CN106486574A

CN106486574A - 具备光致发光层的发光元件

Info

Publication number: CN106486574A
Application number: CN201610701607.1A
Authority: CN
Inventors: 稻田安寿; 平泽拓
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2036-08-22
Also published as: CN106486574B; JP2017045026A

Abstract

提供一种具有利用光致发光材料的新的构造的发光元件。发光元件具备：透光层，具有第1表面；光致发光层，位于第1表面上，具有透光层侧的第2表面及相反侧的第3表面，接受激励光而从第3表面发出包括第1光的光。光致发光层具有在第3表面上包括多个凸部的第1表面构造。透光层具有在第1表面包括的多个凸部的第2表面构造。第1表面构造及第2表面构造限制从第3表面发出的第1光的指向角。在与光致发光层垂直且与第1表面构造中的多个凸部的排列方向平行的截面中，第1表面构造中的多个凸部中的第1凸部的基部的宽度比顶部的宽度大。

Description

具备光致发光层的发光元件

技术领域

本发明涉及发光元件，特别涉及具备光致发光(Photoluminescence)层的发光元件。

背景技术

在照明器具、显示器、投影机等的光学设备中，在许多用途中要求向需要的方向射出光。在荧光灯、白色LED等中使用的光致发光材料各向同性地发光。由此，这样的材料为了使光仅向特定的方向射出而与反射器或透镜等的光学部件一起使用。例如，专利文献1公开了一种使用配光板及辅助反射板确保了指向性的照明系统。

专利文献1：日本特开2010－231941号公报

发明内容

发明要解决的问题

在光学设备中，如果配置反射器或透镜等的光学部件，则为了确保其空间，需要使光学设备自身的尺寸变大。希望将这些光学部件去掉、或至少将其小型化。

本发明提供一种具有利用光致发光材料的新的构造的发光元件。

本发明的一实施方式的发光元件具备：透光层，具有第1表面；光致发光层，位于上述第1表面上，具有上述透光层侧的第2表面及与上述第2表面相反侧的第3表面，接受激励光而从上述第3表面发出包括空气中的波长为λ_a的第1光的光。上述光致发光层具有在上述第3表面上包括多个凸部的第1表面构造。上述透光层具有在上述第1表面上包括与上述多个凸部对应的多个凸部的第2表面构造。上述第1表面构造及上述第2表面构造限制从上述第3表面发出的上述第1光的指向角。上述第1表面构造中的上述多个凸部包括第1凸部。在与上述光致发光层垂直且与上述第1表面构造中的上述多个凸部的排列方向平行的截面中，上述第1凸部的基部的宽度比顶部的宽度大。

上述包含性或具体的形态也可以通过元件、装置、系统、方法或它们的任意的组合来实现。

发明效果

根据本发明的实施方式，能够提供一种具有利用光致发光材料的新的构造的发光元件。

附图说明

图1A是表示一实施方式的发光元件的结构的立体图。

图1B是图1A所示的发光元件的局部剖面图。

图1C是表示另一实施方式的发光元件的结构的立体图。

图1D是图1C所示的发光元件的局部剖面图。

图2是表示将发光波长及周期构造的周期分别改变而计算向正面方向射出的光的增强度的结果的图。

图3是将式(10)中的m＝1及m＝3的条件图示的曲线图。

图4是表示将发光波长及光致发光层的厚度t改变而计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。

图5A是表示计算厚度t＝238nm时在x方向上导波的模的电场分布的结果的图。

图5B是表示计算厚度t＝539nm时在x方向上导波的模的电场分布的结果的图。

图5C是表示计算厚度t＝300nm时在x方向上导波的模的电场分布的结果的图。

图6是表示在与图2的计算相同条件下，对于光的偏振光是具有与y方向垂直的电场成分的TE模的情况，计算光的增强度的结果的图。

图7A是表示2维的周期构造的例子的平面图。

图7B是表示关于2维周期构造进行与图2同样的计算的结果的图。

图8是表示改变发光波长及周期构造的折射率而计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。

图9是表示在与图8同样的条件下使光致发光层的膜厚为1000nm的情况下的结果的图。

图10是表示改变发光波长及周期构造的高度而计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。

图11是表示在与图10同样的条件下使周期构造的折射率为n_p＝2.0的情况下的计算结果的图。

图12是表示假设光的偏振光是具有与y方向垂直的电场成分的TE模而进行与图9所示的计算同样的计算的结果的图。

图13是表示在与图9所示的计算同样的条件下将光致发光层的折射率n_wav变更为1.5的情况下的结果的图。

图14是表示在折射率为1.5的透明基板之上设有与图2所示的计算相同条件的光致发光层及周期构造的情况下的计算结果的图。

图15是图示了式(15)的条件的曲线图。

图16是表示具备图1A、图1B所示的发光元件100和使激励光向光致发光层110入射的光源180的发光装置200的结构例的图。

图17A是表示具有x方向的周期p_x的1维周期构造的图。

图17B是表示具有x方向的周期p_x、y方向的周期p_y的2维周期构造的图。

图17C是表示图17A的结构的光的吸收率的波长依存性的图。

图17D是表示图17B的结构的吸收率的波长依存性的图。

图18A是表示2维周期构造的一例的图。

图18B是表示2维周期构造的另一例的图。

图19A是表示在透明基板上形成周期构造的变形例的图。

图19B是表示在透明基板上形成周期构造的另一变形例的图。

图19C是表示在图19A的结构中改变发光波长及周期构造的周期而计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。

图20是表示使多个粉末状的发光元件混合的结构的图。

图21是表示在光致发光层之上2维地排列有周期不同的多个周期构造的例子的平面图。

图22是表示具有将在表面上形成有凹凸构造的多个光致发光层110层叠的构造的发光元件的一例的图。

图23是表示在光致发光层110与周期构造120之间设有保护层150的结构例的剖面图。

图24是表示通过仅将光致发光层110的一部分加工而形成了周期构造120的例子的图。

图25是表示在具有周期构造的玻璃基板上形成的光致发光层的截面TEM像的图。

图26是表示测量试制的发光元件的射出光的向正面方向的波谱的结果的曲线图。

图27A是表示使射出TM模的直线偏振光的发光元件以与1维周期构造120的行方向平行的轴为旋转轴旋转的状况的图。

图27B是表示测量使试制的发光元件如图27A所示那样旋转时的射出光的角度依存性的结果的曲线图。

图27C是表示计算使试制的发光元件如图27A所示那样旋转时的射出光的角度依存性的结果的曲线图。

图27D是表示使射出TE模的直线偏振光的发光元件以与1维周期构造120的行方向平行的轴为旋转轴旋转的状况的图。

图27E是表示测量使试制的发光元件如图27D所示那样旋转时的射出光的角度依存性的结果的曲线图。

图27F是表示计算使试制的发光元件如图27D所示那样旋转时的射出光的角度依存性的结果的曲线图。

图28A是表示使射出TE模的直线偏振光的发光元件以与1维周期构造120的行方向垂直的轴为旋转轴旋转的状况的图。

图28B是表示测量使试制的发光元件如图28A所示那样旋转时的射出光的角度依存性的结果的曲线图。

图28C是表示计算使试制的发光元件如图28A所示那样旋转时的射出光的角度依存性的结果的曲线图。

图28D是表示使射出TM模的直线偏振光的发光元件以与1维周期构造120的行方向平行的轴为旋转轴旋转的状况的图。

图28E是表示测量使试制的发光元件如图28D所示那样旋转时的射出光的角度依存性的结果的曲线图。

图28F是表示计算使试制的发光元件如图28D所示那样旋转时的射出光的角度依存性的结果的曲线图。

图29是表示测量试制的发光元件的射出光(波长610nm)的角度依存性的结果的曲线图。

图30是示意地表示平板型导波路的一例的立体图。

图31是用来说明在光致发光层110上具有周期构造120的发光元件的受到发光增强效果的光的波长与射出方向的关系的示意图。

图32A是表示排列有呈现发光增强效果的波长不同的多个周期构造的结构的例子的示意性的平面图。

图32B是表示排列有1维周期构造的凸部延伸的方位不同的多个周期构造的结构的例子的示意性的平面图。

图32C是表示排列有多个2维周期构造的结构的例子的示意性的平面图。

图33是具备微透镜的发光元件的示意性的剖面图。

图34A是具备发光波长不同的多个光致发光层的发光元件的示意性的剖面图。

图34B是具备发光波长不同的多个光致发光层的另一发光元件的示意性的剖面图。

图35A是在光致发光层之下具备防扩散层(阻挡层)的发光元件的示意性的剖面图。

图35B是在光致发光层之下具备防扩散层(阻挡层)的发光元件的示意性的剖面图。

图35C是在光致发光层之下具备防扩散层(阻挡层)的发光元件的示意性的剖面图。

图35D是在光致发光层之下具备防扩散层(阻挡层)的发光元件的示意性的剖面图。

图36A是在光致发光层之下具备结晶生长层(种晶层)的发光元件的示意性的剖面图。

图36B是在光致发光层之下具备结晶生长层(种晶层)的发光元件的示意性的剖面图。

图36C是在光致发光层之下具备结晶生长层(种晶层)的发光元件的示意性的剖面图。

图37A是具备用来保护周期构造的表面保护层的发光元件的示意性的剖面图。

图37B是具备用来保护周期构造的表面保护层的发光元件的示意性的剖面图。

图38A是具备透明高热传导层的发光元件的示意性的剖面图。

图38B是具备透明高热传导层的发光元件的示意性的剖面图。

图38C是具备透明高热传导层的发光元件的示意性的剖面图。

图38D是具备透明高热传导层的发光元件的示意性的剖面图。

图39是表示计算包括仅1次(正弦波)、3次以内、5次以内及11次以内的项的三角级数的结果的曲线图。

图40是表示截面形状包括矩形状的多个凸部的周期构造的示意性的剖面图。

图41A是表示截面形状包括三角形状的多个凸部的周期构造的示意性的剖面图。

图41B是表示截面形状为正弦波状的周期构造的示意性的剖面图。

图42是表示本发明的另一实施方式的发光元件的截面的一例的示意性的剖面图。

图43是表示包括多个凸部Pt的周期构造的垂直截面的一部分的示意图。

图44是表示改变周期构造120b中的多个凸部的侧面的倾斜角而计算向正面方向射出的光的增强度的结果的曲线图。

图45是表示在光致发光层110上形成有包括具有倾斜的侧面的凸部的周期构造的发光元件的变形例的示意性的剖面图。

图46是表示改变光致发光层110上的周期构造120b及基板140上的周期构造120a中的多个凸部的侧面的倾斜角而计算向正面方向射出的光的增强度的结果的曲线图。

图47是表示使光致发光层110上的周期构造120b中的多个凸部的各自的截面形状为矩形状、使基板140上的周期构造120a中的多个凸部的各自的截面形状为梯形状时的计算结果的曲线图。

图48A是表示周期构造的截面形状的另一例的示意性的剖面图。

图48B是表示周期构造的截面形状的又一例的示意性的剖面图。

图48C是表示周期构造的截面形状的又一例的示意性的剖面图。

图48D是表示周期构造的截面形状的又一例的示意性的剖面图。

图49A是示意地表示溅射时的压力比较低的情况下的、从靶极释放的材料粒子与基板140的表面碰撞的状况的图。

图49B是示意地表示溅射时的压力比较高的情况下的、从靶极释放的材料粒子与基板140的表面碰撞的状况的图。

图50A是表示通过在具有包括截面形状是矩形状、高度为170nm的多个凸部的周期构造的石英基板上用溅射堆积YAG：Ce而得到的试样的截面的图像的图。

图50B是表示通过在具有包括截面形状是矩形状、高度为170nm的多个凸部的周期构造的石英基板上用溅射堆积YAG：Ce而得到的试样的截面的图像的图。

图51A是表示在基板140上的周期构造120a中的凸部的高度比较小的情况下得到的光致发光材料的膜的示意性的剖面图。

图51B是表示在基板140上的周期构造120a中的凸部的高度比较小的情况下得到的光致发光材料的膜的示意性的剖面图。

图51C是表示通过在具有包括截面形状是矩形状、高度为60nm的多个凸部的周期构造的石英基板上用溅射堆积YAG：Ce而得到的试样的截面的图像的图。

图52A是表示在基板140上的周期构造120a中的凸部的高度比较大的情况下得到的光致发光材料的膜的示意性的剖面图。

图52B是表示在基板140上的周期构造120a中的凸部的高度比较大的情况下得到的光致发光材料的膜的示意性的剖面图。

图52C是表示通过在具有包括截面形状是矩形状、高度为200nm的多个凸部的周期构造的石英基板上用溅射堆积YAG：Ce而得到的试样的截面的图像的图。

图53是用来说明周期构造120a与周期构造120b之间的偏移量的示意性的剖面图。

图54是表示改变以周期构造120a为基准的周期构造120b的偏移量、计算向正面方向射出的光的增强度的结果的曲线图。

图55是表示具备在一方的表面上设有包括两个凸部的表面构造的部件601和将部件601覆盖的部件602的构造体的立体图。

图56是表示具有包括多个凸部Pt的表面构造的部件603与将部件603覆盖的部件604的层叠构造的一例的示意性的剖面图。

图57是表示具有包括多个凸部Pt的表面构造的部件603与将部件603覆盖的部件604的层叠构造的另一例的示意性的剖面图。

图58是表示具有多个凸部及多个凹部的至少一方的表面构造的一例的示意性的剖面图。

具体实施方式

[1.本发明的实施方式的概要]

本发明包括以下的项目所记载的发光元件。

[项目1]

一种发光元件，具备：透光层；光致发光层，位于透光层上，接受激励光而发出空气中的波长为λ_a的光；光致发光层具有在与透光层相反侧的表面上包括多个凸部的第1表面构造；透光层具有在光致发光层侧的表面上包括与多个凸部对应的多个凸部的第2表面构造；第1表面构造及第2表面构造限制光致发光层发出的空气中的波长为λ_a的光的指向角；第1表面构造中的多个凸部包括第1凸部；在与光致发光层垂直且与第1表面构造中的多个凸部的排列方向平行的截面中，第1凸部的基部的宽度比顶部的宽度大。

[项目2]

如项目1所述的发光元件，第1表面构造中的多个凸部分别具有宽度比顶部的宽度大的基部。

[项目3]

如项目1或2所述的发光元件，第1表面构造中的多个凸部的侧面的倾斜角比第2表面构造中多个凸部的侧面的倾斜角小。

[项目4]

如项目1～3中任一项所述的发光元件，第2表面构造包括与第1凸部对应的第2凸部；在截面中，第1凸部的基部的宽度比第2凸部的顶部的宽度小。

[项目5]

如项目1～3中任一项所述的发光元件，第2表面构造包括与第1凸部对应的第2凸部；在截面中，第1凸部的基部的宽度比第2凸部的顶部的宽度大。

[项目6]

