JP2016034014A - 発光素子および発光装置 - Google Patents

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拓 平澤
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安寿 稲田
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Yoshitaka Nakamura
嘉孝 中村
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Akira Hashiya
享 橋谷
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Mitsuru Nitta
充 新田
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Takeyuki Yamaki
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Abstract

【課題】フォトルミネッセンス材料を利用する発光素子の輝度、指向性、または偏光特性を制御することが可能な、新規な構造を有する発光素子およびそれを備える発光装置を提供する。
【解決手段】発光素子１００は、フォトルミネッセンス層１１０と、透光層１２０と、フォトルミネッセンス層１１０または透光層１２０の面内に広がるサブミクロン構造とを有する。サブミクロン構造は、少なくとも２つの周期構造を含み、フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含み、第１および第２の光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとし、第１周期をｐaとし、第２周期をｐbとすると、少なくとも２つの周期構造は、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造と、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造とを含む。
【選択図】図３１

Description

本開示は、発光素子および発光装置に関し、特に、フォトルミネッセンス層を有する発光素子および発光装置に関する。
照明器具、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスでは、多くの用途において、必要な方向に光を出射することが求められる。蛍光灯、白色ＬＥＤなどで使用されるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光する。よって、この様な材料は、特定の方向のみに光を出射させるために、リフレクターやレンズなどの光学部品とともに用いられる。例えば、特許文献１は、配光板および補助反射板を用いて指向性を確保した照明システムを開示している。
特開２０１０−２３１９４１号公報
光学デバイスにおいて、リフレクターやレンズなどの光学部品を配置すると、そのスペースを確保するために、光学デバイス自身のサイズを大きくする必要があり、これら光学部品は無くすか、少しでも小型化することが望ましい。
本開示は、フォトルミネッセンス層の発光効率、指向性、または偏光特性を制御することが可能な、新規な構造を有する発光素子およびそれを備える発光装置を提供する。
フォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造とを有し、前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含み、前記第１および第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとし、第１周期をｐaとし、第２周期をｐbとすると、前記少なくとも２つの周期構造は、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造と、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造とを含む。
上記の包括的または具体的な態様は、素子、装置、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。
本開示のある実施形態による発光素子および発光装置は、新規な構成を有し、新規なメカニズムに従って、輝度、指向性、または偏光特性を制御することができる。
ある実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。 図１Ａに示す発光素子の部分断面図である。 他の実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。 図１Ｃに示す発光素子の部分断面図である。 発光波長および周期構造の高さをそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示す図である。 式（１０）におけるｍ＝１およびｍ＝３の条件を図示したグラフである。 発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 厚さｔ＝２３８ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。 厚さｔ＝５３９ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。 厚さｔ＝３００ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。 図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度を計算した結果を示す図である。 ２次元の周期構造の例を示す平面図である。 ２次元周期構造に関して図２と同様の計算を行った結果を示す図である。 発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 図８と同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍにした場合の結果を示す図である。 発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 図１０と同様の条件で、周期構造の屈折率をｎp＝２．０とした場合の計算結果を示す図である。 光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードであるものとして図９に示す計算と同様の計算を行った結果を示す図である。 図９に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavを１．５に変更した場合の結果を示す図である。 屈折率が１．５の透明基板の上に、図２に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層および周期構造を設けた場合の計算結果を示す図である。 式（１５）の条件を図示したグラフである。 図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００と、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる光源１８０とを備える発光装置２００の構成例を示す図である。 励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる構成を説明するための図であり、（ａ）はｘ方向の周期ｐxを有する１次元周期構造を示し、（ｂ）はｘ方向の周期ｐx、ｙ方向の周期ｐyを有する２次元周期構造を示し、（ｃ）は（ａ）の構成における光の吸収率の波長依存性を示し、（ｄ）は（ｂ）の構成における光の吸収率の波長依存性を示している。 ２次元周期構造の一例を示す図である。 ２次元周期構造の他の例を示す図である。 透明基板上に周期構造を形成した変形例を示す図である。 透明基板上に周期構造を形成した他の変形例を示す図である。 図１９Ａの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 複数の粉末状の発光素子を混ぜた構成を示す図である。 フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を２次元に配列した例を示す平面図である。 表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層１１０が積層された構造を有する発光素子の一例を示す図である。 フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に保護層１５０を設けた構成例を示す断面図である。 フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成した例を示す図である。 周期構造を有するガラス基板上に形成されたフォトルミネッセンス層の断面ＴＥＭ像を示す図である。 試作した発光素子の出射光の正面方向のスペクトルを測定した結果を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、試作した発光素子の出射光の角度依存性を測定した結果（上段）および計算結果（下段）を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、試作した発光素子の出射光の角度依存性を測定した結果（上段）および計算結果（下段）を示すグラフである。 試作した発光素子の出射光（波長６１０ｎｍ）の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。 （ａ）は、発光素子１００Ａの模式的な斜視図であり、（ｂ）は、発光素子１００Ｂの模式的な斜視図である。 （ａ）は、２次元周期構造の正方格子パターンを示す平面図であり、（ｂ）は、２次元周期構造のチェッカーパターン（市松模様）を示す平面図であり、（ｃ）は、（ａ）のパターンをフーリエ変換することによって得られた空間周波数の強度（振幅の絶対値の二乗）の分布を示す図である。 （ａ）は、周期性を有する方向が互いに異なる複数の周期構造を含む２次元周期構造のパターンを示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のパターンをフーリエ変換することによって得られた、周期構造の空間周波数の強度の分布を示す図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すパターンを有する透光層（周期構造）１２０を備える発光素子１００Ｃの模式的な斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、周期性を有する方向が互いに異なる複数の周期構造を有する２次元周期構造のパターンを示す平面図である。 （ａ）は、図３４（ａ）および（ｂ）に示すパターンの論理和から得られるパターンを示す平面図であり、図３５（ｂ）は、（ａ）のパターンをフーリエ変換することによって得られた、周期構造の空間周波数の強度の分布を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、複数の周期構造を有する発光素子１００Ｄ〜１００Ｈの構造を模式的に示す断面図である。 （ａ）は、周期が互いに異なる複数の周期構造を含む２次元周期構造のパターンを示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のパターンをフーリエ変換することによって得られた空間周波数の強度の分布を示す図である。
本開示は、以下の項目に記載の発光素子および発光装置を含む。
［項目１］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含む、項目１に記載の発光素子。
［項目３］
前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎt-aは、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav-aよりも小さい、項目１または２に記載の発光素子。
［項目４］
前記第１の光は、前記サブミクロン構造によって予め決められた第１の方向において強度が最大になる、項目１から３のいずれかに記載の発光素子。
［項目５］
前記第１の方向は、前記フォトルミネッセンス層の法線方向である、項目４に記載の発光素子。
［項目６］
前記第１の方向に出射された前記第１の光は、直線偏光である、項目４または５に記載の発光素子。
［項目７］
前記第１の光の前記第１の方向を基準としたときの指向角は、１５°未満である、項目４から６のいずれかに記載の発光素子。
［項目８］
前記第１の光の波長λaと異なる波長λbを有する第２の光は、前記第１の方向と異なる第２の方向において強度が最大となる、項目４から７のいずれかに記載の発光素子。
［項目９］
前記透光層が前記サブミクロン構造を有する、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
［項目１０］
前記フォトルミネッセンス層が前記サブミクロン構造を有する、項目１から９のいずれかに記載の発光素子。
［項目１１］
前記フォトルミネッセンス層は、平坦な主面を有し、
前記透光層は前記フォトルミネッセンス層の前記平坦な主面上に形成されており、かつ、前記サブミクロン構造を有する、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
［項目１２］
前記フォトルミネッセンス層は、透明基板に支持されている、項目１１に記載の発光素子。
［項目１３］
前記透光層は、前記サブミクロン構造を一方の主面に有する透明基板であって、
前記フォトルミネッセンス層は、前記サブミクロン構造の上に形成されている、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
［項目１４］
前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎt-aは、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav-a以上であって、前記サブミクロン構造が有する前記複数の凸部の高さまたは前記複数の凹部の深さは１５０ｎｍ以下である、項目１または２に記載の発光素子。
［項目１５］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含み、
