(57)【要約】【課題】発光素子単体で光線の成形と方向制御とを可能とする簡易な素子構造を有した発光素子を提供する。【解決手段】発光素子１は、半導体からなる一側の素子表面６３に、光出射端として段状に先端に向かって形成された構造物２を備え、構造物２は、先端の先端段部３と、この先端段部３よりも広く形成された少なくとも１段からなる基端段部４とを備え、構造物２の先端段部３は、先端側に延びる中心軸に直交する断面の外径の最大値が、発光波長以上、放射光の可干渉長の２倍以下であり、基端段部４は、先端段部３の中心軸を含むＺＸ面で２つに分けたときに対称になり、対称面とは異なる中心軸を含む面であるＹＺ面で２つに分けたときの各体積が異なることを特徴とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体からなる一側の素子表面に、光出射端として段状に先端に向かって形成された構造物を備えた発光素子であって、
前記構造物は、先端の先端段部と、この先端段部よりも広く形成された少なくとも１段からなる基端段部とを備え、
前記構造物の前記先端段部は、先端側に延びる中心軸に直交する断面の外径の最大値が、発光波長以上、放射光の可干渉長の２倍以下であり、
前記基端段部は、前記先端段部の中心軸を含む面で２つに分けたときに対称になる対称面を有し、前記対称面とは異なる前記中心軸を含む面で２つに分けたときの各体積が異なることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記構造物の材料の屈折率は、前記素子表面を形成する半導体の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
発光層と、
前記発光層の上側に形成された光源マスク層と、
前記光源マスク層の上側に形成された前記構造物と、を備え、
前記光源マスク層は、
前記構造物に対応した位置に前記構造物の前記基端段部よりも広く形成された貫通孔を備え、前記貫通孔以外の領域が前記発光層からの光を遮蔽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】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発光素子を並べた発光素子アレイであって、
それぞれの前記発光素子は、
前記発光素子アレイにおける配設位置に応じた光の出射方位が予め定められており、
前記構造物の前記基端段部を前記先端段部の中心軸を含み前記対称面と直交する面で２つの部分に分けたときの体積が大きい方の部分が、当該発光素子の前記配設位置に応じた光の出射方位に向けて配置されていることを特徴とする発光素子アレイ。
【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および発光素子アレイに関する。
【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。さらに、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】
ＩＰの表示システムとは直接関係ないものの、発光素子の分野においては、自発光素子であるＬＥＤ（Light Emitting Diode）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、放射される光の直進性が良いため、照明器具などへの応用においては拡散させる仕組みが必要となる。ＬＥＤの放射光を拡散させる技術がさらに進み、光の放射される方位の制御が可能となれば、ディスプレイなどへの応用も可能となる。
【０００７】
ディスプレイの関連技術として、例えば特許文献１には、液晶ディスプレイからなる画像表示手段の手前に、液晶デバイスを用いた空間光変調素子等のビーム偏向手段を設けることで、画素からの光を偏向させて、視点位置の異なる複数の２次元画像から立体像を表示する立体表示装置が記載されている。ただし、この装置は、ＬＥＤのような発光素子を用いたディスプレイではない。
また、ＬＥＤから取り出す光の方向を制御する技術として、ＬＥＤ光の出射角度を調整可能な発光装置が特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−１１０３７４号公報
【特許文献２】特開２００８−１４７１８２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】
しかしながら、特許文献２に記載の発光装置は、ＬＥＤから取り出す光の方向を制御するために多種の部品が必要とされる。また、ディスプレイに応用して発光素子ごとの方位制御を行おうとする場合、多数の微細な発光素子を形成する必要がある。また、これら微細な発光素子の放射光を正面以外の方向へ射出することはきわめて難しい。
さらに、微細な構造を備えたＬＥＤから取り出す光の方向を制御できる技術は知られていないのが現状である。
【００１１】
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、発光素子単体で光線の成形と方向制御とを可能とする簡易な素子構造を有した発光素子および発光素子アレイ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】
前記課題を解決するために、本発明に係る発光素子は、半導体からなる一側の素子表面に、光出射端として段状に先端に向かって形成された構造物を備えた発光素子であって、前記構造物は、先端の先端段部と、この先端段部よりも広く形成された少なくとも１段からなる基端段部とを備え、前記構造物の前記先端段部は、先端側に延びる中心軸に直交する断面の外径の最大値が、発光波長以上、放射光の可干渉長の２倍以下であり、前記基端段部は、前記先端段部の中心軸を含む面で２つに分けたときに対称になる対称面を有し、前記対称面とは異なる前記中心軸を含む面で２つに分けたときの各体積が異なることを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、発光素子において、光は、素子表面に段状に形成された構造物から出射し、外部の空気中へと出射する。また、発光素子では、構造物の先端段部の外径を発光波長以上とすることで、構造物を光導波路として効率よく機能させることができる。また、発光素子では、構造物の先端段部の外径を、放射光の可干渉長の２倍以下とすることで、光出射端の先端段部の外径の半値が放射光の可干渉長以下となる。したがって、構造物の先端段部の中心軸を挟んで径方向の両側において、素子内部の光源から基端段部だけを介して外部へ至る経路を通る光と、基端段部および先端段部を介して外部へ至る経路を通る光とを効率よく干渉させることができる。