JP2017045026A - 発光素子 - Google Patents

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安寿 稲田
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    • H01L33/22—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers

Abstract

【課題】フォトルミネッセンス材料を利用する新規な構造を有する発光素子を提供する。【解決手段】ある実施形態における発光素子は、透光層と、透光層上のフォトルミネッセンス層であって、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層とを有する。フォトルミネッセンス層は、透光層とは反対側の表面に、複数の凸部を含む第１表面構造を有し、透光層は、フォトルミネッセンス層の側の表面に、複数の凸部に対向する複数の凸部を含む第２表面構造を有する。第１表面構造および第２表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する。第１表面構造における複数の凸部は、第１凸部を含み、フォトルミネッセンス層に垂直、かつ、第１表面構造における複数の凸部の配列方向に平行な断面において、第１凸部の基部の幅は、頂部の幅よりも大きい。【選択図】図４２

Description

本開示は、発光素子に関し、特に、フォトルミネッセンス層を有する発光素子に関する。
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、このような材料は、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る。これらの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材料を利用する新規な構造を有する発光素子を提供する。
本開示のある実施形態の発光素子は、透光層と、前記透光層上のフォトルミネッセンス層であって、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層とを備える。前記フォトルミネッセンス層は、前記透光層とは反対側の表面に、複数の凸部を含む第１表面構造を有し、前記透光層は、前記フォトルミネッセンス層の側の表面に、前記複数の凸部に対向する複数の凸部を含む第２表面構造を有する。前記第１表面構造および前記第２表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する。前記第１表面構造における前記複数の凸部は、第１凸部を含み、前記フォトルミネッセンス層に垂直、かつ、前記第１表面構造における前記複数の凸部の配列方向に平行な断面において、前記第１凸部の基部の幅は、頂部の幅よりも大きい。
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れば、フォトルミネッセンス材料を利用する新規な構造を有する発光素子を提供することができる。
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。 ｘ方向の周期ｐxを有する１次元周期構造を示す図である。 ｘ方向の周期ｐx、ｙ方向の周期ｐyを有する２次元周期構造を示す図である。 図１７Ａの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。 図１７Ｂの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。 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。 ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２７Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２７Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２７Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２７Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２８Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２８Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２８Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２８Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果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。 フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子における発光増強効果を受ける光の波長および出射方向との関係を説明するための模式図である。 発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。 １次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。 複数の２次元周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。 マイクロレンズを備える発光素子の模式的な断面図である。 発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する発光素子の模式的な断面図である。 発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する他の発光素子の模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の模式的な断面図である。 周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の模式的な断面図である。 周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の模式的な断面図である。 透明高熱伝導層を有する発光素子の模式的な断面図である。 透明高熱伝導層を有する発光素子の模式的な断面図である。 透明高熱伝導層を有する発光素子の模式的な断面図である。 透明高熱伝導層を有する発光素子の模式的な断面図である。 １次のみ（正弦波）、３次まで、５次まで、および、１１次までの項を含む三角級数を計算した結果を示すグラフである。 断面形状が矩形状の複数の凸部を含む周期構造を示す模式的な断面図である。 断面形状が三角形状の複数の凸部を含む周期構造を示す模式的な断面図である。 断面形状が正弦波状の周期構造を示す模式的な断面図である。 本開示の他の実施形態による発光素子の断面の一例を示す模式的な断面図である。 複数の凸部Ｐｔを含む周期構造の垂直断面の一部を示す模式図である。 周期構造１２０ｂにおける複数の凸部の側面の傾斜角を変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示すグラフである。 傾斜した側面を有する凸部を含む周期構造がフォトルミネッセンス層１１０上に形成された発光素子の変形例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂ、および、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける複数の凸部の側面の傾斜角を変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示すグラフである。 フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂにおける複数の凸部の各々における断面形状を矩形状とし、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける複数の凸部の各々における断面形状を台形状としたときの計算結果を示すグラフである。 周期構造の断面形状の他の例を示す模式的な断面図である。 周期構造の断面形状のさらに他の例を示す模式的な断面図である。 周期構造の断面形状のさらに他の例を示す模式的な断面図である。 周期構造の断面形状のさらに他の例を示す模式的な断面図である。 スパッタリング時の圧力が比較的低い場合における、ターゲットから放出された材料粒子が基板１４０の表面に衝突する様子を模式的に示す図である。 スパッタリング時の圧力が比較的高い場合における、ターゲットから放出された材料粒子が基板１４０の表面に衝突する様子を模式的に示す図である。 断面形状が矩形状で高さが１７０ｎｍの複数の凸部を含む周期構造を有する石英基板上に、スパッタリングによりＹＡＧ：Ｃｅを堆積することによって得たサンプルの断面の画像を示す図である。 断面形状が矩形状で高さが１７０ｎｍの複数の凸部を含む周期構造を有する石英基板上に、スパッタリングによりＹＡＧ：Ｃｅを堆積することによって得たサンプルの断面の画像を示す図である。 基板１４０上の周期構造１２０ａにおける凸部の高さが比較的小さい場合に得られる、フォトルミネッセンス材料の膜の模式的な断面図である。 基板１４０上の周期構造１２０ａにおける凸部の高さが比較的小さい場合に得られる、フォトルミネッセンス材料の膜の模式的な断面図である。 断面形状が矩形状で高さが６０ｎｍの複数の凸部を含む周期構造を有する石英基板上に、スパッタリングによりＹＡＧ：Ｃｅを堆積することによって得たサンプルの断面の画像を示す図である。 基板１４０上の周期構造１２０ａにおける凸部の高さが比較的大きい場合に得られる、フォトルミネッセンス材料の膜の模式的な断面図である。 基板１４０上の周期構造１２０ａにおける凸部の高さが比較的大きい場合に得られる、フォトルミネッセンス材料の膜の模式的な断面図である。 断面形状が矩形状で高さが２００ｎｍの複数の凸部を含む周期構造を有する石英基板上に、スパッタリングによりＹＡＧ：Ｃｅを堆積することによって得たサンプルの断面の画像を示す図である。 周期構造１２０ａと周期構造１２０ｂとの間のシフト量を説明するための模式的な断面図である。 周期構造１２０ａを基準とする、周期構造１２０ｂのシフト量を変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示すグラフである。 ２つの凸部を含む表面構造が一方の表面に設けられた部材６０１と、部材６０１を覆う部材６０２とを有する構造体を示す斜視図である。 複数の凸部Ｐｔを含む表面構造を有する部材６０３と、部材６０３を覆う部材６０４との積層構造の一例を示す模式的な断面図である。 複数の凸部Ｐｔを含む表面構造を有する部材６０３と、部材６０３を覆う部材６０４との積層構造の他の一例を示す模式的な断面図である。 複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を有する表面構造の一例を示す模式的な断面図である。
［１．本開示の実施形態の概要］
本開示は、以下の項目に記載の発光素子を含む。
［項目１］
透光層と、
透光層上のフォトルミネッセンス層であって、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、を備え、
フォトルミネッセンス層は、透光層とは反対側の表面に、複数の凸部を含む第１表面構造を有し、
透光層は、フォトルミネッセンス層の側の表面に、複数の凸部に対向する複数の凸部を含む第２表面構造を有し、
第１表面構造および第２表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限し、
第１表面構造における複数の凸部は、第１凸部を含み、
フォトルミネッセンス層に垂直、かつ、第１表面構造における複数の凸部の配列方向に平行な断面において、第１凸部の基部の幅は、頂部の幅よりも大きい、発光素子。
［項目２］
第１表面構造における複数の凸部の各々は、頂部よりも幅が大きい基部を有する、項目１に記載の発光素子。
［項目３］
第１表面構造における複数の凸部の側面の傾斜角は、第２表面構造における複数の凸部の側面の傾斜角よりも小さい、項目１または２に記載の発光素子。
［項目４］
第２表面構造は、第１凸部に対向する第２凸部を含み、
断面において、第１凸部の基部の幅は、第２凸部の頂部の幅よりも小さい、項目１から３のいずれかに記載の発光素子。
［項目５］
第２表面構造は、第１凸部に対向する第２凸部を含み、
断面において、第１凸部の基部の幅は、第２凸部の頂部の幅よりも大きい、項目１から３のいずれかに記載の発光素子。
［項目６］
第２表面構造における複数の凸部は、第１凸部に対向する第２凸部を含み、
断面において、第２凸部の基部の幅は、頂部の幅よりも大きい、項目１に記載の発光素子。
［項目７］
第１表面構造における複数の凸部の各々は、頂部よりも幅が大きい基部を有する、項目６に記載の発光素子。
［項目８］