前記第１周期構造は、１次元周期構造である、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目１６］
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaと異なるλbの第２の光を含み、前記第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-bとするとき、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐbとすると、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関
係が成り立つ第２周期構造をさらに含み、
前記第２周期構造は、１次元周期構造である、項目１５に記載の発光素子。
［項目１７］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、前記少なくとも２つの周期構造は、互いに異なる方向に周期性を有する２次元周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目１８］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記複数の周期構造は、マトリクス状に配列された複数の周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目１９］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-exとすると、
前記複数の周期構造は、周期ｐexが、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目２０］
複数のフォトルミネッセンス層と、複数の透光層とを有し、
前記複数のフォトルミネッセンス層の少なくとも２つと前記複数の透光層の少なくとも２つとは、それぞれ独立に、項目１から１９のいずれかに記載の前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とにそれぞれ該当する、発光素子。
［項目２１］
前記複数のフォトルミネッセンス層と前記複数の透光層は、積層されている、項目２０に記載の発光素子。
［項目２２］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の内部に擬似導波モードを形成する光を出射する、発光素子。
［項目２３］
光が導波することができる導波層と、
前記導波層に近接して配置された周期構造と
を備え、
前記導波層はフォトルミネッセンス材料を有し、
前記導波層において、前記フォトルミネッセンス材料から発せられた光が前記周期構造と作用しながら導波する擬似導波モードが存在する、発光素子。
［項目２４］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層または前記透光層に至る光路に存在する媒質の内で最も屈折率が大きい媒質の屈折率をｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λexの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２５］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ第１周期構造を含む、項目２４に記載の発光素子。
［項目２６］
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２７］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２８］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２９］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、項目１から２１、２４から２８のいずれかに記載の発光素子。
［項目３０］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目１から２２、２４から２７のいずれかに記載の発光素子。
［項目３１］
前記導波層と前記周期構造とが互いに接している、項目２３に記載の発光素子。
［項目３２］
項目１から３１のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。
［項目３３］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含み、
前記第１および第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとし、第１周期をｐaとし、第２周期をｐbとすると、
前記少なくとも２つの周期構造は、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造と、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造とを含む、発光素子。
［項目３４］
前記第１および第２の光の波長λaとλbが等しく、かつ、前記第１周期ｐaと前記第２周期ｐbは互いに等しく、さらに、前記第１周期構造および前記第２周期構造の周期性を有する方向が互いに異なる、項目１に記載の発光素子。
［項目３５］
前記第１周期ｐaと前記第２周期ｐbは互いに異なり、かつ、前記第１周期構造および前記第２周期構造の周期性を有する方向が等しい、項目３３に記載の発光素子。
［項目３６］
前記第１周期構造および前記第２周期構造は、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の前記少なくとも一方の同一の面に形成されている、項目３３から３５のいずれかに記載の発光素子。
［項目３７］
前記第１周期構造および前記第２周期構造は、一方が前記フォトルミネッセンス層の上面に形成され、他方が前記フォトルミネッセンス層の下面に形成されている、項目３３から３５のいずれかに記載の発光素子。
［項目３８］
前記フォトルミネッセンス層の下面に接触して形成されたさらなるフォトルミネッセンス層をさらに有し、
前記第１周期構造および前記第２周期構造は、一方が前記フォトルミネッセンス層の上面に形成され、他方が前記さらなるフォトルミネッセンス層の下面に形成されている、項目３３から３５のいずれかに記載の発光素子。
［項目３９］
前記フォトルミネッセンス層の下面に接触して形成されたさらなるフォトルミネッセンス層をさらに有し、
前記第１周期構造および前記第２周期構造は、一方が前記フォトルミネッセンス層の上面に形成され、他方が前記さらなるフォトルミネッセンス層の上面に形成されている、項目３３から３５のいずれかに記載の発光素子。
［項目４０］
前記フォトルミネッセンス層を支持する基板と、前記基板の下面に形成されたさらなるフォトルミネッセンス層とをさらに有し、
前記第１周期構造および前記第２周期構造は、一方が前記基板の上面に形成され、他方が前記基板の前記下面に形成されている、項目３３から３５のいずれかに記載の発光素子。
［項目４１］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された２次元パターンをフーリエ変換することによって得られる空間周波数の強度の分布は、中心点に関して点対称な位置に存在する２つの点で構成される対を少なくとも２つ有し、
前記少なくとも２つの対は、前記中心点から前記２つの点までの距離が１／ｐaの対と、前記中心点から前記２つの点までの距離が１／ｐbの対とを含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含み、
前記第１および第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaおよびλb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ、発光素子。
［項目４２］
前記少なくとも２つの対は、中心からの距離が同じ２つの対を含む、項目４１に記載の発光素子。
［項目４３］
前記少なくとも２つの対は、中心からの距離が互いに異なる２つの対を含む、項目４１または４２に記載の発光素子。
［項目４４］
前記サブミクロン構造は、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の前記少なくとも一方の同一の面に形成されている、項目４１から４３のいずれかに記載の発光素子。
［項目４５］
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含み、
前記第１および第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとし、第１周期をｐaとし、第２周期をｐbとすると、
前記少なくとも２つの周期構造は、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造と、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造とを含む、発光素子。
［項目４６］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、各々が複数の凸部または複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含み、
前記第１および第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとし、第１周期をｐaとし、第２周期をｐbとすると、
前記少なくとも２つの周期構造は、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造と、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造とを含む、発光素子。
［項目４７］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目３３から４６のいずれかに記載の発光素子。
［項目４８］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、各々が複数の凸部または複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含み、
前記第１および第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとし、第１周期をｐaとし、第２周期をｐbとすると、
前記少なくとも２つの周期構造は、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造と、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造とを含む、発光素子。
［項目４９］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、項目３３から４８のいずれかに記載の発光素子。
［項目５０］
項目３３から４９のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。
本開示の実施形態による発光素子は、フォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造とを有し、前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。波長λaは、例えば、可視光の波長範囲内（例えば、３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下）にある。
フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料を含む。フォトルミネッセンス材料は、励起光を受けて発光する材料を意味する。フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料に加えて、マトリクス材料（即ち、ホスト材料）を含んでもよい。マトリクス材料は、例えば、ガラスや酸化物などの無機材料や樹脂である。
フォトルミネッセンス層に近接して配置される透光層は、フォトルミネッセンス層が発する光に対して透過率が高い材料で形成され、例えば、無機材料や樹脂で形成される。透光層は、例えば誘電体（特に、光の吸収が少ない絶縁体）で形成されていることが望ましい。透光層は、例えば、フォトルミネッセンス層を支持する基板であってよい。また、フォトルミネッセンス層の空気側の表面がサブミクロン構造を有する場合、空気層が透光層となり得る。
本開示の実施形態による発光素子においては、後に計算結果および実験結果を参照して詳述するように、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成されたサブミクロン構造（例えば、周期構造）によって、フォトルミネッセンス層および透光層の内部に、ユニークな電場分布を形成する。これは、導波光がサブミクロン構造と相互作用して形成されるものであり、擬似導波モードと表現することもできる。この擬似導波モードを活用することで、以下で説明するように、フォトルミネッセンスの発光効率の増大、指向性の向上、偏光の選択性の効果を得ることができる。なお、以下の説明において、擬似導波モードという用語を使って、本発明者らが見出した、新規な構成および／または新規なメカニズムを説明することがあるが、１つの例示的な説明に過ぎず、本開示をいかなる意味においても限定するものではない。
サブミクロン構造は、例えば複数の凸部を含み、隣接する凸部間の距離（即ち、中心間距離）をＤintとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足する。サブミクロン構造は、複数の凸部に代えて複数の凹部を含んでもよい。以下では、簡単のために、サブミクロン構造が複数の凸部を有する場合を説明する。λは光の波長を表し、λaは空気中での光の波長であることを表現する。ｎwavはフォトルミネッセンス層の屈折率である。フォトルミネッセンス層が複数の材料を混合した媒質である場合、各材料の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎwavとする。一般に屈折率ｎは波長に依存するので、λaの光に対する屈折率であることをｎwav-aと明示することが望ましいが、簡単のために省略することがある。ｎwavは基本的にフォトルミネッセンス層の屈折率であるが、フォトルミネッセンス層に隣接する層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きい場合、当該屈折率が大きい層の屈折率およびフォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎwavとする。この場合は、光学的には、フォトルミネッセンス層が複数の異なる材料の層で構成されている場合と等価であるからである。
