JP5527327B2 - 発光素子、光源装置及び投射型表示装置 - Google Patents

発光素子、光源装置及び投射型表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、光を出射するためにプラズモン結合を利用した発光素子、光源装置及び投射型表示装置に関する。
光源の発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられるＬＥＤプロジェクタが提案されている。この種のＬＥＤプロジェクタでは、ＬＥＤからの光が入射する照明光学系と、照明光学系からの光が入射する液晶表示板やＤＭＤ(Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ)を有するライトバルブと、ライトバルブからの光を投射面上に投射するための投射光学系と、を備えて構成されている。
ＬＥＤプロジェクタでは、投射映像の輝度を高めるために、ＬＥＤからライトバルブまでの光路において光損失が可能な限り生じないようにすることが求められている。
また、非特許文献１に記載されているように、光源の面積と放射角との積で決まるエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）による制約がある。つまり、光源の発光面積と放射角との積の値を、ライトバルブの入射面の面積と、照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にしなければ、光源からの光が投射光として利用されない。
そのため、ＬＥＤからの出射光のエテンデューの低減を図ることによって、上述の光損失の低減を図ることが懸案となっている。
そして、ＬＥＤプロジェクタの光源には、数千ルーメンクラスの光束を放射する光源が求められており、その実現のためには、高輝度かつ高指向性を有するＬＥＤが必要不可欠になっている。
このように高輝度かつ高指向性を有する発光素子の一例として、特許文献１には、図１に示すように、サファイア基板１０１上に、ｎ型ＧａＮ層１０２、ＩｎＧａＮ活性層１０３、ｐ型ＧａＮ層１０４、ＩＴＯ透明電極層１０５、及び２次元周期構造層１０９が順に積層されてなる半導体発光素子が開示されている。また、この発光素子は、一部を切り欠いて溝１０８が形成されており、溝１０８内のｎ型ＧａＮ層１０２の一部に設けられたｎ側ボンディング電極１０６と、ＩＴＯ透明電極層１０５に設けられたｐ側ボンディング電極１０７と、を備えている。この発光素子では、ＩｎＧａＮ活性層１０３から出る光の指向性が２次元周期構造層１０９によって高められて発光素子から出射される。
また、高輝度かつ高指向性を有する発光素子の他の例として、特許文献２には、図２に示すように、基板１１１上に、陽極層１１２、ホール輸送層１１３、発光層１１４、電子輸送層１１５、及び微小な周期的凹凸構造格子１１６ａを有する陰極層１１６が順に積層されてなる有機ＥＬ素子１１０が開示されている。この発光素子は、陰極層１１６の微小な周期的凹凸構造格子１１６ａと外部との界面を伝播する表面プラズモンの効果によって、発光素子からの出射光の放射角を±１５°未満にすることが可能な高指向性を有している。
特開２００５−００５６７９号公報 特開２００６−３１３６６７号公報
ＰｈｌａｔＬｉｇｈｔＴＭ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｌａｔｔｉｃｅ ＬＥＤｓ ｆｏｒ ＲＰＴＶ Ｌｉｇｈｔ Ｅｎｇｉｎｅｓ Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｈｏｅｐｆｎｅｒ， ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ３７， １８０８ （２００６）
上述したようにＬＥＤプロジェクタでは、発光素子から一定角（例えば放射角±１５°）以上で出射された光は、照明光学系やライトバルブに入射されずに光損失となる。特許文献１に記載の構成では、現在、数千ルーメンクラスの光束を放射するＬＥＤが実現されており、高輝度を達成できるが、出射光の放射角を±１５°未満に狭めることができていない。つまり、特許文献１に記載の発光素子は、出射光の指向性が乏しい問題がある。
一方、特許文献２に記載の構成では、表面プラズモンを利用することによって、出射光の放射角を±１５°未満に狭めることができる。しかし、現在、数千ルーメンクラスの光束を放射する有機ＥＬ素子が存在しないので、特許文献２に記載の発光素子をＬＥＤプロジェクタに適用したとしても十分な輝度が得られない問題がある。
すなわち、上述した特許文献１、２に開示された構成では、ＬＥＤプロジェクタに必要とされる、輝度と指向性を両立した発光素子を実現できなかった。
本発明の目的は、上記関連する技術の問題を解決できる発光素子、これを備える光源装置及び投射型表示装置を提供することである。
上述した目的を達成するため、本発明に係る発光素子は、光源層と、光源層の上に積層され光源層からの光が入射する光学素子層と、を備える。光源層は、基板と、基板の上に設けられた一対のホール輸送層及び電子輸送層と、を有する。光学素子層は、光源層における基板側の反対側に積層され光源層から出射する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層と、プラズモン励起層の上に積層されプラズモン励起層から入射する光を所定の出射角に変換して出射する出射層と、を有する。プラズモン励起層は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。
また、本発明に係る光源装置は、本発明の発光素子と、前記発光素子から入射する軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子と、を備える。
また、本発明に係る投射型表示装置は、本発明の発光素子と、発光素子の出射光に画像情報を付与する表示素子と、表示素子の出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、を備える。
本発明によれば、輝度の向上と、出射光の指向性の向上を両立することができるので、高輝度かつ高指向性を有する発光素子を実現できる。
特許文献１の構成を説明するための斜視図である。 特許文献２の構成を説明するための断面図である。 第１の実施形態の発光素子を模式的に示す斜視図である。 第１の実施形態の発光素子を模式的に示す平面図である。 第２の実施形態の発光素子を模式的に示す斜視図である。 第２の実施形態の発光素子を模式的に示す平面図である。 第２の実施形態の発光素子の製造工程を説明するための断面図である。 第２の実施形態の発光素子の製造工程を説明するための断面図である。 第２の実施形態の発光素子の製造工程を説明するための断面図である。 第２の実施形態の発光素子における、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層の形成工程を説明するための断面図である。 第２の実施形態の発光素子における、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層の形成工程を説明するための断面図である。 第２の実施形態の発光素子における、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層の形成工程を説明するための断面図である。 第２の実施形態の発光素子における、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層の形成工程を説明するための断面図である。 第３の実施形態の発光素子を示す模式的に示す斜視図である。 第３の実施形態の発光素子を示す模式的に示す平面図である。 第４の実施形態の発光素子を示す模式的に示す斜視図である。 第４の実施形態の発光素子を示す模式的に示す平面図である。 第５の実施形態の発光素子において、マイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層の形成工程を説明するための断面図である。 第５の実施形態の発光素子において、マイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層の形成工程を説明するための断面図である。 