第２表面構造における複数の凸部の各々は、頂部よりも幅が大きい基部を有する、項目６または７に記載の発光素子。
［項目９］
第１表面構造における複数の凸部の側面の少なくとも一部は、フォトルミネッセンス層に垂直な方向に対して傾斜しており、
第２表面構造における複数の凸部の側面の少なくとも一部は、フォトルミネッセンス層に垂直な方向に対して傾斜している、項目６から８のいずれかに記載の発光素子。
［項目１０］
第１表面構造における複数の凸部の側面の少なくとも一部、および、第２表面構造における複数の凸部の側面の少なくとも一部のうち、少なくとも一方は、階段状である、項目６から９のいずれかに記載の発光素子。
［項目１１］
第１表面構造における隣接する２つの凸部間の距離をＤ１intとし、第２表面構造における隣接する２つの凸部間の距離をＤ２intとし、空気中の波長がλaの光に対する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＜Ｄ１int＜λaおよびλa／ｎwav-a＜Ｄ２int＜λaの関係が成り立つ、項目１から１０のいずれかに記載の発光素子。
［項目１２］
透光層と、
透光層上のフォトルミネッセンス層であって、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、を備え、
フォトルミネッセンス層は、透光層とは反対側の表面に、複数の凹部を含む第１表面構造を有し、
透光層は、フォトルミネッセンス層の側の表面に、複数の凹部に対向する複数の凹部を含む第２表面構造を有し、
第１表面構造および第２表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限し、
第１表面構造における複数の凹部は、第１凹部を含み、
フォトルミネッセンス層に垂直、かつ、第１表面構造における複数の凹部の配列方向に平行な断面において、第１凹部の開口部の幅は、底部の幅よりも大きい、発光素子。
［項目１３］
第１表面構造における複数の凹部の各々は、底部よりも幅が大きい開口部を有する、項目１２に記載の発光素子。
［項目１４］
第１表面構造における複数の凹部の側面の傾斜角は、第２表面構造における複数の凹部の側面の傾斜角よりも小さい、項目１２または１３に記載の発光素子。
［項目１５］
第２表面構造は、第１凹部に対向する第２凹部を含み、
断面において、第１凹部の底部の幅は、第２凹部の開口部の幅よりも小さい、項目１２から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目１６］
第２表面構造は、第１凹部に対向する第２凹部を含み、
断面において、第１凹部の底部の幅は、第２凹部の開口部の幅よりも大きい、項目１２から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目１７］
第２表面構造における複数の凹部は、第１凹部に対向する第２凹部を含み、
断面において、第２凹部の開口部の幅は、底部の幅よりも大きい、項目１２に記載の発光素子。
［項目１８］
第１表面構造における複数の凹部の各々は、底部よりも幅が大きい開口部を有する、項目１７に記載の発光素子。
［項目１９］
第２表面構造における複数の凹部の各々は、底部よりも幅が大きい開口部を有する、項目１７または１８に記載の発光素子。
［項目２０］
第１表面構造における複数の凹部の側面の少なくとも一部は、フォトルミネッセンス層に垂直な方向に対して傾斜しており、
第２表面構造における複数の凹部の側面の少なくとも一部は、フォトルミネッセンス層に垂直な方向に対して傾斜している、項目１７から１９のいずれかに記載の発光素子。
［項目２１］
第１表面構造における複数の凹部の側面の少なくとも一部、および、第２表面構造における複数の凹部の側面の少なくとも一部のうち、少なくとも一方は、階段状である、項目１７から２０のいずれかに記載の発光素子。
［項目２２］
第１表面構造における隣接する２つの凹部間の距離をＤ１intとし、第２表面構造における隣接する２つの凹部間の距離をＤ２intとし、空気中の波長がλaの光に対する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＜Ｄ１int＜λaおよびλa／ｎwav-a＜Ｄ２int＜λaの関係が成り立つ、項目１２から２１のいずれかに記載の発光素子。
［項目２３］
Ｄ１intとＤ２intとが等しい、項目１１または２２に記載の発光素子。
［項目２４］
第１表面構造は、少なくとも１つの第１周期構造を有し、
第２表面構造は、少なくとも１つの第２周期構造を有し、
少なくとも１つの第１周期構造の周期をｐ１aとし、少なくとも１つの第２周期構造の周期をｐ２aとし、空気中の波長がλaの光に対する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＜ｐ１a＜λaおよびλa／ｎwav-a＜ｐ２a＜λaの関係が成り立つ、項目１から２３のいずれかに記載の発光素子。
［項目２５］
第１表面構造および第２表面構造は、フォトルミネッセンス層から出射される空気中の波長がλaの光の強度を、第１表面構造および第２表面構造によって予め決められた第１の方向において最大にする擬似導波モードを、フォトルミネッセンス層の内部に形成する、項目１から２４のいずれかに記載の発光素子。
［項目２６］
空気中の波長がλaの光は、第１表面構造および第２表面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２４のいずれかに記載の発光素子。
［項目２７］
第１の方向に出射された、空気中の波長がλaの光は、直線偏光である、項目２５または２６に記載の発光素子。
［項目２８］
第１表面構造および第２表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を、１５°未満に制限する、項目１から２７のいずれかに記載の発光素子。
［項目２９］
空気中の波長がλaの光の第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１から２７のいずれかに記載の発光素子。
本開示の実施形態による発光素子は、透光層と、透光層上のフォトルミネッセンス層とを有する。フォトルミネッセンス層は、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発する。フォトルミネッセンス層は、透光層とは反対側の表面に第１表面構造を有し、透光層は、フォトルミネッセンス層の側の表面に第２表面構造を有する。第１表面構造は、複数の凸部を含み、第２表面構造は、第１表面構造における複数の凸部に対向する複数の凸部を含む。あるいは、第１表面構造は、複数の凹部を含み、第２表面構造は、第１表面構造における複数の凹部に対向する複数の凹部を含む。第１表面構造および第２表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する。
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。赤外線を利用する用途では、波長λaは、７８０ｎｍを超える場合もあり得る。一方、紫外線を利用する用途では、波長λaは、３８０ｎｍ未満の場合もあり得る。本開示では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。
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。
透光層は、フォトルミネッセンス層を支持する基板であり得る。透光層は、例えば、フォトルミネッセンス層に近接して配置され、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、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）で形成され得る。フォトルミネッセンス層の空気側の表面が後述のサブミクロン構造を有する場合、空気層も透光層となり得る。
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の表面には、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造が形成される。ここで「表面」とは、他の物質と接している部分（即ち界面）を意味する。透光層が空気等の気体の層である場合は、その気体の層と他の物質（例えばフォトルミネッセンス層）との間の界面が、透光層の表面である。この表面構造は、「凹凸構造」と称することもできる。表面構造は、典型的には、複数の凸部または複数の凹部が一次元または二次元に周期的に配列された部分を含む。そのような表面構造は、「周期構造」と称することができる。複数の凸部および複数の凹部は、互いに接する２つの屈折率の異なる部材（または媒質）の境界に形成される。したがって、「周期構造」は、ある方向に屈折率が周期的に変動する部分を含む構造といえる。ここで「周期的」とは、厳密に周期的である態様に限定されず、近似的に周期的であるといえる態様を含む。本明細書において、連続する複数の凸部または凹部のうち、隣接する２つの中心間の距離（以下、「中心間隔」と称することがある。）が、いずれの２つの隣接する凸部または凹部についても、ある値ｐの±１５％以内の範囲に収まっているとき、その部分は、周期ｐを有する周期構造であると考える。
本明細書において「凸部」は、基準の高さの部分に対して盛り上がった部分を意味する。「凹部」は、基準の高さの部分に対して窪んだ部分を意味する。図５５は、２つの凸部を含む表面構造が一方の表面に設けられた部材６０１と、部材６０１を覆う部材６０２とを有する構造体を示す。図５５には、参考のため、互いに直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸が示されている。なお、説明の便宜のため、他の図面においても、互いに直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を示すことがある。
部材６０１および６０２は、概ね平面状であり、かつ、ｘｙ平面に平行な面内に広がっている。図５５に示す例では、ｚ方向が、部材６０１および６０２の積層の方向に一致しており、図５５には、部材６０１および６０２の積層構造のｘｚ断面も模式的に示されている。
図５５に示す例において、部材６０１における表面構造は、２つの凸部Ｐｒ１およびＰｒ２を含んでおり、これらの凸部の「配列方向」を定義することができる。表面構造が２以上の凹部を含む場合も同様に、これらの凹部の「配列方向」を定義することができる。本明細書において、「配列方向」は、表面構造において２以上の凸部が並ぶ方向または２以上の凹部が並ぶ方向を意味する。図５５に例示するように、ｙ方向に沿って延びるストライプ状の２つの凸部がｘ方向に沿って並んでいる場合、ｘ方向が、これらの凸部の「配列方向」である。以下では、少なくとも一方が平面状である２つの部材の界面に表面構造が形成されているとき、平面状の部材に垂直、かつ、表面構造における配列方向に平行な断面（ここではｘｚ断面）を、「垂直断面」と呼ぶことがある。本明細書では、表面構造において配列方向に沿って測った長さを「幅」と呼ぶことがある。
図５５に示す例において、凸部Ｐｒ１およびＰｒ２は、部材６０１および６０２の界面に対してｚ方向に盛り上がっている。すなわち、この例における凸部の高さの基準は、部材６０１および６０２の界面であるといえる。本明細書では、上述の垂直断面において、凸部のうち、基準の高さにある部分を凸部の「基部」と呼ぶ。図５５において模式的に示すように、例えば、凸部Ｐｒ１の基部Ｂ１は、凸部Ｐｒ１における、盛り上がりの基準面（ここでは部材６０１および６０２の界面）との接続部分であり、凸部Ｐｒ１のうち、部材６０１および６０２の界面に最も近い部分といってもよい。これに対し、垂直断面において、凸部のうち、基準の高さから測った距離が最大の部分を凸部の「頂部」と呼ぶ。図示する例では、凸部Ｐｒ１の基部Ｂ１の幅Ｂｓと、頂部Ｔ１の幅Ｔｐとは、等しい。以下では、頂部と基部とを結ぶ面を凸部の「側面」と呼ぶことがある。垂直断面における側面の形状は、直線状に限定されない。垂直断面における側面の形状は、曲線状であってもよいし、階段状であってもよい。
後に詳しく説明するように、本開示の実施形態における、表面構造を構成する凸部（または凹部）の垂直断面における形状（以下、単に「断面形状」ということがある。）は、図５５に示すような矩形状に限定されない。図５６および図５７は、複数の凸部Ｐｔを含む表面構造を有する部材６０３と、部材６０３を覆う部材６０４との積層構造の断面の例を示す。図５６に示す例において、表面構造を構成する各凸部Ｐｔの断面形状は、三角形状である。この例では、表面構造における凸部Ｐｔの頂部の幅は、０であるといってよい。なお、図５７に示すように、表面構造を構成する各凸部Ｐｔの断面形状が、上に凸の放物線状である場合も同様に、凸部の頂部の幅が０であるといえる。このように、凸部の頂部の幅は、０であり得る。
図５６および図５７に例示する表面構造の垂直断面において、各凸部Ｐｔの頂部の位置を基準の高さと考えた場合、表面構造が複数の凹部を含んでいると解釈することも可能である。すなわち、図５６および図５７に例示する構成において、部材６０３が、複数の凹部Ｒｓを含む表面構造を有していると解釈することもできる。このとき、基準の高さを与える部分（この例では各凸部Ｐｔの頂部）のうちの隣接する２つの間に凹部Ｒｓが形成されているといえる。
