２本のｐ型電極によって前記ＴＥ偏光成分を偏向して特定の方向に前記発光を出射させる、請求項１記載の光偏向素子。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか一項記載の光偏向素子を画素として２次元アレイ状に配列して設けた表示パネルを備えたインテグラル・フォトグラフィ方式の立体画像表示装置であって、
前記画素に対して、それぞれ前記立体画像表示装置が表示する２以上の出射方向に対応
する画像信号を時分割で切り替えて出力し、当該画素から出射方向の発光と非発光とを制御することを特徴とする立体画像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光偏向素子、及び、表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

微細なＬＥＤ(Light Emitting Diode)を並置して配列した表示装置が試作されている。ＬＥＤを配列したＬＥＤディスプレイは、高速の動画応答性や色再現性、広い視野角を特徴とする高品質な表示装置として注目されている。２０１２年にはハイビジョン（ＨＤＴＶ:High Definition Television）のＬＥＤディスプレイが報告されたほか、２０１６年にはＬＥＤディスプレイをユニット化して複数台並置したタイル型ディスプレイも試作された。

【0003】

これら２次元の映像表示装置から発展させて、さらに立体表示装置を実現する場合には、多数の画素を配置したディスプレイを構築する必要がある。特に３Ｄ用のメガネを掛けることなく自然な立体映像の表示手法として開発が進められているインテグラル立体による表示方式について、必要となる画素数を単純に試算した場合には、仮に水平方向６０視点、垂直方向６０視点、ＨＤの立体解像度を想定すると、画素数は６０×６０×ＨＤ×ＲＧＢとなる（ＲＧＢ：赤緑青）。この膨大な画素数については、最も多画素化されたテレビであるスーパーハイビジョンと比べても実に２２５倍の画素数に相当する。

【0004】

このインテグラル立体の表示装置を直視する観察者は、ディスプレイから放出される光線を目で直視することになる。このため、各画素を構成する微細な光源としては、レーザーダイオード（ＬＤ）ではなくＬＥＤとすることが望ましい。

【0005】

この１つのＬＥＤ素子画素から複数の色を出すことの先行研究として、サファイア基板のＣ面上に形成した窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）製のＬＥＤにおいて、印加電圧の電圧値を変えたパルス幅変調によって青緑の領域で発光色を変えられることが報告されている。（例えば、非特許文献１参照）。

【0006】

さらに、ＬＥＤを使った表示装置において、膨大な画素の配置を軽減する手法として、すでに赤緑青の３原色を１つのＩｎＧａＡｌＮ-ＬＥＤから出力するＬＥＤ表示装置が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

【0007】

このように、ＩｎＧａＡｌＮを基本構造とするＬＥＤは、1個の素子で赤緑青３原色すべての光を発光させることができる。

【0008】

このＬＥＤ方式によれば、１つの画素から赤緑青３色の光を出射することができるため、ディスプレイを構成する画素の数を従来の１／３に削減することができる。
さらに、また赤青緑の微細なＬＥＤと光学レンズを組み合わせたインテグラル方式の立体表示装置についても提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0009】

一方、ＬＥＤから出射される光線の偏向動作によって、時分割表示技術を取り入れることで、実質的に表示装置から出射される光線の数を増やそうとする方式も提案されている。この方式によれば、表示装置の画素数を増やすことなく、ディスプレイから出射される光線の数を増やすことができる。現在までにＬＥＤの母体材料であるＧａＮ−ＬＥＤにおけるピエゾ効果（逆圧電効果）を利用することによって、ＬＥＤから出射される光線方向を変えることで、インテグラル立体の表示装置を実現しようとする提案がなされている（例えば、特許文献２参照）。

【0010】

ＬＥＤ等の光源と偏向素子を別々に作製し、それらを個別に組み合わせることで光を偏向しようとする方式は、すでに広く実用化されている。この偏向方式としては、古くからガルバノメータやポリゴンミラー（多面体ミラー）等の機械式のミラーを回転させる技術が広く使われてきた。この機械式の偏向技術については、最近になってＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術として発展している。

【0011】

また、ＭＥＭＳ等の機械式ではない偏向素子として電気光学効果（ＥＯ効果：Electro-Optic effect）を使った光偏向素子も開発されている。ＥＯ効果は、電界に比例して屈折率が変化する効果であって、ポッケルス効果とも言われている。

【0012】

代表的なＥＯ材料としては、例えばニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）単結晶やチタン酸ジルコン酸ランタン鉛Ｌａ₂Ｏ₃/ＰｂＺｒＯ₃/ＰｂＴｉＯ_３(ＰＬＺＴ)セラミックスがある。ＬＮ結晶の（００１）面やＰＬＺＴにプリズム形状の電極を形成したＥＯ光偏向素子も開発されている（例えば、非特許文献３、４参照）。

【0013】

さらに、タンタル酸ニオブ酸カリウムＫＴａ_１−ｘＮｂ_ＸＯ_３（ＫＴＮ）結晶を使った光偏向素子も実用化された（例えば、特許文献３参照）。この光偏向素子では、ＫＴＮ結晶を上下から電極で挟んだ構造を有し、電極間に電圧を印加させて光を偏向させる。その際、上記のＥＯ効果に加えて、電極から注入された電子をＫＴＮ結晶中の結晶欠陥にトラップさせて、結晶中の空間電荷の効果を用いることで偏向角の増大が実現されている（例えば、非特許文献５参照）。

【0014】

さらに、光導波路内に入射する光の波長を変えることで、光導波路から出力される光の偏向を実現しようとする試みも行われている。一般に、光導波路内での遮断波長λｃの近傍では、入力された光の波長変化によって偏向角を大きくすることができる。ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を使った半導体の光導波路構造において、波長９５２〜９８９ｎｍの波長範囲で、約５０°程度の偏向角が報告されている（例えば、非特許文献６参照）。この半導体を使った偏向素子の構造では、面発光レーザーの構造を踏襲しているため、今後、半導体レーザーと偏向素子を組み合わせたコンパクトな素子により、光スイッチ等の実現が期待されている。この方式では、光源の波長を変えることで偏向を実現している。

【0015】

一方、光を変調する位相変調器として半導体のＥＯ効果を利用する試みも行われている。特にＬＥＤの主要な材料であるＩｎＧａＡｌＮ等のウルツ鉱型の結晶材料は、インジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）等の閃亜鉛構造型のものに比べて、ＥＯ効果による屈折率の変調率が大きいことが知られている（例えば、特許文献４、５、６参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0016】

【特許文献1】特許第６０９５６８６号公報

【特許文献2】特許第６０１０４１７号公報

【特許文献3】特許第５５６５９１０号広報

【特許文献4】特許第４４９４２５７号公報

【特許文献5】特開平１１−２１２０４０号公報

【特許文献6】特許第５２２７３５１号公報

【非特許文献】

【0017】

【非特許文献1】T. Azuhata, T. Homma, Y. Ishizuka, and S. Chichibu. Jpn. J. Appl. Phys (2003) L497-498.