ここで、素子内部の光源から、基端段部だけを介して外部へ至る光路長は、基端段部および先端段部を介して外部へ至る光路長よりも短い。したがって、外部との界面までの光路長が長い出射端の中央部と、光路長が短い出射端の周辺部と、の間に位相差が生じる。これにより、光路長の異なる出射端から出射した光が干渉することで、所定の広がりを有した光線が成形される。また、構造物の基端段部は、先端段部の中心軸を含む対称面を備えるので、対称面を挟む２つの領域において、光線の出射方向への影響に偏りはない。一方、構造物の基端段部を、先端段部の中心軸を含む対称面とは別の面において２つに分けたときの各体積が異なっているので、この２つの領域において、光線の出射方向への影響に偏りが生じる。すなわち、２つの領域のうち体積が小さい領域の方が、出射端の中央部と周辺部との間の干渉が相対的に弱くなる。２つの領域の干渉の度合いの差が最大となるのは、対称面と直交する面で分けたときであり、このとき、光が素子表面の法線方向から体積が大きい領域の方に傾いた線上に出射することになる。
【００１４】
また、本発明に係る発光素子は、前記構造物の材料の屈折率が、前記素子表面を形成する半導体の屈折率よりも小さいこととしてもよい。
【００１５】
かかる構成によれば、発光素子では、素子内部の発光層で発光した光は、素子表面から構造物への入射角に応じて屈折し、光出射端の中央部の光軸方向から外部へ出射し易くなる。したがって、出射光の干渉により成形される光線の広がりを抑制することができる。
【００１６】
また、本発明に係る発光素子は、発光層と、前記発光層の上側に形成された光源マスク層と、前記光源マスク層の上側に形成された前記構造物と、を備え、前記光源マスク層が、前記構造物に対応した位置に前記構造物の前記基端段部よりも広く形成された貫通孔を備え、前記貫通孔以外の領域が前記発光層からの光を遮蔽することとしてもよい。
【００１７】
かかる構成によれば、発光素子では、光源マスク層に所望サイズの貫通孔を所望位置に設けることで、発光層で発光した光を、構造物に容易に入射させることができる。これにより、構造物が配置された領域以外の素子表面から出る光が、構造物から出射する光の妨げになることを防止することができる。
【００１８】
また、本発明に係る発光素子アレイは、前記発光素子を並べた発光素子アレイであって、それぞれの前記発光素子が、前記発光素子アレイにおける配設位置に応じた光の出射方位が予め定められており、前記構造物の前記基端段部を前記先端段部の中心軸を含み前記対称面と直交する面で２つの部分に分けたときの体積が大きい方の部分が、当該発光素子の前記配設位置に応じた光の出射方位に向けて配置されていることを特徴とする。
【００１９】
かかる構成によれば、発光素子アレイは、それぞれの発光素子が、素子表面に設けられた構造物から出射する光の方位を所望の方向に制御できるので、立体ディスプレイの画素などへ応用することができる。また、立体ディスプレイの画素に応用する場合、画素に対応した発光素子上の構造物として、所定の傾斜角で出射する形状の構造物を一度に同様に製造することができる。また、傾斜角度として必要な全種類の角度について同様に構造物を予め作製しておくことができる。これら所定の同じ傾斜角で出射する形状の構造物を、各画素位置に対応した向きに回転させてから、発光素子上にそれぞれ設ければ、立体ディスプレイを容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、発光素子は、素子表面に設けられた構造物において、先端段部の中心軸を含む基端段部の対称面とは異なる面を境界に基端段部の体積のバランスを崩すことで、光の干渉により素子単体で光線の成形と方向制御とを可能とすることができる。
請求項２に記載の発明によれば、発光素子は、構造物の屈折率が素子表面の屈折率よりも小さいので、構造物からの出射光の干渉により成形される光線が広がらないようにすることができる。
【００２１】
請求項３に記載の発明によれば、構造物が配置された領域以外の素子表面から出る光が、構造物から出射する光の妨げになることを防止することができる。
請求項４に記載の発明によれば、製造し易い発光素子アレイを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発光素子を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る発光素子の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線矢視における断面図である。
【図４】参考例の発光素子を模式的に示す斜視図である。
【図５】参考例の発光素子の平面図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ線矢視における断面図である。
【図７】発光素子の発光の説明図であって、（ａ−１）は参考例の上面図、（ａ−２）は参考例の断面図、（ｂ−１）は本発明の第１実施形態の上面図、（ｂ−２）は本発明の第１実施形態の断面図を示している。
【図８】本発明の第１実施形態に係る発光素子のシミュレーションに用いた解析条件の説明図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る発光素子の放射角度を示すグラフである。
【図１０】算出したＺＸ平面のビームパターンであって、（ａ）は本発明の第１実施形態に係る発光素子、（ｂ）は参考例の発光素子を示している。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る発光素子を用いたＩＰ立体ディスプレイの概念図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は斜視図を示す。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る発光素子の構成図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＺＸ平面における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
（第１の実施形態）
［発光素子の構造の概要］
本発明の第１実施形態に係る発光素子について図１を参照（適宜図２および図３参照）して説明する。図１に示す発光素子１は、図１において上側の素子表面６３から光を放射する発光素子であり、この上側の素子表面６３に光出射端として構造物２を備えている。この発光素子１において、構造物２の下側にそれぞれ位置する半導体層３０、発光層４０およびバッファ層６０等の積層構造体は、一般的な発光素子の構成と同様であるが、光源マスク層５０の説明と共に後記する。なお、図１において、ＸＹＺ軸の原点をＯとし、発光素子１の素子表面６３（バッファ層６０の表面）はＸＹ平面であるものとした。