如项目1所述的发光元件，第2表面构造中的多个凸部包括与第1凸部对应的第2凸部；在截面中，第2凸部的基部的宽度比顶部的宽度大。

[项目7]

如项目6所述的发光元件，第1表面构造中的多个凸部分别具有宽度比顶部的宽度大的基部。

[项目8]

如项目6或7所述的发光元件，第2表面构造中的多个凸部分别具有宽度比顶部的宽度大的基部。

[项目9]

如项目6～8中任一项所述的发光元件，第1表面构造中的多个凸部的侧面的至少一部分相对于与光致发光层垂直的方向倾斜；第2表面构造中的多个凸部的侧面的至少一部分相对于与光致发光层垂直的方向倾斜。

[项目10]

如项目6～9中任一项所述的发光元件，第1表面构造中的多个凸部的侧面的至少一部分、以及第2表面构造中的多个凸部的侧面的至少一部分当中的至少一方是台阶状。

[项目11]

如项目1～10中任一项所述的发光元件，如果设第1表面构造中的相邻的两个凸部间的距离为D1_int、设第2表面构造中的相邻的两个凸部间的距离为D2_int、设光致发光层对于空气中的波长是λ_a的光的折射率为n_wav－a，则λ_a/n_wav－a<D1_int<λ_a及λ_a/n_wav－a<D2_int<λ_a的关系成立。

[项目12]

一种发光元件，具备：透光层；光致发光层，位于透光层上，接受激励光而发出空气中的波长为λ_a的光；光致发光层具有在与透光层相反侧的表面上包括多个凹部的第1表面构造；透光层具有在光致发光层侧的表面上包括与多个凹部对应的多个凹部的第2表面构造；第1表面构造及第2表面构造限制光致发光层发出的空气中的波长为λ_a的光的指向角；第1表面构造中的多个凹部包括第1凹部；在与光致发光层垂直且与第1表面构造中的多个凹部的排列方向平行的截面中，第1凹部的开口部的宽度比底部的宽度大。

[项目13]

如项目12所述的发光元件，第1表面构造中的多个凹部分别具有宽度比底部的宽度大的开口部。

[项目14]

如项目12或13所述的发光元件，第1表面构造中的多个凹部的侧面的倾斜角比第2表面构造中的多个凹部的侧面的倾斜角小。

[项目15]

如项目12～14中任一项所述的发光元件，第2表面构造包括与第1凹部对应的第2凹部；在截面中，第1凹部的底部的宽度比第2凹部的开口部的宽度小。

[项目16]

如项目12～14中任一项所述的发光元件，第2表面构造包括与第1凹部对应的第2凹部；在截面中，第1凹部的底部的宽度比第2凹部的开口部的宽度大。

[项目17]

如项目12所述的发光元件，第2表面构造中的多个凹部包括与第1凹部对应的第2凹部；在截面中，第2凹部的开口部的宽度比底部的宽度大。

[项目18]

如项目17所述的发光元件，第1表面构造中的多个凹部分别具有宽度比底部的宽度大的开口部。

[项目19]

如项目17或18所述的发光元件，第2表面构造中的多个凹部分别具有宽度比底部的宽度大的开口部。

[项目20]

如项目17～19中任一项所述的发光元件，第1表面构造中的多个凹部的侧面的至少一部分相对于与光致发光层垂直的方向倾斜；第2表面构造中的多个凹部的侧面的至少一部分相对于与光致发光层垂直的方向倾斜。

[项目21]

如项目17～20中任一项所述的发光元件，第1表面构造中的多个凹部的侧面的至少一部分及第2表面构造中的多个凹部的侧面的至少一部分当中的至少一方是台阶状。

[项目22]

如项目12～21中任一项所述的发光元件，如果设第1表面构造中的相邻的两个凹部间的距离为D1_int、设第2表面构造中的相邻的两个凹部间的距离为D2_int、设光致发光层对于空气中的波长是λ_a的光的折射率为n_wav－a，则λ_a/n_wav－a<D1_int<λ_a及λ_a/n_wav－a<D2_int<λ_a的关系成立。

[项目23]

如项目11或22所述的发光元件，D1_int与D2_int相等。

[项目24]

如项目1～23中任一项所述的发光元件，第1表面构造具有至少1个第1周期构造；第2表面构造具有至少1个第2周期构造；如果设至少1个第1周期构造的周期为p1_a、设至少1个第2周期构造的周期为p2_a、设光致发光层对于空气中的波长是λ_a的光的折射率为n_wav－a，则λ_a/n_wav－a<p1_a<λ_a及λ_a/n_wav－a<p2_a<λ_a的关系成立。

[项目25]

如项目1～24中任一项所述的发光元件，第1表面构造及第2表面构造在光致发光层的内部形成使从光致发光层射出的空气中的波长是λ_a的光的强度在由第1表面构造及第2表面构造预先决定的第1方向上为最大的模拟导波模。

[项目26]

如项目1～24中任一项所述的发光元件，空气中的波长是λ_a的光在由第1表面构造及第2表面构造预先决定的第1方向上强度为最大。

[项目27]

如项目25或26所述的发光元件，向第1方向射出的空气中的波长为λ_a的光是直线偏振光。

[项目28]

如项目1～27中任一项所述的发光元件，第1表面构造及第2表面构造将光致发光层发出的空气中的波长是λ_a的光的指向角限制为不到15°。

[项目29]

如项目1～27中任一项所述的发光元件，以空气中的波长是λ_a的光的第1方向为基准时的指向角是不到15°。

本发明的实施方式的发光元件具备透光层和透光层上的光致发光层。光致发光层接受激励光而发出空气中的波长是λ_a的光。光致发光层在与透光层相反侧的表面上具有第1表面构造，透光层在光致发光层侧的表面上具有第2表面构造。第1表面构造包括多个凸部，第2表面构造包括与第1表面构造中的多个凸部对应的多个凸部。或者，第1表面构造包括多个凹部，第2表面构造包括与第1表面构造中的多个凹部对应的多个凹部。第1表面构造及第2表面构造限制光致发光层发出的空气中的波长是λ_a的光的指向角。

波长λ_a例如处于可视光的波长范围内(例如，380nm以上780nm以下)。在利用红外线的用途中，波长λ_a也可能有超过780nm的情况。另一方面，在利用紫外线的用途中，波长λ_a也可能有不到380nm的情况。在本发明中，为了方便而将包括红外线及紫外线的全部电磁波表现为“光”。

光致发光层包括光致发光材料。光致发光材料是指接受激励光而发光的材料。光致发光材料包含狭义的荧光材料及磷光材料，不仅包含无机材料，还包含有机材料(例如色素)，还包含量子点(即半导体微粒子)。光致发光层也可以除了光致发光材料以外还包含基质(matrix)材料(即基质(host)材料)。基质材料例如是玻璃或氧化物等的无机材料或树脂。

透光层可以是支承光致发光层的基板。透光层例如接近于光致发光层而配置，由对于光致发光层发出的光透射率较高的材料例如无机材料或树脂形成。透光层例如可以由电介体(特别是光的吸收较少的绝缘体)形成。在光致发光层的空气侧的表面具有后述的亚微米构造的情况下，空气层也可以作为透光层。

在光致发光层及透光层的至少一方的表面上，形成包括多个凸部及多个凹部中的至少一方的表面构造。这里所谓“表面”，是指与其他物质接触的部分(即界面)。在透光层是空气等的气体的层的情况下，该气体的层与其他物质(例如光致发光层)之间的界面是透光层的表面。该表面构造也可以称作“凹凸构造”。表面构造典型地包括将多个凸部或多个凹部一维或二维地周期排列的部分。这样的表面构造可以称作“周期构造”。多个凸部及多个凹部形成在相互接触的两个折射率不同的部件(或介质)的边界处。因而，“周期构造”可以说是包括在某个方向上折射率周期性地偏移的部分的构造。这里所谓“周期性”，并不限于严格是周期性的形态，也包括近似是周期性的形态。在本说明书中，当连续的多个凸部或凹部中的相邻的两个的中心间距离(以下有时称作“中心间隔”)关于任意两个相邻的凸部或凹部都包含在某个值p的±15％以内的范围中时，可以认为该部分是具有周期p的周期构造。

在本说明书中，“凸部”是指相对于基准高度的部分隆起的部分。“凹部”是指相对于基准高度的部分凹陷的部分。图55表示具有在一方的表面上设有包括两个凸部的表面构造的部件601和将部件601覆盖的部件602的构造体。在图55中，为了参考，表示了相互正交的x轴、y轴及z轴。另外，为了说明的方便，在其他图面中有时也表示相互正交的x轴、y轴及z轴。

部件601及602是大致平面状，并且在与xy平面平行的面内展开。在图55所示的例子中，z方向与部件601及602的层叠的方向一致，在图55中也示意地表示了部件601及602的层叠构造的xz截面。

在图55所示的例子中，部件601的表面构造包括两个凸部Pr1及Pr2，可以定义这些凸部的“排列方向”。在表面构造包括两个以上的凹部的情况下也同样，可以定义这些凹部的“排列方向”。在本说明书中，“排列方向”是指在表面构造中排列两个以上的凸部的方向或排列两个以上的凹部的方向。如图55所例示那样，在沿着y方向延伸的条带状的两个凸部沿着x方向排列的情况下，x方向是这些凸部的“排列方向”。以下，当在至少一方为平面状的两个部件的界面上形成有表面构造时，有时将与平面状的部件垂直且与表面构造中的排列方向平行的截面(这里是xz截面)称作“垂直截面”。在本说明书中，有时将在表面构造中沿着排列方向测量的长度称作“宽度”。

在图55所示的例子中，凸部Pr1及Pr2相对于部件601及602的界面在z方向上隆起。即，该例中的凸部的高度基准可以说是部件601及602的界面。在本说明书中，在上述垂直截面中，将凸部中的处于基准高度的部分称作凸部的“基部”。如在图55中示意地表示的那样，例如凸部Pr1的基部B1是凸部Pr1中的与隆起的基准面(这里是部件601及602的界面)的连接部分，也可以说是凸部Pr1中的与部件601及602的界面最近的部分。相对于此，在垂直截面中，将凸部中的从基准高度测量的距离最大的部分称作凸部的“顶部”。在图示的例子中，凸部Pr1的基部B1的宽度Bs与顶部T1的宽度Tp相等。以下，有时将连结顶部与基部的面称作凸部的“侧面”。垂直截面中的侧面的形状并不限定于直线状。垂直截面中的侧面的形状也可以是曲线状，也可以是台阶状。

如后面详细说明那样，本发明的实施方式中的、构成表面构造的凸部(或凹部)的垂直截面的形状(以下有时仅称作“截面形状”)并不限定于图55所示那样的矩形状。图56及图57表示具有包括多个凸部Pt的表面构造的部件603与将部件603覆盖的部件604的层叠构造的截面的例子。在图56所示的例子中，构成表面构造的各凸部Pt的截面形状是三角形状。在该例中，表面构造中的凸部Pt的顶部的宽度也可以说是0。另外，如图57所示，在构成表面构造的各凸部Pt的截面形状是向上凸的抛物线状的情况下也同样，凸部的顶部的宽度可以说是0。这样，凸部的顶部的宽度可以是0。

在图56及图57所例示的表面构造的垂直截面中，在将各凸部Pt的顶部的位置考虑为基准高度的情况下，也可以解释为表面构造包括多个凹部。即，在图56及图57所例示的结构中，也可以解释为部件603具有包括多个凹部Rs的表面构造。此时，可以说在给出基准高度的部分(在该例中是各凸部Pt的顶部)中的相邻的两个之间形成有凹部Rs。

在本说明书中，在上述垂直截面中，将构成表面构造的凹部中的从基准高度测量的距离最大的部分称作凹部的“底部”。“底部”可以说是在凹部中相对于基准高度最低的部分。另外，在图56及图57所示的例子中，各凹部Rs的底部Vm的宽度也可以说是0。如上述那样，表面构造中的凹部由给出基准高度的部分中的相邻的两个来规定。在本说明书中，在垂直截面中，将规定出凹部的这两个部分之间称作凹部的“开口部”。图56及图57中的箭头Op示意地表示凹部Rs的开口部的宽度。开口部可以说将在表面构造中从基准高度朝向凹部的底部而高度开始减少的部分彼此连结。以下，有时连结开口部与底部的面称作凹部的“侧面”。与凸部同样，垂直截面中的凹部的侧面的形状是直线状、曲线状、台阶状或不定形状的哪种都可以。

另外，根据凸部及凹部的形状、尺寸、分布，有时不能容易地判断哪个是凸部、哪个是凹部。例如，在图58所示的剖面图中，既可以解释为部件610具有凹部、部件620具有凸部，也可以进行其相反的解释。不论怎样解释，在可以说部件610及部件620的各自具有多个凸部及凹部的至少一方这一点上没有变化。在图55所例示的构造中，也可以解释为部件602具有包括两个凹部的表面构造，在此情况下，在部件602中与上述顶部T1接触的部分相当于图55中的左侧的凹部的底部。此时，底部的宽度是Tp，该凹部的开口部的宽度是Bs。

表面构造中的邻接的两个凸部或邻接的两个凹部的中心间的距离(在周期构造中是周期p)典型地比光致发光层发出的光在空气中的波长λ_a短。在从光致发光层发出的光是可视光、短波长的近红外线或紫外线的情况下，其距离比微米的量级(即微米级)短。由此，有时将这样的表面构造称作“亚微米构造”。“亚微米构造”也可以在一部分中包括具有超过1微米(μm)的中心间隔或周期的部分。在以下的说明中，主要设想发出可视光的光致发光层，作为意味着表面构造的用语而主要使用“亚微米构造”的用语。但是，关于具有超过亚微米量级的微细构造(例如在利用红外线的用途中使用的微米级的微细构造)的表面构造，以下的论述也全部同样成立。

在本发明的实施方式的发光元件中，如后面参照计算结果及实验结果详述那样，至少在光致发光层的内部形成独特的电场分布。这是导波光与亚微米构造(即表面构造)相互作用而形成的。可以将形成这样的电场分布的光的模(mode)表现为“模拟导波模”。通过利用该模拟导波模，如以下说明那样，能够得到光致发光的发光效率的增大、指向性的提高、偏振光具有选择性的效果。另外，在以下的说明中，有时使用模拟导波模这样的用语说明本发明的发明者们发现的新的结构及/或新的机理。该说明不过是1个例示性的说明，并不将本发明在任何意义上限定。