【非特許文献2】H. S. El-Ghoroury, M. Yeh, J. C. Chen, X. Li, and C. Chuang: AIP Advances 6(2016)075316.

【非特許文献3】Y. Ninomiya, IEEE J. Quantum Electron. QE-9 (1973) 791.

【非特許文献4】Q.Ye, Z.Dong, R. Qu, and Z. Fang, Optics Express, Vol.15, No.25 (2007) 16943.

【非特許文献5】中村孝一郎、佐々木雄三 NTT技術ジャーナル （2007.12）56-59.

【非特許文献6】X.Gu, T. Shimada, A. Matsutani, and F. Koyama, IEEE Photonics Journal Vol.4, No5 (2012)1712-1719.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

光偏向素子のＭＥＭＳによる機械式の偏向機能に代えて、電気光学（ＥＯ）効果によるＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）結晶や電子注入による空間電荷効果とＥＯ効果を組み合わせた効果によるＫＴＮ結晶等のバルク型無機材料を使った偏向素子が開発されている。前者では原理的にはＧＨｚ以上の高速の応答が可能であるが、偏向素子の駆動電圧は４００〜１ＫＶ以上と高圧であり、後者では１００〜３００Ｖ程度と前者ほど高圧が必要でないものの、応答速度は１００ＫＨｚ以下に低下する。これらバルク型はいずれも光源と偏向素子は構造的に分離しているため、光源を含めた光偏向素子のサイズ縮小が課題となっている。

【0019】

また、ＫＴＮ結晶を使った光偏向素子は、空間電荷効果によってＬＮ結晶に比べて、偏向角が大きくできる特徴を持つものの、上記の光源を含めた光偏向素子のサイズ縮小が必要となる他、ＫＴＮ結晶の相転移温度付近でしか偏向動作しないため、精密な温度制御が不可欠であることが課題となっている。

【0020】

立体表示装置を実現した際、表示装置を直視する観察者は、ディスプレイから放出される光線を目で直視することになる。このため、各画素を構成する微細な光源としては、レーザーダイオード（ＬＤ）ではなくＬＥＤとすることが望ましい。ＬＥＤで発光させて、しかもＬＥＤと偏向素子が同一の基板上に構成し、ＬＥＤ光源と偏向素子と一体化した構造で画素を形成することで、画素から出射する光線を偏向制御することが可能となる。

【0021】

表示装置の各画素をＬＥＤで構成し、しかもＬＥＤから出射される光線方向を時分割表示技術により、偏向させる提案が最も有効な手法と考えられる。現在までに、本出願者によってＩｎＧａＡｌＮの逆圧電効果を使用した素子の方向制御を提案されたものであるが、逆圧電効果の応答速度は、高々１ｋＨｚ程度であるため、より高速な応答性をもつ偏向方式が求められている（特許文献２参照）。

【0022】

さらに、窒化インジウムガリウムアルミニウムＩｎＧａＡｌＮ系のＬＥＤは、紫外から可視光のＲＧＢ領域全域をカバーできるのに対し、アルミニウムガリウムリン（ＡｌＧａＰ：緑〜赤）、アルミニウムガリウムインジウムリン（ＡｌＧａＩｎＰ：黄〜赤）、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ：赤〜近赤外）やこれらの混晶系等発光領域は限定されている。

【0023】

また、光偏向方式については、ＥＯ効果によらず、光源の発光波長を変える方式では、光偏向角に応じて、光の波長がシフトしてしまう。その際、偏向角によって、波長が変わってしまうと、ディスプレイ応用等を考えた場合、ディスプレイを視聴する角度に応じて、ディスプレイの色味が変わってしまうという課題がある。

【0024】

ＥＯ効果による光偏向方式では、発光波長をかえることなく光偏向が可能であり、中でも、窒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＮ）系の結晶構造は六方晶系の結晶対称性を有し、ウルツ鉱型結晶構造を持つため、ＡｌＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓの閃亜鉛構造型に比べてイオン性が強く、ＥＯ効果による屈折率の変調率が大きいことが知られ、本方式に好適である。

【0025】

そこで、これらをふまえて、本願はＩｎＧａＡｌＮ系のＬＥＤの光源部とＬＥＤと同一材料の偏向部が構造的に同一基板上に一体形成されていることを特徴とし、ＬＥＤ光源部からの発光と発光を偏向する偏向部を同一基板上で実現することができる光偏向素子、及び、この光偏向素子を用いた表示装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0026】

本発明の実施の形態の光偏向素子は、サファイア基板と、前記サファイア基板のＣ面上に設けたＧａｘＡｌ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を母体材料とするｎ型層と、前記ｎ型層に積層された活性層である、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）で構成される量子井戸層又はＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）と障壁層（ＧａＮ）のペアを多層化した多重量子井戸と、前記量子井戸層又は前記多重量子井戸に積層されたＧａｘＡｌ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を母体材料とするｐ型層と、前記ｎ型層、前記量子井戸層、及び前記ｐ型層の積層体の第１領域に順バイアスの第１電圧を印加することにより、前記第１領域を発光ダイオード部として機能させる第１電圧印加部と、前記積層体のうち、前記第１領域よりも前記発光ダイオード部の発光がダイオード内を光伝搬する方向にある第２領域に設けられ、前記発光ダイオード部の発光を偏光し、さらに前記偏光した発光を特定の方向に出射させる偏向部とを含む。

【発明の効果】

【0027】

本発明によれば、発光素子上に設けた電極間に電圧を印加するという簡単な構成で出射方向を偏向するため、光偏向素子を小型化することができる。

【0028】

請求項１に記載の発明によれば、ＩｎＧａＡｌＮ系の半導体材料を用いて発光素子及び偏向素子として機能させるため、発光と出射方向の偏向とを共に行うことができる。

【0029】

請求項２または請求項３または請求項４に記載の発明によれば、発光素子上に設けたワイヤグリッド偏光子を電極として用いるという簡単な構成の構造で光の回折と干渉を利用して光線の出射方向を特定することができるため、発光素子の微細化・高密度化を容易にすることができる。

