(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価する発光素子と同じ光線指向制御部を備える評価用試料における前記光線指向制御部から射出された光線の指向特性を、前記発光素子の光線指向制御部から射出された光線の指向特性として測定する光線指向特性測定装置であって、
基板上に下部半導体層と、励起光によって励起されて発光する活性層と、上部半導体層とが順に積層されるとともに、前記上部半導体層の表面から突出して設けられ、先端の射出面から光を放射する複数の柱状の前記光線指向制御部とを備え、表面に電極を形成していない前記評価用試料と、
前記評価用試料の底面側に配置され、当該評価用試料の前記活性層における前記光線指向制御部の中心の直下を含む領域に、前記活性層の材料のバンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーを有する前記励起光を照射する発光手段と、前記発光手段からの励起光の入射範囲以外の前記評価用試料の基板の部分を載置する載置台と、
前記評価用試料の前記光線指向制御部から射出された光線を前記指向特性として測定する光検出装置と、を備え、
当該活性層の表面から前記光線指向制御部の底面までの距離が、前記発光素子の活性層の表面から前記光線指向制御部の底面までの距離と等しいことを特徴とする光線指向特性測定装置。
【請求項２】
前記励起光は、前記発光素子の前記基板のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーを有することを特徴とする請求項１に記載の光線指向特性測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光線指向特性測定装置により、評価用試料における前記光線指向制御部から射出された光線の指向特性を、前記発光素子の光線指向制御部から射出された光線の指向特性として測定する光線指向特性測定方法であって、
前記発光手段により、表面に電極を形成していない前記評価用試料の底面側から、前記活性層における前記光線指向制御部の中心の直下を含む領域に励起光を照射する照射ステップと、
前記光検出装置により、前記評価用試料の中心から所定距離真上に離間した位置を天頂部とする半球面を仮定し、この半球面に沿って移動機構を介して、前記光線指向制御部から射出された光線の前記指向特性を測定する測定ステップと、を含むことを特徴とする光線指向特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光線指向制御部により光線の成形と方向制御を可能とする発光素子における光線指向制御部の光線の指向特性を測定する光線指向特性測定装置および光線指向特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光素子単体で光線の形成と方向制御を可能とする簡易な素子構造が提案されている（特許文献１参照）。
図７に示すように、特許文献１に記載の発光素子（光線指向型発光素子）１１０は、ｎ型半導体層１１４と活性層１１５とｐ型半導体層１１６とが積層され、ｐ型半導体層１１６の上に複数（図７では３つ）の光線指向制御部（半導体柱状部）１１１，１２１，１１２が形成されている。この発光素子１１０において、光線指向制御部１２１，１１２の高さが、光線指向制御部１１１の高さと異なるように形成されており、さらに、光線指向制御部１２１，１１２の高さが光線指向制御部１１１の高さよりも高くなるように形成されている。
【０００３】
このような構成を備える発光素子１１０は、活性層１１５によって、ｎ型半導体層１１４とｐ型半導体層１１６とから注入される電子および正孔の再結合によって生成されるエネルギーを光として放出する。そして、発光素子１１０は、ｐ型半導体層１１６および光線指向制御部１１１，１２１，１１２内を伝搬して柱頭の射出面から放射された光が相互に干渉することで、光線を成形する。このとき、高さの低い光線指向制御部１１１内を伝搬する光が、高さの高い光線指向制御部１２１，１１２内を伝搬する光よりも柱頭の射出面に早く到達する。円柱内の屈折率は、空気中より大きく、光の伝搬速度は、空気中の方が円柱中より早く進む。そのため、発光素子１１０は、高さの異なる光線指向制御部１１１と光線指向制御部１２１，１１２との間に位相差を設けることができ、当該位相差に応じた方向に光線を放射することができる。具体的には、図７に示すように、発光素子１１０は、光線指向制御部１１１，１２１，１１２により、素子表面の中心Ｏを通る法線Ｍに対し光線指向制御部１２１，１１２側に傾斜した光線を射出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−４４９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図７に示したような、従来の発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２により形成される光線の射出方向（指向性）は、光線指向制御部１１１，１２１，１１２の形状や寸法、配置等によって変化する。そのため、このような発光素子１１０を例えばＩＰ（Integral Photography）立体ディスプレイの画素等に適用するためには光線指向制御部１１１，１２１，１１２の形状や寸法、配置等の精密な制御が必要となる。そして、発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２の設計の妥当性や形状の正確性を確認するためには、光線指向制御部１１１，１２１，１１２からの光線の射出方向を測定することが不可欠である。つまり、発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２からの光線の実際の射出方向が、設計時に意図した光線の射出方向と合致しているか否かを評価することで、発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２の設計の妥当性や形状の正確性を確認することが必要である。
【０００６】
そのため、従来、例えば図７に示すように、光検出装置１３０により発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２から射出される光線の指向特性として、光線の射出方向および強度を測定していた。光検出装置１３０は、発光素子１１０の素子表面の中心から所定距離だけ真上方向に離間した位置を天頂部とする半球面を仮定し、この半球面の円周軌道上で光線指向制御部１１１，１２１，１１２から射出された光線の発光強度の角度分布（指向特性）として法線Ｍに対する正負の角度を±θで測定する。
【０００７】
つまり、従来、発光素子の光線指向制御部の設計の妥当性や形状の正確性を評価するためには、発光素子を実際に作製し動作させなければならなかった。しかしながら、このようにして発光素子の光線指向制御部の設計の妥当性や形状の正確性の評価を行うことは容易ではなかった。その理由を以下に述べる。
【０００８】