第５の実施形態の発光素子が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第６の実施形態の発光素子が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第７の実施形態の発光素子が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第８の実施形態の発光素子が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第９の実施形態の発光素子が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第１０の実施形態の発光素子を模式的に示す斜視図である。 第１０の実施形態の発光素子を模式的に示す平面図である。 実施形態の発光素子に適用される軸対称偏光用１／２波長板を示す斜視図である。 実施形態の発光素子に適用される軸対称偏光用１／２波長板の構造を示す縦断面図である。 実施形態の発光素子に適用される軸対称偏光用１／２波長板を説明するために示す模式図である。 実施形態の発光素子に適用される軸対称偏光用１／２波長板を説明するために示す模式図である。 実施形態の発光素子が、軸対称偏光用１／２波長板を備えない構成の場合における、出射光のファーフィールドパターンと偏光方向を示す模式図である。 実施形態の発光素子が、軸対称偏光用１／２波長板を備える構成の場合における、出射光のファーフィールドパターンと偏光方向を示す模式図である。 実施形態におけるプラズモン共鳴特性を説明するための図である。 波数ベクトル変換層のフォトニック結晶に入射する光の入射角のズレ量と、波数ベクトル変換層から出射される光の出射角との関係を示す図である。 波数ベクトル変換層のフォトニック結晶に入射する光の入射角と、波数ベクトル変換層から出射角が０゜で出射光を出射するための格子ピッチとの関係を示す図である。 波数ベクトル変換層のフォトニック結晶における、格子深さと回折効率との関係を示す図である。 波数ベクトル変換層のフォトニック結晶における、フォトニック結晶に対する入射角と、回折効率との関係を示す図である。 波数ベクトル変換層のフォトニック結晶に対して入射角が４０゜で光を入射させた場合における、発光素子の出射光における配光分布を示す図である。 第１の実施形態の発光素子において、実効誘電率から求まるプラズモン共鳴角と、多層膜反射計算によって求まるプラズモン共鳴角とを比較して示す図である。 第１の実施形態の発光素子の出射光における角度分布を示す図である。 実施形態の発光素子が適用されるＬＥＤプロジェクタを示す模式図である。
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図３Ａに、本実施形態の発光素子の模式的な構成の斜視図を示す。図３Ｂに、本実施形態の発光素子の模式的な構成の平面図を示す。なお、発光素子において、実際の個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケール、比率で図を描くことが困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、各層を模式的に示している。
図３Ａに示すように、第１の実施形態の発光素子１は、光源層４と、この光源層４の上に積層され光源層４からの光が入射する光学素子層としての指向性制御層５と、を備えている。
光源層４は、基板１０と、この基板１０の上に設けられた一対のホール輸送層１１及び電子輸送層１３と、を有している。基板１０上には、基板１０側から、ホール輸送層１１、電子輸送層１３の順にそれぞれ積層されている。
指向性制御層５は、光源層４の基板１０側に対する反対側に設けられている。指向性制御層５は、光源層４から出射する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層１５と、このプラズモン励起層１５の上に積層されプラズモン励起層１５から入射する光を所定の出射角に変換して出射する出射層としての波数ベクトル変換層１７と、を備えている。
また、プラズモン励起層１５は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。誘電性を有する２つの層として、指向性制御層５は、図３Ａに示すように、プラズモン励起層１５と波数ベクトル変換層１７との間に挟まれて設けられた高誘電率層１６と、プラズモン励起層１５と電子輸送層１３との間に挟まれて設けられ、高誘電率層１６よりも誘電率が低い低誘電率層１４と、を備えている。
ただし、高誘電率層１６および低誘電率層１４の誘電率は、後述するようにプラズモン励起層１５の入射側部分（基板１０側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層１５の出射側部分（波数ベクトル変換層１７側）の複素実効誘電率の実部よりも低く設定されていれば、高誘電率層１６の誘電率よりも低誘電率層１４の誘電率の方が高くても発光素子１は動作する。したがって、プラズモン励起層１５は、一対の高誘電率層１６と低誘電率層１４との間に挟まれて配置されている。
そして、本実施形態における光学素子１は、プラズモン励起層１５の光源層４側に積層された構造全体を含む入射側部分（以下、単に入射側部分と称する）の実効誘電率が、プラズモン励起層１５の波数ベクトル変換層１７側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層１７に接する媒質とを含む出射側部分（以下、単に出射側部分と称する）の実効誘電率よりも低くなるように構成されている。なお、プラズモン励起層１５の光源層４側に積層された構造全体には、基板１０が含まれる。プラズモン励起層１５の波数ベクトル変換層１７側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層１７が含まれる。
つまり、第１の実施形態では、プラズモン励起層１５に対する、光源層４及び低誘電率層１４を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層１５に対する、高誘電率層１６及び波数ベクトル変換層１７と媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低くなっている。
詳細には、プラズモン励起層１５の入射側部分（基板１０側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層１５の出射側部分（波数ベクトル変換層１７側）の複素実効誘電率の実部よりも低く設定されている。
ここで、複素実効誘電率εeffは、プラズモン励起層１５の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層１５の界面に垂直な方向をｚ軸とし、光源層４から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層１５に対する入射側部分及び出射側部分における誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、虚数単位をｊとすれば、
Figure 0005527327
 で表される。ここで積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１５に対する入射側部分または出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸及びｙ軸方向の範囲は、入射側部分が含む構造体の外周面または出射側部分が含む構造体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層１５の界面に平行な面内の外縁までの範囲である。また、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、入射側部分または出射側部分（媒質を含む）の範囲である。なお、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲に関しては、プラズモン励起層１５と、プラズモン励起層１５に隣接する、誘電性を有する層との界面を、ｚ＝０となる位置とし、この界面から、プラズモン励起層１５の、上記隣接する層側の無限遠までの範囲であり、この界面から遠ざかる方向を、式（１）における（＋）ｚ方向とする。
また、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、プラズモン励起層１５の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
Figure 0005527327
Figure 0005527327
 で表される。
したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層１５の入射側部分の誘電率分布εin（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、プラズモン励起層１５の出射側部分の誘電率分布εout（ω，ｘ，ｙ，ｚ）をそれぞれ代入して、計算することで、プラズモン励起層１５に対する入射側部分の複素実効誘電率層εeffin、及び出射側部分の複素実効誘電率εeffoutがそれぞれ求まる。実際には、複素実効誘電率εeffとして適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を繰り返し計算することで、複素実効誘電率εeffを容易に求められる。なお、プラズモン励起層１５に接する層の誘電率が非常に高い場合は、その界面における表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しない ことに相当する。そのため、プラズモン励起層１５に接する層の誘電率が、この場合の実効誘電率に相当する。
ここで、表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ−２となる距離とすれば、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄｅｆｆは、
Figure 0005527327
 で表わされる。
指向性制御層５が有する低誘電率層１４は、高誘電率層１６よりも誘電率が低い層である。低誘電率層１４の複素誘電率をεｌ（λ０）とし、その実部をεｌｒ（λ０）、虚部をεｌｉ（λ０）とする。また、高誘電率層１６の複素誘電率をεｈ（λ０）とし、その実部をεｈｒ（λ０）、虚部をεｈｉ（λ０）とすると、
１≦εｌｒ（λ０）＜εｈｒ（λ０）の関係を満たしている。なお、λ０は、誘電率層への入射光の真空中での波長である。
ただし、低誘電率層１４の誘電率の方が高誘電率層１６の誘電率よりも高い場合でも、プラズモン励起層１５の低誘電率層１４側の実効誘電率の実部がプラズモン励起層１５の高誘電率層１６側の実効誘電率の実部よりも低ければ、発光素子１は動作する。つまり、低誘電率層１４、高誘電率層１６の誘電率には、プラズモン励起層１５の出射側部分の実効誘電率の実部が入射側部分の実効誘電率の実部より高く保たれる範囲が許容される。
ここで、実効誘電率の考え方を示す一例として、低誘電率層１４が誘電体層Ａと誘電体層Ｂとからなり、高誘電率層１６が誘電体層Ｃと誘電体層Ｄとからなり、プラズモン励起層１５に隣接する誘電体層Ｂと誘電体層Ｃの膜厚が十分に薄い（厚さが例えば１０ｎｍ未満）場合を考える。この場合には、誘電体層Ａが低誘電率層、誘電体層Ｄが高誘電率層として作用する。これは誘電体層Ｂと誘電体層Ｃの膜厚が非常に薄いため、実効誘電率への影響がほとんどないためである。すなわち、低誘電率層１４と高誘電率層１６の複素誘電率は、複素実効誘電率を考慮して設定すればよい。
また、発光周波数における虚部εｌｉ（λ０）、及び虚部εｈｉ（λ０）は、可能な限り低い方が好ましく、プラズモン結合させ易くし、光損失を低減することができる。
なお、ホール輸送層１１、電子輸送層１３、プラズモン励起層１５を除き、光源層４を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層１７に接する媒質においても、複素誘電率の虚部は可能な限り低い方が好ましい。複素誘電率の虚部を可能な限り低くすることで、プラズモン結合を生じさせ易くし、光損失を低減することができる。
また、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、発光素子１は、ホール輸送層１１の厚さ方向に直交する面の一部が露出するように、ホール輸送層１１の上方の各層の一部がそれぞれ切り欠かれており、露出されたホール輸送層１１の一部に陽極１９が設けられている。同様に、発光素子１は、プラズモン励起層１５の厚さ方向に直交する面の一部が外部に露出するように、プラズモン励起層１５の上方の高誘電率層１６及び波数ベクトル変換層１７の一部がそれぞれ切り欠かれており、露出されたプラズモン励起層１５の一部が陰極として機能する。したがって、本実施形態の発光素子１の構成では、プラズモン励起層１５から電子が注入され、陽極１９からホール（正孔）が注入される。なお、光源層４における電子輸送層１３とホール輸送層１１の相対的な位置は、本実施形態におけるそれぞれの位置と反対に配置されてもよい。また、表面が露出したプラズモン励起層１５上に、プラズモン励起層１５とは材料の異なる陰極パッドが設けられてもよい。
発光素子１の周囲の媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、発光素子１の基板１０側と波数ベクトル変換層１７側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。
ホール輸送層１１としては、例えば芳香族アミン化合物やテトラフェニルジアミンが挙げられる。また、ホール輸送層１１としては、一般的なＬＥＤや、半導体レーザを構成するｐ型半導体層が用いられてもよい。
電子輸送層１３としては、例えばＡｌｑ３、オキサジアゾール（ＰＢＤ）、トリアゾール（ＴＡＺ）が挙げられる。また、電子輸送層１３としては、一般的なＬＥＤや、半導体レーザを構成するｎ型半導体層が用いられてもよい。
また、図３Ａは、本発明に係る光学素子１が備える光源層４の基本構成を示している。光源層４を構成する各層の間に、例えばバッファ層や、更に別のホール輸送層、電子輸送層等の他の層が挿入される構成であってもよく、光源層として周知のＬＥＤの構造を適用することができる。
また、光源層４は、ホール輸送層１１と基板１０との間に、活性層１２からの光を反射する反射層（不図示）が設けられてよい。この構成の場合、反射層としては、例えばＡｇやＡｌ等の金属膜、誘電体多層膜などが挙げられる。
低誘電率層１４としては、例えば、ＳｉＯ２ナノロッドアレイフィルムや、ＳｉＯ２、ＡｌＦ３、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、低誘電率プラスチック等の薄膜または多孔質膜を用いるのが好ましい。また、低誘電率層１４としては、イオン、ドナー、アクセプタ等のドープでそれらに導電性を付与したものや、ＩＴＯ、Ｍｇ（ＯＨ）２：Ｃ、ＳｎＯ２、Ｃ１２Ａ７、ＴｉＯ２：Ｎｂ、ＺｎＯ：Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ：Ｇａ２Ｏ３等の導電性材料を主要構成材料とする多孔質膜を用いるのが特に好ましい。また、低誘電率層１４の厚さは、可能な限り薄い方が望ましい。
高誘電率層１６としては、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＮｄＯ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５等の高誘電率材料の薄膜または多孔質膜を用いるのが好ましい。
なお、本実施形態の発光素子１が備える光源層４において、ホール輸送層１１と電子輸送層１３の界面で、ホール輸送層１１や電子輸送層１３の一方または両方の一部が発光素子の活性層として働く。
プラズモン励起層１５は、光源層４が発生する光の周波数（発光周波数）よりも高いプラズマ周波数を有する材料によって形成された微粒子層または薄膜層である。言い換えれば、プラズモン励起層１５は、光源層４が発生する発光周波数において負の誘電率を有している。
プラズモン励起層１５の材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、またはこれらの合金などが挙げられる。これらの中でも、プラズモン励起層１５の材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム及びこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、白金、アルミニウム及びそれらを主成分とする合金が特に好ましい。
プラズモン励起層１５の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。高誘電率層１６とプラズモン励起層１５との界面から、電子輸送層１３とホール輸送層１１との界面までの距離は、５００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、短ければ短いほどよい。なお、この距離は、電子輸送層１３とホール輸送層１１の界面と、プラズモン励起層１５との間でプラズモン結合が起こる距離に相当する。