亚微米构造例如包括多个凸部，如果设邻接的凸部间的中心间距离为D_int，则可以满足λ_a/n_wav－a<D_int<λ_a的关系。光致发光层中的第1表面构造及透光层中的第2表面构造也可以分别满足λ_a/n_wav－a<D_int<λ_a的关系。亚微米构造也可以代替多个凸部而包括多个凹部。即，也可以是，第1表面构造及第2表面构造分别包括多个凹部，关于邻接的凹部间的中心间距离D_int，在第1表面构造及第2表面构造的各自中λ_a/n_wav－a<D_int<λ_a的关系成立。以下，为了简单，假设亚微米构造具有多个凸部而进行说明。λ表示光的波长，λ_a表示是空气中的光的波长。n_wav是光致发光层的折射率。在光致发光层是将多个材料混合的介质的情况下，设将各材料的折射率用各自的体积比率加权的平均折射率为n_wav。通常折射率n依存于波长，所以优选的是将是相对于λ_a的光的折射率的情况明示为n_wav－a，但为了简单，有时也省略。n_wav基本上是光致发光层的折射率，但在与光致发光层邻接的层的折射率比光致发光层的折射率大的情况下，设将该折射率较大的层的折射率及光致发光层的折射率用各自的体积比率加权后的平均折射率为n_wav。这是因为，在此情况下，在光学上与光致发光层由多个不同材料的层构成的情况是等价的。

如果设对于模拟导波模的光的介质的有效折射率为n_eff，则满足n_a<n_eff<n_wav。这里，n_a是空气的折射率。如果将模拟导波模的光考虑是在光致发光层的内部一边以入射角θ全反射一边传输的光，则有效折射率n_eff可记作n_eff＝n_wavsinθ。此外，由于有效折射率n_eff由存在于模拟导波模的电场所分布的区域中的介质的折射率决定，所以例如在透光层中形成有亚微米构造的情况下，不仅依存于光致发光层的折射率，还依存于透光层的折射率。此外，由于根据模拟导波模的偏振光方向(TE模和TM模)而电场的分布不同，所以在TE模和TM模中有效折射率n_eff可能不同。

亚微米构造形成在光致发光层及透光层的至少一方中。当光致发光层与透光层相互接触时，也可以在光致发光层与透光层的界面上形成亚微米构造。此时，光致发光层及透光层也可以说具有亚微米构造。具有亚微米构造的透光层也可以与光致发光层接近配置。这里，所谓透光层(或其亚微米构造)与光致发光层接近，典型的是指它们之间的距离是波长λ_a的一半以下。由此，导波模的电场达到亚微米构造，形成模拟导波模。但是，当透光层的折射率比光致发光层的折射率大时，即使不满足上述关系，光也到达透光层，所以透光层的亚微米构造与光致发光层之间的距离也可以超过波长λ_a的一半。在本说明书中，当光致发光层和透光层处于导波模的电场达到亚微米构造而形成模拟导波模那样的配置关系时，有时表现为两者相互建立关联。

当亚微米构造如上述那样满足λ_a/n_wav－a<D_int<λ_a的关系时，在利用可视光的用途中，用亚微米量级的大小赋予特征。亚微米构造例如如以下详细说明的实施方式的发光元件中那样，可以包括至少1个周期构造。至少1个周期构造如果设周期为p_a，则λ_a/n_wav－a<p_a<λ_a的关系成立。即，亚微米构造可以包括邻接的凸部间的距离D_int是p_a为一定的周期构造。λ_a/n_wav－a<p_a<λ_a的关系也可以在光致发光层的第1表面构造及透光层的第2表面构造的各自中成立。也可以是，第1表面构造及第2表面构造分别包括多个凹部，关于邻接的凹部间的中心间距离的周期p_a，在第1表面构造及第2表面构造的各自中，λ_a/n_wav－a<p_a<λ_a的关系成立。如果亚微米构造包括这样的周期构造，则模拟导波模的光通过一边传输一边与周期构造反复相互作用，通过亚微米构造而衍射。这与在自由空间中传播的光通过周期构造衍射的现象不同，是光一边导波(即，一边反复全反射)一边与周期构造作用的现象。因而，即使由周期构造带来的相位偏移较小(即，周期构造的高度较小)，也能够效率良好地引起光的衍射。

如果利用以上这样的机理，则通过由模拟导波模将电场增强的效果，光致发光的发光效率会增大，并且，所产生的光与模拟导波模耦合。模拟导波模的光其行进角度将被弯曲由周期构造规定的衍射角度的量。利用该性质，能够将特定的波长的光向特定的方向射出。即，与不存在周期构造的情况相比，指向性显著地提高。进而，由于在TE模和TM模中有效折射率n_eff(＝n_wavsinθ)不同，所以还能够同时得到较高的偏振光的选择性。例如，如后面表示实验例那样，能够得到将特定的波长(例如610nm)的直线偏振光(例如TM模)向正面方向较强地射出的发光元件。此时，向正面方向射出的光的指向角例如不到15°。这里，所谓“指向角”，定义为关于射出的特定的波长的直线偏振光，强度为最大的方向、和强度为最大强度的50％的方向之间的角度。即，指向角是设强度是最大的方向为0°的情况下的单侧的角度。这样，本发明的实施方式的周期构造(即表面构造)限制特定的波长λ_a的光的指向角。换言之，使该波长λ_a的光的配光相比没有周期构造的情况而成为更窄的角度。有时将这样的相比不存在周期构造的情况减小了指向角的配光称作“窄角配光”。本发明的实施方式的周期构造限制波长λ_a的光的指向角，但不是将波长λ_a的光的全部以窄角射出。例如在后述图29所示的例子中，在从强度为最大的方向偏离的角度(例如20°～70°)的方向上也有波长λ_a的光稍稍射出。但是，整体上波长λ_a的射出光集中在0°～20°的范围，指向角被限制。

另外，本发明的典型的实施方式的周期构造与通常的衍射栅格不同，具有比光的波长λ_a短的周期。通常的衍射栅格具有相比光的波长足够长的周期，结果，使特定的波长的光分为0次光(即透射光)、±1次衍射光等的多个衍射光而射出。这样的衍射栅格在0次光的两侧发生高次的衍射光。衍射栅格的在0次光的两侧发生的高次的衍射光使窄角配光的实现变得困难。换言之，以往的衍射栅格起不到将光的指向角限制为规定的角度(例如15°左右)这样的本发明的实施方式所特有的效果。在这一点上，本发明的实施方式的周期构造具有与以往的衍射栅格显著不同的性质。

如果亚微米构造的周期性变低，则指向性、发光效率、偏光度及波长选择性变弱。只要根据需要来调整亚微米构造的周期性就可以。周期构造既可以是偏振光的选择性较高的1维周期构造，也可以是能够使偏光度变小的2维周期构造。

亚微米构造可以包括多个周期构造。多个周期构造例如周期(间距)相互不同。或者，多个周期构造中，例如具有周期性的方向(轴)相互不同。多个周期构造既可以形成在同一面内，也可以层叠。当然，发光元件也可以具有多个光致发光层和多个透光层，它们具有多个亚微米构造。

亚微米构造不仅是为了控制光致发光层发出的光，也能够用于将激励光效率良好地向光致发光层引导。即，通过激励光被亚微米构造衍射并与在光致发光层及透光层中导波的模拟导波模耦合，能够效率良好地激励光致发光层。如果设激励光致发光材料的光在空气中的波长为λ_ex，设对于该激励光的光致发光层的折射率为n_wav－ex，则只要使用λ_ex/n_wav－ex<D_int<λ_ex的关系成立的亚微米构造就可以。n_wav－ex是光致发光材料的激励波长下的折射率。如果设周期为p_ex，则也可以使用具有λ_ex/n_wav－ex<p_ex<λ_ex的关系成立的周期构造的亚微米构造。激励光的波长λ_ex例如是450nm，但也可以是比可视光短的短波长。在激励光的波长处于可视光的范围内的情况下，也可以将激励光与光致发光层发出的光一起射出。

[2.作为本发明的基础的认识]

在说明本发明的具体的实施方式之前，首先说明作为本发明的基础的认识。如上述那样，在荧光灯、白色LED等中使用的光致发光材料进行各向同性的发光。为了将特定的方向用光照射，需要反射器或透镜等的光学部件。但是，如果光致发光层自身具有指向性而发光，则不再需要上述那样的光学部件(或能够使其变小)。由此，能够使光学设备及器具的大小大幅变小。本发明的发明者们基于这样的设想，为了得到指向性发光，详细地研究了光致发光层的结构。

本发明的发明者们首先为了使来自光致发光层的光偏向特定的方向，考虑了使发光自身具有特定的方向性。作为将发光赋予特征的指标的发光比率(rate)Γ，根据费米的黄金法则，用以下的式(1)表示。

[数式1]

在式(1)中，r是表示位置的向量，λ是光的波长，d是偶极向量(dipole vector)，E是电场向量，ρ是状态密度。除了一部分的结晶性物质以外，在多数物质中，偶极向量d具有随机的方向性。此外，在光致发光层的尺寸和厚度相比光的波长充分大的情况下，电场E的大小也不取决于朝向而大致为一定。由此，在几乎全部的情况下，<(d·E(r))>²的值不取决于方向。即，发光比率Γ不取决于方向而为一定。因此，在几乎全部情况下，光致发光层各向同性地发光。

另一方面，根据式(1)，为了得到各向异性的发光，需要要么使偶极向量d与特定的方向对齐、要么将电场向量的特定方向的成分增强这样的精心设计。通过进行以上两者中的某个的精心设计，能够实现指向性发光。在本发明的实施方式中，通过将光向光致发光层封闭的效果，利用特定方向的电场成分被增强的模拟导波模。以下说明对用于此的结构进行研究并详细分析的结果。

[3.仅使特定的方向的电场变强的结构]

本发明的发明者们考虑了使用电场较强的导波模进行发光的控制。通过做成导波构造自身包含光致发光材料的结构，能够使产生的光与导波模耦合。但是，单单仅使用光致发光材料形成导波构造时，由于发出的光为导波模，所以光几乎不向正面方向出来。所以，本发明的发明者们考虑了将包含光致发光材料的导波路与周期构造组合。在周期构造与导波路接近、光的电场一边与周期构造重叠一边导波的情况下，通过周期构造的作用而存在模拟导波模。即，该模拟导波模是被周期构造限制的导波模，将电场振幅的波腹以与周期构造的周期相同的周期发生作为特征。该模是通过光被封闭到导波构造中而加强了向特定方向的电场的模。进而，该模通过与周期构造相互作用，通过衍射效果而向特定方向的传播光变换，所以能够将光向导波路外部射出。进而，模拟导波模以外的光由于被封闭到导波路内的效果较小，所以电场不被增强。由此，发光的几乎全部向具有较大的电场成分的模拟导波模耦合。

即，本发明的发明者们考虑通过将周期构造接近设置的导波路用包含光致发光材料的光致发光层(或具备光致发光层的导波层)构成，使产生的光与变换为特定方向的传播光的模拟导波模耦合，来实现有指向性的光源。

作为导波构造的简便的结构，着眼于平板型导波路。所谓平板(slab)型导波路，是光的导波部分具有平板构造的导波路。图30是示意地表示平板型导波路110S的一例的立体图。当导波路110S的折射率比支承导波路110S的透明基板140的折射率高时，存在在导波路110S内传播的光的模。通过将这样的平板型导波路做成包括光致发光层的结构，由于从发光点产生的光的电场与导波模的电场较大地重叠，所以能够使在光致发光层中产生的光的大部分与导波模耦合。进而，通过使光致发光层的厚度为光的波长的程度，能够形成仅存在电场振幅较大的导波模的状况。

进而，在周期构造接近于光致发光层的情况下，通过导波模的电场与周期构造相互作用而形成模拟导波模。在光致发光层由多个层构成的情况下，也只要导波模的电场达到周期构造，就形成模拟导波模。不需要光致发光层的全部是光致发光材料，只要其至少一部分的区域具有发光的功能就可以。

在将周期构造用金属形成的情况下，形成导波模和基于等离子共振(PlasmonResonance)的效果的模。该模具有与以上叙述的模拟导波模不同的性质。此外，该模由于由金属进行的吸收较大，所以损失变大，发光增强的效果变小。因而，作为周期构造，优选的是使用吸收较少的电介体。

本发明的发明者们首先对通过在这样的导波路的表面上形成周期构造、使产生的光与能够作为特定的角度方向的传播光射出的模拟导波模耦合进行了研究。图1A是示意地表示具备这样的导波路(例如光致发光层)110和周期构造(例如透光层的一部分)120的发光元件100的一例的立体图。以下，在透光层具有周期构造的情况下(即，在透光层中形成有周期性的亚微米构造的情况下)，有时将周期构造120称作透光层120。在该例中，周期构造120是分别在y方向上延伸的条带状的多个凸部在x方向上等间隔地排列的1维周期构造。图1B是将该发光元件100用与xz面平行的平面切断时的剖面图。如果以与导波路110接触的方式设置周期p的周期构造120，则具有面内方向的波数k_wav的模拟导波模被向导波路外的传播光变换，其波数k_out可以用以下的式(2)表示。

[数式2]

式(2)中的m是整数，表示衍射的次数。

这里，为了简单，近似地将在导波路内导波的光考虑是以角度θ_wav传播的光线，设以下的式(3)及(4)成立。

[数式3]

[数式4]

在这些式子中，λ₀是光的空气中的波长，n_wav是导波路的折射率，n_out是射出侧的介质的折射率，θ_out是光向导波路外的基板或空气射出时的射出角度。根据式(2)～式(4)，射出角度θ_out可以用以下的式(5)表示。

[数式5]

n_outsinθ_out＝n_wavsinθ_wav-mλ₀/p (5)

根据式(5)可知，当n_wavsinθ_wav＝mλ₀/p成立时，为θ_out＝0，能够使光向与导波路的面垂直的方向(即正面)射出。

基于以上这样的原理，可以认为，通过使产生的光与特定的模拟导波模耦合，再利用周期构造变换为特定的射出角度的光，从而能够在该方向上使较强的光射出。

为了实现上述那样的状况，有一些制约条件。首先，为了存在模拟导波模，在导波路内传播的光需要全反射。用于此的条件用以下的式(6)表示。

[数式6]

n_out＜n_wavsinθ_wav (6)

为了使该模拟导波模用周期构造衍射而使光向导波路外射出，在式(5)中需要是－1<sinθ_out<1。由此，需要满足以下的式(7)。

[数式7]

对此，可知，如果考虑式(6)，则只要以下的式(8)成立就可以。

[数式8]

进而，为了使从导波路110射出的光的方向为正面方向(θ_out＝0)，根据式(5)可知，需要以下的式(9)。

[数式9]

p＝mλ₀/(n_wavsinθ_wav) (9)

根据式(9)及式(6)可知，需要的条件是以下的式(10)。

[数式10]

另外，在设有图1A及图1B所示那样的周期构造的情况下，由于m为2以上的高次的衍射效率较低，所以可以主要着眼于m＝1的1次的衍射光来设计。因此，在本实施方式的周期构造中，设为m＝1，决定周期p以满足将式(10)变形的以下的式(11)。

[数式11]

如图1A及图1B所示，在导波路(光致发光层)110没有与透明基板接触的情况下，由于n_out为空气的折射率(约1.0)，所以只要决定周期p以满足以下的式(12)就可以。

