JP2016034016A - 発光素子および発光装置 - Google Patents

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】発光素子は、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、フォトルミネッセンス層１１０に近接して透光層１２０の反対側に配置され、フォトルミネッセンス層１１０よりも屈折率の低い低屈折率層とを有し、サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含む。
【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。

本開示のある実施形態の発光素子は、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第１のサブミクロン構造と、前記フォトルミネッセンス層に近接して前記透光層の反対側に配置され、前記フォトルミネッセンス層よりも屈折率の低い低屈折率層と、前記低屈折率層に近接して前記フォトルミネッセンス層の反対側に配置され、前記低屈折率層よりも屈折率の高い高屈折率層と、を有し、前記第１の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λ_a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Ｄ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ。

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ｎ_p＝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ｎ_wav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ｐ_xを有する１次元周期構造を示し、（ｂ）はｘ方向の周期ｐ_x、ｙ方向の周期ｐ_y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。 周期構造１２０を表面に有するフォトルミネッセンス層（導波路）１１０が、低屈折率層１９０上に形成された例を模式的に示す断面図である。 図３１に示す構成において、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wを変化させて、波長ごとの出射光強度を計算した結果を示す図である。 図３１に示す構成における波長および厚さｔ_Wに対する光の透過率の依存性を示す図である。 図３１に示す構成における光の干渉効果を説明するための図である。 高屈折率層２１０、低屈折率層１９０、フォトルミネッセンス層１１０、および周期構造１２０が、この順で積層された発光素子の例を示す部分断面図である。 図３５に示す構成において、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wを変化させて、波長ごとの出射光強度を計算した結果を示す図である。 図３５に示す構成における波長および厚さｔ_Wに対する光の透過率の依存性を示す図である。 図３５に示す構成において、低屈折率層１９０の厚さｔ_Lを変化させて、波長ごとの出射光強度を計算した結果を示す図である。 図３５に示す構成における波長および厚さｔ_Lに対する光の透過率の依存性を示す図である。 図３５に示す構成における光の干渉効果を説明するための図である。 図３５に示す構成において、低屈折率層１９０の厚さｔ_Lとフォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wとを変化させて透過率を計算した結果を示す図である。 第１の変形例に係る発光素子を模式的に示す部分断面図である。 第２の変形例に係る発光素子を模式的に示す部分断面図である。 第３の変形例に係る発光素子を模式的に示す部分断面図である。