【００２５】
構造物２は、光出射端の先端に向かって段状に形成されている（図１および図３参照））。構造物２は、先端の先端段部３と、この先端段部３よりも広く形成された基端段部４とを備える。
先端段部３は、一例として円柱を基にした形状となっている。この円柱の中心軸は、図１の原点Ｏを通り、Ｚ軸に一致している。つまり、図１に示す発光素子１の構造物２において、光出射端の先端側に延びる軸は、Ｚ軸に一致している。
【００２６】
構造物２の先端段部３は、中心軸（Ｚ軸）に直交する断面の外径の最大値（直径ｒ：図８（ｂ）参照）が、発光波長以上、放射光の可干渉長の２倍以下となっていることが好ましい。先端段部３の直径ｒを発光波長以上とすることで、構造物２を光導波路として効率よく機能させることができる。先端段部３の直径ｒを放射光の可干渉長の２倍以下とすると、先端段部３の半径を放射光の可干渉長以下にすることができる。このようにすることで、後記する光の干渉原理によって光を効率よく干渉させることができる。なお、光の可干渉長は、光源の発光スペクトルの半値幅と、中心波長とに依存する。光源がＬＥＤの場合、例えば１０〜数十μｍ程度の長さとなる。
【００２７】
基端段部４は、先端段部３の中心軸を含む面で２つに分けたときに対称になる対称面を有する。図１の座標系では、基端段部４は、Ｚ軸を含む面のうちＺＸ平面で２つに分けたときに、それぞれの部分が対称となる。すなわち、平面視では、Ｘ軸で２つに分けた図形が対称になる（図２参照）。
【００２８】
また、基端段部４は、先端段部３の中心軸を含む面であって前記対称面とは異なる面で２つに分けたときの各体積が異なっている。特に、各体積の差が最大になるのは、対称面（ＺＸ平面）に直交する面（ＹＺ平面）で分けたときである。図１の座標系において、基端段部４をＹＺ平面で分けたとき、図１に示すように、基端段部４の体積が小さい方の部分を第１領域１０、大きい方の部分を第２領域２０と呼ぶ。つまり、第１領域１０と第２領域２０とを合わせたものが基端段部４となる。第２領域２０は、図１の例では、半円柱の形状となっている。なお、構造物２の詳細については後記する。
【００２９】
［発光素子の構造］
発光素子１は、例えばＬＥＤのように、平坦な素子表面６３（バッファ層６０の表面）から光を放射するものである。発光素子１は、図１に示すように、半導体層３０と、発光層４０と、光源マスク層５０と、バッファ層６０と、構造物２と、を備えている。
【００３０】
半導体層３０は、発光層４０と図示しない基板との間に設けられており、例えばｎ型半導体を材料としたｎ型半導体層である。半導体層３０は、図示しない基板側から順に、例えば、ｎ型ＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層とが積層された構造とすることができる。発光素子１が青色発光素子である場合、発光層４０は、例えば、ＩｎＧａＮの量子井戸層として形成される。発光層４０は、活性層であり、半導体層３０とバッファ層６０とに挟まれている。
【００３１】
バッファ層６０は、例えばｐ型半導体を材料としたｐ型半導体層を含む。バッファ層６０は、発光層４０側から順に、例えばｐ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層と、ｐ型ＧａＮ層と、が積層される構造を有する。バッファ層６０の上には構造物２が積層されている。
本実施形態では、バッファ層６０の中に、光源マスク層５０が積層されている。バッファ層６０の中において光源マスク層５０の積層位置は特に限定されない。以下では、発光層４０と光源マスク層５０との間に積層されているバッファ層をバッファ層６１と表記し、構造物２と光源マスク層５０との間に積層されているバッファ層をバッファ層６２と表記する。つまり、光源マスク層５０は、バッファ層６１とバッファ層６２とに挟まれている。
【００３２】
光源マスク層５０は、貫通孔５１を備え、貫通孔５１以外の領域が発光層４０からの光を遮蔽する。光源マスク層５０の上側には、バッファ層６０を介して構造物２が形成されている。貫通孔５１は、構造物２に対応した位置に形成されている。つまり、貫通孔５１の中心は、表面の構造物２の中心の位置に一致している。また、貫通孔５１は、構造物２の基端段部４よりも広く形成されている。貫通孔５１の内部には、発光層４０からの光が透過可能な部材が充填されている。このような部材は、バッファ層６０の材料や透明な樹脂等を挙げることができる。以下では、貫通孔５１にバッファ層６０の材料が充填されていることとして説明する。貫通孔５１の形状は図示する円形に限らず、四角形や多角形であってもよい。光源マスク層５０の材料は、光を遮蔽できる材料であれば特に限定されない。一例として、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｗ（タングステン）等の金属や、所定厚（例えば５０ｎｍ）のカーボン等を挙げることができる。
【００３３】
図示を省略したが、一般的なＬＥＤ素子と同様に、半導体層３０とバッファ層６０との間に段差を設けて、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形で電極を形成できれば、電極の構造は特に限定されるものではない。例えばｐ電極を、素子表面６３に設け、ｎ電極を半導体層３０の基板側の面に設けてもよい。また、電極材料としては一般的な金属電極が使用できる。
【００３４】
［構造物の詳細］
＜構造物２の材料＞
本実施形態では、一例として、構造物２の先端段部３および基端段部４は一体成形されてなり、構造物２の材料の屈折率は、素子表面６３を形成するバッファ層６０の半導体の屈折率よりも小さくなっているものとする。このような構造物２の材料として、透明な材料を用いることが好ましい。例えば、ＳｉＯ2は加工し易いので好ましい。また、ＳｉＯ2は、バッファ層６０の半導体がＧａＮの場合には、密着性の観点からも好ましい。
【００３５】
また、発光素子１のビーム性能を考慮すると、構造物２の材料の誘電率が大きければ大きいほど、構造物２のＺ軸方向の大きさ（高さ）を小さくする必要がある。それは、構造物２のＺ軸方向の大きさが大き過ぎると出射光がビームにならずに拡散してしまうからである。一方で、ビームの性能を上げようとして、構造物２のＺ軸方向の大きさを小さくすると、基端段部４の第１領域１０と第２領域２０との体積差をつけることが困難になる。そのため、構造物２の材料としてＳｉＯ2やＳｉＯ2よりも屈折率が低い材料（例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）等）を使うことが好ましい。