[数式12]

另一方面，也可以采用图1C及图1D中例示那样的在透明基板140上形成有光致发光层110及周期构造120的构造。在此情况下，由于透明基板140的折射率n_s比空气的折射率大，所以只要决定周期p以满足在式(11)中设为n_out＝n_s的下式(13)就可以。

[数式13]

另外，在式(12)、(13)中，设想了在式(10)中m＝1的情况，但也可以是m≧2。即，在图1A及图1B所示那样发光元件100的两面与空气层接触的情况下，只要将m设为1以上的整数、设定周期p以满足以下的式(14)就可以。

[数式14]

同样，在如图1C及图1D所示的发光元件100a那样在透明基板140上形成有光致发光层110的情况下，只要设定周期p以满足以下的式(15)就可以。

[数式15]

通过决定周期构造的周期p以满足以上的不等式，能够使从光致发光层110产生的光向正面方向射出，所以能够实现具有指向性的发光装置。

[4.基于计算的验证]

[4－1.周期、波长依存性]

本发明的发明者们通过光学解析验证了以上那样的光向特定方向射出实际能够实现。光学解析通过使用“サイバネット”公司的DiffractMOD的计算来进行。在这些计算中，当将光从外部对发光元件垂直地入射时，通过计算光致发光层中的光的吸收的增减，求出了向外部垂直射出的光的增强度。从外部入射的光与模拟导波模耦合而被光致发光层吸收的过程，对应于计算光致发光层中的发光向模拟导波模耦合、并变换为垂直向外部射出的传播光的过程相反的过程。此外，在模拟导波模的电场分布的计算中，也同样计算了光从外部入射的情况下的电场。

在图2中表示设光致发光层的膜厚为1μm、光致发光层的折射率为n_wav＝1.8、周期构造的高度为50nm、周期构造的折射率为1.5、将发光波长及周期构造的周期分别改变而计算向正面方向射出的光的增强度的结果。计算模型如图1A所示，设在y方向上为均匀的1维周期构造、光的偏振光是具有与y方向平行的电场成分的TM模而进行计算。根据图2的结果可知，增强度的峰值在某个特定的波长与周期的组合中存在。另外，在图2中，增强度的大小用颜色的浓淡表示，较浓(即较黑)者增强度较大，较淡(即较白)者增强度较小。

在上述计算中，设周期构造的截面是图1B所示那样的矩形。在图3中表示将式(10)中的m＝1及m＝3的条件图示的曲线图。将图2和图3比较可知，图2中的峰值位置存在于与m＝1和m＝3对应的地方。m＝1时强度较强是因为，1次的衍射光的衍射效率比3次以上的高次的衍射光高。不存在m＝2的峰值是因为周期构造的衍射效率较低。

可以确认，在与图3中表示的m＝1及m＝3分别对应的区域内，在图2中存在多个行(line)。考虑这是因为存在多个模拟导波模。

[4－2.厚度依存性]

图4是表示设光致发光层的折射率为n_wav＝1.8、周期构造的周期为400nm、高度为50nm、折射率为1.5、改变发光波长及光致发光层的厚度t而计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。可知当光致发光层的厚度t是特定的值时光的增强度达到峰值。

在图5A及图5B中分别表示在图4中峰值存在的波长600nm、厚度t＝238nm、539nm时计算向x方向导波的模的电场分布的结果。为了比较，在图5C中表示关于不存在峰值的t＝300nm的情况进行了同样的计算的结果。计算模型与上述同样，假设是在y方向上均匀的1维周期构造。在各图中，越黑的区域表示电场强度越高，越白的区域表示电场强度越低。在t＝238nm、539nm的情况下有较高的电场强度的分布，相对于此，在t＝300nm时整体上电场强度较低。这是因为，在t＝238nm、539nm的情况下，存在导波模，光被较强地封闭。进而，在凸部或凸部的正下方必定存在电场最强的部分(波腹)，可以看到发生了与周期构造120有相关性的电场的特征。即，可知按照周期构造120的配置而得到了导波的模。此外，将t＝238nm的情况与t＝539nm的情况比较可知，是z方向的电场的波节(较白的部分)的数量仅相差1个的模。

[4－3.偏振光依存性]

接着，为了确认偏振光依存性，以与图2的计算相同的条件，对光的偏振光是具有与y方向垂直的电场成分的TE模的情况进行了光的增强度的计算。将该计算的结果表示在图6中。与TM模时(图2)相比，虽然峰值位置稍稍变化，但峰值位置包含在图3所示的区域内。由此，可以确认本实施方式的结构对于TM模、TE模的任意一种偏振光都是有效的。

[4－4.2维周期构造]

进而，进行基于2维的周期构造的效果的研究。图7A是表示在x方向及y方向的两方向上排列有凹部及凸部的2维的周期构造120’的一部分的平面图。图中的较黑的区域表示凸部，较白的区域表示凹部。在这样的2维周期构造中，需要考虑x方向和y方向的两方的衍射。关于仅x方向或仅y方向的衍射与1维的情况是同样的，但由于也存在具有x、y两者的成分的方向(例如，斜45°方向)的衍射，所以可以期待能够得到与1维的情况不同的结果。将关于这样的2维周期构造计算光的增强度的结果表示在图7B中。周期构造以外的计算条件与图2的条件相同。如图7B所示，除了图2所示的TM模的峰值位置以外，还观测到了与图6所示的TE模的峰值位置一致的峰值位置。该结果表示，通过2维周期构造将TE模也通过衍射来变换而输出。此外，关于2维周期构造，对x方向及y方向双方，需要也考虑同时满足1次的衍射条件的衍射。这样的衍射光向与周期p的√2倍(即，2^1/2倍)的周期对应的角度的方向射出。由此可以想到，除了1维周期构造的情况下的峰值以外，关于周期p的√2倍的周期也发生峰值。在图7B中，也能够确认这样的峰值。

作为2维周期构造，并不限于图7A所示那样的x方向及y方向的周期相等的正方栅格的构造，也可以是图18A及图18B那样的将六边形或三角形排列的栅格构造。此外，也可以是根据方位方向(例如在正方栅格的情况下是x方向及y方向)的周期不同的构造。

如以上这样，在本实施方式中，可以确认能够将由周期构造和光致发光层形成的特征性的模拟导波模的光利用周期构造的衍射现象而有选择地仅向正面方向射出。在这样的结构中，通过使光致发光层用紫外线或蓝色光等的激励光激励，能够得到具有指向性的发光。

[5.周期构造及光致发光层的结构的研究]

接着，对改变了周期构造及光致发光层的结构、或折射率等的各种条件时的效果进行说明。

[5－1.周期构造的折射率]

首先，关于周期构造的折射率进行了研究。使光致发光层的膜厚为200nm、光致发光层的折射率为n_wav＝1.8、周期构造为图1A所示那样的在y方向上均匀的1维周期构造、高度为50nm、周期为400nm，假设光的偏振光是具有平行于y方向的电场成分的TM模而进行了计算。在图8中表示改变发光波长及周期构造的折射率而计算向正面方向输出的光的增强度的结果。此外，在图9中表示在同样的条件下使光致发光层的膜厚为1000nm的情况下的结果。

首先，着眼于光致发光层的膜厚可知，与膜厚为200nm的情况(图8)相比，在膜厚为1000nm的情况(图9)下，相对于周期构造的折射率的变化的光强度为峰值的波长(称作峰值波长)的偏移较小。这是因为，光致发光层的膜厚越小，模拟导波模越容易受到周期构造的折射率的影响。即，周期构造的折射率越高，有效折射率越大，相应地峰值波长越向长波长侧偏移，而膜厚越小则该影响越显著。另外，有效折射率由存在于模拟导波模的电场分布的区域中的介质的折射率决定。

接着，着眼于相对于周期构造的折射率的变化的峰值的变化可知，折射率越高则尖峰越展开而强度越下降。这是因为，周期构造的折射率越高，将模拟导波模的光向外部释放的比率(rate)越高，所以将光封闭的效果越减小，即Q值越低。为了将峰值强度保持得较高，只要做成利用将光封闭的效果较高(即Q值较高)的模拟导波模适当地将光向外部放出的结构就可以。为了实现这一点，可知将折射率相比光致发光层的折射率大过多的材料用于周期构造并不好。因而，为了使峰值强度及Q值某种程度变高，只要使构成周期构造的电介体(即透光层)的折射率为与光致发光层的折射率同等以下就可以。当光致发光层包含光致发光材料以外的材料时也是同样的。

[5－2.周期构造的高度]

接着，关于周期构造的高度进行了研究。使光致发光层的膜厚为1000nm、光致发光层的折射率为n_wav＝1.8，周期构造为图1A所示那样的在y方向上均匀的1维周期构造、使折射率为n_p＝1.5、周期为400nm，假设光的偏振光是具有平行于y方向的电场成分的TM模而进行了计算。在图10中表示改变发光波长及周期构造的高度而计算向正面方向输出的光的增强度的结果。在图11中表示在同样的条件下使周期构造的折射率为n_p＝2.0的情况下的计算结果。在图10所示的结果中，在某种程度以上的高度下峰值强度及Q值(即，峰值的线宽)不变化，相对于此，在图11所示的结果中，可知周期构造的高度越大则峰值强度及Q值越下降。这是因为，在光致发光层的折射率n_wav比周期构造的折射率n_p高的情况下(图10)，光发生全反射，所以仅模拟导波模的电场的渗出(迅衰：evanescent)部分与周期构造相互作用。电场的迅衰部分与周期构造的相互作用的影响在周期构造的高度足够大的情况下，即使高度进一步变化也为一定。另一方面，在光致发光层的折射率n_wav比周期构造的折射率n_p低的情况下(图11)，由于光不发生全反射地到达周期构造的表面，所以周期构造的高度越大越受到其影响。只要观察图11就能知道，高度如果是100nm左右就足够，在超过150nm的区域中峰值强度及Q值下降。因而，在光致发光层的折射率n_wav比周期构造的折射率n_p低的情况下，为了使峰值强度及Q值某种程度变高，只要将周期构造的高度设定为150nm以下就可以。

[5－3.偏振光方向]

接着，关于偏振光方向进行了研究。在图12中表示在与图9所示的计算相同的条件下、假设光的偏振光是具有与y方向垂直的电场成分的TE模而计算的结果。在TE模下，模拟导波模的电场的渗出比TM模大，所以容易受到由周期构造带来的影响。由此，在周期构造的折射率n_p比光致发光层的折射率n_wav大的区域中，峰值强度及Q值的下降比TM模显著。

[5－4.光致发光层的折射率]

接着，关于光致发光层的折射率进行了研究。在图13中表示在与图9所示的计算同样的条件下将光致发光层的折射率n_wav变更为1.5的情况下的结果。可知在光致发光层的折射率n_wav为1.5的情况也得到了大致与图9同样的效果。但是，可知波长为600nm以上的光不向正面方向射出。这是因为，根据式(10)，为λ₀<n_wav×p/m＝1.5×400nm/1＝600nm。

根据以上的分析可知，在周期构造的折射率为与光致发光层的折射率同等以下、或周期构造的折射率为光致发光层的折射率以上的情况下，如果使高度为150nm以下，则能够使峰值强度及Q值变高。

[6.变形例]

以下，说明本实施方式的变形例。

[6－1.具备基板的结构]

如上述那样，发光元件如图1C及图1D所示，也可以具有在透明基板140之上形成有光致发光层110及周期构造120的构造。为了制作这样的发光元件100a，首先可以考虑在透明基板140上用构成光致发光层110的光致发光材料(根据需要而包含基质材料，以下相同)形成薄膜、在其上形成周期构造120的方法。在这样的结构中，为了由光致发光层110和周期构造120带来将光向特定的方向射出的功能，透明基板140的折射率n_s需要为光致发光层的折射率n_wav以下。在将透明基板140以与光致发光层110接触的方式设置的情况下，需要设定周期p以满足将式(10)中的射出介质的折射率n_out设为n_s的式(15)。

为了确认这一点，进行了在折射率为1.5的透明基板140之上设置了与图2所示的计算相同条件的光致发光层110及周期构造120的情况下的计算。将该计算的结果表示在图14中。可知，虽然与图2的结果同样按照每个波长能够确认在特定的周期中出现光强度的峰值，但峰值出现的周期的范围与图2的结果不同。相对于此，在图15中表示将式(10)的条件设为n_out＝n_s的式(15)的条件。可知在图14中，在与图15所示的范围对应的区域内出现了光强度的峰值。

因而，在透明基板140上设有光致发光层110和周期构造120的发光元件100a中，在满足式(15)的周期p的范围中能得到效果，在满足式(13)的周期p的范围中能得到特别显著的效果。

[6－2.具备激励光源的发光装置]

图16是表示具备图1A、图1B所示的发光元件100和使激励光向光致发光层110入射的光源180的发光装置200的结构例的图。如上述那样，在本发明的结构中，通过用紫外线或蓝色光等的激励光来对光致发光层进行激励，能得到具有指向性的发光。通过设置构成为射出这样的激励光的光源180，能够实现具有指向性的发光装置200。从光源180射出的激励光的波长典型地是紫外或蓝色区域的波长，但并不限于这些，而根据构成光致发光层110的光致发光材料适当决定。另外，在图16中配置为，光源180使激励光从光致发光层110的下表面入射，但并不限定于这样的例子，例如也可以使激励光从光致发光层110的上表面入射。激励光也可以从相对于与光致发光层110的主面(即，上表面或下表面)垂直的方向倾斜的方向(即斜向)入射。通过使激励光以在光致发光层110内发生全反射的角度斜向入射，能够更有效率地发光。

还有通过使激励光与模拟导波模耦合来效率良好地使光射出的方法。图17A至图17D是用来说明这样的方法的图。在该例中，与图1C、图1D所示的结构同样，在透明基板140上形成有光致发光层110及周期构造120。首先，如图17A所示，为了发光增强而决定x方向的周期p_x，接着，如图17B所示，为了使激励光与模拟导波模耦合而决定y方向的周期p_y。决定周期p_x，以使其满足在式(10)中将p替换为p_x的条件。另一方面，设m为1以上的整数、激励光的波长为λ_ex、与光致发光层110接触的介质中的除了周期构造120以外的折射率最高的介质的折射率为n_out，决定周期p_y以使其满足以下的式(16)。

[数式16]

这里，n_out在图17B的例子中是透明基板140的n_s，但在如图16那样没有设置透明基板140的结构中，是空气的折射率(约1.0)。

特别是，设m＝1，如果决定周期p_y以满足以下的式(17)，则能够进一步提高将激励光变换为模拟导波模的效果。

[数式17]

这样，通过设定周期p_y以满足式(16)的条件(特别是式(17)的条件)，能够将激励光变换为模拟导波模。结果，能够使光致发光层110有效地吸收波长λ_ex的激励光。

