JP6634389B2 - 非放射エネルギー移動に基づくソリッドステート照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置に関する。特に、本発明は、改善された放射特性を有する照明装置に関する。

照明用途で使用される発光ダイオード（ＬＥＤ）では、白熱照明によって作り出されるものと略同等の色温度を持つ基本的に白色の光を提供することが望ましい。

ＬＥＤからの白色光は一般に、４５０ｎｍ付近の波長を持つ青色光を発するｐｎダイオードを使用し、そして、この青色光の一部が、該ダイオードの頂面上に、その近傍に、又はそれから距離を置いて配置された１つ以上の波長変換材料を用いて、より長い波長へと変換されることによって提供される。変換された光を、吸収されなかった青色光と組み合わせることにより、白色光として知覚されるまあまあ広帯域のスペクトルを得ることができる。

現在、大抵の商業用途において、波長変換材料はＬＥＤ上に直に設けられている。また、角度にわたって低い色バラつきを得るために、波長変換材料は散乱性であるべきである。これが意味することは、青色光が散乱されてダイオード内に戻ることにもなり、それがＬＥＤ内での吸収損につながるということである。さらに、一般的には蛍光体である波長変換材料の活性成分は等方的なエミッタであり、これは、波長変換された光が全ての方向に同量ずつ放たれることを意味する。光の一部のみが発光デバイスの出力面を出て行くことになるので、これは更なる損失につながる。

損失を低減する問題は、例えば、あまり散乱性でない蛍光体を用いることで、後方散乱されてダイオードによって吸収される青色光の量を低減することによって対処されてきた。しかしながら、蛍光体からの等方的な放射はそのままである。

発光デバイスを去る光の量はまた、放射方向を変更することができるフォトニックバンドギャップ材料を導入することによって増大されることもある。しかしながら、放射方向を制御することができるようにするためには、フォトニックバンドギャップ材料が高い屈折率差を持つ材料からなることを必要とし、高アスペクト比の孔又はピラーがパターニングされて形成されなければならず、サイズ制御が非常に厳密であり、また、材料が発光性でなければならず、散乱損失を招くことになる。また、フォトニックバンドギャップ材料は、実際には、該材料の表面に垂直な平面内でのみ、すなわち、孔又はピラーに平行な方向でのみ効果的である。

従って、発光デバイスの発光効率を高めるための提案されているアプローチは、克服困難な生来的な欠点に悩まされる。

発光デバイスの上述の望まれる特性、並びに従来技術の上述及びその他の欠点に鑑み、本発明の１つの目的は、改善された発光デバイスを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、エネルギーを吸収して励起状態に至るように構成された光子放出ドナーと光子放出アクセプタとを有する波長変換層と、ドナーが励起状態に至るようにドナーにエネルギーを提供するよう構成されたエネルギー源と、を有する照明装置が提供され、ドナー及びアクセプタは、ドナーからアクセプタへの励起エネルギーの非放射移動が起こるように選択され且つ互いから距離を置いて配置され、アクセプタは、エネルギー移動の後に第２の波長で光子を放出するように構成され、照明装置は更に、波長変換層に埋め込まれ、且つアンテナアレイ面に配置された複数の個々のアンテナ素子を有した、周期的プラズモンアンテナアレイを有し、プラズモンアンテナアレイは、個々のアンテナ素子における局在化された表面プラズモン共鳴の、プラズモンアンテナアレイと波長変換層とを有する系によって支援されるフォトニックモードへのカップリングに由来した、第２の波長での第１の格子共鳴を支援するように構成され、プラズモンアンテナアレイは、プラズモンアンテナアレイから放出される光が異方的な角度分布を持つように、プラズモン共鳴モードを有するよう構成される。

プラズモニクスの場は、典型的には金属構造である小さい伝導構造の、光との相互作用を表し、金属構造のサイズは光の波長と同等である。金属内の伝導電子が外部の電界に応答し、電子雲が、駆動光周波数で振動して、より正に帯電した領域を後にし、それが電子を引き戻す。金属構造の小さいサイズにより、共鳴が可視光の周波数にまで至ることができる。結果として、金属構造は、金属粒子に入射する光との、又は金属粒子に近接して生成される光との、強い相互作用を可能にする大きい散乱断面積を有することができる。

見出されたことには、規則的なアレイが、ハイブリッド格子プラズモンフォトニックモード又はプラズモンフォトニック格子共鳴としても参照される、ハイブリッド結合された局在表面プラズモン共鳴（Localized Surface Plasmon Resonance；ＬＳＰＲ）とフォトニックモードとに起因する放射指向性における強いエンハンスメントを示す。この放射指向性エンハンスメントを、ここでは、異方性放射すなわち非ランバーシアン放射として称する。

