(57)【要約】【課題】光の出射方向を特定する構造物を備え、微細化・高密度化に適した発光素子及びこの発光素子を備えた立体画像表示装置を提供する。【解決手段】発光素子１は、ｐ型半導体層２１と発光層２２とｎ型半導体層２３とがこの順で積層され、ｐ側電極２４とｎ側電極２５とを備えた発光構造部２と、ｎ型半導体層２３の一部又はｎ型半導体層２３の上面に、発光構造部２から出射する光の方向を特定するための構造物３ａを有する出射方向特定部３とを備える。そして、ｎ型半導体層２３のキャリア移動度がｐ型半導体層２１のキャリア移動度よりも大きく、かつキャリアの再結合時間がキャリアを補充する緩和時間より短く、ｐ側電極２４は、構造物３ａの直下であって、ｐ型半導体層２３の下面の一部と接触するように設けられ、発光層２２のｐ側電極２４とｐ型半導体層１との接触領域の直上領域である発光領域２２ａが発光する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１半導体層と、発光層と、第２半導体層とがこの順で積層され、前記第１半導体層と接続する第１電極と、前記第２半導体層と接続する第２電極と、を備えた発光構造部を有する発光素子であって、
前記第２半導体層の一部又は前記第２半導体層の上面に、前記発光層から出射した光の方向を特定するための構造物を有する出射方向特定部を備え、
前記第１電極は、前記構造物の直下であって、前記第１半導体層の下面の一部と接触するように設けられ、
前記第２半導体層のキャリア移動度が前記第１半導体層のキャリア移動度よりも大きく、かつ前記発光層において前記第１半導体層を移動するキャリアと、前記第２半導体層を移動するキャリアとが再結合して発光する際に、当該再結合に要する時間である再結合時間が、当該再結合によって消滅したキャリアの補充に要する時間である緩和時間より短いことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記第２電極が、平面視において、前記第２半導体層の上面もしくは側面、又は前記第２半導体層と電気的に導通する前記出射方向特定部の前記構造物を除く上面もしくは側面であって、前記第１電極と前記第１半導体層との接続領域と重ならない領域に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記第２電極が、平面視において、前記第２半導体層の上面又は前記第２半導体層と電気的に導通する前記出射方向特定部の前記構造物を除く上面であって、前記第１電極と前記第１半導体層との接続領域と重ならない領域全体を覆うように設けられたことを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記構造物が、柱頭の出射面から光を出射するＮ本（Ｎは３以上の整数）の柱状部からなり、
前記Ｎ本の柱状部は、平面視で前記発光層から放射される光が干渉可能な範囲内に環状に配置され、前記Ｎ本の柱状部の内、少なくとも１本の柱の高さが他の柱の高さと異なり、前記柱状部の高さの差が、前記柱状部の内部における前記発光層が出射する光の波長の半分以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の発光素子。
【請求項５】
平面視において、前記第１電極の面積が、前記Ｎ本の柱状部を囲む外接円の面積以下であることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
平面視において、前記第１電極の面積が、前記Ｎ本の柱状部の面積の総和以上であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
前記構造物が、上面から柱状に凹んだＮ本（Ｎは３以上の整数）の柱状凹部からなり、
前記Ｎ本の柱状凹部は、平面視で前記発光層から放射される光が干渉可能な範囲内に環状に設けられ、前記Ｎ本の柱状凹部の内、少なくとも１本の柱状凹部の深さが他の柱状凹部の深さと異なり、前記柱状凹部の深さの差が、前記柱状凹部の内部における前記発光層が出射する光の波長の半分以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の発光素子。
【請求項８】
平面視において、前記第１電極の面積が、前記Ｎ本の柱状凹部を囲む外接円の面積以下であることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
【請求項９】
平面視において、前記第１電極の面積が、前記Ｎ本の柱状凹部の面積の総和以上であることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記構造物の屈折率が、前記第２半導体層の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項４乃至請求項１０の何れか一項に記載の発光素子。
【請求項１１】
基板上に、請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の発光素子を画素として２次元アレイ状に配列して設けた表示パネルと、
少なくとも１つの前記画素を選択する画素選択手段と、を備え、
前記画素選択手段によって前記画素を選択して、選択した当該画素の発光と非発光とを制御することを特徴とするインテグラル・フォトグラフィ方式の立体画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の出射方向を特定する構造物を備えた発光素子及びこの発光素子を用いた立体画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、像再生型立体表示の代表的な方式として、ホログラフィ、パララクスステレオグラム、レンチキュラシート、インテグラル・フォトグラフィ（以下ＩＰと称す）などが知られている。ホログラフィを除く、これらの方式の実用化に関しては、コヒーレント光を必要としない簡易な方式で早期に実現可能と考えられている。また、ＩＰは水平方向に加え、垂直方向の視差情報も表現することができるため、自然な立体表示が可能な装置の早期実現に有望であると考えられている（例えば非特許文献１参照）。
【０００３】
ＩＰの表示システムは、光線を再生する多数の微小なレンズ（要素レンズ）を配列したレンズアレイと、各レンズに対応した画像（要素画像）を多数並べて表示するディスプレイとによって構成される。観察者は、１つの要素レンズに対応する１つの要素画像から、観察者の位置に応じた部分的な情報を得、要素画像を要素レンズの数だけ並べた立体像を観察する。ＩＰの表示システムにおいて、立体像の解像度は、要素レンズの解像度と、要素画像の解像度と、観視距離とで決まる。また、ＩＰの表示システムの視域角については、要素レンズの性能が支配的な要因になる。このような事情から、実用的な立体像をＩＰ方式で生成するには、発光素子と光学素子の高精細化・高機能化が不可欠である（例えば非特許文献２参照）。
【０００４】
しかし、発光素子と光学素子の高精細化が進んでも、レンズを使用する光学系には、レンズの回折限界や焦点距離のように原理的に取り除くことができない性能限界も存在する。例えばディスプレイの画素サイズが、要素レンズの最小スポットサイズより小さくなると、映像ボケが発生するため、同時にスポットサイズも小さくする必要があるが、スポットサイズをＡｂｂｅの回折限界より小さくすることは原理的に不可能である。
【０００５】
また、レンズを用いたシステムでの視域角は、要素レンズの焦点距離に反比例するが、視域角を大きくするために要素レンズの焦点距離を無限に小さくすることはできない。更に、視域角は、要素レンズのピッチに比例もするため、要素レンズのピッチを大きくすれば視域角の拡大が可能であるが解像度が劣化するので、レンズを用いた光学系における解像度と視域角には、トレードオフの関係がある。
【０００６】
一方、発光素子の分野においては、自発光素子であるＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）は、近年、その発光特性が飛躍的に進歩したことから、各種用途で注目を集めている。ＬＥＤは、照明器具などへの応用においては光を拡散させる仕組みが必要となるほど放射光の直進性が強く、色純度の高さなど発光特性にも優れることから、ディスプレイの用途に有望なデバイスと考えられる。
ディスプレイの用途としては、例えば、特許文献１に、ウェハに形成したＬＥＤを画素ごとに分離したのちに実装基板に転写して製作される、微細なＬＥＤを２次元的に配列した高精細な画像表示装置が記載されている。
【０００７】
また、ＬＥＤの表面側に設けられる電極は、画素の開口率に関係するとともに、各画素の制御を確実に行う必要性から、様々な提案がなされており（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４など）、ＬＥＤの放射光の取り出し効率改善を目的とした微細構造をディスプレイに応用する試みも提案されている（特許文献５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−６２８２５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１４６５９７号公報
【特許文献３】特開２０１１−１１４０７５号公報
【特許文献４】特開２０１０−１７１２８９号公報
【特許文献５】特開２００７−２２７３５５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「超高精細映像技術・立体映像技術」、電子情報通信学会誌、２０１０年５月、Ｖｏｌ．９３，Ｎｏ．５，ｐ．３７２−３８１
【非特許文献２】財団法人機械システム振興協会・財団法人光産業技術振興協会、「自然な立体視を可能とする空間像の形成に関する調査研究報告書−要旨−」、システム技術開発調査研究１９−Ｒ−５，２００８年３月，ｐ．１４−１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
立体画像の形成には、前記したようにレンズ又は表面形状を用いた光波制御が欠かせない。しかし、実装基板上に配置されたＬＥＤには実装基板側から接する電極の他に、光出力を得る側であるＬＥＤの表面側にも電極が形成されるため、表面にレンズを配置したり微細な構造物を形成したりするには、加工に充分な面積の開口部を確保する構造的な工夫が必要である。ディスプレイの高精細化のために画素の微細化・高密度化を図る上で、開口部への影響が少ない表面側の電極の構成が望まれている。
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載された画像表示装置においては、チップに分離されたＬＥＤからなる画素が実装基板上に配列され、更には近傍に電極を配置する必要があるが、電極の構成については開示されていない。また、特許文献２から特許文献５に記載されたＬＥＤは、何れも光出射面側に電極を設ける構成であり、表面に充分な開口を得られる構造の提案は見られない。
そこで、本発明は、光の出射方向を特定する構造体を備え、画素の微細化・高密度化に適した発光素子及びこの発光素子を備えた立体画像表示装置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】
【００１２】
前記した課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の発光素子は、第１半導体層と、発光層と、第２半導体層とがこの順で積層され、前記第１半導体層と接続する第１電極と、前記第２半導体層と接続する第２電極と、を備えた発光構造部を有する発光素子であって、前記第２半導体層の一部又は前記第２半導体層の上面に、前記発光層から出射した光の方向を特定するための構造物を有する出射方向特定部を備え、前記第１電極は、前記構造物の直下であって、前記第１半導体層の下面の一部と接触するように設けられ、前記第２半導体層のキャリア移動度が前記第１半導体層のキャリア移動度よりも大きく、かつ前記発光層において前記第１半導体層を移動するキャリアと、前記第２半導体層を移動するキャリアとが再結合して発光する際に、当該再結合に要する時間である再結合時間が、当該再結合によって消滅したキャリアの補充に要する時間である緩和時間より短いように構成した。