擬似導波モードの光に対する媒質の有効屈折率をｎeffとすると、ｎa＜ｎeff＜ｎwavを満たす。ここで、ｎaは空気の屈折率である。擬似導波モードの光を、フォトルミネッセンス層の内部を入射角θで全反射しながら伝搬する光であると考えると、有効屈折率ｎeffは、ｎeff＝ｎwavｓｉｎθと書ける。また、有効屈折率ｎeffは、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まるので、例えば、サブミクロン構造が透光層に形成されている場合、フォトルミネッセンス層の屈折率だけでなく、透光層の屈折率にも依存する。また、擬似導波モードの偏光方向（ＴＥモードとＴＭモード）により、電場の分布は異なるので、ＴＥモードとＴＭモードとでは有効屈折率ｎeffは異なり得る。
サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成される。フォトルミネッセンス層と透光層とが互いに接するとき、フォトルミネッセンス層と透光層との界面にサブミクロン構造が形成されてもよい。このとき、フォトルミネッセンス層および透光層がサブミクロン構造を有する。フォトルミネッセンス層はサブミクロン構造を有さなくてもよい。このとき、サブミクロン構造を有する透光層がフォトルミネッセンス層に近接して配置される。ここで、透光層（またはそのサブミクロン構造）がフォトルミネッセンス層に近接するとは、典型的には、これらの間の距離が、波長λaの半分以下であることをいう。これにより、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成される。ただし、透光層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きいときには上記の関係を満足しなくても透光層まで光が到達するため、透光層のサブミクロン構造とフォトルミネッセンス層との間の距離は、波長λaの半分超であってもよい。本明細書では、フォトルミネッセンス層と透光層とが、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成されるような配置関係にあるとき、両者が互いに関連付けられていると表現することがある。
サブミクロン構造は、上記のように、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足するので、サブミクロンオーダーの大きさで特徴づけられる。サブミクロン構造は、例えば、以下に詳細に説明する実施形態の発光素子におけるように、少なくとも１つの周期構造を含む。少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ。すなわち、サブミクロン構造は、隣接する凸部間の距離Ｄintがｐaで一定の周期構造を有する。サブミクロン構造が周期構造を含むと、擬似導波モードの光は、伝搬しながら周期構造と相互作用を繰り返すことにより、サブミクロン構造によって回折される。これは、自由空間を伝播する光が周期構造により回折する現象とは異なり、光が導波しながら（即ち、全反射を繰り返しながら）周期構造と作用する現象である。したがって、周期構造による位相シフトが小さくても（即ち、周期構造の高さが小さくても）効率よく光の回折を起こすことができる。
以上のようなメカニズムを利用すれば、擬似導波モードにより電場が増強される効果によって、フォトルミネッセンスの発光効率が増大するとともに、発生した光が擬似導波モードに結合する。擬似導波モードの光は、周期構造で規定される回折角度だけ進行角度が曲げられる。これを利用することによって、特定の波長の光を特定の方向に出射することができる（指向性が顕著に向上）。さらに、ＴＥとＴＭモードで有効屈折率ｎeff（＝ｎwavｓｉｎθ）が異なるので、高い偏光の選択性を同時に得ることもできる。例えば、後に実験例を示すように、特定の波長（例えば６１０ｎｍ）の直線偏光（例えばＴＭモード）を正面方向に強く出射する発光素子を得ることができる。このとき、正面方向に出射される光の指向角は例えば１５°未満である。なお、指向角は正面方向を０°とした片側の角度とする。
逆に、サブミクロン構造の周期性が低くなると、指向性、発光効率、偏光度および波長選択性が弱くなる。必要に応じて、サブミクロン構造の周期性を調整すればよい。周期構造は、偏光の選択性が高い１次元周期構造であってもよいし、偏光度を小さくできる２次元周期構造であってもよい。
また、サブミクロン構造は、複数の周期構造を含み得る。複数の周期構造は、例えば、周期（ピッチ）が互いに異なる。あるいは、複数の周期構造は、例えば、周期性を有する方向（軸）が互いに異なる。複数の周期構造は、同一面内に形成されてもよいし、積層されてもよい。もちろん、発光素子は、複数のフォトルミネッセンス層と複数の透光層とを有し、これらが複数のサブミクロン構造を有してもよい。
サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層が発する光を制御するためだけでなく、励起光を効率よくフォトルミネッセンス層に導くためにも用いることができる。すなわち、励起光がサブミクロン構造により回折されフォトルミネッセンス層および透光層を導波する擬似導波モードに結合することで、効率よくフォトルミネッセンス層を励起することができる。フォトルミネッセンス材料を励起する光の空気中における波長をλexとし、この励起光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λexの関係が成り立つサブミクロン構造を用いればよい。ｎwav-exはフォトルミネッセンス材料の励起波長における屈折率である。周期をｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ周期構造を有するサブミクロン構造を用いてもよい。励起光の波長λexは、例えば、４５０ｎｍであるが、可視光よりも短波長であってもよい。励起光の波長が可視光の範囲内にある場合、フォトルミネッセンス層が発する光とともに、励起光を出射するようにしてもよい。
［１．本開示の基礎となった知見］
本開示の具体的な実施形態を説明する前に、まず、本開示の基礎となった知見を説明する。上述のように、蛍光灯、白色ＬＥＤなどで使われるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光するので、特定の方向を光で照らすためには、リフレクターやレンズなどの光学部品が必要である。しかしながら、もしフォトルミネッセンス層自身が指向性をもって発光すれば、上記のような光学部品は不要になるので（若しくは小さくできるので）、光学デバイスや器具の大きさを大幅に小さくすることができる。本発明者らは、このような着想に基づき、指向性発光を得るために、フォトルミネッセンス層の構成を詳細に検討した。
本発明者らは、まず、フォトルミネッセンス層からの光が特定の方向に偏るようにするため、発光自体に特定の方向性をもたせることを考えた。発光を特徴付ける指標である発光レートΓは、フェルミの黄金則により、以下の式（１）で表される。
Figure 2016034014
式（１）において、ｒは位置を表すベクトル、λは光の波長、ｄは双極子ベクトル、Ｅは電場ベクトル、ρは状態密度である。一部の結晶性物質を除く多くの物質では、双極子ベクトルｄはランダムな方向性を有している。また、フォトルミネッセンス層のサイズと厚さが光の波長よりも十分に大きい場合、電場Ｅの大きさも向きに依らずほとんど一定である。よって、ほとんどの場合、＜（ｄ・Ｅ（ｒ））＞2の値は方向に依らない。即ち、発光レートΓは方向に依らず一定である。このため、ほとんどの場合においてフォトルミネッセンス層は等方的に発光する。
一方、式（１）から、異方的な発光を得るためには、双極子ベクトルｄを特定の方向に揃えるか、電場ベクトルの特定方向の成分を増強するかのいずれかの工夫が必要である。これらのいずれかの工夫を行うことで、指向性発光を実現できる。本開示では、フォトルミネッセンス層へ光を閉じ込める効果により、特定方向の電場成分が増強された擬似導波モードを利用するための構成について検討し、詳細に分析した結果を以下に説明する。
［２．特定の方向の電場のみを強くする構成］
本願発明者らは、電場が強い導波モードを用いて、発光の制御を行うことを考えた。導波構造自体がフォトルミネッセンス材料を含む構成とすることで、発光を導波モードに結合させることができる。しかし、ただ単にフォトルミネッセンス材料を用いて導波構造を形成しただけでは、発せられた光が導波モードとなるため、正面方向へはほとんど光は出てこない。そこで、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と周期構造（複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方で形成された）とを組み合わせることを考えた。導波路に周期構造が近接し、光の電場が周期構造と重なりながら導波する場合、周期構造の作用により擬似導波モードが存在する。つまり、この擬似導波モードは、周期構造により制限された導波モードであり、電場振幅の腹が周期構造の周期と同じ周期で発生することを特徴とする。このモードは、光が導波構造に閉じ込められることにより特定方向への電場が強められたモードである。さらに、このモードは周期構造と相互作用することで、回折効果により特定方向の伝播光へと変換されるため、導波路外部へと光を出射することができる。さらに、擬似導波モード以外の光は導波路内に閉じ込められる効果が小さいため、電場は増強されない。よって、発光のほとんどは大きな電場成分を有する擬似導波モードへと結合することになる。
つまり、本願発明者らは、周期構造が近接して設けられた導波路を、フォトルミネッセンス材料を含むフォトルミネッセンス層（あるいはフォトルミネッセンス層を有する導波層）とすることで、発光を特定方向の伝播光へと変換される擬似導波モードへ結合させ、指向性のある光源を実現することを考えた。
導波構造の簡便な構成として、スラブ型導波路に着目した。スラブ型導波路とは、光の導波部分が平板構造を有する導波路のことである。図３０は、スラブ型導波路１１０Ｓの一例を模式的に示す斜視図である。導波路１１０Ｓの屈折率が導波路１１０Ｓを支持する透明基板１４０の屈折率よりも高いとき、導波路１１０Ｓ内を伝播する光のモードが存在する。このようなスラブ型導波路をフォトルミネッセンス層を含む構成とすることで、発光点から生じた光の電場が導波モードの電場と大きく重なりをもつので、フォトルミネッセンス層で生じた光の大部分を導波モードに結合させることができる。さらに、フォトルミネッセンス層の厚さを光の波長程度とすることにより、電場振幅の大きい導波モードのみが存在する状況を作り出すことができる。
さらに、フォトルミネッセンス層に周期構造が近接する場合には、導波モードの電場が周期構造と相互作用することで擬似導波モードが形成される。フォトルミネッセンス層が複数の層で構成されている場合でも、導波モードの電場が周期構造に達していれば、擬似導波モードが形成されることになる。フォトルミネッセンス層の全てがフォトルミネッセンス材料である必要はなく、その少なくとも一部の領域が発光する機能を有していればよい。
また、周期構造を金属で形成した場合には、導波モードとプラズモン共鳴の効果によるモードが形成され、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質となる。また、このモードは金属による吸収が大きいためロスが大きくなり、発光増強の効果は小さくなる。したがって、周期構造としては、吸収の少ない誘電体を用いるのが望ましい。
本発明者らは、まずこのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）の表面に、周期構造を形成することで、特定の角度方向の伝播光として出射することのできる擬似導波モードに発光を結合させることについて検討を行った。図１Ａは、そのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）１１０と周期構造（例えば、透光層）１２０とを有する発光素子１００の一例を模式的に示す斜視図である。以下、透光層１２０が周期構造を形成している場合（即ち、透光層１２０に周期的なサブミクロン構造が形成されている場合）、透光層１２０を周期構造１２０ということがある。この例では、周期構造１２０は、各々がｙ方向に延びるストライプ状の複数の凸部がｘ方向に等間隔に並んだ１次元周期構造である。図１Ｂは、この発光素子１００をｘｚ面に平行な平面で切断したときの断面図である。導波路１１０に接するように周期ｐの周期構造１２０を設けると、面内方向の波数ｋwavをもつ擬似導波モードは、導波路外の伝播光へと変換され、その波数ｋoutは以下の式（２）で表すことができる。
Figure 2016034014


式（２）におけるｍは整数であり、回折の次数を表す。
ここで、簡単のため、近似的に導波路内を導波する光を角度θwavで伝播する光線であると考え、以下の式（３）および（４）が成立するとする。
Figure 2016034014
Figure 2016034014
これらの式において、λ0は光の空気中の波長、ｎwavは導波路の屈折率、ｎoutは出射側の媒質の屈折率、θoutは光が導波路外の基板または空気に出射するときの出射角度である。式（２）〜（４）から、出射角度θoutは、以下の式（５）で表すことができる。
Figure 2016034014
式（５）より、ｎwavｓｉｎθwav＝ｍλ0／ｐが成立するとき、θout＝０となり、導波路の面に垂直な方向（即ち、正面）に光を出射させることができることがわかる。
以上のような原理に基づけば、発光を特定の擬似導波モードに結合させ、さらに周期構造を利用して特定の出射角度の光に変換することにより、その方向に強い光を出射させることができると考えられる。
上記のような状況を実現するためには、いくつかの制約条件がある。まず、擬似導波モードが存在するためには、導波路内で伝播する光が全反射することが必要である。このための条件は、以下の式（６）で表される。
Figure 2016034014
この擬似導波モードを周期構造によって回折させて導波路外に光を出射させるためには、式（５）において−１＜ｓｉｎθout＜１である必要がある。よって、以下の式（７）を満足する必要がある。
Figure 2016034014