图17C及图17D是分别表示按照每个波长计算当将光对图17A及图17B所示的构造入射时光被吸收的比例的结果的图。在该计算中，设p_x＝365nm，p_y＝265nm，设来自光致发光层110的发光波长λ为约600nm、激励光的波长λ_ex为约450nm、光致发光层110的衰减系数为0.003。如图17D所示，不仅是从光致发光层110产生的光，对于作为激励光的约450nm的光也显现较高的吸收率。这是因为，通过入射的光被有效地变换为模拟导波模，能够使被光致发光层吸收的比例增大。此外，对作为发光波长的约600nm也吸收率增大，这意味着，在将约600nm的波长的光向该构造入射的情况下，同样被有效地变换为模拟导波模。这样，图17B所示的周期构造120是在x方向及y方向上分别具有周期不同的构造(称作周期成分)的2维周期构造。这样，通过使用具有多个周期成分的2维周期构造，能够在提高激励效率的同时提高射出强度。另外，在图17A、图17B中，使激励光从基板140侧入射，但如果从周期构造120侧入射也能够得到相同的效果。

进而，作为具有多个周期成分的2维周期构造，也可以采用图18A或图18B所示那样的结构。通过做成如图18A所示那样将具有六角形的平面形状的多个凸部或凹部周期性排列的结构、或图18B所示那样将具有三角形的平面形状的多个凸部或凹部周期性排列的结构，能够决定可以看作周期的多个主轴(在图例中是轴1～3)。因此，能够对各个轴向分配不同的周期。既可以将这些周期分别为了提高多个波长的光的指向性而设定，也可以为了使激励光效率良好地吸收而设定。在哪种情况下，都设定各周期以满足相当于式(10)的条件。

[6－3.透明基板上的周期构造]

如图19A及图19B所示，也可以在透明基板140上形成周期构造120a，在其上设置光致发光层110。在图19A的结构例中，以追随于由基板140上的凹凸构成的周期构造120a的方式形成光致发光层110。结果，在光致发光层110的表面上也形成了相同周期的周期构造120b。另一方面，在图19B的结构例中，光致发光层110的表面被处理为平坦。在这些结构例中，也通过设定周期构造120a的周期p以满足式(15)，能够实现指向性发光。

为了验证该效果，在图19A的结构中，改变发光波长及周期构造的周期而计算出向正面方向输出的光的增强度。这里，设光致发光层110的膜厚为1000nm、光致发光层110的折射率为n_wav＝1.8，设周期构造120a为在y方向上均匀的1维周期构造、高度为50nm、折射率为n_p＝1.5、周期为400nm，假设光的偏振光是具有平行于y方向的电场成分的TM模。将该计算的结果表示在图19C中。在该计算中，也以满足式(15)的条件的周期观测了光强度的峰值。

[6－4.粉体]

根据以上的实施方式，通过调整周期构造的周期或光致发光层的膜厚，能够强调任意的波长的发光。例如，如果使用以较宽的频带发光的光致发光材料做成图1A、图1B那样的结构，则能够仅将某个波长的光强调。由此，也可以使图1A、图1B那样的发光元件100的结构成为粉末状，作为荧光材料利用。此外，也可以将图1A、图1B那样的发光元件100埋入到树脂或玻璃等中而利用。

在图1A、图1B那样的单体的结构中，由于仅某个特定的波长能够向特定的方向射出，所以难以实现例如具有较宽的波长域的波谱的白色等的发光。所以，通过使用混合了图20所示那样周期构造的周期或光致发光层的膜厚等的条件不同的多个粉末状的发光元件100的结构，能够实现具有较宽的波长域的波谱的发光装置。在此情况下，各个发光元件100的一个方向的尺寸例如是几μm～几mm左右，其中可以包括例如几周期～几百周期的1维或2维的周期构造。

[6－5.将周期不同的构造排列]

图21是表示在光致发光层之上2维地排列了周期不同的多个周期构造的例子的平面图。在该例中，3种周期构造120a、120b、120c被无间隙地排列。周期构造120a、120b、120c例如设定周期，以分别向正面射出红、绿、蓝的波长域的光。这样，通过在光致发光层之上排列周期不同的多个构造，也能够对较宽的波长域的波谱发挥指向性。另外，多个周期构造的结构并不限定于上述结构，也可以任意地设定。

[6－6.层叠构造]

图22表示具有层叠了在表面上形成有凹凸构造的多个光致发光层110的构造的发光元件的一例。在多个光致发光层110之间设有透明基板140，形成在各层的光致发光层110的表面上的凹凸构造相当于上述周期构造或亚微米构造。在图22所示的例子中，形成有3层的周期不同的周期构造，分别设定了周期以向正面射出红、蓝、绿的波长域的光。此外，选择各层的光致发光层110的材料，以发出与各周期构造的周期对应的颜色的光。这样，通过将周期不同的多个周期构造层叠，也能够对较宽的波长域的波谱发挥指向性。

另外，层数、各层的光致发光层110及周期构造的结构并不限定于上述，也可以任意设定。例如在2层的结构中，经由透光性的基板而对应形成第1光致发光层和第2光致发光层，在第1及第2光致发光层的表面上分别形成第1及第2周期构造。在此情况下，关于第1光致发光层及第1周期构造的对和第2光致发光层及第2周期构造的对，只要分别满足相当于式(15)的条件就可以。在3层以上的结构中也同样，关于各层中的光致发光层及周期构造，只要满足相当于式(15)的条件就可以。光致发光层和周期构造的位置关系也可以与图22所示的结构反转。在图22所示的例子中，各层的周期不同，但也可以使它们全部为相同的周期。在此情况下，虽然不能使波谱变宽，但能够使发光强度变大。

[6－7.具备保护层的结构]

图23是表示在光致发光层110与周期构造120之间设有保护层150的结构例的剖面图。这样，也可以设置用来保护光致发光层110的保护层150。但是，在保护层150的折射率比光致发光层110的折射率低的情况下，光的电场仅以波长的一半左右渗出到保护层150的内部。由此，在保护层150比波长厚的情况下，光达不到周期构造120。因此，不存在模拟导波模，不能得到将光向特定方向释放的功能。在保护层150的折射率为与光致发光层110的折射率相同程度或其以上的情况下，光到达保护层150的内部。由此，对于保护层150没有厚度的制约。但是，在此情况下，也是将光导波的部分(以下，将该部分称作“导波层”)的大部分用光致发光材料形成能够得到较大的光的输出。由此，在此情况下也优选的是保护层150较薄。另外，也可以将保护层150使用与周期构造(透光层)120相同的材料形成。此时，具备周期构造的透光层兼作为保护层。透光层120的折射率优选的是比光致发光层110小。

[7.材料]

如果将用满足以上那样的条件的材料构成光致发光层(或导波层)及周期构造，则能够实现指向性发光。在周期构造中可以使用任意的材料。但是，如果形成光致发光层(或导波层)或周期构造的介质的光吸收性较高，则将光封闭的效果下降，峰值强度及Q值下降。由此，作为形成光致发光层(或导波层)及周期构造的介质，可以使用光吸收性比较低的介质。

作为周期构造的材料，例如可以使用光吸收性较低的电介体。作为周期构造的材料的候选，例如可以举出MgF₂(氟化镁)、LiF(氟化锂)、CaF₂(氟化钙)、SiO₂(石英)、玻璃、树脂、MgO(氧化镁)、ITO(氧化铟锡)、TiO₂(氧化钛)、SiN(氮化硅)、Ta₂O₅(五氧化二钽)、ZrO₂(氧化锆)、ZnSe(硒化锌)、ZnS(硫化锌)等。但是，在如上述那样使周期构造的折射率比光致发光层的折射率低的情况下，可以使用折射率是1.3～1.5左右的MgF₂、LiF、CaF₂、SiO₂、玻璃、树脂。

光致发光材料包含狭义的荧光材料及磷光材料，不仅是无机材料，也包含有机材料(例如色素)，还包含量子点(即，半导体微粒子)。通常，以无机材料为基质的荧光材料有折射率较高的倾向。作为以蓝色发光的荧光材料，例如可以使用M₁₀(PO₄)₆Cl₂：Eu²⁺(M＝从Ba、Sr及Ca中选择的至少1种)，BaMgAl₁₀O₁₇：Eu²⁺，M₃MgSi₂O₈：Eu²⁺(M＝从Ba、Sr及Ca中选择的至少1种)，M₅SiO₄Cl₆：Eu²⁺(M＝从Ba、Sr及Ca中选择的至少1种)。作为以绿色发光的荧光材料，例如可以使用M₂MgSi₂O₇：Eu²⁺(M＝从Ba、Sr及Ca中选择的至少1种)，SrSi₅AlO₂N₇：Eu²⁺，SrSi₂O₂N₂：Eu²⁺，BaAl₂O₄：Eu²⁺，BaZrSi₃O₉：Eu²⁺，M₂SiO₄：Eu²⁺(M＝从Ba、Sr及Ca中选择的至少1种)，BaSi₃O₄N₂：Eu²⁺，Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂：Eu²⁺，Ca₃SiO₄Cl₂：Eu²⁺，CaSi_12－(m+n)Al_(m+n)O_nN_16－n：Ce³⁺，β－SiAlON：Eu²⁺。作为以红色发光的荧光材料，例如可以使用CaAlSiN₃：Eu²⁺，SrAlSi₄O₇：Eu² ⁺，M₂Si₅N₈：Eu²⁺(M＝从Ba、Sr及Ca中选择的至少1种)，MSiN₂：Eu²⁺(M＝从Ba、Sr及Ca中选择的至少1种)，MSi₂O₂N₂：Yb²⁺(M＝从Sr及Ca中选择的至少1种)，Y₂O₂S：Eu³⁺，Sm³⁺，La₂O₂S：Eu³⁺，Sm³ ⁺，CaWO₄：Li¹⁺，Eu³⁺，Sm³⁺，M₂SiS₄：Eu²⁺(M＝从Ba、Sr及Ca中选择的至少1种)，M₃SiO₅：Eu²⁺(M＝从Ba、Sr及Ca中选择的至少1种)。作为以黄色发光的荧光材料，例如可以使用Y₃Al₅O₁₂：Ce³⁺，CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺，Ca₃Sc₂Si₃O₁₂：Ce³⁺，CaSc₂O₄：Ce³⁺，α－SiAlON：Eu²⁺，MSi₂O₂N₂：Eu²⁺(M＝从Ba、Sr及Ca中选择的至少1种)，M₇(SiO₃)₆Cl₂：Eu²⁺(M＝从Ba、Sr及Ca中选择的至少1种)。

关于量子点，例如可以使用CdS、CdSe、核－壳型CdSe/ZnS、合金型CdSSe/ZnS等的材料，根据材质，能够得到各种各样的发光波长。作为量子点的基质，例如可以使用玻璃或树脂。

图1C、图1D等所示的透明基板140由比光致发光层110的折射率低的透光性材料构成。作为这样的材料，例如可以举出MgF₂(氟化镁)、LiF(氟化锂)、CaF₂(氟化钙)、SiO₂(石英)、玻璃、树脂。另外，在不经由基板140而使激励光向光致发光层110入射那样的结构中，并不必须基板140是透明的。

[8.制造方法]

接着，说明制造方法的一例。

作为实现图1C、图1D所示的结构的方法，例如有在透明基板140上将荧光材料通过蒸镀、溅射(sputtering)、涂敷等的工序形成光致发光层110的薄膜、然后成膜电介体、并用光刻等的方法布图(patterning)来形成周期构造120的方法。也可以代替上述方法而用纳米刻印来形成周期构造120。此外，如图24所示，也可以通过仅将光致发光层110的一部分加工来形成周期构造120。在此情况下，周期构造120用与光致发光层110相同的材料形成。

图1A、图1B所示的发光元件100例如可以通过在制作图1C、图1D所示的发光元件100a后、进行从基板140将光致发光层110及周期构造120的部分剥离的工序来实现。

图19A所示的结构例如可以通过在透明基板140上用半导体工艺或纳米刻印等的方法形成周期构造120a后、在其上用蒸镀或溅射等的方法形成构成光致发光层110的材料来实现。或者，也可以通过使用涂敷等的方法将周期构造120a的凹部用光致发光层110埋入来实现图19B所示的结构。

另外，上述制造方法是一例，本发明的发光元件并不限定于上述制造方法。

[9.实验例]

以下，说明本发明的实施方式的制作发光元件的例子。

试制具备与图19A同样的结构的发光元件的试样并评价特性。发光元件如以下这样制作。

在玻璃基板上，设置周期400nm、高度40nm的1维周期构造(条带状的凸部)，从其上方将作为光致发光材料的YAG：Ce成膜210nm。在图25中表示该剖面图的TEM像，在图26中表示测量通过将其用450nm的LED激励而使YAG：Ce发光时的正面方向的波谱的结果。在图26中，表示没有周期构造的情况下的测量结果(ref)、以及测量具有相对于1维周期构造平行的偏振光成分的TM模和具有垂直的偏振光成分的TE模的结果。在有周期构造的情况下，相对于没有周期构造的情况，可以看到特定的波长的光显著地增加了。此外，可知具有相对于1维周期构造平行的偏振光成分的TM模的光的增强效果更大。

进而，在图27A～图27F及图28A～图28F中，表示对相同的试样测量射出光强度的角度依存性的结果及计算结果。图27A表示使射出TM模的直线偏振光的发光元件以与1维周期构造120的行方向平行的轴为旋转轴旋转的状况。图27B及图27C分别表示关于这样旋转的情况的测量结果及计算结果。另一方面，图27D表示使射出TE模的直线偏振光的发光元件以与1维周期构造120的行方向平行的轴为旋转轴旋转的状况。图27E及图27F分别表示该情况下的测量结果及计算结果。图28A表示使射出TE模的直线偏振光的发光元件以与1维周期构造120的行方向垂直的轴为旋转轴旋转的状况。图28B及图28C分别表示该情况下的测量结果及计算结果。另一方面，图28D表示使射出TM模的直线偏振光的发光元件以与1维周期构造120的行方向垂直的轴为旋转轴旋转的状况。图28E及图28F分别表示该情况下的测量结果及计算结果。

根据图27A～图27F及图28A～图28F可知，TM模被增强的效果更高。此外，可知被增强的光的波长随着角度而偏移。例如，关于波长610nm的光，由于是TM模且仅在正面方向存在光，所以可知指向性较高且偏振发光。此外，由于图27B和图27C、图27E和图27F、图28B和图28C、图28E和图28F各自的测量结果与计算结果匹配，所以通过实验证实了上述计算的妥当性。

图29表示关于波长610nm的光、如图28D所示那样使其以相对于行方向垂直的方向为旋转轴旋转的情况下的强度的角度依存性。可以看到在正面方向上发生较强的发光增强、相对于其以外的角度则几乎全部的光没有被增强的状况。可知被向正面方向射出的光的指向角不到15°。另外，指向角如上述那样，是强度为最大强度的50％的角度，以最大强度的方向为中心用单侧的角度表示。根据图29所示的结果可知实现了指向性发光。进而，由于被射出的光全部是TM模的成分，所以可知同时也实现了偏振发光。