【００１３】
かかる構成によれば、発光素子は、第１電極及び第２電極間に電圧が印加されると、第１電極から第１半導体層を輸送層としてキャリア（例えば、第１半導体層をｐ型半導体層とすると、キャリアは正孔）が移動し、第２電極から第２半導体層を輸送層としてキャリア（例えば、第２半導体層をｎ型半導体層とすると、キャリアは電子）が移動し、両半導体層を移動してきたキャリアは発光層で再結合して発光して消滅する。このとき、発光層で消滅したキャリアを補充するために、第１半導体層を移動するキャリアが、第２半導体層を移動するキャリアよりも遅く、かつキャリアが補充される緩和時間よりも、再結合時間の方が短い。このため、発光層において、第１電極から第１半導体層を介して発光層に最も迅速にキャリア（正孔）が補充される領域である第１電極の直上領域でキャリアの再結合が発生する頻度が高く、選択的に発光する。
また、発光層の第１電極の直上領域で発光した光は、第１電極の直上に設けられた構造物に入射され、この構造物によって特定される予め定められた方向に光が出射される。
【００１４】
請求項２に記載の発光素子は、請求項１に記載の発光素子において、前記第２電極が、平面視において、前記第２半導体層の上面もしくは側面、又は前記第２半導体層と電気的に導通する前記出射方向特定部の前記構造物を除く上面もしくは側面であって、前記第１電極と前記第１半導体層との接続領域と重ならない領域に設けられるように構成した。
かかる構成によれば、発光素子は、発光層の第１電極の直上領域に、第２半導体層又は第２半導体層及び出射方向特定部を介して第２電極から均一にキャリアを供給すると共に、第１半導体層を介して第１電極からキャリアを供給する。そして、発光層の第１電極の直上領域で発光し、発光した光は、第１電極の直上領域を避けて設けられた第２電極に邪魔されることなく構造物に入射又は構造物から出射される。
【００１５】
請求項３に記載の発光素子は、請求項２に記載の発光素子において、前記第２電極が、平面視において、前記第２半導体層の上面又は前記第２半導体層と電気的に導通する前記出射方向特定部の前記構造物を除く上面であって、前記第１電極と前記第１半導体層との接続領域と重ならない領域全体を覆うように設けられるように構成した。
かかる構成によれば、発光素子は、発光層の第１電極の直上領域に、第２半導体層又は第２半導体層及び出射方向特定部を介して第２電極からより均一にキャリアを供給する。そして、発光素子は、発光層の第１電極の直上領域でより強い光を発光して、構造物に入射させる。
【００１６】
請求項４に記載の発光素子は、請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の発光素子において、前記構造物が、柱頭の出射面から光を出射するＮ本（Ｎは３以上の整数）の柱状部を有し、前記Ｎ本の柱状部は、前記発光層から放射される光が干渉可能な範囲内に環状に配置され、前記Ｎ本の柱状部の内、少なくとも１本の柱の高さが他の柱の高さと異なり、前記柱状部の柱の高さの差が、前記柱状部の内部における前記発光層が出射する光の波長の半分以下であるように構成した。
【００１７】
かかる構成によれば、発光層からの光が構造物に入射され、複数の柱状部の出射面である柱頭から出射される。これらの出射面から出射された光は、発光素子の性質に基づいた低い干渉性を持っているため、複数の柱状部から出射される光が離れ過ぎない本構成によれば、互いに干渉して合成され光線が形成される。また、発光素子は、複数の柱状部のうちの少なくとも１本の高さをその他の柱状部の高さと異なるように構成することで、それぞれの出射面から出射された光に位相差を設け、当該位相差に応じた方向に光線を出射する。すなわち、発光素子は、予め設定された柱状部の高さの差に応じた特定の方向に光線を出射する。
【００１８】
請求項５に記載の発光素子は、請求項４に記載の発光素子において、平面視において、前記第１電極の面積が、前記Ｎ本の柱状部を囲む外接円の面積以下であるように構成した。
かかる構成によれば、発光素子は、第１電極の直上領域の発光層で発光した光が、各柱状部の出射面以外の発光素子の表面から漏れ出るのを抑制する。これによって、発光素子の表面から漏れ出た光と、各柱状部の出射面から出射された光との余分な干渉を抑制する。
【００１９】
請求項６に記載の発光素子は、請求項４又は請求項５に記載の発光素子において、平面視において、前記第１電極の面積が、前記Ｎ本の柱状部の面積の総和以上であるように構成した。
かかる構成によれば、第１電極の直上領域の発光層で発光した光の大部分を、各柱状部に入射させる。これによって、各柱状部の出射面から出射される光の強度が高くなる。
【００２０】
請求項７に記載の発光素子は、請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の発光素子において、前記構造物が、上面から柱状に凹んだＮ本（Ｎは３以上の整数）の柱状凹部を有し、前記Ｎ本の柱状凹部は、前記発光層から発光する光が可干渉な範囲内に環状に設けられ、前記Ｎ本の柱状凹部の内、少なくとも１本の柱状凹部の深さが他の柱状凹部の深さと異なり、前記柱状凹部の深さの差が、前記柱状凹部の内部における前記発光層が出射する光の波長の半分以下であるように構成した。
【００２１】
かかる構成によれば、発光層からの光が構造物に入射され、複数の柱状凹部の出射面である底面から出射される。これらの出射面から出射された光は、発光素子の性質に基づいた低い干渉性を持っているため、複数の柱状部から出射される光が離れ過ぎない本構成によれば、互いに干渉して合成され光線が形成される。また、発光素子は、複数の柱状凹部のうちの少なくとも１つの深さをその他の柱状凹部の深さと異なるように構成することで、それぞれの出射面から出射された光に位相差を設け、当該位相差に応じた方向に光線を出射する。すなわち、発光素子は、予め設定された柱状凹部の深さの差に応じた特定の方向に光線を出射する。
【００２２】
請求項８に記載の発光素子は、請求項７に記載の発光素子において、平面視において、前記第１電極の面積が、前記Ｎ本の柱状凹部を囲む外接円の面積以下であるように構成した。
かかる構成によれば、発光素子は、第１電極の直上領域の発光層で発光した光が、各柱状凹部の出射面以外の発光素子の表面から漏れ出るのを抑制する。これによって、発光素子の表面から漏れ出た光と、各柱状凹部の出射面から出射された光との余分な干渉を抑制する。
【００２３】
請求項９に記載の発光素子は、請求項７又は請求項８に記載の発光素子において、平面視において、前記第１電極の面積が、前記Ｎ本の柱状凹部の面積の総和以上であるように構成した。
かかる構成によれば、第１電極の直上領域の発光層で発光した光の大部分を、各柱状凹部に入射させる。これによって、各柱状凹部の出射面から出射される光の強度が高くなる。
【００２４】
請求項１０に記載の発光素子は、請求項４乃至請求項９の何れか一項に記載の発光素子において、前記出射方向特定部の屈折率が、前記第２半導体層の屈折率よりも小さいように構成した。
かかる構成によれば、発光素子は、屈折率の小さな各柱状部又は各柱状凹部を導波する際に生じる位相差に応じて、光線の出射方向を特定する。
【００２５】
請求項１１に記載の立体画像表示装置は、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、基板上に、請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の発光素子を画素として２次元アレイ状に配列して設けた表示パネルと、少なくとも１つの前記画素を選択する画素選択手段と、を備え、前記画素選択手段によって前記画素を選択して、選択した当該画素の発光と非発光とを制御するように構成した。
【００２６】
かかる構成によれば、立体画像表示装置は、画素選択手段によって、画素として２次元アレイ状に配列して設けられた発光素子を選択して、発光と非発光とを制御し、表示パネルにインテグラル・フォトグラフィ方式の立体画像を表示する。このとき、例えば、複数の柱状部や複数の柱状凹部で構成された出射方向特定部によって、光の干渉を利用して各画素からの光線の出射方向が特定される。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１に記載の発明によれば、発光層の第１電極の直上領域を選択的に発光させることができるため、第１電極の形状を定めるだけで、出射方向特定部の構成に応じた発光層の必要な領域を発光させることができる。また、第２電極の配置によって出射方向特定部の構成が影響されないため、発光素子の微細化・高密度化が可能となる。
請求項２に記載の発明によれば、第１電極の直上領域に第２電極を設けないため、発光層で発光した光を効率的に構造物に入射し、構造物から強い光線を出射することができる。
請求項３に記載の発明によれば、第１電極の直上領域を除く領域全体に第２電極を設けたため、発光層の第１電極の直上領域でより強い光を発光して構造物に入射し、構造物からより強い光線を出射することができる。
【００２８】
請求項４又は請求項７に記載の発明によれば、複数の柱状部又は複数の柱状凹部を設けるという簡単な構成の構造物で光の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。
請求項５又は請求項８に記載の発明によれば、発光素子の表面から漏れ出た光と、各柱状部又は各柱状凹部の出射面から出射された光との余分な干渉が抑制されるため、発光素子から出射される光線の方向の任意性が向上することができる。
請求項６又は請求項９に記載の発明によれば、各柱状部又は各柱状凹部の出射面から出射される光の強度を高くすることができるため、発光素子から出射される光線の明瞭性を向上することができる。
請求項１０に記載の発明によれば、屈折率の小さな材料で構成された各柱状部又は各柱状凹部を導波する際に生じる位相差に応じて、光線の出射方向を特定するため、所望の位相差を生じさせるために必要な柱状部の高さの差又は柱状凹部の深さの差の精度を緩和することができる。
請求項１１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。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発光素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る発光素子の構成を示す模式図であり、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における模式的断面図を示す。
【図３】本発明における発光構造部の一条件における動作を説明するための説明図である。
【図４】本発明における発光構造部の動作を説明するための説明図であり、（ａ）、（ｂ）はキャリア濃度分布と再結合の様子を示し、（ｃ）は発光構造部の模式的断面図を示す。
【図５】本発明における発光構造部の他の条件における動作を説明するための説明図である。
【図６】本発明における発光構造部から外部に光が放射される領域を説明するための模式的断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る発光素子の柱状部の配置を説明するための模式的平面図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る発光素子の柱状部の配置と発光領域との関係を説明するための模式的平面図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る発光素子による出射方向を特定する原理を説明するための模式的断面図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る発光素子の製造方法における工程の一部を説明するための模式図であり、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における模式的断面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る発光素子の製造方法における工程の一部を説明するための模式図であり、（ａ）〜（ｃ）は各工程における模式的断面図である。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る発光素子の製造方法における工程の一部を説明するための模式図であり、（ａ）〜（ｃ）は各工程における模式的断面図である。