【００３６】
＜構造物２の形状の概要＞
図１の発光素子１の上面図を図２に示し、図２のＡ−Ａ線矢視における断面図を図３に示す。以下、図１ないし図３に示す構造物２の形状についての説明の都合上、中心軸（Ｚ軸）に対して全体が回転対称な形状となっている参考例（図４参照）と対比させながら説明する。このために、参考例の発光素子１００（図４参照）についても同様に平面図および断面図を示す。すなわち、図５に発光素子１００の上面図を示し、図５のＢ−Ｂ線矢視における断面図を図６に示す。なお、参考例の発光素子１００において、本発明の発光素子１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
【００３７】
＜発光素子１００の構造物１０２の概要＞
図４に示す参考例の発光素子１００の素子表面６３には、中心軸（Ｚ軸）に対して全体が回転対称な形状となっている構造物１０２が設けられている。構造物１０２は、段状に形成されており、先端の先端段部１０３と、先端段部１０３よりも広く形成された基端段部１０４とを備える。先端段部１０３は、円柱形状となっており、光線が成形し易くなっている。また、基端段部１０４は円柱の形状となっており、その中心軸はＺ軸に一致している。
【００３８】
＜発光素子１００の構造物１０２の平面形状＞
構造物１０２の先端段部１０３および基端段部１０４をＸＹ平面に投影したときに生じる図形は、図５に示すようにそれぞれ円形である。構造物１０２は平面視では方位依存性がなく、原点Ｏの周りで回転対称となっている。
【００３９】
＜発光素子１の構造物２の平面形状＞
図１に示す構造物２の先端段部３をＸＹ平面に投影したときに生じる図形は、図２に示すように円形である。つまり、先端段部３は平面視では方位依存性がなく、原点Ｏの周りで回転対称となっている。一方、構造物２の基端段部４をＸＹ平面に投影したときに生じる図形は、図２に示すように円が歪んだ形状となっている。図２において、１１は基端段部４の第１領域１０の投影形状を示し、２１は基端段部４の第２領域２０の投影形状を示す。図示するように、投影形状２１は半円である。投影形状１１は楕円を半分にした形状に近似している。投影形状１１が楕円を半分にした形状であるとすると、長軸の２倍の長さが投影形状２１の直径に一致している。詳細は後記するが、短軸の長さは、投影形状２１の半径の長さＲを基準に所定縮小率ａで縮小した長さ（１−ａ）Ｒに定められている（図８（ａ）参照）。
【００４０】
＜発光素子１００の構造物１０２の断面形状＞
図６に示すように、参考例の発光素子１００のＺＸ平面における断面（図５のＢ−Ｂ線矢視における断面）において、構造物１０２の先端段部１０３および基端段部１０４は、Ｚ軸を中心として対称になっている。よって、図６の断面図において、例えば基端段部１０４の左の領域の図形１０４Ｌと、右の領域の図形１０４Ｒとは合同（相似においてスケーリングファクタ＝１の場合）である。この合同の関係は、図６に示す断面（ＺＸ平面）だけではなく、Ｚ軸を含む任意の平面で成り立っている。なお、構造物１０２の先端段部１０３および基端段部１０４は一体なので図６では同じハッチングを付し、各部を形式的に区別するために、水平方向の境界線を破線で示した。
【００４１】
＜発光素子１の構造物２の断面形状＞
図３において、構造物２の先端段部３および基端段部４は一体なので同じハッチングを付し、各部を形式的に区別するために境界線を破線で示した。
図３に示すように、発光素子１のＺＸ平面における断面（図２のＡ−Ａ線矢視における断面）において、構造物２の先端段部３は、Ｚ軸を境界線とした２つの矩形の幅（横の長さ）が等しくなっている。これは、先端段部３が平面視では方位依存性がないことを反映している。一方、先端段部３の断面において、図３に示すように、２つの矩形のＺ軸方向の一端（先端）の短辺の位置は揃っているが、Ｚ軸方向の他端の短辺の位置は揃っていない。このように２つの矩形の高さ（縦の長さ）が異なる点についての説明は、基端段部４の断面形状の説明の後に詳述する。
【００４２】
構造物２の基端段部４は、図３に示すように、Ｚ軸を境界線とした２つの矩形の幅も高さも異なる。つまり、ＺＸ平面において、基端段部４はＺ軸を中心として非対称になっている。図３において、１２は基端段部４の第１領域１０のＺＸ平面における断面形状を示し、２２は基端段部４の第２領域２０のＺＸ平面における断面形状を示す。図示するように、各断面形状１２，２２は矩形である。
【００４３】
また、本実施形態では、基端段部４の断面形状１２と、断面形状２２とは、相似の関係になっている（スケーリングファクタ≠１の場合）。理想的には、この相似の関係は、図３に示す断面（ＺＸ平面）だけではなく、Ｚ軸を含む任意の平面で成り立っている。なお、ＺＹ平面については、例外的にスケーリングファクタ＝１となるが、本明細書において、相似には合同を含むこととしている。
【００４４】
図２に示す投影形状１１が楕円を半分にした形状であるとしたときに、短軸の長さ（１−ａ）Ｒを定めることは、図３において、基端段部４の断面形状１２の矩形の幅（横の長さ）を定めることと等価である。このときの関係について図８を参照（図２および図３を参照）して説明する。図８（ａ）および図８（ｂ）は、図２および図３と同様の図面であって、寸法を示す記号を付したものである。これらの図面に示すＲ等の記号から、次の関係が導かれる。すなわち、図３に示す基端段部４の断面形状２２の矩形の幅（横の長さ）はＲであり、高さ（縦の長さ）はｈ1である。また、基端段部４の断面形状１２と、断面形状２２とは、相似の関係になっていることから、図３に示す基端段部４の断面形状１２の矩形の高さ（縦の長さ）は（１−ａ）ｈ1である。
【００４５】
基端段部４の設計として、まず、図２の投影形状２１の半径の長さＲ（＝断面形状２２の幅）を基準にした所定縮小率ａを０〜１の間の範囲で定める。図示する例ではａをおよそ０．３としている。そして、ａを定めたときに、図３に示す断面（ＺＸ平面）における基端段部４の断面形状１２を最小の面積の矩形とする（スケーリングファクタ＝ａとする）。これにより、図２の平面視においてＸ軸上に、この最小の面積の矩形が配置されることとなる。次いで、図２に示す原点Ｏの周りに、Ｙ軸の正方向および負方向のそれぞれに向かって微小角度だけ回転させつつ、スケーリングファクタを徐々に大きくした矩形を微小角度毎に想定する。そして、この徐々に大きくなる矩形がＹ軸に重なったときには、図３に示す断面（ＺＸ平面）における基端段部４の断面形状２２と同じ面積となる（スケーリングファクタ＝１とする）。このようにして図１の第１領域１０を形成することで、基端段部４において、図３の断面視における基端段部４の断面形状１２と断面形状２２との相似の関係は、Ｚ軸を含む任意の平面で成り立つこととなる。
