(57)【要約】【課題】発光部の形状の制御を行うことなく、それと同等の光線偏向特性を容易に得ることができる発光素子を提供する。【解決手段】発光素子１は、発光層２０と、発光層２０の上側に形成されたバッファ層３０と、バッファ層３０の上側に形成された誘電体からなる台座部４１と、台座部４１の上側に少なくとも２本以上形成されるとともに、少なくとも１本の柱の高さが他の柱の高さと異なり、発光層２０で発生した光を柱頭から放射する柱状部５１，５２，５３と、平面視で全ての柱状部５１，５２，５３を囲む外接円ｃ１の外側に形成された遮光膜６０と、を備え、台座部４１が、平面視で外接円ｃ１の範囲に形成され、遮光膜６０が、台座部４１の側面および外接円ｃ１の外側の領域表面を覆うように形成されている。【選択図】図１
2015216310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層と、
前記発光層の上側に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上側に形成された誘電体からなる台座部と、
前記台座部の上側に少なくとも２本以上形成されるとともに、少なくとも１本の柱の高さが他の柱の高さと異なり、前記発光層で発生した光を柱頭から放射する柱状部と、
平面視で全ての前記柱状部を囲む外接円の外側に形成された遮光膜と、を備え、
前記台座部は、平面視で前記外接円の範囲に形成され、
前記遮光膜は、前記台座部の側面および前記外接円の外側の領域表面を覆うように形成されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
発光層と、
前記発光層の上側に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上側に形成された誘電体層と、
前記誘電体層に形成された誘電体からなる台座部と、
前記台座部の上側に少なくとも２本以上形成されるとともに、少なくとも１本の柱の高さが他の柱の高さと異なり、前記発光層で発生した光を柱頭から放射する柱状部と、
平面視で全ての前記柱状部を囲む外接円の外側に形成された遮光膜と、を備え、
前記誘電体層は、上面から厚み方向に形成された平面視で円形状の凹部を有するとともに、前記凹部の底面に前記台座部として凸部を有し、
前記遮光膜は、前記台座部の側面、前記凹部の底面および内側面を覆う第１遮光膜と、前記誘電体層の前記凹部の外側の上面を覆う第２遮光膜と、からなることを特徴する発光素子。
【請求項３】
前記遮光膜は、前記柱状部から放射される光の最大放射角度よりも低い位置に形成されてい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】
前記台座部の直径は、前記外接円の直径をＤとした場合に、Ｄ〜１．０５Ｄの範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記遮光膜は、光線の中心周波数に対する消失係数から、透過した光が１％以下となる厚さで形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記遮光膜は、前記台座部に対面する側の高さが、前記台座部の表面以下の高さであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記柱状部の高さの差は、前記柱状部の内部における放射光の波長の半分の長さ以下であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記第１遮光膜と前記第２遮光膜とが異なる金属膜で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項９】
前記バッファ層は、誘電体からなることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体映像等の表示装置に用いることができる発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在の立体表示技術は、２眼式、多眼式、体積表示型、空間像再生型に大別することができる。ここで、空間像再生型は、両眼視差、輻輳、ピント調節および運動視差の４つの視覚機能を全て満たすことを目指して開発が進められているのが現状である。この空間像再生型は、被写体からの光そのものを再現する方式であって、立体観測用の特殊なメガネをかける必要がない。この方式の立体ディスプレイは、前記した４つの視覚機能を全て使える可能性があるため、眼に疲労を与えず人にやさしい立体映像表示装置となりうる。
【０００３】
この空間像再生型の立体表示技術における代表的な方式としては、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、あるいは、インテグラル・フォトグラフィー（以下ＩＰと称す）等がある（例えば非特許文献１参照）。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。その中でも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２参照）。
【０００４】
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て、これらの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。すなわち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となる。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３参照）。