波数ベクトル変換層１７は、この波数ベクトル変換層１７に入射する入射光の波数ベクトルを変換することで、高誘電率層１６から光を取り出し、発光素子１から光を出射すための出射層である。言い換えれば、波数ベクトル変換層１７は、高誘電率層１６からの光の出射角を、所定の角度に変換して発光素子１から出射する。つまり、波数ベクトル変換層１７は、高誘電率層１６との界面にほぼ直交するように、発光素子１から出射光を出射させる機能を奏している。
波数ベクトル変換層１７としては、例えば、表面レリーフ格子、フォトニック結晶に代表される周期構造または準周期構造（高誘電率層１６からの光の波長よりも大きな凹凸を有するテクスチャー構造、又は準結晶構造、粗面が形成された表面構造、ホログラム、マイクロレンズアレイ等を用いたものが挙げられる。なお、準周期構造とは、例えば周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を指している。これらの中でも、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造、準結晶構造、マイクロレンズアレイを用いるのが好ましい。これは、光の取り出し効率を高められるだけでなく、指向性を制御できるからである。また、フォトニック結晶を用いる場合には、結晶構造が三角格子構造を採ることが望ましい。また、波数ベクトル変換層１７は、平板状の基部の上に凸部が設けられた構造であってもよい。また、波数ベクトル変換層１７は、高誘電率層１６と異なる材料によって構成されていてもよい。
以上のように構成された発光素子１について、波数ベクトル変換層１７から光を出射する動作を説明する。
陰極としての、プラズモン励起層１５の一部から電子が注入され、陽極１９からホールが注入される。プラズモン励起層１５の一部及び陽極１９から光源層４に注入された電子とホールは、それぞれ電子輸送層１３とホール輸送層１１を通って、電子輸送層１３とホール輸送層１１との間に注入される。電子輸送層１３とホール輸送層１１との間に注入された電子とホールは、プラズモン励起層１５中の電子またはホールと結合し、高誘電率層１６側へ光を出射させる。
上述したように第１の実施形態の発光素子１は、光源層４を構成する材料に一般的なＬＥＤと同じ材料が用いられるため、ＬＥＤと同様に高い輝度を実現できる。また、本実施形態の発光素子１によれば、波数ベクトル変換層１７へ入射する光の入射角が、プラズモン励起層１５とこのプラズモン励起層１５の入射側部分の実効誘電率と、出射側部分の実効誘電率と、電子輸送層１３とホール輸送層１１との間に注入された電子とホールによる発光のスペクトル幅で決定されるので、発光素子１からの出射光の指向性が、光源層４の指向性に制限されることがなくなる。また、本実施形態の発光素子１は、放射過程においてプラズモン結合を応用することによって、発光素子１からの出射光の放射角を狭めて出射光の指向性を高めることができる。
したがって、本実施形態によれば、輝度の向上と、出射光の指向性の向上を両立することができる。また、本実施形態によれば、発光素子１からの出射光の指向性が向上するので、出射光のエテンデューを低減することができる。
なお、第１の実施形態の発光素子１の製造工程は、後述する第２の実施形態の発光素子の製造工程と類似しており、活性層を形成する工程を有していないことを除いて、第２の実施形態における製造工程と同様である。そのため、ここでは第１の実施形態の発光素子１の製造工程についての説明を省略する。
以下、他の実施形態の発光素子を説明する。他の実施形態の発光素子は、第１の実施形態の発光素子１と比べて光源層４または指向性制御層５の構成のみが異なっているので、第１の実施形態と異なる光源層または指向性制御層についてのみ説明する。なお、他の実施形態の発光素子において、第１の実施形態における光源層４及び指向性制御層５が有する層と同一の層には、第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
（第２の実施形態）
図４Ａに、第２の実施形態の発光素子の模式的な斜視図を示す。図４Ｂに、第２の実施形態の発光素子の模式的な平面図を示す。
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第２の実施形態の発光素子２は、光源層２４と、この光源層２４の上に積層され光源層２４からの光が入射する光学素子層である指向性制御層５と、を備えている。第２の実施形態の発光素子２が備える指向性制御層５は、第１の実施形態と同一であるので、説明を省略する。第２の実施形態の発光素子２が備える光源層２４は、活性層１２がホール輸送層１１と電子輸送層１３との間に形成されている点が、第１の実施形態における光源層４と異なっている。
光源層２４が有する活性層１２としては、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ダイヤモンド等の無機材料（半導体）、（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー、Ａｌｑ３等の有機材料（半導体材料）が用いられる。また、活性層１２は量子井戸構造を採るのが好ましい。
なお、第２の実施形態の発光素子２では、高誘電率層１６とプラズモン励起層１５との界面から、電子輸送層１３と活性層１２との界面までの距離が、５００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、短ければ短いほどよい。この距離は、活性層１２とプラズモン励起層１５との間でプラズモン結合が起こる距離に相当する。
また、第２の実施形態の発光素子２では、プラズモン励起層１５の一部及び陽極１９から光源層２４に注入された電子とホールが、それぞれ電子輸送層１３とホール輸送層１１を通って、活性層１２に注入される。活性層１２に注入された電子とホールは、プラズモン励起層１５中の電子またはホールと結合し、高誘電率層１６側へ光を出射させる。このように高誘電率層１６に入射した光は、波数ベクトル変換層１７から出射される。
図５Ａ〜図５Ｃは、第２の実施形態の発光素子２の製造工程を示している。これはあくまで一例であって、この製造方法に限定されるものではない。また、基板１０の上に、図５Ａに示すように、ホール輸送層１１、活性層１２、電子輸送層１３を積層する工程については、公知の一般的な工程を採ることができるので、説明を省略する。また、上述したように、第１の実施形態の発光素子１の製造工程では、活性層１２を形成する工程だけが省かれる。
続いて、例えば物理蒸着、電子線ビーム蒸着やスパッタ等を用いて、図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、電子輸送層１３の上に、低誘電率層１４、プラズモン励起層１５、高誘電率層１６の順にそれぞれ積層する。
図６Ａ〜図６Ｄに、フォトニック結晶によって波数ベクトル変換層１７を形成する製造工程を示す。図６Ａに示すように、高誘電率層１６上に波数ベクトル変換層１７を形成し、この波数ベクトル変換層１７の上にレジスト膜２０をスピンコート法で塗布し、図６Ｂに示すように、ナノインプリント技術やフォトリソグラフィ技術、電子線リソグラフィ技術でレジスト膜２０にフォトニック結晶のネガパターンを転写する。続いて、ドライエッチングによって、図６Ｃに示すように所望の深さまで波数ベクトル変換層１７をエッチングし、その後、図６Ｄに示すようにレジスト膜２０を剥離する。最後に、プラズモン励起層１５及びホール輸送層１１の表面一部をエッチングして露出させ、ホール輸送層１１の一部に陽極１９を設けることで、発光素子２が完成する。
（第３の実施形態）
図７Ａに、第３の実施形態の発光素子の模式的な斜視図を示す。図７Ｂに、第３の実施形態の発光素子の模式的な平面図を示す。
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第３の実施形態の発光素子３は、光源層３４と、この光源層３４の上に積層され光源層３４からの光が入射する光学素子層である指向性制御層５と、を備えている。第３の実施形態の発光素子３が備える指向性制御層５は、第１の実施形態と同一であるので、説明を省略する。第３の実施形態の発光素子３が備える光源層３４は、陽極としての陽極層２９が、基板１０とホール輸送層１１との間に、基板１０の全面にわたって形成されている点が、第２の実施形態における光源層２４と異なっている。
第３の実施形態では、陽極層２９が、活性層１２からの光を反射する反射層としての役割を果たしている。したがって、第３の実施形態では、活性層１２から基板１０側に放射される光を波数ベクトル変換層１７側へ反射することが可能になり、活性層１２からの光取り出し効率が向上されている。陽極層２９としては、例えばＡｇ、Ａｌや、それらを主要成分とする合金等の金属薄膜が用いられる。