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λ_a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Ｄ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_a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ｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_a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ｎ_t-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ｎ_wav-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λ_aと異なる波長λ_b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ｎ_t-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ｎ_wav-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ｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_a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λ_aと異なるλ_b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ｎ_wav-bとするとき、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐ_bとすると、λ_b／ｎ_wav-b＜ｐ_b＜λ_b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λ_ex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ｎ_wav-exとすると、
前記複数の周期構造は、周期ｐ_exが、λ_ex／ｎ_wav-ex＜ｐ_ex＜λ_ex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Ｄ_int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λ_ex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ｎ_wav-exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜Ｄ_int＜λ_ex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ｐ_exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜ｐ_ex＜λ_ex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λ_a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ｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_a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λ_a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ｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_a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λ_a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ｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_a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第１のサブミクロン構造と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して前記透光層の反対側に配置され、前記フォトルミネッセンス層よりも屈折率の低い低屈折率層と、
前記低屈折率層に近接して前記フォトルミネッセンス層の反対側に配置され、前記低屈折率層よりも屈折率の高い高屈折率層と、を有し、
前記第１の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λ_a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Ｄ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、
発光素子。
［項目３４］
前記高屈折率層の屈折率は、前記フォトルミネッセンス層の屈折率よりも低く、
前記第１のサブミクロン構造の高さをｈ_p、前記第１のサブミクロン構造の屈折率をｎ_p、前記第１のサブミクロン構造全体の体積に対する前記複数の凸部または前記複数の凹部の体積の割合をｆ、前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_W、前記フォトルミネッセンス層の厚さをｔ_Wとするとき、
（４ｍ−１）λ_a／８＜ｈ_pｎ_pｆ＋ｎ_Wｔ_W＜（４ｍ＋１）λ_a／８ （ｍは自然数）
の関係が成り立つ、
項目３３に記載の発光素子。
［項目３５］
前記高屈折率層の屈折率は、前記フォトルミネッセンス層の屈折率よりも高く、
前記第１のサブミクロン構造の高さをｈ_p、前記第１のサブミクロン構造の屈折率をｎ_p、前記第１のサブミクロン構造全体の体積に対する前記複数の凸部または前記複数の凹部の体積の割合をｆ、前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_W、前記フォトルミネッセンス層の厚さをｔ_W、前記低屈折率層の屈折率をｎ_L、前記低屈折率層の厚さをｔ_Lとするとき、
（４ｍ−３）λ_a／８＜ｈ_pｎ_pｆ＋ｎ_Lｔ_L＋ｎ_Wｔ_W＜（４ｍ−１）λ_a／８ （ｍは自然数）
の関係が成り立つ、
項目３３に記載の発光素子。
［項目３６］
前記低屈折率層の厚さは、λ_a／６以上である、項目３３から３５のいずれかに記載の発光素子。
［項目３７］
前記フォトルミネッセンス層と前記低屈折率層との界面に、第２のサブミクロン構造が形成されている、
項目３３から３６のいずれかに記載の発光素子。
［項目３８］
前記第２のサブミクロン構造の周期は、前記第１のサブミクロン構造の周期と同じである、項目３７に記載の発光素子。
［項目３９］
前記低屈折率層と前記高屈折率層との界面に、第３のサブミクロン構造が形成されている、項目３７または３８に記載の発光素子。
［項目４０］
前記第３のサブミクロン構造の周期は、前記第１および第２のサブミクロン構造の周期と同じである、項目３９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、
前記フォトルミネッセンス層に近接して前記透光層の反対側に配置され、前記フォトルミネッセンス層よりも屈折率の低い低屈折率層と、
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λ_a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Ｄ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立ち、
前記サブミクロン構造の高さをｈ_p、前記サブミクロン構造の屈折率をｎ_p、前記サブミクロン構造全体の体積に対する前記複数の凸部または前記複数の凹部の体積の割合をｆ、前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_W、前記フォトルミネッセンス層の厚さをｔ_Wとするとき、
（４ｍ−１）λ_a／８＜ｈ_pｎ_pｆ＋ｎ_Wｔ_W＜（４ｍ＋１）λ_a／８ （ｍは自然数）
の関係が成り立つ、
発光素子。
［項目４２］
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第１の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、
前記フォトルミネッセンス層に近接して前記透光層の反対側に配置され、前記フォトルミネッセンス層よりも屈折率の低い低屈折率層と、
前記低屈折率層に近接して前記フォトルミネッセンス層の反対側に配置され、前記低屈折率層よりも屈折率の高い高屈折率層と、
を有し、
前記第１の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λ_a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Ｄ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、
発光素子。
［項目４３］
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第１のサブミクロン構造と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して前記透光層の反対側に配置され、前記フォトルミネッセンス層よりも屈折率の低い低屈折率層と、
前記低屈折率層に近接して前記フォトルミネッセンス層の反対側に配置され、前記低屈折率層よりも屈折率の高い高屈折率層と、
を有し、
前記第１の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λ_a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Ｄ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、
発光素子。
［項目４４］
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４３のいずれかに記載の発光素子。
［項目４５］
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第１のサブミクロン構造と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して前記透光層の反対側に配置され、前記フォトルミネッセンス層よりも屈折率の低い低屈折率層と、
前記低屈折率層に近接して前記フォトルミネッセンス層の反対側に配置され、前記低屈折率層よりも屈折率の高い高屈折率層と、
を有し、
前記第１の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λ_a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Ｄ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、
発光素子。
［項目４６］
前記第１の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４５のいずれかに記載の発光素子。
［項目４７］
項目３３から４６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Ｄ_int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λ_a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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ。波長λ_a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Ｄ_intとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_a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、λ_aは空気中での光の波長であることを表現する。ｎ_wav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ｎ_wavとする。一般に屈折率ｎは波長に依存するので、λ_aの光に対する屈折率であることをｎ_wav-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。ｎ_wav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ｎ_wav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ｎ_effとすると、ｎ_a＜ｎ_eff＜ｎ_wavを満たす。ここで、ｎ_a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ｎ_effは、ｎ_eff＝ｎ_wavｓｉｎθと書ける。また、有効屈折率ｎ_eff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ｎ_eff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λ_a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λ_a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、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_a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ｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_a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Ｄ_intがｐ_a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ｎ_eff（＝ｎ_wavｓｉｎθ）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λ_ex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ｎ_wav-exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜Ｄ_int＜λ_exの関係が成り立つサブミクロン構造を用いればよい。ｎ_wav-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ｐ_exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜ｐ_ex＜λ_ex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λ_ex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。