これに対し、式（６）を考慮すると、以下の式（８）が成立すればよいことがわかる。
Figure 2016034014
さらに、導波路１１０から出射される光の方向を正面方向（θout＝０）にするためには、式（５）から、以下の式（９）が必要であることがわかる。
Figure 2016034014
式（９）および式（６）から、必要な条件は、以下の式（１０）であることがわかる。
Figure 2016034014
なお、図１Ａおよび図１Ｂに示すような周期構造を設けた場合には、ｍが２以上の高次の回折効率は低いため、ｍ＝１である１次の回折光を主眼に設計すると良い。このため、本実施形態における周期構造では、ｍ＝１として、式（１０）を変形した以下の式（１１）を満足するように周期ｐが決定される。
Figure 2016034014
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、導波路（フォトルミネッセンス層）１１０が透明基板に接していない場合には、ｎoutは空気の屈折率（約１．０）となるため、以下の式（１２）を満足するように周期ｐを決定すればよい。
Figure 2016034014
一方、図１Ｃおよび図１Ｄに例示するような透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を形成した構造を採用してもよい。この場合には、透明基板１４０の屈折率ｎsが空気の屈折率よりも大きいことから、式（１１）においてｎout＝ｎsとした次式（１３）を満足するように周期ｐを決定すればよい。
Figure 2016034014
なお、式（１２）、（１３）では、式（１０）においてｍ＝１の場合を想定したが、ｍ≧２であってもよい。すなわち、図１Ａおよび図１Ｂに示すように発光素子１００の両面が空気層に接している場合には、ｍを１以上の整数として、以下の式（１４）を満足するように周期ｐが設定されていればよい。
Figure 2016034014
同様に、図１Ｃおよび図１Ｄに示す発光素子１００ａのようにフォトルミネッセンス層１１０が透明基板１４０上に形成されている場合には、以下の式（１５）を満足するように周期ｐが設定されていればよい。
Figure 2016034014
以上の不等式を満足するように周期構造の周期ｐを決定することにより、フォトルミネッセンス層１１０から発生した光を正面方向に出射させることができるため、指向性を有する発光装置を実現できる。
［３．計算による検証］
［３−１．周期、波長依存性］
本発明者らは、以上のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のDiffractMODを用いた計算によって行った。これらの計算では、発光素子に対して外部から垂直に光を入射したときに、フォトルミネッセンス層における光の吸収の増減を計算することで、外部へ垂直に出射する光の増強度を求めた。外部から入射した光が擬似導波モードに結合しフォトルミネッセンス層で吸収されるという過程は、フォトルミネッセンス層における発光が擬似導波モードへと結合し、外部へ垂直に出射する伝播光へと変換される過程と逆の過程を計算していることに対応する。また、擬似導波モードの電場分布の計算においても、同様に外部から光を入射した場合における電場を計算した。
フォトルミネッセンス層の膜厚を１μｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造の高さを５０ｎｍ、周期構造の屈折率を１．５とし、発光波長および周期構造の周期をそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を図２に示す。計算モデルは、図１Ａに示すように、ｙ方向には均一な１次元周期構造とし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるとして計算を行った。図２の結果から、増強度のピークが、ある特定の波長と周期との組み合わせにおいて存在することがわかる。なお、図２において、増強度の大きさは色の濃淡で表されており、濃い（即ち黒い）方が増強度が大きく、淡い（即ち白い）方が増強度が小さい。
上記の計算において、周期構造の断面は、図１Ｂに示すような矩形であるものとしている。式（１０）におけるｍ＝１およびｍ＝３の条件を図示したグラフを図３に示す。図２と図３とを比較すると、図２におけるピーク位置はｍ＝１とｍ＝３に対応するところに存在することがわかる。ｍ＝１の方が強度が強いのは、３次以上の高次の回折光よりも１次の回折光の回折効率の方が高いからである。ｍ＝２のピークが存在しないのは、周期構造における回折効率が低いためである。
図３で示したｍ＝１およびｍ＝３のそれぞれに対応する領域内において、図２では複数のラインが存在することが確認できる。これは、擬似導波モードが複数存在するからであると考えられる。
［３−２．厚さ依存性］
図４は、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造の周期を４００ｎｍ、高さを５０ｎｍ、屈折率を１．５とし、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。フォトルミネッセンス層の厚さｔが特定の値であるときに光の増強度がピークに達することがわかる。
図４においてピークが存在する波長６００ｎｍ、厚さｔ＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を図５Ａおよび図５Ｂにそれぞれ示す。比較のため、ピークが存在しないｔ＝３００ｎｍの場合について同様の計算を行った結果を図５Ｃに示す。計算モデルは、上記と同様、ｙ方向に均一な１次元周期構造であるとした。各図において、黒い領域ほど電場強度が高く、白い領域ほど電場強度が低いことを表している。ｔ＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍの場合には高い電場強度の分布があるのに対して、ｔ＝３００ｎｍでは全体的に電場強度が低い。これは、ｔ＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍの場合には、導波モードが存在し、光が強く閉じ込められているからである。さらに、凸部または凸部の直下に電場が最も強い部分（腹）が必ず存在しており、周期構造１２０と相関のある電場が発生している特徴が見て取れる。つまり、周期構造１２０の配置に従って、導波するモードが得られていることがわかる。また、ｔ＝２３８ｎｍの場合とｔ＝５３９ｎｍの場合とを比較すると、ｚ方向の電場の節（白い部分）の数が１つだけ異なるモードであることが分かる。
［３−３．偏光依存性］
次に偏光依存性を確認するために、図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度の計算を行った。本計算の結果を図６に示す。ＴＭモードのとき（図２）に比べ、ピーク位置は多少変化しているものの、図３で示した領域内にピーク位置が納まっている。よって、本実施形態の構成は、ＴＭモード、ＴＥモードのいずれの偏光についても有効であることが確認できた。
［３−４．２次元周期構造］
さらに、２次元の周期構造による効果の検討を行った。図７Ａは、ｘ方向およびｙ方向の両方向に凹部および凸部が配列された２次元の周期構造１２０’の一部を示す平面図である。図中の黒い領域が凸部、白い領域が凹部を示している。このような２次元周期構造では、ｘ方向とｙ方向の両方の回折を考慮する必要がある。ｘ方向のみ、あるいはｙ方向のみの回折に関しては１次元の場合と同様であるが、ｘ、ｙ両方の成分を有する方向（例えば、斜め４５°方向）の回折も存在するため、１次元の場合とは異なる結果が得られることが期待できる。このような２次元周期構造に関して光の増強度を計算した結果を図７Ｂに示す。周期構造以外の計算条件は図２の条件と同じである。図７Ｂに示すように、図２に示すＴＭモードのピーク位置に加えて、図６に示すＴＥモードにおけるピーク位置と一致するピーク位置も観測された。この結果は、２次元周期構造により、ＴＥモードも、回折により変換されて出力されていることを示している。また、２次元周期構造については、ｘ方向およびｙ方向の両方について、同時に１次の回折条件を満足する回折も考慮する必要がある。このような回折光は、周期ｐの√２倍（即ち、２1/2倍）の周期に対応する角度の方向に出射する。よって、１次元周期構造の場合のピークに加えて、周期ｐの√２倍の周期についてもピークが発生すると考えられる。図７Ｂでは、このようなピークも確認できる。
２次元周期構造としては、図７Ａに示すようなｘ方向およびｙ方向の周期が等しい正方格子の構造に限らず、図１８Ａおよび図１８Ｂのような六角形や三角形を並べた格子構造であってもよい。また、方位方向によって（例えば、正方格子の場合ｘ方向およびｙ方向）の周期が異なる構造であってもよい。
以上のように、本実施形態では、周期構造とフォトルミネッセンス層とによって形成される特徴的な擬似導波モードの光を、周期構造による回折現象を利用して、正面方向にのみ選択的に出射できることが確認できた。このような構成で、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性を有する発光が得られる。
［４．周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成の検討］
次に、周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成や屈折率などの各種条件を変えたときの効果について説明する。
［４−１．周期構造の屈折率］
まず、周期構造の屈折率に関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を２００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造は図１Ａに示すようなｙ方向に均一な１次元周期構造とし、高さを５０ｎｍ、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図８に示す。また、同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍにした場合の結果を図９に示す。
まず、フォトルミネッセンス層の膜厚に着目すると、膜厚が２００ｎｍの場合（図８）に比べ、膜厚が１０００ｎｍの場合（図９）のほうが、周期構造の屈折率の変化に対する光強度がピークとなる波長（ピーク波長と称する。）のシフトが小さいことがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の膜厚が小さいほど、擬似導波モードが周期構造の屈折率の影響を受けやすいからである。即ち、周期構造の屈折率が高いほど、有効屈折率が大きくなり、その分ピーク波長が長波長側にシフトするが、この影響は、膜厚が小さいほど顕著になる。なお、有効屈折率は、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まる。
次に、周期構造の屈折率の変化に対するピークの変化に着目すると、屈折率が高いほどピークが広がり強度が下がっていることがわかる。これは、周期構造の屈折率が高いほど擬似導波モードの光を外部に放出するレートが高いため、光を閉じ込める効果が減少する、すなわちＱ値が低くなることが原因である。ピーク強度を高く保つためには、光を閉じ込める効果が高い（即ちＱ値が高い）擬似導波モードを利用して、適度に光を外部に放出する構成にすればよい。これを実現するためには、屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率に比べて大き過ぎる材料を周期構造に用いるのは望ましくないことがわかる。したがって、ピーク強度およびＱ値をある程度高くするためには、周期構造を構成する誘電体（即ち、透光層）の屈折率を、フォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にすればよい。フォトルミネッセンス層がフォトルミネッセンス材料以外の材料を含むときも同様である。
［４−２．周期構造の高さ］
次に、周期構造の高さに関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造は図１Ａに示すようなｙ方向に均一な１次元周期構造で屈折率をｎp＝１．５、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図１０に示す。同様の条件で、周期構造の屈折率をｎp＝２．０とした場合の計算結果を図１１に示す。図１０に示す結果では、ある程度以上の高さではピーク強度やＱ値（即ち、ピークの線幅）が変化していないのに対して、図１１に示す結果では、周期構造の高さが大きいほどピーク強度およびＱ値が低下していることがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが周期構造の屈折率ｎpよりも高い場合（図１０）には、光が全反射するので、擬似導波モードの電場の染み出し（エバネッセント）部分のみが周期構造と相互作用することに起因する。電場のエバネッセント部分と周期構造との相互作用の影響は、周期構造の高さが十分大きい場合には、それ以上高さが変化しても一定である。一方、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが周期構造の屈折率ｎpよりも低い場合（図１１）は、全反射せずに周期構造の表面にまで光が到達するので、周期構造の高さが大きいほどその影響を受ける。図１１を見る限り、高さは１００ｎｍ程度あれば十分であり、１５０ｎｍを超える領域ではピーク強度およびＱ値が低下していることがわかる。したがって、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが周期構造の屈折率ｎpよりも低い場合に、ピーク強度およびＱ値をある程度高くするためには、周期構造の高さを１５０ｎｍ以下に設定すればよい。
［４−３．偏光方向］
次に、偏光方向に関して検討を行った。図９に示す計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードであるものとして計算した結果を図１２に示す。ＴＥモードでは、擬似導波モードの電場の染み出しがＴＭモードに比べて大きいため、周期構造による影響を受けやすい。よって、周期構造の屈折率ｎpがフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavよりも大きい領域では、ピーク強度およびＱ値の低下がＴＭモードよりも著しい。
［４−４．フォトルミネッセンス層の屈折率］