また、第３の実施形態では、陽極層２９が、放熱板としての役割も果たしている。このため、光源層３４は、発光に伴う発熱によって内部量子効率が低下するのを防ぐことができる。
また、陽極層２９は、ホールの移動度を高めている。ほとんどの場合、ホールの移動度は電子の移動度よりも低い。そのため、ホールの注入が電子の注入に間に合わず、内部量子効率が制限されてしまう。つまり、陽極層２９を有することによって、光源層３４は、内部量子効率が向上される。また、陽極層２９を有することによって、発光素子３の面内方向に対するホールの移動度を向上させているので、光源層３４は、面内において更に均一に発光することができる。
また、表面の一部が露出したプラズモン励起層１５の、この一部上にプラズモン励起層１５とは材料の異なる陰極パッドを設けてもよく、陽極層２９上に陽極層２９とは材料の異なる陽極パッドを設けてもよい。
（第４の実施形態）
図８Ａに、第４の実施形態の発光素子の模式的な斜視図を示す。図８Ｂに、第４の実施形態の発光素子の模式的な平面図を示す。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、第４の実施形態の発光素子６が備える指向性制御層２５は、マイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２７を有している。本実施形態における指向性制御層２５は、上述した実施形態における、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１７を有する指向性制御層５と同様の効果が得られる。
また、本実施形態における光源層２４は、ホール輸送層１１の一部に陽極１９が設けられたが、第２の実施形態と同様に、基板１０とホール輸送層１１との間に陽極層２９が設けられる構成にされてもよい。
図９Ａ及び図９Ｂは、高誘電率層１６の上にマイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２７が積層された構成の製造工程について説明するための断面図である。マイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２７を備える構成においても、図６Ａ〜図６Ｄに示した製造工程と同様に、基板１０に、ホール輸送層１１から高誘電率層１６までの各層を積層するので、これらの製造工程の説明を省略する。
図９Ａ及び図９Ｂに示すように、図６Ａ〜図６Ｄに示した製造工程を用いて、基板１０に、ホール輸送層１１から高誘電率層１６までの各層を積層した後、高誘電率層１６の表面にマイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２７を形成する。これはあくまで一例であって、この製造方法に限定されるものではない。高誘電率層１６の表面に、ＵＶ硬化樹脂３０をスピンコート法等によって塗布した後、ナノインプリントを用いて、ＵＶ硬化樹脂３０に所望のレンズアレイパターンを成形し、ＵＶ硬化樹脂３０に光を照射して硬化させることで、マイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２７が形成される。
（第５の実施形態）
図１０に、第５の実施形態の発光素子が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１０に示すように、第５の実施形態の発光素子が備える指向性制御層３５は、光源層３４の電子輸送層２３に積層されるプラズモン励起層１５と、このプラズモン励起層１５に積層される波数ベクトル変換層３７と、を有している。
第５の実施形態における指向性制御層３５は、波数ベクトル変換層３７が高誘電率層を兼ねており、高誘電率層と同一の層である。また、光源層３４の電子輸送層２３は、指向性制御層３５の低誘電率層を兼ねており、低誘電率層と同一の層である。したがって、第５の実施形態における光源層３４の電子輸送層２３は、波数ベクトル変換層３７の誘電率よりも低く設定されている。
ただし、波数ベクトル変換層３７の誘電率の方が電子輸送層２３の誘電率よりも低い場合でも、プラズモン励起層１５の波数ベクトル変換層３７側の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層１５の電子輸送層２３側の実効誘電率の実部よりも高ければ、指向性制御層３５は動作する。つまり、波数ベクトル変換層３７や電子輸送層２３の誘電率には、プラズモン励起層１５の出射側部分の実効誘電率の実部が、入射側部分の実効誘電率の実部より高く保たれる範囲が許容される。
以上のように構成された第５の実施形態によれば、第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られると共に、第１〜第４の実施形態に比べて製造工程の簡略化を図ることができる。
（第６の実施形態）
図１１に、第６の実施形態の発光素子が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１１に示すように、第６の実施形態における指向性制御層４５は、光源層２４の電子輸送層１３に積層される低誘電率層１４と、この低誘電率層１４に積層されるプラズモン励起層１５と、このプラズモン励起層１５に積層される波数ベクトル変換層３７と、を有している。
第６の実施形態における指向性制御層４５は、波数ベクトル変換層３７が高誘電率層を兼ねており、高誘電率層と同一の層である。
以上のように構成された第６の実施形態によれば、第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られると共に、第１〜第４の実施形態に比べて製造工程の簡略化を図ることができる。
（第７の実施形態）
図１２に、第７の実施形態の発光素子が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１２に示すように、第７の実施形態における指向性制御層５５は、光源層３４の電子輸送層２３に積層されるプラズモン励起層１５と、このプラズモン励起層１５に積層される高誘電率層１６と、この高誘電率層１６に積層される波数ベクトル変換層３７と、を有している。
第７の実施形態における指向性制御層５５は、光源層３４の電子輸送層２３が、指向性制御層５５の低誘電率層を兼ねており、低誘電率層と同一の層である。
以上のように構成された第７の実施形態によれば、第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られると共に、第１〜第４の実施形態に比べて製造工程の簡略化を図ることができる。
（第８の実施形態）
図１３に、第８の実施形態の発光素子が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１３に示すように、第８の実施形態における指向性制御層６５は、第１の実施形態における指向性制御層５と同様の構成であり、第１の実施形態における低誘電率層１４及び高誘電率層１６が、それぞれ積層された複数の誘電体層によって構成されている点が異なっている。
つまり、第８の実施形態における指向性制御層６５は、複数の誘電体層６７ａ〜６７ｃが積層されてなる低誘電率層群６７と、複数の誘電体層６８ａ〜６８ｃが積層されてなる高誘電率層群６８と、を備えている。
低誘電率層群６７では、光源層２４の電子輸送層１３に近い方からプラズモン励起層１５に向かって誘電率が単調に低くなるように、複数の誘電体層６７ａ〜６７ｃが配置されている。同様に、高誘電率層群６８では、プラズモン励起層１５に近い方からフォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１７側に向って誘電率が単調に低くなるように、複数の誘電体層６８ａ〜６８ｃが配置されている。
低誘電率層群６７の全体の厚さは、指向性制御層が低誘電率層を独立して備える実施形態における低誘電率層と等しい厚さに設定されている。同様に、高誘電率層群６８の全体の厚さは、指向性制御層が高誘電率層を独立して備える実施形態における高誘電率層と同じ厚さに設定されている。なお、低誘電率層群６７及び高誘電率層群６８は、それぞれ３層構造で示したが、例えば２〜５層程度の層構造で構成することができる。また、必要に応じて、低誘電率層群及び高誘電率層群をそれぞれ構成する誘電体層の数が異なる構成や、低誘電率層及び高誘電率層の一方のみが複数の誘電率層からなる構成としてもよい。