【０００５】
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。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】
このような問題を解決するために、特許文献１では、素子表面の柱状構造物により素子単体で光線の成形と偏向制御を可能とする発光素子が提案されている。特許文献１で提案された発光素子は、発光部が柱状構造部の直下を含む領域に形成され、当該発光部の横断面の面積が全ての柱状構造物を含む外接円の面積以下であり、かつ全ての柱状構造物の横断面の面積の総和以上となるように構成されている。このような構成を備えることで、発光部で発光した光の大部分を各柱状構造物に入射させることができるとともに、当該光が各柱状構造物の出射面以外の、素子表面（特にバッファ層の上面）から漏れ出るのを抑制することができる。
【０００７】
また、非特許文献４では、特許文献１と同様に素子表面の柱状構造物により素子単体で光線の成形と偏向制御を可能とする発光素子であって、円環状に配置された柱状構造物に合わせて、発光部を円環状に形成した発光素子が提案されている。このような構成を備えることで、発光部で発光した光の大部分を各柱状構造物に入射させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−１７５５３６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】滝保夫ほか、「画像工学」、コロナ社、1972年、pp.277-326
【非特許文献２】「電気情報通信学会誌」、2010年5月、Vol.93、No.5、pp.372-381
【非特許文献３】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、pp.14-16、2008年3月
【非特許文献４】2nd International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology (PHOTOPICS 2014), 25, pp.163-169, 2014年1月8日
【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１および非特許文献４で提案された発光素子は、横断面が全ての柱状構造物を含む外接円を含むように発光部を円形状あるいは円環状に形成しなければならず、半導体からなる発光部をこのような形状に制御することは容易ではない。
【００１１】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであって、発光部の形状の制御を行うことなく、それと同等の光線偏向特性を容易に得ることができる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】
【００１２】
前記課題を解決するために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バッファ層と、前記バッファ層の上側に形成された誘電体からなる台座部と、前記台座部の上側に少なくとも２本以上形成されるとともに、少なくとも１本の柱の高さが他の柱の高さと異なり、前記発光層で発生した光を柱頭から放射する柱状部と、平面視で全ての前記柱状部を囲む外接円の外側に形成された遮光膜と、を備え、前記台座部が、平面視で前記外接円の範囲に形成され、前記遮光膜が、前記台座部の側面および前記外接円の外側の領域表面を覆うように形成されている構成とした。
【００１３】
また、前記課題を解決するために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バッファ層と、前記バッファ層の上側に形成された誘電体層と、前記誘電体層に形成された誘電体からなる台座部と、前記台座部の上側に少なくとも２本以上形成されるとともに、少なくとも１本の柱の高さが他の柱の高さと異なり、前記発光層で発生した光を柱頭から放射する柱状部と、平面視で全ての前記柱状部を囲む外接円の外側に形成された遮光膜と、を備え、前記誘電体層が、上面から厚み方向に形成された平面視で円形状の凹部を有するとともに、前記凹部の底面に前記台座部として凸部を有し、前記遮光膜が、前記台座部の側面、前記凹部の底面および内側面を覆う第１遮光膜と、前記誘電体層の前記凹部の外側の上面を覆う第２遮光膜と、からなる構成とした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る発明によれば、柱状部が形成される領域以外の部分が遮光膜によって覆われているため、簡易な構成で出射面以外の素子表面（特にバッファ層）から漏れ出る迷光を抑制することができ、素子表面から漏れ出た光と、それぞれの柱状部から射出された光とによる余分な干渉を防止して光線偏向特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発光素子の構成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構成を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る発光素子の構成を模式的に示す平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１実施形態に係る発光素子の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る発光素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る発光素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る発光素子の構成を模式的に示す平面図である。