図７に示した発光素子１１０の活性層１１５で発光を生じさせるためには、発光素子を作製した後に、ｐ型半導体層１１６用の電極（ｐ型電極）とｎ型半導体層１１４用の電極（ｎ型電極）とに分離し、発光領域を光線指向制御部１１１,１２１，１１２の下部領域に限定する必要性からｐ型用の微細な電極を形成するとともに、ｐ型、ｎ型のそれぞれの電極から外部電源への外部配線が必要となる。発光素子１１０は、活性層１１５を発光させるための電極が、例えば一般的なＬＥＤ素子と同様に、ｐ型半導体層１１６とｎ型半導体層１１４との間に段差を設け、当該段差から引き出された部分にオーミックコンタクトを形成するように設けられている。
例えば、ｐ型半導体層１１６の表面にｐ型電極が設けられ、ｎ型半導体層１１４の側面にｎ型電極が設けられる。このｐ型電極とｎ型電極とは、仕事関数が異なる金属材料により形成しなければならないため製造工数が増えてしまう。また、発光素子は微細な構造物であるため、電極の正確な位置合わせには手間と時間を要してしまう。そのため、光線指向制御部１１１，１２１，１１２の高さの差を変えた発光素子を複数作製し、それぞれについて指向特性を測定しようとすると多大な手間と時間を要してしまう。
図７に示したＬＥＤ構造のｐ型領域とｎ型領域とを反転させた構造として、ｐ型領域の上方にｎ型領域を形成し、円柱構造物をｎ型半導体によって形成した構造では、ｎ型電極を複数の円柱構造物用の共通電極として使用することができる。そのため、円柱構造物側への外部からの電極配線は共通化されてデバイス作製は容易化される。しかし、発光領域を円柱構造物直下の領域に限定させる必要があるため、ｐ型半導体領域の下方に、微細なｐ型電極の形成が必要となってしまう。このため、図７の構造を作製する場合と同様、電極の正確な位置合わせや電極配線には手間と時間を要してしまう。
【０００９】
また、光検出装置１３０によって、発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２から射出される光線の指向特性を測定し、測定された光線の指向特性により、光線指向制御部の設計の妥当性や形状の正確性等が確認できなかった場合、その発光素子１１０をそのままＩＰ立体ディスプレイ等に使用することはできない。そのため、発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２として有効な構造を見つけ出すには、さらに多大な手間と時間を要してしまう。
【００１０】
さらに、図７に示す発光素子１１０は、光線指向制御部１１１，１２１，１１２が形成された素子表面（ｐ型半導体層１１６の表面）に電極が形成されることで、電極領域や大きさ、さらには外部配線の形状等により光の干渉の状態が変化し光線の指向性や形状（太さ）に影響を与えてしまう場合があった。そのため、発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２から射出される光線の指向特性を検出しても、発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２の設計の妥当性や形状の正確性を評価することが困難な場合があった。
【００１１】
前記したように、発光素子の光線指向制御部から射出される光線の指向特性は、光線指向制御部の形状や寸法、配置等に起因して変化する。そのため、発光素子の光線指向制御部からどのような光線が射出されるかがわかれば、配線まで形成した発光素子そのものを作製しなくても、発光素子の光線指向制御部の設計の妥当性や形状の正確性の評価を行うことが可能となる。また、配線まで形成した発光素子を作製することなく光線指向制御部から射出される光線の指向特性を測定できれば、発光素子の光線指向制御部の設計の妥当性や形状の正確性の評価の迅速性を飛躍的に向上させることができる。一方で、発光素子を実際に作製し動作させるやり方以外に、どのようにすれば発光素子の光線指向制御部から射出される光線の指向特性を測定することができるかは知られていない。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、実際に配線まで形成した発光素子を作製することなく、発光素子の光線指向制御部から射出される光線を模擬的に作製しこの光線の指向特性を測定することが可能な光線指向特性測定装置および光線指向特性測定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するために、本発明は、評価する発光素子と同じ光線指向制御部を備える評価用試料における前記光線指向制御部から射出された光線の指向特性を、前記発光素子の光線指向制御部から射出された光線の指向特性として測定する光線指向特性測定装置であって、前記評価用試料と、発光手段と、光検出装置と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
かかる構成によれば、本発明は、評価用試料が、基板上に下部半導体層と、活性層と、上部半導体層との順に積層され、上部半導体層の表面に活性層で発生した光を入射して光線を射出する光線指向制御部とを備える。この評価用試料が、評価する発光素子の光線指向制御部と同じ材料で作製されるとともに、同じ寸法、形状、数および配置となっている。
【００１５】
評価用試料の底面側に配置された発光手段から活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーをもつ励起光を評価用試料に照射することで、基板を透過して下部半導体層、活性層および上部半導体層に入射し、励起光が侵入した部分が励起されて活性層のみを発光させることができる。このように、本発明によれば、評価用試料に電極を形成しなくても活性層を発光させることができる。そして、活性層で発生した光を、評価する発光素子の光線指向制御部と同じ構成の光線指向制御部に入射させることで、光線を射出することができる。
【００１６】
また、評価用試料は、活性層の表面から光線指向制御部の底面までの距離が、発光素子の活性層の表面から光線指向制御部の底面までの距離と等しくなっている。そのため、評価用試料の活性層から光線指向制御部への光の照射パターンを、発光素子の活性層から光線指向制御部への光の照射パターンと等しくすることができる。
つまり、評価用試料の光線指向制御部において、発光素子の光線指向制御部から出射される光線と同等の光線を出射することができる。よって、この評価用試料の光線指向制御部から出射される光線の特性を測定することは、発光素子の光線指向制御部から出射される光線の特性を測定することと同義であるといえる。そのため、光線指向特性測定装置によれば、発光素子を作製しなくても、発光素子よりも構成が簡素で作製が容易な評価用試料を作製することで、発光素子の光線指向制御部から出射される光線の特性を正確に測定することができる。
そして、このようにして測定された光線の特性に基づいて、発光素子の光線指向制御部の設計の妥当性や形状の正確性の評価を行うことが可能となる。
【００１７】
このとき、発光手段から評価用試料に照射する励起光は、基板のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーを有すると好ましい。