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ｋ_wav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ｋ_outは以下の式（２）で表すことができる。

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θ_wav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。

これらの式において、λ₀は光の空気中の波長、ｎ_wavは導波路の屈折率、ｎ_outは出射側の媒質の屈折率、θ_out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θ_outは、以下の式（５）で表すことができる。

式（５）より、ｎ_wavｓｉｎθ_wav＝ｍλ₀／ｐが成立するとき、θ_out＝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。

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＜ｓｉｎθ_out＜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。

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。

さらに、導波路１１０から出射される光の方向を正面方向（θ_out＝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。

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。

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。

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、ｎ_out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。

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ｎ_sが空気の屈折率よりも大きいことから、式（１１）においてｎ_out＝ｎ_s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。

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。

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。

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ｎ_wav＝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ｎ_wav＝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、２^1/2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ｎ_wav＝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ｎ_wav＝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ｎ_p＝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ｎ_p＝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ｎ_wavが周期構造の屈折率ｎ_p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ｎ_wavが周期構造の屈折率ｎ_p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ｎ_wavが周期構造の屈折率ｎ_p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ｎ_pがフォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wav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ｎ_wav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ｎ_wav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＜ｎ_wav×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ｎ_sはフォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wav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ｎ_outをｎ_s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ｎ_out＝ｎ_s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ｐ_x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ｐ_yを決定する。周期ｐ_xは、式（１０）においてｐをｐ_x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ｐ_yは、ｍを１以上の整数、励起光の波長をλ_ex、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ｎ_outとして、以下の式（１６）を満足するように決定される。

ここで、ｎ_outは、図１７の例では透明基板１４０のｎ_s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ｐ_y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。

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ｐ_y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λ_ex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、ｐ_x＝３６５ｎｍ、ｐ_y＝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λ_ex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ｎ_wav＝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ｎ_p＝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⁺、ＣａＳｉ_12-(m+n)Ａｌ_(m+n)Ｏ_nＮ_16-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。

[７．発光効率を向上させる構成例]
次に、発光効率をさらに向上させるための構成例を説明する。

図３１は、周期構造１２０を表面に有するフォトルミネッセンス層（導波路）１１０が、低屈折率層１９０上に形成された例を模式的に示す断面図である。低屈折率層１９０は、フォトルミネッセンス層１１０を構成する材料よりも低い屈折率（例えば１．１から１．６程度）の材料から形成されている。そのような材料は、例えばＳｉＯ₂、ガラス、樹脂、またはポーラス材料であり得る。このような構成において、発光効率をさらに向上させるための条件を検討した。

図３２は、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wを変化させて、各波長に対して発光増強の効果を計算した結果を示す図である。この計算では、周期構造１２０の周期ｐを３５０ｎｍ、高さｈ_pを５０ｎｍ、屈折率ｎ_pを１．７５、充填率ｆを０．５とした。「充填率」とは、周期構造１２０を構成する凹部および凸部の全体、即ち、サブミクロン構造全体に対する複数の凸部または複数の凹部の体積比率を意味する。言い換えれば、サブミクロン構造全体の体積に対する複数の凸部または複数の凹部の体積の割合が充填率である。フォトルミネッセンス層１１０の屈折率ｎ_Wは１．７５、低屈折率層１９０の屈折率ｎ_Lは１．５とした。

図３２において、色が濃いほど出射光強度が高い、すなわち強い発光増強が生じていることを示している。フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wの変化に伴い、各波長の出射光強度が変化することがわかる。図３２における矢印で示した箇所において、特に強い発光増強が生じている。この計算では、波長が約５２５ｎｍ以下の領域では式（１１）の範囲から外れるため、発光増強が生じていない。

特定の厚さｔ_Wで強い発光増強が生じる現象は、光の干渉効果によって生じる。この効果をより詳しく調べるために、周期構造１２０の側からフォトルミネッセンス層１１０に垂直に光を入射したときの光の透過率を計算した。

図３３は、この計算の結果を示す図である。図３３は、波長および厚さｔ_Wに対する光の透過率の依存性を示している。この計算における「透過率」は、フォトルミネッセンス層１１０を透過して低屈折率層１９０の内部に侵入する光の強度の全入射光強度に対する割合を意味する。図３３において、色が濃いほど透過率が高いことを表している。各波長について、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wの変化に応じて透過率も変化している。厚さｔ_Wに対して透過率が周期的に変化していることから、これは干渉効果によるものであることがわかる。図３３では、周期構造１２０による擬似導波モードに結合したことによる周期的なピーク（縞状の黒い部分）も確認できる。