【図８】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第２実施形態に係る発光素子の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明に係る発光素子の性能を説明するための説明図であって、（ａ）は、本発明の比較例に係る発光素子の構成を示す断面図、（ｂ）は、本発明の比較例に係る発光素子のｘ−ｙ平面のビームパターンを示す図、である。
【図１０】本発明に係る発光素子の性能を説明するための説明図であって、（ａ）は、本発明の実施例に係る発光素子の構成を示す断面図、（ｂ）は、本発明の実施例に係る発光素子のｘ−ｙ平面のビームパターンを示す図、である。
【図１１】本発明に係る発光素子の性能を説明するための説明図であって、（ａ）は、本発明の比較例に係る発光素子の構成を示す斜視図、（ｂ）は、本発明の比較例に係る発光素子のｘ−ｙ平面のビームパターンを示す図、である。
【図１２】本発明に係る発光素子の性能を説明するための説明図であって、（ａ）は、本発明の実施例に係る発光素子の構成を示す断面図、（ｂ）は、本発明の実施例に係る発光素子のｘ−ｙ平面のビームパターンを示す図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る発光素子について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面が示す部材のサイズや位置関係等は、説明の便宜上誇張していることがある。さらに、以下の説明において、同一の名称および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、詳細説明を適宜省略する。
【００１７】
＜第１実施形態＞
[発光素子の構成]
本発明の第１実施形態に係る発光素子１の構成について、図１〜図３を参照しながら説明する。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素子である。この発光素子１としては、例えばＬＥＤ素子のように平坦な表面を有する固体発光素子等が挙げられる。
【００１８】
発光素子１は、図１に示すように、半導体層１０と、発光層２０と、バッファ層３０と、遮光膜６０と、が積層された構造を有している。また、発光素子１は、図１に示すように、遮光膜６０の中央に開口部ｏが形成され、その開口部ｏ内に台座部４１が配置されている。そして、その台座部４１の上側に複数の柱状部５１，５２，５３が形成されている。
【００１９】
なお、図１では図示を省略しているが、発光層２０を発光させるための電極は、例えば一般的なＬＥＤ素子と同様に、半導体層１０とバッファ層３０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ことで設けることができる。また、電極の材料としては一般的な金属電極を使用することができる。
【００２０】
半導体層１０は、発光層２０に対して電子を注入するｎ型半導体層である。この半導体層１０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。
【００２１】
発光層２０は、半導体層１０とバッファ層３０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ものである。この発光層２０は、半導体層１０とバッファ層３０との接合部にＩｎ等の不純物が添加されることで形成され、発光素子１が青色発光素子の場合、例えばＩｎＧａＮの量子井戸層として形成される。
【００２２】
発光層２０は、図１および図２に示すように、半導体層１０とバッファ層３０との間に形成されている。また、発光層２０は、半導体層１０の上側の領域（バッファ層３０の下側の領域）の全面に形成されている。すなわち、発光層２０は、半導体層１０およびバッファ層３０と同じ面積で構成されている。
【００２３】
バッファ層３０は、発光層２０に対して正孔を注入するｐ型半導体層である。このバッファ層３０は、発光層２０側から順に、例えばｐ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層と、ｐ型ＧａＮ層とが積層された構造とすることができる。また、バッファ層３０は、図１および図２に示すように、その表面が平坦に形成されている。
【００２４】
台座部４１は、柱状部５１，５２，５３を配置するためのものである。台座部４１は、光を透過する誘電体からなり、例えばＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の薄膜が積層された構造とすることができる。なお、台座部４１は、ナノインプリントによって形成する場合は、ポリマー材料を用いることができる。
【００２５】
台座部４１は、図２に示すように、バッファ層３０の上側における中央の一部領域に形成されている。台座部４１は、具体的には図３に示すように、平面視で全ての柱状部５１，５２，５３を囲む外接円ｃ１の範囲に形成されている。すなわち、台座部４１は、図３に示すように、外接円ｃ１の形状に合わせて平面形状が円形状に形成され、全体として円盤状に形成されている。そして、台座部４１の周囲には、当該台座部４１の側面を全て覆うように遮光膜６０が形成されている。言い換えれば、台座部４１は、遮光膜６０の中央に形成された開口部ｏ内に形成されている。
【００２６】