【0030】

請求項５に記載の発明によれば、発光素子上に設けた金属クラッディングを用いて偏光させ、さらに発光素子に設けた電極によって光線の出射方向を特定することができる。

【0031】

請求項６に記載の発明によれば、光の干渉を利用した出射方向特定部によって各画素からの光線の方向が特定されるため、レンズを用いた立体画像表示装置に比べて、高精細化することができる。また、１つの発光素子が複数の出射方向に対応する画素として機能するため、立体画像表示装置に搭載する発光素子の数を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】実施の形態１の光偏向素子１００を示す斜視図である。

【図2】図１のＡ−Ａ矢視断面を示す図である。

【図3】図２の境界面と入射光との関係を示す図である。

【図4】屈折率の深さ方向の分布を示す図である。

【図5】サファイア基板とGaNの屈折率の波長依存性を示す図である。

【図6】n_Air=1.00, n_GaN=2.47, n_Al2O3=1.78および青色LEDのピーク波長458nmで計算した際の、TE1とTM1モードにおけるGaNコアの3層構造スラブ型光導波路の分散曲線である。

【図7】実施の形態１の変形例の光偏向素子１００Ａを示す図である。

【図8】実施の形態１の変形例の光偏向素子１００Ｂを示す図である。

【図9】実施の形態２の光偏向素子２００を示す図である。

【図10】実施の形態３のインテグラル立体方式の表示装置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、本発明の光偏向素子、及び、表示装置を適用した実施の形態について説明する。

【0034】

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１の光偏向素子１００を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面を示す図である。また図３は、図２の境界面と入射光との関係を示す図である。図１、２では、ＸＹＺ座標系を定義する。なお、以下では、説明の便宜上、基準位置に対してＺ軸正方向側を上、Ｚ軸負方向側を下と称すが、普遍的な上下関係を示すものではない。

【0035】

光偏向素子１００は、サファイア基板１０１、ＧａＮ層１０２、ｎ−ＧａＮ層１１０、ＭＱＷ層１２０、ＧａＮ層１３０、ｐ−ＧａＮ層１４０、ｎ型電極１５０、ｐ型電極１６０、遮光膜１７０、絶縁層１７１、ワイヤグリッド偏光子１８０、バイアス電圧源１９０Ａ、１９０Ｂを含む。

【0036】

サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板１０１は、サファイアＣ面である（０００１）面がＸＹ平面と平行、かつ、Ｚ軸正方向側に位置し、（０００１）面にＧａＮ層１０２を積層してある。

【0037】

ＧａＮ層１０２は、アンドープの窒化ガリウム層であり、サファイア基板１０１の（０００１）面上に設けられている。ＧａＮ層１０２は、例えばキャリヤガスとして水素を用い、Ｇａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、窒素源としてはアンモニアを用いたＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法（または、Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:ＭＯＶＰＥと呼称）で構成される結晶成長法でサファイア基板１０１に積層される。

【0038】

ｎ−ＧａＮ層１１０は、ＧａＮ層１０２の上に設けられている。ｎ−ＧａＮ層１１０は、ｎ型の窒化ガリウム層であり、一例として、シラン（ＳｉＨ₄）を使ってシリコン（Ｓｉ）をドーピングとしたＭＯＣＶＤ法で成長する。なお、ｎ−ＧａＮ層１１０は、アルミニウムを含んでいてもよく、この場合には、窒化ガリウムアルミニウム（Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１））を母体材料とする層として捉えることができる。

【0039】

ＭＱＷ層１２０は、窒化インジウムガリウム（Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１））で構成される多重型の量子井戸（Multiple Quantum Well、MQW）であり、ｎ−ＧａＮ層１１０の上に設けられている。ＭＱＷ層１２０は、ｎ−ＧａＮ層１１０の上の領域のうち、Ｘ軸負方向側の端部を避けた領域に設けられている。ＭＱＷ層１２０は、ＭＯＣＶＤ法でｎ−ＧａＮ層１１０の上に積層される。

【0040】

より具体的には、ＧａＮ層１０２、ｎ−ＧａＮ層１１０、ＭＱＷ層１２０は、次のように形成することができる。サファイア基板１０１の上に、例えば、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法などの成膜方法により、ＧａＮ層１０２、ｎ−ＧａＮ層１１０、ＭＱＷ層１２０を順次に積層して形成することができる。

【0041】

更に詳細に説明すると、ｎ−ＧａＮ層１１０は、アンドープのＧａＮ層１０２を介してｎ型不純物であるＳｉをドープしたＧａＮで構成される結晶を成長させて形成する。また、ｎ−ＧａＮ層１１０は、例えば、ＧａＮで構成されるｎ型コンタクト層とＡｌＧａＮで構成されるｎ型クラッド層との２層構造にして形成してもよい。

【0042】

ＭＱＷ層１２０は、ｎ−ＧａＮ層１１０とアンドープＧａＮ層１３０およびｐ型半導体層１４０の間に設けられ、ｎ−ＧａＮ層１１０に、例えば、ＩｎＧａＮなどを積層して形成する。なお、ＭＱＷ層１２０としてＩｎＧａＮで構成される活性層を形成し、ダブルへテロ構造とすることもできる。また、ＭＱＷ層１２０として、例えば、アンドープのＧａＮで構成される障壁層とアンドープのＩｎＮ又はＩｎＧａＮで構成される井戸層とを交互に積層した量子井戸構造、好ましくは多重量子井戸構造の活性層を形成してもよい。

【0043】

ｐ型半導体層１４０は、ＭＱＷ層１２０上に、またはＭＱＷ層１２０上に形成したアンドープＧａＮ層１３０上に、ｐ型不純物であるＭｇをドープしたＧａＮで構成される結晶を成長させて形成する。一例として、ＭＯＣＶＤ法によりマグネシウム（Ｍｇ）をドープし、窒素雰囲気中での熱処理を行い作製できる。ｐ型半導体層１４０も、ｎ−ＧａＮ層１１０と同様に、例えば、ＧａＮで構成されるｐ型クラッド層とＡｌＧａＮで構成されるｐ型コンタクト層との２層構造にして形成してもよい。

【0044】

また、ｐ−ＧａＮ層１４０は、アルミニウムを含んでいてもよく、この場合には、窒化ガリウムアルミニウム（Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１））を母体材料とする層として形成することができる。