【図１３】本発明の第１実施形態に係る発光素子の製造方法における工程の一部を説明するための模式図であり、（ｂ）は模式的平面図、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ線における模式的断面図である。
【図１４】本発明の第１実施形態の変形例に係る発光素子の構成を示す模式図であり、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における模式的断面図を示す。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る発光素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図１６】本発明の第２実施形態に係る発光素子の構成を示す模式図であり、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における模式的断面図を示す。
【図１７】本発明の第２実施形態の変形例に係る発光素子の構成を示す模式図であり、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における模式的断面図を示す。
【図１８】本発明の第３実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイの概念図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は斜視図である。
【図１９】本発明の第３実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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、各図面に示される部材等のサイズや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。
【００３１】
＜第１実施形態＞
［発光素子の構造の概要］
まず、第１実施形態に係る発光素子１の構造について、図１及び図２を参照して説明する。本実施形態に係る発光素子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及び図２に示すように、本実施形態に係る発光素子１は、光を発する発光構造部２と、発光構造部２から放射された光を特定の方向に出射させる出射方向特定部３と、を積層して構成されている。
【００３２】
発光構造部２は、ｐ型半導体層（第１半導体層）２１と、発光層２２と、ｎ型半導体層（第２半導体層）２３と、がこの順で積層され、ｐ型半導体層２１と電気的に接続するｐ側電極（第１電極）２４と、ｎ型半導体層２３と電気的に接続するｎ側電極（第２電極）２５とを備えて構成されている。発光構造部２は、陽極であるｐ側電極２４と陰極であるｎ側電極２５の間に所定のレベルの電圧パルスを印加することで、ｐ型半導体層２１に正孔が注入され、ｎ型半導体層２３に電子が注入され、発光層２２で正孔と電子とが再結合して発光するＬＥＤ素子である。ｐ側電極２４は、ｐ型半導体層２１の下面側の一部である中央部と接触するように設けられ、ｐ型半導体層２１との接触面が円形状となるように設けられている。また、ｎ側電極２５は、ｎ型半導体層２３の側面の一部と接触するように設けられている。
【００３３】
本実施形態においては、ｎ型半導体層２３におけるキャリアである電子の移動度（キャリア移動度）は、ｐ型半導体層２１におけるキャリアである正孔の移動度（キャリア移動度）よりも大きく、また発光層２２におけるキャリアの再結合時間が、キャリアの拡散時間に比べて短い半導体材料を用いて構成されている。このため、発光層２２において、ｐ側電極２４とｐ型半導体層２１との接触面の直上であって、当該接触面と略同じ平面形状の発光領域２２ａでキャリアの再結合が頻繁に生じて光を発光する。
なお、キャリア移動度と再結合時間と発光領域との関係の詳細については後記する。
【００３４】
ｐ型半導体層（第１半導体層）２１は、ｐ側電極２４から注入されるキャリアである正孔を輸送する輸送層であり、下面の中央部に平面視で円形状に接触するｐ側電極２４が設けられている。
ｎ型半導体層（第２半導体層）２３は、ｎ側電極２５から注入されるキャリアである電子を輸送する輸送層であり、側面の一部に接触するｎ側電極２５が設けられている。また、ｎ型半導体層２３の上面には、出射方向特定部３が設けられており、発光層２２の発光領域２２ａで発光した光を出射方向特定部３に導光する。ｎ型半導体層２３におけるキャリア移動度は、ｐ型半導体層２１におけるキャリア移動度よりも大きくなるように半導体材料が選択されている。
ｐ型半導体層２１及びｎ型半導体層２３は、それぞれ単層構成とすることができるが、多層構造とすることもできる。
【００３５】
発光層２２は、ｐ型半導体層２１とｎ型半導体層２３との界面に設けられ、ｐ型半導体層２１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２３を介して輸送されるキャリアである電子とが再結合して発光する層である。発光層２２は、ｐ型半導体層２１及びｎ型半導体層２３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側電極２４とｐ型半導体層２１との接触面の直上領域及びその近傍である発光領域２２ａが発光し、他の領域は発光しないように構成されている。
【００３６】
ｐ型半導体層２１、発光層２２及びｎ型半導体層２３からなる半導体層としては、ＧａＮ系やＧａＡｓ系などの化合物半導体、シリコン系の半導体などを用いることができる。また、発光領域２２ａをｐ側電極２４とｐ型半導体層２１との接触面の直上領域に一致させるためには、ｐ型半導体層２１及びｎ型半導体層２３におけるキャリア移動の差が大きいほど好ましく、かつキャリアの再結合時間がキャリア移動度で定められるキャリアの拡散時間に比べて十分に小さいことが好ましい。このような半導体材料として、ＧａＮ系の化合物半導体を好適に用いることができる。
また、発光層２２は、多層構成の量子井戸層を形成するようにしてもよい。
【００３７】
なお、本実施形態において、発光構造部２は、ｐ型半導体層２１が下層となるように構成したが、ｎ型半導体層２３におけるキャリア移動度よりも大きなキャリア移動度を有するｐ型半導体層２１を用いる場合は、ｎ型半導体層２３が下層となるように構成することができる。
【００３８】
発光領域２２ａは、発光層２２の、ｐ側電極２４とｐ型半導体層２１との接触面の直上領域及びその近傍に位置する領域である。前記したように、発光領域２２ａは、ｐ型半導体層２１及びｎ型半導体層２３におけるキャリア移動度と再結合時間との関係により、発光層２２において選択的に発光する領域である。
【００３９】
ｐ側電極（第１電極）２４は、構造物３ａの直下であって、ｐ型半導体層２１の下面に設けられ、ｐ型半導体層２１にキャリアを注入するための正電極である。ｐ側電極２４は、円柱形状をしており、その円形の上面がｐ型半導体層２１の下面の一部と接触するように設けられている。ｐ側電極２４は、金属又はＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）などの導電性化合物で構成される。また、ｐ側電極２４は、複数種類の導電材料を積層した多層構造としてもよい。
なお、ｐ側電極２４の形状は円柱状に限定されず、角柱状、針状、球状、半球状など、任意の形状とすることができる。また、ｐ型半導体層２１との接触面の形状は、円形状に限定されず、楕円形や多角形とすることもでき、接触面の形状及び大きさは、構造物３ａの構造に応じて定めることができる。
また、ｐ側電極２４は、ｐ型半導体層２１を支持するための絶縁材料によって、ｐ型半導体層２１との接触面及び電源又は信号を入力するための配線との接続部以外を囲まれるようにしてもよい。
【００４０】
ｎ側電極（第２電極）２５は、ｎ型半導体層２３の側面の一部に設けられ、ｎ型半導体層２３にキャリアを注入するための負電極である。ｎ側電極２５は、ｎ型半導体層２３の一部と接触するように設けられればよく、側面の一部に限定されず、側面の上部を囲むように設けたり、平面視で構造物３ａが設けられた領域を除く上面の外縁部に設けたりしてもよい。何れにしても、ｎ型半導体層２３の上面に構造物３ａを設ける上で、障害とならない箇所に設けることが好ましい。ｎ側電極２５は、前記したｐ側電極と同様に、金属や導電性化合物を用いて構成することができる。
【００４１】
出射方向特定部３は、発光構造部２の上面側に設けられ、発光構造部２の発光層２２が発光する光を、光の干渉作用を利用して発光素子１から出射する光の方向を特定する構造物３ａを有している。本実施形態では、出射方向特定部３は、底部３０の上面３０ａに構造物３ａを有している。
底部３０の上面３０ａは、構造物３ａが設けられた領域以外は平坦面であり、所定領域を取り囲むように、３つ以上の柱（柱状部）を有し、少なくとも一つの柱状部の底部３０の上面３０ａからの高さ（以下、単に「柱状部の高さ」という）が、他の柱状部の高さと異なり、これらすべての柱状部の上面から光を射出する。そして、これらの柱状部の上面から出射する光同士の干渉を利用して、特定の方向に強度を有するようにするものである。
【００４２】
構造物３ａは、発光構造部２の発光層２２が発光する光を、光の干渉作用を利用して発光素子１から出射する光の方向を特定するものである。本実施形態においては、構造物３ａは、横断面が円形状の３つの柱状部３１，３２，３３から構成されている。なお、本実施形態においては、柱状部３３が柱状部３１，３２よりも低いものとして説明する。
【００４３】
底部３０は、出射方向特定部３の土台となる部分であり、発光構造部２の上面に接している。底部３０の上面３０ａは、構造物３ａが設けられた領域を除いて平坦面であり、構造物３ａとして、３つの柱状部３１，３２，３３が設けられている。
柱状部３１，３２，３３は、底部３０を介して、発光構造部２から入射される光を伝搬させ、それぞれの上面３１ａ，３２ａ，３３ａから出射する導光部材である。柱状部３１，３２，３３は、底部３０の上面において、柱状部３３の底部３０の上面からの高さは、柱状部３１，３２の底部３０の上面からの高さより低くなるように形成されている。柱状部３１，３２，３３の上面３１ａ，３２ａ，３３ａから出射された光は干渉し合い、柱状部３１，３２，３３の配置に応じた方向（底部３０の上面３０ａに平行な平面内の方位、及びその平面に対する仰角）に強度を有する光線が出射方向特定部３から出射される。
なお、出射方向特定部３により光の出射方向を特定する原理の詳細については、後記する。
【００４４】
出射方向特定部３は、入射される光に対して透光性を有する材料で構成することができる。例えば、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などの誘電体材料を用いることができる。また、ｎ型半導体層２３と同様の半導体材料を用いて構成することもできる。
また、本実施形態における出射方向特定部３は、底部３０を介して柱状部３１，３２，３３を設けるように構成したが、これに限定されるものではない。例えば、底部３０を設けずに、構造物３ａである柱状部３１，３２，３３を、直接に発光構造部２の上面に設けるようにしてもよい。また、発光構造部２の上面に出射方向特定部３を設けるのではなく、発光構造部２の上部であるｎ型半導体層２３の一部（例えば、ｎ型バッファ層）を加工して、柱状部３１，３２，３３を形成するようにしてもよい。
また、柱状部３１，３２，３３は、円柱形状に限定されるものではなく、多角柱であってもよい。また、柱状部の数は、３本以上であればよく、例えば、６本とすることもできる。
【００４５】
［キャリア移動度と再結合時間と発光領域との関係］
次に、図３から図５を参照して、ｐ型半導体層２１及びｎ型半導体層２３におけるキャリア移動度とキャリアの再結合時間と発光領域２２ａとの関係について説明する。なお、ここでは、ｐ型半導体層２１におけるキャリアを正孔とし、ｎ型半導体層２３におけるキャリアを電子とし、電子の移動度は、正孔の移動度よりも大きいものとして説明する。