本明細書では、上述の垂直断面において、表面構造を構成する凹部のうち、基準の高さから測った距離が最大の部分を凹部の「底部」と呼ぶ。「底部」は、凹部において基準の高さに対して最も低い部分であるといえる。なお、図５６および図５７に示す例では、各凹部Ｒｓの底部Ｖｍの幅は、０であるといってよい。上述したように、表面構造における凹部は、基準の高さを与える部分のうちの隣接する２つによって規定される。本明細書では、垂直断面において、凹部を規定するこれらの２つの部分の間を凹部の「開口部」と呼ぶ。図５６および図５７中の矢印Ｏｐは、凹部Ｒｓにおける開口部の幅を模式的に示す。開口部は、表面構造において基準の高さから凹部の底部に向かって高さが減少し始める部分同士を結んでいるといえる。以下では、開口部と底部とを結ぶ面を凹部の「側面」と呼ぶことがある。凸部と同様に、垂直断面における凹部の側面の形状は、直線状、曲線状、階段状または不定形状のいずれであってもよい。
なお、凸部および凹部の形状、サイズ、分布によっては、いずれが凸部でいずれが凹部かが容易に判断できない場合があり得る。例えば、図５８に示す断面図では、部材６１０が凹部を有し、部材６２０が凸部を有していると解釈することもできれば、その逆の解釈も可能である。どのように解釈したとしても、部材６１０および部材６２０の各々が、複数の凸部および凹部の少なくとも一方を有するといえることには変わりはない。図５５に例示する構造において、部材６０２が、２つの凹部を含む表面構造を有していると解釈することも可能であり、この場合、部材６０２において上述の頂部Ｔ１に接する部分が、図５５中の左側の凹部の底部に相当する。このとき、底部の幅は、Ｔｐであり、その凹部における開口部の幅は、Ｂｓである。
表面構造における隣接する２つの凸部または隣接する２つの凹部の中心間の距離（周期構造においては周期ｐ）は、典型的にはフォトルミネッセンス層が発する光の空気中における波長λaよりも短い。フォトルミネッセンス層から発せられる光が可視光、短波長の近赤外線、または紫外線の場合、その距離はマイクロメートルのオーダー（即ちミクロンオーダー）よりも短い。よって、そのような表面構造を、「サブミクロン構造」と称することがある。「サブミクロン構造」が一部に１マイクロメートル（μｍ）を超える中心間隔または周期を有する部分を含んでいてもよい。以下の説明では、可視光を発するフォトルミネッセンス層を主に想定し、表面構造を意味する用語として「サブミクロン構造」の用語を主に用いる。しかし、サブミクロンオーダーを超える微細構造（例えば、赤外線を利用する用途で使用されるミクロンオーダーの微細構造）を有する表面構造についても、以下の議論は全く同様に成立する。
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、少なくともフォトルミネッセンス層の内部に、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（即ち表面構造）と相互作用して形成される。このような電場分布を形成する光のモードを「擬似導波モード」と表現することができる。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。その説明は、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、隣接する凸部間の中心間距離をＤintとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足し得る。フォトルミネッセンス層における第１表面構造および透光層における第２表面構造の各々が、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足していてもよい。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。すなわち、第１表面構造および第２表面構造の各々が複数の凹部を含み、隣接する凹部間の中心間距離Ｄintに関して、第１表面構造および第２表面構造の各々においてλa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成立していてもよい。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ものとして説明する。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といってもよい。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てもよい。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。
サブミクロン構造が、上記のように、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足するとき、可視光を利用する用途では、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つの周期構造を含み得る。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含み得る。λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係は、フォトルミネッセンス層における第１表面構造および透光層における第２表面構造の各々において成立していてもよい。第１表面構造および第２表面構造の各々が複数の凹部を含み、隣接する凹部間の中心間距離における周期ｐaに関して、第１表面構造および第２表面構造の各々において、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成立していてもよい。サブミクロン構造がこのような周期構造を含むと、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。すなわち、周期構造が存在しない場合と比較して、指向性が顕著に向上する。さらに、ＴＥモードとＴＭモードとで有効屈折率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、正面方向に出射する光の指向角は例えば１５°未満である。ここで「指向角」とは、出射する特定の波長の直線偏光について、強度が最大である方向と、強度が最大強度の５０％になる方向との間の角度と定義される。すなわち、指向角は強度が最大である方向を０°とした場合の片側の角度である。このように、本開示の実施形態における周期構造（即ち表面構造）は、特定の波長λaの光の指向角を制限する。言い換えれば、当該波長λaの光の配光を、周期構造がない場合と比較して狭角にする。このような、周期構造が存在しない場合と比較して指向角が低減された配光を、「狭角配光」と称することがある。本開示の実施形態における周期構造は、波長λaの光の指向角を制限するが、波長λaの光の全てを狭角に出射するのではない。例えば後述する図２９に示す例では、強度が最大になる方向から離れた角度（例えば２０°〜７０°）の方向にも波長λaの光が僅かに出射する。しかし、全体的には、波長λaの出射光が０°〜２０°の範囲に集中しており、指向角が制限されている。
なお、本開示の典型的な実施形態における周期構造は、一般的な回折格子とは異なり、光の波長λaよりも短い周期を有する。一般的な回折格子は、光の波長λaよりも十分に長い周期を有し、その結果、特定の波長の光を０次光（即ち透過光）、±１次回折光などの複数の回折光に分けて出射させる。そのような回折格子は、高次の回折光が０次光の両側に発生する。回折格子における、０次光の両側に発生する高次の回折光は、狭角配光の実現を困難にする。言い換えれば、従来の回折格子は、光の指向角を所定の角度（例えば１５°程度）に制限するという本開示の実施形態に特有の効果を奏しない。この点で、本開示の実施形態における周期構造は、従来の回折格子とは顕著に異なる性質を有する。
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。
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。
［２．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。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（若しくは小さくできる）。これにより、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。本開示の実施形態では、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。その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。
［３．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、発生した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、本願発明者らは、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と周期構造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）によって構成することで、発生した光を、特定方向の伝播光に変換される擬似導波モードに結合させ、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るので、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。
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る。このモードは、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質を有する。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、発生した光を結合させることを検討した。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、透光層の一部）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、透光層が周期構造を有している場合（即ち、透光層に周期的なサブミクロン構造が形成されている場合）、周期構造１２０を透光層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。
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。
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。
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、発生した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＜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。
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（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。
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、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。
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。
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。
［４．計算による検証］
［４−１．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。
［４−２．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。
［４−３．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。
［４−４．２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。
［５．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。
［５−１．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。
［５−２．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。
［５−３．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。