図３２および図３３の結果を比較すると、透過率が高い領域で発光増強効果が高くなることがわかる。すなわち、フォトルミネッセンス層１１０および低屈折率層１９０における光の干渉効果によって構造に光が導入しやすい状況になることにより、出射光の擬似導波モードへの結合が大きくなり、発光増強効果が高くなる。したがって、フォトルミネッセンス層１１０の膜厚ｔ_Wは、透過率が可能な限り高くなるように設定するとよい。

図３４は、図３１に示す構成における光の干渉効果を説明するための図である。図３４における点Ａに周期構造１２０側から光が入射角θで入射する状況を考える。点Ａにおける反射時の位相シフトをφ_A、Ａ→Ｄと光が進行することによる位相シフトをφ₁、点Ｂにおける反射時の位相シフトをφ_B、Ａ→Ｂ→Ｃと光が進行することによる位相シフトをφ₂、周期構造１２０によって発生する光路長差に起因する位相差をφ_Pとする。すると、透過率が最大（反射率が最小）になる条件は、以下の式（１８）で表される。
（φ₂＋φ_B）−（φ₁＋φ_A）＋φ_P＝（２ｍ−１）π （ｍは自然数） （１８）

また、反射率が最大（透過率が最小）になる条件は、以下の式（１９）で表される。
（φ₂＋φ_B）−（φ₁＋φ_A）＋φ_P＝２ｍπ （ｍは自然数） （１９）

ここで、入射光の空気中における波長をλ_aとして、φ₂−φ₁＝４πｎ_Wｔ_Wｃｏｓθ／λ_aである。また、周期構造１２０によって発生する光路長差φ_Pは、充填率ｆを考慮すると、φ_P＝４πｎ_pｈ_pｆｃｏｓθ／λ_aと表される。よって、上式（１８）は、以下のように変形できる。
ｎ_Wｔ_Wｃｏｓθ／λ_a＋ｎ_pｈ_pｆｃｏｓθ／λ_a＋（φ_B−φ_A）／４π＝（２ｍ−１）／４ （ｍは自然数） （２０）

特に、光がフォトルミネッセンス層１１０に垂直に入射する場合、ｃｏｓθ＝１、φ_A＝π、φ_B＝０であるので、透過率が最大になる条件は、以下の式（２１）で表される。
ｈ_pｎ_pｆ＋ｎ_Wｔ_W ＝ｍλ_a／２ （ｍは自然数） （２１）

一方、反射率が最大となる条件は、以下の式（２２）で表される。
ｈ_pｎ_pｆ＋ｎ_Wｔ_W ＝（２ｍ−１）λ_a／４ （ｍは自然数） （２２）

したがって、透過率が平均値をとる条件は、以下の式（２３）で表される。
ｈ_pｎ_pｆ＋ｎ_Wｔ_W ＝（４ｍ±１）λ_a／８ （ｍは自然数） （２３）

よって、透過率が平均値よりも高くなる条件は、以下の式（２４）で表される。
（４ｍ−１）λ_a／８＜ｈ_pｎ_pｆ＋ｎ_Wｔ_W＜（４ｍ＋１）λ_a／８ （ｍは自然数） （２４）

したがって、式（２４）を満足するように、周期構造１２０の高さｈ_p、屈折率ｎ_p、充填率ｆ、およびフォトルミネッセンス層１１０の屈折率ｎ_Wおよび厚さｔ_Wを設定すれば、通常よりも透過率が高くなる。その結果、発光効率を高くすることができる。

次に、他の構成例を説明する。

図３５は、高屈折率層２１０、低屈折率層１９０、フォトルミネッセンス層１１０、および周期構造１２０が、この順で積層された発光素子の例を示す部分断面図である。低屈折率層１９０は、フォトルミネッセンス層１１０よりも低い屈折率（例えば１．１から１．６程度）の材料から形成される。そのような材料は、例えばＳｉＯ₂、ガラス、樹脂、またはポーラス材料であり得る。高屈折率層２１０は、低屈折率層１９０よりも高い屈折率を有する材料から形成される。高屈折率層２１０は、例えばＧａＮまたはサファイアなどの比較的高い耐熱性を有する材料から形成され得る。高屈折率層２１０は、例えば、励起光を出射する青色ＬＥＤなどの光源における基板であり得る。