図３の左側に示すように、ｐ側電極２４とｎ側電極２５との間に電圧を印加すると、発光構造部２において、模式的に電気力線（破線）で示したように電界が形成される。
ｐ型半導体層２１におけるキャリアである正孔及びｎ型半導体層２３におけるキャリアである電子は、この電界を打ち消すように移動する。その結果、図３の右側に模式的に示したように、キャリア濃度分布が形成される。
なお、図３の右側に示したキャリア濃度分布の図は、左側に示した発光構造部２における二点鎖線に沿った横断面を斜め上方から観察した様子を示したものであり、濃く示した領域ほどキャリア濃度が高いことを示している。
また、図３においては、ｐ型半導体層２１とｎ型半導体層２３との接合部である発光層２２の近傍を拡大して示しており、アスペクトなどは、図１及び図２に示した発光構造部２と正確に対応しているものではない。後記する図４、図５についても同様である。
【００４６】
図３に示したキャリア濃度分布のように分布した電子と正孔とは、ある確率に基づいて再結合し、光を発して消滅する。このため、再結合に伴って電界（すなわち、電荷分布）は変動する。そして、電子と正孔とは、電荷が失われた領域における濃度勾配を解消するように移動する。このとき、再結合に要する時間（以下、再結合時間という）が、電子と正孔とが濃度勾配を解消するべく移動に要する時間（以下、緩和時間という）に比べて十分に速い（短い）場合は、電界は、図３に示した定常的な状態には戻らない。これは、再結合時間が、キャリアの輸送層であるｐ型半導体層２１及びｎ型半導体層２３における緩和時間よりも短い場合は、電子と正孔とは、対になる条件が揃った時点で直ぐに再結合して消滅するためである。
なお、再結合時間が緩和時間に比べて十分に短いかどうかについては、キャリアが電極のサイズと同程度の領域に広がるのに要する時間である拡散時間を用いた評価の説明において後述する。
【００４７】
図４を参照して、ｎ型半導体層２３におけるキャリア移動度がｐ型半導体層２１におけるキャリア移動度よりも大きく、再結合時間が緩和時間に比べて十分に小さい場合の発光領域２２ａについて説明する。
再結合が起こらないことを仮定した初期状態では、図４（ａ）に示すように、キャリア濃度分布は、電界分布に依存した分布となる。このとき、発光層２２において再結合が発生する頻度は、電界の勾配が大きな領域Ｌ、すなわち、ｐ型半導体層２１内の正孔濃度の高い領域の点Ｐ１とｎ型半導体層２３内の対応する点Ｑ１間、ないしｎ型半導体層２３内の電子濃度の高い領域の点Ｑ２とｐ型半導体層２１内の対応する点Ｐ２間で高くなる。
【００４８】
再結合が発生してキャリアが消滅すると、一時的にｐ型半導体層２１及びｎ型半導体層２３において、発光層２２の近傍のキャリア濃度が低下する。ここで、移動度の大きい（移動の速い）キャリアである電子は、移動度の小さい（移動の遅い）キャリアである正孔が発光層２２に到達するまでの間に、濃度勾配を緩和するべく対応する半導体層内に偏在する。すなわち、図４（ｂ）に示すように、電子の高濃度領域の点Ｑ２のみならず、電子の低濃度領域の点Ｑ１においても、電子が速やかに補充される。
【００４９】
一方、キャリア移動度の小さな正孔は、図４（ｂ）に示すように、正孔濃度の高濃度領域の点Ｐ１に対しては比較的速く補充されるが、正孔の低濃度領域の点Ｐ２に対しては補充に時間がかかる。従って、再結合の発生が連続すると、正孔の低濃度領域においては、キャリア（正孔）不足の状態となる。このため、再結合の発生する頻度は、正孔の高濃度領域Ｌ１で高く、正孔の低濃度領域Ｌ２では低くなる。
従って、図４（ｃ）に示すように、電界強度が高いために高い正孔濃度が維持される発光層２２のｐ側電極２４の直上近傍の発光領域２２ａで、選択的に再結合が発生する。
この傾向はｐ型半導体層２１とｎ型半導体層２３とにおけるキャリア移動度の差が大きいほど顕著となるので、その差を充分に大きくとれば、ｎ側電極２５の配置に関わらず、ｐ側電極２４の形状とサイズとに応じた局在発光が得られるようになる。すなわち、発光層２２のｐ側電極２４の直上領域を、局所的に光を発する発光領域２２ａとすることができる。
【００５０】
次に、図５を参照して、再結合時間が緩和時間に比べて十分には短くない場合、又はｐ型半導体層２１及びｎ型半導体層２３におけるキャリア移動度の差が十分には大きくない場合の発光領域２２ａついて説明する。
再結合時間が長い場合に起こる現象と、キャリアの移動度の差が小さい場合に起こる現象とは見かけ上は同様であり、右側の図に示すように、ｐ型半導体層２１のキャリア（正孔）の高濃度領域と、ｎ型半導体層２３のキャリア（電子）の高濃度領域とを結んだ領域に広がった領域Ｌで発光が得られる。すなわち、発光構造部２においては、左側の図に示すように、ｐ側電極２４の直上領域に対して、ｎ側電極２５寄りの領域が発光領域２２ａとなる。
【００５１】
再結合時間が長い場合には、キャリア濃度は常に図３に示したような分布を取ることが可能である。このため、双方の高濃度領域が等しく発光領域の拡大に影響する。
一方、キャリア移動度の差が小さい場合には、電界分布が図３に示した分布に近いものとなる。このため、キャリアの移動は電気力線に沿ったものとなり、発光は電気力線の密なる部分に広がって得られる。
【００５２】
これらの条件では発光領域２２ａは、電極に印加される電圧により形成される電界の強度に依存するため、発光が局在化される効果が低下する。すなわち、これらの条件では、発光領域２２ａの場所は、ｐ側電極２４及びｎ側電極２５の両方の電極の配置に依存することとなる。
従って、このような場合においては、ｎ側電極２５がｎ型半導体層２３の表面を均一に覆うように配置したり、ｎ側電極２５がｎ型半導体層２３の表面の少なくともｐ側電極２４の上方領域を取り囲むように、ｐ側電極２４の上方領域以外を覆うように配置したりすることで、ｎ型半導体層２３におけるキャリア濃度分布が一様ないし略一様にすることができる。そして、これによって、ｐ側電極２４の形状及び配置に応じた局所的な発光を得ることが可能である。特に、ｎ側電極２５を、ｐ側電極２４が配置された領域の中心軸に対して、対称になるように配置することが好ましい。これによって、ｎ型半導体層２３における電子の濃度分布が、ｐ側電極２４が配置された領域の中心軸に対して対象となるため、発光領域２２ａとｐ側電極２４が配置された領域の中心軸とが一致する。すなわち、ｐ側電極が配置された領域の直上領域を発光領域２２ａとすることができる。
【００５３】
［発光領域の設定の具体例］
次に、本実施形態に構成とその効果について適宜図１及び図２を参照して、具体的な数値を用いて説明する。
ここでは、発光素子１において、ｐ型及びｎ型のＧａＮ系の化合物半導体をｐ型半導体層２１及びｎ型半導体層２３として用いた場合について説明する。
【００５４】
まず、緩和時間であるキャリアの拡散時間を、拡散方程式の一般解を用いて見積もる。
ここで、拡散方程式について簡単に説明する。
粒子の密度をｎ、その拡散係数をＤとしたときに、拡散方程式は式（１）のように表される。
∂ｎ／∂ｔ  ＝  Ｄ∇２ｎ    …式（１）
ここで、ｔは時刻を示す。
この拡散方程式の解は、時刻ｔ＝０、位置ｒにおける粒子の密度をｎ＝Ｎδ（ｒ）とすると、式（２）のようになる。
ｎ（ｒ，ｔ）  ＝  Ｎ／（４πＤｔ）３／２ｅｘｐ［−ｒ２／２Ｄｔ］  …式（２）
【００５５】
このとき、位置ｒの分散<ｒ２>の時間微分は、式（３）のように表される。
ｄ<ｒ２>／ｄｔ＝１／Ｎ・∫∫∫ｒ２ｎ（ｒ）ｄＶ＝６Ｄ  …式（３）
ここで、∫∫∫ｄＶは、粒子ｎが存在しうる３次元空間の全領域についての積分を示す。
式（３）より、拡散過程では、
<ｒ２>＝６Ｄｔ    …式（４）
となる。
【００５６】
また、拡散係数とキャリア移動度とは、式（５）に示すアインシュタインの関係式の関係がある。
Ｄ  ＝  （ｋＴ／ｑ）・μ    …式（５）
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、μはキャリアである粒子の移動度を示す。
【００５７】
ここで、ＧａＮのｎ型半導体におけるキャリア（電子）の移動度は１２００［ｃｍ２／Ｖｓ］、ｐ型半導体におけるキャリア（正孔）の移動度は１０［ｃｍ２／Ｖｓ］以下とされている（参考文献１参照）。
式（５）より、室温（Ｔ＝３００［Ｋ］）において、ＧａＮ系半導体における電子の移動度として１２００［ｃｍ２／Ｖｓ］を代入すると、電子の拡散係数Ｄｅは、３．１×１０−３［ｍ２／ｓ］となる。また、ＧａＮ系半導体における正孔の移動度として１０［ｃｍ２／Ｖｓ］を代入すると、正孔の拡散係数Ｄｈは、２．６×１０−５［ｍ２／ｓ］となる。
（参考文献１）：「ＧａＮパワーデバイス」、引田正洋ほか、Panasonic Technical Journal, Vol.55, No.2 (2009)
【００５８】
従って、電極の直径を１００［μｍ］としたとき、電極の直径の１０％である１０［μｍ］の範囲にキャリアが拡散する時間は、前記した拡散係数を用いて、式（４）により見積もることができる。ｎ型半導体層２３におけるキャリアの拡散時間である電子の拡散時間は、約５［ｎｓ］となり、ｐ型半導体層２１におけるキャリアの拡散時間である正孔の拡散時間は、約６００［ｎｓ］となる。すなわち、キャリアの拡散時間に顕著な差がある場合に相当する。
【００５９】
一方、ＧａＮ系半導体における再結合寿命は、３００［Ｋ］において、１００〜３００［ｐｓ］程度であるから（例えば、参考文献２参照）、何れのキャリアの拡散時間よりも再結合時間が十分に短い場合に相当する。前記したように、ｐ型半導体層（第１輸送層）２１とｎ型半導体層（第２輸送層）２３とにおけるキャリア移動度が２桁以上の差があることから、ｐ側電極２４のサイズが、所望の発光領域２２ａのサイズに相当すれば、ｎ側電極２５は、如何なる形状であってもよく、ｎ型半導体層２３の如何なる場所と接触するように配置してもよい。
（参考文献２）：S. F. Chichibu et al., Appl. Phys. Lett. 86, 021914 (2005)
【００６０】
なお、ｐ型半導体とｎ型半導体におけるキャリア移動度の差が大きい他の半導体としては、例えば、Ｓｉ系半導体（電子移動度＝１５００［ｃｍ２／Ｖｓ］、正孔移動度＝６００［ｃｍ２／Ｖｓ］）、ＧａＡｓ系半導体（電子移動度＝８５００［ｃｍ２／Ｖｓ］、正孔移動度＝４００［ｃｍ２／Ｖｓ］）を挙げることができる（参考文献１参照）。
【００６１】
次に、図６を参照して、所望の発光領域２２ａの直径（用途によっては画素サイズ）を１００μｍとした場合の、ｐ側電極２４の許容し得る最大の直径の求め方について説明する。なお、平面視における発光領域２２ａの形状及びｐ側電極２４の形状は円として説明するが、四角や楕円など、他の形状であっても同様にして求めることができる。
【００６２】
図６に示すように、平面視におけるｐ側電極２４の直径をＬｅ、発光領域２２ａの直径をＬｐ、発光構造部２の上面から出射する出射光の直径をＬｓとする。
前記したように、半導体としてＧａＮを用いた場合は、キャリア移動度と再結合時間との関係から、ｐ側電極２４の直径Ｌｅと、発光領域２２ａの直径Ｌｐとは、略同じとなる（Ｌｐ≒Ｌｅ）。発光領域２２ａから放射された光は、ｎ型半導体層２３を伝搬する際に広がりを生じるが、ｎ型半導体層２３から外部に放射される際に、ｎ型半導体層２３の屈折率（誘電率）と外部の屈折率とで決まる臨界角θｃによる制限を受けるため、外部に取り出される光の直径も制限される。すなわち、臨界角θｃよりも大きな入射角でｎ型半導体層２３と外部との界面に入射する光は、界面で全反射するため外部には取り出されない。この臨界角θｃとなるときの発光領域２２ａの直上領域からの広がりをｗとする。また、ｎ型半導体層２３の厚さをｄとする。
このとき、これらのパラメータの間には、式（６）の関係がある。
Ｌｓ＝Ｌｐ＋２ｗ
＝Ｌｐ＋２ｄ・ｔａｎθｃ  …式（６）
【００６３】
ここで、例えば、ｄ＝５μｍ、θｃ＝１９°とすると、外部に取り出される光の直径Ｌｓは、Ｌｅ＋３．４μｍとなる。従って、外部に取り出される光の直径Ｌｓを１００μｍとするために、ｐ側電極２４の直径が９３μｍとすることが求められる。
【００６４】