［５−４．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。
［６．変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。
［６−１．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。
［６−２．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。励起光は、フォトルミネッセンス層１１０の主面（即ち、上面または下面）に垂直な方向に対して傾斜した方向から（即ち、斜めに）入射させてもよい。励起光を、フォトルミネッセンス層１１０内で全反射が生じる角度で斜めに入射させることにより、より効率的に発光させることができる。
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方法もある。図１７Ａから図１７Ｄ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１７Ａ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１７Ｂ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。
ここで、ｎoutは、図１７Ｂ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。
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１７Ｃおよび図１７Ｄは、それぞれ、図１７Ａおよび図１７Ｂ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の消衰係数を０．００３としている。図１７Ｄ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１７Ｂ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（周期成分と称する。）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１７Ａ、１７Ｂでは励起光を基板１４０側から入射させているが、周期構造１２０側から入射させ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。
［６−３．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が形成されている。その結果、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。
［６−４．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。
［６−５．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。
［６−６．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。
［６−７．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。
［７．材料］
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、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、樹脂が挙げられる。なお、基板１４０を介さずにフォトルミネッセンス層１１０に励起光を入射させるような構成においては、基板１４０が透明であることは必須ではない。
［８．製造方法］
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。
[９．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２７Ａ〜２７Ｆおよび図２８Ａ〜２８Ｆに示す。図２７Ａは、ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２７Ｂおよび図２７Ｃは、このように回転させた場合についての測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図２７Ｄは、ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２７Ｅおよび図２７Ｆは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。図２８Ａは、ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２８Ｂおよび図２８Ｃは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図２８Ｄは、ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２８Ｅおよび図２８Ｆは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。
図２７Ａ〜２７Ｆおよび図２８Ａ〜２８Ｆから明らかなように、ＴＭモードの方が増強される効果が高い。また、増強される光の波長は角度によってシフトすることがわかる。例えば、波長６１０ｎｍの光については、ＴＭモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性が高くかつ偏光発光していることがわかる。また、図２７Ｂと図２７Ｃ、図２７Ｅと図２７Ｆ、図２８Ｂと図２８Ｃ、図２８Ｅと図２８Ｆのそれぞれの測定結果と計算結果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。
図２９は、波長６１０ｎｍの光について、図２８Ｄに示すように、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ている。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、前述のように、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。図２９に示す結果から、指向性発光が実現していることがわかる。さらに、出射される光は全て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。
以上の検証のための実験は、広帯域の波長帯で発光するＹＡＧ：Ｃｅを使って行った。狭帯域の光を発するフォトルミネッセンス材料を用いて同様の構成で実験を行ったとしても、その波長の光に対して高い指向性および偏光発光を実現することができる。さらに、そのようなフォトルミネッセンス材料を用いた場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や他の偏光状態の光は発生しない光源を実現することができる。
[１０．他の変形例]
次に、本開示の発光素子および発光装置の他の変形例を説明する。
上述したように、本開示の発光素子が有するサブミクロン構造によって、発光増強効果を受ける光の波長および出射方向は、サブミクロン構造の構成に依存する。図３１に示す、フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子を考える。ここでは、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ており、図１Ａに示した１次元周期構造１２０を有する場合を例示する。１次元周期構造１２０によって発光増強を受ける光は、１次元周期構造１２０の周期ｐ（ｎｍ）、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率ｎwav、光が出射される外部の媒質の屈折率ｎoutとし、１次元周期構造１２０への入射角をθwav、１次元周期構造１２０から外部の媒質への出射角をθoutとすると、ｐ×ｎwav×ｓｉｎθwav−ｐ×ｎout×ｓｉｎθout＝ｍλの関係を満足する（上記の式（５）参照）。ここで、λは空気中における光の波長であり、ｍは整数である。
上記式から、θout＝ａｒｃｓｉｎ［（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎout］が得られる。したがって、一般に、波長λが異なると、発光増強を受けた光の出射角θoutが異なる。その結果、図３１に模式的に示すように、観察する方向によって、見える光の色が異なる。
この視角依存性を低減させるためには、（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎoutが、波長λによらず一定となるように、ｎwavおよびｎoutを選べばよい。物質の屈折率は、波長分散（波長依存性）を有しているので、（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎoutが波長λに依存しないような、ｎwavおよびｎoutの波長分散性を有する材料を選択すればよい。例えば、外部の媒質が空気の場合、ｎoutは、波長によらずほぼ１．０なので、フォトルミネッセンス層１１０および１次元周期構造１２０を形成する材料として、屈折率ｎwavの波長分散が小さい材料を選択することが望ましい。さらに、屈折率ｎwavがより短い波長の光に対して屈折率が低くなるような逆分散の材料のほうが望ましい。
また、図３２Ａに示すように、互いに発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列することによって、白色光を出射できるようにできる。図３２Ａに示す例では、赤色光（Ｒ）を増強できる周期構造１２０ｒと、緑色光（Ｇ）を増強できる周期構造１２０ｇと、青色光（Ｂ）を増強できる周期構造１２０ｂとがマトリクス状に配列されている。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂは、例えば、１次元周期構造で、それぞれの凸部は互いに平行に配列されている。したがって、偏光特性は、赤、緑、青の全ての色の光について同じである。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂによって、発光増強を受けた三原色の光が出射され、混色される結果、白色光、かつ、直線偏光が得られる。
マトリクス状に配列された各周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂを単位周期構造（または画素）と呼ぶと、単位周期構造の大きさ（即ち、一辺の長さ）は、例えば、周期の３倍以上である。また、混色の効果を得るためには人間の目で単位周期構造が認識されない方が望ましく、例えば、一辺の長さは１ｍｍよりも小さいことが望ましい。ここでは、各単位周期構造を正方形に描いているが、これに限られず、例えば、互いに隣接する周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂが長方形、三角形、六角形などの正方形以外の形状でもよい。
また、周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂの下に設けられているフォトルミネッセンス層は、周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂに共通であってもよいし、それぞれの色の光に対応して異なるフォトルミネッセンス材料を有するフォトルミネッセンス層を設けてもよい。
図３２Ｂに示すように、１次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造（周期構造１２０ｈ、１２０ｉおよび１２０ｊを含む）を配列してもよい。複数の周期構造が発光増強する光の波長は、同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば、同じ周期構造を図３２Ｂのように配列すると、偏光していない光を得ることができる。また、図３２Ａにおける周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂのそれぞれについて、図３２Ｂの配列を適用すると、全体として、非偏光の白色光を得ることができる。
もちろん、周期構造は、１次元周期構造に限らず、図３２Ｃに示すように、複数の２次元周期構造（周期構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎを含む）を配列してもよい。このとき、周期構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎの周期や方位は、上述したように、同じでもよいし、異なってもよく、必要に応じて適宜設定され得る。
図３３に示すように、例えば、発光素子の光の出射側にマイクロレンズ１３０のアレイを配置してもよい。マイクロレンズ１３０のアレイにより、斜め方向に出射される光を法線方向に曲げることによって、混色の効果を得ることができる。