光アンテナの規則的配列が集団共鳴を支援する。放射波長がアレイの周期性程度であるとき、ある回折次数がアレイの面内で放射する。斯くして、個々の粒子によって維持される局在表面プラズモンポラリトンが回折を介して結合し、表面格子共鳴（surface lattice resonances；ＳＬＲ）として知られる集団的な、格子誘起の、ハイブリッドフォトニックプラズモン共鳴をもたらす。これらの非局在化されたモードが、幾つかの単位セルにわたって延在して、ソリッドステート照明に必要とされるように、大きいボリュームに分散されたエミッタからの放射の集団的なエンハンスメントを得ることを可能にする。

ここで、集合的なナノアンテナとして振る舞う複数のナノ粒子の周期的アレイが使用される。これらのアレイが集団プラズモン共鳴を維持する。一方で、金属ナノ粒子は、波長変換材料内の蛍光体の共鳴励起を可能にする大きい散乱断面積を有し、それにより光の変換を促進させる。他方で、集団プラズモン共鳴が、放射の角度パターンを整形することを可能にし、特定の波長域で定められた方向の非常に狭い角度範囲内に、光のうちの大部分を発する。故に、指向的なエンハンスメントは、波長変換媒体の励起における高められた効率と、アレイ内の拡大されたプラズモンフォトニックモードへの蛍光体発光の出力カップリング効率及びそれに続く自由空間放射への出力カップリングの促進との組み合わせとして説明される。

周期的なプラズモンアンテナアレイは、例えば、基板上に形成され得る。その後、それは、最終的な装置において、この基板上に配置されていてもよいし、配置されていなくてもよい。アンテナアレイを有する波長変換層は、例えば、そのままで提供されてもよいし、好適なエネルギー源上に配置されてもよい。

プラズモンアンテナアレイの機能及び構成のいっそう詳細な説明は、国際公開第２０１２／０９８４８７号及び未公開の欧州特許出願第１３１７９３７４号に見出され得る。

本発明は、共鳴モードをサポートするようにプラズモンアンテナアレイを構成し、該アンテナアレイに近接して光子エミッタを配置することによって、異方性の光分布を達成することができるという認識に基づく。

例えば蛍光体といった波長変換粒子を有する装置において、見出されたことには、プラズモニクスに基づく波長変換層の全体的な量子効率は、該波長変換層の吸光（extinction）係数を高めることによって大きく向上され得る。吸光係数は、例えば、概して蛍光体をして参照され得るものである波長変換材料の濃度を増すことによって増大され得る。しかしながら、蛍光体の内部量子効率がクエンチングによって低下し始め、ひいては装置の全体量子効率を低下させるようになる前に、蛍光体の濃度をどれだけ高め得るかについては、限界が存在する。

これに鑑み、本発明者が更に気付いたことには、ドナーからアクセプタに非放射エネルギー移動が起こり、それに続いてアクセプタによって光子が放出されるよう、ドナー及びアクセプタの形態をした波長変換系を設けることによって、装置の全体量子効率が高められ得る。それにより、アクセプタによって放出される第２の波長の光子が、アクセプタとアンテナアレイとを有する結合システムによって放出される。

詳細に後述するように、ドナーを励起状態に至らせるように、外部エネルギー源からドナーにエネルギーが供給される。

ドナーによって吸収されたエネルギーの大部分をアクセプタに移動させることができ、従って、ドナー−アクセプタ系の発光スペクトルはアクセプタによって決定される。吸光係数は、吸収体の数の増加によって大きく高められる。非放射エネルギー移動過程の効率は非常に高く、且つドナー及びアクセプタの濃度クエンチング（濃度消光）が誘起されないので、この結合系の量子効率は依然として高いままである。非放射エネルギー移動過程は、フェルスター共鳴エネルギー移動（Forster resonance energy transfer；ＦＲＥＴ）として知られており、これは、ドナーとアクセプタとの間でのエネルギー移動を記述するメカニズムである。ＦＲＥＴは、非放射での双極子−双極子カップリングを介したエネルギーの移動に基づき、この移動の効率は、ドナーとアクセプタとの間の距離に反比例する。

本文脈において、ドナー／アクセプタは、エネルギーの付加によって励起状態へとエネルギー上昇されることが可能であって、より低いエネルギーの状態への緩和が光子の放出を通じて起こり得るような、あらゆる原子、分子、粒子、又は構造として理解されるべきである。ドナー及びアクセプタはまた、光子エミッタとして、又はより一般的にエミッタとしても参照され得る。従って、ドナーは光子を放出することができ得るが、ドナーは、そうすることに代えて、ドナー／アクセプタ配置によって、エネルギーをアクセプタに移動させ、代わってアクセプタが光子を放出する。照明装置によって放出される光の所望の波長は、アクセプタによって放出される第２の波長に相当するので、より短い波長を有するものであるドナーからの光子の放出を抑圧するために、ドナーとアクセプタとの間で高い移動効率を有することが望ましい。