次に、図７及び図８を参照して、出射方向特定部３の構造物３ａを構成する３つの柱状部３１，３２，３３及び発光領域２２ａの形状と配置とについて説明する。
【００６５】
（柱状部の間隔）
柱状部３１，３２，３３は、発光素子１の発光領域２２ａから放出される光の波長λ０程度以上の径を有する。ここで、波長λ０は、自由空間における放射光の波長を示す。図７及び図８では柱状部３１，３２，３３の平面視での形状を円形で示した。各柱状部３１，３２，３３の太さは等しいものとした（半径をφとする）。柱状部３１，３２，３３は、図７に示すように、発光素子１の光の出射面において、所定の原点Ｍの周囲に均等な角度α（この例では、α＝１２０度）の方位に、互いに間隔ｐだけ離間して配置されている。また、柱状部３１，３２，３３の間隔ｐは、隣り合った柱状部３１，３２，３３から出射される光が干渉可能な程度に設定されている。すなわち、柱状部３１，３２，３３は、出射光の可干渉長以下であることが好ましい。なお、光の可干渉長は、光源である発光構造部２（図１参照）が放射する光の発光スペクトルの中心波長と半値幅とに依存する。光源がＬＥＤの場合は、例えば真空中において１０〜数十μｍ程度の長さとなる。
【００６６】
（複数の柱状部の配置の原点Ｍ）
図７に示した例では、所定の原点Ｍとは、素子上面において３つの柱状部３１，３２，３３により環状に取り囲まれた所定領域の中央に位置する点である。また、この原点は、柱状部３３の中心Ｏ3と、柱状部３２の中心Ｏ2と、柱状部３１の中心Ｏ1とから等距離にある点であり、中心Ｏ1，Ｏ2，Ｏ3を頂点とする正三角形の重心のことである。ここで、３つの柱状部３１，３２，３３は、円環状かつ均等に配置されることが好ましい。なお、柱状部３１，３２，３３により取り囲まれた所定領域の形状やサイズは、柱状部３１，３２，３３の直径とバランスを取りながら所望のものとして適宜設計できる。例えば柱状部３１，３２，３３の直径が、発光波長λ０の数波長程度分であれば、所定領域のサイズは、数分の１波長〜数波長程度とすることができる。
【００６７】
また、原点Ｍと柱状部３１，３２，３３の中心Ｏ1，Ｏ2，Ｏ3とをそれぞれ結んだ線上にある、原点Ｍから柱状部３１，３２，３３までの距離ρは、自由空間における放射光の波長λ０以下、例えば、１／４〜１波長程度であることが好ましい。特に距離ρを、柱状部３１，３２，３３の直径２φの１／４程度となるように設定すると、柱状部３１，３２，３３の出射面である上面３１ａ，３２ａ，３３ａ（図９参照）から出射する光を互いに干渉させて良好に成形し、十分な強度の光線を出射することができるため好ましい。
【００６８】
図９に示すように、柱状部３１，３２，３３の内で、２つの柱状部３１，３２の、基準面である底部３０の上面３０ａからの高さを、それぞれ基準となる高さＨとする。そして、柱状部３３の高さと他の柱状部３１，３２の高さとの差をδとするすると、柱状部３３の高さは（Ｈ−δ）となる。本実施形態においては、光の干渉によって指向性の良好な光線に成形するためには、高さの差δは、柱状部３１，３２，３３中における放射光の波長λ１以下とすることが好ましく、波長λ１の半分以下とすることがより好ましいことが、実験の結果として得られている。
【００６９】
ここで、波長λ１は、自由空間において波長λ０の光が、柱状部３１，３２，３３を光導波路として伝搬するときの波長である。一般に、半導体や誘電体などの誘電率は空気中（又は真空中）の誘電率よりも高いため、半導体や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、空気中（又は真空中）の光の速度をｃ、柱状部３１，３２，３３を構成する半導体や誘電体などの材料の屈折率をｎとすると、柱状部３１，３２，３３中を伝搬する光の速度は、ｃ／ｎで与えられる。
【００７０】
従って、波長λ１は、波長λ０の値を柱状部３１，３２，３３の内部の屈折率ｎで除することにより求めることができる。例えば、発光構造部２（図１参照）をＧａＮ系の半導体で構成して波長λ０が４０５ｎｍの青色光を放射し、柱状部３１，３２，３３を、屈折率ｎ＝２．６のＧａＮで構成する場合、柱状部３１，３２，３３を伝搬する光の波長λ１は、約１５６ｎｍである。
また、以下の説明において、柱状部３１，３２，３３によって出射方向を特定するに際して、機能の違いから、柱状部３１，３２を導波柱、柱状部３３を制御柱と呼ぶことがある。
【００７１】
（発光領域と柱状部との相互関係）
次に、図８を参照（適宜図１及び図２参照）して、発光領域２２ａの寸法と、柱状部３１，３２，３３の寸法との相互関係について説明する。
なお、以下の説明では、簡便のため、ｎ型半導体層２３及び出射方向特定部３は、同じ屈折率の材料で構成されているものとして説明する。異なる屈折率の材料で構成されている場合は、発光領域２２ａの寸法として、直径Ｌｐに代えて、前記した式（６）で算出されるＬｓを用いるものとする。
【００７２】
発光素子１は、前記したように、発光領域２２ａで発光した光が、ｎ型半導体層２３を介して柱状部３１，３２，３３に入射し、柱状部３１，３２，３３の内部を伝搬して、出射面である上面３１ａ，３２ａ，３３ａから出射した光の干渉によって光線を成形するものである。よって、柱状部３１，３２，３３の上面３１ａ，３２ａ，３３ａから出射した光の干渉によって成形される光線の強度は、発光領域２２ａで発光した光が、柱状部３１，３２，３３の内部に取り入れられる量によって変化する。そして、発光領域２２ａで発光した光が、柱状部３１，３２，３３の内部に取り入れられる量が一定量より少ないと、柱状部３１，３２，３３の上面３１ａ，３２ａ，３３ａから十分な強度の光が出射されず、これらの光の干渉によって明瞭な光線を成形することが困難となる。
【００７３】
一方、柱状部３１，３２，３３の上面３１ａ，３２ａ，３３ａから出射した光線の方向制御の任意性を向上させるためには、発光領域２２ａで発光し、柱状部３１，３２，３３の入射せずに素子表面（底部３０の露出した上面３０ａ）から漏れ出た光と、柱状部３１，３２，３３に入射して上面３１ａ，３２ａ，３３ａから出射した光とが、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。
【００７４】
これらを両立するためには、発光領域２２ａと、柱状部３１，３２，３３との間に、以下に説明する関係が成立するように、発光領域２２ａの寸法と柱状部３１，３２，３３の寸法とを規定することが望ましい。
【００７５】
図８に示すように、まず、３つの柱状部３１，３２，３３のすべてを囲むように、柱状部３１，３２，３３の外縁の一部に接するように描いた平面図形を想定する。ここでは、平面図形として、図８において二点差線で示したように、柱状部３１，３２，３３のすべてを囲む円形状の図形を想定する。この円の中心は、柱状部３１，３２，３３の中心Ｏ1，Ｏ2，Ｏ3を頂点とする正三角形の重心である原点Ｍと一致する（図７参照）。ここで、柱状部３１，３２，３３をすべて囲む最小の円の半径ｒＳＯは、原点Ｍから柱状部３１，３２，３３までの距離ρに、柱状部３１，３２，３３の直径２φを加えたものとなる。
【００７６】
従って、図８に示すように、柱状部３１，３２，３３をすべて囲む最小の円（二点差線で描画）の面積ＳＯと、発光領域２２ａ（破線で描画）の面積ＳＬと、柱状部３１，３２，３３の各面積ＳＰとは、それぞれ式（７）〜式（９）により求めることができる。
ＳＬ  ＝  πΨ２              …式（７）
ＳＯ  ＝  π（２φ＋ρ）２    …式（８）
ＳＰ  ＝  πφ２              …式（９）
【００７７】
ここで、式（７）におけるΨは、発光領域２２ａの半径である。
このとき、発光領域２２ａの面積ＳＬと、柱状部３１，３２，３３をすべて囲む最小の円の面積ＳＯとの間に、式（１０）の関係が成立することが望ましい。
ＳＬ  ≦  ＳＯ      …式（１０）
【００７８】
また、発光領域２２ａの面積ＳＬと、柱状部３１，３２，３３の各面積ＳＰの総和である面積３ＳＰとの間に、式（１１）の関係が成立することが望ましい。
３ＳＰ  ≦  ＳＬ      …式（１１）
【００７９】
なお、式（１１）において、面積ＳＰに乗ずる数は、柱状部の設置数に応じて変わるものである。
よって、これらをまとめると、光線の明瞭性の向上と、光線の方向制御の任意性の向上とを両立させるためには、式（１２）に示す関係が成立することが望ましい。
Ｎ×ＳＰ  ≦  ＳＬ  ≦  ＳＯ      …式（１２）
但し、Ｎは柱状部の設置数を示し、３以上の整数である。
【００８０】
前記した式（１２）に示したように、発光領域２２ａの面積ＳＬを、柱状部３１，３２，３３をすべて囲む最小の円の面積ＳＯ以下とすることで、発光領域２２ａで発光した光が、柱状部３１，３２，３３以外の素子表面（底部３０の露出した上面３０ａ）から漏れ出して、柱状部３１，３２，３３の上面３１ａ，３２ａ，３３ａ（図１参照）から出射した光と余分な干渉を引き起こすのを抑制することができるので、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、平面視において、発光領域２２ａの面積ＳＬは、前記したようにｐ側電極２４の面積、より正確にはｐ側電極２４の上面とｐ型半導体層２１の下面とが接触する面積と同じであるとみなすことができる。
【００８１】
また、式（１２）に示したように、発光領域２２ａの面積ＳＬを、柱状部３１，３２，３３の各面積ＳＰの総和である面積３ＳＰ以上とすることで、発光領域２２ａで発光した光のほとんどを柱状部３１，３２，３３の内部に入射させることができる。このため、柱状部３１，３２，３３の内部を伝搬して上面３１ａ，３２ａ，３３ａから出射される光の強度を高くすることができる。これによって、これらの光の干渉によって成形される光線の明瞭性を向上することができる。
【００８２】
［発光素子の柱状部から出射される光の干渉の原理］
次に、発光素子１から出射される光線の方向を特定する原理である、発光素子１の柱状部３１，３２，３３から出射される光の干渉の原理について図９を参照しつつ、適宜数式を用いて説明する。なお、柱状部３１及び柱状部３２は高さが同じであるので、図９及び数式を用いた説明では、簡便のため、高さの異なる２つの柱状部３２と柱状部３３とから出射される光の干渉を例に説明する。
【００８３】
図９に示した発光素子１において、底部３０の露出した上面３０ａを基準の位置（高度ｈ０）とする。また、柱状部３３の光の出射面である上面３３ａの位置を高度ｈ１、柱状部３２の光の出射面である上面３２ａの位置を高度ｈ２とし、柱状部３２と柱状部３３との水平方向の間隔をｐとする。また、柱状部３２，３３の中心軸から等距離の水平位置において、底部３０の露出した平坦な上面３０ａに垂直な軸方向（一点差線で描画）の所定地点Ｃの高度をｈ３とする。このとき、柱状部３２の高さＨ＝ｈ２−ｈ０であり、柱状部３３の高さ（Ｈ−δ）＝ｈ１−ｈ０である。これより、柱状部３２と柱状部３３との高さの差δ＝ｈ２−ｈ１である。
【００８４】
図９に示すように、発光素子１において発光領域２２ａから放射された光は、高い柱状部３２と低い柱状部３３とに分岐してそれぞれの柱状部３２，３３の上面３２ａ，３３ａから射出される。ここで、高い柱状部３２を通る場合に、１つの光路（以下、光路Ａという）として、柱状部３２中の点Ａ１と、柱状部３２の上面３２ａの中心点Ａ２とを経由して地点Ｃに達する光路を想定する。また、低い柱状部３３を通る場合に、１つの光路（以下、光路Ｂという）として、柱状部３３の上面３３ａの中心点Ｂ１と、点Ｂ１からδだけ高い位置Ｂ２とを経由して地点Ｃに達する光路を想定する。
【００８５】
光路Ａを通る光と光路Ｂを通る光とは、高度ｈ1までは屈折率が同じ媒質（出射方向特定部３）を同じ距離だけ進むので同位相のままである。このときの位相を初期位相θ０とすると、光路Ａでは点Ａ１において位相はθ０であり、光路Ｂでは点Ｂ１において位相はθ０である。
【００８６】