【００４６】
図３に示す基端段部４の断面形状２２の高さがｈ1であり、断面形状１２の矩形の高さが（１−ａ）ｈ1であることから、先端段部３は、断面視において、第１領域１０側（断面形状１２）の方が高さ方向に長くなっている。これは、発光素子１の構造物２の先端段部３の形状が、円柱を基にした形状であることを反映している。
【００４７】
一方、参考例の発光素子１００の構造物１０２の先端段部１０３は円柱の形状であり、このことは図６に反映されている。
【００４８】
図５と図２とを対比して分かるように、参考例の発光素子１００の構造物１０２の先端段部１０３と、発光素子１の構造物２の先端段部３とは、平面視で同形状である。また、図４と図１とを対比し、かつ、図６と図３とを対比して分かるように、参考例の発光素子１００の構造物１０２の一部を削り取る加工をすれば、発光素子１の構造物２の先端段部３と同形状になる。つまり、先端段部３は、円柱形状の先端段部１０３と類似した円柱形状なので、光線が成形し易くなっている。要するに、発光素子１の構造物２の先端段部３の形状は、図２に示す平面視の形状において方位依存性がなく、原点Ｏの周りで回転対称となっていればよい。先端段部３は、立体の条件として、上端面の形状（円形）が中心軸（Ｚ軸）に沿って底部まで保たれるという条件に拘束される。この拘束条件は、構造物２の下段（基端段部４）の形状に関する条件より優先される。
【００４９】
［光の干渉原理］
ここでは、発光素子１の構造物２から出射される光の干渉の原理について、参考例（図４参照）と対比させながら図７を参照して説明する。図７（ａ−１）は、参考例の発光素子１００の平面図を示し、図５と同様の図である。図７（ａ−２）は、参考例の発光素子１００の一部断面図を示し、図６の一部を示す。図７（ｂ−１）は、発光素子１の平面図を示し、図２と同様の図である。図７（ｂ−２）は、発光素子１の一部断面図を示し、図３の一部を示す。なお、図示を省略したが、図７（ａ−１）および図７（ｂ−１）に示す原点Ｏには、紙面に垂直な方向にＺ軸が重なっている。
【００５０】
＜参考例の発光素子１００の出射光＞
図７（ａ−１）に示す参考例の発光素子１００において、光は、素子表面６３に段状に形成された構造物１０２から出射し、外部の空気中へと出射する。このとき、構造物１０２は、先端段部１０３が光出射端の中央部となり、基端段部１０４が、光出射端の中央部に対する周辺部となる。つまり、素子内部の発光層４０（図６参照）からの光は、構造物１０２において光出射端の周辺部から出射する光路（以下、第１光路と呼ぶ）、または、構造物１０２において光出射端の中央部から出射する光路（以下、第２光路と呼ぶ）から出射する。
【００５１】
ここで、構造物１０２の先端段部１０３および基端段部１０４は、屈折率がｎαである材料で一体成形されている。屈折率ｎαはバッファ層６０の半導体の屈折率ｎβより小さい。一般に、自由空間において波長λで伝搬する光は、屈折率ｎの媒質中において波長λ／ｎで伝搬するので、発光素子１００の発光波長がλのとき、構造物１０２中では光の波長はλ／ｎαとなる。
【００５２】
また、図７（ａ−２）に示すように、素子表面６３の位置を基準の高度Ｈ0とする。また、基端段部１０４の高さをａとし、基端段部１０４の上面位置を高度Ｈａとする。また、先端段部１０３の高さをｂとし、先端段部１０３の位置を高度Ｈbとする。構造物１０２は中心線（Ｚ軸）に対して対称になっているので、図７（ａ−２）において例えば左側の領域だけを想定する。このとき、第１光路は、構造物１０２の基端段部１０４だけを介して外部へ至る光路である。第２光路は、基端段部１０４および先端段部１０３を介して外部へ至る光路である。外部の空気中へ出射するまでの光路長は、第１光路の方が短い。
【００５３】
基準の高度Ｈ0から高度Ｈａまで、基端段部１０４の中を波長λ／ｎαで伝播した光は、第１光路において、外部へ出射し、空気中を波長λで伝播し、例えば高度Ｈbに至る。また、基準の高度Ｈ0から高度Ｈａまで、基端段部１０４の中を波長λ／ｎαで伝播した光は、第２光路において、先端段部１０３中を波長λ／ｎαで伝播し、高度Ｈbに至り、そこから外部へ出射する。ここで、第１光路を通る光と第２光路を通る光とは、高度Ｈａまでは同じ媒質（基端段部１０４）を同じ距離だけ進むので同位相のままである。これら第１光路を通る光と第２光路を通る光とは、高度Ｈａから高度Ｈbまで異なる媒質を進む。このとき、第２光路では媒質は先端段部１０３（ＳｉＯ2）であり、第１光路では媒質は空気である。ＳｉＯ2の誘電率は真空中（空気中）より高いため、先端段部１０３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。したがって、第１光路と第２光路との間に位相差が生じる。高度Ｈbにおいて、位相差Ψは式（１）で表される。
【００５４】
Ψ＝２πｂ（ｎα−１）／λ  …  式（１）
【００５５】
ここで、２つの光路からの光の干渉について数式を用いて説明する。３次元空間の位置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（２）で与えられる。
【００５６】
【数１】
2014027010.tif 000003
【００５７】
式（２）において、光の干渉を表す第３項が存在するために、発光層４０からの光が、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（２）では、式（３）のγの実部を利用する。式（３）のＥ＊は、Ｅの複素共役であることを示す。γは、式（３）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（４）〜式（６）のように場合分けすることができる。
【００５８】
【数２】
2014027010.tif 000004
【００５９】
式（４）の場合を完全コヒーレント、式（５）の場合をインコヒーレント、式（６）の場合を部分的なコヒーレントと呼ぶ。ここでは、発光素子として、ＬＥＤの光源を使用しているため、部分的なコヒーレントになっている。したがって、図７の発光素子においては、光の強度において、前記式（２）の第３項の寄与が大きい。
【００６０】
上記説明では、図７（ａ−２）において構造物１０２の例えば左側の領域だけを想定したが、構造物１０２は中心線（Ｚ軸）に対して対称になっているので、光路長の異なる出射端から出射した光が干渉することで、構造物１０２においてＺ軸方向に集光されて、所定の広がりを有した光線７０１が成形される。
【００６１】