以上的用于验证的实验使用以宽带域的波长带发光的YAG：Ce进行。即使使用发出窄带域的光的光致发光材料用同样的结构进行实验，也能够对该波长的光实现较高的指向性及偏振发光。进而，在使用这样的光致发光材料的情况下，由于不发生其他波长的光，所以能够实现不发生其他的方向或其他的偏振光状态的光的光源。

[10.其他变形例]

接着，说明本发明的发光元件及发光装置的其他变形例。

如上述那样，通过本发明的发光元件具有的亚微米构造，受到发光增强效果的光的波长及射出方向依存于亚微米构造的结构。可以考虑图31所示的在光致发光层110上具有周期构造120的发光元件。这里，例示周期构造120由与光致发光层110相同的材料形成、具有图1A所示的1维周期构造120的情况。通过1维周期构造120受到发光增强的光如果设1维周期构造120的周期p(nm)、光致发光层110的折射率n_wav、光被射出的外部的介质的折射率n_out、向1维周期构造120的入射角为θ_wav、从1维周期构造120向外部的介质的射出角为θ_out，则满足p×n_wav×sinθ_wav－p×n_out×sinθ_out＝mλ的关系(参照上述式(5))。这里，λ是空气中的光的波长，m是整数。

根据上述式子，可得到θ_out＝arcsin[(n_wav×sinθ_wav－mλ/p)/n_out]。因而，通常如果波长λ不同，则受到发光增强的光的射出角θ_out不同。结果，如在图31中示意地表示那样，可看到的颜色根据观察的方向而不同。

为了降低该视角依存性，只要选择n_wav及n_out以使(n_wav×sinθ_wav－mλ/p)/n_out不取决于波长λ而为一定就可以。由于物质的折射率具有波长分散(波长依存性)，所以只要选择具有(n_wav×sinθ_wav－mλ/p)/n_out不依存于波长λ那样的n_wav及n_out的波长分散性的材料就可以。例如，在外部的介质是空气的情况下，n_out不取决于波长而大致为1.0，所以作为形成光致发光层110及1维周期构造120的材料，优选的是选择折射率n_wav的波长分散较小的材料。进而，优选的是对于折射率n_wav更短的波长的光折射率变低那样的逆分散的材料。

此外，如图32A所示，通过将呈现相互发光增强效果的波长不同的多个周期构造排列，能够射出白色光。在图32A所示的例子中，能够将红色光(R)增强的周期构造120r、能够将绿色光(G)增强的周期构造120g和能够将蓝色光(B)增强的周期构造120b以矩阵状排列。周期构造120r、120g及120b例如是1维周期构造，各自的凸部相互平行地排列。因而，偏振光特性关于红、绿、蓝的全部颜色的光是相同的。通过周期构造120r、120g及120b，射出受到发光增强的三原色的光，混色的结果，能得到白色光且直线偏振光。

如果将以矩阵状排列的各周期构造120r、120g及120b称作单位周期构造(或像素)，则单位周期构造的大小(即，一边的长度)例如是周期的3倍以上。此外，优选的是为了得到混色的效果，由人的眼睛不能识别单位周期构造，例如优选的是一边的长度比1mm小。这里，将各单位周期构造描绘为正方形，但并不限于此，例如相互邻接的周期构造120r、120g及120b也可以是长方形、三角形、六边形等的正方形以外的形状。

此外，设在周期构造120r、120g及120b的下方的光致发光层既可以在周期构造120r、120g及120b中是共用的，也可以设置对应于各自的颜色的光而包含不同的光致发光材料的光致发光层。

如图32B所示，也可以将1维周期构造的凸部延伸的方位不同的多个周期构造(包括周期构造120h、120i及120j)排列。多个周期构造发光增强的光的波长既可以相同也可以不同。例如，如果将相同的周期构造如图32B那样排列，则能够得到不偏振的光。此外，如果对图32A中的周期构造120r、120g及120b分别应用图32B的排列，则作为整体能够得到非偏振光的白色光。

当然，周期构造并不限于1维周期构造，如图32C所示，也可以排列有多个2维周期构造(包括周期构造120k、120m及120n)。此时，周期构造120k、120m及120n的周期及方位如上述那样既可以相同也可以不同，可以根据需要而适当设定。

如图33所示，例如也可以在发光元件的光的射出侧配置微透镜130的阵列。通过由微透镜130的阵列将向斜向射出的光向法线方向弯曲，能够得到混色的效果。

图33所示的发光元件具有分别具有图32A中的周期构造120r、120g及120b的区域R1、R2及R3。在区域R1中，通过周期构造120r，使红色光R向法线方向射出，例如使绿色光G向斜向射出。通过微透镜130的折射作用，使被向斜向射出的绿色光G向法线方向弯曲。结果，在法线方向上，混色观察到红色光R和绿色光G。这样，通过设置微透镜130，能抑制射出的光的波长根据角度而不同的现象。这里，例示了将与多个周期构造对应的多个微透镜一体化的微透镜阵列，但并不限于此。当然，铺贴(tiling)的周期构造并不限于上述例子，在将相同的周期构造铺贴的情况下也能够应用，对于图32B或图32C所示的结构也能够应用。

具有将向斜向射出的光弯曲的作用的光学元件也可以代替微透镜阵列而是双凸透镜(lenticular)。此外，不仅是透镜，也可以使用棱镜。也可以使用棱镜的阵列。也可以对应于周期构造而分别配置棱镜。棱镜的形状没有被特别限制。例如可以使用三角棱镜或金字塔型棱镜。

得到白色光(或具有较宽的波谱宽度的光)的方法除了基于上述周期构造的方法以外，例如如图34A及图34B所示，也有基于光致发光层的方法。如图34A所示，通过将发光波长不同的多个光致发光层110b、110g、110r层叠，能够得到白色光。层叠顺序并不限于图示的例子。此外，如图34B所示，也可以在发出蓝色的光的光致发光层110b之上层叠发出黄色的光的光致发光层110y。光致发光层110y例如可以使用YAG形成。

除此以外，在使用将荧光色素等混合到基质(host)材料中而使用的光致发光材料的情况下，能够将发光波长不同的多个光致发光材料混合到基质材料中，以单一的光致发光层发光白色光。能够发光这样的白色光的光致发光层可以在参照图32A～图32C说明的、将单位周期构造铺贴的结构中使用。

在作为形成光致发光层110的材料而使用无机材料(例如YAG)的情况下，有时在其制造过程中要经过超过1000℃的热处理。此时，有杂质从基底(典型地是基板)扩散、使光致发光层110的发光特性下降的情况。为了防止杂质向光致发光层扩散，例如如图35A～图35D所示，也可以在光致发光层的下方设置防扩散层(阻挡层)108。如图35A～图35D所示，防扩散层108在到此为止例示的各种各样的结构中形成在光致发光层110的下层。

例如，如图35A所示，在基板140与光致发光层110之间形成防扩散层108。此外，如图35B所示，在具备多个光致发光层110a及110b的情况下，在光致发光层110a及110b的各自的下层形成防扩散层108a或108b。

在基板140的折射率比光致发光层110的折射率大的情况下，如图35C、图35D所示，如果在基板140上形成低折射率层107则是有益的。如图35C所示，在基板140之上设有低折射率层107的情况下，在低折射率层107与光致发光层110之间形成防扩散层108。进而，如图35D所示，在具备多个光致发光层110a及110b的情况下，在光致发光层110a及110b的下层分别形成防扩散层108a及108b。

另外，低折射率层107只要在基板140的折射率与光致发光层110的折射率相同或比其大的情况下形成就可以。低折射率层107的折射率比光致发光层110的折射率低。低折射率层107例如使用MgF₂、LiF、CaF₂、BaF₂、SrF₂、石英、树脂、HSQ·SOG等的常温硬化玻璃形成。低折射率层107的厚度优选的是比光的波长大。基板140例如使用MgF₂、LiF、CaF₂、BaF₂、SrF₂、玻璃(例如碱石灰玻璃)、树脂、MgO、MgAl₂O₄、蓝宝石(Al₂O₃)、SrTiO₃、LaAlO₃、TiO₂、Gd₃Ga₅O₁₂、LaSrAlO₄、LaSrGaO₄、LaTaO₃、SrO、YSZ(ZrO₂·Y₂O₃)、YAG、Tb₃Ga₅O₁₂形成。

防扩散层108、108a、108b根据防止扩散的对象的元素适当选择就可以，例如可以使用共价键结合性较强的氧化物结晶或氮化物结晶形成。防扩散层108、108a、108b的厚度分别例如是50nm以下。

另外，在防扩散层108或后述的结晶生长层106那样的具备与光致发光层110邻接的层的结构中，在邻接的层的折射率比光致发光层的折射率大的情况下，设将该折射率较大的层的折射率及光致发光层的折射率用各自的体积比率加权后的平均折射率为n_wav。这是因为，在此情况下，在光学上与光致发光层由多个不同材料的层构成的情况是等价的。

在使用无机材料形成的光致发光层110中，由于无机材料的结晶性较低，所以有时光致发光层110的发光特性较低。为了提高构成光致发光层110的无机材料的结晶性，如图36A所示，也可以在光致发光层110的基底上形成结晶生长层(有时也称作“种晶(seed)层”)106。结晶生长层106使用与形成在其上的光致发光层110的结晶晶格匹配的材料形成。晶格匹配优选的是例如±5％以内。在基板140的折射率比光致发光层110的折射率大的情况下，如果结晶生长层106或106a的折射率比光致发光层110的折射率小则是有益的。

在基板140的折射率比光致发光层110的折射率大的情况下，如图36B所示，只要在基板140上形成低折射率层107就可以。结晶生长层106与光致发光层110接触，所以在基板140上形成低折射率层107的情况下，在低折射率层107上形成结晶生长层106。此外，如图36C所示，在具备多个光致发光层110a及110b的结构中，如果形成与多个光致发光层110a及110b分别对应的结晶生长层106a或106b则是有益的。结晶生长层106、106a及106b的厚度分别例如是50nm以下。

如图37A及图37B所示，为了保护周期构造120，也可以设置表面保护层132。在图37A及37B所示的例子中，表面保护层132将周期构造120覆盖，表面保护层132的光致发光层110的表面是平坦的。

表面保护层132既可以是如图37A所示那样不具有基板的类型，也可以如图37B所示那样设为具备基板140的类型。在图37A所示的不具有基板的类型的发光元件中，也可以在光致发光层110的下层也设置表面保护层。这样，表面保护层132设在上述哪个发光元件的表面上都可以。周期构造120并不限于在图37A及图37B中例示的结构，是上述哪种类型都可以。例如，周期构造120可以是由与光致发光层110相同的材料形成的构造(参照图24)。在此情况下，空气层也可以说是透光层。

表面保护层132可以使用例如树脂、硬涂层(hard coat)材料、SiO₂、Al₂O₃(氧化铝)、SiOC、DLC形成。表面保护层132的厚度例如是100nm～10μm。

通过设置表面保护层132，能够保护发光元件免受外部环境侵害，抑制发光元件的劣化。表面保护层132保护发光元件的表面免受划伤、水分、氧、酸、碱或热的侵害。表面保护层132的材料及厚度可以根据用途适当设定。

此外，基板140的材料有时会受热而劣化。热主要由光致发光层110的非辐射损失或斯托克斯损失发生。例如，石英的热传导率(1.6W/m·K)比YAG的热传导率(11.4W/m·K)小约1位。因而，由光致发光层(例如YAG层)110产生的热不易穿过基板(例如石英基板)140向外部热传导而被散热，有时光致发光层110的温度上升而引起热劣化。

所以，如图38A所示，通过在光致发光层110与基板140之间形成透明高热传导层105，能够使光致发光层110的热向外部效率良好地传导，防止温度上升。此时，透明高热传导层105的折射率优选的是比光致发光层110的折射率低。另外，在基板140的折射率比光致发光层110的折射率低的情况下，透明高热传导层105的折射率也可以比光致发光层110的折射率高。但是，在此情况下，由于透明高热传导层105与光致发光层110一起形成导波层，所以如果是50nm以下则是有益的。在作为基板140的材料而使用例如碱石灰玻璃的情况下，只要考虑基板140的折射率来决定用来形成透明高热传导层105的材料就可以。如图38B所示，如果在光致发光层110与透明高热传导层105之间形成低折射率层107，则能够利用较厚的透明高热传导层105。

此外，如图38C所示，也可以用具有较高的热传导率的低折射率层107将周期构造120覆盖。进而，如图38D所示，也可以在将周期构造120用低折射率层107覆盖后形成透明高热传导层105。在该结构中，低折射率层107不需要具有较高的热传导率。

作为透明高热传导层105的材料，例如可以举出Al₂O₃、MgO、Si₃N₄、ZnO、AlN、Y₂O₃、金刚石、石墨、CaF₂、BaF₂。在它们之中，CaF₂、BaF₂由于折射率较低，所以能够作为低折射率层107利用。

[11.发光元件的其他实施方式]

[11－1.向外部射出的光量的提高]

根据到此为止说明的结构，能够实现不取决于反射器、透镜等的光学部件的窄角配光。根据上述至少某种方式，例如关于特定的波长能够将向正面方向射出的光的指向角降低到15°左右，上述各种各样的方式对于被要求比较小的指向角的光设备特别有用。另一方面，在光设备中，也存在一般照明用的器具、车辆的头灯或尾灯等不被要求较高的指向性的用途。在这样的用途中，如果从发光元件输出更多的光则是有益的。

本发明的发光元件的关于特定的波长的指向性可以推测是通过在光致发光层的内部形成模拟导波模、将模拟导波模的光基于模拟导波模与周期构造之间的相互作用向发光元件的外部取出来实现的。因此，如果使发光元件向外部放出模拟导波模的光的比率，则可以期待能够使从发光元件向外部出来的光的量提高。

发光元件将模拟导波模的光向外部放出的比率，如参照图8～图11说明那样，根据构成周期构造的材料的折射率和周期构造的高度而变化。如参照图8及图9说明那样，如果周期构造的折射率变大，则将光封闭的效果减小(也可以说Q值下降)。因而，如果使周期构造的折射率变大，则可以期待能够将更多的光向发光元件的外部取出。此外，在使周期构造的高度增大的情况下也同样，能够使发光元件将模拟导波模的光向外部放出的比率提高。此时，如果能够降低向发光元件的外部射出的光中的高次的光的比例则是有益的。

[11－2.表面形状的截面形状与指向性的关系]