本発明の一実施形態によれば、アクセプタは有利には、第２の波長に対応する第１のエネルギー準位と、第１のエネルギー準位よりも高い第２のエネルギー準位とを有し、ドナーは、アクセプタの第２のエネルギー準位に一致するエネルギー準位を有し得る。ドナーのエネルギー準位がアクセプタのエネルギー準位に一致するとは、概して、それらが実質的に同じであることを意味する。しかしながら、アクセプタの第２のエネルギー準位と重なり合うドナー準位のブロードな共鳴が存在し、それにより非放射エネルギー移動が起こり得るような場合にも、エネルギー準位が一致しているとし得る。エネルギー準位は、ここでは、共通の基準レベルＥ_０に対して定められ、これらは然るに相対的な準位である。故に、理解され得るように、一致するのは材料の絶対的なエネルギー準位ではなく、ドナー又はアクセプタの何れかの“基底状態”に対する第１及び第２のエネルギー準位のエネルギー差である。故に、第１及び第２のエネルギー準位はそれぞれ、基準エネルギーレベルＥ_０と比較したそれぞれのエネルギー差として理解されるべきである。

ドナーは、ドナー内のエネルギー準位に相当するエネルギーを吸収するときに励起状態に至るように構成される。半導体においては、エネルギー準位は典型的にバンドギャップに対応し、価電子帯から伝導帯まで電子を励起するのに必要なエネルギーは、バンドギャップに等しいもの以上である。一実施形態において、アクセプタは、照明装置によって放出される光の波長に対応する第１のエネルギー準位と、第１のエネルギー準位よりも高い、すなわち、半導体アクセプタに関する伝導帯よりも上の、第２のエネルギー準位とを有する。それにより、ドナーのバンドギャップに対応するエネルギーを持つ励起されたドナーと、アクセプタの第２のエネルギーレベルとの間で、非放射エネルギー移動が起こることができる。エネルギー移動が起こった後、励起されたアクセプタは、第１のエネルギー準位まで緩和することができ、その後、伝導帯から価電子帯への放射再結合が起こって光子が放出される。同じ論拠が、ドナー及びアクセプタが有機半導体（価電子帯が最高被占分子軌道（highest occupied molecular orbital；ＨＯＭＯ）として参照され、伝導帯が最低空分子軌道（lowest unoccupied molecular orbital；ＬＵＭＯ）として参照され、そしてバンドギャップがＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップとして参照される）である場合にも当てはまる。原理的に、ＦＲＥＴが起こるためには、ドナーの発光スペクトルがアクセプタの吸収スペクトルと重なり合わなければならない。

本発明の一実施形態において、ドナー濃度及びアクセプタ濃度は有利には、ドナーからアクセプタへの励起エネルギーの非放射移動が０．９よりも高い効率を有するように選択される。照明装置から放出される光のうち可能な限り多くが、アクセプタによって放出される光子（これが、次いで、プラズモンアンテナアレイに結合して、所望の波長の光の異方性放射を達成する）の波長に対応する波長を持つことが望ましい。故に、高効率の非放射エネルギー移動は、ドナーからの放射再結合が抑圧されることを意味する。一般に、非放射移動の効率は、ドナーとアクセプタとの間の平均距離に依存し、代わって該平均距離は、所与のドナー／アクセプタの組み合わせでの波長変換層内のドナー及びアクセプタの濃度の関数である。０．９よりも高い（一実施形態において、０．９５よりも高い）効率の場合、非常に少ないドナー発光のみが検出可能となり、又はドナー発光は検出可能でなく、発光スペクトルの形状は、アクセプタの発光スペクトルに完全に似たものとなる。

本発明の一実施形態によれば、ドナー濃度とアクセプタ濃度との間の比は少なくとも１：１である。この比は例えば、１：１から５：１の範囲内とし得る。最適なドナー／アクセプタ比は、過度に高くあるべきでないアクセプタ濃度によって部分的に決定される。というのは、アクセプタが互いに近すぎると、アクセプタ量子効率のクエンチングが全体的なシステム効率を低下させ得るからである。アクセプタ濃度に対してドナー濃度を高めることは、波長変換層内での吸収を促進させる。しかしながら、ドナーが互いに過度に近くなり始めると弊害をもたらし得るので、最大のドナー／アクセプタ比には限界があり得る。最適な比を決定するには、アクセプタ励起状態のライフタイム及び非放射移動に関する時間も考慮に入れなければならない。一般に、ドナーが励起されてエネルギーを移動させる準備が整うとき、そのエネルギーを受け取る準備が整った、利用可能な基底状態のアクセプタが存在しなければならない。