＜発光素子１の出射光＞
図７（ｂ−１）に示す発光素子１において、光は、素子表面６３に段状に形成された構造物２から出射し、外部の空気中へと出射する。このとき、参考例の発光素子１００と同様に、構造物２は、先端段部３が光出射端の中央部となり、基端段部４が、光出射端の中央部に対する周辺部となる。つまり、素子内部の発光層４０（図３参照）からの光は、構造物２において光出射端の周辺部から出射する光路（第１光路）、または、構造物２において光出射端の中央部から出射する光路（第２光路）を経由する。
【００６２】
発光素子１は、図７（ｂ−１）に示すように平面視において、Ｘ軸で２つに分けた図形が対称になり、かつ、基端段部４の投影形状１１と投影形状２１との形状および面積が異なる。また、発光素子１は、図７（ｂ−２）に示すように、ＺＸ平面での断面視において、基端段部４の断面形状１２と断面形状２２との面積が異なるので、基端段部４がＺＸ平面で分けたときに体積が異なり、非対称である。さらに、構造物２（先端段部３および基端段部４）の屈折率ｎαはバッファ層６０の半導体の屈折率ｎβより小さい。
【００６３】
したがって、図７（ｂ−１）において、原点Ｏの左側の領域、すなわち、基端段部４の投影形状１１を含む破線で示す領域７０２からの光と、原点Ｏの右側の領域、すなわち、基端段部４の投影形状２１を含む破線で示す領域７０３からの光とを比較すると、領域７０２からの光の出力の方が低くなる。そのため、原点Ｏを含む対称面を挟む左右２つの領域において、光線の出射方向への影響に偏りが生じる。これにより、領域７０３からの光と先端段部３からの光との干渉効果が相対的に強まり、構造物２においてＺ軸方向に集光されるべき光が、素子表面６３の法線方向から体積が大きい領域の方に傾く。すなわち、図７（ｂ−２）において右方向へ傾いた光線７０４が射出される。
【００６４】
［発光素子の性能］
第１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。シミュレーションの条件としては、発光素子１の素子表面６３上に、縦６０００ｎｍ×横６０００ｎｍ×高さ３０００ｎｍの直方体の領域をベースとして想定した。また、評価に用いた強度分布の観測地点は、素子表面６３から上方２４００ｎｍとした。
ＦＤＴＤ法における電界の自乗をとった電力密度を光の強度として、ＸＹ平面に平行な上方の平面（素子表面の上方２４００ｎｍ）に到達した光の強度の積算値を求め、上方で観測されるビームのスポット形状で光線形成を確認した。ここでは、ＦＤＴＤ法における電界の自乗をとった電力密度を光の強度とした。また、ＺＸ平面における光の強度の積算値（ＺＸ平面のビームパターン）を求めた。
【００６５】
発光素子１のシミュレーションに用いた解析条件について図８を参照（図２および図３を参照）して説明する。発光素子１の材料は、ＧａＮであるものとした。具体的には、バッファ層６０の半導体の材料は、屈折率ｎβ＝３．１、発光スペクトルの中心波長（自由空間における波長）λ＝４０５ｎｍのＧａＮとした。
構造物２の材料はＳｉＯ2（屈折率ｎα＝１．５）であるものとした。
構造物２の基端段部４の半径Ｒを８００ｎｍとした。基端段部４の高さｈ1を６５ｎｍとした。
構造物２の先端段部３の直径ｒを、発光スペクトルの中心波長に相当する長さ（４０５ｎｍ）とした。先端段部３の高さｈ2を基端段部４の高さｈ1と同様に６５ｎｍとした。
【００６６】
以下、基端段部４の半径Ｒを基準にした所定縮小率ａのことを方位制御パラメータと呼ぶ。方位制御パラメータａを０としたときには、参考例の発光素子１００と同様になる。
発光素子１の構造物２から出射される光線について素子表面６３の法線方向から測った傾き角度を方位角と呼び、方位角の最大値を最大方位角と呼ぶ。
【００６７】
方位制御パラメータａを０としたときに、ＸＹ平面に平行な上方の平面で観測されるビームの中心を求め、ＺＸ平面におけるビームの方向として最大方位角を求めた。このときの方位角（最大方位角）θをθ＝０degとした。そして、方位制御パラメータａ＝０を基準として、方位制御パラメータａを０．１〜０．９の範囲において０．１ステップで変化させたときの最大方位角θを計算により求めた。その結果を図９に示す。図９のグラフの横軸は、方位制御パラメータａを示し、縦軸は、最大方位角θを示す。
【００６８】
図９に示すように、方位制御パラメータａの値を大きくするにつれて最大方位角θも大きくなった。なお、上記解析条件によれば、ａ＝０．８の場合およびａ＝０．９の場合、基端段部４の半径Ｒは、先端段部３の半径（ｒ／２）を下回ることになる。この場合であっても、構造物２において、先端段部３の上端面を素子表面６３まで掃引した柱状の立体（本実施形態では円柱）が存在する。この円柱の上底面は先端段部３の上端面であり、円柱の下底面が素子表面６３に接触している。このシミュレーションにおいて、上記円柱と、基端段部４に相当する立体との論理和を取った物体が構造物２の設計条件となっている。
【００６９】
方位制御パラメータａを変化させたときに、ビーム中心方向が変化した。このビーム中心方向の変化により最大方位角を求めた。最大方位角はＺＸ平面にて検出された。本発明の実施形態に係る発光素子１におけるビームパターンの計算結果の一例として、方位制御パラメータａが０．８の場合のＺＸ平面におけるビームパターンのシミュレーション結果を図１０（ａ）に示す。図示するように、素子表面に対する法線方向から傾斜した線上に光線（メインローブ）を成形できることが分かる。方位制御パラメータａが０．８の場合、最大方位角θは４．１［deg］であった。比較のため、方位制御パラメータａが０．０の場合のＺＸ平面のビームパターンを図１０（ｂ）に示す。図１０（ｂ）は、参考例の発光素子１００によるビームパターンに相当する。素子表面に対する法線方向に向かう線上に光線が成形されてしまうことを、この参考例で確かめた。
【００７０】
［発光素子の製造方法］
発光素子１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。発光素子１は、例えばＬＥＤのように平坦な放射面を有する発光素子を用意し、その表面を微細加工して作成することが可能である。
【００７１】
図１の発光素子１の製造工程の一例を挙げると、まず、例えばＧａＡｓやＳｉ等の半導体基板に、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの成膜方法により、半導体層３０と発光層４０とバッファ層６１とを積層する。次いで、バッファ層６１の上に金属材料を蒸着法、ＥＢ法（Electron Beam：電子ビーム蒸着法）、スパッタリング法等により積層した後、フォトリソグラフィ法等によって金属層が作製される。
【００７２】