これら光路Ａを通る光と光路Ｂを通る光とは、高度ｈ１から高度ｈ２まで異なる媒質を進む。このとき、光路Ａでは媒質は柱状部３２（例えば、半導体や誘電体）であり、光路Ｂでは媒質は空気である。一般に、半導体や誘電体の誘電率は空気中（又は真空中）より高いため、半導体や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、大気中（又は真空中）の光の速度をｃ、半導体や誘電体の屈折率をｎとすると、半導体や誘電体中の速度は、ｃ／ｎで与えられる（例えばＧａＮであれば例えばｎ＝２.６）。このため、半導体や誘電体からなる発光素子１中で発生した光を２つに分岐して、一方をそのまま大気中（又は真空中）に射出し、かつ、他方を半導体や誘電体中を伝搬させてから射出した場合、それら２つの光が射出された後に出会うと、光路が異なるため、光の位相は異なるようになる。従って、図９に示した発光素子１からの光の自由空間中の波長をλ０とし、光路Ａでは高度ｈ１から高度ｈ２までの区間の半導体や誘電体中で位相がαだけ進むとすると、光路Ａでは点Ａ２において位相は式（１３）で表される。
【００８７】
【数１】
2014082269.tif 000003
【００８８】
また、光路Ｂでは高度ｈ１から高度ｈ２までの自由空間中で位相がβだけ進むとすると、光路Ｂでは点Ｂ２において位相は式（１４）で表される。
【００８９】
【数２】
2014082269.tif 000004
【００９０】
さらに高度ｈ２から高度ｈ３まで自由空間なので、光路Ａを通る光と光路Ｂを通る光とは同じ媒質（自由空間）を進む。また、このとき、光路Ａの点Ａ２から点Ｃまでの距離と、光路Ｂの点Ｂ２から点Ｃまでの距離とは同じである。従って、光路Ａを通る光の点Ａ２における位相と、光路Ｂを通る光の点Ｂ２における位相との差は、点Ｃにおいても保存されることとなる。この位相差τは式（１５）で表される。すなわち、柱状部３２と柱状部３３の高さの差δによって光路Ａと光路Ｂとの位相差τを制御することができる。式（１５）を変形すると、高さの差δは、式（１６）で表される。
【００９１】
【数３】
2014082269.tif 000005
【００９２】
そして、柱状部３２を通る光は、柱状部３３を通る光に比べて遅延するため、両者が混合されると、それら２つの光の波面とは全く異なる波面をもつ波が生成される。すなわち、柱状部３２，３３から放出される光の波面は互いに干渉し、これら２つの柱状部３２，３３の相対的な位置（３次元空間の位置）によって決定される方位（方向）に、光が射出されることになる。
【００９３】
続いて、３次元空間の位置ｒ１にある波源としての柱状部３２と、３次元空間の位置ｒ２にある波源としての柱状部３３から射出された光の干渉について説明する。
位置ｒ１にある波源と、位置ｒ２にある波源とからそれぞれ射出された光によって、３次元空間の位置ｒに時刻ｔにおいて合成される光の強度Ｉ（ｒ）は、次の式（１７）で与えられる。
【００９４】
【数４】
2014082269.tif 000006
【００９５】
式（１７）において、光の干渉を表す第３項が存在するために、発光領域２２ａから射出された光が、２つの波源からそれぞれ射出された後に重畳されて、波面を変えて波の進行方向を変えることが可能となる。式（１７）では、式（１８）のγの実部を利用する。式（１８）のＥ＊は、Ｅの複素共役であることを示す。γは、式（１８）で示すように、０から１までの値をとり、２つの波源から射出された光が時間的・空間的にどのくらい相関を持っているのかを示している。よって、γは、次の式（１９）〜式（２１）のように場合分けすることができる。
【００９６】
【数５】
2014082269.tif 000007
【００９７】
式（１９）の場合を完全コヒーレント、式（２０）の場合をインコヒーレント、式（２１）の場合を部分的なコヒーレントと呼ぶ。ここでは、発光素子１として、ＬＥＤの光源を使用しているため、部分的なコヒーレントになっている。したがって、図９に示した発光素子１においては、光の強度において、前記した式（１７）の第３項の寄与が大きいため、光の進行方向を大きく曲げられる。
なお、柱状部３２，３３間の水平方向の間隔ｐが微小であるときには、光の進行方向が曲げられる大きさは、柱状部３２と柱状部３３との高さの差δが支配的な要因となる。
【００９８】
図９では、簡単のため、高さの異なる２つの柱状部から出射される光の干渉による光線の方向について説明した。波源としての柱状部が３つある場合についても、前記した式（１７）を拡張することが可能である。例えば、第１の柱状部３１と第２の柱状部３２との組み合わせを２つの波源として前記した式（１７）を適用し、第２の柱状部３２と第３の柱状部３３との組み合わせを２つの波源として前記した式（１７）を適用し、第３の柱状部３３と第１の柱状部３１との組み合わせを２つの波源として前記した式（１７）を適用し、これら３つの組み合わせを加算することで、波源としての柱状部が３つある場合についての関係式を求めることができる。
【００９９】
［発光素子の製造方法］
次に、本実施形態に係る発光素子の製造方法について説明する。
ここでは、複数の発光素子を２次元配列した表示パネルの形態で製造する方法について、図１０から図１３を参照（適宜図１及び図２参照）して説明する。また、この例では、発光構造部２として、ＧａＮ系の化合物半導体を用いてＬＥＤ構造を形成する場合について説明する。
【０１００】
（基板準備工程）
まず、基板準備工程において、図１０に示すように、ｐ側電極２４を、発光素子１の配列間隔で配置した基板１１を作製する。ｐ側電極２４は柱状の電極である。また、基板１１は、発光素子１を２次元に配列（図１０に示した例では、３×３に配列）して支持する支持基板であり、ガラス、セラミックス、樹脂などの絶縁材料を用いることができる。基板１１には、スルーホール（不図示）が設けられ、各スルーホールに柱状のｐ側電極２４を挿入して配置される。また、基板１１の裏面側には、図１０（ａ）において、縦方向に延伸する配線用電極１２が、ストライプ状に配置され、各配線用電極１２は、その延伸方向に配列する一列のｐ側電極２４を電気的に接続されている。配線用電極１２は、基板１１にｐ側電極２４を配置した後に、基板１１の裏面側に配線用電極間にマスクを設け、メッキ法、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（化学気相成長）法などの公知の手法により金属などの導電材料を用いて形成することができる。
また、図１０（ｂ）に示すように、基板１１の上面側に、発光構造部２のｐ型半導体層２１と接触する部位であるｐ側電極２４の先端部が露出するように、樹脂などの絶縁材料を塗布などにより絶縁層１３を形成する。
【０１０１】
なお、スルーホールに柱状のｐ側電極２４を挿入する代わりに、スルーホールに低融点金属や導電性樹脂などの導電性材料をスルーホールからはみ出すように充填し、スルーホールからはみ出した導電性材料を、金型を用いて半球状や円錐状などに成形して作製することもできる（例えば、参考文献３参照）。
また、ストライプ状の配線用電極１２を設けずに、柱状のｐ側電極２４を、基板１１の裏面側から突出させ、ＰＧＡ（Pin Grid Array）型の表示パネルとするようにしてもよい。
（参考文献３）：特開２００２−２５２４５６号公報
【０１０２】
（発光構造部準備工程）
また、前記したｐ側電極２４を配列した基板１１の作製と並行して、発光構造部準備工程において、図１１（ａ）に示すように、発光構造部２を準備する。
発光構造部２は、サファイア、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、Ｓｉ等からなる基板５０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、剥離層５１、ｎ型半導体層２３、発光層２２及びｐ型半導体層２１を順次に積層して形成することができる。
【０１０３】
なお、剥離層５１は、後記する貼り合せ工程で、基板１１と発光構造部２とを貼り合せた後に、後記する剥離工程で半導体層である発光構造部２を成長させるために用いた基板５０を剥離するための層である。例えば、レーザリフトオフ法により基板５０を剥離する場合には、例えば、ｎ型半導体層２３を形成する際の下地層を剥離層５１とすることができる（例えば、参考文献４参照）。この剥離層５１は、後記する剥離工程において、レーザ照射により分解され、基板５０を発光構造部２から剥離することができる。
（参考文献４）：特許第４６５３８０４号公報
【０１０４】
また、ケミカルリフトオフ法により基板５０を剥離する場合には、剥離層５１として、基板５０上に、例えば、Ｃｒなどの金属層の窒化物の層を形成することができる（例えば、参考文献５参照）。この金属窒化物からなる剥離層５１は、後記する剥離工程において、液剤を用いた化学エッチングにより除去され、基板５０を発光構造部２から剥離することができる。ケミカルリフトオフ法は、レーザリフトオフ法に比べ、多数のウェハを同時に処理することができるために生産性が高く、また、剥離の際に半導体層に対するストレスが少なくクラックの発生が抑制されるために歩留まりが高い。
なお、金属窒化物からなる剥離層５１は、基板５０上にＭＯＣＶＤ法により形成することができる。また、他の方法として、基板５０上にスパッタリング法や蒸着法などにより金属膜を成膜した後、この金属膜をアンモニア含有ガス雰囲気で１０４０℃以上の温度として窒化させて金属窒化物膜を形成することもできる。
（参考文献５）：特開２００９−５４８８８号公報
【０１０５】
（貼り合せ工程）
次に、貼り合せ工程において、図１１（ｂ）に示すように、発光構造部準備工程で作製した発光構造部２を、ｐ型半導体層２１とｐ側電極２４の先端部とが接触するように貼り合せる。貼り合せ工程では、例えば、基板１１と基板５０との間に圧力をかけながら３００℃程度に加熱することでｐ側電極２４及び絶縁層１３を備えた基板１１と発光構造部２とを融着させる。
【０１０６】
（剥離工程）
次に、剥離工程において、図１１（ｃ）に示すように、基板５０を、発光構造部２から剥離する。
前記したレーザリフトオフ法により剥離する場合は、剥離層５１であるＧａＮの下地層に、例えば、近紫外光のエキシマレーザのナノ秒パルス照射をしてＧａＮを分解し、基板５０を発光構造部２から剥離することができる。
また、前記したケミカルリフトオフ法により剥離する場合は、剥離層５１である金属窒化物層を、液剤を用いて化学エッチングすることで除去し、基板５０を発光構造部２から剥離することができる。例えば、金属窒化物がＣｒＮの場合は、エッチング用の液剤として、過塩素酸と硝酸二セリウムアンモニウムの混合液を用いることができる。
【０１０７】
なお、貼り合せ工程及び剥離工程を行うことにより、発光構造部２は、基板５０から基板１１に転写され、基板１１に近い下層側から順に、ｐ型半導体層２１、発光層２２及びｎ型半導体層２３が積層された構成となっている。
【０１０８】
（出射方向特定部形成層形成工程）
次に、出射方向特定部形成層形成工程において、図１２（ａ）に示すように、発光構造部２の最上層であるｎ型半導体層２３上に、出射方向特定部３（図１参照）を形成するための層である、出射方向特定部形成層３４を形成する。出射方向特定部形成層３４は、ｎ型半導体層２３と同様のＧａＮ系化合物を用いて形成してもよいし、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などの誘電体を用いて形成してもよい。
例えば、ＳｉＯ２のように、ＧａＮ系の半導体材料からなるｎ型半導体層２３よりも屈折率の小さい材料を用いて出射方向特定部形成層３４を形成する場合は、柱状部３１，３２，３３の高さの精度を緩和することができる。
出射方向特定部形成層３４は、ＣＶＤ法、スパッタリング法などにより前記した材料を用いて形成することができる。
なお、発光構造部準備工程で形成したｎ型半導体層２３の一部（図１２（ａ）において上部）を出射方向特定部形成層３４として用いる場合は、出射方向特定部形成層形成工程は省略することができる。
【０１０９】
（構造物形成工程）
次に、出射方向特定部形成工程において、図１２（ｂ）に示すように、出射方向特定部形成層３４を加工して、柱状部３１，３２，３３からなる構造物３ａを形成する。出射方向特定部形成層３４の加工は、柱状部３１，３２，３３を形成する領域をマスクし、他の領域をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）など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を用いることができる。このとき、柱状部３１，３２を形成する領域に形成するマスクと、柱状部３３に形成するマスクとの厚さを異なるようにし、一方のマスクがエッチングにより速く除去されるようにし、出射方向特定部形成層３４の一部がエッチングされるようにすることで、柱状部３１，３２と、柱状部３３との高さを異なるように形成することができる。