本発明の一実施形態において、ドナー及びアクセプタは有利には、希土類元素イオン、染料分子、及び量子ドットからなる群から選択された点状エミッタとし得る。原理的に、本状況では、励起が光子の放出を生じさせ得る如何なる点状エミッタが使用されてもよく、点状エミッタは、手元の用途の所望の波長及び材料特性に基づいて選択され得る。

本発明の一実施形態によれば、ドナーは有利には、５００ｎｍから５８０ｎｍの波長を持つ緑色／黄色光を放つ染料分子又は量子ドットとし得る。また、アクセプタは有利には、５８０ｎｍから６３０ｎｍの波長を持つ赤色光を放つ染料分子又は量子ドットとし得る。ＦＲＥＴに基づいて２つの高効率カップリングされる染料を組み合わせることによって、高い励起効率を達成することができる。２つの染料は、青色光を吸収して緑色光を放つ緑色染料と、青色光及び緑色光を吸収して赤色光を放つ赤色染料である。緑色染料の発光スペクトルと赤色染料の吸収スペクトルとの重なりにより、これらが同じ波長変換層内に混合されるとき、緑色染料分子から赤色染料分子への強いＦＲＥＴが起こり得る。緑色染料分子によって吸収されたエネルギーの大部分が、赤色染料分子に移動されることができ、従って、これら２つの染料の結合系の発光スペクトルは赤色染料によって決定される。吸光係数は、吸収体の数の増加によって大きく高められる。ＦＲＥＴ効率は非常に高く、且つ緑色及び赤色の染料のクエンチングが誘起されないので、この結合系の量子効率は依然として高い（１に近い）ままである。

本発明の一実施形態によれば、ドナー及び／又はアクセプタは有利には、ペリレン染料分子とし得る。ペリレン系の染料分子は、発光ダイオードに関する波長変換の分野で知られており、見出されたことには、２つの異なるペリレン系染料分子の組み合わせが高ＦＲＥＴ効率及び高吸光係数を提供する。例えば、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ、ＩｎＰのＱＤ、及びこれらに類するものなど、他のタイプの染料も使用され得る。

本発明の一実施形態において、ドナー濃度及びアクセプタ濃度は有利には、プラズモンアンテナアレイを有する波長変換層について結果として得られる吸光係数及び量子効率が、ドナー及びアクセプタのうちの一方のみ及び同等の全体吸光を有する波長変換層に関してよりも高いように選択される。プラズモンアンテナアレイにカップリングされた波長変換層の吸光係数及び量子効率は、波長変換粒子の濃度によって決定される。しかしながら、一般的原理として、量子効率は、波長変換粒子の濃度の増大によるクエンチングの結果として、吸光係数が増すにつれて低下する。故に、過度に高い濃度の波長変換粒子に関する欠点を導入することなく、結合ドナー−アクセプタ系の有利な効果を達成することが望ましい。

本発明の一実施形態によれば、照明装置は更に、ドナーが励起状態に至るようにドナーにエネルギーを提供するよう構成されたエネルギー源を有し得る。ドナーに提供されるエネルギーは、典型的にバンドギャップ又はＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップに対応するドナーのエネルギー準位に等しいか、それよりも高いかでなければならない。ドナーはまた、バンドギャップよりも大きいエネルギーをいっそう容易に吸収し得るように、第１のエネルギー準位よりも高い更なるエネルギー準位を有していてもよい。原理的に、点状エミッタを励起することには、例えば、十分に高いエネルギー（すなわち、第１のエネルギー準位よりも高いエネルギー）を持つ光子若しくは電子、ｘ線若しくはガンマ線、熱、電子−正孔対の注入などの、外部エネルギー源が使用され得る。

また、エネルギー源は、例えば、光子エミッタ、電子エミッタ、ｘ線エミッタ、ガンマ線エミッタ、又は電子−正孔対とし得る。電子は、例えば陰極線管（ＣＲＴ）によって放射されることができ、ｘ線／ガンマ線は、例えば真空管、ガンマ線（ＣＴ）から供給され得る。

本発明の一実施形態において、光子エミッタは有利には、発光ダイオード又はソリッドステートレーザとし得る。半導体に基づく光子エミッタは、一般に使用されており、上述の照明装置と容易に一体化され得る。

本発明の一実施形態によれば、プラズモンアンテナアレイは有利には、アウトオブプレーン非対称であるプラズモン共鳴モードを有するように構成され得る。非対称な光放射を提供するようにプラズモンアンテナアレイを構成することにより、アンテナアレイによって放出される光のうちの多くが、照明装置の発光面に向けて放射され得る。これは、生成された光のうちのいっそう大きい部分が装置の選択された発光面から放出されるので、照明装置の全体効率の増大につながる。照明装置は、光が主として、基板を通して、又は基板から遠ざかって波長変換層から、の何れかで放出されるように構成され得る。アウトオブプレーン非対称なプラズモン共鳴モードは、例えば、アンテナ素子を非対称にする（例えば、角錐、角錐台、円錐、又は円錐台の形状を有する）ことによって達成され得る。それにより、各アンテナ素子に関して得られる共鳴モードが非対称になり、代わってそれが非対称な光放射特性をもたらす。アンテナ素子の非対称形状は、アンテナ素子の縦軸に平行な平面内でのそれら素子の断面（すなわち、“立っている”アンテナ素子の鉛直面における断面）の非対称性を表す。