そして、金属層上において貫通孔を形成する領域以外をフォトレジスト等でマスクして、エッチングにより貫通孔５１を形成する。これにより、光源マスク層５０が作製される。エッチングは、例えば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を用いることができる。そして、光源マスク層５０上に例えば前記した所定の成膜方法により、バッファ層６２を積層する。これにより、光源マスク層５０の貫通孔５１の内部には、バッファ層６０の材料が充填されることとなる。
【００７３】
具体的には、光源マスク層５０およびバッファ層６０を、次のように製造することが好ましい。すなわち、例えばバッファ層６０の半導体を結晶成長させていくときに、バッファ層６１上において光源マスク層５０を形成すべき位置に、まず、例えばＳｉＯ2等の絶縁膜を例えばスパッタリング法等により積層しておく。次に、例えばＡｌ（アルミニウム）やＮｉ（ニッケル）等の金属膜を例えばスパッタリング法等により積層する。次に、この金属膜をエッチングして貫通孔５１を形成する。次いで、光源マスク層５０の上面および貫通孔５１の内周面の部分を絶縁膜で被覆するために、例えばＳｉＯ2等の絶縁膜を例えばスパッタリング法等により積層する。そして、この上から、再度、バッファ層６０の半導体を結晶成長させていく。このようにすることで、格子歪みの少ない良好な半導体結晶を作ることができる。
【００７４】
また、別工程で、例えば、ナノインプリント（nanoimprint）技術により、モールドを作っておき、構造物２の材料を充填しておく。そして、構造物２の材料をバッファ層６２の上にモールドから転写することで構造物２を取り付ける。
なお、この後に、構造物２の表面にＳｉＯ2等の絶縁性の保護膜を形成してもよい。また、発光素子１の素子表面６３に電極を形成する場合には、構造物２を取り付ける前に、例えば金属材料を蒸着法、スパッタリング法等により積層した後、フォトリソグラフィ法等によって電極層が作製される。
【００７５】
［発光素子の応用例］
図１に示す発光素子１は、構造物２の基端段部４が対称面（ＺＸ平面）を備え、対称面に直交する面（ＹＺ平面）の第１領域１０と第２領域２０との体積を変えたことにより、当該発光素子１から出射する光線の方向を制御できる。よって、発光素子１を基板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立体ディスプレイを提供することが可能である。この場合、画素に対応して所定の最大方位角で出射する同一サイズかつ同一形状の構造物２を一度に同様に製造し、同じ最大方位角で出射する構造物２を各画素位置に対応した向きに回転させてそれぞれ設ければ、簡単構造で、ＩＰ方式の立体ディスプレイを提供することが可能である。このような応用例について図１１を参照（適宜、図１〜図３参照）して説明する。
【００７６】
図１１（ａ）に示すＩＰ立体ディスプレイ８０は、画素アレイとして発光素子アレイ７０を備えている。発光素子アレイ７０は、発光素子１を並べたものである。それぞれの発光素子１は、発光素子アレイ７０における配設位置（画素の位置）に応じた光の出射方位が予め定められている。図１１（ａ）において、発光素子１の輪郭は、発光素子の区画を分かり易くするために便宜的に示したものである。発光素子アレイ７０において、それぞれの発光素子１は、構造物２の基端段部４の第２領域２０（図１参照）が、当該発光素子１の配設位置に応じて予め定められている光の出射方位に向けて配置されている。
【００７７】
ここで、図示は省略するが、ＩＰ立体ディスプレイ８０に対応したＩＰ立体撮影装置がレンズ板を介して被写体（例えば図１１（ｂ）に示すような円柱や立方体等）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）するための前提となる。撮影に用いるレンズ板は、要素レンズを所定のレンズピッチで並置して構成された要素レンズアレイになっている。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、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。一方、ＩＰ立体ディスプレイ８０の場合、密集して配置された複数の発光素子１が要素画像（１単位の要素画素群）を形成し、通常の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、１単位の要素画素群（複数の発光素子１からなる１つの単位構造）が並置される構造となる。これにより、図１１（ｂ）に示すように、ＩＰ立体ディスプレイ８０の単位構造それぞれが要素画像を空間上にそれぞれ投影し、それらが集積されて、被写体の再生像（立体像）として、例えば円柱や立方体が表示される。
【００７８】
このようにＩＰ立体ディスプレイ８０は、各画素を構成する発光素子１が、個別に、射出される方向（方位）が決定されていることによって、光学レンズを介することなく、各発光素子１から特定の方向（方位）への指向性をもった光を射出することができる。このような微細構造を有する発光素子１を多数個並べた表示素子（ＦＰＤ）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８０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は、素子表面と垂直な方向に対する放射光の成す角（方位角）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。
【００７９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る発光素子について図１２を参照して説明する。図１２（ａ）は、図１に対応した図であって第２実施形態に係る発光素子１Ｂの斜視図である。図１２（ｂ）は、図３に対応した図であって発光素子１Ｂの断面図を示す。なお、発光素子１Ｂの上面図は、図２と同様なので省略する。
【００８０】
発光素子１Ｂは、図１２に示すように、半導体層３０と、発光層４０と、バッファ層６０と、光源マスク層５０と、構造物２と、を備えているが、光源マスク層５０の上面が素子表面５３となっている点が第１実施形態に係る発光素子１と異なっている。発光素子１Ｂにおいて、第１実施形態に係る発光素子１と同様な構成には同様の符号を付し、説明を適宜省略する。
【００８１】
発光素子１Ｂの光源マスク層５０において、貫通孔５１には、例えば透明樹脂からなる封止部材５２が充填されている。この封止部材５２の上に構造物２が設けられている。
光源マスク層５０は、遮光のほか、電極としても機能させることができる。