仮に発光手段から評価用試料に照射される励起光のエネルギーが基板の材料のバンドギャップエネルギーよりも大きい場合、励起光が基板を透過するときに、基板によって一部吸収されてしまう。そのため、下部半導体層、活性層および上部半導体層に入射される光量は、照射された励起光の光量よりも少なくなってしまう。これに対し、発光手段から評価用試料に照射する励起光のエネルギーを、基板のバンドギャップエネルギーよりも小さくすることで、評価用試料の基板側から照射された励起光を、光量を減らさずに、下部半導体層、活性層および上部半導体層に入射させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、評価用試料の光線指向制御部から射出された光線の指向特性を発光素子の光線指向制御部から射出される光線の指向特性として測定することができるので、発光素子そのものを作製しなくても、発光素子の光線指向制御部から射出される光線の指向特性を測定することができる。
また、本発明によれば、発光手段により評価用試料に励起光を照射することで、下部半導体層、活性層および上部半導体層を励起して、活性層のみから光を発生させることができるので、試料表面に電極を形成する必要がなくなる。これにより、電極領域や大きさ、外部配線の形状等により光の干渉の状態が変化するのを回避することができるので、光線指向制御部の構造のみにより得られる光線の指向特性を正確に測定することが可能となる。さらに、発光素子よりも構成を簡素化することができ作製が容易となる。そのため、本発明によれば、発光素子の光線指向制御部として有効な構造を迅速かつ簡易に見つけ出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る光線指向特性測定装置を模式的に示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光線指向特性測定装置を模式的に示すブロック図である。
【図３】（ａ）は、本発明に係る評価用試料の発光素子を上から見た平面図、（ｂ）は、本発明の評価用試料の比較のために、従来の発光素子の構成を模式的に示す断面図、（ｃ）は、本発明の実施形態に係る光線指向特性測定装置の評価用試料の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の実施形態に係る光線指向特性測定装置における評価用試料の指向特性を光検出装置によって測定する様子を模式的に示す模式図、（ｂ）は、（ａ）の光検出装置の測定結果として得られるビームパターンの一例を示す図である。
【図５】（ａ）は、本発明の実施形態に係る光線指向特性測定装置において、光線指向制御部の高さに差がない評価用試料の指向特性について、光検出装置によって測定する様子を模式的に示す模式図、（ｂ）は、（ａ）の光検出装置の測定結果として得られるビームパターンの一例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る光線指向特性測定装置により、光線指向制御部から射出された光線の指向特性を測定する方法を示すフローチャートである。
【図７】従来の発光素子の光線指向制御部から射出された光線の指向特性を測定する様子を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の光線指向特性測定装置を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面が示す部材等の高さ、幅、大きさや間隔等の位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに、以下の説明において、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。
【００２１】
本発明の実施形態に係る光線指向特性測定装置の構成について説明する。
図１及び図２に示すように、光線指向特性測定装置１は、評価用試料１０と、発光手段２０と、光検出装置３０と、を備えている。なお、図１では発光手段２０を簡略化して示している。以下では、図３（ａ），（ｃ）を適宜参照し、図３（ｂ）に示した従来の発光素子１１０と適宜対比しながら、図３（ｃ）に示した評価用試料１０の構成を説明する。なお、図３（ｂ）に示した発光素子１１０の構成は、光線指向制御部１２１の高さを他の２本と変えている以外について、図７を参照して説明した発光素子１１０の構成と同様であるので、ここでは説明を適宜省略する。
【００２２】
図１および図３（ｃ）に示すように、評価用試料１０は、ここでは基板１３上に、下部半導体層１４と、活性層１５と、上部半導体層１６と、が順に積層され、上部半導体層１６上に円柱状の光線指向制御部１１，２１，１２が形成されている。評価用試料１０は、発光手段２０からの励起光の入射範囲以外の部分が、載置台４０に載置されていてもよい。
【００２３】
図１および図３（ｃ）に示した評価用試料１０は、図３（ｂ）に示した発光素子１１０に対し、活性層１１５に代えて、外部から活性層１５に光線が照射された部分が発光領域１５ａとして励起して光を発生させる点が相違するが、その他は同じ構成となっている。すなわち、図１および図３（ｃ）に示した評価用試料１０において、基板１３、下部半導体層１４、上部半導体層１６および光線指向制御部１１，２１，１２の構成は、図３（ｂ）に示した発光素子１１０の基板１１３、下部半導体層１１４、上部半導体層１１６および光線指向制御部１１１，１２１，１１２と同じ構成（材料、寸法）となっている。
【００２４】
上部半導体層１６は、活性層１５側から順に、例えば、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層と、ＧａＮ層と、が積層された構造とすることができる。また下部半導体層１４は、活性層１５から遠い方から順に、例えば、ＧａＮ層と、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層とが積層された構造とすることができる。また、基板１３は、サファイア等で形成することができる。
【００２５】
また、図３（ｃ）に示すように、評価用試料１０は、活性層１５の表面から光線指向制御部１１，２１，１２の底面（入射界面）までの距離Ｄ２が、図３（ｂ）に示した発光素子１１０の活性層１１５の表面から光線指向制御部１１１，１２１，１１２の底面までの距離Ｄ１と等しくなっている。これによれば、活性層１５から光線指向制御部１１，２１，１２までの光の伝搬と、活性層１１５から光線指向制御部１１１，１２１，１１２までの光の伝搬距離とが等しくなるので、活性層１５から光線指向制御部１１，２１，１２への光の照射パターンと、発光素子１１０の活性層１１５から光線指向制御部１１１，１２１，１１２への光の照射パターンとを等しくすることができる。
【００２６】
光線指向制御部１１，２１，１２は、図３（ｂ）に示した発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２と同じ構成となっている。つまり、図３（ｃ）に示した評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２は、図３（ｂ）に示した発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２と同じ半導体材料で形成され、同じ寸法、形状、数で構成されている。また、図３（ｃ）に示した評価用試料１０の表面における光線指向制御部１１，２１，１２の配置が、図３（ｂ）に示した発光素子１１０の表面における光線指向制御部１１１，１２１，１１２の配置と同じとなっている。
【００２７】