また、柱状部３１，３２，３３を形成する領域のエッチングと異なる工程で、高く形成する柱状部にマスクを形成し、マスクを形成しない柱状部の上部をエッチングすることで、柱状部３１，３２と、柱状部３３との高さを異なるように形成することもできる。
【０１１０】
（分離溝形成工程）
次に、分離溝形成工程において、図１２（ｃ）に示すように、出射方向特定部３及び発光構造部２に、配線用電極１２が延伸する方向（列方向）と直行する方向（行方向）に延伸する分離溝５２を形成し、発光素子１を分離する。分離溝５２は、分離溝５２を形成する領域以外をマスクし、エッチングすることで形成することができる。
【０１１１】
なお、分離溝５２の形成後に、分離溝５２の内部や発光素子１の表面にＳｉＯ2等の絶縁性の保護膜を形成してもよい。
【０１１２】
（ｎ側電極形成工程）
次に、ｎ側電極形成工程において、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、分離溝５２で分離された発光素子１の１行の配列ごとに、ｎ型半導体層２３の側面の一部に接触するｎ側電極２５を形成する。
ｎ側電極２５は、ｎ側電極２５を形成する領域以外をマスクし、金属や導電性化合物などの導電性材料を用いて、スパッタリング法や蒸着法などにより形成することができる。
【０１１３】
前記したように、ｐ型半導体層２１におけるキャリア移動度に比べ、ｎ型半導体層２３におけるキャリア移動度が十分に大きく、かつ再結合時間がキャリアの拡散時間に比べて十分に短い場合には、ｎ側電極２５をｎ型半導体層２３の一部に設けることで、実質的にｎ型半導体層２３に均一にキャリアを拡散させることができる。
本例では、図１３（ｂ）に示すように、行方向（横方向）の１行に配列された複数の発光素子１ごとに、ｎ型半導体層２３の右側面の一部にｎ側電極２５を設けている。これにより、電圧を印加する（すなわち、信号を入力する）１つのｎ側電極２５選択することで、表示パネル１０における行を選択することができる。また、電圧を印加する１つの配線用電極１２を選択することで、表示パネル１０における列を選択することができる。すなわち、ｎ側電極２５及び配線用電極１２をそれぞれ１つずつ選択することにより、発光を制御する１つの発光素子１を選択することができる。
【０１１４】
なお、ｎ型半導体層２３の一部を出射方向特定部形成層３４として用いる場合は、ｎ側電極２５は、出射方向特定部３の一部と接触するように設けてもよい。
【０１１５】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る発光素子１は、表面に３個以上の柱状部を形成することで光の干渉効果により光線を成形できる。また、発光素子１は、出射方向特定部３における柱状部３１，３２，３３の配置と、制御柱である柱状部３３と導波柱である柱状部３１，３２との高さの差を適切に選んで形成することで、表示パネル面に対して垂直な方向を含む任意方向へ放射する光線を成形することが可能となる。また、発光素子１は、表面に柱状部３１，３２，３３を形成するだけで光線の方向を制御できるため、その構造が簡単である。
【０１１６】
＜第１実施形態の変形例＞
次に、第１実施形態の変形例について、図１４を参照して説明する。
図１４に示す第１実施形態の変形例に係る発光素子１Ａは、図２に示した第１実施形態に係る発光素子１において、ｎ側電極２５に代えてｎ側電極２５Ａを備えて構成するものである。第１実施形態に係る発光素子１と同様の構成については、同じ符号を付して説明は適宜省略する。
【０１１７】
本変形例に係る発光素子１Ａは、図１４に示すように、出射方向特定部３の底部３０の上面３０ａであって、平面視で構造物３ａが設けられた領域（図１４では、柱状部３１，３２，３３を含む外接円の内部領域）を除く領域に、構造物３ａを囲むようにｎ側電極２５Ａを設けるものである。
【０１１８】
本変形例は、ｐ型半導体層２１におけるキャリア移動度に比べ、ｎ型半導体層２３におけるキャリア移動度が十分に大きくないか、再結合時間がキャリアの拡散時間に比べて十分には短くない場合に適するように、ｎ側電極２５Ａを配置したものである。
前記したように発光領域２２ａを囲むようにｎ側電極２５Ａを設けることにより、ｐ側電極２４の形状により、発光領域２２ａの形状を定めることができる。すなわち、ｐ側電極２４の直上領域の近傍を、発光領域２２ａとすることができる。
【０１１９】
なお、本例のように、ｎ側電極２５Ａを、出射方向特定部３に接触するように設ける場合には、出射方向特定部３は、ｎ型半導体層２３の上部を加工して形成するか、ＩＴＯなどの透光性を有する導電材料を用いて形成する。これによって、ｎ側電極２５Ａとｎ型半導体層２３とを電気的に導通させることができる。特に、出射方向特定部３を、導電材料を用いて構成した場合は、出射方向特定部３の全体がｎ側電極２５Ａの拡張電極として機能するため、ｎ型半導体層２３に、より均一に電流を拡散させることができる。
【０１２０】
また、ｎ型半導体層２３と出射方向特定部３との間に、ｎ型半導体層２３の上面全体を覆うように、ＩＴＯなどの透光性を有する導電材料を用いて均一な厚さの電極層を形成し、この電極層と接触するようにｎ側電極２５Ａを設けるようにしてもよい。このように構成することで、透光性の電極層を介して、ｎ側電極２５Ａから供給される電流をｎ型半導体層２３に均一に拡散させることができる。更に、透光性の電極層の膜厚を均一にすることで、出射方向特定部３の柱状部３１，３２，３３に入射される光に位相差を生じさせることがないため、出射方向特定部３の材料選択や構造の自由度を制約することがない。
【０１２１】
また、ｎ型半導体層２３と出射方向特定部３との間に設ける電極層として、ｐ側電極２４の直上領域に透光性の導電材料を用い、その他の領域に直上領域と同じ厚さで透光性の導電材料よりも導電性の良好な金属などの導電材料を用いて形成するようにしてもよい。これによって、透光性の導電材料のみで電極層を形成する場合よりも、電流を良好に供給できるため、より強い光を発光させることができる。
【０１２２】
本変形例に係る発光素子１Ａは、ｎ側電極２５Ａの配置が異なる以外は、第１実施形態に係る発光素子１と同様に動作するため、動作についての説明は省略する。
また、本変形例に係る発光素子１Ａは、第１実施形態に係る発光素子１の製造方法において、ｎ側電極２５を形成する際のマスクを設ける位置を、ｎ側電極２５Ａを設ける位置に対応して変更することで、同様にして形成することができるため、詳細な説明は省略する。
【０１２３】
＜第２実施形態＞
次に、図１５及び図１６を参照して、第２実施形態に係る発光素子について説明する。
図１５及び図１６に示すように、第２実施形態に係る発光素子１Ｂは、図１及び図２に示した第１実施形態に係る発光素子１において、出射方向特定部３に代えて、出射方向特定部３Ｂを備えるものである。第１実施形態に係る発光素子１と同様の構成については、同じ符号を付して説明は適宜省略する。
【０１２４】
図１５及び図１６に示すように、発光素子１Ｂは、構造物３Ｂａとして、平坦な上面４０ａにおいて所定領域を取り囲むように、３つ以上の孔（柱状凹部）を有し、少なくとも１つの孔の深さが他と異なり、これらすべての孔から光を射出する点に特徴がある。以下では、一例として発光素子１Ｂが３つの孔４１，４２，４３を有し、孔４３が孔４１，４２よりも浅いものとして説明する。
【０１２５】
本実施形態に係る発光素子１Ｂは、出射方向特定部３Ｂとして、３つの柱状の凹部である孔（柱状凹部）４１，４２，４３を構造物３Ｂａとして有するものである。孔４１，４２，４３は、第１実施形態における出射方向特定部３の柱状部３１，３２，３３に代わる構造物である。前記したように、出射方向特定部３Ｂの上面４０ａに対して、孔４３の底面４３ａの深さが、孔４１，４２の底面４１ａ，４２ａの深さよりも浅く形成されている。
なお、本実施形態では、孔４１，４２，４３の形状は、横断面が円形の円柱状としたが、これに限定されず、横断面が多角形、楕円などの他の形状の柱状とすることもできる。
【０１２６】
発光構造部２の発光領域２２ａから放射された光は、孔４１，４２，４３に入射し、孔４１，４２，４３の底面４１ａ，４２ａ，４３ａから出射し、これらの出射光は干渉し合い、孔４１，４２，４３の配置に応じた方向に強度を有する光線が出射方向特定部３Ｂから出射される。出射方向特定部３Ｂは、各孔４１，４２，４３の深さを異なるようにし、その深さの差により、各孔４１，４２，４３の底面４１ａ，４２ａ，４３ａから出射する光に位相差を生じさせるものである。
なお、出射方向特定部３Ｂにより光の出射方向を特定する原理は、第１実施形態における出射方向特定部３と同様であるから、説明は省略する。また、発光構造部２の動作も、第１実施形態における発光構造部２と同様であるから、説明は省略する。
【０１２７】
また、平面視における発光領域２２ａと、孔４１，４２，４３の配置との好ましい関係は、第１実施形態に係る発光素子１における発光領域２２ａと、柱状部３１，３２，３３と同様である。すなわち、発光領域２２ａの面積をＳＬ、孔４１，４２，４３の面積をＳＰ、孔４１，４２，４３を含む外接円の面積をＳＯとすると、光線の明瞭性の向上と、光線の方向制御の任意性の向上を両立させるために、前記した式（１２）の関係が成立することが望ましい。
但し、式（１２）において、Ｎは孔の設置数を示すものとし、３以上の整数である。
【０１２８】
また、本実施形態に係る発光素子１Ｂは、第１実施形態に係る発光素子１の製造方法において、構造物形成工程において、柱状部３１，３２，３３を形成するマスクを設ける代わりに、孔４１，４２，４３を形成する領域以外をマスクを設け、エッチングにより孔４１，４２，４３を形成することで作製することができる。この工程については、第１実施形態と同様であるから、説明は省略する。
【０１２９】
＜第２実施形態の変形例＞
次に、第２実施形態の変形例について、図１７を参照して説明する。
図１７に示す第２実施形態の変形例に係る発光素子１Ｃは、図１６に示した第２実施形態に係る発光素子１Ｂにおいて、ｎ側電極２５に代えてｎ側電極２５Ｃを備えて構成するものである。第２実施形態に係る発光素子１Ｂと同様の構成については、同じ符号を付して説明は適宜省略する。
【０１３０】
本変形例における発光素子１Ｃは、図１４に示した第１実施形態の変形例に係る発光素子１Ａのｎ側電極２５Ａと同様に、出射方向特定部３Ａの上面４０ａであって、平面視で構造物３Ｂａが設けられた領域（図１７では、平面視で孔４１，４２，４３を含む外接円の内部領域）を除く領域に、構造物３Ｂａを囲むようにｎ側電極２５Ｃを設けるものである。
【０１３１】
本変形例は、ｐ型半導体層２１におけるキャリア移動度に比べ、ｎ型半導体層２３におけるキャリア移動度が十分に大きくないか、再結合時間がキャリアの拡散時間に比べて十分には短くない場合に適するように、ｎ側電極２５Ｃを配置したものである。
前記したように発光領域２２ａを囲むようにｎ側電極２５Ｃを設けることにより、ｐ側電極２４の形状により、発光領域２２ａの形状を定めることができる。すなわち、ｐ側電極２４の直上領域の近傍を、発光領域２２ａとすることができる。
【０１３２】
なお、本例のように、ｎ側電極２５Ｃを、出射方向特定部３Ｂに接触するように設ける場合には、出射方向特定部３は、ｎ型半導体層２３の上部を加工して形成するか、ＩＴＯなどの透光性を有する導電材料を用いて形成する。これによって、ｎ側電極２５Ｃとｎ型半導体層２３とを電気的に導通させることができる。
【０１３３】
また、ｎ型半導体層２３と出射方向特定部３Ｂとの間に、ｎ型半導体層２３の上面全体を覆うように、ＩＴＯなどの透光性を有する導電材料を用いて均一な厚さの電極層を形成し、この電極層と接触するようにｎ側電極２５Ｃを設けるようにしてもよい。このように構成することで、透光性の電極層を介して、ｎ側電極２５Ｃから供給される電流をｎ型半導体層２３に均一に拡散させることができる。更に、透光性の電極層の膜厚を均一にすることで、出射方向特定部３Ｂの柱状凹部４１，４２，４３に入射される光の位相差を変化させることがないため、出射方向特定部３Ｂの材料選択や構造の自由度を制限することがない。