図３３に示した発光素子は、図３２Ａにおける周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂをそれぞれ有する領域Ｒ１、Ｒ２およびＲ３を有する。領域Ｒ１においては、周期構造１２０ｒによって、赤色光Ｒが法線方向に出射され、例えば緑色光Ｇは斜め方向に出射される。マイクロレンズ１３０の屈折作用によって、斜め方向に出射された緑色光Ｇは法線方向に曲げられる。その結果、法線方向においては、赤色光Ｒと緑色光Ｇとが混色されて観察される。このように、マイクロレンズ１３０を設けることによって、出射される光の波長が角度によって異なるという現象が抑制される。ここでは、複数の周期構造に対応する複数のマイクロレンズを一体化したマイクロレンズアレイを例示しているが、これに限られない。もちろん、タイリングする周期構造は上記の例に限られず、同じ周期構造をタイリングした場合にも適用できるし、図３２Ｂまたは図３２Ｃに示した構成にも適用できる。
斜め方向に出射される光を曲げる作用を有する光学素子は、マイクロレンズアレイに代えてレンチキュラーレンズであってもよい。また、レンズだけでなく、プリズムを用いることもできる。プリズムのアレイを用いてもよい。周期構造に対応して個々にプリズムを配置してもよい。プリズムの形状は、特に制限されない。例えば、三角プリズムまたはピラミッド型プリズムを用いることができる。
白色光（あるいは、広いスペクトル幅を有する光）を得る方法は、上述の周期構造によるものの他、例えば、図３４Ａおよび図３４Ｂに示すように、フォトルミネッセンス層によるものもある。図３４Ａに示すように、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層１１０ｂ、１１０ｇ、１１０ｒを積層することによって、白色光を得ることができる。積層順は図示の例に限らない。また、図３４Ｂに示すように、青色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｂの上に、黄色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｙを積層してもよい。フォトルミネッセンス層１１０ｙは、例えばＹＡＧを用いて形成することができる。
この他、蛍光色素などマトリクス（ホスト）材料に混合して用いられるフォトルミネッセンス材料を用いる場合には、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス材料をマトリクス材料に混合し、単一のフォトルミネッセンス層で、白色光を発光するようにできる。この様な白色光を発光できるフォトルミネッセンス層は、図３２Ａ〜図３２Ｃを参照して説明した、単位周期構造をタイリングした構成に用いることができる。
フォトルミネッセンス層１１０を形成する材料として、無機材料（例えばＹＡＧ）を用いる場合、その製造過程で、１０００℃を超える熱処理を経ることがある。その際、下地（典型的には、基板）から不純物が拡散し、フォトルミネッセンス層１１０の発光特性を低下させることがある。不純物がフォトルミネッセンス層に拡散するのを防止するために、例えば図３５Ａ〜３５Ｄに示すように、フォトルミネッセンス層の下に、拡散防止層（バリア層）１０８を設けてもよい。図３５Ａ〜３５Ｄに示すように、拡散防止層１０８は、これまで例示した種々の構成において、フォトルミネッセンス層１１０の下層に形成される。
例えば、図３５Ａに示すように、基板１４０とフォトルミネッセンス層１１０との間に拡散防止層１０８が形成される。また、図３５Ｂに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂを有する場合には、フォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれの下層に拡散防止層１０８ａまたは１０８ｂが形成される。
基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合には、図３５Ｃ、図３５Ｄに示すように、基板１４０上に低屈折率層１０７を形成すると有益である。図３５Ｃに示すように、基板１４０の上に低屈折率層１０７を設けた場合、低屈折率層１０７とフォトルミネッセンス層１１０との間に拡散防止層１０８が形成される。さらに、図３５Ｄに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂを有する場合には、フォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂの下層に拡散防止層１０８ａおよび１０８ｂがそれぞれ形成される。
なお、低屈折率層１０７は、基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と同等かそれよりも大きい場合に形成されればよい。低屈折率層１０７の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い。低屈折率層１０７は、例えば、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、石英、樹脂、ＨＳＱ・ＳＯＧなどの常温硬化ガラスを用いて形成される。低屈折率層１０７の厚さは、光の波長よりも大きいことが望ましい。基板１４０は、例えば、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、ガラス（例えばソーダ石灰ガラス）、樹脂、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＴｉＯ2、Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12、ＬａＳｒＡｌＯ4、ＬａＳｒＧａＯ4、ＬａＴａＯ3、ＳｒＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ2・Ｙ2Ｏ3）、ＹＡＧ、Ｔｂ3Ｇａ5Ｏ12を用いて形成される。
拡散防止層１０８、１０８ａ、１０８ｂは、拡散を防止する対象の元素によって好適に選択されればよく、例えば、共有結合性の強い酸化物結晶や窒化物結晶を用いて形成されることができる。拡散防止層１０８、１０８ａ、１０８ｂの厚さは、それぞれ、例えば、５０ｎｍ以下である。
なお、拡散防止層１０８や後述する結晶成長層１０６のような、フォトルミネッセンス層１１０に隣接する層を有する構成においては、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。
無機材料を用いて形成されたフォトルミネッセンス層１１０においては、無機材料の結晶性が低いために、フォトルミネッセンス層１１０の発光特性が低いことがある。フォトルミネッセンス層１１０を構成する無機材料の結晶性を高めるために、図３６Ａに示すように、フォトルミネッセンス層１１０の下地に、結晶成長層（「シード層」ということもある。）１０６を形成してもよい。結晶成長層１０６は、その上に形成されるフォトルミネッセンス層１１０の結晶と格子整合する材料を用いて形成される。格子整合は、例えば±５％以内であることが望ましい。基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合、結晶成長層１０６または１０６ａの屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さいと有益である。
基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合には、図３６Ｂに示すように、基板１４０上に低屈折率層１０７を形成すればよい。結晶成長層１０６は、フォトルミネッセンス層１１０と接するので、基板１４０上に低屈折率層１０７が形成される場合には、低屈折率層１０７上に結晶成長層１０６が形成される。また、図３６Ｃに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂを有する構成においては、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれに対応する結晶成長層１０６ａまたは１０６ｂを形成すると有益である。結晶成長層１０６、１０６ａおよび１０６ｂの厚さは、それぞれ、例えば、５０ｎｍ以下である。
図３７Ａおよび３７Ｂに示すように、周期構造１２０を保護するために、表面保護層１３２を設けてもよい。図３７Ａおよび３７Ｂに示す例では、表面保護層１３２は、周期構造１２０を覆っており、表面保護層１３２のフォトルミネッセンス層１１０の表面は、平坦である。
表面保護層１３２は、図３７Ａに示すように、基板を有しないタイプのものであっても、図３７Ｂに示すように、基板１４０を有するタイプのものにも設けられ得る。図３７Ａに示した基板を有しないタイプの発光素子においては、フォトルミネッセンス層１１０の下層にも表面保護層を設けてもよい。このように、表面保護層１３２は、上述したいずれの発光素子の表面に設けてもよい。周期構造１２０は、図３７Ａおよび図３７Ｂに例示したものに限られず、上述したいずれのタイプであってもよい。例えば、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た構造であり得る（図２４参照）。この場合、空気層が透光層であるといってもよい。
表面保護層１３２は、例えば、樹脂、ハードコート材、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、ＳｉＯＣ、ＤＬＣを用いて形成することができる。表面保護層１３２の厚さは、例えば、１００ｎｍ〜１０μｍである。
表面保護層１３２を設けることによって、発光素子を外部環境から保護し、発光素子の劣化を抑制することができる。表面保護層１３２は、発光素子の表面を傷、水分、酸素、酸、アルカリ、または熱から保護する。表面保護層１３２の材料や厚さは、用途に応じて適宜設定され得る。
また、基板１４０の材料は熱によって劣化することがある。熱は、主にフォトルミネッセンス層１１０の非輻射ロスやストークスロスによって生じる。例えば、石英の熱伝導率（１．６Ｗ／ｍ・Ｋ）は、ＹＡＧの熱伝導率（１１．４Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも約１桁小さい。したがって、フォトルミネッセンス層（例えばＹＡＧ層）１１０で発生した熱が基板（例えば石英基板）１４０を通して外部に熱伝導して放熱されにくく、フォトルミネッセンス層１１０の温度が上昇し、熱劣化を起こすことがある。
そこで、図３８Ａに示すように、フォトルミネッセンス層１１０と基板１４０との間に、透明高熱伝導層１０５を形成することによって、フォトルミネッセンス層１１０の熱を外部に効率よく伝導させ、温度上昇を防ぐことができる。このとき、透明高熱伝導層１０５の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低いことが望ましい。なお、基板１４０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には、透明高熱伝導層１０５の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも高くてもよい。ただし、この場合には、透明高熱伝導層１０５は、フォトルミネッセンス層１１０とともに導波層を形成するので、５０ｎｍ以下であると有益である。基板１４０の材料として例えばソーダ石灰ガラスを用いる場合には、基板１４０の屈折率を考慮して透明高熱伝導層１０５を形成するための材料を決定すればよい。図３８Ｂに示すように、フォトルミネッセンス層１１０と透明高熱伝導層１０５との間に、低屈折率層１０７を形成すれば、厚い透明高熱伝導層１０５を利用できる。
また、図３８Ｃに示すように、高い熱伝導率を有する低屈折率層１０７で周期構造１２０を覆ってもよい。さらに、図３８Ｄに示すように、周期構造１２０を低屈折率層１０７で覆った上に、透明高熱伝導層１０５を形成してもよい。この構成においては、低屈折率層１０７が高い熱伝導率を有する必要はない。
透明高熱伝導層１０５の材料としては、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｙ2Ｏ3、ダイヤモンド、グラフェン、ＣａＦ2、ＢａＦ2を挙げることができる。これらの内、ＣａＦ2、ＢａＦ2は、屈折率が低いので、低屈折率層１０７として利用することができる。
[１１．発光素子の他の実施形態]
[１１−１．外部に出射する光量の向上]
これまでに説明した構成によれば、リフレクター、レンズなどの光学部品によらない狭角配光を実現し得る。上述の少なくともいずれかの態様によれば、例えば、特定の波長に関し、正面方向に出射する光の指向角を１５°程度に低減可能であり、上述の種々の態様は、比較的小さな指向角が求められる光デバイスに特に有用である。その一方で、光デバイスには、一般照明用の器具、車両のヘッドライトまたはテールライトなど、高い指向性が要求されない用途も存在する。このような用途においては、発光素子からより多くの光が出力されると有益である。
本開示の発光素子における、特定の波長に関する指向性は、フォトルミネッセンス層の内部に擬似導波モードを形成し、擬似導波モードの光を、擬似導波モードと周期構造との間の相互作用に基づいて発光素子の外部に取り出すことによって達成されると推測される。そのため、発光素子が擬似導波モードの光を外部に放出するレートを向上させれば、発光素子から外部に出てくる光の量を向上させ得ると期待される。