光線指向制御部１１，２１，１２は、図１に示すように、一例として、２本ごとに異なる高さに形成されている。すなわち、光線指向制御部１１，２１，１２は、図１に示すように、隣接して配置される２本の光線指向制御部１２の高さが、隣接して配置されるその他の２本の光線指向制御部２１の高さと異なり、他の２本の光線指向制御部１１とも異なるように形成されている。ここでは光線指向制御部１２の高さが光線指向制御部２１よりも高く、光線指向制御部２１の高さが光線指向制御部１１よりも高くなるように形成されている。なお、光線指向制御部２１は、光線の指向の制御の精度をより高めるために設置されている。すなわち、光線指向制御部１１，１２の中間となる高さで、光線指向制御部１１、２１、１２として本数を増やし、光線を発生する射出面１１ａ，２１ａ，１２ａの数を増加させている。したがって、光線指向制御部２１があることで、（光線を形成するための）位相の異なる光の波源が増えることになり、光線指向制御部１１，１２の４本の場合と比較して、波面の整った光線の形成ができ、遠方まで光線の広がりを抑えた光線の形成が可能となる。
【００２８】
このように２本の光線指向制御部１２と他の４本の他の光線指向制御部２１，１１とを異なる高さとすることで、当該高さの差に応じて光線の射出方向（傾き角）を制御することができる。この傾き角θとは、図１に示すように、評価用試料１０の表面の中心を通る法線Ｍに対する光線の射出方向の角度を意味する。なお、光線指向制御部１１，２１，１２の高さが全て同じ場合（光線指向特性測定装置１Ｌ：図５参照）は、形成される光線は、評価用試料１０の表面と垂直な方向に放射される。
【００２９】
光線指向制御部１１，２１，１２は、発光手段２０で発生した光の導波路として機能する。ここで、例えば発光手段２０としてＬＥＤを用いる場合、ＬＥＤは、一般的に１０〜５０μｍ程度の可干渉長を持っているため、前記したような微小な空間において異なる経路長を経た光は、干渉効果による空間分布を形成する。従って、光線指向制御部１１，２１，１２の内部を伝搬した光は、光線指向制御部１１，２１，１２の最上面である射出面１１ａ，２１ａ，１２ａ（図３（ｃ）参照）から評価用試料１０の表面と垂直な方向、すなわち図１における上方向に放射され、光の干渉効果によって、所定角度θの方向に傾斜して出力される。ここで、評価用試料１０の表面からも垂直な方向に光が放射されるが、光線指向制御部１１，２１，１２の高さの差による光の干渉効果で所定角度θの方向に光線を傾斜させることができる。なお、ここでの評価用試料１０の表面とは、具体的には図１に示す上部半導体層１６の上面のことを意味している。また、ここでの光線とは拡がりのある光を指すものとする。
【００３０】
光線指向制御部１１，２１，１２は、上部半導体層１６上にそれぞれ円柱状で同じ横断面積となるように形成されている。光線指向制御部１１，２１，１２は、それぞれの直径が等しくなるように形成されており、具体的には自由空間（空気中）における光の波長程度に設定されている。光線指向制御部１１，２１，１２は、図３（ａ）に示すように、それぞれの柱の中心軸が同じ円周上に等間隔で位置するように、環状に配置されている。
ここでは、光線指向制御部１１，２１，１２は、光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの中心を通る円周の中心と試料表面の中心とが同軸上に位置するように、試料表面に設けられている。
【００３１】
光線指向制御部２１，１１及び光線指向制御部１２の高さは、それぞれ光線指向制御部１１，２１，１２の内部を伝播する光の波長程度、あるいはその数倍の高さに設定される。ここで、図３（ｃ）に示すように、光線指向制御部１２の高さを「Ｈ」とし、光線指向制御部１１と光線指向制御部１２との高さの差を「ｄ」とし、高さＨに対する高さの差ｄの割合（＝ｄ／Ｈ）を「δ」とする。この場合、光線指向制御部１１と光線指向制御部１２との高さの差ｄは、ｄ＝δＨで表わすことができる。なお、以下の説明では、光線指向制御部１２の高さＨに対する柱の高さの差ｄの割合δを「柱高低差割合δ」として説明する。柱高低差割合δの値を大きくすると、評価用試料１０の表面と垂直な方向に対する光線の成す角θ（以下、傾き角θという。図３（ｃ）参照）が増加する。
【００３２】
高さの低い光線指向制御部１１と高さの高い光線指向制御部１２からそれぞれ放射される光の干渉の原理については、図３（ｂ）に示した発光素子１１０における高さの高い光線指向制御部１１２と高さの低い光線指向制御部１１１からそれぞれ放射される光の干渉の原理と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００３３】
活性層１５は、励起光によって励起されることで光を発生するものである。評価用試料１０が青色発光素子として構成される場合、活性層１５は、例えば、ＩｎＧａＮの量子井戸層として形成される。この活性層１５の材料のバンドギャップエネルギーは、励起光のエネルギーよりも小さくなるように、その材料が選択される。活性層１５は、下部半導体層１４および上部半導体層１６とともに励起光が照射されると、照射された半導体層領域と活性層領域が励起され、さらに活性層１５の励起された一部の発光領域１５ａのみが選択的に光を発生する。図３（ｃ）に示すように、ここでは、活性層１５の発光領域１５ａは、横断面の面積が、光線指向制御部１１，２１，１２を囲む外接円Ｓａ（図３（ａ）参照）の面積と略同等となっている。図１では、外接円のＳａは、活性層１５の発光領域１５ａを、評価用試料１０の表面（上部半導体層１６の表面）に投影したものを示している。活性層１５の発光領域１５ａの設計の仕方については後記する。
【００３４】
次に、評価用試料１０の活性層１５の発光の原理について説明する。
図１に示すように、発光手段２０から照射された励起光は、評価用試料１０の下側、具体的には基板１３の下側から基板１３に入射され、この励起光が、基板１３を透過して、下部半導体層１４、活性層１５および上部半導体層１６に入射される。
活性層１５は、下部半導体層１４、当該活性層１５および上部半導体層１６内に励起光が侵入した部分において光励起されて、当該活性層の発光（フォトルミネッセンス）を生じる。つまり、下部半導体層１４、活性層１５および上部半導体層１６では、励起光が入射されると、励起光が侵入した領域では、熱平衡状態よりも過剰の電子・正孔対が形成される。そして、活性層１５中において、熱平衡状態に戻ろうとするときに電子と正孔とが再結合することで発光する。
【００３５】
活性層１５は、発光手段２０により励起光が照射された部分（下部半導体層１４の励起光照射領域１４ａ、発光領域１５ａ、上部半導体層１６の励起光照射領域１６ａ）の内の励起光侵入部分が励起されて、発光領域１５ａのみが発光する。この発光領域１５ａは、後記する発光手段２０における励起光の照射範囲（太さ）および位置によって設計される。活性層１５における発光領域１５ａを適切に設計することで、評価用試料１０の表面からの妨害光の発生を抑制することができる。これにより、光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの射出面１１ａ，２１ａ，１２ａ（図３（ｃ）参照）から射出された光によって光線を成形する際に、妨害光の影響を受けないようにすることができる。
【００３６】