ここで、台座部４１は、前記した外接円ｃ１と同じか、あるいは当該外接円ｃ１よりも大きい所定範囲内の大きさとすることが好ましい。台座部４１の直径は、図３に示すように、外接円ｃ１の直径をＤとした場合に、例えば、Ｄ〜１．０５Ｄの範囲内であることが好ましい。すなわち、台座部４１は、外接円ｃ１と同じか、当該外接円ｃ１よりも所定範囲大きい直径に形成されることが好ましい。このように、台座部４１の直径を柱状部５１，５２，５３が形成された領域の直径とほぼ同等の大きさに制限することで、出射面５１ａ，５２ａ，５３ａ以外の素子表面から光が漏れ出ることを防止することができる。
【００２７】
柱状部５１，５２，５３は、光線を成形するとともに、当該光線の方向を制御するためのものである。この柱状部５１，５２，５３は、図１に示すように、発光層２０で発生した光を柱頭の出射面５１ａ，５２ａ，５３ａから放射することで光線を成形する。
【００２８】
柱状部５１，５２，５３は、具体的には発光層２０で発生した光の導波路として機能する。ここで、例えばＬＥＤ素子は、一般的に１０μｍ〜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、発光層２０で発生し、柱状部５１，５２，５３内部を伝搬した光は、図２に示すように、当該柱状部５１，５２，５３の最上面である出射面（柱頭）５１ａ，５２ａ，５３ａから上方向に放射された後、光の干渉効果によって干渉し、素子表面の重心ｃ（図３参照）から前記した素子表面と垂直な方向から傾いた方向に１本の光線が生成される。なお、ここでの素子表面とは、例えば図１に示す台座部４１の上面のことを意味している。
【００２９】
柱状部５１，５２，５３は、図１に示すように断面が円形の円柱状に形成され、台座部４１の上側に、一例として合計６本形成されている。また、柱状部５１，５２，５３は、ここでは柱の高さが２本ずつ異なるように形成されており、柱状部５３、柱状部５２、柱状部５１の順に高くなるように形成されている。また、図１に示すように、２本の柱状部５１の高さ、２本の柱状部５２の高さおよび２本の柱状部５３の高さはそれぞれ等しくなるように構成されている。なお、これらの柱状部は、台座部４１の上側に少なくとも２本以上形成されるとともに、少なくとも１本の柱の高さが異なる構成であれば、光線の成形とその方向制御が可能であるが、ここでは図１に示すように６本の構成を例に説明することとする。
【００３０】
柱状部５１，５２，５３は、図３に示すように、台座部４１上の重心ｃを中心とする円ｃ２上において、均等な角度の方向に、互いに等しい間隔だけ離間して配置されている。すなわち、柱状部５１，５２，５３は、円方向に沿ってかつ均等の距離を置いて配置されている。また、それぞれの柱状部５１，５２，５３の間隔は、隣り合った柱状部からの光が干渉できる程度の長さに予め設定されている。すなわち、柱状部５１，５２，５３の間隔は、発光素子１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、光源の発光スペクトルの半値幅と、中心波長とに依存するが、光源がＬＥＤ素子の場合、例えば１０μｍ〜数十μｍ程度の長さとなる。
【００３１】
柱状部５１，５２，５３は、自由空間における放射光の波長λ０程度以上の径（例えば直径２φ）を有しており、図３に示すように、それぞれ同じ径で構成されている。また、柱状部５１，５２，５３の高さの差は、柱状部５１，５２，５３の内部における放射光の波長λ１の半分の長さ以下とすることが好ましい。これにより、柱状部５１，５２，５３の高さの差を、少なくとも１つの柱の射出面の位置と他の柱の射出面の位置との違いが支配的な影響を与えるような長さの範囲となるように設定したため、素子表面と垂直な方向に対する放射光の成す角度を比較的大きくすることができる。
【００３２】
柱状部５１，５２，５３は、図２に示すように、台座部４１の上面に形成されているが、当該台座部４１と同じ材料で一体的に構成されていてもよい。この場合、柱状部５１，５２，５３は、発光素子１の製造段階において、例えば柱状部５１，５２，５３の高さまで形成された誘電体層を形成し、これを柱状部５１，５２，５３の高さに応じて加工することで形成することができる。
【００３３】
ここで、柱状部５１，５２，５３から放射された光の干渉の原理と、光線の生成およびその方向制御の原理については、前記した特許文献１（特開２０１３−１７５５３６号公報）やその他の公知文献（例えば特開２０１４−２７０１１号公報等）において既に詳しく説明されているため、ここでは説明を省略する。
【００３４】
遮光膜６０は、発光層２０で発生した光を遮光するものである。ここで、発光素子１の駆動時において、発光層２０で発生した光は、バッファ層３０内および柱状部５１，５２，５３内を伝搬し、当該柱状部５１，５２，５３の出射面５１ａ，５２ａ，５３ａから外部に放射される。その際、出射面５１ａ，５２ａ，５３ａ以外の素子表面（特にバッファ層３０）から光が漏れ出ると、当該漏れ出た光と出射面５１ａ，５２ａ，５３ａから放射された光とが余分に干渉して光線の生成および制御に悪影響を及ぼすことになる。そのため、発光素子１は、そのような光の漏出を防ぐために遮光膜６０を備えている。
【００３５】
遮光膜６０は、図１に示すように、バッファ層３０の上側に形成され、図３に示すように、平面視で全ての柱状部５１，５２，５３を囲む外接円ｃ１の外側に形成されている。遮光膜６０は、具体的には図２および図３に示すように、外接円ｃ１の範囲に形成された台座部４１の側面を全て覆うとともに、外接円ｃ１の外側の領域表面を覆うように形成されている。そのため、図３に示すように平面視すると、台座部４１以外の領域が全て遮光膜６０で覆われた状態となっている。言い換えれば、遮光膜６０は、図１〜図３に示すように、中央に円形の開口部ｏが形成され、その開口部ｏを埋めるように台座部４１が形成されている。なお、前記した「外接円ｃ１の外側の領域表面」は、具体的には台座部４１の外側の領域を意味している。