次に、フォトルミネッセンス層の屈折率に関して検討を行った。図９に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavを１．５に変更した場合の結果を図１３に示す。フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが１．５の場合においても概ね図９と同様の効果が得られていることがわかる。ただし、波長が６００ｎｍ以上の光は正面方向に出射していないことがわかる。これは、式（１０）より、λ0＜ｎwav×ｐ／ｍ＝１．５×４００ｎｍ／１＝６００ｎｍとなるからである。
以上の分析から、周期構造の屈折率はフォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にするか、周期構造の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率以上の場合には、高さを１５０ｎｍ以下にすれば、ピーク強度およびＱ値を高くできることがわかる。
［５．変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。
［５−１．基板を有する構成］
上述のように、発光素子は、図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、透明基板１４０の上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成された構造を有していてもよい。このような発光素子１００ａを作製するには、まず、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料（必要に応じて、マトリクス材料を含む、以下同じ。）で薄膜を形成し、その上に周期構造１２０を形成する方法が考えられる。このような構成において、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とにより、光を特定の方向に出射する機能をもたせるためには、透明基板１４０の屈折率ｎsはフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav以下にする必要がある。透明基板１４０をフォトルミネッセンス層１１０に接するように設けた場合、式（１０）における出射媒質の屈折率ｎoutをｎsとした式（１５）を満足するように周期ｐを設定する必要がある。
このことを確認するために、屈折率が１．５の透明基板１４０の上に、図２に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を設けた場合の計算を行った。本計算の結果を図１４に示す。図２の結果と同様、波長ごとに特定の周期において光強度のピークが現れることが確認できるが、ピークが現れる周期の範囲が図２の結果とは異なることがわかる。これに対して、式（１０）の条件をｎout＝ｎsとした式（１５）の条件を図１５に示す。図１４において、図１５に示される範囲に対応する領域内に、光強度のピークが現れていることがわかる。
したがって、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とを設けた発光素子１００ａでは、式（１５）を満足する周期ｐの範囲において効果が得られ、式（１３）を満足する周期ｐの範囲において特に顕著な効果が得られる。
［５−２．励起光源を有する発光装置］
図１６は、図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００と、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる光源１８０とを備える発光装置２００の構成例を示す図である。上述のように、本開示の構成では、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性をもつ発光が得られる。そのような励起光を出射するように構成された光源１８０を設けることにより、指向性をもつ発光装置２００を実現できる。光源１８０から出射される励起光の波長は、典型的には紫外または青色領域の波長であるが、これらに限らず、フォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料に応じて適宜決定される。なお、図１６では、光源１８０がフォトルミネッセンス層１１０の下面から励起光を入射させるように配置されているが、このような例に限定されず、例えば、フォトルミネッセンス層１１０の上面から励起光を入射させてもよい。
励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる方法もある。図１７は、そのような方法を説明するための図である。この例では、図１Ｃ、１Ｄに示す構成と同様、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成されている。まず、図１７（ａ）に示すように、発光増強のためにｘ方向の周期ｐxを決定し、続いて、図１７（ｂ）に示すように、励起光を擬似導波モードに結合させるためにｙ方向の周期ｐyを決定する。周期ｐxは、式（１０）においてｐをｐxに置き換えた条件を満足するように決定される。一方、周期ｐyは、ｍを１以上の整数、励起光の波長をλex、フォトルミネッセンス層１１０に接する媒質のうち、周期構造１２０を除く最も屈折率の高い媒質の屈折率をｎoutとして、以下の式（１６）を満足するように決定される。
Figure 2016034014


ここで、ｎoutは、図１７の例では透明基板１４０のｎsであるが、図１６のように透明基板１４０を設けない構成では、空気の屈折率（約１．０）である。
特に、ｍ＝１として、次の式（１７）を満足するように周期ｐyを決定すれば、励起光を擬似導波モードに変換する効果をより高くすることができる。
Figure 2016034014
このように、式（１６）の条件（特に式（１７）の条件）を満足するように周期ｐyを設定することで、励起光を擬似導波モードに変換することができる。その結果、フォトルミネッセンス層１１０に効率的に波長λexの励起光を吸収させることができる。
図１７（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、図１７（ａ）、（ｂ）に示す構造に対して光を入射したときに光が吸収される割合を波長ごとに計算した結果を示す図である。この計算では、ｐx＝３６５ｎｍ、ｐy＝２６５ｎｍとし、フォトルミネッセンス層１１０からの発光波長λを約６００ｎｍ、励起光の波長λexを約４５０ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の消衰係数は０．００３としている。図１７（ｄ）に示すように、フォトルミネッセンス層１１０から生じた光だけでなく、励起光である約４５０ｎｍの光に対して高い吸収率を示している。これは、入射した光が効果的に擬似導波モードに変換されることで、フォトルミネッセンス層に吸収される割合を増大させることができているためである。また、発光波長である約６００ｎｍに対しても吸収率が増大しているが、これは、もし約６００ｎｍの波長の光をこの構造に入射した場合には、同様に効果的に擬似導波モードに変換されるということである。このように、図１７（ｂ）に示す周期構造１２０は、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期の異なる構造（周期成分）を有する２次元周期構造である。このように、複数の周期成分を有する２次元周期構造を用いることにより、励起効率を高めつつ、出射強度を高めることが可能になる。なお、図１７では励起光を基板側から入射しているが、周期構造側から入射しても同じ効果が得られる。
さらに、複数の周期成分を有する２次元周期構造としては、図１８Ａまたは図１８Ｂに示すような構成を採用してもよい。図１８Ａに示すように六角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成や、図１８Ｂに示すように三角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成とすることにより、周期とみなすことのできる複数の主軸（図の例では軸１〜３）を定めることができる。このため、それぞれの軸方向について異なる周期を割り当てることができる。これらの周期の各々を、複数の波長の光の指向性を高めるために設定してもよいし、励起光を効率よく吸収させるために設定してもよい。いずれの場合も、式（１０）に相当する条件を満足するように各周期が設定される。
［５−３．透明基板上の周期構造］
図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、透明基板１４０上に周期構造１２０ａを形成し、その上にフォトルミネッセンス層１１０を設けてもよい。図１９Ａの構成例では、基板１４０上の凹凸からなる周期構造１２０ａに追従するようにフォトルミネッセンス層１１０が形成された結果、フォトルミネッセンス層１１０の表面にも同じ周期の周期構造１２０ｂが形成されている。一方、図１９Ｂの構成例では、フォトルミネッセンス層１１０の表面は平坦になるように処理されている。これらの構成例においても、周期構造１２０ａの周期ｐを式（１５）を満足するように設定することにより、指向性発光を実現できる。
この効果を検証するため、図１９Ａの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した。ここで、フォトルミネッセンス層１１０の膜厚を１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造１２０ａはｙ方向に均一な１次元周期構造で高さを５０ｎｍ、屈折率をｎp＝１．５、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとした。本計算の結果を図１９Ｃに示す。本計算においても、式（１５）の条件を満足する周期で光強度のピークが観測された。
［５−４．粉体］
以上の実施形態によれば、周期構造の周期や、フォトルミネッセンス層の膜厚を調整することで任意の波長の発光を強調することができる。例えば、広い帯域で発光するフォトルミネッセンス材料を用いて図１Ａ、１Ｂのような構成にすれば、ある波長の光のみを強調することが可能である。よって、図１Ａ、１Ｂのような発光素子１００の構成を粉末状にして、蛍光材料として利用してもよい。また、図１Ａ、１Ｂのような発光素子１００を樹脂やガラスなどに埋め込んで利用してもよい。
図１Ａ、１Ｂのような単体の構成では、ある特定の波長しか特定の方向に出射できないため、例えば広い波長域のスペクトルを持つ白色などの発光を実現することは難しい。そこで、図２０に示すように周期構造の周期やフォトルミネッセンス層の膜厚などの条件の異なる複数の粉末状の発光素子１００を混ぜたものを用いることにより、広い波長域のスペクトルを持つ発光装置を実現できる。この場合、個々の発光素子１００の一方向のサイズは、例えば数μｍ〜数ｍｍ程度であり、その中に例えば数周期〜数百周期の１次元または２次元の周期構造を含み得る。
［５−５．周期の異なる構造を配列］
図２１は、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を２次元に配列した例を示す平面図である。この例では、３種類の周期構造１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃが隙間なく配列されている。周期構造１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃは、例えば、赤、緑、青の波長域の光をそれぞれ正面に出射するように周期が設定されている。このように、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の構造を並べることによっても広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。なお、複数の周期構造の構成は、上記のものに限定されず、任意に設定してよい。
［５−６．積層構造］
図２２は、表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層１１０が積層された構造を有する発光素子の一例を示している。複数のフォトルミネッセンス層１１０の間には、透明基板１４０が設けられ、各層のフォトルミネッセンス層１１０の表面に形成された凹凸構造が上記の周期構造またはサブミクロン構造に相当する。図２２に示す例では、３層の周期の異なる周期構造が形成されており、それぞれ、赤、青、緑の波長域の光を正面に出射するように周期が設定されている。また、各周期構造の周期に対応する色の光を発するように各層のフォトルミネッセンス層１１０の材料が選択されている。このように、周期の異なる複数の周期構造を積層することによっても、広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。
なお、層数や各層のフォトルミネッセンス層１１０および周期構造の構成は上記のものに限定されず、任意に設定してよい。例えば２層の構成では、透光性の基板を介して第１のフォトルミネッセンス層と第２のフォトルミネッセンス層とが対向するように形成され、第１および第２のフォトルミネッセンス層の表面に、それぞれ第１および第２の周期構造が形成されることになる。この場合、第１のフォトルミネッセンス層および第１の周期構造の対と、第２のフォトルミネッセンス層および第２の周期構造の対のそれぞれについて、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。３層以上の構成においても同様に、各層におけるフォトルミネッセンス層および周期構造について、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。フォトルミネッセンス層と周期構造との位置関係が図２２に示すものとは逆転していてもよい。図２２に示す例では、各層の周期が異なっているが、これらを全て同じ周期にしてもよい。その場合、スペクトルを広くすることはできないが、発光強度を大きくすることができる。
［５−７．保護層を有する構成］