【0045】

ｎ型電極１５０は、ＬＥＤ領域５０Ａ（ｐ−ＧａＮ１４０、ＧａＮ層１３０、ＭＱＷ層１２０、ｎ−ＧａＮ層１１０）に電界を印加するための一対の電極のうちの一つであり、バイアス電圧源１９０Ａの負極性電極に接続されている。ＬＥＤ領域５０Ａは、発光ダイオード部の一例である。ｎ型電極１５０は、ｎ−ＧａＮ層１１０の上の領域のうち、Ｘ軸負方向側の端部に設けられている。ｎ型電極１５０が設けられる領域には、ＭＱＷ層１２０、ＧａＮ層１３０、及びｐ−ＧａＮ層１４０は設けられていない。

【0046】

ｐ型電極１６０は、ＬＥＤ領域５０Ａに電界を印加するための一対の電極のうちの一つであり、バイアス電圧源１９０Ａの正極性電極に接続されている。このようにｐ型電極１６０を配置してｐ型電極１６０とｎ型電極１５０との間にバイアス電圧源１９０Ａから順バイアスを印加することにより、ＧａＮ層１０２、ｎ−ＧａＮ層１１０、ＭＱＷ層１２０、ＧａＮ層１３０、及びｐ−ＧａＮ層１４０のうち、ＬＥＤ領域５０Ａに電流が流れる。

【0047】

ＭＱＷ層１２０は、ｐ−ＧａＮ層１４０およびＧａＮ層１３０とｎ型ＧａＮ層１１０との間に設けられ、ｐ−ＧａＮ層１４０を介して輸送されるキャリアである正孔と、ｎ型半導体層１１０を介して輸送されるキャリアである電子とが再結合することで発光する。その際、ｐ−ＧａＮ層１４０およびｎ型ＧａＮ層１１０におけるキャリア移動度と再結合時間との関係により、ｐ型電極１６０とｐ−ＧａＮ１４０との接触面の直下領域およびその近傍であるＬＥＤ領域５０で囲まれた部分のＭＱＷ層領域１２０Ａのみが発光し、他の領域では発光しない。

【0048】

遮光膜１７０は、ｐ−ＧａＮ層１４０の上面のうち、ｐ型電極１６０とワイヤグリッド偏光子１８０との間の領域に設けられている。絶縁層１７１は、遮光膜１７０とｐ−ＧａＮ層１４０との間に設けられ、遮光膜１７０をｐ−ＧａＮ層１４０から絶縁している。

【0049】

ワイヤグリッド偏光子(Wire-grid polarizer)１８０は、ｐ−ＧａＮ層１４０の上面において、ＬＥＤ領域５０Ａよりも平面視でＸ軸正方向側にｐ−ＧａＮ層１４０の上面領域に形成される。作製法としては、金属の蒸着法とフォトリソグラフィーの組み合わせが一般的であって、ワイヤグリッド偏光子１８０の材料としては、Ｙ軸方向に細線状に伸延する構造であって、アルミニウム、金、銀などの金属またはそれらの固溶体で構成され、複数の金属ワイヤを有し、それらのワイヤは互いに平行に配設されている。ワイヤグリッド偏光子１８０の複数のワイヤのＹ軸正方向側の端部（図１で破線で囲む部分）は、バイアス電圧源１９０Ｂの負極性端子に接続される。

【0050】

ワイヤグリッド偏光子１８０は、ｐ−ＧａＮ層１４０の表面上に微細な金属のグリッド（スリット状）を形成する事によって、ＧａＮ層からのグリッドに入射する光のＴＭ偏光の成分を空気中に透過する一方、ＴＥ偏光成分をＧａＮ積層膜（ＧａＮ層１０２、ｎ−ＧａＮ層１１０、ＭＱＷ層１２０、ＧａＮ層１３０、ｐ−ＧａＮ層１４０）側へ反射または一部を金属で吸収することで偏光子として機能する。なお、以下では、ＧａＮ積層膜（ＧａＮ層１０２、ｎ−ＧａＮ層１１０、ＭＱＷ層１２０、ＧａＮ層１３０、ｐ−ＧａＮ層１４０）をＧａＮ積層膜１０２〜１４０と称す。

【0051】

また、バイアス電圧源１９０Ｂは、ｎ型電極１５０とワイヤグリッド偏光子１８０の間にバイアス電圧が印加される、その際、ワイヤグリッド偏光子は偏光子に加えて電極としても機能する。すなわち、ＬＥＤ領域５０Ａの発光のうちワイヤグリッド偏光子はＴＭ光を偏光し、さらにワイヤグリッド偏光子１８０に電界を印加することによってＺ軸正方向側に印加電圧に応じた出射角度方向に偏向を行うことができる。

【0052】

バイアス電圧源１９０Ａは、ｐ型電極１６０とｎ型電極１５０との間で、ｐ−ＧａＮ層１４０とｎ−ＧａＮ層１１０に順バイアスを印加するように接続されている直流電源である。すなわち、直流電源の正極性端子はｐ型電極１６０に接続され、負極性端子はｎ型電極１５０に接続される。バイアス電圧源１９０Ａは、ＬＥＤの出力光強度を変える場合、または発光色を変える場合には、順バイアスのパルス幅変調または、パルス高変調も可能である。

【0053】

バイアス電圧源１９０Ｂは、正極性端子がｎ型電極１５０に接続され、負極性端子がワイヤグリッド偏光子１８０に接続されており、出力電圧を変化させることができる可変型の直流電源である。

【0054】

上述のように、光偏向素子１００は、Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を母体材料とするｐ型層（ｐ−ＧａＮ層１４０）及びｎ型層（ｎ−ＧａＮ層１１０）を積層し、特に活性層としてＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）と障壁層（ＧａＮ）のペアを多層化した多重量子井戸（ＭＱＷ層１２０）を組み込んだＬＥＤの構造を基本構造としている。ここで図２では、一例として、ｙ＝０．２とし、ＭＱＷ層１２０の組成を厚さ４ｎｍのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ活性層と厚さ１１ｎｍの障壁層を１０層重ねたＭＱＷ層１２０を組み込んだ構造とした際の例である。

【0055】

ＬＥＤ領域５０Ａにおいて、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）のＭＱＷ層１２０の内、特に５０Ａで囲まれた部分のＭＱＷ層領域１２０Ａから放射される発光は、ＴＥ（ＭＱＷ層１２０に平行なＹ軸方向の電界ベクトルを持つ光）とＴＭ（ＭＱＷ層１２０に垂直なＺ軸方向の電界ベクトルを持つ光）の両方の成分を有している。これについては、サファイア基板のＣ面上に形成した窒化ガリウム製のレーザダイオード（ＧａＮ−ＬＤ）がＴＥモードのみを放射することと対照的である。