上述したように、フォトルミネッセンス層１１０は、蛍光材料、燐光材料、量子ドットなどのフォトルミネッセンス材料から形成される。例えば、ＹＡＧ：Ｃｅ系の蛍光材料をフォトルミネッセンス層１１０に用いる場合、基板上にＹＡＧ薄膜を形成した後、１０００℃〜１５００℃程度の高温で熱処理が行われる。この熱処理は、ＹＡＧ薄膜を結晶化させ、蛍光を効率的に生じさせるために行われる。このため、高屈折率層２１０は、例えば１０００℃〜１５００℃程度の温度に対して耐熱性を有する材料で形成され得る。

高耐熱の基板は一般的に高い屈折率を有する。また、青色ＬＥＤの基板の材料として一般に用いられるＧａＮやサファイアは、一般的な発光材料よりも高い屈折率を有する。したがって、このような高屈折率の基板上にフォトルミネッセンス層１１０を直接形成した構成では、フォトルミネッセンス層１１０中に導波モードを形成できない。

そこで、本構成例では、高屈折率層２１０とフォトルミネッセンス層１１０との間に低屈折率層１９０を設けている。このような構成により、フォトルミネッセンス層１１０よりも屈折率が高い基板を用いた場合でも、フォトルミネッセンス層１１０中に導波モードを形成することができる。

このような構成においては、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wおよび低屈折率層１９０の厚さｔ_Lを適切に設定することにより、光の干渉効果を利用して発光増強の効果を大きくすることができる。

図３６は、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wを変化させて、各波長に対して発光増強の効果を計算した結果を示す図である。この計算では、周期構造１２０の周期ｐを３７０ｎｍ、高さｈ_pを５０ｎｍ、屈折率ｎ_pを１．７５、充填率ｆを０．５とした。フォトルミネッセンス層１１０の屈折率ｎ_Wは１．７５、低屈折率層１９０の屈折率ｎ_Lは１．５、厚さは４００ｎｍ、高屈折率層２１０の屈折率ｎ_Hは２．０とした。

図３６より、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wの変化に伴い、各波長の出射光強度のピークが変化することがわかる。このような現象は、光の干渉効果によって生じる。この効果をより詳しく調べるために、周期構造１２０の側からフォトルミネッセンス層１１０に垂直に光を入射したときの光の透過率を計算した。

図３７は、この計算の結果を示す図である。図３７は、波長および厚さｔ_Wに対する光の透過率の依存性を示している。フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wの変化に応じて透過率も変化している。厚さｔ_Wに対して透過率が周期的に変化していることから、これは干渉効果によるものであることがわかる。図３７では、周期構造１２０による擬似導波モードに結合したことによる周期的なピークも確認できる。

図３６および図３７の結果から、この例でも透過率が高い領域で発光増強効果が大きくなることがわかる。すなわち、フォトルミネッセンス層１１０および低屈折率層１９０における光の干渉効果によって構造に光が導入しやすい状況になることにより、出射光の擬似導波モードへの結合が大きくなり、発光増強効果が高くなる。したがって、フォトルミネッセンス層１１０の膜厚は、透過率が高くなるように設定するとよい。

図３８は、低屈折率層１９０の厚さｔ_Lを変化させて、波長ごとの出射光強度を計算した結果を示す図である。この計算では、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wを４２０ｎｍとし、他のパラメータを上記の計算と同じ値にして低屈折率層１９０の厚さｔ_Lを変化させた。

図３９は、周期構造１２０の側からフォトルミネッセンス層１１０に垂直に光を入射したときの光の透過率を計算した結果を示す図である。図３９は、波長および厚さｔ_Lに対する光の透過率の依存性を示している。上記の計算と同様に、透過率が高い領域で発光増強効果が大きくなっていることがわかる。さらに、低屈折率層１９０の厚さｔ_Lが１００ｎｍ以下の場合、発光増強効果が著しく悪くなっていることがわかる。これは、低屈折率層１９０が薄いために、導波モードの電場の染み出し（エバネッセント光）が高屈折率層２１０にまで到達するために、導波モードによる光閉じ込め効果が得られなくなったためである。

エバネッセント光の染み出し距離は光の波長に比例する。空気中の波長λ_aがおよそ６００ｎｍの場合に、低屈折率層１９０の厚さｔ_Lが１００ｎｍ以下の領域において光の増強効果が得られなくなっている。よって、低屈折率層１９０の厚さｔ_Lはλ_a／６以上にすることが好ましい。