活性層１５の発光領域１５ａは、横断面の面積を、図３（ａ）に示すように、外接円Ｓａの面積とする。このようにすることで、活性層１５の発光領域１５ａで光が発生する範囲と、発光素子１１０の活性層１１５で光が発生する範囲とを等しくすることができるので、評価用試料１０の活性層１５からの光の照射パターンと発光素子１１０の活性層１１５からの光の照射パターンとを等しくすることができる。そのため、評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２によって成形される光線を、発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２によって成形される光線により近づけることができる。
【００３７】
活性層１５の発光領域１５ａは、後記する発光手段２０の射出面２０ａからの励起光の照射範囲（大きさ・太さ）と位置によって、光線指向制御部１１，２１，１２の直下を含む一部領域に設定される。ここでは、前記したように、活性層１５の発光領域１５ａの横断面の面積が、活性層１５のＳａの面積（図３（ｃ）参照）と等しくなるように設計した。図３（ｂ）に示す発光素子１１０において、活性層１１５で光が発生する範囲の面積（発光面積）は、光線指向制御部１１１，１２１，１１２を囲む外接円の面積と等しくなるように設計されている。そのため、図３（ｃ）に示すように、評価用試料１０において、活性層１５の発光領域１５ａは、光線指向制御部１１，２１，１２を囲む外接円を活性層１５に投影したときの外接円内の領域とした。
【００３８】
これにより、活性層１５の発光領域１５ａで発生した光が、光線指向制御部１１，２１，１２以外の評価用試料１０の表面から漏れ出るのを抑制することができる。よって、評価用試料１０の表面から漏れ出た光（妨害光）と、光線指向制御部１１，２１，１２の射出面１１ａ，２１ａ，１２ａからそれぞれ射出された光と、による余分な干渉効果が生じるのを抑制することができる。また、光線指向制御部１１，２１，１２の全体に十分な光量を入射させることができる。よって、光線指向制御部１１，２１，１２の射出面１１ａ，２１ａ，１２ａから射出される光の強度を高くすることができる。なお、図３（ｃ）では、活性層１５のうち発光領域１５ａのみを交差する斜線として示している。なお、図面上、平面視して、外接円Ｓａと発光領域１５ａの位置が、重なって同じ線となってしまうので、位置をずらして明示している。
【００３９】
このようにして、活性層１５で発生した光は、上部半導体層１６に入射され、上部半導体層１６内を伝搬して、光線指向制御部１１，２１，１２の直下から光線指向制御部１１，２１，１２を含む外接円Ｓａの範囲内に入射される。そして、光線指向制御部１１，２１，１２内にそれぞれ入射された光は、光線指向制御部１１，２１，１２中を光導波路としてそれぞれ伝搬して、それぞれの射出面１１ａ，２１ａ，１２ａ（図３（ｃ）参照）から空気中にそれぞれ放出される。このようにして、光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの射出面および上部半導体層１６の上面から空気中に放出された放射光が、相互に干渉することで光線を成形し、光線指向制御部１１，２１，１２の高さの違いによって、光線の方向（傾き角θ（図１参照））が制御される。
【００４０】
図１および図３（ｃ）に示すように、発光手段２０は、図示しない外部電源から供給された電力により励起光を発生させ、発生させた励起光を評価用試料１０の底面側から活性層１５に向かって照射するものである。発光手段２０は、評価用試料１０の基板１３の直下に配置されており、光の射出面２０ａが活性層１５と対向するように配置されている。
【００４１】
活性層１５の発光領域１５ａを均一に発光させるためには、発光手段２０の射出面２０ａを評価用試料１０の下側（基板１３の下側）に配置し、基板１３側から活性層１５に励起光を入射させることとした。これにより、発光手段２０から照射された励起光が、下部半導体層１４、活性層１５および上部半導体層１６に入射すると、下部半導体層１４の励起光照射領域１４ａ、発光領域１５ａ、上部半導体層１６の励起光照射領域１６ａの内の励起光侵入部分が励起されて、発光領域１５ａのみが選択的に均一に発光する。
【００４２】
次に、発光手段２０から照射する励起光のエネルギーと、評価用試料１０の基板１３の材料のバンドギャップエネルギーとの関係について説明する。
評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの射出面１１ａ，２１ａ，１２ａから射出した光の干渉によって形成される光線の強度は、下部半導体層１４、活性層１５および上部半導体層１６に入射される励起光の量、および、活性層１５で発生した光が光線指向制御部１１，２１，１２の内部に取り入れられる量によって変化する。入射される励起光の量が一定量以下であると、活性層１５で十分な発光が得られず、光線指向制御部１１，２１，１２の内部に取り入れられる量が一定量以下となってしまう。そのため、評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２において、発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２と同等の光線を成形することができない。
【００４３】
評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２において、発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２と同等の光線を成形するためには、評価用試料１０の活性層１５の発光領域１５ａにおいて、発光素子１１０の活性層１１５で発生する光量と同等の光量を発生させる必要がある。そのためには、発光手段２０から照射した励起光が、基板１３を透過する際に、基板１３によって励起光が吸収されるのを抑制する必要がある。
【００４４】
前記したように、ここでは活性層１５は、ＩｎＧａＮの量子井戸層として形成される。また、下部半導体層１４は、活性層１５から遠い方から順に、例えば、ＧａＮ層と、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層とが積層された構造となっている。さらに、基板１３は、例えば、サファイアやＳｉＣ等で形成される。この場合、下部半導体層１４のバンドギャップエネルギーは、３．４ｅＶとなる。また、例えば、基板１３をサファイアで形成する場合、バンドギャップエネルギーは、約８．６４ｅＶとなる。さらに、活性層１５のバンドギャップエネルギーは、ＩｎとＧａのモル分率と、モル分率に重畳される曲率因子（ボーングパラメータ）によって変化する。ＩｎＮのバンドギャップは約０．７ｅＶであって、さらにＩｎＧａＮのボーイングパラメータは、１．４〜２．５であり、これらを考慮すると、例えば、Ｉｎ：Ｇａのモル分率を１：９とすると、約２．９ｅＶ、また、Ｉｎ：Ｇａのモル分率を２：８とすると、約２．６ｅＶとなる。
【００４５】
したがって、基板１３は、サファイアのバンドギャップエネルギーである約８．６４ｅＶに相当する波長１４５ｎｍより短波長の光を吸収し、波長１４５ｎｍより長波長の光は透過する。また、下部半導体層１４は、ＧａＮのバンドギャップエネルギーである３．４ｅＶに相当する波長３６５ｎｍより短波長の光を吸収し、波長３６５ｎｍより長波長の光は透過する。さらに、活性層１５は、ＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーである約２．６ｅＶに相当する波長４７７ｎｍより短波長の光を吸収し、波長４７７ｎｍより長波長の光は透過する。