【0056】

例えば、サファイア基板１０１のＣ面上に形成したｎ−ＧａＮ層１１０、ＭＱＷ層１２０、ＧａＮ層１３０、及びｐ−ＧａＮ層１４０による窒化ガリウム製のＬＥＤ（ＧａＮ−ＬＥＤ）であるＬＥＤ領域５０ＡのＴＥモードとＴＭモードの偏光の強度比率の差は、青色ＬＥＤのピーク波長４５８ｎｍにおいて最大でも３０％程度である。

【0057】

ＭＱＷ層１２０で発光した光は、遮光膜１７０を設けたことにより、ＭＱＷ層１２０を含んだＧａＮ積層膜（１０２〜１４０）を光導波路とみなすことができ、ｐ−ＧａＮ層１４０と上側の空気層との境界面、及び、ＧａＮ層１０２とサファイア基板１０１との境界面で全反射される。図３は、当該光導波路の境界面と入射光との関係を示す図であって、図２の５０Ｂの光伝播領域を拡大した図である。境界面の垂直方向と入射光とのなす角をθとするとスネル則によって、それぞれの界面での臨界角θ_１、θ_２については、次式（１）、（２）となる。

【0058】

【数1】

【0059】

【数2】

【0060】

いま、例えば青色ＬＥＤのピーク波長４５８ｎｍについては、空気中の屈折率ｎ_Ａｉｒ＝１．００、ＧａＮ積層膜１０２〜１４０の中での屈折率ｎ_ＧａＮ＝２．４７、サファイア基板１０１の中での屈折率ｎ_{Ａｌ２Ｏ３}＝１．７８とすると、空気層とｐ−ＧａＮ層１４０との境界面での臨界角θ_１と、ＧａＮ層１０２とサファイア基板１０１との境界面での臨界角θ_２は、式（１）及び式（２）によって、θ_１＝２３．９°、θ_２＝４６．１°となる。

【0061】

従って、ＬＥＤ領域５０ＡからＸ軸正方向に放射される光の光導波路（ＧａＮ層１０２、ｎ−ＧａＮ層１１０、ＭＱＷ層１２０、ＧａＮ層１３０、ｐ−ＧａＮ層１４０）の上下の境界面への入射角θがθ＞θ_２の条件を満たせば、ｐ−ＧａＮ層１４０と空気、又は、ＧａＮ層１０２とサファイア基板１０１との間の屈折率差によって、ＭＱＷ層１２０から放射される発光は、光導波路の中を全反射しながらＸ軸正方向に伝搬していくことになる。

【0062】

すなわち、図１のような遮光膜１７０をｐ型電極１６０のＸ軸正方向側の近傍に設ければ、θ＞θ₂の条件を常に満たすことができるため、空気層とｐ−ＧａＮ層１４０との境界面から発光が空気層に出ることを抑制できＹ軸方向には光はほとんど出力されずに、ＧａＮ積層膜１０２〜１４０を光導波路として光伝搬させることが可能となる。

【0063】

一方、図１、図２の構成では、ＭＱＷ層１２０を含むＧａＮ積層膜１０２〜１４０の厚みすなわち光導波路の厚みをａ、真空中の波数をｋ、ＧａＮ積層膜１０２〜１４０の上下の境界面への入射角をθとすると次式（３）、（４）が成り立つ。

【0064】

【数3】

【0065】

【数4】

【0066】

式（３）において、ａは、ＧａＮ積層膜１０２〜１４０の全体の合計膜厚、φ_AirはＧａＮ積層膜１０２〜１４０と空気の境界面での全反射に伴う位相変化、φ_Al2O3はＧａＮ積層膜１０２〜１４０とサファイア基板１０１の境界面での全反射に伴う位相変化、mは０以上の整数（０、１、２…）、βは伝搬定数を表す。

【0067】

図４は、サファイア基板１０１とＧａＮ積層膜１０２〜１４０の屈折率の深さ（厚さ）方向の分布を示す図である。深さ０μｍは、サファイア基板１０１とＧａＮ層１０２との境界の位置である。

【0068】

図４に示すように、サファイア基板１０１の屈折率は１．７８であり、ＧａＮ積層膜１０２〜１４０の屈折率は２．４７である。ＧａＮ積層膜１０２〜１４０にはＭＱＷ層１２０が含まれ、ＭＱＷ層１２０の屈折率は、ＧａＮ層１０２、ｎ−ＧａＮ層１１０、ＧａＮ層１３０、ｐ−ＧａＮ層１４０の屈折率より少し高いが、約２．５である。

【0069】

このようなデバイス構造は、空気をクラッド層、光導波路として機能するＧａＮ積層膜１０２〜１４０をコア層、サファイア基板１０１をクラッド層とする３層構造のスラブ型の光導波路と扱うことができ、一般的な非対称性のＴＥモードとＴＭモードのスラブ型光導波路の解析が適用できる。すなわち、図２の遮光膜１７０によって上面（正面）への放射モードとサファイア基板１０１への放射モードを生じないようにすることができ、Ｘ軸方向において遮光膜１７０が存在する区間内でＧａＮ積層膜内を伝搬する光は、次式（５）を満足する複数の伝搬光を含む離散的な解を持つマルチモードの伝搬光となる。

【0070】

【数5】

【0071】

また、式（３）において、ＴＥモードとＴＭモードでは位相変化φ_Ａｉｒと位相変化φ_{Ａｌ２Ｏ３}の値が異なるため、導波路解析における分散曲線（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｕｒｖｅ）も、ＴＥ１とＴＭ１で異なることになる。

【0072】

図５は、サファイア基板１０１とＧａＮ積層膜１０２〜１４０の屈折率の波長依存性を示す図である。図５に示すように、ＧａＮ積層膜１０２〜１４０の屈折率は、波長が４００ｎｍでは約２．５５であり、波長の増大とともに緩やかに減少し、９００ｎｍでは約２．３５になる。また、サファイア基板１０１の屈折率は、波長が４００ｎｍでは約１．７８であり、波長が増大に対して非常に緩やかな減少傾向にあるが、ほぼ一定である。

【0073】

図６は、ｎ_Ａｉｒ＝１．００、ｎ_ＧａＮ＝２．４７、ｎ_{Ａｌ２Ｏ３}＝１．７８の青色ＬＥＤのピーク波長４５８ｎｍで計算した、ＴＥ１とＴＭ１におけるＧａＮ積層膜１０２〜１４０の３層構造スラブ型光導波路の分散曲線である。