次に、干渉効果によって透過率が高くなる条件について考察する。

図４０は、図３５に示す構成における光の干渉効果を説明するための図である。図４０における点Ａに周期構造１２０側から光が入射角θで入射する状況を考える。どの層の干渉効果が大きく影響するかは、界面における反射率の大きさで決まる。反射率は、屈折率差が大きいほど高くなる。図３５における構成において、反射率が最大になる界面は、空気とフォトルミネッセンス層１１０との間の界面である。次に反射率が大きい界面は、導波路としてのフォトルミネッセンス層１１０の屈折率ｎ_Wと高屈折率層２１０の屈折率ｎ_Hとの大小関係によって異なる。

ｎ_W＞ｎ_Hの場合は、フォトルミネッセンス層１１０と低屈折率層１９０との界面の反射率の方が、低屈折率層１９０と高屈折率層２１０との界面の反射率よりも大きい。よって、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wに依存する干渉効果が大きく、低屈折率層１９０の厚さｔ_Lに依存する干渉効果は小さい。即ち、この場合、好ましい条件は上記の式（２４）と同様である。

一方、ｎ_W＜ｎ_Hの場合は、低屈折率層１９０と高屈折率層２１０との界面の反射率の方が、フォトルミネッセンス層１１０と低屈折率層１９０との界面の反射率よりも大きい。そのため、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wおよび低屈折率層１９０の厚さｔ_Lの両方が干渉効果に大きく影響する。

この場合、透過率が最大になる条件は、以下の式（２５）で表される。
（ｎ_Lｔ_L＋ｎ_Wｔ_W）ｃｏｓθ／λ_a＋ｎ_pｈ_pｆｃｏｓθ／λ_a＋（φ_B−φ_A）／４π＝（２ｍ−１）／４ （ｍは自然数） （２５）

特に、光がフォトルミネッセンス層１１０に垂直に入射する場合、ｃｏｓθ＝１、φ_A＝π、φ_B＝πであるので、透過率が最大になる条件は、以下の式（２６）で表される。
ｎ_Lｔ_L＋ｎ_Wｔ_W ＝（２ｍ−１）λ_a／４ （ｍは自然数） （２６）

一方、透過率が最小となる条件は、以下の式（２７）で表される。
ｎ_Lｔ_L＋ｎ_Wｔ_W ＝２ｍλ_a／４ （ｍは自然数） （２７）

したがって、干渉効果によって透過率が通常よりも高くなる条件は、以下の式（２８）で表される。
（４ｍ−３）λ_a／８＜ｎ_Lｔ_L＋ｎ_Wｔ_W＜（４ｍ−１）λ_a／８ （ｍは自然数） （２８）

本実施形態では、周期構造１２０があるため、その光路長も考慮すると、透過率が高くなる条件は、以下の式（２９）で表される。
（４ｍ−３）λ_a／８＜ｈ_pｎ_pｆ＋ｎ_Lｔ_L＋ｎ_Wｔ_W＜（４ｍ−１）λ_a／８ （ｍは自然数） （２９）

式（２８）の妥当性を確認するために、低屈折率層１９０の厚さｔ_Lとフォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wとを変化させて透過率を計算した。干渉結果のみを確認するため、この計算では、周期構造１２０を含めていない。光の波長は６００ｎｍとした。

図４１は、本計算の結果を示す図である。低屈折率層１９０の厚さｔ_Lとフォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wとに依存して透過率が変化することがわかる。透過率が高い範囲は式（２８）を満たす範囲であることが確認できた。

図３５に示す構成例では、周期構造１２０があるため、式（２９）を満足するように、周期構造１２０の高さｈ_p、屈折率ｎ_p、充填率ｆ、低屈折率層１９０の屈折率ｎ_L、厚さｔ_L、およびフォトルミネッセンス層１１０の屈折率ｎ_W、厚さｔ_Wを設定すればよい。その結果、通常よりも透過率が高くなり、発光効率を高くすることができる。