【００３６】
ここで、遮光膜６０は、柱状部５１，５２，５３から放射される光の最大放射角度よりも低い位置に形成されていることが好ましい。これにより、出射面５１ａ，５２ａ，５３ａから放射された光が遮光膜６０によって不要な干渉を受けることを防止することができる。なお、光線の広がりは、一般的に＋１０度〜−１０度の範囲内にほぼ収まるため、遮光膜６０は、柱状部５１，５２，５３から放射される光の最大放射角度よりも低い位置に形成されていることがより好ましい。
【００３７】
ここで、前記した光の最大放射角度とは、制御した光線の中心角度の最大値のことを意味している。また、光の最大放射角度の範囲を例えば柱状部５１，５２，５３との関係で特定する場合、図２に示すように、正面視した場合の柱状部５１，５２，５３の側面と、柱状部５１，５２，５３の底部から伸びる直線とのなす角度θ１が１５度の範囲であって、柱状部５１，５２，５３の上面（すなわち出射面５１ａ，５２ａ，５３ａ）の中央から伸びる垂線と、当該柱状部５１，５２，５３の上面の中央から伸びる直線とのなす角度θ２が６０度の範囲を、光の最大放射角度の範囲とすることができる。
【００３８】
また、遮光膜６０は、光線の中心周波数に対する消失係数を考慮して、透過した光が１％以下となる厚さで形成されていることが好ましい。このように、遮光膜６０を所定の厚さで形成することで、出射面５１ａ，５２ａ，５３ａ以外の素子表面から光が漏れ出ることを防止することができる。
【００３９】
また、遮光膜６０は、台座部４１に対面する側の高さが、台座部４１の表面以下の高さ、すなわち台座部４１の表面の高さと同じであるか、またはそれよりも低いことが好ましい。これにより、遮光膜６０の上面が柱状部５１，５２，５３の底面と同じかそれよりも低い位置に形成されているため、出射面５１ａ，５２ａ，５３ａから放射された光が遮光膜６０によって不要な干渉を受けることを防止することができる。
【００４０】
なお、遮光膜６０の材料は光を遮光できる材料であれば特に限定されず、一例としてＡｌ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｗ等の金属材料を挙げることができる。
【００４１】
以上のような構成を備える発光素子１は、表面が平坦なバッファ層３０の下側に設けられた発光層２０で発光し、台座部４１上に設けられたそれぞれの柱状部５１，５２，５３から放射された光の干渉効果により光線を成形する。そして、発光素子１は、少なくとも１本の柱状部５１，５２，５３の高さが他とは異なるため、少なくとも１本の柱状部５１，５２，５３の内部を伝搬して出射面５１ａ，５２ａ，５３ａから放射された光と、他の柱状部５１，５２，５３の内部を伝搬して出射面５１ａ，５２ａ，５３ａから放射された光の固体中（柱内部）での伝搬距離を異ならせることができる。これにより、異なる位相を有するそれぞれの放射光の干渉によって成形される光線の放射方向を、素子表面と垂直な方向から傾斜させることができる。
【００４２】
また、発光素子１は、柱状部５１，５２，５３が形成される領域以外の部分が遮光膜６０によって覆われているため、簡易な構成で出射面５１ａ，５２ａ，５３ａ以外の素子表面（特にバッファ層３０）から漏れ出る迷光を抑制することができ、素子表面から漏れ出た光と、それぞれの柱状部５１，５２，５３から射出された光とによる余分な干渉を防止することができるため、光線偏向特性を向上させることができる。
【００４３】
[発光素子の設計の具体例]
発光素子1は、例えばＧａＮにＩｎを添加したＬＥＤ素子であるものとし、発光スペクトルの中心波長（λ０）は８３０ｎｍであるものとした。誘電体からなる台座部４１にはＳｉＯ２を用い、遮光膜６０にはＡｕを用い、バッファ層３０の厚さは約５００ｎｍとした。
【００４４】
柱状部５１，５２，５３の間隔は、放射光の自由空間における波長λ０の１．２倍に相当する１０００ｎｍとした。柱状部５１，５２，５３の半径φは、放射光の自由空間における波長λ０の１／２に相当する４００ｎｍとした。柱状部５１の高さは、柱状部５１内での波長、すなわち放射光の誘電体（ＳｉＯ２）での波長λ１の約２波長分に相当する１０５０ｎｍとした。また、柱状部５２の高さは、自由空間における波長λ０の１／４に相当する２００ｎｍだけ柱状部５１よりも低い８５０ｎｍとした。そして、柱状部５３の高さは、自由空間における波長λ０の１／２に相当する４００ｎｍだけ柱状部５１よりも低い６５０ｎｍとした。このように柱状部５１，５２，５３の高さを変化させることで、光線方向が制御される。
【００４５】
［発光素子の製造方法］
以下、本発明の第１実施形態に係る発光素子１の製造方法の一例について、図４を参照しながら説明する。
【００４６】
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素子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製造することが可能である。発光素子１の製造方法の一例を挙げると、まず、図４（ａ）に示すように、ＧａＡｓやＳｉ等の半導体からなる基板Ｓ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）法等の成膜方法によって半導体層１０およびバッファ層３０を積層し、その接合部にＩｎ等の不純物を添加して発光層２０を形成する。
【００４７】