アンテナ素子を先細（テーパ）形状にすることは、放射の非対称性にとって重要である。特に、非対称性は、アンテナ素子における電気及び磁気の共鳴の同時励起に基づく。後に更に説明するように、破られた対称性によって増強されるのは主として磁気応答及び磁気電気（クロスカップリング）応答である。磁気応答は、入射光の磁界に対するアンテナ素子の応答であり、磁気電気は、入射磁界による電界の励起及びその逆を意味する。

電気力学から、単一の磁気双極子にカップリングされた単一の電気双極子により、これらの双極子の相対的な位相に応じて、前方／後方散乱比を調整することができることが知られている。典型的に、大抵の材料は光の周波数では磁気応答を有さず、故に、光に対する効果は殆ど見出されない。しかしながら、金属ナノ構造は、電気的な励起と同等の強さの磁気励起を維持するように設計されることができる。さらに、これら２つの異なる励起がクロスカップリングされて磁気電気応答をもたらす。

ここでは、先細化は、底面における直径又は辺の、頂面における直径又は辺に対する比を表すとして、アンテナ素子の先細化を増大させることは、磁気応答及び磁気電気応答の双方を増大させる。故に、先細化を増大させることによって、これら２つの応答が増大され、そして、増大された非対称性を示すアンテナアレイが設計され得る。なお、また、これらの構造からの放射の非対称性は、同等の振幅の電気励起及び磁気励起をこれらが持つことを当てにする。

本発明の一実施形態によれば、アンテナアレイは有利には、１１０−１３０ｎｍの範囲内の頂面辺と、１３５−１５５ｎｍの範囲内の底面辺と、１４０−１６０ｎｍの範囲内の高さとを持った角錐台（切頭ピラミッド）状の複数のアンテナ素子を有することができ、これら複数のアンテナ素子が、約４００ｎｍの格子定数を持つ正方形アレイにて配列される。これらの辺は、長方形、正方形、又は三角形の辺として参照されている。概して、上記のサイズ範囲を参照するに、より小さいアンテナ素子に基づくアレイは、可視スペクトルの赤色端側で共鳴する大きめのアンテナ素子と比較して、可視スペクトルの青色端側で共鳴する。アンテナ素子の全体サイズは、局在化されるプラズモン共鳴にとって重要なものである。底面及び頂面が局在化モードをサポートし、頂面と底面とのサイズ差が、アンテナの組み合わされたローカル共鳴を広げる。切頭型のアンテナ素子の頂面と底面とで異なる共鳴が存在し、頂面及び底面の共鳴が互いにカップリングし得る。そして、アンテナ素子の高さは、位相遅延を導入して共鳴のカップリングを左右し、それにより、電気及び磁気共鳴に部分的に起因する遅延に部分的に起因して、放射の非対称性を決定する。

本発明の更なる特徴及び本発明に伴う利点が、添付の請求項及び以下の説明を検討することで明らかになる。当業者が気付くように、本発明の様々な特徴が組み合わされることで、本発明の範囲を逸脱することなく、以下に記載されるもの以外の実施形態が作り出され得る。

本発明のこの及びその他の態様を、本発明の実施形態を示す添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
本発明の一実施形態に従った照明装置を模式的に例示している。 本発明の一実施形態に従った照明装置を模式的に例示している。 本発明の一実施形態に従った照明装置における光子エミッタのエネルギーバンド図を模式的に例示している。 本発明の一実施形態に従った照明装置のアンテナ素子を模式的に例示している。

以下、本発明の例示的な実施形態を示す添付図面を参照して、本発明をいっそう十分に説明する。本発明は、しかしながら、数多くの異なる形態で具現化されることができ、ここに説明される実施形態に限定されるように解釈されるべきでなく、むしろ、これらの実施形態は、徹底さ及び完全さのために提供されるものであり、また、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるものである。全体を通して、同様の要素は似通った参照符号で参照する。

図１は、波長変換層１０４を有する照明装置１００を模式的に示したものである。波長変換層１０４は、複数の個々のアンテナ素子１０８を有する周期的プラズモンアンテナアレイに近接して配置された、複数のドナー１１４及びアクセプタ１１６の粒子を含んでいる。個々のアンテナ素子１０８は、当該アンテナ素子の底面の平面として規定されるアンテナアレイ面に配置されている。ドナー１１４及びアクセプタ１１６は、蛍光材料、光子エミッタ、エミッタ、蛍光体、又は染料としても参照され得る。ドナー１１４及びアクセプタ１１６は、例えば、希土類元素イオン、染料分子、量子ドット、又はこれらの組み合わせとし得る。