次に、低屈折率層１９０と高屈折率層２１０とを備える発光素子の変形例を説明する。

図４２は、第１の変形例に係る発光素子を示す部分断面図である。この発光素子は、高屈折率層２１０に低屈折率層１９０を積層し、その表面に凹凸（周期構造１２０ｅ）を設け、その上からフォトルミネッセンス層１１０を積層することにより、作製される。その結果、フォトルミネッセンス層１１０と外部層（例えば空気層）との界面（以下、「上面」と称する。）にも同じ周期の凹凸（周期構造１２０ｄ）が形成される。このように、フォトルミネッセンス層１１０の両側の面に周期構造が設けられていてもよい。このような構成は、フォトルミネッセンス層１１０の表面にのみ周期構造を設けた構成よりも作製しやすいという利点がある。この場合、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wは、周期構造１２０ｄとフォトルミネッセンス層１１０との界面から、周期構造１２０ｅを構成する凹凸の平均の高さの位置（図４２における上から２つ目の破線）までの距離によって定義される。低屈折率層１９０の厚さｔ_Lは、高屈折率層２１０と低屈折率層１９０との界面と、周期構造１２０ｅを構成する凹凸の平均の高さの位置との距離によって定義される。周期構造１２０ｄの厚さはｈ_pとする。この例でも、ｎ_W＞ｎ_Hの場合は式（２４）を、ｎ_W＜ｎ_Hの場合は式（２９）を満たすことにより、発光増強効果が得られる。なお、図４１に示す構成から高屈折率層２１０を除いた構成を採用してもよい。その場合、式（２４）を満たすように設計すればよい。

図４３は、第２の変形例に係る発光素子を模式的に示す部分断面図である。この発光素子は、高屈折率層２１０に凹凸（周期構造１２０ｆ）を設け、その上に低屈折率層１９０およびフォトルミネッセンス層１１０を積層することによって作製される。その結果、低屈折率層１９０とフォトルミネッセンス層１１０との界面に周期構造１２０ｅが形成され、フォトルミネッセンス層１１０の上面に周期構造１２０ｄが形成される。このような構成は、フォトルミネッセンス層１１０の表面にのみ周期構造を設けた構成よりも作製しやすいという利点がある。このような構造であっても、同様の効果を得ることができる。本構成例でも、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wは、周期構造１２０ｄとフォトルミネッセンス層１１０との界面から、周期構造１２０ｅの厚さ方向の中心線（図４２における上から２つ目の破線）までの距離によって定義される。一方、低屈折率層１９０の厚さｔ_Lは、周期構造１２０ｄ、１２０ｆの厚さ方向の中心線間の距離によって定義される。この例でも、ｎ_W＞ｎ_Hの場合は式（２４）を、ｎ_W＜ｎ_Hの場合は式（２９）を満たすことにより、発光増強効果が得られる。

図４４は、第３の変形例に係る発光素子を模式的に示す部分断面図である。この発光素子は、高屈折率層２１０の上に、凹凸（周期構造１２０ｅ）を有する低屈折率層１９０を形成し、その上にフォトルミネッセンス層１１０で埋め込むことによって作製される。このように、フォトルミネッセンス層１１０と低屈折率層１９０との界面にのみ周期構造１２０ｅが形成される構成であってもよい。この例では、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔ_Wは、フォトルミネッセンス層１１０の上面と、周期構造１２０ｅの厚さ方向の中心線との距離によって定義される。低屈折率層１９０の厚さｔ_Lは、低屈折率層１９０と高屈折率層２１０との界面から、周期構造１２０ｅの厚さ方向の中心線までの距離によって定義される。また本構成は、図４２の構成周期構造１２０ｄの厚さｈ_pを０とした構成に対応する。従ってこの例でも、式（２９）においてｈ_p＝０の条件、即ち式（２８）を満たすことにより、発光増強効果が得られる点に変わりはない。

なお、これらの変形例において、周期構造１２０ｅ、１２０ｄ、１２０ｆの周期はすべて同じであるが、これらの周期が互いに異なっていてもよい。また、各周期構造は、例えば図２１に示す構造のように、異なる周期を有する複数の部分が連結された構造を有していてもよい。１次元周期構造に限らず、２次元周期構造を用いてもよい。さらに、周期構造に代えて、複数の凸部と複数の凹部とがランダム性を有するパターンで１次元または２次元に配列されたサブミクロン構造を用いてもよい。その場合、「サブミクロン構造の周期」とは、サブミクロン構造の平均周期を意味する。

本開示の発光素子によれば、指向性を有する発光装置を実現できるため、例えば、照明、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスに適用可能である。

１００、１００ａ 発光素子
１１０ フォトルミネッセンス層（導波路）
１２０、１２０’、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆ
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
１９０ 低屈折率層
２００ 発光装置
２１０ 高屈折率層

Claims (15)