次に、図４（ｂ）に示すように、バッファ層３０上に金属材料を蒸着法、スパッタリング法等により積層して遮光膜６０を形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、遮光膜６０上において台座部４１を形成する領域以外の範囲をマスクし、当該マスクの上から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行うことで、図４（ｃ）に示すように開口部ｏを形成する。
【００４８】
次に、遮光膜６０の領域をマスクし、図４（ｄ）に示すように、気相成膜法（ＣＶＤ法）等を用いて、前記した当該開口部ｏ内にＳｉＯ２等の誘電体からなる円柱状の誘電体層４０Ａを形成する。その際、誘電体層４０Ａは、柱状部５１，５２，５３の最上部以上の厚みで成膜する。そして、マスクをその上の誘電体層４０Ａとともに除去する。次に、図４（ｅ）に示すように、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）法や、前記した各種エッチング法に基づいて誘電体層４０Ａを段階的にエッチングすることで、３段階の高さとなるように柱状部５１，５２，５３を形成する。なお、このような工程を経ることで、図４（ｅ）に示すように、台座部４１も同時に形成されることになる。以上の工程を行うことで、図１に示すような発光素子１を製造することができる。
【００４９】
＜第２実施形態＞
［発光素子の構成］
本発明の第２実施形態に係る発光素子１Ａの構成について、図５〜図７を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、前記した第１実施形態に係る発光素子１と重複する構成等については簡略化して説明するか、説明を省略する。
【００５０】
発光素子１Ａは、図５に示すように、半導体層１０と、発光層２０と、バッファ層３０と、誘電体層４０と、遮光膜６０Ａと、が積層された構造を有している。また、発光素子１Ａは、図５に示すように、遮光膜６０Ａから誘電体層４０にわたって凹部４０ａが形成され、その凹部４０ａ内に台座部４１Ａが形成されている。そして、その台座部４１Ａの上側に複数の柱状部５１，５２，５３が形成されている。
【００５１】
誘電体層４０は、光を透過する誘電体からなる層である。誘電体層４０は、例えばＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の薄膜が積層された構造とすることができる。なお、誘電体層４０は、ナノインプリントによって形成する場合は、ポリマー材料を用いることができる。
【００５２】
誘電体層４０は、図６に示すように、上面から厚み方向に形成された平面視で円形状の凹部４０ａを有している。そして、誘電体層４０は、当該凹部４０ａの底面に台座部４１Ａとして凸部を有している。すなわち、誘電体層４０は、その一部として台座部４１Ａを備えている。
【００５３】
遮光膜６０Ａは、前記した遮光膜６０と同様に、発光層２０で発生した光を遮光するものであるが、当該遮光膜６０とは異なる構成を有している。すなわち、遮光膜６０Ａは、図６に示すように、台座部４１Ａの側面、凹部４０ａの底面および内側面、ならびに誘電体層４０の凹部４０ａの外側の上面を覆うように形成されている。遮光膜６０Ａは、具体的には図６および図７に示すように、外接円ｃ１の範囲を含んで形成された台座部４１Ａの側面を全て覆うとともに、外接円ｃ１の外側の領域、すなわち台座部４１Ａを除く凹部４０ａの底面と、当該底面から直立して形成された凹部４０ａの内側面と、誘電体層４０における凹部４０ａ以外の領域と、を全て覆うように形成されている。そのため、図７に示すように平面視すると、台座部４１Ａ以外の領域が全て遮光膜６０Ａで覆われた状態となっている。
【００５４】
ここで、遮光膜６０Ａは、凹部４０ａ内の遮光膜と、その他の誘電体層４０表面の遮光膜とが異なる金属膜で形成されている。すなわち、遮光膜６０Ａは、図６に示すように、凹部４０ａ内に例えばタングステン（Ｗ）からなる第１遮光膜６１が形成され、その他の誘電体層４０表面に例えば金（Ａｕ）からなる第２遮光膜６２が形成されている。第１遮光膜６１は、台座部４１Ａの側面から当該台座部４１Ａを除く凹部４０ａの底面、および凹部４０ａの内側面を覆うように形成されている。また、凹部４０ａの内側面における第１遮光膜６１は、すり鉢状に傾斜するように設けられている。第２遮光膜６２は、誘電体層４０における凹部４０ａ以外の領域、すなわち凹部４０ａの外側の上面を覆うように形成されている。
【００５５】
以上のような構成を備える発光素子１Ａは、台座部４１Ａを除く領域、すなわち柱状部５１，５２，５３が形成される領域以外の部分が遮光膜６０Ａによって覆われているため、簡易な構成で出射面５１ａ，５２ａ，５３ａ以外の素子表面（特にバッファ層３０）から漏れ出る迷光を抑制することができ、素子表面から漏れ出た光と、それぞれの柱状部５１，５２，５３から射出された光とによる余分な干渉を防止することができるため、光線偏向特性を向上させることができる。
【００５６】
ここで、第２遮光膜６２は、柱状部５１，５２，５３から放射される光の最大放射角度よりも低い位置に形成されていることが好ましい。これにより、出射面５１ａ，５２ａ，５３ａから放射された光が第２遮光膜６２によって不要な干渉を受けることを防止することができる。つまり、台座部４１Ａの高さ、凹部４０ａの深さ、凹部４０ａの直径、第２遮光膜６２の厚さの少なくとも１つを、適宜調整することで、柱状部５１，５２，５３から放射される光を不要な干渉なしで送り出すことができる。なお、光線の広がりは、一般的に＋１０度〜−１０度の範囲内にほぼ収まるため、第２遮光膜６２は、柱状部５１，５２，５３から放射される光の最大放射角度よりも低い位置に形成されていることがより好ましい。