図２３は、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に保護層１５０を設けた構成例を示す断面図である。このように、フォトルミネッセンス層１１０を保護するための保護層１５０を設けても良い。ただし、保護層１５０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い場合は、保護層１５０の内部に波長の半分程度しか光の電場が染み出さない。よって、保護層１５０が波長よりも厚い場合には、周期構造１２０に光が届かない。このため、擬似導波モードが存在せず、光を特定方向に放出する機能を得ることができない。保護層１５０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と同程度あるいはそれ以上の場合には、保護層１５０の内部にまで光が到達する。よって、保護層１５０に厚さの制約は無い。ただし、その場合でも、光が導波する部分（以下、この部分を「導波層」と呼ぶ。）の大部分をフォトルミネッセンス材料で形成したほうが大きな光の出力が得られる。よって、この場合でも保護層１５０は薄いほうが望ましい。なお、保護層１５０を周期構造（透光層）１２０と同じ材料を用いて形成してもよい。このとき、周期構造を有する透光層が保護層を兼ねる。透光層１２０の屈折率はフォトルミネッセンス層１１０よりも小さいことが望ましい。
［６．材料および製造方法］
以上のような条件を満たす材料でフォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を構成すれば、指向性発光を実現できる。周期構造には任意の材料を用いることができる。しかしながら、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）や周期構造を形成する媒質の光吸収性が高いと、光を閉じ込める効果が低下し、ピーク強度およびＱ値が低下する。よって、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を形成する媒質として、光吸収性の比較的低いものが用いられ得る。
周期構造の材料としては、例えば、光吸収性の低い誘電体が使用され得る。周期構造の材料の候補としては、例えば、ＭｇＦ2（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ2（石英）、ガラス、樹脂、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、ＳｉＮ（窒化シリコン）、Ｔａ2Ｏ5（五酸化タンタル）、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）などが挙げられる。ただし、前述のとおり周期構造の屈折率をフォトルミネッセンス層の屈折率よりも低くする場合、屈折率が１．３〜１．５程度であるＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＳｉＯ2、ガラス、樹脂を用いることができる。
フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。一般に、無機材料をホストとする蛍光材料は屈折率が高い傾向にある。青色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+、Ｍ3ＭｇＳｉ2Ｏ8：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ5ＳｉＯ4Ｃｌ6：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。緑色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ2ＭｇＳｉ2Ｏ7：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＳｒＳｉ5ＡｌＯ2Ｎ7：Ｅｕ2+、ＳｒＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、ＢａＡｌ2Ｏ4：Ｅｕ2+、ＢａＺｒＳｉ3Ｏ9：Ｅｕ2+、Ｍ2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＳｉ3Ｏ4Ｎ2：Ｅｕ2+Ｃａ8Ｍｇ（ＳｉＯ4）4Ｃｌ2：Ｅｕ2+、Ｃａ3ＳｉＯ4Ｃｌ2：Ｅｕ2+、ＣａＳｉ12-(m+n)Ａｌ(m+n)ＯnＮ16-n：Ｃｅ3+、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ2+を用いることができる。赤色に発光する蛍光材料としては、例えば、ＣａＡｌＳｉＮ3：Ｅｕ2+、ＳｒＡｌＳｉ4Ｏ7：Ｅｕ2+、Ｍ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉＮ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｙｂ2+（Ｍ＝ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、Ｌａ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、ＣａＷＯ4：Ｌｉ1+，Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、Ｍ2ＳｉＳ4：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ3ＳｉＯ5：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。黄色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+、ＣａＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、Ｃａ3Ｓｃ2Ｓｉ3Ｏ12：Ｃｅ3+、ＣａＳｃ2Ｏ4：Ｃｅ3+、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ2+、ＭＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ7（ＳｉＯ3）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。
量子ドットについては、例えば、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、コア・シェル型ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、合金型ＣｄＳＳｅ／ＺｎＳなどの材料を用いることができ、材質によって様々な発光波長を得ることができる。量子ドットのマトリクスとしては、例えば、ガラスや樹脂を用いることができる。
図１Ｃ、１Ｄなどに示す透明基板１４０は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い透光性材料によって構成される。そのような材料として、例えば、ＭｇＦ（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ2（石英）、ガラス、樹脂が挙げられる。
続いて、製造方法の一例を説明する。
図１Ｃ、１Ｄに示す構成を実現する方法として、例えば、透明基板１４０上に蛍光材料を蒸着、スパッタリング、塗布などの工程によってフォトルミネッセンス層１１０の薄膜を形成し、その後、誘電体を成膜し、フォトリソグラフィなどの方法によってパターニングすることによって周期構造１２０を形成する方法がある。上記方法の代わりに、ナノインプリントによって周期構造１２０を形成してもよい。また、図２４に示すように、フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成してもよい。その場合、周期構造１２０はフォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成されることになる。
図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００は、例えば、図１Ｃ、１Ｄに示す発光素子１００ａを作製した後、基板１４０からフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０の部分を剥がす工程を行うことで実現可能である。
図１９Ａに示す構成は、例えば、透明基板１４０上に半導体プロセスやナノインプリントなどの方法で周期構造１２０ａを形成した後、その上にフォトルミネッセンス層１１０を構成する材料を蒸着やスパッタリングなどの方法で形成することによって実現可能である。あるいは、塗布などの方法を用いて周期構造１２０ａの凹部をフォトルミネッセンス層１１０で埋め込むことによって図１９Ｂに示す構成を実現することもできる。
なお、上記の製造方法は一例であり、本開示の発光素子は上記の製造方法に限定されない。
[実験例]
以下に、本開示の実施形態による発光素子を作製した例を説明する。
図１９Ａと同様の構成を有する発光素子のサンプルを試作し、特性を評価した。発光素子は以下の様にして作製した。
ガラス基板に、周期４００ｎｍ、高さ４０ｎｍの１次元周期構造（ストライプ状の凸部）を設け、その上からフォトルミネッセンス材料であるＹＡＧ：Ｃｅを２１０ｎｍ成膜した。この断面図のＴＥＭ像を図２５に示し、これを４５０ｎｍのＬＥＤで励起することでＹＡＧ：Ｃｅを発光させたときの、正面方向のスペクトルを測定した結果を図２６に示す。図２６には、周期構造がない場合の測定結果（ｒｅｆ）と、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＭモードと、垂直な偏光成分を持つＴＥモードを測定した結果について示した。周期構造がある場合は、周期構造がない場合に対して、特定の波長の光が著しく増加していることが見て取れる。また、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＭモードの方が、光の増強効果が大きいことが分かる。
さらに、同じサンプルにおいて、出射光強度の角度依存性を測定した結果および計算結果を図２７および図２８に示す。図２７は、１次元周期構造（周期構造１２０）のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させた場合について、図２８は、１次元周期構造（即ち、周期構造１２０）のライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合についての測定結果（上段）および計算結果（下段）を示している。また、図２７および図２８のそれぞれにおいて、ＴＭモードおよびＴＥモードの直線偏光についての結果を示しており、図２７（ａ）はＴＭモード、図２７（ｂ）はＴＥモード、図２８（ａ）はＴＥモード、図２８（ｂ）はＴＭモードの直線偏光についての結果をそれぞれ示している。図２７および図２８から明らかなように、ＴＭモードの方が増強する効果が高く、また増強される波長は角度によってシフトしていく様子が見て取れる。例えば、６１０ｎｍの光においては、ＴＭモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性かつ偏光発光していることがわかる。また、各図の上段と下段とが整合していることから、上述の計算の妥当性が実験によって裏付けられた。
上記の測定結果から例えば、６１０ｎｍの光において、ライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合の強度の角度依存性を示したのが図２９である。正面方向に強い発光増強が起きており、そのほかの角度に対しては、ほとんど光が増強されていない様子がみてとれる。正面方向に出射される光の指向角は１５°未満であることがわかる。なお、指向角は、強度が最大強度の５０％となる角度であり、最大強度の方向を中心に片側の角度で表す。つまり、指向性発光が実現していることがわかる。さらにこれは、全てＴＭモードの成分であるため、同時に偏光発光も実現していることがわかる。
以上の検証は、広帯域の波長帯で発光するＹＡＧ：Ｃｅを使って実験を行ったが、発光が狭帯域のフォトルミネッセンス材料で同様の構成としても、その波長の光に対して指向性や偏光発光を実現することができる。さらに、この場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や偏光状態の光は発生しないような光源を実現することができる。
次に、本開示の発光素子および発光装置の変形例を説明する。以下では、複数の周期構造を有し、異なる波長の光を増強させる、および／または、異なる方向に増強された光を出射する発光素子を説明する。すでに、図２２を参照して、複数の周期構造を有する発光素子の構造の例および動作の特徴を説明したが、以下では他のバリエーションを説明する。
以下で説明する発光素子は、上述の発光素子と同様に、フォトルミネッセンス層１１０と、フォトルミネッセンス層１１０に近接して配置された透光層１２０と、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の少なくとも一方に形成され、フォトルミネッセンス層１１０または透光層１２０の面内に広がるサブミクロン構造とを有する。サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含む。フォトルミネッセンス層１１０が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含む。第１および第２の光に対するフォトルミネッセンス層１１０の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとすると、少なくとも２つの周期構造は、第１周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造と、第２周期をｐbとすると、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造とを含む。第１の光（波長λa）と第２の光（波長λb）は同じであってもよいし、異なってもよい。また、第１周期ｐaと第２周期ｐbとは同じであってもよいし、異なってもよい。ここで、２つの周期構造（即ち、第１周期構造および第２周期構造）を代表する２つの周期（即ち、第１周期および第２周期）は、それぞれの周期構造に含まれる周期の中の最小値を有する周期である。
［周期が同じ構造の積層］
図２２では、それぞれに周期構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層が積層された構造を有する発光素子の構造の例を説明したが、図３１に示すように、１つのフォトルミネッセンス層に対して、複数の周期構造を形成することもできる。
図３１（ａ）に示す発光素子１００Ａは、フォトルミネッセンス層１１０の上面に形成された第１周期構造１２０Ａと、フォトルミネッセンス層１１０の下面に形成された第２周期構造１２０Ｂとを有している。ここでは、２つの周期構造１２０Ａおよび１２０Ｂが透光層として形成されている例を示すが、周期構造１２０Ａおよび１２０Ｂは、それぞれ独立に、フォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成されてもよい。透光層の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さいことが望ましい。