発光素子が擬似導波モードの光を外部に放出するレートは、図８〜図１１を参照して説明したように、周期構造を構成する材料の屈折率と、周期構造の高さとに応じて変化する。図８および図９を参照して説明したように、周期構造の屈折率が大きくなると、光を閉じ込める効果が減少する（Ｑ値が低下するといってもよい）。したがって、周期構造の屈折率を大きくすれば、より多くの光を発光素子の外部に取り出すことができると期待される。また、周期構造の高さを増大させた場合も同様に、発光素子が擬似導波モードの光を外部に放出するレートを向上させ得る。このとき、発光素子の外部に出射される光における、高次の光の割合を低減できると有益である。
[１１−２．表面形状における断面形状と指向性との関係]
本発明者らは、周期構造の断面形状をフーリエ級数を用いて表現したときにその級数にどのような高次の項が含まれているかによって、発光素子から出射される高次の光の割合を見積もることができることを見出した。本発明者らの検討結果によれば、ある波長に注目したとき、発光素子から出射される光の次数は、周期構造の断面形状のフーリエ級数展開に含まれる周波数成分の次数に関連している。すなわち、周期構造の断面形状のフーリエ級数展開が高次の周波数成分を含んでいると、発光素子からは、フーリエ級数の項数に応じた高次の光が出射される。
図３９は、１次のみ（正弦波）、３次まで、５次まで、および、１１次までの項を含む三角級数を計算した結果を示すグラフである。図３９には、矩形波を示すグラフもあわせて示されている。図示するように、高周波成分が増えるにつれて、三角級数のグラフの形状は、矩形波に近づく。したがって、図４０に示すように、断面形状が矩形状の複数の凸部（または凹部）を含む周期構造が形成された発光素子からは、次数の異なる高次の光が多く出射される。すなわち、このような発光素子から発せられる光における１次の光の割合は、比較的低いといえる。
１次の光の割合を増加させる観点からは、周期構造の断面形状のフーリエ級数展開がより高次の項を含まない方が有利である。１次の光の割合を増加させる観点からは、断面形状が矩形状の複数の凸部を含む周期構造（図４０）よりも、フーリエ級数展開に含まれる高次の項がより少ない、断面形状が三角形状の複数の凸部を含む周期構造（図４１Ａ）の方が有利である。正弦波は、１次の周波数成分のみによって構成される（図３９参照）ので、周期構造の断面形状が正弦波に近い（図４１Ｂ）ほど、特定の方向に向けて出射される１次の光の割合を増加させ得る。
[１１−３．発光素子]
図４２は、本開示の他の実施形態による発光素子の例示的な断面を模式的に示す。図４２に示す発光素子１００ｂは、基板１４０と、基板１４０に支持されたフォトルミネッセンス層１１０とを有する。図４２に例示する構成において、フォトルミネッセンス層１１０の基板１４０とは反対側の表面には、周期構造１２０ｂが形成されている。なお、この例では、図１９Ａを参照して説明した構造と同様に、基板１４０のフォトルミネッセンス層１１０の側の表面には、周期構造１２０ａが形成されている。周期構造１２０ａおよび周期構造１２０ｂは、フォトルミネッセンス層１１０が発する光のうち、特定の波長の光の指向角を制限する。
なお、ここで説明する例において、基板１４０は、概ね平面状である。基板１４０のフォトルミネッセンス層１１０とは反対側の主面ＰＳは、典型的には、平坦面であり、ここでは、主面ＰＳは、ｘｙ面に平行である。基板１４０およびフォトルミネッセンス層１１０は、ｚ方向に沿って積層されている。図４２は、発光素子１００ｂにおける、フォトルミネッセンス層１１０に垂直、かつ、周期構造１２０ｂにおける複数の凸部の配列方向に平行な断面（すなわち垂直断面）を模式的に示している。
フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂは、複数の凸部を含む。周期構造１２０ｂにおける複数の凸部は、垂直断面を見たときに頂部よりも幅が大きな基部を有する少なくとも１つの凸部を含む。周期構造１２０ｂは、頂部よりも基部の方が幅が大きい断面形状を有する１以上の凸部を局所的に含んでいてもよい。あるいは、複数の凸部の各々が、頂部よりも幅が大きい基部を有していてもよい。
図示する例では、ｘ方向に沿って配列された４つの凸部の各々の断面形状は、台形状であり、例えば、図中の一番右側にある凸部１２２ｂに注目すると、凸部１２２ｂの基部の幅Ｂｓは、頂部の幅Ｔｐよりも大きい。
周期構造１２０ｂが、垂直断面を見たときに頂部よりも幅が大きな基部を有する少なくとも１つの凸部を含むようにすることにより、周期構造１２０ｂの断面形状における、配列方向に沿った高さの急激な変化を抑制し得る。したがって、周期構造１２０ｂが、垂直断面を見たときに頂部よりも幅が大きな基部を有する少なくとも１つの凸部を含むようにすることにより、周期構造の断面形状を正弦波に近づけて、特定の方向に向けて出射される１次の光の割合を増加させることが可能である。
図示するように、凸部１２２ｂが、フォトルミネッセンス層１１０に垂直な方向（ここではｚ方向に平行）に対して傾斜した側面を有していてもよい。別の言い方をすれば、周期構造１２０ｂが、フォトルミネッセンス層１１０に平行な平面（ここではｘｙ面）で切断したときに、その平面が基板１４０に近づくにつれて断面積が増大するような、少なくとも１つの凸部を含んでいてもよい。この例では、フォトルミネッセンス層１１０に平行な平面における凸部１２２ｂの断面積は、フォトルミネッセンス層１１０に最も近い部分において最も大きい。フォトルミネッセンス層１１０に平行な平面における凸部の断面積は、頂部から基部に向かって単調に増加してもよいし、頂部から基部の間の一部分において増加していてもよい。
周期構造１２０ｂが複数の凹部を含む場合には、複数の凹部が、垂直断面を見たときに底部よりも幅が大きな開口部を有する少なくとも１つの凹部を含んでいればよい。周期構造１２０ｂは、このような断面形状を有する１以上の凹部を局所的に含んでいてもよいし、複数の凹部の各々が、底部よりも幅が大きい開口部を有していてもよい。図４２に例示する構成において、周期構造１２０ｂが凹部１２４ｂを含むと解釈した場合、凹部１２４ｂの側面は、フォトルミネッセンス層１１０に垂直な方向に対して傾斜しているといえる。あるいは、フォトルミネッセンス層１１０に平行な平面で周期構造１２０ｂを切断したとき、その平面が基板１４０に近づくにつれて凹部１２４ｂの開口面積が減少するということもできる。この例では、フォトルミネッセンス層１１０に平行な平面における凹部１２４ｂの開口面積は、基板１４０に最も近い部分において最も小さい。周期構造１２０ｂが、垂直断面を見たときに底部よりも幅が大きな開口部を有する少なくとも１つの凹部を含むようにすることにより、周期構造１２０ｂが、垂直断面を見たときに頂部よりも幅が大きな基部を有する少なくとも１つの凸部を含む場合と同様の効果が得られる。周期構造１２０ｂは、フォトルミネッセンス層１１０と同じ材料を用いて形成されてもよいし、フォトルミネッセンス層１１０とは異なる材料を用いて形成されてもよい。
上述したように、基板１４０上には、周期構造１２０ａが形成されている。周期構造１２０ａは、複数の凸部を含む。周期構造１２０ａは、基板１４０と同じ材料を用いて形成されていてもよいし、基板１４０とは異なる材料を用いて形成されていてもよい。上述のフォトルミネッセンス層１１０は、これらの複数の凸部を覆うように基板１４０上に形成されている。図４２に例示する構成では、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂにおける複数の凸部の各々は、それぞれ、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける複数の凸部の各々の上に位置している。
図４２に例示する構成において、基板１４０は、典型的には透明基板であり、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として機能し得る。この例では、透光層としての基板１４０は、フォトルミネッセンス層１１０に接しており、周期構造１２０ａは、透光層とフォトルミネッセンス層１１０との境界に形成されているといえる。図示する例では、フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０ｂが形成されているので、発光素子１００ｂが、フォトルミネッセンス層１１０の基板１４０とは反対側にさらに他の透光層を有しているといってもよい。
なお、図３５Ａ〜図３５Ｄ、図３６Ａ〜図３６Ｃ、図３８Ａおよび図３８Ｂを参照して説明したように、フォトルミネッセンス層１１０と基板１４０との間には、拡散防止層１０８、低屈折率層１０７、結晶成長層１０６および透明高熱伝導層１０５などの中間層が配置され得る。このとき、周期構造１２０ａは、透光層とフォトルミネッセンス層１１０との境界に設けられる。中間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、中間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とすればよい。中間層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも小さい場合、中間層が導波モードにほとんど影響を与えないので、中間層の屈折率を考慮する必要はない。
図４２中、太い実線の矢印は、基板１４０上の周期構造１２０ａとの間の相互作用によって発光素子１００ｂの外部に取り出される光を模式的に示し、太い破線の矢印は、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂとの間の相互作用によって発光素子１００ｂの外部に取り出される光を模式的に示す。ここで説明する実施形態では、透光層（ここでは基板１４０）のフォトルミネッセンス層１１０の側の表面、および、フォトルミネッセンス層１１０の透光層とは反対側の表面に、周期構造１２０ａおよび１２０ｂをそれぞれ設けている。このような構成によれば、図４２に模式的に示すように、周期構造１２０ａとの相互作用により進行方向が特定の方向に変更された光と、周期構造１２０ｂとの相互作用により進行方向が特定の方向に変更された光とが、発光素子１００ｂの外部に取り出される。別の言い方をすれば、周期構造１２０ａにおける高さもしくは屈折率、または、周期構造１２０ｂにおける高さもしくは屈折率を増大させた場合と実効的に同様の効果が得られる。透光層のフォトルミネッセンス層１１０の側の表面、および、フォトルミネッセンス層１１０の透光層とは反対側の表面にそれぞれ周期構造を設けることにより、発光素子１００ｂの外部に取り出される光の量を全体として増大させ得る。したがって、発光素子の適用範囲をより広げることが可能である。
なお、周期構造１２０ａにおける周期ｐ１（ここでは隣接する２つの凸部の間の中心間距離に等しい）と、周期構造１２０ｂにおける周期ｐ２（ここでは隣接する２つの凸部の間の中心間距離に等しい）とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。ｐ１とｐ２とが等しければ、特定の波長の発光強度を大きくすることができ、ｐ１とｐ２とが異なっていれば、スペクトルを広げることができる。周期ｐ１およびｐ２は、上述の式（１５）に基づいて決定されればよい。
透光層としての基板１４０の表面およびフォトルミネッセンス層１１０の表面に周期構造１２０ａおよび１２０ｂをそれぞれ設けることにより、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂにおける断面形状との相乗効果が得られる。結果として、特定の方向に出射される特定の波長の光に関して、より高い発光増強の効果が得られる。言うまでもないが、周期構造１２０ａにおける高さもしくは屈折率、および／または、周期構造１２０ｂにおける高さもしくは屈折率を増大させる手法を組み合わせてもよい。
なお、周期構造を構成する複数の凸部または凹部に関して、側面の「傾斜角」を定義することができる。図４３は、複数の凸部Ｐｔを含む周期構造の垂直断面の一部を模式的に示す。周期構造に含まれる複数の凸部Ｐｔのうち、注目した範囲に含まれる凸部Ｐｔの各側面Ｌｓについて、フォトルミネッセンス層１１０に垂直な方向を示す軸Ｎ１と、側面Ｌｓの法線Ｎｐとがなす角θ（０°≦θ≦９０°）の大きさを求め、これらの算術平均を側面の「傾斜角」と定義する。ただし、θは、軸Ｎ１から法線Ｎｐに向かって測った角度とする。例えば側面Ｌｓの断面形状が階段状であるなど、側面Ｌｓが複数の面を含む場合には、各面について上述の角θを求め、それらの平均値を用いればよい。上述の角θは、例えば、発光素子の断面を撮影して得られた画像におけるフィッティングなどを利用して測定することが可能である。
側面Ｌｓの垂直断面における輪郭が曲線部分を含む場合には、その曲線部分については、その曲線部分の始点から終点までの間における上述の角θの平均的な値を採用すればよい。複数の凹部から周期構造が構成される場合も、複数の凸部から周期構造が構成される場合と同様に、上述の「傾斜角」を定義することができる。