【００４６】
仮に、励起光のエネルギーが、基板１３よりも大きい場合、励起光が、基板１３を透過するときに、基板１３によって吸収されてしまうことになる。ここでは、前記したように、基板１３（サファイア）のバンドギャップが約８．６４ｅＶであり、下部半導体層１４（ＧａＮ）のバンドギャップは、３．４ｅＶであるので、励起光のエネルギーが、３．４ｅＶより大きい場合（励起光の波長が、波長３６５ｎｍより短い場合）、励起光が、下部半導体層１４の励起光照射領域１４ａおよび発光領域１５ａならびに上部半導体層１６の励起光照射領域１６ａの内の励起光侵入部分によって吸収される。そこで、励起光のエネルギーが、基板１３のバンドギャップエネルギーより小さく、かつ活性層１５のエネルギーギャップより大きい場合において、ＧａＮでの吸収を伴いながら効率よくＧａＮ母体を励起できれば（活性層１５のフォトルミネッセンス励起帯を励起できれば）、活性層１５の発光領域１５ａのみ発光させることができる。
【００４７】
そこで、この条件を満たすように、発光手段２０で発生させる励起光の種類、あるいは、基板１３と下部半導体層１４と活性層１５と上部半導体層１６の材料を選択すると、励起光を、下部半導体層１４の励起光照射領域１４ａ、発光領域１５ａおよび上部半導体層１６の励起光照射領域１６ａの内の励起光侵入部分で効率的に吸収と励起を生じさせて、活性層１５の発光領域１５ａを発光させることができる。
【００４８】
ここでは、励起光のエネルギー（ｅＶ≒１２４０／波長［ｎｍ］）が、活性層１５（ＩｎＧａＮ）のバンドギャップである約２．６ｅＶよりも大きく、かつ、サファイア基板のバンドギャップである８．６４ｅＶよりも小さく、効率的にＧａＮの母体の吸収を伴いながらフォトルミネッセンスを励起できるような発光手段を用いることができる。
【００４９】
発光手段２０としては、例えばレーザやＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を用いることができる。レーザやＳＬＤにより成形される光は指向性が高いため、発光手段２０と評価用試料１０とが離間して配置され、発光手段２０における励起光の射出面から基板１３までの距離が長い場合であっても、光線の拡がりを抑制して基板１３に十分な量の励起光を入射させることができる。
【００５０】
そして、発光手段２０から評価用試料１０に照射した励起光により、評価用試料１０の活性層１５のうち、前記した発光領域１５ａのみを励起して発光させることで、評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２により、発光素子１１０の光線指向制御部１１１，１２１，１１２により成形される光線と同等の光線を成形することができる。
【００５１】
図１に戻り光検出装置３０の説明を進める。図１および図２に示すように、光検出装置３０は、評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２の射出面１１ａ，２１ａ，１２ａから射出された光線の指向特性を測定するものである。この光検出装置３０は、移動機構５０と、移動機構５０に沿って移動する受光装置３１と、この受光装置３１で受光した光線の光強度により指向特性を測定する測定演算部３２と、移動制御部６０と、を備えている。
受光装置３１は、光を検出するものである。例えば、受光装置３１は、入射した光強度に比例した電圧を出力するフォトディテクタで構成することができる。この受光装置３１は、逐次、移動機構５０に沿って移動した位置で検出した光強度（電圧）を測定演算部３２に出力する。
【００５２】
測定演算部３２は、受光装置３１が移動機構５０に沿って移動した位置で受光した光強度から、指向特性を測定するものである。ここでは、測定演算部３２は、入力部３３と、測定処理部３４と、記憶手段３５と、出力部３６と、を備えている。
入力部３３は、受光装置３１から、光強度を入力するものである。
測定処理部３４は、入力部３３で入力した光強度と、後記する記憶手段３５に記憶されている受光装置３１の位置から、光線の指向特性を演算するものである。この測定処理部３４は、入力部３３から入力される光強度を、記憶手段３５に記憶されている現在の受光装置３１の位置と対応付けて記憶手段３５に記憶し、検出対象となる位置において、すべて光検出を行ったことを外部から指示された段階で、光線の指向特性を演算する。この測定処理部３４は、演算により求められた光線の指向特性を出力部３６に出力する。
記憶手段３５は、現時点の受光装置３１の位置を記憶するとともに、逐次、受光装置３１で検出された光強度と、検出時における受光装置３１の位置とを対応付けて記憶するものである。この記憶手段３５は、一般的なメモリ等で構成することができる。
出力部３６は、測定処理部３４で演算された光線の指向特性を表示装置に出力するものである。
なお、測定演算部３２では、実測された光線の指向特性とＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法等のシミュレーションにより得られた光線の指向特性との差分を演算することにより、光線指向制御部の設計の妥当性と形状の正確性を評価するようにしてもよい。
【００５３】
光検出装置３０は、アーム、ホルダ等を介して、受光装置３１が移動機構５０に接続されており、移動機構５０により半球面軌道上を移動することで、様々な方向からの光線を検出可能となっている。
すなわち、光検出装置３０は、移動機構５０の軌道上において、評価用試料１０の試料表面に対する角度を変えながら光を検出することで、指向特性を測定する。より具体的には、光検出装置３０は、評価用試料１０の試料表面の中心から所定距離真上に離間した位置を天頂部とする半球面を仮定し、この半球面上で位置（法線Ｍに対する角度）を変えながら光を検出し、指向特性を測定する。
【００５４】
なお、移動機構５０は、既存の構成でよく、例えば、半円形状の移動レール５１の両端が水平回転テーブル５２に支持され、移動レール５１が水平回転テーブル５２の円軌道上に沿って移動できるように構成されている。したがって、移動機構５０は、移動レール５１上の受光装置３１を半球面軌道上の所望の位置に移動制御部６０からの制御信号により移動させて、光を受光させるものである。
【００５５】
移動制御部６０は、受光装置３１の位置を指定された位置に移動させる制御を行うものである。ここでは、移動制御部６０は、制御信号入力部６１と、制御信号処理部６２と、制御信号出力部６３と、を備えている。
制御信号入力部６１は、外部から、受光装置３１の半球面上の位置情報を入力するものである。なお、位置情報とは、法線Ｍに対する角度（Ｘ方向の角度、Ｙ方向の角度）である。この制御信号入力部６１は、入力された位置情報を、制御信号処理部６２に出力する。
【００５６】
制御信号処理部６２は、制御信号入力部６１から入力された位置情報で特定される位置に受光装置３１を移動させるように、移動機構５０に対する制御信号を生成するものである。この制御信号は、例えば、移動レール５１上の移動方向および移動量、水平回転テーブル５２の回転方向および回転量である。この制御信号処理部６２は、生成した制御信号を制御信号出力部６３に出力する。この制御信号処理部６２は、移動した受光装置３１の位置を記憶手段３５に記憶する。
制御信号出力部６３は、制御信号処理部６２で生成された制御信号を移動機構５０に出力するものである。