本发明的发明者们发现，当将周期构造的截面形状使用傅立叶级数表现时，根据在该级数中包含怎样的高次的项，能够估计从发光元件射出的高次的光的比例。根据本发明的发明者们的研究结果，当着眼于某个波长时，从发光元件射出的光的次数与在周期构造的截面形状的傅立叶级数展开中包含的频率成分的次数关联。即，如果周期构造的截面形状的傅立叶级数展开包含高次的频率成分，则从发光元件射出与傅立叶级数的项数对应的高次的光。

图39是表示计算包含仅1次(正弦波)、3次以内、5次以内及11次以内的项的三角级数的结果的曲线图。在图39中，也一起显示了表示矩形波的曲线图。如图示那样，随着高频成分增加，三角级数的曲线图的形状接近于矩形波。因而，如图40所示，从形成有包含截面形状为矩形状的多个凸部(或凹部)的周期构造的发光元件，较多射出次数不同的高次的光。即，从这样的发光元件发出的光中的1次的光的比例可以说比较低。

从使1次的光的比例增加的观点看，周期构造的截面形状的傅立叶级数展开不包含更高次的项是有利的。从使1次的光的比例增加的观点看，与包含截面形状为矩形状的多个凸部的周期构造(图40)相比，在傅立叶级数展开中包含的高次的项更少的、包含截面形状为三角形状的多个凸部的周期构造(图41A)是有利的。由于正弦波仅由1次的频率成分构成(参照图39)，所以周期构造的截面形状越是接近于正弦波(图41B)，越能够使朝向特定的方向射出的1次的光的比例增加。

[11－3.发光元件]

图42示意地表示本发明的另一实施方式的发光元件的例示性的截面。图42所示的发光元件100b具备基板140和支承在基板140上的光致发光层110。在图42所例示的结构中，在光致发光层110的与基板140相反侧的表面上形成有周期构造120b。另外，在该例中，与参照图19A说明的构造同样，在基板140的光致发光层110侧的表面上形成有周期构造120a。周期构造120a及周期构造120b限制光致发光层110发出的光中的特定的波长的光的指向角。

另外，在这里说明的例子中，基板140大致是平面状。基板140的与光致发光层110相反侧的主面PS典型地是平坦面，这里，主面PS与xy面平行。基板140及光致发光层110被沿着z方向层叠。图42示意地表示发光元件100b的与光致发光层110垂直且与周期构造120b中的多个凸部的排列方向平行的截面(即垂直截面)。

光致发光层110上的周期构造120b包括多个凸部。周期构造120b中的多个凸部包括具有当从垂直截面观察时宽度比顶部大的基部的至少1个凸部。周期构造120b也可以局部地包括具有基部相比顶部宽度较大的截面形状的1个以上的凸部。或者，也可以多个凸部分别具有宽度比顶部大的基部。

在图示的例子中，沿着x方向排列的4个凸部的各自的截面形状是梯形状，例如，如果着眼于处于图中最右侧的凸部122b，则凸部122b的基部的宽度Bs比顶部的宽度Tp大。

通过使得周期构造120b包括具有当观察垂直截面时宽度比顶部大的基部的至少1个凸部，能够抑制周期构造120b的截面形状中的、沿着排列方向的高度的急剧的变化。因而，通过使得周期构造120b包括具有当观察垂直截面时宽度比顶部大的基部的至少1个凸部，能够使周期构造的截面形状接近于正弦波，使朝向特定的方向射出的1次的光的比例增加。

如图示那样，凸部122b也可以具有相对于与光致发光层110垂直的方向(这里平行于z方向)倾斜的侧面。换言之，周期构造120b也可以包括当用与光致发光层110平行的平面(这里是xy面)切断时、随着该平面靠近基板140而截面积增大的至少1个凸部。在该例中，与光致发光层110平行的平面中的凸部122b的截面积在距光致发光层110最近的部分处最大。与光致发光层110平行的平面中的凸部的截面积既可以随着从顶部朝向基部而单调地增加，也可以在从顶部到基部之间的一部分中增加。

在周期构造120b包括多个凹部的情况下，多个凹部只要包括具有当观察垂直截面时宽度比底部大的开口部的至少1个凹部就可以。周期构造120b既可以局部地包括具有这样的截面形状的1个以上的凹部，也可以是多个凹部分别具有宽度比底部大的开口部。在图42所例示的结构中，在解释为周期构造120b包括凹部124b的情况下，可以说凹部124b的侧面相对于与光致发光层110垂直的方向倾斜。或者，当用与光致发光层110平行的平面将周期构造120b切断时，也可以是，凹部124b的开口面积随着该平面向基板140靠近而减小。在该例中，与光致发光层110平行的平面中的凹部124b的开口面积在距基板140最近的部分处最小。通过使得周期构造120b包括具有当观察垂直截面时宽度比底部大的开口部的至少1个凹部，能够得到周期构造120b包括具有当观察垂直截面时宽度比顶部大的基部的至少1个凸部的情况同样的效果。周期构造120b既可以使用与光致发光层110相同的材料形成，也可以使用与光致发光层110不同的材料形成。

如上述那样，在基板140上形成有周期构造120a。周期构造120a包括多个凸部。周期构造120a既可以使用与基板140相同的材料形成，也可以使用与基板140不同的材料形成。上述光致发光层110以将这些多个凸部覆盖的方式形成在基板140上。在图42所例示的结构中，光致发光层110上的周期构造120b中的多个凸部分别位于基板140上的周期构造120a中的多个凸部的各自之上。

在图42所例示的结构中，基板140典型地是透明基板，可以作为与光致发光层110接近配置的透光层发挥功能。在该例中，作为透光层的基板140与光致发光层110接触，周期构造120a可以说形成在透光层与光致发光层110的边界处。在图示的例子中，由于在光致发光层110上形成有周期构造120b，所以发光元件100b也可以在与光致发光层110的基板140相反侧还具有其他的透光层。

另外，如参照图35A～图35D、图36A～图36C、图38A及图38B说明那样，在光致发光层110与基板140之间，可以配置防扩散层108、低折射率层107、结晶生长层106及透明高热传导层105等的中间层。此时，周期构造120a设在透光层与光致发光层110的边界处。在中间层的折射率比光致发光层的折射率大的情况下，只要设将中间层的折射率及光致发光层的折射率用各自的体积比率加权后的平均折射率为n_wav就可以。在中间层的折射率比光致发光层的折射率小的情况下，由于中间层几乎不给导波模带来影响，所以不需要考虑中间层的折射率。

在图42中，粗实线的箭头示意地表示通过与基板140上的周期构造120a之间的相互作用向发光元件100b的外部取出的光，粗虚线的箭头示意地表示通过与光致发光层110上的周期构造120b之间的相互作用向发光元件100b的外部取出的光。在这里说明的实施方式中，在透光层(这里是基板140)的光致发光层110侧的表面及光致发光层110的与透光层相反侧的表面上，分别设有周期构造120a及120b。根据这样的结构，如在图42中示意地表示那样，行进方向通过与周期构造120a的相互作用而被变更为特定的方向的光、和行进方向通过与周期构造120b的相互作用而被变更为特定的方向的光被向发光元件100b的外部取出。换言之，能够得到在实效上与使周期构造120a的高度或折射率、或者周期构造120b的高度或折射率增大的情况同样的效果。通过在透光层的光致发光层110侧的表面及光致发光层110的与透光层相反侧的表面上分别设置周期构造，能够使向发光元件100b的外部取出的光的量整体上增大。因而，能够进一步扩大发光元件的适用范围。

另外，周期构造120a的周期p1(这里等于邻接的两个凸部之间的中心间距离)和周期构造120b的周期p2(这里等于邻接的两个凸部之间的中心间距离)既可以相同也可以不同。如果p1与p2相等，则能够使特定的波长的发光强度变大，如果p1与p2不同，则能够扩宽波谱。周期p1及p2只要基于上述式(15)决定就可以。

通过在作为透光层的基板140的表面及光致发光层110的表面上分别设置周期构造120a及120b，能够得到与光致发光层110上的周期构造120b的截面形状的叠加效果。结果，关于向特定的方向射出的特定的波长的光能够得到更高的发光增强的效果。当然，也可以将使周期构造120a的高度或折射率、及/或周期构造120b的高度或折射率增大的方法组合。

另外，关于构成周期构造的多个凸部或凹部，可以定义侧面的“倾斜角”。图43示意地表示包括多个凸部Pt的周期构造的垂直截面的一部分。关于周期构造中包括的多个凸部Pt中的包含在关注的范围中的凸部Pt的各侧面Ls，求出表示垂直于光致发光层110的方向的轴N1与侧面Ls的法线Np所成的角θ(0°≦θ≦90°)的大小，将它们的算术平均值定义为侧面的“倾斜角”。其中，θ为从轴N1朝向法线Np测量的角度。例如在侧面Ls的截面形状是台阶状等、侧面Ls包括多个面的情况下，只要关于各面求出上述角θ、使用它们的平均值就可以。上述角θ例如可以利用将发光元件的截面摄影得到的图像的拟合(fitting)等来测量。

在侧面Ls的垂直截面的轮廓包括曲线部分的情况下，关于其曲线部分，只要采用从其曲线部分的起点到终点之间的上述角θ的平均的值就可以。在由多个凹部构成周期构造的情况下，也能够与由多个凸部构成周期构造的情况同样地定义上述“倾斜角”。

在图43所例示的结构中，在光致发光层110上沿着x方向排列的4个凸部各自的截面形状是梯形状，在基板140上沿着x方向排列的4个凸部的各自的截面形状是矩形状。在该例中，光致发光层110上的周期构造120b中的多个凸部的侧面的倾斜角比基板140上的周期构造120a中的多个凸部的侧面的倾斜角(这里是90°)小。在周期构造120b及周期构造120a分别由多个凹部构成的情况下，也可以是周期构造120b中的多个凹部的侧面的倾斜角比周期构造120a中的多个凹部的侧面的倾斜角小。

[11－4.侧面的倾斜角与光的增强度之间的关系]

本发明的发明者们使用サイバネット公司的DiffractMOD进行光学解析，验证了周期构造的截面形状给光的增强度带来的影响。这里，与参照图2等说明的计算同样，通过计算从外部相对于发光元件垂直地入射了光时的光致发光层中的光的吸收的增减，求出了向外部垂直射出的光的增强度。作为计算的模型，设想了图43所示那样的截面形状。

在以下的计算中，假设光致发光层110上的周期构造120b中的多个凸部的各自的截面形状(这里是梯形状)在它们之间是共用的。此外，假设基板140上的周期构造120a中的多个凸部的各自的截面形状(这里是矩形状)也在它们之间是共用的。即，这里作为计算的模型而设想了在y方向上均匀的1维周期构造。

在以下的计算中，设基板140的折射率为1.5，设光致发光层110的折射率为1.8。在计算中，设构成周期构造120b的材料与构成光致发光层110的材料是共用的，此外，设构成周期构造120a的材料与构成基板140的材料是共用的。设从周期构造120a的凸部的基部到周期构造120b的凸部的基部的距离h3为240nm，设周期构造120a的凸部的高度h1及周期构造120b的凸部的高度h2为100nm。设周期构造120a的周期p1及周期构造120b的周期p2都为400nm。

图44表示改变周期构造120b中的多个凸部的侧面的倾斜角、计算向正面方向射出的光的增强度的结果。另外，设光的偏振光是具有与y方向平行的电场成分的TM模而进行计算，调整顶部及基部的面积，以使得当改变凸部的侧面的倾斜角时凸部的垂直截面的面积为一定。

根据图44可知，通过使配置在光致发光层110上的多个凸部的侧面的倾斜角降低到40°左右，能够使关于特定的波长的发光增强的效果提高。考虑这是因为，周期构造的截面形状接近于正弦波，朝向特定的方向射出的1次的光的比例增加了。这样可知，通过例如使周期构造120b中的多个凸部的侧面的倾斜角比周期构造120a中的多个凸部的侧面的倾斜角小，关于特定的波长能够期待更高的发光增强的效果。

[11－5.发光元件的变形例]

图45表示在光致发光层110上形成有包括具有倾斜的侧面的凸部的周期构造的发光元件的另一例。图45所示的发光元件100c与图43所示的发光元件100b之间的不同点是，在发光元件100c中，形成在基板140上的周期构造120a包括具有倾斜的侧面的多个凸部。

在图45所例示的结构中，在周期构造120a中，沿着x方向排列的4个凸部的各自的截面形状是梯形状。例如，如果关注处于图中的最右侧的凸部122a，则与对应的凸部122b同样，凸部122a的基部的宽度Bs比顶部的宽度Tp大。这样，基板140上的周期构造120a也可以包括具有宽度比顶部大的基部的1个以上的凸部。在该例中，凸部122a的侧面相对于与光致发光层110垂直的方向倾斜。

另外，在该例中，也可以解释为基板140上的周期构造120a包括多个凹部。在此情况下，例如周期构造120a中的凹部124a具有当观察垂直截面时宽度比底部大的开口部。周期构造120a也可以包括具有这样的截面形状的1个以上的凹部。凹部124a的侧面相对于与光致发光层110垂直的方向倾斜，当用与光致发光层110平行的平面将周期构造120a切断时，随着该平面从周期构造120b离开，凹部124a的开口面积减小。在该例中，与光致发光层110平行的平面中的凹部124a的开口面积在距基板140最近的部分处最小。

图46表示改变光致发光层110上的周期构造120b及基板140上的周期构造120a中的多个凸部的侧面的倾斜角、计算向正面方向射出的光的增强度的结果。这里，假设光致发光层110上的周期构造120b中的多个凸部各自的截面形状与基板140上的周期构造120a中的多个凸部各自的截面形状是共用的(这里是梯形状)，进行与参照图44说明的光学解析同样的计算。根据图46可知，通过使多个凸部的侧面的倾斜角降低到40°左右，能够使关于特定的波长的发光增强的效果提高。

另外，图47表示使光致发光层110上的周期构造120b中的多个凸部的各自的截面形状为矩形状、使基板140上的周期构造120a中的多个凸部的各自的截面形状为梯形状时的计算结果。如图47所示，如果基板140上的周期构造120a中的多个凸部的侧面相对于与光致发光层110垂直的方向倾斜，则随着倾斜角变小，关于特定的波长的光的增强度有增大的倾向。

[11－6.周期构造的其他例示的截面形状]

周期构造120a及周期构造120b中的多个凸部的各自的截面形状并不限定于矩形状或梯形状，可以是各种各样的形状。

图48A～图48D表示周期构造的截面形状的另一例。图48A所示的周期构造120d、图48B所示的周期构造120e及图48C所示的周期构造120f分别包括多个凸部122d、多个凸部122e及多个凸部122f。图48A表示凸部122d的侧面中的距凸部122d的基部较近的部分弯曲的构造。图48B表示凸部122e的侧面中的距凸部122e的顶部较近的部分弯曲的构造。图48C表示凸部122f的侧面中的距凸部122f的顶部较近的部分弯曲的构造。这样，构成周期构造的凸部(或凹部)的垂直截面的轮廓也可以包括曲线部分。如果光致发光层110上的周期构造120b中的多个凸部(或凹部)的侧面的至少一部分、及/或基板140上的周期构造120a中的多个凸部(或凹部)的侧面的至少一部分相对于与光致发光层110垂直的方向倾斜，则能够降低向特定的方向射出的特定的波长的光中的高次的光的比例。另外，在图示所示的例子中，凸部122d、凸部122e及凸部122f都是基部的宽度Bs比顶部的宽度Tp大。