ここでは、第１周期構造１２０Ａの第１周期ｐaと第２周期構造１２０Ｂの第２周期ｐbとが互いに等しい（ｐa＝ｐb）。したがって、第１周期構造１２０Ａおよび第２周期構造１２０Ｂは、同じ波長の光（λa＝λb）に対して、指向性を向上させる効果を奏する。一方、第１周期構造１２０Ａが周期性を有する方向と、第２周期構造１２０Ｂが周期性を有する方向とが互いに異なる。このため、第1の周期構造１２０Ａによって指向性が向上させられる方向と、第２の周期構造１２０Ａによって指向性が向上させられる方向とが互いに異なる。すなわち、発光素子１００Ａのように、周期が等しく周期性を有する方向が互いに異なる複数の周期構造を組み合わせることによって、指向性を向上させる効果が得られる方向が複数になる。その結果、指向性を向上させる効果の方向の依存性がより小さい発光素子を得ることができる。また、ここで例示するように、第１周期構造１２０Ａが周期性を有する方向と、第２周期構造１２０Ｂが周期性を有する方向とが互いに直交するように配置すると、第１周期構造１２０Ａによって指向性が向上させられる直線偏光の偏光方向と、第２周期構造１２０Ｂによって指向性が向上させられる直線偏光の偏光方向とが互いに直交することになる。このため、非偏光の光を出射することができる。
図３１（ｂ）に示す発光素子１００Ｂのように、フォトルミネッセンス層１１０の下面に形成される周期構造１２０Ｂは、基板１４０上に形成されてもよいし、基板１４０と一体に形成されてもよい。
このような周期性を持つ構造として、図３２に示す２次元に配列されたパターンとすることもできる。図３２（ａ）は、図面の縦方向（ｙ方向）と横方向（ｘ方向）に周期性を持つ２次元周期構造の正方格子パターンを示す平面図である。図３２（ｂ）は、図３２（ａ）を４５度回転させた方向に周期性を持つ２次元周期構造のチェッカーパターン（市松模様）を示す平面図である。図３２（ｂ）のチェッカーパターンにおける周期Ｐb（斜め４５度方向）は、図３２（ａ）の正方格子パターンにおける周期Ｐa（縦と横で等しい）と一致している。各パターンは、平面視が正方形となる四角柱の形状を有する凸部（図中黒い部分）で形成されている。したがって、周期性を持つ方向を増やすことができるので、指向性を向上させる効果の方向の依存性がより小さい発光素子を得ることができる。
［パターン合成］
上記の実施例では、フォトルミネッセンス層の上下に周期構造を形成する場合を説明したが、複数の周期構造は、１つの面に重ね合わせることによっても形成され得る。複数の周期構造をフォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の少なくとも一方の同一の面に形成することができる。これは、複数の周期構造のパターンを重ね合わせた１つのパターンを形成することに対応する。複数の周期構造のパターンの重ね合わせは、論理演算によって行うことが出来る。
［合成するパターンの分析方法］
まず図３２（ａ）および図３２（ｃ）を参照する。図３２（ａ）は、２次元周期構造の正方格子パターンを示す平面図である。図３２（ａ）に示す２次元周期構造の正方格子パターンは、正方格子の各格子点に、平面視が正方形となる四角柱の形状を有する凸部（図中の黒い部分）が配置されている。図中の白い部分は凹部である。図３２（ｃ）は、図３２（ａ）のパターンをフーリエ変換することによって得られた、周期構造の空間周波数成分の強度（即ち、振幅の絶対値の二乗）分布を示す図である。図３２（ｃ）において中心点３１０ｚは空間周波数が０の成分を表しており、外側に向かうに従い、空間周波数が高い成分を表している。また、空間周波数成分の強度は、濃淡で表されており、濃い（黒い）方が強度が大きく、淡い（白い）方が強度が小さい。図３２（ｃ）は、一般に、図３２（ａ）の周期構造から得られる回折パターンとして知られている。図３２（ｃ）の中心は、０次光に対応づけられる。図３２（ｃ）は、本開示の発光素子から出射される光の強度分布を示すものではない。本開示の発光素子が有する周期構造を評価するために、図３２（ｃ）に示す周期構造の空間周波数の強度の分布を用いる。
図３２（ｃ）において、中心点３１０ｚは、空間周波数が０のオフセット成分を示している。中心点３１０ｚは、周期性を有していない構造に対応するので、本開示の発光素子における指向性の向上効果には関係しない。本開示の発光素子における指向性の向上効果に寄与する構造は、図３２（ｃ）中の周辺領域に観察される点３１０ｆ（回折パターンの１次光に対応する）に対応付けられる周期構造である。
図３２（ｃ）中の４つの点３１０ｆは、図３２（ａ）の正方格子が周期性を有する方向（すなわち、縦と横）において、正方格子の周期（ピッチ、縦と横で等しい）に対応する位置に現れる。４つの点の位置は、中心点３１０ｚから１／Ｐaだけ離れた位置であり、中心点３１０ｚに関して点対称性を有している。すなわち、横方向（即ちｘ方向）に周期性を有している周期構造に対応する点は、中心点３１０ｚから、+ｘ方向に１／Ｐaだけ離れた点と−ｘ方向に１／Ｐaだけ離れた点の対として現れる。また、縦方向（即ちｙ方向）に周期性を有している周期構造に対応する点は、中心点３１０ｚから、+ｙ方向に１／Ｐaだけ離れた点と−ｙ方向に１／Ｐaだけ離れた点の対として現れる。
このように、２次元周期構造における周期性の強い方向（即ち、２次元パターンの面内の方位）と周期とを、空間周波数の強度の分布から判断することができる。すなわち、図３２（ｃ）における４つの点３１０ｆが、中心点３１０ｚから縦方向に等距離（１／Ｐa）の位置の２つの点の対と、中心点３１０ｚから横方向に等距離（１／Ｐa）の位置の２つの点の対として現れていることから、縦方向および横方向に周期性を有し、かつ、その周期はＰaで縦方向および横方向において等しいことが分かる。一方、図３２（ｃ）の斜め方向には、空間周波数の強度が大きな点が現れていないことから、図３２（ａ）に示す２次元周期構造における斜め方向の周期性は低いことがわかる。
上記のことから、図３２（ａ）で示す２次元周期構造を備える本開示の発光素子は、図３２（ａ）中の縦方向と横方向においては、出射光の指向性を向上させることができるが、斜め方向においては出射光の指向性を向上させることができないことがわかる。
［合成パターンの分析］
次に、図３３（ａ）と（ｂ）を参照する。図３３（ａ）は、周期性を有する方向が互いに異なる複数の周期構造を含む２次元周期構造のパターンを示す平面図である。図３３（ｂ）は、図３３（ａ）のパターンをフーリエ変換することによって得られた、周期構造の空間周波数の強度の分布を示す図である。
図３３（ａ）に示すパターンは、図３２（ａ）に示した第１の周期的パターンと、図３２（ｂ）に示した第２の周期的パターンとを重ね合わせて論理演算することによって得られる。例えば、各パターンにおいて、凸部を「１（真）」とし、凹部を「０（偽）」とし、１＋０＝１、１＋１＝１、０＋０＝０を平面上の各点について行うことによって得られる。このように、互いに略同じ周期を有する第１の周期的パターンと第２の周期的パターンとを、周期方向を互いに異ならせた状態で重ね合わせて論理演算した結果に基づいて、図３３（ａ）に示すパターンが得られる。
図３３（ａ）に示すパターンを有する２次元周期構造の空間周波数の強度の分布は、図３３（ｂ）に示すように、空間周波数が０の成分による中心点に加え、第１の周期的パターンおよび第２の周期的パターンに由来する点が中心から等距離（１／Ｐa）の位置に現れていることがわかる。これは、同じ周期（Ｐa）を有する２つの周期的パターンを合成したことによる。さらに、第１の周期的パターンおよび第２の周期的パターンに由来する点は、空間周波数が０の成分による中心点から同心円（半径が１／Ｐa）上に等間隔で現れていることがわかる。図３２（ａ）に示す正方格子の周期的パターンは、上述したように、中心点から縦方向に等距離（１／Ｐa）の位置の２つの点の対と、中心点から横方向に等距離（１／Ｐa）の位置の２つの点の対とで構成される４つの点（２つの対）を発生させる。図３２（ｂ）示すパターンは、同様に、４つの点を発生させる。＋ｘ方向を０度として、反時計回りに増加する角度で表すと、４５度方向と２２５度方向に中心点から等距離（１／Ｐa）の位置の２つの点の対と、１３５度方向と３１５度方向に中心点から等距離（１／Ｐa）の位置の２つの点の対とを発生させる。したがって、図３２（ａ）に示したパターンと、図３２（ｂ）に示したパターンとを重ねて論理演算することによって得られた、図３３（ａ）に示したパターンは、図３３（ｂ）に示すように、同心円上に８つの点を発生させることになる。
このようにして生成したパターンを有する透光層（周期構造）１２０を図３３（ｃ）に示すようにフォトルミネッセンス層１１０の片方の面に設けることで、周期性を有する方向を増やすことができる。したがって、指向性を向上させる効果が得られる方向の依存がより小さい発光素子を得ることができるとともに、周期構造を形成する工程を集約することができるので、工数を減らすことができる。
論理演算により重ね合わせるパターンは上記に限定される必要はなく、任意のパターンに適用可能である。例えば、図３４および図３５を参照する。図３４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ周期性を有する方向が互いに異なる複数の周期構造を有する２次元周期構造のパターンＰａ１およびＰａ２を示す平面図である。図３５（ａ）は、図３４（ａ）および（ｂ）に示すパターンの論理和から得られるパターンを示す平面図である。図３５（ｂ）は、図３５（ａ）のパターンをフーリエ変換することによって得られた、周期構造の空間周波数の強度の分布を示す図である。
図３５（ａ）に示すパターンは、図３４（ａ）に示す第１の周期的パターンＰａ１と、図３４（ｂ）に示す第２の周期的パターンＰａ２とを重ね合わせて論理演算することによって得られる。図３４（ａ）に示す第１の周期的パターンＰａ１は、第１の凹部（白色で示される領域）Ｇ１における三角格子Ｔの格子点に、円形の第１の凸部Ｒ１が配置された構成を有する。図３４（ｂ）に示す第２の周期的パターンＰａ２は、第２の凹部（白色で示される領域）Ｇ２における三角格子Ｔの格子点に、円形の第２の凸部Ｒ２が配置された構成を有する。
第１の凸部Ｒ１は、互いに６０度の角度をなす周期方向Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に沿って周期的に配列されている。一方、第２の凸部Ｒ２は、互いに６０度の角度をなす周期方向Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６に沿って周期的に配列されている。第１の凸部Ｒ１が配置される周期は、第２の凸部Ｒ２が配置される周期と等しい。周期方向Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれは、周期方向Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６のそれぞれと、３０＋６０ｎ度（ｎは０以上の整数）の角度をなしている。
このように、互いに略同じ周期を有する第１の周期的パターンＰａ１と第２の周期的パターンＰａ２とを、周期方向を互いに異ならせた状態で重ね合わせて論理演算した結果に基づいて、図３５（ａ）に示すパターンが得られる。
図３５（ａ）に示すパターンを有する２次元周期構造の空間周波数の強度の分布は、図３５（ｂ）に示すように、空間周波数が０の成分による中心点に加え、第１の周期的パターンＰａ１および第２の周期的パターンＰａ２に由来する点が中心から等距離の位置に現れていることがわかる。これは、同じ周期を有する２つの周期的パターンを合成したことによる。さらに、第１の周期的パターンＰａ１および第２の周期的パターンＰａ２に由来する点は、空間周波数が０の成分による中心点から同心円上に等間隔で配置されていることがわかる。正三角形を単位格子とする三角格子の格子点上に同一構造を配置してなる周期的パターンは、中心点から、互いに６０度の角度をなす６方向に合計６つの点を発生させる。このような周期的パターンを、周期方向を互いに３０度異ならせた状態で論理演算することに起因して、同心円状に１２個の点が現れたと考えられる。このように、周期性を持つ方向を増やすことができるので、指向性を向上させる効果が得られる方向の依存がより小さい発光素子を得ることができる。
上記では、論理演算によって、複数のパターンを重ね合わせる方法を説明したが、この方法に限られない。例えば、サブミクロン構造をフォトリソグラフィプロセスで形成する場合、重ね合わせる個々のパターンに対応するフォトマスクを用意し、順次、感光性レジストの露光工程、現像工程、および、レジスト層をマスクとしたエッチング工程を繰り返すことによって、最終的に、複数のパターンが重ね合わされたパターンを得ることができる。感光性レジストによるパターンの重ね合わせに限る必要はなく、第１のパターンをエッチングしたのちに、再度感光性レジストを塗布し、露光、現像およびレジスト層をマスクとしたエッチングを行っても良い。なお、マスクの枚数が増えると、アライメント誤差の増大や、コストの増大を招くので、論理演算等の方法で、合成されたパターンを求めておくことが望ましい。
また、複数の周期構造は、異なる層（フォトルミネッセンス層および／または透光層（基板））に形成してもよいし、上記の重ね合わせパターンと組み合わせてもよい。例えば、３以上のパターンを組み合わせる場合、２つを重ね合わせパターンとして１つの層に形成し、他の１つのパターンを他の層に形成してもよい。
本開示の発光素子が有する複数の凸部または凹部によって形成されるサブミクロン構造のパターン（即ち、重ね合わせる複数の周期構造）によっては、空間周波数の強度の分布において、高次の周期構造を示す点が生じる場合もある。しかし、指向性の向上に寄与する周期構造は、中心点から近い距離にある、強度の大きい点に対応する周期構造である。
［周期が異なる構造の積層］
次に図３６（ａ）〜（ｅ）を参照して、フォトルミネッセンス層の、第１の光の発光波長λaと第２の光の発光波長λbとが互いに異なり、第１周期ｐaと第２周期ｐbとが互いに異なる発光素子１００Ｄ〜１００Ｈの構造を説明する。もちろん、本開示の実施形態による発光素子はこれらに限定されるものではない。
図３６（ａ）に示す発光素子１００Ｄのように、発光波長の異なる複数のフォトルミネッセンス材料をマトリクス中に分散させたフォトルミネッセンス層１１０を用い、フォトルミネッセンス層１１０の上面に第１の周期構造１２０Ａを設け、下面に第２の周期構造１２０Ｂを設けてもよい。