このように、移動制御部６０は、外部から順次半球面上の位置情報を入力されることで、受光装置３１を半球面体上の所望の位置に移動させることができる。なお、図４（ｂ）示す画像では、原点（中心）Ｏにおける法線Ｍに対して、Ｘ方向の位置において電界強度が最大となる位置が傾斜角度として示されることで、光線の傾斜を判断することが可能となり、図４（ｂ）では、原点Ｏ（図４（ａ）参照）から右側に光線が傾いていることが分かる（例えば、図４（ｂ）のＸ方向の角度では４度）。
【００５７】
［指向特性の測定］
本実施形態の光線指向特性測定装置１により、評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２から射出された光線の指向特性を測定するＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法によるシミュレーションを行った。なお、図４、図５中に示したシミュレーション結果は、ＦＤＴＤ法で導かれた光を電磁波として取り扱った結果で、電界強度成分の分布であって、発光強度は電界成分の２乗で表される。その際の発光強度分布は、面内から垂直の方向（Ｚ方向）に５４００ｎｍ上昇した面内（ＸＹ平面）での強度分布を表している。
【００５８】
次に、シミュレーションにおける評価用試料１０の設計例を、図４（ａ）を参照して説明する。
評価用試料１０は、発光素子層（上部半導体層１６、活性層１５および下部半導体層１４）が、ＧａＮにＩｎを添加したＬＥＤである。
基板１３はサファイアである。
光線指向制御部１１，２１，１２の直径は、放射光の自由空間における発光波長λ0に相当する４６５ｎｍとした。
【００５９】
光線指向制御部１１，２１，１２の平面視における配置角度は、６０度とした。６つの光線指向制御部の原点Ｏを挟んで正対する光線指向制御部間の間隔は、１１４０ｎｍとした。
隣り合う光線指向制御部間の間隔は、５７０ｎｍとした。
光線指向制御部１２の高さＨは、５７０ｎｍとした。
また、光線指向制御部１１の高さは、光線指向制御部１２の高さＨから、ｄ（ｄ＝δＨ）を引いた［Ｈ−ｄ］ｎｍとしている。なお、柱高低差割合δは、光線指向制御部１１，１２の高さの差の割合であり（δ＝ｄ／Ｈ）、この柱高低差割合δの値を変化させることで、光線方向が制御される。そして、光線指向制御部２１は、光線指向制御部１２，１１の中間の高さとしている。また、光線指向制御部２１は、光線の指向の制御の精度をより高めるために設置されている。すなわち、光線指向制御部１１，１２の中間となる高さで、光線指向制御部１１、２１、１２として本数を増やし、光線を発生する射出面１１ａ，２１ａ，１２ａの数を増加さている。ここでは、図４において、ｄ＝１８０ｎｍ、図５においてｄ＝０ｎｍとした場合の結果を示した。
活性層１５の発光領域１５ａの直径は、１６０５ｎｍとした。また、活性層１５と原点Ｏまでの距離(図２のＤ１、Ｄ２に相当)は、４６５ｎｍとした。
発光手段２０は、ＳＬＤを用いた。
光検出装置３０のレンズ面（図示せず）と、評価用試料１０の表面の中心となる原点Ｏとの距離を５４００ｎｍとした。
【００６０】
図４（ｂ）に示した画像は、光検出装置３０により、評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２から射出された光の強度分布を測定した結果を画像化したビームパターンである。ここでは、光検出装置３０が０度からＸ方向に±４０°、Ｙ方向に対しても±４０°までのθ方向となる位置の範囲を測定したものである。ビームパターンにおいて、符号ｒの領域は、図４（ｂ）に示すスケールにて、濃いグレーの部分であり、規格化した最大値であることを示す。なお、ここでは、ビームパターンは、ＦＤＴＤ法における電界強度の２乗（すなわち光強度）とした。
【００６１】
また、符号ｙの領域は、図４（ｂ）に示すスケールにて２番目に濃いグレーの部分であり、光の強度の規格値がおよそ０．５であることを示す。さらに、符号ｇの領域は、図４（ｂ）に示すスケールにて中間のグレーの部分であり、光の強度の規格値がおよそ０．２５であることを示す。そして、符号ｂの領域は、図４（ｂ）に示すスケールにて、白色の部分であり、光の強度の規格値がおよそ０．０（０．００Ｗ／ｍ2）であることを示す。なお、図４（ａ）に示す破線は、評価用試料１０の所定の原点Ｏ（図２（ａ）参照）を通る法線Ｍであり、図４（ｂ）に示す破線の交点は、評価用試料１０の所定の原点Ｏの位置を示すものである。
【００６２】
図４（ｂ）に示す検出結果では、最も光の強度が高い符号ｒの領域、つまり、成形された光線の中心部分が、法線Ｍに対し右側にずれている。これは、評価用試料１０から放射された光が、法線Ｍに対し右側に傾いているということを意味する。また、図４（ｂ）に示す検出結果では、成形された光線の中心部分の強度が高く、光線の明瞭性が高くなっていることがわかる。同様にして、図５（ａ）、（ｂ）では、最も光の強度が高い符号ｒの領域、つまり、成形された光線の中心部分が、法線Ｍに対し同等の位置に示されている。これは、評価用試料１０から放射された光が、法線Ｍに対し垂直に放射されているということを意味する。
このようにして、光検出装置３０によって検出された光線の評価を行うことで、光線指向制御部１１，２１，１２の設計の妥当性および形状の正確性が確保されているか否かを確認する（光線指向制御部１１，２１，１２の構造の有効性を評価する）ことが可能となる。
【００６３】
次に、本発明の実施形態に係る光線指向特性測定装置１により、評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２から射出される光線を測定する方法について、図６を参照して説明する。
図６に示すように、まず、発光手段２０の上側に評価用試料１０を配置し、発光手段２０において発生させた励起光を、射出面２０ａから評価用試料１０の基板１３の底面に照射する（ステップＳ１：照射ステップ）。
【００６４】
これにより、発光手段２０において発生した励起光が基板１３の内部に入射して下部半導体層１４から活性層１５および上部半導体層１６に入射される。そして、評価用試料１０の半導体層および活性層１５の一部を励起させ、入射した励起光によって発光領域１５ａを発光させることができる。このようにして評価用試料１０の活性層１５により発生した光が上部半導体層１６内を伝搬し、光線指向制御部１１，２１，１２の底面から内部に入射される。さらに、この光が評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２の柱頭の射出面１１ａ，２１ａ，１２ａから空気中に放射される。そして、射出面１１ａ，１２ａから放射された光の相互の干渉により光線が形成される。このようにして、評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２から光線が射出される。
【００６５】
そして、光検出装置３０により、ステップＳ１において評価用試料１０の光線指向制御部１１，２１，１２から出射された光線を検出し、光線の傾き角（発光強度の角度分布）を測定する（ステップＳ２：測定ステップ）。光検出装置３０は、柱高低差割合δが異なる複数の評価用試料１０ごとに光線の傾き角（発光強度の角度分布）を測定する。
【００６６】
［評価用試料の製造方法］
評価用試料１０を製造する方法としては、公知の種々の微細加工技術を用いることができる。