ドナーを励起するための外部エネルギー源１０２は、例えば、発光ダイオード又はレーザなどの光子放射体とし得る。エネルギー源１０２の主目的がドナー１１４を励起することであっても、一部のケースにおいて、アクセプタ１１６も励起されることは避けられない。原理的に、ドナーを励起することには、例えば、十分に高いエネルギーを持つ電子、ｘ線放射若しくはガンマ線放射、熱、電子−正孔対の注入など、如何なる外部エネルギー源が使用されてもよい。電子は例えば陰極線管（ＣＲＴ）によって放射されることができ、ｘ線／ガンマ線は例えば真空管、ガンマ線（ＣＴ）から供給されることができる。単純さのため、また、光子を用いてドナーを刺激する一般的概念を説明するため、以下ではエネルギー源を光源１０２として参照することとする。ここでは、光源１０２は、波長変換層から及び照明装置の残りの部分から距離を置いて配置された、例えば発光ダイオード又はレーザなどの、別構成の発光デバイスとして図示されている。しかしながら、光源１０２は、例えば、その頂面上にアンテナアレイ及び波長変換層が形成される半導体基板内に形成された半導体発光ダイオードの中などにも、等しく良好に一体化され得る。

図１は更に、ドナー１１４がエネルギーを吸収して励起状態に至り得るように、ドナー１１４が、光源１０２からエネルギーを受け取るよう、光源１０２に隣接して波長変換層１０４内に配置されることを例示している。

図１の拡大部分は、距離ｒだけアクセプタ１１６から隔てられたドナー１１４を例示している。ドナーからアクセプタへの非放射エネルギー移動の効率は、距離ｒに反比例する。

図２は、アンテナアレイ面に配列された複数の個々のアンテナ素子１０８を有する周期的プラズモンアンテナアレイを更に例示している。アンテナアレイは、波長変換層１０４の中に配置される。また、アンテナアレイは、個々のアンテナ素子における局在化された表面プラズモン共鳴の回折結合に由来した、アクセプタ１１６によって放たれる光の波長に一致する第２の波長での格子共鳴、を支援するように構成される。図１及び２には更に、限られた角度範囲１１２内で、すなわち、異方性分布の放射光にて、照明装置１００の光放射面からどのように光１１０が放射されるかが例示されている。

図３は、特にはフェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）である非放射エネルギー移動の概念とドナー１１４及びアクセプタ１１６のそれぞれのエネルギー準位とを説明するために使用されるドナー１１４及びアクセプタ１１６のエネルギーバンド図を模式的に例示したものである。ここでは、価電子帯と伝導帯との間の差によってエネルギーバンドギャップＥ_Ｇが定義されるものである半導体におけるエネルギー準位に関する用語を使用する。しかしながら、この論拠は、価電子帯が最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）に相当し、伝導帯が最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）に相当し、そしてバンドギャップがＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップとしてである有機半導体にも同様に適用され得る。

ドナー１１４は、ここではドナーバンドギャップＥ_ＧＤに一致する第１のエネルギー準位Ｅ_Ｄを有している。Ｅ_Ｄよりも高いエネルギーＥ_Ｅを持った、光源によって放出された光子（又は、他のエネルギー源によって放出された他のエネルギー粒子）が、ドナーによって吸収され、それにより、ドナーが励起状態に至る。典型的に、ドナーによって吸収される光子がＥ_Ｄよりも高いエネルギーを持つとき、ドナーは緩和３０２して、エネルギーＥ_Ｄ（これから、ドナーが直接再結合によって基底状態まで緩和する場合に、第１の波長λ_１を持つ光子が放出され得る）を持つ励起状態に至る。ドナーがエネルギーＥ_Ｄを持つ励起状態になると、ＦＲＥＴを介して非放射的に、Ｅ_Ｄに一致するエネルギーＥ_Ａ２を持つアクセプタにエネルギーが移動される。アクセプタが励起された後、アクセプタは、より低いエネルギー準位Ｅ_Ａ１へと緩和３０４し、その後、アクセプタが基底状態まで緩和するときに、再結合を介して、第２の波長λ_２を持つ光子が放出される。アクセプタのバンドギャップＥ_ＧＡがＥ_ＧＤよりも小さいとき、この波長変換過程でエネルギーが失われ、その結果、波長λ_２は、波長λ_１よりも長く、また、ドナーによって吸収された光の波長よりも長い。それにより、例えば、光源１０２によって放出された青色光が、可視スペクトルの赤色部分の方にシフトされる。バンドギャップＥ_ＧＤをまたいで直接再結合を介してドナーによって放出される光は、第１の波長λ_１を持つものとなる。例えば、ドナーは緑色／黄色波長域で発光する染料分子であり、アクセプタは赤色波長域で発光する染料分子であるとし得るので、ドナーからの直接的な光の放射を抑えること、すなわち、可能な限り高いＦＲＥＴ効率を有することが望ましい。所与のタイプのドナーとアクセプタとの間の平均距離がＦＲＥＴに適したものであるように、波長変換層１０４内のドナー及びアクセプタの濃度を制御することにより、ドナーとアクセプタとの間の距離を調整することによって、特定のドナー及びアクセプタの組み合わせに関して、増大されたＦＲＥＴ効率が達成される。