図４３に例示する構成では、フォトルミネッセンス層１１０上にｘ方向に沿って配列された４つの凸部の各々における断面形状が台形状であることに対して、基板１４０上にｘ方向に沿って配列された４つの凸部の各々における断面形状は、矩形状である。この例では、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂにおける複数の凸部の側面の傾斜角は、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける複数の凸部の側面の傾斜角（ここでは９０°）よりも小さい。周期構造１２０ｂおよび周期構造１２０ａの各々が、複数の凹部から構成される場合には、周期構造１２０ｂにおける複数の凹部の側面の傾斜角が、周期構造１２０ａにおける複数の凹部の側面の傾斜角よりも小さくてもよい。
[１１−４．側面の傾斜角と光の増強度との間の関係]
本発明者らは、サイバネット社のDiffractMODを用いて光学解析を行い、周期構造の断面形状が光の増強度に与える影響を検証した。ここでも、図２などを参照して説明した計算と同様に、発光素子に対して外部から垂直に光を入射したときの、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により、外部へ垂直に出射する光の増強度を求めた。計算のモデルとして、図４３に示すような断面形状を想定した。
以下の計算において、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂにおける複数の凸部の各々における断面形状（ここでは台形状）は、これらの間で共通であるとした。また、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける複数の凸部の各々における断面形状（ここでは矩形状）も、これらの間で共通であるとした。すなわち、ここでは、計算のモデルとして、ｙ方向に均一な１次元周期構造を想定している。
以下の計算では、基板１４０の屈折率を１．５、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率を１．８とした。計算においては、周期構造１２０ｂを構成する材料とフォトルミネッセンス層１１０を構成する材料とが共通であるとし、また、周期構造１２０ａを構成する材料と基板１４０を構成する材料とが共通であるとした。周期構造１２０ａの凸部の基部から周期構造１２０ｂの凸部の基部までの距離ｈ３を２４０ｎｍとし、周期構造１２０ａの凸部の高さｈ１および周期構造１２０ｂの凸部の高さｈ２を１００ｎｍとした。周期構造１２０ａにおける周期ｐ１および周期構造１２０ｂにおける周期ｐ２は、いずれも４００ｎｍとした。
図４４は、周期構造１２０ｂにおける複数の凸部の側面の傾斜角を変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示す。なお、光の偏光が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い、凸部の側面の傾斜角を変える際は、凸部の垂直断面における面積が一定となるように頂部および基部の面積を調整した。
図４４から、フォトルミネッセンス層１１０上に配置された複数の凸部における側面の傾斜角を４０°程度にまで低下させることにより、特定の波長に関する発光増強の効果を向上させ得ることがわかった。これは、周期構造の断面形状が正弦波に近づき、特定の方向に向けて出射される１次の光の割合が増加したからであると考えられる。このように、例えば周期構造１２０ｂにおける複数の凸部の側面の傾斜角を周期構造１２０ａにおける複数の凸部の側面の傾斜角よりも小さくすることにより、特定の波長に関して、より高い発光増強の効果が期待できることがわかった。
[１１−５．発光素子の変形例]
図４５は、傾斜した側面を有する凸部を含む周期構造がフォトルミネッセンス層１１０上に形成された発光素子の他の例を示す。図４５に示す発光素子１００ｃと、図４３に示す発光素子１００ｂとの間の相違点は、発光素子１００ｃでは、基板１４０上に形成された周期構造１２０ａが、傾斜した側面を有する複数の凸部を含んでいる点である。
図４５に例示する構成では、周期構造１２０ａにおいて、ｘ方向に沿って配列された４つの凸部の各々の断面形状は、台形状である。例えば、図中の一番右側にある凸部１２２ａに注目すると、対向する凸部１２２ｂと同様に、凸部１２２ａにおける基部の幅Ｂｓは、頂部の幅Ｔｐよりも大きい。このように、基板１４０上の周期構造１２０ａが、頂部よりも幅が大きな基部を有する１以上の凸部を含んでいてもよい。この例では、凸部１２２ａの側面は、フォトルミネッセンス層１１０に垂直な方向に対して傾斜している。
なお、この例においても、基板１４０上の周期構造１２０ａが複数の凹部を含むと解釈することが可能である。この場合、例えば、周期構造１２０ａ中の凹部１２４ａは、垂直断面を見たときに底部よりも幅が大きな開口部を有している。周期構造１２０ａは、このような断面形状を有する１以上の凹部を含んでいてもよい。凹部１２４ａの側面は、フォトルミネッセンス層１１０に垂直な方向に対して傾斜しており、フォトルミネッセンス層１１０に平行な平面で周期構造１２０ａを切断したとき、その平面が周期構造１２０ｂから離れるにつれて凹部１２４ａの開口面積は、減少する。この例では、フォトルミネッセンス層１１０に平行な平面における凹部１２４ａの開口面積は、基板１４０に最も近い部分において最も小さい。
図４６は、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂ、および、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける複数の凸部の側面の傾斜角を変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示す。ここでは、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂにおける複数の凸部の各々の断面形状と、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける複数の凸部の各々の断面形状とが共通（ここでは台形状）であるとして図４４を参照して説明した光学解析と同様の計算を行った。図４６から、複数の凸部における側面の傾斜角を４０°程度にまで低下させることにより、特定の波長に関する発光増強の効果を向上させ得ることがわかった。
なお、図４７は、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂにおける複数の凸部の各々における断面形状を矩形状とし、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける複数の凸部の各々における断面形状を台形状としたときの計算結果を示す。図４７に示すように、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける複数の凸部の側面がフォトルミネッセンス層１１０に垂直な方向に対して傾斜していると、傾斜角が小さくなるにつれて特定の波長の光に関する増強度が増大する傾向がある。
[１１−６．周期構造における他の例示的な断面形状]
周期構造１２０ａおよび周期構造１２０ｂにおける複数の凸部の各々の断面形状は、矩形状または台形状に限定されず、種々の形状であり得る。
図４８Ａ〜図４８Ｄは、周期構造の断面形状の他の例を示す。図４８Ａに示す周期構造１２０ｄ、図４８Ｂに示す周期構造１２０ｅおよび図４８Ｃに示す周期構造１２０ｆは、それぞれ、複数の凸部１２２ｄ、複数の凸部１２２ｅおよび複数の凸部１２２ｆを含んでいる。図４８Ａは、凸部１２２ｄの側面のうち、凸部１２２ｄの基部に近い部分が湾曲した構造を示している。図４８Ｂは、凸部１２２ｅの側面のうち、凸部１２２ｅの頂部に近い部分が湾曲した構造を示している。図４８Ｃは、凸部１２２ｆの側面のうち、凸部１２２ｆの頂部に近い部分が湾曲した構造を示している。このように、周期構造を構成する凸部（または凹部）の垂直断面における輪郭が、曲線部分を含んでいてもよい。フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂにおける複数の凸部（もしくは凹部）の側面の少なくとも一部、および／または、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける複数の凸部（もしくは凹部）の側面の少なくとも一部がフォトルミネッセンス層１１０に垂直な方向に対して傾斜していれば、特定の方向に出射される特定の波長の光における高次の光の割合を低減し得る。なお、図示する例において、凸部１２２ｄ、凸部１２２ｅおよび凸部１２２ｆのいずれも、基部の幅Ｂｓは、頂部の幅Ｔｐよりも大きい。
図４８Ｄに示す周期構造１２０ｇは、垂直断面における側面の輪郭が階段状の複数の凸部１２２ｇを含んでいる。このように、周期構造１２０ａを構成する凸部（もしくは凹部）の側面および／または周期構造１２０ｂを構成する凸部（もしくは凹部）の側面が、その一部に階段状の部分を含んでいてもよい。この例では、凸部の右側の側面の形状と、凸部の左側の側面の形状とが対称であるが、凸部の断面形状は、この例に限定されない。凸部の左右で側面の形状が異なっていてもよい。
図４８Ｄに例示する構成において、凸部１２２ｇは、断面形状が矩形状の２つの凸部が積層された構造であるともいえる。このような断面形状は、配列方向に沿って見たときに高さが急峻に変化する部分を含む。しかしながら、配列方向における２つの矩形のずれｗが大きければ、側面の傾斜角を小さくしたときと同様の効果が得られる。すなわち、発光素子から特定の方向に出射された特定の波長の光における高次の光の割合を低減し得る。また、階段状の側面における段数も、任意に設定可能である。階段状の側面における段数を増やせば、凸部の断面形状が三角形に近づくので、同様に、高次の光の割合を低減し得る。
[１１−７．表面構造の断面形状の制御方法]
既に説明したように、半導体プロセス、ナノインプリントなどの方法を適用することにより、基板１４０上に周期構造１２０ａを形成することができる。その後、例えばスパッタリングを用いて基板１４０上にさらに蛍光材料の膜を形成することにより、フォトルミネッセンス層１１０と、周期構造１２０ａを構成する複数の凸部（または凹部）に対向する複数の凸部（または凹部）を含む周期構造１２０ｂとを形成することができる。
周期構造１２０ｂの形成時、スパッタリングにおける雰囲気ガス（例えばアルゴンガス）の圧力を調整することにより、周期構造１２０ｂを構成する複数の凸部（または凹部）の断面形状を制御することが可能である。スパッタリング時の圧力が比較的低いと、弾道的な輸送が支配的となり、図４９Ａに模式的に示すように、ターゲットから放出された材料粒子は、基板１４０の表面に対してほぼ垂直に当たる。そのため、基板１４０上の周期構造１２０ａを構成する複数の凸部の断面形状が、周期構造１２０ｂの複数の凸部の断面形状に反映されやすい。また、雰囲気ガスを構成する分子の衝突がドライエッチングと同様に作用しやすく、角部がより尖る傾向がある。これに対し、スパッタリング時の圧力が比較的高いと、拡散的な輸送が支配的となり、図４９Ｂに模式的に示すように、基板１４０の表面に対して傾斜した方向から基板１４０に当たる材料粒子の割合が増える。結果として、より滑らかな表面が形成されやすい。
図５０Ａおよび図５０Ｂは、断面形状が矩形状で高さが１７０ｎｍの複数の凸部を含む周期構造（周期：４００ｎｍ）を有する石英基板上に、スパッタリングによりＹＡＧ：Ｃｅを堆積することによって得たサンプルの垂直断面を示す。図５０Ａおよび図５０Ｂは、それぞれ、雰囲気ガスの圧力が０．３Ｐａおよび０．５Ｐａの条件で成膜を行ったサンプルの断面を示している。図５０Ａおよび図５０Ｂに示すいずれのサンプルについても、ターゲットのエロージョン領域（ターゲットから材料粒子が弾き出される範囲）の直下に石英基板が配置された状態で成膜を行った。
また、基板１４０上の周期構造１２０ａを構成する複数の凸部の高さ（または凹部の深さ）を調整することにより、周期構造１２０ａの凸部における頂部の幅（または凹部の開口部の幅）と、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂの凸部における基部の幅（または凹部の底部の幅）との大小関係を制御することが可能である。
図５１Ａおよび図５１Ｂは、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける凸部の高さが比較的小さい場合に得られる、フォトルミネッセンス材料の膜の断面形状を模式的に示す。図５１Ｂは、図５１Ａに示す状態からフォトルミネッセンス材料をさらに堆積した状態を示している。図５１中、周期構造１２０ａ中のある凸部と、その凸部に対向する、周期構造１２０ｂ中の凸部とに注目する。周期構造１２０ａにおける凸部の高さが比較的小さい場合、周期構造１２０ｂの凸部の基部の幅Ｂｓが、周期構造１２０ａの凸部の頂部の幅Ｔｐと比較して小さくなる傾向がある。周期構造１２０ａ中の隣接する２つの凸部の間に凹部が形成されており、かつ、周期構造１２０ｂ中の隣接する２つの凸部の間に、その凹部に対向する凹部が形成されていると考えると、周期構造１２０ｂの凹部の底部の幅Ｂｍは、周期構造１２０ａの凹部の開口部の幅Ｏｐよりも大きい。