このように低誘電率層群６７及び高誘電率層群６８が複数の誘電体層６７ａ〜６７ｃ、６８ａ〜６８ｃから構成されることで、プラズモン励起層１５の界面に隣接する各誘電体層６７ａ、６８ｃの誘電率を良好に設定すると共に、光源層２４の電子輸送層１３と、波数ベクトル変換層１７または外部の空気等の媒質と、これらにそれぞれ隣り合う誘電体層６７ｃ、６８ａとの屈折率のマッチングを好ましく設定することが可能になる。つまり、高誘電体層群６８は、波数ベクトル変換層１７または空気等の媒質との界面での屈折率差を小さくし、低誘電体層群６７は、光源層２４の電子輸送層１３との界面での屈折率差を小さくすることが可能になる。
以上のように構成された第８の実施形態の指向性制御層６５によれば、プラズモン励起層１５に隣接する各誘電体層６７ａ、６８ｃの誘電率を良好に設定すると共に、光源層２４の電子輸送層１３及び波数ベクトル変換層１７との界面での屈折率差を小さく設定することが可能になる。このため、指向性制御層６５は、光損失を更に低減し、光源層４からの光の利用効率を更に高めることができる。
なお、低誘電率層群６７及び高誘電率層群６８の代わりに、内部で誘電率が単調に変化する単層膜が用いてもよい。この構成の場合、高誘電率層は、誘電率がプラズモン励起層１５側から波数ベクトル変換層１７側に向かって次第に低くなる分布を有する。また同様に、低誘電率層は、誘電率が光源層２４の電子輸送層１３側からプラズモン励起層１５側に向かって次第に低くなる分布を有する。
（第９の実施形態）
図１４に、第９の実施形態の発光素子が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１４に示すように、第９の実施形態における指向性制御層７５では、第１の実施形態における指向性制御層５と同様の構成であり、プラズモン励起層群７８が、積層された複数の金属層７８ａ，７８ｂによって構成されている点が異なっている。
第９の実施形態における指向性制御層７５のプラズモン励起層群７８では、金属層７８ａ、７８ｂがそれぞれ異なる金属材料によってそれぞれ形成されて積層されている。これによって、プラズモン励起層群７８は、プラズマ周波数を調整することが可能になっている。
プラズモン励起層群７８におけるプラズマ周波数が高くなるように調整する場合には、例えば、金属層７８ａ，７８ｂをそれぞれＡｇ及びＡｌによって形成する。また、プラズモン励起層群７８におけるプラズマ周波数が低くなるように調整する場合には、例えば、異なる金属層７８ａ，７８ｂをそれぞれＡｇ及びＡｕによって形成する。なお、プラズモン励起層群７８は、一例として２層構造を示したが、必要に応じて３層以上の金属層によって構成されてもよいことは勿論である。
以上のように構成された第９の実施形態の指向性制御層７５によれば、プラズモン励起層群７８が複数の金属層７８ａ，７８ｂによって構成されることによって、プラズモン励起層群７８における実効的なプラズマ周波数を、活性層１２の発光周波数に近づくように調整できる。このため、プラズモン励起層群７８中の電子またはホールと、活性層１２中の電子またはホールとが良好に結合し、出射効率を高められる。
（第１０の実施形態）
図１５Ａに、第１０の実施形態の発光素子の模式的な斜視図を示す。図１５Ｂに、第１０の実施形態の発光素子の模式的な平面図を示す。
図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、第１０の実施形態の発光素子８が備える光源層４４は、第２の実施形態における光源層２４の電子輸送層１３に、透明電極層４０が積層されて構成された一般的なＬＥＤ構造を有している。すなわち、光源層４４は、基板１０側の反対側に積層された透明電極層４０を有している。そして、光源層４４は、このようなＬＥＤ構造の上に、活性層１２と異なる別の活性層２２が積層されている。
なお、第１の実施形態における光源層４は、上述した別の活性層２２と同様に、ホール輸送層１１と電子輸送層１３との界面からの光によって電子及びホールが生成される活性層と、透明電極層とを有する構成にされてもよい。また、本実施形態における光源層４４は、ホール輸送層１１の一部に陽極１９が設けられたが、第３の実施形態と同様に、基板１０とホール輸送層１１との間に陽極層２９が設けられる構成にされてもよい。
第１０の実施形態の発光素子８では、光源層４４への電流注入によって、活性層１２から出た光は、別の活性層２２中に電子とホールを励起する。別の活性層２２に生成された電子とホールは、上述したようにプラズモン励起層１５中の電子またはホールとプラズモン結合することで、指向性制御層５の特性で決められた所定の方向に、所定の波長の光を出射する。
以上のように構成された第１０の実施形態の発光素子８によれば、所望の波長の光を出射する場合に、活性層として用いる発光材料の選択の幅が広がる。例えば、緑色の出射光を得るための発光材料であって、電流注入において高い発光効率を有する無機材料は知られていないが、光注入によって高い発光効率を有する無機材料は周知である。本実施形態では、このような特性の発光材料を用いる場合に、活性層１２及び別の活性層２２を有する光源層３４を備えることによって、一旦、活性層１２に電流注入して得られた光を別の活性層２２に光注入することができる。これによって、別の活性層２２として用いた発光材料の特性を効率的に利用し、光源層４４の発光効率を向上することができる。
（実施形態の光源装置）
次に、上述した第２の実施形態の発光素子２の出射側に、軸対称偏光用１／２波長板が配置された光源装置について説明する。図１６に、上述した発光素子２に適用される軸対称偏光用１／２波長板を説明するための斜視図を示す。
図１６に示すように、実施形態の光源装置９は、発光素子２から入射する軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子として、発光素子２からの入射光を直線偏光する軸対称偏光用１／２波長板５０を備えている。軸対称偏光用１／２波長板５０は、発光素子２の波数ベクトル変換層１７側に配置されている。発光素子２からの出射光を軸対称偏光用１／２波長板５０によって直線偏光することで、偏光状態が揃えられた出射光を実現できる。なお、偏光変換素子によって軸対称偏光を所定の偏光状態に揃えることには、直線偏光することに限定するものではなく、円偏光することも含まれる。また、軸対称偏光用１／２波長板５０を備える光源装置には、上述した第１〜第１０の実施形態の発光素子のいずれに適用されてもよいことは勿論である。
図１７は、軸対称偏光用１／２波長板５０の構造を示すための縦断面図である。軸対称偏光用１／２波長板５０の構成は、あくまで一例であって、この構成に限定されない。図１７に示すように、軸対称偏光用１／２波長板５０は、配向膜５１，５４がそれぞれ形成された一対のガラス基板５６，５７と、これらガラス基板５６，５７の配向膜５１，５４を対向させてガラス基板５６，５７の間に挟んで配置された液晶層５３と、ガラス基板５６，５７の間に配置されたスペーサ５２と、を備えている。
液晶層５３は、常光に対する屈折率をｎｏ、異常光に対する屈折率をｎｅとすると、屈折率ｎｅが屈折率ｎｏよりも大きい。また、液晶層５３の厚さｄは、（ｎｅ−ｎｏ）×ｄ＝λ／２を満たしている。なお、λは真空中における入射光の波長である。
図１８Ａ及び図１８Ｂは、軸対称偏光用１／２波長板５０を説明するための示す模式図である。図１８Ａに、軸対称偏光用１／２波長板５０の液晶層５３を、ガラス基板５６，５７の主面に平行に切った状態の横断面図を示す。図１８Ｂに、液晶分子５８の配向方向を説明するための模式図を示す。
図１８Ａに示すように、液晶分子５８は、軸対称偏光用１／２波長板５０の中心に対して同心円状に配置されている。また、液晶分子５８は、図１８Ｂに示すように、液晶分子５８の主軸とこの主軸近傍の座標軸とのなす角をΦとし、座標軸と偏光方向とがなす角をθとすると、液晶分子５８は、θ＝２Φ、または、θ＝Φ＋９０のいずれかの関係式を満たす方向に配向されている。
図１９に、発光素子が軸対称偏光用１／２波長板を備えない構成の場合における、出射光のファーフィールドパターン６２を示す。上述した第１〜第１０の実施形態において、プラズモン結合を介してプラズモン励起層１５から出射する光の偏光は、ＴＭ偏光のみであるので、発光素子２からの出射光のファーフィールドパターン６２が、図１９に示すように、偏光方向が放射状になった軸対称偏光となる。
図２０に、軸対称偏光用１／２波長板５０を通過した出射光のファーフィールドパターン６４を示す。発光素子２は、上述した軸対称偏光用１／２波長板５０の作用によって、図２０に示すように、面内での偏光方向６３が同一方向に揃えられた出射光が得られる。