単一のドナー及び単一のアクセプタについて、ＦＲＥＴ効率Ｅ_ＦＲＥＴは、

によって計算されることができる。ここで、理解することができるように、この移動過程の効率は、特定のタイプのドナーとアクセプタとの間でのＦＲＥＴの確率を特徴付ける数である所謂フェルスター半径Ｒ_０に加えて、ドナーとアクセプタとの間の隔たりｒに強く依存する。

ここで議論される層においては、多数のドナー及びアクセプタが３Ｄ空間内でランダムに分布される。従って、特定のドナーに関してＦＲＥＴ効率を計算するには、

によって示すように、ドナーがそれと相互作用し得るような、隔たりｒ_ｉにあるラベルｉを付した全てのアクセプタを考慮に入れなければならない。

各ドナーに対するアクセプタの正確な位置は知られていないので、ドナーとアクセプタとの間の正確な隔たりを含めるのではなく、アクセプタ濃度ｃ_Ａｃｃを用いて、ドナーに対して特定の距離でアクセプタを見出す確率を記述し得る。斯くして、アクセプタの存在（Ｉ_ＤＡ）と不存在（Ｉ_Ｄ）とで、ドナーによって放出される光子の強度又は個数を比較することによって、アクセプタ濃度ｃ_Ａｃｃの関数としての、３次元配置に関するＦＲＥＴ効率：

を計算することができる。

強さＩ_ＤＡ及びＩ_Ｄを計算するため、ドナー強度減衰が、ｔによって指し示される時間で積分される。Ｉ_Ｄ ^０は、時間０で測定されるドナー強度又は光子カウントを表し、τ_Ｄは、特性減衰時間、すなわち、アクセプタ不存在でのドナーのライフタイムである。また、Γ（１／２）＝√πはガンマ関数であり、ｃ_０は、半径Ｒ_０を持つ球のボリュームが平均１個のアクセプタを含有するという特性濃度を記述する。この濃度ｃ_０において、７２．３８％のＦＲＥＴ効率が得られる。

例えばプラズモニクスを用いる用途において、得られる発光スペクトルを変えることなく、波長変換層１０４内での吸収を増大させるメカニズムとしてＦＲＥＴを使用するためには、ＦＲＥＴ効率が高くなければならない（例えば、少なくとも０．９、実施形態において０．９５よりも高く、又は他の実施形態において０．９８よりも高くなど）。この場合、非常に少ないドナー発光のみが検出可能となり、又はドナー発光は検出可能でなく、照明装置からの発光スペクトルの形状は、アクセプタの発光スペクトルに完全に似たものとなる。理に適ったアクセプタ濃度（例えば、４．０ｎｍの平均アクセプタ間隔に相当する約０．０３アクセプタ／ｎｍ^３）でこのような高いＦＲＥＴ効率を達成するため、比較的高いフェルスター半径（一実施形態において、３．０ｎｍ又はそれよりも高いフェルスター半径）を有するドナー−アクセプタの組み合わせが使用されるべきである。アクセプタ濃度は過度に高くなるべきでない。というのは、アクセプタが互いに近すぎると、アクセプタ量子効率のクエンチングが全体的なシステム効率を低下させ得るからである。約０．９５なる意味のあるフェルスター効率を達成するために、Ｒ_０＝３．０ｎｍで約０．０２９５／ｎｍ^３（４．０ｎｍの平均アクセプタ間隔に相当する）の最小アクセプタ濃度が実現されるべきである。

また、波長変換層１０４内での吸収を有意に促進させるために、ドナー対アクセプタの比は、例えば４：１又は５：１など更に高い比の方が更に有益であるが、少なくとも１：１にされるべきである。しかしながら、最大の比はドナー及びアクセプタのサイズによって制限され得る。というのは、ドナーが互いに過度に近くなり始める場合に、また、アクセプタが基底状態にある時間を決定するものであるとともにＦＲＥＴに応答するものであるアクセプタ励起状態ライフタイム及びアクセプタ濃度に応じて、弊害をもたらし得るからである。