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第１のサブミクロン構造と、
   前記フォトルミネッセンス層に近接して前記透光層の反対側に配置され、前記フォトルミネッセンス層よりも屈折率の低い低屈折率層と、
   前記低屈折率層に近接して前記フォトルミネッセンス層の反対側に配置され、前記低屈折率層よりも屈折率の高い高屈折率層と、を有し、
   前記第１の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λ_a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Ｄ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、
   発光素子。
2. 前記高屈折率層の屈折率は、前記フォトルミネッセンス層の屈折率よりも低く、
   前記第１のサブミクロン構造の高さをｈ_p、前記第１のサブミクロン構造の屈折率をｎ_p、前記第１のサブミクロン構造全体の体積に対する前記複数の凸部または前記複数の凹部の体積の割合をｆ、前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_W、前記フォトルミネッセンス層の厚さをｔ_Wとするとき、
   （４ｍ−１）λ_a／８＜ｈ_pｎ_pｆ＋ｎ_Wｔ_W＜（４ｍ＋１）λ_a／８ （ｍは自然数）
   の関係が成り立つ、
   請求項１に記載の発光素子。
3. 前記高屈折率層の屈折率は、前記フォトルミネッセンス層の屈折率よりも高く、
   前記第１のサブミクロン構造の高さをｈ_p、前記第１のサブミクロン構造の屈折率をｎ_p、前記第１のサブミクロン構造全体の体積に対する前記複数の凸部または前記複数の凹部の体積の割合をｆ、前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_W、前記フォトルミネッセンス層の厚さをｔ_W、前記低屈折率層の屈折率をｎ_L、前記低屈折率層の厚さをｔ_Lとするとき、
   （４ｍ−３）λ_a／８＜ｈ_pｎ_pｆ＋ｎ_Lｔ_L＋ｎ_Wｔ_W＜（４ｍ−１）λ_a／８ （ｍは自然数）
   の関係が成り立つ、
   請求項１に記載の発光素子。
4. 前記低屈折率層の厚さは、λ_a／６以上である、請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
5. 前記フォトルミネッセンス層と前記低屈折率層との界面に、第２のサブミクロン構造が形成されている、
   請求項１から４のいずれかに記載の発光素子。
6. 前記第２のサブミクロン構造の周期は、前記第１のサブミクロン構造の周期と同じである、請求項５に記載の発光素子。
7. 前記低屈折率層と前記高屈折率層との界面に、第３のサブミクロン構造が形成されている、請求項５または６に記載の発光素子。
8. 前記第３のサブミクロン構造の周期は、前記第１および第２のサブミクロン構造の周期と同じである、請求項７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、
   前記フォトルミネッセンス層に近接して前記透光層の反対側に配置され、前記フォトルミネッセンス層よりも屈折率の低い低屈折率層と、
   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λ_a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Ｄ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立ち、
   前記サブミクロン構造の高さをｈ_p、前記サブミクロン構造の屈折率をｎ_p、前記サブミクロン構造全体の体積に対する前記複数の凸部または前記複数の凹部の体積の割合をｆ、前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_W、前記フォトルミネッセンス層の厚さをｔ_Wとするとき、
   （４ｍ−１）λ_a／８＜ｈ_pｎ_pｆ＋ｎ_Wｔ_W＜（４ｍ＋１）λ_a／８ （ｍは自然数）
   の関係が成り立つ、
   発光素子。
10. 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第１の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、
    前記フォトルミネッセンス層に近接して前記透光層の反対側に配置され、前記フォトルミネッセンス層よりも屈折率の低い低屈折率層と、
    前記低屈折率層に近接して前記フォトルミネッセンス層の反対側に配置され、前記低屈折率層よりも屈折率の高い高屈折率層と、
    を有し、
    前記第１の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λ_a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Ｄ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、
    発光素子。
11. 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第１のサブミクロン構造と、
    前記フォトルミネッセンス層に近接して前記透光層の反対側に配置され、前記フォトルミネッセンス層よりも屈折率の低い低屈折率層と、
    前記低屈折率層に近接して前記フォトルミネッセンス層の反対側に配置され、前記低屈折率層よりも屈折率の高い高屈折率層と、
    を有し、
    前記第１の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λ_a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Ｄ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、
    発光素子。
12. 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１１のいずれかに記載の発光素子。
13. 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第１のサブミクロン構造と、
    前記フォトルミネッセンス層に近接して前記透光層の反対側に配置され、前記フォトルミネッセンス層よりも屈折率の低い低屈折率層と、
    前記低屈折率層に近接して前記フォトルミネッセンス層の反対側に配置され、前記低屈折率層よりも屈折率の高い高屈折率層と、
    を有し、
    前記第１の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λ_a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Ｄ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、
    発光素子。
14. 前記第１の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１３のいずれかに記載の発光素子。
15. 請求項１から１４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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