【0074】

図６において、横軸はＶパラメータ（規格化周波数とも称す）、縦軸は規格化伝搬定数ｂ（normalized propagation constant）を示している。図６には、ＴＥモードとＴＭモードのモード０〜５（ｍ＝０〜５）の特性を示す。

【0075】

図６に示すように、屈折率が非対称な３層構造を反映して、ＴＥとＴＭの各モードで分散曲線が異なる。さらに式（５）及びｂ−Ｖ特性から、伝搬定数βを解析的に求めることができる。さらにβと波数ｋの比率から、次式（６）のように、等価屈折率ｎ_ｅｑ（equivalent indexまたは実行屈折率:effective indexとも称す）を求めることができる。

【0076】

【数6】

【0077】

次に、ワイヤグリッド偏光子(wire-grid polarizer)１８０（図１、２参照）について説明する。ワイヤグリッド偏光子１８０は、ｐ−ＧａＮ層１４０の表面にピッチΛ（μｍ）で配設される複数本の金属製のワイヤを有する。複数のワイヤは、Ｙ軸方向に伸延し、Ｘ軸方向にピッチΛ（μｍ）で平行に配列されている。

【0078】

ワイヤグリッド偏光子１８０では、ｐ−ＧａＮ層１４０の表面上に微細な金属のグリッド（スリット状）を形成する事によって、ＧａＮ層からのグリッドに入射するＴＭモードの成分を空気中に透過する一方、ＴＥ偏光成分をＧａＮ層へ反射（一部吸収）することで偏光子として機能する。すなわち、ワイヤの伸延方向（Ｙ軸方向）に振動する光（ＴＥモード）は、光の電界振動方向がワイヤの伸延方向と一致するため、ワイヤの金属中の電子は電界による移動でジュール熱を発生し、光は金属に吸収されてしまう。また、金属に吸収されない光は金属でＧａＮ側に反射される。一方、ワイヤの金属と伸延方向の直交する電界をもつ光（ＴＭモード）に対しては、金属内で電子が移動できる距離が限られているため光吸収は少なく、透過する。すなわち、ワイヤグリッド偏光子１８０は、回折格子として機能するため、ＴＭモードは、ワイヤの間を透過することができる。このため、ワイヤグリッド偏光子１８０においては、ＧａＮ積層膜１０２〜１４０の内部を伝搬するＴＭモードとＴＥモードの伝搬光のうち、ＴＭモードの光のみを外部に取り出すことができるようになる。

【0079】

ワイヤグリッド偏光子１８０を透過して、外部に取り出される光線については、出射される光線方向と境界面に垂直方向とのなす角をαとすると次式（７）で与えられる。

【0080】

【数7】

【0081】

ワイヤグリッド偏光子１８０とＬＥＤ領域５０Ａのｎ型電極１５０の間にバイアス電圧源１９０Ｂから逆バイアス電圧を印加した場合には、ＴＭモードの等価屈折率ｎ_ｅｑを印加電圧に比例する形で、可変させることができる。式（７）において、λ₀は、ＬＥＤ領域５０Ａの発光のピーク波長（中心波長）であって、逆バイアス電圧の値には依存せず常に一定値である。ワイヤグリッド偏光子１８０のピッチΛについては、式（７）においてｓｉｎα＞０を満足する条件下で適宜設定すればよい。ＬＥＤ領域５０Ａから出力される光線方向に応じて印加電圧を変えることで、光線のＸＺ平面と垂直方向との成す角αを制御することが可能となる。

【0082】

なお、図２において、ＧａＮの結晶構造に由来するＥＯ効果が発現する理由は、ＧａＮの結晶構造が六方晶系の対称性が低い結晶構造からなり、ＴＭモードのＧａＮ積層膜１０２〜１４０の結晶構造に中心対称性を含まないことに由来したＥＯ効果が発現する。すなわち、このような対称性が低く、中心対称性を持たない結晶構造に電界を印加した場合に、電界に比例した屈折率変化、すなわちポッケルス効果による電気光学（ＥＯ）効果が生じる。

【0083】

また、このような大きな屈折率変化が、特にＩｎＮの量子井戸を有するＬＥＤでは増強される。ＧａＮ結晶の水平方向（ａ軸）の格子定数は０．３１８９ｎｍであり、ＩｎＮ結晶の同方向の格子定数は０．３５４８ｎｍである。従って、両者の間の格子不整合が１１％ある。この格子不整合によって、面内圧縮歪は更に増長され、ポッケレス効果が増強される。

【0084】

しかし、サファイア基板１０１のＣ面上に形成したＧａＮ積層膜１０２〜１４０の中のＭＱＷ層１２０に由来する大きなＥＯ効果は、ＴＭモードでは望めない。

【0085】

すなわち、ＭＱＷ層１２０での屈折率の変調効果については、ＴＥ偏光は変調されるが、ＴＭ偏光はほとんど変調されない。これを回避するためには、サファイア基板１０１のＣ面上でのＧａＮの結晶成長に代えて、Ｃ面から約４５°傾いた基板である半極性基板上に作製したＭＱＷの形成が最も有効である。または、ＧａＮの成長に代えて、ＡｌＮの固溶体であるＧａ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を母体材料とするｐ型層及びｎ型層を積層した基本構造とし、特に活性層としてＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）のＭＱＷを組み込んだ構造とするのも効果的である。ＧａＮでは、価電子帯Ｔｏｐと伝導体の底の間で許容される遷移（光学選択則）が電界ベクトルとＧａＮ結晶のＣ軸とが垂直になるのに対し、ＡｌＮでは、電界ベクトルとＧａＮ結晶のＣ軸とが平行になるためである。

【0086】

これが主因となりＡｌＮでは、Ｃ軸に平行な電界ベクトルの光も変調できるようになる。ＭＱＷのバンド構造も母体材料であるＧａＮやＡｌＮのバンド構造を踏襲すると考えられるためＧａＮに代えてＡｌを含んだＧａ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を母体材料とするＬＥＤがＴＭモードの変調には有効である。

【0087】

以上、実施の形態１によれば、ＬＥＤ領域５０Ａとワイヤグリッド偏光子１８０とを同
一基板（サファイア基板１０１）上に形成できるため、小型の光偏向素子１００を実現することが可能となる。実施の形態１では光変調器や光偏向器について、光源（ＬＥＤ領域５０Ａ）と光変調部（ワイヤグリッド偏光子１８０を電極とするＥＯ変調部５０Ｃ）を一体化することで、コンパクトな光偏向素子１００を実現できる。その際、光源（ＬＥＤ領域５０Ａ）の偏波面とＥＯ変調部５０Ｃ（ワイヤグリッド偏光子１８０を電極とする変調部）の偏波面を一緒にすることにより、光源の変調及び光偏向を実現できる。なお、ＥＯ変調部５０Ｃは、偏向部の一例である。偏向部は、偏光子として働くとともに、変調器として屈折率を変えることで偏向を行う。