【００５７】
ここで、光の最大放射角度の範囲を例えば柱状部５１，５２，５３との関係で特定する場合、図６に示すように、正面視した場合の柱状部５１，５２，５３の側面と、柱状部５１，５２，５３の底部から伸びる直線とのなす角度θ１が１５度の範囲であって、柱状部５１，５２，５３の上面（すなわち出射面５１ａ，５２ａ，５３ａ）の中央から伸びる垂線と、当該柱状部５１，５２，５３の上面の中央から伸びる直線とのなす角度θ２が６０度の範囲を、光の最大放射角度の範囲とすることができる。
【００５８】
また、第１遮光膜６１および第２遮光膜６２は、光線の中心周波数に対する消失係数を考慮して、透過した光が１％以下となる厚さで形成されていることが好ましい。このように、第１遮光膜６１、第２遮光膜６２を所定の厚さで形成することで、出射面５１ａ，５２ａ，５３ａ以外の素子表面から光が漏れ出ることを防止することができる。
【００５９】
さらに、第１遮光膜６１は、台座部４１Ａに対面する側の高さが、台座部４１Ａの表面以下の高さであることが好ましい。そして、第１遮光膜６１は、凹部４０ａの内側面を遮光し、かつ、出射面５１ａ，５２ａ，５３ａから放射された光が到達しない位置および高さに形成されている。これにより、第１遮光膜６１は、出射面５１ａ，５２ａ，５３ａから放射された光が、凹部４０ａの内側面からの光によって不要な干渉を受けることを防止することができる。
【００６０】
［発光素子の製造方法］
以下、本発明の第２実施形態に係る発光素子１Ａの製造方法について、図８を参照しながら説明する。
【００６１】
発光素子１Ａの製造方法は、バッファ層３０を形成する工程（図４（ｂ）参照）までは前記した第１実施形態に係る発光素子１の製造方法と同様であり、その後、図８（ａ）に示すように、気相成膜法（ＣＶＤ法）等を用いて、バッファ層３０上にＳｉＯ２等からなる誘電体層４０を形成する。その際、誘電体層４０は、柱状部５１，５２，５３の最上部以上の厚みで成膜する。次に、図８（ｂ）に示すように、誘電体層４０上に金属材料を蒸着法、スパッタリング法等により積層して第２遮光膜６２を形成する。
【００６２】
次に、集束イオンビーム法を利用して、具体的にはガリウム（Ｇａ）の集束イオンビームを当てて表面の原子をはじき飛ばすことで（スパッタリング現象により）、第２遮光膜６２および誘電体層４０をエッチングし、図８（ｃ）に示すように、平面視で円形状の凹部４０ａを形成する。また、集束イオンビーム法によって誘電体層４０を微細加工し、図８（ｃ）に示すように、３段階の高さとなるように柱状部５１，５２，５３を形成する。そして、さらに集束イオンビーム法によるエッチングを進め、図８（ｄ）に示すように、台座部４１Ａを形成する。
【００６３】
次に、集束イオンビームアシスト蒸着法を利用して、具体的には凹部４０ａの底面および内側面にＷ（ＣＯ）６ガスを吸着させた後、ガリウム（Ｇａ）の集束イオンビームによって当該Ｗ（ＣＯ）６ガスを分解し、タングステン（Ｗ）を凹部４０ａの底面および内側面に堆積させることで、図８（ｅ）に示すように、第１遮光膜６１を形成する。これにより、凹部４０ａの内側面に、第１遮光膜６１がすり鉢状に傾斜するように形成される。以上の工程を行うことで、図５に示すような発光素子１Ａを製造することができる。
【００６４】
［発光素子の性能］
本発明に係る発光素子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。本シミュレーションでは、本発明の比較例および実施例の発光素子をそれぞれ用意し、両者の光線偏向特性について評価を行った。なお、以下で参照する図面では、説明の便宜上、半導体層１０や発光層２０の図示が省略されている場合がある。
【００６５】
まず、図９および図１０を参照しながら、本発明の比較例１と実施例１の光線偏向特性を比較した結果について説明する。
【００６６】
（比較例１）
比較例１に係る発光素子１０１は、図９（ａ）に示すように、バッファ層３０上に６本の柱状部５１，５２，５３を形成した。すなわち、比較例１に係る発光素子１０１は、前記した本発明の第１実施形態とは異なり、遮光膜６０を備えていない。
【００６７】
（実施例１）
実施例１に係る発光素子１は、図１０（ａ）に示すように、バッファ層３０上に台座部４１を形成し、当該台座部４１上に６本の柱状部５１，５２，５３を形成した。そして、実施例１に係る発光素子１は、台座部４１の周囲を覆うように遮光膜６０を形成した。すなわち、実施例１に係る発光素子１は、前記した本発明の第１実施形態と同様の構成を備えている。
【００６８】
比較例１と実施例１のビームパターンを比較すると、図９（ｂ）および図１０（ｂ）に示すように、比較例１は光線の主軸が０．８度しか変化していないのに対して、実施例１は４．４度変化している。これは、同じ柱状部５１，５２，５３を用いたとしても、実施例１のような遮光膜６０を備える構造にしなければ、柱状部５１，５２，５３の周囲の領域から漏れ出る迷光を抑制することができず、光線を偏向させることが困難であることを示している。従って、本発明の第１実施形態に係る発光素子１のような遮光膜６０を備えることで、当該遮光膜６０を備えない場合と比較して、光線偏向特性を大幅に向上させることが可能である。なお、図９および図１０において、角度θｐは、素子表面と垂直な方向（ｚ軸）から測った光線の主軸の角度を表している。
【００６９】
なお、図９（ｂ）および図１０（ｂ）において、符号ｒ（ｒｅｄ）の領域は、光の強度がおよそ０．１Ｗ／ｍ2であることを示しており、符号ｙ（ｙｅｌlｏｗ）の領域は、光の強度がおよそ０．０７Ｗ／ｍ2であることを示している。また、符号ｇ（ｇｒｅｅｎ）の領域は、光の強度がおよそ０．０５Ｗ／ｍ2であることを示しており、符号ｂ（ｂｌｕｅ）の領域は、光の強度がおよそ０Ｗ／ｍ2であることを示している。なお、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。