評価用試料の製造工程の一例を説明する。まず、バッファ層を介してＧａＮ等からなる発光素子層（上部半導体層１６、活性層１５および下部半導体層１４）が形成された基板１３を用意する。バッファ層が積層されたサファイア等の基板１３の表面に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等の成膜方法により、図３（ｃ）に示すように、下部半導体層１４を積層し、次に、ＩｎＧａＮの量子井戸層からなる活性層１５を形成し、さらに、上部半導体層１６を積層する。
【００６７】
さらに、上部半導体層１６の表面の画素領域に熱可塑性樹脂または光硬化性樹脂からなるフォトレジストをパターニングして積層する。パターニングは、上部半導体層１６の表面において、画素領域を円形に残し、その他を全て覆うパターンとする。例えば、上部半導体層１６の表面の画素領域にフォトレジストを塗布後、フォトマスクで皮膜し、紫外線を照射して現像することで形成することができる。
【００６８】
続いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、上部半導体層１６のフォトレジストの周囲をエッチングする。さらに、フォトレジストをリフトオフする。そして、光線指向制御部１１，２１，１２を、それぞれの高さが異なるように、例えば、集束イオンビーム（Focused Ion Beam）法により形成する。
【００６９】
以上説明した本発明の実施形態に係る光線指向特性測定装置によれば、発光手段で発生させた励起光を半導体層および活性層に照射することで、半導体層および活性層の一部を励起させて活性層を発光させることができる。このように、上部半導体層の電極および下部半導体層の電極を形成することなく活性層を発光させることができるので、評価用試料の構造が簡単となる。そのため、発光素子の光線指向制御部の設計の妥当性や形状の正確性等のより迅速かつ正確な評価が可能となる。とくに、評価用試料の表面に電極を形成しなくてよいため、光線指向制御部を避けて電極を形成するための精密な位置合わせや電極領域の設計等が不要となり、作製が容易となるとともに、形状の加工が容易となる。また、評価用試料の表面に電極を形成しなくてよいため、電極領域や大きさ、外部配線の形状等により光の干渉の状態が変化するのを回避することができ、光線指向制御部の構造のみによって、光線の指向特性や形状を制御することが可能となる。このように、光線指向特性測定装置によれば、発光素子の光線指向制御部として有効な構造を迅速かつ簡易に見つけ出すことが可能となる。
【００７０】
そして、光線指向特性測定装置によれば、発光手段から照射する励起光のエネルギーを、基板の材料のバンドギャップエネルギーよりも小さくしているため、基板によって励起光が吸収されることがない。そのため、光線指向特性測定装置によれば、発光手段により評価用試料の基板の下側から照射した励起光を、光量を減らさずに半導体層および活性層に入射させることができる。また、光線指向特性測定装置によれば、発光手段からの励起光の照射範囲および位置を限定することで、半導体層および活性層の一部領域（発光領域）を選択的に励起して発光させることができる。さらに、評価用試料の活性層の発光領域の横断面の面積を発光素子の発光手段の横断面の面積と等しく設計したことにより、評価用試料の光線指向制御部により、発光素子の光線指向制御部で成形される光線により近づけた光線を成形することができる。
【００７１】
したがって、本発明の光線指向特性装置によれば、光検出装置によって、評価用試料の光線指向制御部から射出される光線の指向特性を、発光素子の光線指向制御部から射出される光線の指向特性として測定することができる。そのため、発光素子そのものを作製しなくても、発光素子の光線指向制御部から射出される光線の指向特性を測定することが可能となる。これにより、発光素子の光線指向制御部の設計の妥当性や形状の正確性等の迅速かつ正確な評価が可能となる。
【００７２】
また、光線指向特性測定装置によれば、試料表面に電極を評価用試料における光線指向制御部の形状の加工が容易となるため、仮に評価用試料の光線指向制御部の有効性が確認されなかった場合、光線指向制御部の形状等を容易に変更し、指向特性を再度測定することが可能となる。一方、評価用試料の光線指向制御部の有効性が確認された場合、この光線指向制御部の構造を備えた発光素子を作製することで、ＩＰ立体ディスプレイの画素等への適用が可能となる。
【００７３】
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。
【００７４】
また、前記した実施形態では、評価用試料１０における活性層１５の発光領域１５ａの横断面の面積および位置を、発光素子１１０の活性層１１５の横断面の面積（発光面積）および位置と等しくしたが、これに限られない。
本発明の光線指向特性測定装置は、発光手段から評価用試料の活性層に励起光を照射することで、活性層を励起して発光させるものである。そのため、発光手段２０から評価用試料１０の活性層１５に照射する励起光の照射範囲および位置を変更することで、発光領域１５ａの変更が可能となる。活性層１５の発光領域１５ａの複数のパターンについて光線指向制御部１１，２１，１２により成形される光線の指向特性を測定することで、発光領域１５ａの範囲および位置が、光線指向制御部１１，２１，１２により成形される光線にどのような影響を与えるかを予め確認することができる。したがって、この結果を考慮して、実際の発光素子の発光部を設計することが可能となる。
【００７５】
例えば、評価用試料１０における活性層１５の発光領域１５ａを、光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの中心軸を通る円を活性層１５に投影したときの当該円内の領域としてもよい。
また例えば、評価用試料１０の活性層１５の発光領域１５ａを、光線指向制御部１１，２１，１２のそれぞれの柱に対応して６つ設けてもよい。この場合、一つの発光手段２０により、６つの発光領域１５ａに励起光を照射可能とするとよい。
さらに、移動機構５０は、半円状の曲線に形成されたレールの両基端を支持し、その支持されている部分に回動軸を有することで、半円状のレールを垂直状態から水平状態の方向に傾斜させることで半球面軌道上を受光装置３１が移動できるように構成しても構わない。つまり、移動機構５０は、支持する受光装置３１を、半球面軌道上の所定位置に移動させる構成であれば特に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７６】
１      光線指向特性測定装置
１０      評価用試料
１１，２１，１２      光線指向制御部
１３      基板
１４      下部半導体層
１５      活性層
１５ａ      発光領域
１６      上部半導体層
２０      発光手段
２０ａ      射出面
３０      光検出装置
１１０      発光素子
１１１，１２１，１１２      光線指向制御部
１１３      基板
１１４      ｎ型半導体層
１１５      活性層
１１６      ｐ型半導体層
１３０      光検出装置
【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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