【0088】

光偏向素子１００は、光の位相変調としてＧＨｚ以上の高速変調が可能な電気光学効果（ＥＯ効果）を用いているため、高速の光偏向制御が可能となる。この光偏向素子１００をインテグラル立体表示装置の表示部の各画素に用いることで、時分割表示によって、立体表示に必要となる画素数の大幅な削減を実現することが可能となる。

【0089】

図７は、実施の形態１の変形例の光偏向素子１００Ａを示す図である。光偏向素子１００Ａは、サファイア基板１０１、ＧａＮ層１０２、ｎ−ＧａＮ層１１０、ＭＱＷ層１２０、ＧａＮ層１３０、ｐ−ＧａＮ層１４０、ｎ型電極１５０、ｐ型電極１６０Ａ、遮光膜１７０Ａ、ワイヤグリッド偏光子１８０Ａ、バイアス電圧源１９０Ａ、１９０Ｂを含む。

【0090】

光偏向素子１００Ａは、図１、２に示す光偏向素子１００のワイヤグリッド偏光子１８０の代わりに、リング状のワイヤグリッド偏光子１８０Ａを含む。これに伴い、図１、２に示すｐ型電極１６０と遮光膜１７０は、ｐ型電極１６０Ａと遮光膜１７０Ａに変更されている。なお、図７では絶縁層１７１に相当する絶縁層を省略する。

【0091】

ワイヤグリッド偏光子１８０Ａは、同心円状に配置される複数のワイヤと、電極１８０Ａ１とを有する。また、遮光膜１７０Ａは、平面視で複数のワイヤの外側から中心まで延びる基部１７０Ａ１と、複数のワイヤの中心（最も直径が小さいワイヤの内側の部分）を覆う中心部１７０Ａ２とを有する。また、ｐ型電極１６０Ａは、遮光膜１７０Ａの上側に設けられ、平面視で複数のワイヤの外側から中心まで延びる基部１６０Ａ１と、中心部１６０Ａ２とを有する。基部１６０Ａ１と中心部１６０Ａ２は、それぞれ、基部１７０Ａ１と中心部１７０Ａ２上に位置する。

【0092】

このような光偏向素子１００Ａは、図１、２に示す光偏向素子１００と同様に、バイアス電圧源１９０Ｂからワイヤグリッド偏光子１８０Ａの全体と、ｎ型電極１５０との間に逆バイアス電圧を印加する。バイアス電圧源１９０Ｂからワイヤグリッド偏光子１８０Ａには、１つの電極１８０Ａ１を介して電界が印加される。電極１８０Ａ１は、ワイヤグリッド偏光子１８０Ａの複数のワイヤの中心から径方向外側に向かって設けられる直線状の電極である。

【0093】

ＬＥＤ領域５０Ａで発生した光は、ワイヤグリッド偏光子１８０Ａで回折されて、Ｚ軸方向に取り出すことができる。また、ワイヤグリッド偏光子１８０Ａは、平面視でＬＥＤ領域５０Ａを周囲から取り囲む形状をしているため、ワイヤグリッド偏光子１８０Ａ全体で可変焦点レンズを形成することが可能となる。従って、取り出される光は、図７に示すようにビーム１００Ａ１にビーム収束される。

【0094】

図８は、実施の形態１の変形例の光偏向素子１００Ｂを示す図である。光偏向素子１００Ｂは、図７に示す光偏向素子１００Ａのワイヤグリッド偏光子１８０Ａをワイヤグリッド偏光子１８０Ｂに変更したものである。

【0095】

ワイヤグリッド偏光子１８０Ｂは、同心円状に配置される複数のワイヤと、８個の電極１８０Ｂ１〜１８０Ｂ８とを有する。電極１８０Ｂ１〜１８０Ｂ８は、図７に示す電極１８０Ａ１を等角度間隔で８つ配置したものである。電極１８０Ｂ１〜１８０Ｂ８には、バイアス電圧源１９０Ｂから独立的に可変電圧が印加される。

【0096】

ワイヤグリッド偏光子１８０Ｂを周方向に８分割された複数個の電極に見立て、分割駆動を可能にしている。電極１８０Ｂ１〜１８０Ｂ８の分割駆動によって、電極１８０Ｂ１〜１８０Ｂ８の各々からワイヤに印加する電圧に印加電圧差を設けることにより、８個の電極１８０Ｂ１〜１８０Ｂ８下のＧａＮ積層膜１０２〜１４０中の伝播光について、同心円方向に異なる位相分布を持たせれば、ビーム１００Ｂ１の仰角及び方位角を制御できるようになる。

【0097】

このようなワイヤグリッド偏光子１８０Ｂは、８つの開口部を持つ光フェーズドアレイと見なすこともできる。ただし、光フェーズドアレイとしての動作を実現するためには、開口部全体が、ＬＥＤ領域５０Ａの発光のスペクトル幅で規定されるコヒーレンス長の中に入っていることが必要となる。一般的なＬＥＤの場合、コヒーレンス長は２０μｍ程度である。ＬＥＤの中での光閉じ込め効果を高めれば、コヒーレンス長は、伸長することは可能である。光フェーズドアレイ動作により、光ビームの方向制御と収束・発散動作が可能となる。

【0098】

＜実施の形態２＞
図９は、実施の形態２の光偏向素子２００を示す図である。ＭＱＷ層１２０の積層方向と同一方向に電界成分を持たせて、電気光学定数ｒ_１３を用いたＴＥモードで光偏向できる構造である。

【0099】

このような電界成分を持たせるために、光偏向素子２００は、サファイア基板１０１、ＧａＮ層１０２、ｎ−ＧａＮ層１１０、ＭＱＷ層１２０、ＧａＮ層１３０、ｐ−ＧａＮ層１４０、ｎ型電極１５０、ｐ型電極１６０、遮光膜１７０、絶縁層１７１、金属クラッディング２８０、バイアス電圧源１９０Ａ、２９０Ｂ１、２９０Ｂ２、ｐ型電極２９０Ｃ１、２９０Ｃ２を含む。