図３６（ｂ）に示す発光素子１００Ｅのように、第１の光の発光波長を持つフォトルミネッセンス層１１０Ａと、その下面に接触して形成された第２の光の発光波長を持つフォトルミネッセンス層１１０Ｂとでフォトルミネッセンス層を構成し、フォトルミネッセンス層１１０Ａの上面に形成された周期構造１２０Ａおよびさらなるフォトルミネッセンス層１１０Ｂの下面に形成された周期構造１２０Ｂを設けてもよい。なお、周期構造１２０Ａおよび１２０Ｂは、それぞれ独立に、フォトルミネッセンス層１１０Ａおよび１１０Ｂと同じ材料で形成されてもよいし、透光層として形成されてもよい。透光層の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０Ａまたは１１０Ｂの屈折率よりも小さいことが望ましい。
また、図３６（ｃ）に示す発光素子１００Ｆのように、フォトルミネッセンス層１１０Ａの下面に接触して形成されたさらなるフォトルミネッセンス層１１０Ｂをさらに有する場合、周期構造の一方をフォトルミネッセンス層１１０Ａと１１０Ｂの間に形成してもよい。なお、周期構造１２０Ａは、フォトルミネッセンス層１１０Ａと同じ材料で形成されてもよいし、透光層として形成されてもよい。透光層の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０Ａの屈折率よりも小さいことが望ましい。また、周期構造１２０Ｂは、フォトルミネッセンス層１１０Ｂと同じ材料で形成されてもよいし、透光層として形成されてもよい。
さらに、図３６（ｄ）に示す発光素子１００Ｇのように、フォトルミネッセンス層の間に、フォトルミネッセンス層１１０Ａを支持する基板１４０と、基板１４０の下面に形成されたさらなるフォトルミネッセンス層１１０Ｂとをさらに有する場合、基板１４０の上面に形成された周期構造１２０Ａおよび基板１４０の下面に形成された周期構造１２０Ｂを含む構成としてもよい。周期構造１２０Ａおよび１２０Ｂは、それぞれ独立に、基板１４０と一体に形成されてもよいし、透光層として形成されてもよい。
また、図３６（ｅ）に示す発光素子１００Ｈのように、第１の周期構造と第２の周期構造を論理演算により合成し、周期構造１２０として形成してもよい。なお、パターンを合成する方法は上記の構成と組み合わせることが出来る。
［論理合成による周期の異なる構造の合成］
次に、図３７（ａ）および（ｂ）を参照する。図３７（ａ）は、周期が互いに異なる複数の周期構造を含む２次元周期構造のパターンを合成したパターンを示す平面図である。図３７（ｂ）は、図３７（ａ）のパターンをフーリエ変換することによって得られた、周期構造の空間周波数の強度の分布を示す図である。
図３７（ａ）に示す２次元周期構造のパターンは、３つの異なる周期（ピッチ）Ｐa、ＰbおよびＰcを有する正方格子パターンが、周期性を有する方向（ｘ方向およびｙ方向）が一致した状態で重ね合わせられたものである。各格子点の形成されている凸部は円形（円柱状）である。図３７（ａ）に示したパターンは、３つの正方格子パターンの論理和を求めることによって得られる。例えば、各パターンにおいて、凸部を「１（真）」とし、凹部を「０（偽）」とし、１＋０＝１、１＋１＝１、０＋０＝０を平面上の各点について行うことによって得られる。もちろん、複数の周期構造を重ねあわせたパターンを得るための論理演算は、論理和に限られず、論理積でも論理差であってもよい。また、周期性を有していればよいので、周期性を有する方向が一致していればよく、格子の位置を合わせる必要はない。
図３７（ｂ）は、図３７（ａ）のパターンを有する２次元周期構造から得られる、周期構造の空間周波数の強度の分布を示している。３つの周期構造（周期がＰa、ＰbおよびＰc）に対応した位置（即ち、それぞれ中心から１／Ｐa、１／Ｐbおよび１／Ｐcだけ離れた位置）に点が形成されている。例えば、３つの周期を、赤色光、緑色光および青色光をそれぞれ同じ方向に指向性を向上させる周期とすることによって、１つの層に形成したサブミクロン構造で、３つの異なる波長の光を特定方向に出射させることができる。これらの３色の光を重ねわせることにより、白色の光を特定方向に出射することができる。
ここでは、赤色光、緑色光および青色光について、それぞれの指向性を向上させる場合を例示したが、波長は任意に選択することができる。また、励起光と干渉させて効率的にフォトルミネッセンス材料を励起できるようにしてもよい。
このような複数の周期構造を有するサブミクロン構造は、例えば、フォトルミネッセンス層に形成してもよいし、透光層に形成してもよいし、フォトルミネッセンス層と透光層との界面（両方の層）に形成してもよい。さらには、基板を有する構成においては、基板にサブミクロン構造を形成してもよい。
フォトルミネッセンス層を構成する材料は、白色光を発光する材料でもよいし、例えば、青色光を発光するフォトルミネッセンス層と、黄色光を発光するフォトルミネッセンス層とを積層してもよい。あるいは、異なる色の光を発光するフォトルミネッセンス材料を混合したフォトルミネッセンス層を用いてもよい。
本開示の発光素子および発光装置は、照明器具、ディスプレイ、プロジェクターをはじめ、種々の光学デバイスに適用され得る。
１００、１００ａ 発光素子
１１０ フォトルミネッセンス層（導波層）
１２０、１２０’、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ 透光層（周期構造、サブミクロン構造）
１４０ 透明基板
１５０ 保護層
１８０ 光源
２００ 発光装置

Claims (18)

  1. フォトルミネッセンス層と、
    前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
    前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
    前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、
    前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含み、
    前記第１および第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとし、第１周期をｐaとし、第２周期をｐbとすると、
    前記少なくとも２つの周期構造は、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造と、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造とを含む、発光素子。
  2. 前記第１および第２の光の波長λaとλbが等しく、かつ、前記第１周期ｐaと前記第２周期ｐbは互いに等しく、さらに、前記第１周期構造および前記第２周期構造の周期性を有する方向が互いに異なる、請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記第１周期ｐaと前記第２周期ｐbは互いに異なり、かつ、前記第１周期構造および前記第２周期構造の周期性を有する方向が等しい、請求項１に記載の発光素子。
  4. 前記第１周期構造および前記第２周期構造は、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の前記少なくとも一方の同一の面に形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
  5. 前記第１周期構造および前記第２周期構造は、一方が前記フォトルミネッセンス層の上面に形成され、他方が前記フォトルミネッセンス層の下面に形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
  6. 前記フォトルミネッセンス層の下面に接触して形成されたさらなるフォトルミネッセンス層をさらに有し、
    前記第１周期構造および前記第２周期構造は、一方が前記フォトルミネッセンス層の上面に形成され、他方が前記さらなるフォトルミネッセンス層の下面に形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
  7. 前記フォトルミネッセンス層の下面に接触して形成されたさらなるフォトルミネッセンス層をさらに有し、
    前記第１周期構造および前記第２周期構造は、一方が前記フォトルミネッセンス層の上面に形成され、他方が前記さらなるフォトルミネッセンス層の上面に形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
  8. 前記フォトルミネッセンス層を支持する基板と、前記基板の下面に形成されたさらなるフォトルミネッセンス層とをさらに有し、
    前記第１周期構造および前記第２周期構造は、一方が前記基板の上面に形成され、他方が前記基板の前記下面に形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
  9. フォトルミネッセンス層と、
    前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
    前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
    前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された２次元パターンをフーリエ変換することによって得られる空間周波数の強度の分布は、中心点に関して点対称な位置に存在する２つの点で構成される対を少なくとも２つ有し、
    前記少なくとも２つの対は、前記中心点から前記２つの点までの距離が１／ｐaの対と、前記中心点から前記２つの点までの距離が１／ｐbの対とを含み、
    前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含み、
    前記第１および第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaおよびλb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ、発光素子。
  10. 前記少なくとも２つの対は、中心からの距離が同じ２つの対を含む、請求項９に記載の発光素子。
  11. 前記少なくとも２つの対は、中心からの距離が互いに異なる２つの対を含む、請求項９または１０に記載の発光素子。
  12. 前記サブミクロン構造は、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の前記少なくとも一方の同一の面に形成されている、請求項９から１１のいずれかに記載の発光素子。
  13. 透光層と、
    前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
    前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
    前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、
    前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含み、
    前記第１および第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとし、第１周期をｐaとし、第２周期をｐbとすると、
    前記少なくとも２つの周期構造は、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造と、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造とを含む、発光素子。
  14. フォトルミネッセンス層と、
    前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
    前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
    前記サブミクロン構造は、各々が複数の凸部または複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、
    前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含み、
    前記第１および第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとし、第１周期をｐaとし、第２周期をｐbとすると、
    前記少なくとも２つの周期構造は、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造と、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造とを含む、発光素子。
  15. 前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、請求項１から１４のいずれかに記載の発光素子。
  16. フォトルミネッセンス層と、
    前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
    前記サブミクロン構造は、各々が複数の凸部または複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、
    前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光および空気中の波長がλbの第２の光を含み、
    前記第１および第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれｎwav-aおよびｎwav-bとし、第１周期をｐaとし、第２周期をｐbとすると、
    前記少なくとも２つの周期構造は、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造と、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造とを含む、発光素子。
  17. 前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、請求項１から１６のいずれかに記載の発光素子。
  18. 請求項１から１７のいずれかに記載の発光素子と、
    前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
    を備える発光装置。
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