なお、本実施形態の発光素子は、画像表示装置の光源に用いられるのに好適であり、投射型表示装置が備える光源や、液晶表示板（ＬＣＤ）の直下型光源、いわゆるバックライトとして携帯型電話機、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄａｔａ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）等の電子機器に用いられてもよい。
（第１の実施例）
図２１に、上述した実施形態におけるプラズモン共鳴特性を説明するための図を示す。図２１では、高誘電率層１６にＴｉＯ２、プラズモン励起層１５にＡｇ、低誘電率層１４に多孔質ＳｉＯ２を用いた発光素子において、波長が６５３ｎｍ、５３９ｎｍ、４５９ｎｍの光をそれぞれプラズモン励起層１５に入射させた場合について、入射角に対する反射率の関係を示している。ここで、高誘電率層１６、低誘電率層１４は光の波長に比べて十分に厚く形成した。
図２１に示すように、プラズモン励起層１５への入射角２３゜付近での反射率の急峻な低下は、この角度が全反射角よりも大きいので、プラズモンとの結合によるものである。このように、本実施例によれば、プラズモンと結合する角度に異方性があり、その条件が狭いことが分かる。また、プラズモン励起層１５への入射光の波長が長いほど、反射率の減少は急峻となっている。これは、波長が長いほど、発光素子からの出射光の指向性が高いことを示している。以下、波長が４５９ｎｍの光について放射特性を考察する。
図２２に、波数ベクトル変換層１７のフォトニック結晶への入射角のズレ量に対する出射角の変化を示す。図２２中において、「×」、「□」、「○」、「△」印をそれぞれ結ぶ線は、フォトニック結晶に対して入射角２０°、４０°、６０°、８０°でそれぞれ入射した光を、フォトニック結晶から出射角０°で出射するようにフォトニック結晶の格子ピッチを設計した場合の結果を示している。フォトニック結晶への入射角が大きい方が、入射角のバラツキに対する出射角のバラツキを抑えられる。
図２３に、入射角に対して、入射光を出射角０゜の方向に出射するときのフォトニック結晶の格子ピッチの変化を示す。図２３に示すように、フォトニック結晶への入射角が増えるのに従って、フォトニック結晶の格子ピッチが狭くなる。
図２４に、フォトニック結晶の格子深さと回折効率との関係を示す。ここで、フォトニック結晶の格子ピッチは２２８ｎｍとした。これは入射角４０°の光を回折角０°の方向に出射する条件である。図２４中において、「×」、「□」、「○」、「△」印をそれぞれ結ぶ線は、それぞれフォトニック結晶による透過１次回折光、反射０次回折光、反射１次回折光、反射２次回折光の回折強度を示している。図２４に示すように、フォトニック結晶の格子深さの変化に対して、回折効率は周期的に変化する。また、透過１次回折光の回折効率の変化と、反射０次回折光の回折効率の変化とはほぼ逆の相関がある。
図２５に、波数ベクトル変換層のフォトニック結晶への入射角と、回折効率との関係を示す。ここでの回折効率は、フォトニック結晶の格子深さを５０ｎｍから９５０ｎｍまで変化させたときに、透過１次光の回折効率が最大になる所定の格子深さにおける最大回折効率である。図２５に示すように、フォトニック結晶へ入射角４０°で光が入射したときに、透過１次光の回折効率が極大値になる。入射角４０゜の前後の範囲では、入射角の増加に伴って透過１次光の回折効率が単調増加、または単調減少している。したがって、低誘電率層１４及び高誘電率層１６の誘電率を調整して、波数ベクトル変換層１７をなすフォトニック結晶へ入射角４０°付近で光を入射させたときが最適な条件にある。
図２６に、発光素子の出射光における配光分布を示す。すなわち、図２６において、横軸が出射光の出射角を示し、縦軸が出射光の強度を示している。条件として、フォトニック結晶の格子ピッチを２２８ｎｍ、フォトニック結晶への光の入射角を４０°に設定した。このとき、出射光の半値全幅を放射幅とすれば、出射光の放射幅が５．２°、すなわち放射角が±２．６゜であった。
以上のように、本実施形態の発光素子によれば、プラズモン励起層１５を利用することによって、発光素子からの出射光の放射角の指向性を高め、かつ、波数ベクトル変換層１７の格子構造を適宜調整することによって、放射角を±３゜以下に狭めて指向性を更に高めることが可能になる。さらに、本実施形態の発光素子は、光源層を構成するホール輸送層１１、活性層１２、電子輸送層１３を、一般的なＬＥＤと同様にそれぞれｐ型半導体層、無機材料からなる活性層、型半導体層として無機半導体を用いて構成することが可能であるので、数千ルーメンクラスの光束を得ることができる。
（第２の実施例）
図２７に、第１の実施形態の発光素子１において、式（１）を用いて算出した実効誘電率から求まるプラズモン共鳴角（図中に○で示す）と、多層膜反射計算によって求まるプラズモン共鳴角（図中に□で示す）とを比較して示す。図２６において、横軸が低誘電率層の厚さを示し、縦軸がプラズモン共鳴角を示している。図２６に示すように、実効誘電率による計算値と、多層膜反射による計算値が一致しており、式（１）で定義される実効誘電率でプラズモン共鳴の条件を定義できることが明らかである。
基板１０としてＡｌ２Ｏ３、ホール輸送層１１、電子輸送層１３としてＧａＮ、低誘電率層１４として、多孔質ＳｉＯ２、プラズモン励起層１５としてＡｇ、高誘電率層１６としてＴｉＯ２をそれぞれ用い、それぞれの厚さを、０．５ｍｍ、１１３ｎｍ、１０ｎｍ、５０ｎｍ、０．５ｍｍとした。また光源層４の発光波長を４６０ｎｍとして計算した。ここで、波数ベクトル変換層１７の材質をＴｉＯ２、周期構造の深さ、ピッチ、デューティ比をそれぞれ、２００ｎｍ、２２１ｎｍ、０．５に設定した。
図２８に、上記の各層の厚さを加味して計算した第１の実施形態の発光素子１の出射光における角度分布を示す。図２８において、横軸が出射光の出射角を示し、縦軸が出射光の強度を示している。この条件下における出射光は、円環状ではなく、ガウス関数状の配光分布を有しているが、ピッチを２２１ｎｍからずらすことでピークが分裂し、円環状の配向分布が得られる。
なお、簡単化のために、計算を２次元で行った。発光素子１から出射した光の強度が半分になる角度の全幅を放射角とした場合、放射角は、波長４６０ｎｍの光に対して±０．８（ｄｅｇ）であった。
したがって、実施形態の発光素子１によれば、発光素子１からの出射光の放射角の指向性を高め、かつ、波数ベクトル変換層１７の格子構造を適宜調整することで、放射角を±５度以下に狭めて指向性を更に高めることが可能になる。
第２の実施例において、プラズモン励起層１５の出射側部分及び入射側部分の実効誘電率は、式（１）よりそれぞれ、９．８、３．１となる。さらに、表面プラズモンの出射側及び入射側におけるｚ方向の波数の虚部は、式（２）よりそれぞれ、０、２．２３×１０７ｍ−１となる。表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ−２となる距離とすれば、１／Ｉｍ（ｋｓｐｐ，ｚ）より、表面プラズモンの有効相互作用距離は、出射側及び入射側でそれぞれ、無限大、４５ｎｍとなる。
最後に、上述した第１から第９の実施形態の発光素子が適用される投射型表示装置としてのＬＥＤプロジェクタの構成例について図面を参照して説明する。図２９に、実施形態のＬＥＤプロジェクタの模式図を示す。
図２９に示すように、実施形態のＬＥＤプロジェクタ７０は、赤（Ｒ）光用発光素子７１ｒ、緑（Ｇ）光用発光素子７１ｇ、及び青（Ｂ）光用発光素子７１ｂと、これらの発光素子７１ｒ、７１ｇ、７１ｂからの出射光がそれぞれ入射する照明光学系７２ｒ、７２ｇ、７２ｂと、これらの照明光学系７２ｒ、７２ｇ、７２ｂを通過した光が入射する表示素子としてのライトバルブ７３ｒ、７３ｇ、７３ｂと、を備えている。また、ＬＥＤプロジェクタ７０は、ライトバルブ７３ｒ、７３ｇ、７３ｂによってそれぞれ画像情報が付与されて入射されたＲ、Ｇ、Ｂ光を合成するクロスダイクロイックプリズム７４と、このクロスダイクロイックプリズム７４からの出射光をスクリーン等の投射面上に投射する投射レンズ（不図示）を含む投射光学系７６と、を備えている。
このＬＥＤプロジェクタ７０は、いわゆる３板式プロジェクタに適用された構成である。照明光学系７２ｒ、７２ｇ、７２ｂとしては、例えば輝度を均一化するためのロッドレンズを有している。ライトバルブ７３ｒ、７３ｇ、７３ｂは、例えば液晶表示板やＤＭＤ等を有している。また、上述した実施形態の発光素子は、単板式プロジェクタにも適用可能であることは勿論である。
本実施形態のＬＥＤプロジェクタ７０によれば、上述した実施形態の発光素子が適用されることで、投射映像の輝度を向上することができる。