【0100】

金属クラッディング２８０は、平面視で矩形状の金属膜であり、ＧａＮ積層膜１０２〜１４０の光導波路のｐ−ＧａＮ層１４０の上面に直接的に形成されている。金属クラッディング２８０のＸ軸方向の位置は、ｐ型電極１６０の正方向側に隣接する位置である。金属クラッディング２８０のＸ軸正方向側には、ｐ型電極２９０Ｃ１、２９０Ｃ２が設けられる。金属クラッディング２８０は、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇなどの金属薄膜製であって特に複素誘電率の虚部が大きいＡｌが有効であり、作製法としては、例えば、蒸着法によって形成される。

【0101】

ｐ型電極２９０Ｃ１、２９０Ｃ２は、金属クラッディング２８０のＸ軸正方向側において、ＧａＮ積層膜１０２〜１４０の光導波路のｐ−ＧａＮ層１４０の上面に設けられている。ｐ型電極２９０Ｃ１は、ｐ−ＧａＮ層１４０の上面のうち、Ｙ軸正方向側の端部に設けられ、ｐ型電極２９０Ｃ２は、ｐ−ＧａＮ層１４０の上面のうち、Ｙ軸負方向側の端部に設けられている。また、ｐ型電極２９０Ｃ１は、バイアス電圧源２９０Ｂ１によってｎ型電極１５０に対して逆バイアス電圧が印加され、ｐ型電極２９０Ｃ２は、バイアス電圧源２９０Ｂ２によって可変の逆バイアス電圧が印加される。

【0102】

図１、２、７、８に示した光偏向素子１００、１００Ａ、１００Ｂでは、ＴＭモードの光を外部に取り出しており、サファイア基板１０１のＣ面基板上に形成したＧａＮ積層膜１０２〜１４０のＩｎＧａＮのＭＱＷ層１２０では大きなＥＯ係数の発現は難しかったが、本構造によれば、ＴＥモードを利用することができるため、可視光の発光領域においても電気光学定数ｒ_１３＝２０（ｐｍ／Ｖ）程度の大きな電気光学効果が発現することが可能となる。

【0103】

特に、ｐ−ＧａＮ層１４０の上面に直接金属を製膜した金属クラッディング２８０を用いることによってＴＭモードを吸収し、ＧａＮ積層膜１０２〜１４０の内部でＴＥモードをＸ軸正方向に透過させることができる。ＴＥモードの光は、Ｘ軸正方向側の端面から放射される。

【0104】

本構造によれば、ＴＭモードの電磁界分布が金属クラッディング２８０の金属中に浸透するため、ＴＭモードの伝搬損失は大きく、ＴＥモードのみが透過する。すなわち、金属はＴＭモードの光に対して、誘電率が負でかつ損失の大きな誘電体としてふるまう。その結果、２本のｐ型電極２９０Ｃ１、２９０Ｃ２で挟まれた導波路領域では、バイアス電圧源２９０Ｂ２のバイアス電圧を可変させることにより、効率的にＴＥモードの光を矢印で示すように偏向し、Ｘ軸正方向側の端面から放射される方向をＸＹ平面内で制御することができるため、安価なＣ面サファイア基板を用いて、電気光学定数ｒ_１３の大きな光偏向素子２００を形成することが可能となる。

【0105】

＜実施の形態３＞
図１０は、実施の形態３のインテグラル立体方式の表示装置（立体画像表示装置）３００を示す図である。図１０に示す表示装置３００は、実施の形態１、２の光偏向素子１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００のうちのいずれか１つを用いたインテグラル立体方式の表示装置である。図１０の表示装置３００において、各画素に光偏向素子１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００のうちのいずれか１つが配置される。図１０（Ａ）、（Ｂ）には、複数の光偏向素子１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００の各々から放射される光を時分割して時分割表示することで、表示装置３００の利用者に立体映像を提供する。

【0106】

かかる構成によれば、立体画像表示装置３００は、発光制御部によって、各画素に対して、それぞれ２以上の出射方向に対応する画像信号を時分割で切り替えて出力し、当該画素の発光と非発光とを制御する。また、立体画像表示装置３００は、各画素からの光線の出射方向を特定する。このとき、立体画像表示装置３００は、出射方向の制御によって、発光制御部が２以上の出射方向に対応して各画素に出力する画像信号を切り替えるタイミングに同期して、各画素として設けられた発光素子の出射方向を偏向する。これによって、立体画像表示装置３００は、インテグラル・フォトグラフィ方式の立体画像を表示する。

【0107】

このため、各画素からの光線の方向が２以上の出射方向に特定されるため、従来のレンズを用いた立体画像表示装置に比べて、立体映像を高精細化することができる。また、時分割方式によって、１つの発光素子が複数の出射方向に対応する画素として機能するため、立体画像表示装置３００に搭載する発光素子の数を削減することができる。

【0108】

立体表示装置を実現した際、表示装置を直視する観察者は、ディスプレイから放出される光線を目で直視することになる。このため、各画素を構成する微細な光源としては、レーザーダイオード（ＬＤ）ではなくＬＥＤを用いて実現できる。

【0109】

ＬＥＤ光源と偏向素子と一体化した構造であることが画素を形成することによってで、時分割表示により、画素から出射する光線方向と形状を制御することで、立体映像を表示することが可能となる。

【0110】

なお、本光偏向素子１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００は、光線の成形と方向制御を必要とするデバイス一般に応用することが可能である。例えば、プロジェクター用光源、光スイッチ、空間光インターコネックションに用いる接続器、拡散板を必要としない照明光源などに好適である。

【0111】

以上、本発明の例示的な実施の形態の光偏向素子、及び、表示装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

【符号の説明】

【0112】

５０Ａ ＬＥＤ領域
５０Ｂ 光伝播領域
５０Ｃ 光変調領域
１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００ 光偏向素子
１０１ サファイア基板
１０２〜１４０ ＧａＮ積層膜
１０２ ＧａＮ層

１１０ ｎ−ＧａＮ層
１２０ ＭＱＷ層
１２０Ａ ＭＱＷ層の発光領域
１３０ ＧａＮ層
１４０ ｐ−ＧａＮ層
１５０ ｎ型電極
１６０ ｐ型電極
１６０Ａ ｐ型電極
１６０Ａ１ 基部
１６０Ａ２ 中心部
１７０ 遮光膜
１７０Ａ 遮光膜
１７０Ａ１ 基部
１７０Ａ２ 中心部
１７１ 絶縁層
１８０ ワイヤグリッド偏光子
１８０Ａ、１８０Ｂ ワイヤグリッド偏光子
１８０Ａ１、１８０Ｂ１〜１８０Ｂ８ 電極
１９０Ａ、１９０Ｂ バイアス電圧源
３００ 表示装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】