图48D所示的周期构造120g其垂直截面的侧面的轮廓包括台阶状的多个凸部122g。这样，构成周期构造120a的凸部(或凹部)的侧面及/或构成周期构造120b的凸部(或凹部)的侧面也可以在其一部分中包括台阶状的部分。在该例中，凸部的右侧的侧面的形状与凸部的左侧的侧面的形状对称，但凸部的截面形状并不限定于该例。也可以是在凸部的左右侧面的形状不同。

在图48D所例示的结构中，凸部122g也可以说是将截面形状为矩形状的两个凸部层叠的构造。这样的截面形状包括当沿着排列方向观察时高度急剧地变化的部分。但是，如果排列方向上的两个矩形的错位w较大，则能够得到与使侧面的倾斜角变小时同样的效果。即，能够将从发光元件向特定的方向射出的特定的波长的光中的高次的光的比例降低。此外，台阶状的侧面中的级数也能够任意地设定。如果将台阶状的侧面中的级数增加，则凸部的截面形状接近于三角形，所以同样能够降低高次的光的比例。

[11－7.表面构造的截面形状的控制方法]

如已经说明那样，通过应用半导体工艺、纳米刻印等的方法，能够在基板140上形成周期构造120a。然后，通过例如使用溅射在基板140上再形成荧光材料的膜，能够形成光致发光层110、和包括与构成周期构造120a的多个凸部(或凹部)对应的多个凸部(或凹部)的周期构造120b。

在周期构造120b的形成时，通过调整溅射中的环境气体(例如氩气)的压力，能够控制构成周期构造120b的多个凸部(或凹部)的截面形状。如果溅射时的压力比较低，则弹道性的输送占主导，如在图49A中示意地表示那样，从靶极放出的材料粒子相对于基板140的表面大致垂直地碰撞。因此，基板140上的构成周期构造120a的多个凸部的截面形状容易被反映到周期构造120b的多个凸部的截面形状中。此外，构成环境气体的分子的碰撞容易与干式蚀刻同样地作用，角部有更尖的倾向。相对于此，如果溅射时的压力比较高，则扩散性的输送占主导，如在图49B中示意地表示那样，从相对于基板140的表面倾斜的方向与基板140碰撞的材料粒子的比例增加。结果，容易形成更平滑的表面。

图50A及图50B表示通过在具有包括截面形状是矩形状且高度为170nm的多个凸部的周期构造(周期：400nm)的石英基板上用溅射堆积YAG：Ce得到的试样的垂直截面。图50A及图50B分别表示在环境气体的压力为0.3Pa及0.5Pa的条件下进行成膜的试样的截面。关于图50A及图50B所示的哪个试样，都在靶极的烧蚀区域(从靶极弹出材料粒子的范围)的正下方配置有石英基板的状态下进行成膜。

此外，通过调整基板140上的构成周期构造120a的多个凸部的高度(或凹部的深度)，能够控制周期构造120a的凸部的顶部的宽度(或凹部的开口部的宽度)与光致发光层110上的周期构造120b的凸部的基部的宽度(或凹部的底部的宽度)的大小关系。

图51A及图51B示意地表示在基板140上的周期构造120a中的凸部的高度比较小的情况下得到的光致发光材料的膜的截面形状。图51B表示从图51A所示的状态进一步堆积了光致发光材料的状态。在图51中，着眼于周期构造120a中的某个凸部、和对应于该凸部的周期构造120b中的凸部。在周期构造120a中的凸部的高度比较小的情况下，有周期构造120b的凸部的基部的宽度Bs相比周期构造120a的凸部的顶部的宽度Tp变小的倾向。如果考虑在周期构造120a中的邻接的两个凸部之间形成有凹部，并且在周期构造120b中的邻接的两个凸部之间形成有与该凹部对应的凹部，则周期构造120b的凹部的底部的宽度Bm比周期构造120a的凹部的开口部的宽度Op大。

图51C表示通过在具有包括截面形状是矩形状、高度为60nm的多个凸部的周期构造(周期：400nm)的石英基板上用溅射堆积YAG：Ce得到的试样的垂直截面。在溅射中，设环境气体的压力为0.5Pa，在靶极的烧蚀区域的正下方配置有石英基板。

图52A及图52B示意地表示在基板140上的周期构造120a中的凸部的高度比较大的情况下得到的光致发光材料的膜的截面形状。图52B表示从图52A所示的状态将光致发光材料进一步堆积的状态。在图52B中，着眼于周期构造120a中的某个凸部、和与该凸部对应的周期构造120b中的凸部。在周期构造120a中的凸部的高度比较大的情况下，有周期构造120b的凸部的基部的宽度Bs与周期构造120a的凸部的顶部的宽度Tp相比变大的倾向。如果考虑在周期构造120a中的邻接的两个凸部之间形成有凹部，并且在周期构造120b中的邻接的两个凸部之间形成有与该凹部对应的凹部，则周期构造120b的凹部的底部的宽度Bm比周期构造120a的凹部的开口部的宽度Op小。

图52C表示通过在具有包括截面形状是矩形状、高度为200nm的多个凸部的周期构造(周期：400nm)的石英基板上用溅射堆积YAG：Ce得到的试样的垂直截面。溅射中的环境气体的压力为0.5Pa。另外，在该例中，在将石英基板配置在从靶极的烧蚀区域的正下方稍稍错开的地方的状态下进行堆积。因此可知，下侧的凸部(形成在石英基板上的凸部)的重心位置和上侧(形成在YAG层上的凸部)的凸部的重心位置沿着排列方向稍稍错开。

[11－8.周期构造120b相对于周期构造120a的偏移]

在图43及图45所例示的结构中，周期构造120b的多个凸部分别位于周期构造120a的多个凸部的各自的正上方。但是，如在图52C中例示那样，在基板140上的凸部(或凹部)与光致发光层110上的对应的凸部(或凹部)之间，它们的中心不需要完全一致。如以下说明那样，在基板140上的周期构造120a及光致发光层110上的周期构造120b中，也有以它们的一方为基准、另一方沿着排列方向偏移了一定量能得到更高的发光增强的效果的情况。

本发明的发明者们通过光学解析，验证了相对于基板140上的周期构造120a的、光致发光层110上的周期构造120b的沿着排列方向的偏移量给光的增强度带来的影响。在光学解析中，使用サイバネット公司的Diffract MOD。作为计算的模型，使用与参照图44等说明的例子同样的、在基板140上及光致发光层110上形成有在y方向上均匀的1维周期构造的构造。但是，这里如图53所示，假设周期构造120a中及周期构造120b中的各凸部的截面形状是矩形状(侧面的倾斜角为90°)而进行了计算。

图53是用来说明周期构造120a与周期构造120b之间的偏移量的示意性的剖面图。周期构造间的偏移量可以用相对于周期构造的周期的、沿着排列方向的错开的大小来表示。沿着排列方向的错开的大小如图示那样，例如定义为周期构造120a中的凸部的基部的右端的位置与周期构造120b中的对应的凸部的基部的右端的位置之间的沿着排列方向的距离St。在图53中，最上方的截面是偏移量St为0的状态，最下方的截面是偏移量St为周期的50％的状态。另外，在本说明书中，将周期构造120a中的某个凸部(或凹部)与周期构造120b中的某个凸部(或凹部)在不超过周期的50％的范围中沿着排列方向错开的状态表现为“对应”。

图54表示改变以周期构造120a为基准的周期构造120b的偏移量、计算向正面方向射出的光的增强度的结果。如图54所示，随着偏移量增大，发光的峰值变高。但是，如果偏移量达到周期构造的周期的50％，则与偏移量为40％的情况相比峰值下降。这里，在偏移量是周期的30％及40％的情况下，得到了较高的发光增强的效果。

根据图54可知，通过使基板140上的周期构造120a和光致发光层110上的周期构造120b以周期的50％为上限沿着排列方向偏移，关于特定的波长有可能能得到更高的发光增强的效果。这样，在基板140上的周期构造120a中的多个凸部(或凹部)与光致发光层110上的周期构造120b中的多个凸部(或凹部)之间，不需要它们的中心完全一致，而容许某种程度的偏移。

产业上的可利用性

本发明的发光元件及发光装置以照明器具、显示器、投影机为代表，能够应用到各种各样的光学设备中。

标号说明

100、100a～100c 发光元件

110 光致发光层(导波层)

120、120’、120a～120g 透光层(周期构造，亚微米构造)

140 基板

150 保护层

180 光源

200 发光装置

Claims

1.一种发光元件，其特征在于，

具备：

透光层，具有第1表面；

光致发光层，位于上述第1表面上，具有上述透光层侧的第2表面及与上述第2表面相反侧的第3表面，接受激励光而从上述第3表面发出包括空气中的波长为λ_a的第1光的光；

上述光致发光层具有在上述第3表面上包括多个凸部的第1表面构造；

上述透光层具有在上述第1表面上包括与上述多个凸部对应的多个凸部的第2表面构造；

上述第1表面构造及上述第2表面构造限制从上述第3表面发出的上述第1光的指向角；

上述第1表面构造中的上述多个凸部包括第1凸部；

在与上述光致发光层垂直且与上述第1表面构造中的上述多个凸部的排列方向平行的截面中，上述第1凸部的基部的宽度比顶部的宽度大。

2.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于，

上述第1表面构造中的上述多个凸部的侧面的倾斜角比上述第2表面构造中的上述多个凸部的侧面的倾斜角小。

3.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于，

上述第2表面构造包括与上述第1凸部对应的第2凸部；

在上述截面中，上述第1凸部的基部的宽度比上述第2凸部的顶部的宽度小。

4.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于，

上述第2表面构造包括与上述第1凸部对应的第2凸部；

在上述截面中，上述第1凸部的基部的宽度比上述第2凸部的顶部的宽度大。

5.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于，

上述第2表面构造中的上述多个凸部包括与上述第1凸部对应的第2凸部；

在上述截面中，上述第2凸部的基部的宽度比上述第2凸部的顶部的宽度大。

6.如权利要求5所述的发光元件，其特征在于，

上述第1表面构造中的上述多个凸部的侧面的至少一部分相对于与上述光致发光层垂直的方向倾斜；

上述第2表面构造中的上述多个凸部的侧面的至少一部分相对于与上述光致发光层垂直的方向倾斜。

7.如权利要求5所述的发光元件，其特征在于，

上述第1表面构造中的上述多个凸部的侧面的至少一部分、以及上述第2表面构造中的上述多个凸部的侧面的至少一部分当中的至少一方是台阶状。

8.如权利要求1～7中任一项所述的发光元件，其特征在于，

如果设上述第1表面构造中的邻接的两个凸部间的距离为D1_int、设上述第2表面构造中的邻接的两个凸部间的距离为D2_int、设上述光致发光层对于上述第1光的折射率为n_wav－a，则λ_a/n_wav－a<D1_int<λ_a以及λ_a/n_wav－a<D2_int<λ_a的关系成立。

9.一种发光元件，其特征在于，

具备：

透光层，具有第1表面；

上述光致发光层具有在上述第3表面上包括多个凹部的第1表面构造；

上述透光层具有在上述第1表面上包括与上述多个凹部对应的多个凹部的第2表面构造；

上述第1表面构造中的上述多个凹部包括第1凹部；

在与上述光致发光层垂直且与上述第1表面构造中的上述多个凹部的排列方向平行的截面中，上述第1凹部的开口部的宽度比底部的宽度大。

10.如权利要求9所述的发光元件，其特征在于，

上述第1表面构造中的上述多个凹部的侧面的倾斜角比上述第2表面构造中的上述多个凹部的侧面的倾斜角小。

11.如权利要求9所述的发光元件，其特征在于，

上述第2表面构造包括与上述第1凹部对应的第2凹部；

在上述截面中，上述第1凹部的底部的宽度比上述第2凹部的开口部的宽度小。

12.如权利要求9所述的发光元件，其特征在于，

上述第2表面构造包括与上述第1凹部对应的第2凹部；

在上述截面中，上述第1凹部的底部的宽度比上述第2凹部的开口部的宽度大。

13.如权利要求9所述的发光元件，其特征在于，

上述第2表面构造中的上述多个凹部包括与上述第1凹部对应的第2凹部；

在上述截面中，上述第2凹部的开口部的宽度比上述第2凹部的底部的宽度大。

14.如权利要求13所述的发光元件，其特征在于，

上述第1表面构造中的上述多个凹部的侧面的至少一部分相对于与上述光致发光层垂直的方向倾斜；

上述第2表面构造中的上述多个凹部的侧面的至少一部分相对于与上述光致发光层垂直的方向倾斜。

15.如权利要求13所述的发光元件，其特征在于，

上述第1表面构造中的上述多个凹部的侧面的至少一部分及上述第2表面构造中的上述多个凹部的侧面的至少一部分当中的至少一方是台阶状。

16.如权利要求9～15中任一项所述的发光元件，其特征在于，

如果设上述第1表面构造中的邻接的两个凹部间的距离为D1_int，设上述第2表面构造中的邻接的两个凹部间的距离为D2_int，设上述光致发光层对于上述第1光的折射率为n_wav－a，则λ_a/n_wav－a<D1_int<λ_a以及λ_a/n_wav－a<D2_int<λ_a的关系成立。

17.如权利要求8所述的发光元件，其特征在于，

上述D1_int与上述D2_int相等。

18.如权利要求1～7及9～15中任一项所述的发光元件，其特征在于，

上述第1表面构造具有至少1个第1周期构造；

上述第2表面构造具有至少1个第2周期构造；

如果设上述至少1个第1周期构造的周期为p1_a、设上述至少1个第2周期构造的周期为p2_a、设上述光致发光层对于上述第1光的折射率为n_wav－a，则λ_a/n_wav－a<p1_a<λ_a以及λ_a/n_wav－a<p2_a<λ_a的关系成立。

19.如权利要求1～7及9～15中任一项所述的发光元件，其特征在于，

上述第1表面构造及上述第2表面构造在上述光致发光层的内部，形成使从上述第3表面发出的上述第1光的强度在由上述第1表面构造及上述第2表面构造预先决定的第1方向上为最大的模拟导波模。

20.如权利要求19所述的发光元件，其特征在于，

向上述第1方向射出的上述第1光是直线偏振光。

21.如权利要求1～7及9～15中任一项所述的发光元件，其特征在于，

上述第1表面构造及上述第2表面构造将从上述第3表面发出的上述第1光的指向角限制为不到15°。