【０１３４】
また、ｎ型半導体層２３と出射方向特定部３Ｂとの間に設ける電極層として、ｐ側電極２４の直上領域に透光性の導電材料を用い、その他の領域に直上領域と同じ厚さで透光性の導電材料よりも導電性の良好な金属などの導電材料を用いて形成するようにしてもよい。これによって、透光性の導電材料のみで電極層を形成する場合よりも、電流を良好に供給できるため、より強い光を発光させることができる。
【０１３５】
本変形例に係る発光素子１Ｃは、ｎ側電極２５Ｃの配置が異なる以外は、第２実施形態に係る発光素子１Ｂと同様に動作するため、動作についての説明は省略する。
また、本変形例に係る発光素子１Ｃは、第２実施形態に係る発光素子１Ｂの製造方法において、ｎ側電極２５を形成する際のマスクを設ける位置を、ｎ側電極２５Ｃを設ける位置に対応して変更することで、同様にして形成することができるため、詳細な説明は省略する。
【０１３６】
＜第３実施形態＞
［ＩＰ立体ディスプレイの概念］
次に、図１８及び図１９を参照して、第３実施形態として、本発明の発光素子を用いたＩＰ立体ディスプレイ（立体画像表示装置）について説明する。
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示すように、本実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイは、第１実施形態に係る発光素子１を基板１１上に多数並べることにより、ＩＰ方式のディスプレイであるＩＰ立体ディスプレイ１００を構成するものである。図示は省略するが、ＩＰ立体ディスプレイ１００に対応したＩＰ立体撮影装置がレンズ板を介して図１８（ｂ）に示す円柱や立方体等の被写体を予め撮影した要素画像群を取得しておくことが、立体を表示（再生）するためには簡便であるが、多視点映像もしくは３次元モデルのレンダリング処理などによって作成し、ＩＰ立体ディスプレイ１００における発光素子１の配列に合わせてデータを構成したものを用いても構わない。
【０１３７】
従来のＩＰ方式のディスプレイでは、例えば液晶パネルに要素画像群を表示して、簡便には、撮影時と同様の要素レンズアレイの各要素レンズを介して各要素画像を投影し、それらを集積した像を、被写体に対応した立体再生像として観察することができる。
本発明によるＩＰ立体ディスプレイ１００の場合は、密集して配置された複数の発光素子１が１単位の要素画素群として要素画像を形成し、従来のＩＰ立体ディスプレイの個々の要素レンズに相当する領域に、それぞれ対応する要素画素群（１つの単位構造）が並置される構造となる。
【０１３８】
ここで、要素画像とは、微小な光学レンズの集合体である要素レンズアレイを用いた従来のＩＰ方式のディスプレイにおいて、１つの要素レンズに対応して投影される画像のことである。従来のＩＰ方式のディスプレイにおいて１つの要素画像を構成する要素画素群の各画素から発せられる光線は、各画素位置と要素レンズの中心とを結ぶ方向に出射される。このため、１組の要素画素群を構成する各画素から発せられる光線は、それぞれ異なる方向に出射される。
【０１３９】
本発明では、従来のＩＰ方式のディスプレイにおける要素レンズに代えて、画素として用いる発光素子１ごとに出射方向を設定するものである。そのために、図１８（ａ）に示したＩＰ立体ディスプレイ１００は、発光素子１ごとに、それぞれが定められた方向に光線を出射するように構造物３ａが設置される。
なお、前記したように、発光素子１を基板１１上に多数並べることでＩＰ立体ディスプレイ１００を提供することが可能であるが、その際に発光素子１自体を基板１１に対して傾斜させて配置することで、出射方向をより広範囲に設定することができる。
【０１４０】
図１８（ｂ）は、ある観察点において、ＩＰ立体ディスプレイ１００からこの観察点の方向に出射される光線の様子の一例を示したものである。観察点では、各要素画素群の内でこの観察点の方向に出射される光線（太い矢印線）が集積され、例えば、円柱や立方体のような画像を観察することができる。
【０１４１】
なお、ＩＰ立体ディスプレイ１００の発光素子１間、すなわち、画素間においては、互いに可干渉長以上の距離を持って配置されるため、異なる画素から出射された光の間で干渉波が生成されることはない。そのため、例えば、３つの画素から射出される光が合成される光の強度は、３つの画素から射出されたそれぞれの光の強度の単なる加算となる。つまり、画素間において合成される光の強度は、３つの画素を３つの波源とみなしたときに、前記した式（１７）の第１項と第２項に相当する演算で求められることとなる。
【０１４２】
このような微細構造を有する発光素子１を多数個並べた表示パネルは、従来技術においてレンズ板と発光面とを接合させた装置と同じ働きを有するようになる。このようにして作成したＩＰ立体ディスプレイ１００においては、立体表示の解像度は、発光素子１の精細度にのみ依存し、光学系の解像度不足による映像ボケが生じない。また、発光素子１を用いたＩＰ表示における視域角の最大値は、素子表面と垂直な方向に対する放射光の成す角（制御角）の最大値にのみ依存し、解像度と視域角とを独立に改善することが可能である。
【０１４３】
［ＩＰ立体ディスプレイの構成］
次に、図１９を参照して、本実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１００の構成について詳細に説明する。
図１９に示すように、本実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１００は、表示パネル（表示素子）１０と、駆動部６０とを備えて構成されている。ＩＰ立体ディスプレイ１００は、外部の表示制御部７０を介して入力される画像信号を、表示パネル１０にＩＰ方式の立体画像として表示する立体画像表示装置である。
【０１４４】
表示パネル（表示素子）１０は、複数の発光素子１を画素として２次元に配列して設けられており、ＩＰ方式の立体画像を表示する表示素子である。表示パネル１０は、行方向（横方向）に配列する発光素子１ごとにｎ側電極２５を備え、列方向（縦方向）に配列する発光素子１ごとに、ｐ側電極２４と接続する配線用電極１２とを備えている。すなわち、ｎ側電極２５は、当該ｎ側電極２５が接続された１行に属する発光素子１のｎ側の共通電極であり、配線用電極１２は、当該配線用電極１２がｐ側電極２４と接続された１列に属するｐ側電極２４の共通電極である。
【０１４５】
各ｎ側電極２５には、行選択部６１から走査信号である行選択信号が入力される。また、各配線用電極１２には、列選択部６２から、列位置に対応する画像信号が列選択信号として入力される。表示パネル１０において、行選択信号が入力されたｎ側電極２５と、列選択信号が入力された配線用電極１２に接続された発光素子１が選択され、その発光時間（発光／非発光）が制御される。
【０１４６】
駆動部（画素選択手段）６０は、行選択部６１と列選択部６２とを備え、外部の表示制御部７０を介して入力される画像信号に基づいて、表示パネル１０に画素として配置された発光素子１を順次選択し、その発光時間を制御するものである。
行選択部６１は、表示制御部７０から画像信号の行に同期した走査信号を入力し、その行に対応するｎ側電極（行電極）２５に出力する。選択されたことを示す所定の電位（例えば０Ｖ）の行選択信号が入力された行が、発光時間を制御される対象となる。
列選択部６２は、表示制御部７０から画像信号を入力し、各列に対応する画像信号に分割して、各列に対応する配線用電極１２に分割した画像信号を列選択信号として並行して出力する。選択されたことを示す所定レベルの電位（例えば５Ｖ）の列選択信号が入力されている期間、発光素子１が発光する。従って、行選択信号が入力されている期間であって、所定のレベルの列選択信号が入力されている期間に発光素子１が発光し、それ以外の期間に発光素子１は非発光となる。列選択信号において所定レベルとなる期間を、画像信号中の対応する画素データに応じて増減することで、発光素子１の画素として表示する輝度を変調することができる。
【０１４７】
表示制御部７０は、画像信号を入力し、入力した画像信号を、列選択部６２に出力すると共に、この画像信号に同期した走査信号を行選択信号として行選択部６１に出力するものである。
【０１４８】
なお、本実施形態における表示パネル１０は、第１実施形態に係る発光素子１の製造方法として説明した表示パネル１０の製造法により作製することができる。
【０１４９】
［ＩＰ立体ディスプレイの動作］
次に、引き続き図１９を参照して、本実施形態係るＩＰ立体ディスプレイ１００の動作について説明する。
ＩＰ立体ディスプレイ１００は、表示制御部７０から、画像信号と共に画像信号の行に同期した走査信号を入力する。ＩＰ立体ディスプレイ１００は、行選択部６１によって、ｎ側電極２５を順次に選択して、表示制御部７０から入力した走査信号を行選択信号として出力する。これと並行して、ＩＰ立体ディスプレイ１００は、列選択部６２によって、表示制御部７０から入力される１行の画像信号を、列に対応するデータ信号に分割し、分割したデータ信号を、それぞれ対応する列の配線用電極１２に出力する。
ＩＰ立体ディスプレイ１００の表示パネル１０において、行選択部６１によって選択された行に属する各発光素子１は、列選択部６２から入力されるデータ信号に応じて発光時間が制御される。
【０１５０】
ＩＰ立体ディスプレイ１００は、表示制御部７０から次の行についての走査信号を入力すると、行選択部６１によって次の行を選択する行選択信号を、対応するｎ側電極２５に出力する。これと並行して、ＩＰ立体ディスプレイ１００は、列選択部６２によって、表示制御部７０から入力される次の行の画像信号を、列に対応するデータ信号に分割し、分割したデータ信号を、それぞれ対応する列の配線用電極１２に出力する。これによって、次の行に属する発光素子１の発光時間が制御される。
以下、ＩＰ立体ディスプレイ１００は、順次に選択する行を変えて、選択した行に属する発光素子１の発光時間を制御する。これを繰り返すことによって、ＩＰ立体ディスプレイ１００は、表示制御部７０介して入力される画像信号を、立体画像として表示パネル１０に表示することができる。
【０１５１】
なお、本実施形態では、第１実施形態に係る発光素子１を画素として用いたが、第１実施形態の変形例に係る発光素子１Ａ、第２実施形態に係る発光素子１Ｂ又は第２実施形態の変形例に係る発光素子１Ｃを画素として用いることもできる。
【０１５２】
［発光素子の利用可能性］
本発明の発光素子１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ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、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などに好適である。
【符号の説明】
【０１５３】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  発光素子
２      発光構造部
３、３Ｂ  出射方向特定部
３ａ、３Ｂａ  構造物
１０    表示パネル（表示素子）
１１    基板
１２    配線用電極（列電極）
１３    絶縁層
２１    ｐ型半導体層（第１半導体層）
２２    発光層
２２ａ  発光領域
２３    ｎ型半導体層（第２半導体層）
２４    ｐ側電極（第１電極）
２５、２５Ａ、２５Ｃ  ｎ側電極（第２電極）
３０    底部
３０ａ  上面
３１、３２  柱状部（導波柱）
３３    柱状部（制御柱）
３１ａ、３２ａ、３３ａ  上面
３４    構造部形成層
４０ａ  上面
４１、４２  孔（柱状凹部）
４３    孔（制御孔）（柱状凹部）
４１ａ、４２ａ、４３ａ  底面
５０    基板
５１    剥離層
５２    分離溝
６０    駆動部（画素選択手段）
６１    行選択部
６２    列選択部
７０    表示制御部
１００  ＩＰ立体ディスプレイ（立体画像表示装置）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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