発光素子１Ｂの構造物２から出射される光の干渉の原理は図７を参照して説明したものと同様である。なお、一般的な樹脂は、屈折率が約１．５〜１．６であり、構造物２の材料をＳｉＯ2とした場合の屈折率（ｎα＝１．５）と同程度であって、半導体の屈折率（ＧａＮの場合、屈折率ｎβ＝３．１）より小さい。
【００８２】
発光素子１Ｂを製造する方法としては、基板上に、半導体層３０と発光層４０とバッファ層６０とを積層し、光源マスク層５０を作製した後、貫通孔５１に、例えば透明樹脂からなる封止部材５２を充填する。そして、別工程で、例えば、ナノインプリント技術により、モールドを作っておき、構造物２の材料を充填しておく。そして、封止部材５２の上にモールドから転写することで構造物２を取り付ける。
発光素子１Ｂによれば、発光層４０からの光を透明樹脂からなる封止部材５２を介して効率よく構造物２に伝達できるので、非透明な層を用いる場合に比べて発光強度を高めることができる。
【００８３】
以上説明したように、本発明の各実施形態に係る発光素子１，１Ｂは、素子表面に設けた構造物２から出射する光の干渉効果により光線を成形できる。また、発光素子１，１Ｂは、構造物２の基端段部４の対称面に直交する面の第１領域１０と第２領域２０との体積を変えたことにより、素子表面の法線方向から傾斜した方向へ放射する光線を成形することが可能となる。
【００８４】
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、ＬＥＤ素子の材料は、ＧａＮであるもとして説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＡｓＰ等であってもよい。
【００８５】
また、発光素子は、ＬＥＤ素子のような注入型のＥＬ素子に限定されず、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子のような真性ＥＬ素子であってもよい。
【００８６】
また、発光素子１の半導体層３０はｎ型半導体層からなり、バッファ層６０はｐ型半導体層を含むものとして説明したが、半導体層３０はｐ型半導体層からなり、バッファ層６０はｎ型半導体層を含むものとしてもよい。この場合、ｐ型半導体層からなる半導体層３０の下方において構造物２の直下に対応した位置に針状のｐ電極を設けておき、また、ｎ電極を、ｎ型半導体層からなるバッファ層６０の素子表面６３に設けておく。そして、これら図示しない針状のｐ電極とｎ電極との間に外部電源を接続して所定電流を流すことで、発光層４０において構造物２の直下に対応した位置を選択的に発光させることができる。したがって、この場合には光源マスク層５０を設ける必要はない。
【００８７】
また、例えば第１実施形態に係る発光素子１の素子表面６３に電極層を形成する際には、遮光機能を有した金属電極としてもよいし、透明電極層と遮光機能としての金属薄膜とで構成してもよい。
【００８８】
また、発光素子１の素子表面に設けた構造物２のベストモードとして、基端段部４の断面形状１２と、断面形状２２とは、Ｚ軸を含む任意の平面で相似の関係になっていることとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。また、構造物２の先端段部３は、平面視において、円でなくてもよく、円に近似した６角形や８角形等の多角形であってもよい。また、基端段部４の第２領域２０は、平面視において、半円でなくてもよく、半円に近似した多角形であってもよい。
【００８９】
また、図３のＺＸ平面における断面図において、基端段部４は、Ｚ軸を境界に左右に２段の階段が形成された形状であるが、基端段部４の第２領域２０（右側の断面形状２２）と先端段部３とによって２段構成になっていれば、断面視において左側については、必ずしも２段構成になっていなくてもよい。この場合、上から見たときに、Ｚ軸周りに１８０°以上の角度範囲で基端段部４の輪郭が見えていて、残りの角度範囲において先端段部３の円柱形状の外形が基端段部４の外形を越えて存在し、素子表面６１まで連続している部分がある。つまり、この場合、残りの角度範囲において先端段部３の円柱形状が、上側から、あたかも基端段部４を突き抜けたかのようにして素子表面６１まで連続している部分があってもよい。
【００９０】
また、図１には、１段の基端段部４を例示したが、基端段部４は複数段で形成されていてもよい。図３の断面図において、仮に基端段部４が２段で形成されていると想定した場合、Ｚ軸を境界に左右に３段の階段が形成されることになる。この場合、基端段部４については、Ｚ軸を境界に左側の２段の断面形状と、右側の２段の断面形状とが相似の関係になっていることが好ましい。段数が多いほど不要な位相成分が除去されて光線は明瞭化し、段数が少ないほど製造し易いので、基端段部４は複数段で形成する場合、基端段部４は２〜３段とすることが好ましい。
【００９１】
また、発光素子１の素子表面に設けた構造物２の材料をＳｉＯ2としたが、本発明はこれに限定されるものではない。構造物２の材料としてＳｉＯ2よりも屈折率が低い材料（例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）等）を使えば、最大方位角を向上させることができると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
発光素子は、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】
【００９３】
１，１Ｂ  発光素子
２      構造物
３      先端段部
４      基端段部
１０    第１領域（基端段部の体積が小さい方の部分）
１１    第１領域の投影形状
１２    第１領域の断面形状
２０    第２領域（基端段部の体積が大きい方の部分）
２１    第２領域の投影形状
２２    第２領域の断面形状
３０    半導体層
４０    発光層
５０    光源マスク層
５１    貫通孔
５２    封止部材
５３    素子表面
６０，６１，６２  バッファ層
６３    素子表面
７０    発光素子アレイ
８０    ＩＰ立体ディスプレイ
８１    基板
【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１１】
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【図１２】
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【図１０】
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