【００７０】
次に、図１１および図１２を参照しながら、本発明の比較例２と実施例２の光線偏向特性を比較した結果について説明する。
【００７１】
（比較例２）
比較例２に係る発光素子１０１Ａは、図１１（ａ）に示すように、バッファ層３０Ａの厚み方向に凹部３０ａを形成し、その凹部３０ａ内に６本の柱状部５１，５２，５３を形成した。また、バッファ層３０Ａの凹部３０ａの上面を覆うように遮光膜６０Ｂを形成した。そして、バッファ層３０Ａの下側には、平面視で全ての柱状部５１，５２，５３に対応する範囲に円環状の発光部２０Ａを形成した。すなわち、比較例２に係る発光素子１０１Ａは、前記した第１実施形態と同様に遮光膜６０Ｂを備えているものの、発光部２０Ａが柱状部５１，５２，５３に対応する範囲のみに円環状に形成されている。
【００７２】
（実施例２）
実施例２に係る発光素子１は、図１２（ａ）に示すように、バッファ層３０上に台座部４１を形成し、当該台座部４１上に６本の柱状部５１，５２，５３を形成した。また、実施例１に係る発光素子１は、台座部４１の周囲を覆うように遮光膜６０を形成した。そして、バッファ層３０の下側には、全面に発光層２０を形成した。すなわち、実施例１に係る発光素子１は、前記した本発明の第１実施形態と同様の構成を備えている。
【００７３】
比較例２と実施例２のビームパターンを比較すると、図１１（ｂ）および図１２（ｂ）に示すように、比較例２は光線の主軸が４．３度変化し、実施例２は４．４度変化している。比較例２は、柱状部５１，５２，５３に対応する範囲に円環状の発光部２０Ａを形成したため、前記した比較例１（図９参照）よりも光線偏向特性が向上したと考えられる。
しかしながら、発光素子の製造工程において、発光層の形状を比較例２のように円環状の発光部２０Ａとなるように制御することは容易ではなく、実際には比較例２に示すような発光素子１０１Ａを製造することは困難である。一方、実施例２に係る発光素子１は、前記したような発光層の形状制御を行うことなく、比較例２を超える光線偏向特性を得ることができる。
【００７４】
以上、本発明に係る発光素子について、発明を実施するための形態および実施例により具体的に説明したが、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。
【００７５】
例えば、前記した発光素子１，１Ａは、ＬＥＤ素子を想定しているため、いずれもバッファ層３０上に誘電体からなる台座部４１，４１Ａを設けて当該台座部４１，４１Ａ上に柱状部５１，５２，５３を形成していたが、例えばバッファ層３０を誘電体層４０，４０Ａと同じ誘電体で形成することで、誘電体層４０，４０Ａなしで発光素子を構成することもできる。この場合、発光素子の製造工程において、バッファ層３０を柱状部５１，５２，５３の最上部以上の厚みで形成し、集束イオンビーム法や、前記した各種エッチング法に基づいてバッファ層３０を段階的にエッチングすることで、３段階の高さの柱状部５１，５２，５３を形成すればよい。
【００７６】
また、前記した発光素子１Ａは、光源である発光層２０をｐ型半導体層であるバッファ層３０とｎ型半導体層である半導体層１０とで挟み、その上側に誘電体層４０、柱状部５１，５２，５３および遮光膜６０Ａを設けているが、例えば前記した誘電体層４０の下に、ＬＥＤ素子や、レーザーまたはＬＥＤ素子を光源とする光ファイバーを直接設置することで発光素子１Ａと同様の効果を奏することも可能である。
【００７７】
その他に、本発明に係る発光素子１，１Ａは、表面に柱状部５１，５２，５３を形成するだけで光線の方向を制御できるため、平面上に多数並べることで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。このような発光素子１，１Ａを多数個並べた表示素子（ＦＰＤ：Flat Panel Display）は、レンズ板を用いることなく、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。また、このようにして作成したＩＰ立体ディスプレイにおいては、立体表示の解像度は、発光素子１，１Ａ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１，１Ａ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。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明に係る発光素子は、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等に好適である。
【符号の説明】
【００７９】
１，１Ａ，１０１，１０１Ａ  発光素子
１０  半導体層
２０  発光層
２０Ａ  発光部
３０，３０Ａ  バッファ層
３０ａ，４０ａ  凹部
４０，４０Ａ  誘電体層
４１，４１Ａ  台座部
５１，５２，５３  柱状部
５１ａ，５２ａ，５３ａ  出射面
６０，６０Ａ，６０Ｂ  遮光膜
６１  第１遮光膜
６２  第２遮光膜
ｃ  重心
ｃ１  外接円
ｃ２  円
ｏ  開口部
【図１】
2015216310.tif 000003
【図２】
2015216310.tif 000004
【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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