図５１Ｃは、断面形状が矩形状で高さが６０ｎｍの複数の凸部を含む周期構造（周期：４００ｎｍ）を有する石英基板上に、スパッタリングによりＹＡＧ：Ｃｅを堆積することによって得たサンプルの垂直断面を示す。スパッタリングにおいては、雰囲気ガスの圧力を０．５Ｐａとし、ターゲットのエロージョン領域の直下に石英基板を配置した。
図５２Ａおよび図５２Ｂは、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける凸部の高さが比較的大きい場合に得られる、フォトルミネッセンス材料の膜の断面形状を模式的に示す。図５２Ｂは、図５２Ａに示す状態からフォトルミネッセンス材料をさらに堆積した状態を示している。図５２Ｂ中、周期構造１２０ａ中のある凸部と、その凸部に対向する、周期構造１２０ｂ中の凸部とに注目する。周期構造１２０ａにおける凸部の高さが比較的大きい場合、周期構造１２０ｂの凸部の基部の幅Ｂｓが、周期構造１２０ａの凸部の頂部の幅Ｔｐと比較して大きくなる傾向がある。周期構造１２０ａ中の隣接する２つの凸部の間に凹部が形成されており、かつ、周期構造１２０ｂ中の隣接する２つの凸部の間に、その凹部に対向する凹部が形成されていると考えると、周期構造１２０ｂの凹部の底部の幅Ｂｍは、周期構造１２０ａの凹部の開口部の幅Ｏｐよりも小さい。
図５２Ｃは、断面形状が矩形状で高さが２００ｎｍの複数の凸部を含む周期構造（周期：４００ｎｍ）を有する石英基板上に、スパッタリングによりＹＡＧ：Ｃｅを堆積することによって得たサンプルの垂直断面を示す。スパッタリングにおける雰囲気ガスの圧力は、０．５Ｐａとした。なお、この例では、石英基板をターゲットのエロージョン領域の直下から少しずれた場所に配置した状態で堆積を行った。そのため、下側の凸部（石英基板に形成された凸部）の重心位置と、上側（ＹＡＧ層に形成された凸部）の凸部の重心位置が配列方向に沿って少しずれていることが分かる。
[１１−８．周期構造１２０ａに対する周期構造１２０ｂのシフト]
図４３および図４５に例示した構成では、周期構造１２０ｂの複数の凸部の各々は、それぞれ、周期構造１２０ａの複数の凸部の各々の直上に位置している。しかしながら、図５２Ｃに例示するように、基板１４０上の凸部（または凹部）と、フォトルミネッセンス層１１０上の対応する凸部（または凹部）との間で、これらの中心が完全に一致している必要はない。以下に説明するように、基板１４０上の周期構造１２０ａおよびフォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂにおいて、これらの一方を基準として、他方が配列方向に沿って一定量シフトしていた方が、より高い発光増強の効果を得られることもある。
本発明者らは、光学解析により、基板１４０上の周期構造１２０ａに対する、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂの配列方向に沿ったシフト量が光の増強度に与える影響を検証した。光学解析には、サイバネット社のDiffractMODを用いた。計算のモデルとしては、図４４などを参照して説明した例と同様の、ｙ方向に均一な１次元周期構造が基板１４０上およびフォトルミネッセンス層１１０上に形成された構造を用いた。ただし、ここでは、図５３に示すように、周期構造１２０ａ中および周期構造１２０ｂ中の各凸部の断面形状が矩形状（側面の傾斜角は９０°）であるとして計算を行った。
図５３は、周期構造１２０ａと周期構造１２０ｂとの間のシフト量を説明するための模式的な断面図である。周期構造間のシフト量は、周期構造における周期に対する、配列方向に沿ったずれの大きさによって表すことができる。配列方向に沿ったずれの大きさは、図示するように、例えば、周期構造１２０ａにおける凸部の基部の右端の位置と、周期構造１２０ｂにおける対応する凸部の基部の右端の位置との間の配列方向に沿った距離Ｓｔとして定義される。図５３中、一番上の断面は、シフト量Ｓｔが０の状態であり、一番下の断面は、シフト量Ｓｔが周期の５０％の状態である。なお、本明細書では、周期構造１２０ａにおけるある凸部（または凹部）と、周期構造１２０ｂにおけるある凸部（または凹部）とが、周期の５０％を超えない範囲で配列方向に沿ってずれている状態を、「対向する」と表現する。
図５４は、周期構造１２０ａを基準とする、周期構造１２０ｂのシフト量を変えて、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５４に示すように、シフト量が増大するにつれて、発光におけるピークが高くなっている。ただし、シフト量が周期構造における周期の５０％に達すると、シフト量が４０％の場合と比較してピークが低下している。ここでは、シフト量が周期の３０％および４０％である場合に、高い発光増強の効果が得られている。
図５４から、基板１４０上の周期構造１２０ａと、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂとを、周期の５０％を上限として配列方向に沿ってシフトさせることにより、特定の波長に関して、より高い発光増強の効果を得られる可能性があることがわかった。このように、基板１４０上の周期構造１２０ａにおける複数の凸部（または凹部）と、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０ｂにおける複数の凸部（または凹部）との間で、こららの中心が完全に一致している必要はなく、ある程度のシフトは許容される。
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〜１００ｃ 発光素子
１１０ フォトルミネッセンス層（導波層）
１２０、１２０’、１２０ａ〜１２０ｇ 透光層（周期構造、サブミクロン構造）
１４０ 基板
１５０ 保護層
１８０ 光源
２００ 発光装置

Claims (21)

  1. 透光層と、
    前記透光層上のフォトルミネッセンス層であって、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、を備え、
    前記フォトルミネッセンス層は、前記透光層とは反対側の表面に、複数の凸部を含む第１表面構造を有し、
    前記透光層は、前記フォトルミネッセンス層の側の表面に、前記複数の凸部に対向する複数の凸部を含む第２表面構造を有し、
    前記第１表面構造および前記第２表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限し、
    前記第１表面構造における前記複数の凸部は、第１凸部を含み、
    前記フォトルミネッセンス層に垂直、かつ、前記第１表面構造における前記複数の凸部の配列方向に平行な断面において、前記第１凸部の基部の幅は、頂部の幅よりも大きい、発光素子。
  2. 前記第１表面構造における前記複数の凸部の側面の傾斜角は、前記第２表面構造における前記複数の凸部の側面の傾斜角よりも小さい、請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記第２表面構造は、前記第１凸部に対向する第２凸部を含み、
    前記断面において、前記第１凸部の基部の幅は、前記第２凸部の頂部の幅よりも小さい、請求項１または２に記載の発光素子。
  4. 前記第２表面構造は、前記第１凸部に対向する第２凸部を含み、
    前記断面において、前記第１凸部の基部の幅は、前記第２凸部の頂部の幅よりも大きい、請求項１または２に記載の発光素子。
  5. 前記第２表面構造における前記複数の凸部は、前記第１凸部に対向する第２凸部を含み、
    前記断面において、前記第２凸部の基部の幅は、頂部の幅よりも大きい、請求項１に記載の発光素子。
  6. 前記第１表面構造における前記複数の凸部の側面の少なくとも一部は、前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に対して傾斜しており、
    前記第２表面構造における前記複数の凸部の側面の少なくとも一部は、前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に対して傾斜している、請求項５に記載の発光素子。
  7. 前記第１表面構造における前記複数の凸部の側面の少なくとも一部、および、前記第２表面構造における前記複数の凸部の側面の少なくとも一部のうち、少なくとも一方は、階段状である、請求項５または６に記載の発光素子。
  8. 前記第１表面構造における隣接する２つの凸部間の距離をＤ１intとし、前記第２表面構造における隣接する２つの凸部間の距離をＤ２intとし、空気中の波長がλaの前記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＜Ｄ１int＜λaおよびλa／ｎwav-a＜Ｄ２int＜λaの関係が成り立つ、請求項１から７のいずれかに記載の発光素子。
  9. 透光層と、
    前記透光層上のフォトルミネッセンス層であって、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、を備え、
    前記フォトルミネッセンス層は、前記透光層とは反対側の表面に、複数の凹部を含む第１表面構造を有し、
    前記透光層は、前記フォトルミネッセンス層の側の表面に、前記複数の凹部に対向する複数の凹部を含む第２表面構造を有し、
    前記第１表面構造および前記第２表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限し、
    前記第１表面構造における前記複数の凹部は、第１凹部を含み、
    前記フォトルミネッセンス層に垂直、かつ、前記第１表面構造における前記複数の凹部の配列方向に平行な断面において、前記第１凹部の開口部の幅は、底部の幅よりも大きい、発光素子。
  10. 前記第１表面構造における前記複数の凹部の側面の傾斜角は、前記第２表面構造における前記複数の凹部の側面の傾斜角よりも小さい、請求項９に記載の発光素子。
  11. 前記第２表面構造は、前記第１凹部に対向する第２凹部を含み、
    前記断面において、前記第１凹部の底部の幅は、前記第２凹部の開口部の幅よりも小さい、請求項９または１０に記載の発光素子。
  12. 前記第２表面構造は、前記第１凹部に対向する第２凹部を含み、
    前記断面において、前記第１凹部の底部の幅は、前記第２凹部の開口部の幅よりも大きい、請求項９または１０に記載の発光素子。
  13. 前記第２表面構造における前記複数の凹部は、前記第１凹部に対向する第２凹部を含み、
    前記断面において、前記第２凹部の開口部の幅は、底部の幅よりも大きい、請求項９に記載の発光素子。
  14. 前記第１表面構造における前記複数の凹部の側面の少なくとも一部は、前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に対して傾斜しており、
    前記第２表面構造における前記複数の凹部の側面の少なくとも一部は、前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に対して傾斜している、請求項１３に記載の発光素子。
  15. 前記第１表面構造における前記複数の凹部の側面の少なくとも一部、および、前記第２表面構造における前記複数の凹部の側面の少なくとも一部のうち、少なくとも一方は、階段状である、請求項１３または１４に記載の発光素子。
  16. 前記第１表面構造における隣接する２つの凹部間の距離をＤ１intとし、前記第２表面構造における隣接する２つの凹部間の距離をＤ２intとし、空気中の波長がλaの前記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＜Ｄ１int＜λaおよびλa／ｎwav-a＜Ｄ２int＜λaの関係が成り立つ、請求項９から１５のいずれかに記載の発光素子。
  17. 前記Ｄ１intと前記Ｄ２intとが等しい、請求項８または１６に記載の発光素子。
  18. 前記第１表面構造は、少なくとも１つの第１周期構造を有し、
    前記第２表面構造は、少なくとも１つの第２周期構造を有し、
    前記少なくとも１つの第１周期構造の周期をｐ１aとし、前記少なくとも１つの第２周期構造の周期をｐ２aとし、空気中の波長がλaの前記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＜ｐ１a＜λaおよびλa／ｎwav-a＜ｐ２a＜λaの関係が成り立つ、請求項１から１７のいずれかに記載の発光素子。
  19. 前記第１表面構造および前記第２表面構造は、前記フォトルミネッセンス層から出射される空気中の波長がλaの前記光の強度を、前記第１表面構造および前記第２表面構造によって予め決められた第１の方向において最大にする擬似導波モードを、前記フォトルミネッセンス層の内部に形成する、請求項１から１８のいずれかに記載の発光素子。
  20. 前記第１の方向に出射された、空気中の波長がλaの前記光は、直線偏光である、請求項１９に記載の発光素子。
  21. 前記第１表面構造および前記第２表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を、１５°未満に制限する、請求項１から２０のいずれかに記載の発光素子。
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