また、ＬＥＤプロジェクタ７０においても、図１７及び図１８Ａ、１８Ｂに示した軸対称偏光用１／２波長板５０を、各発光素子７１ｒ、７１ｇ、７１ｂからの出射光の光路上に配置することが好ましく、ライトバルブ７３ｒ、７３ｇ、７３ｂでの偏光損失を抑制することができる。また、照明光学系が偏光子を有する構成の場合には、軸対称偏光用１／２波長板５０を、偏光子と発光素子７１との間に配置する構成が好ましい。
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細は、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２００９年１０月３０日に出願された日本出願特願２００９−２５０２８２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (26)

  1. 光源層と、該光源層の上に積層され、該光源層からの光が入射する光学素子層と、を備え、
    前記光源層は、基板と、該基板の上に設けられた一対のホール輸送層及び電子輸送層を有し、
    前記光学素子層は、
    前記光源層における前記基板側の反対側に積層され、前記光源層から出射する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層と、
    前記プラズモン励起層の上に積層され、前記プラズモン励起層から入射する光を所定の出射角に変換して出射する出射層と、を有し、
    前記プラズモン励起層は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている、発光素子。
  2. 前記プラズモン励起層の前記光源層側に積層された構造体を含む入射側部分の実効誘電率が、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造体と、前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低い、請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記実効誘電率が、
    前記入射側部分または前記出射側部分の誘電体の誘電率分布と、
    前記入射側部分または前記出射側部分での前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布と、
    に基づいて決定される、請求項２に記載の発光素子。
  4. 前記ホール輸送層と前記電子輸送層との間に設けられ、光を発生する活性層を有する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光素子。
  5. 前記プラズモン励起層の前記出射層側、及び前記プラズモン励起層の前記光源層側の少なくとも一方の側に隣接して設けられた誘電率層を備える、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光素子。
  6. 前記プラズモン励起層は、一対の前記誘電率層の間に挟まれ、
    前記プラズモン励起層の前記光源層側に隣接する前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する前記誘電率層よりも誘電率が低い、請求項５に記載の発光素子。
  7. 前記プラズモン励起層の前記光源層側に隣接して設けられた前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する層よりも誘電率が低い低誘電率層である、請求項５に記載の発光素子。
  8. 前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接して設けられた前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記光源層側に隣接する層よりも誘電率が高い高誘電率層である、請求項５に記載の発光素子。
  9. 前記一対のホール輸送層及び電子輸送層のいずれか一方は、前記プラズモン励起層に隣接して設けられ、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する層よりも誘電率が低い、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光素子。
  10. 前記低誘電率層は、誘電率が異なる複数の誘電体層が積層されて構成され、前記複数の誘電体層が、前記光源層から前記プラズモン励起層側に向かう順に誘電率が低くなるように配置されている、請求項７に記載の発光素子。
  11. 前記高誘電率層は、誘電率が異なる複数の誘電体層が積層されて構成され、前記複数の誘電体層が、前記プラズモン励起層側から前記出射層側に向かう順に誘電率が低くなるように配置されている、請求項８に記載の発光素子。
  12. 前記低誘電率層は、誘電率が前記光源層側から前記プラズモン励起層側に向かって次第に低くなる分布を有している、請求項７に記載の発光素子。
  13. 前記高誘電率層は、誘電率が前記プラズモン励起層側から前記出射層側に向かって次第に低くなる分布を有する、請求項８に記載の発光素子。
  14. 前記出射層は、表面周期構造を有している、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の発光素子。
  15. 前記出射層は、フォトニック結晶からなる、請求項１ないし１３のいずれか１に記載の発光素子。
  16. 前記低誘電率層は、多孔質層である、請求項７、１０、１２のいずれか１項に記載の発光素子。
  17. 前記低誘電率層は、導電性を有している、請求項７、１０、１２、１６のいずれか１項に記載の発光素子。
  18. 前記プラズモン励起層は、異なる金属材料からなる複数の金属層が積層されて構成されている、請求項１ないし１７のいずれか１項に記載の発光素子。
  19. 前記プラズモン励起層は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｌのうちのいずれか１つ、またはこれらのうちの少なくとも１つを含む合金からなる、請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の発光素子。
  20. 前記一対のホール輸送層及び電子輸送層のいずれか一方のうち前記基板側に設けられた層は、厚さ方向に直交する面の一部が露出されて該一部に電極が設けられている、請求項１ないし１９のいずれか１項に記載の発光素子。
  21. 前記光源層は、前記基板と、前記一対のホール輸送層及び電子輸送層のいずれか一方との間に設けられた電極層を更に有している、請求項１ないし１９のいずれか１項に記載の発光素子。
  22. 前記プラズモン励起層は、厚さ方向に直交する面の一部が露出されて該一部に電流が供給される、請求項１ないし２１のいずれか１項に記載の発光素子。
  23. 前記光源層は、前記基板側の反対側に積層された透明電極層と、該透明電極層の上に積層され、前記ホール輸送層と前記電子輸送層との間からの光によって電子及びホールが生成される活性層と、を有し、
    前記プラズモン励起層は、前記ホール輸送層と前記電子輸送層との間からの光で、前記活性層を励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有している、請求項１ないし２２のいずれか１項に記載の発光素子。
  24. 請求項１ないし２３のいずれか１項の記載の発光素子と、前記発光素子から入射する軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子と、を備える光源装置。
  25. 請求項１ないし２３のいずれか１項に記載の発光素子と、
    前記発光素子の出射光に画像情報を付与する表示素子と、
    前記表示素子の出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、を備える投射型表示装置。
  26. 請求項１ないし２３のいずれか１項に記載の発光素子と、
    前記発光素子の出射光に画像情報を付与する表示素子と、
    前記表示素子の出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、
    前記発光素子と前記表示素子との間の光路上に配置され、前記発光素子から入射する軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子と、を備える投射型表示装置。
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