さらに、高濃度のドナーは、エネルギーＥ_Ｅに対応するポンプ波長付近での高い吸収度につながり、それが、高エネルギー光子でのアクセプタの励起を抑制する（アクセプタの長期安定性にとって好ましいものである）。しかしながら、過度に高いドナー濃度は、アクセプタの飽和につながり得る。ここで、アクセプタとアンテナアレイのプラズモンモードとの間のカップリングは、該カップリングがアクセプタの励起状態ライフタイムを短縮するので、更なる利点を提供する。故に、ドナー−ドナー相互作用（例えば、濃度クエンチング）なしで可能な限り高いドナー濃度を有することが望ましい。

加えて、ドナー１１４は、実施形態において、入射光のうち可能な限り多くが吸収されるよう、バンドギャップよりも上のエネルギー範囲内の入射光をドナーの吸収帯が吸収することができるように構成される。これは、例えば、伝導帯エネルギー準位Ｅ_Ｄ又は有機分子の場合のＬＵＭＯ準位よりも上に位置する更なるエネルギー準位によって達成される。

原理的に、上述の波長変換層は、プラズモンアンテナアレイを有した又は有しない１つ以上の更なる波長変換層と組み合わせて提供されてもよい。

一実施形態例において、赤色光に相当する周波数域でのプラズモン−フォトニック格子共鳴を支援するように構成されたプラズモンアンテナアレイは、例えば、図４に例示するような、１１０−１３０ｎｍの範囲内の頂面辺４０４と、１３５−１５５ｎｍの範囲内の底面辺４０２と、１００−１６０ｎｍの範囲内の高さ４０６とを持った、角錐台状のアンテナ素子の形態のアンテナ素子を有し得る。これらの面の長さは、この例では、正方形の面の長さであるが、長方形又は三角形も可能である。また、これらのアンテナ素子は、約４００ｎｍの格子定数を持つ正方形アレイにて配列されている。４７０ｎｍの周期を持つ六角形アレイも、正常に近い強化された発光を示すことになる。

アンテナ素子は、例えば、溶融石英基板上に製造されたアルミニウムからなり得る。波長変換層は、例えば、基板上にスピンコートされた、ドナー及びアクセプタを有するポリスチレン材料とし得る。

さらには、開示した実施形態への変形が、図面、本開示及び添付の請求項の検討から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解されて実現され得る。

請求項において、用語“有する”はその他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数であることを排除するものではない。特定の複数の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組合せが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。

Claims (15)

1. 照明装置であって、
   エネルギーを吸収して励起状態に至るように及び第１の波長の光を放出するように構成されたドナーと、前記第１の波長よりも長い第２の波長の光を放出するように構成されたアクセプタとを有する波長変換層
   を有し、
   前記ドナー及び前記アクセプタは、前記ドナーから前記アクセプタへの励起エネルギーの非放射移動が起こるように選択され且つ互いから距離を置いて配置され、それにより、前記アクセプタが、エネルギーの前記移動の後に前記第２の波長で光子を放出するようにされており、
   当該照明装置は更に、前記波長変換層に埋め込まれ、且つアンテナアレイ面に配置された複数の個々のアンテナ素子を有した、周期的なプラズモンアンテナアレイを有し、前記プラズモンアンテナアレイは、前記個々のアンテナ素子における局在化された表面プラズモン共鳴の、前記プラズモンアンテナアレイと前記波長変換層とを有する系によって支援されるフォトニックモードへのカップリングに由来した、前記第２の波長での第１の格子共鳴を支援するように構成され、前記プラズモンアンテナアレイは、前記プラズモンアンテナアレイから放出される光が異方的な角度分布を持つように、プラズモン共鳴モードを有するよう構成されている、
   照明装置。
2. 前記アクセプタは、前記第２の波長に対応する第１のエネルギー準位と、前記第１のエネルギー準位よりも高い第２のエネルギー準位とを有し、前記ドナーは、前記アクセプタの前記第２のエネルギー準位に一致するエネルギー準位を有する、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記ドナーから前記アクセプタへの励起エネルギーの前記非放射移動が、０．９よりも高い効率を有するように、ドナー濃度及びアクセプタ濃度が選択されている、請求項１又は２に記載の照明装置。
4. ドナー濃度とアクセプタ濃度との間の比が、少なくとも１：１である、請求項１乃至３の何れかに記載の照明装置。
5. ドナー濃度とアクセプタ濃度との間の比が、１：１から５：１の範囲内である、請求項１乃至３の何れかに記載の照明装置。
6. 前記ドナー及び前記アクセプタは、希土類元素イオン、染料分子、及び量子ドットからなる群から選択された点状エミッタである、請求項１乃至５の何れかに記載の照明装置。
7. 前記ドナーは、５００ｎｍから５８０ｎｍの波長を持つ緑色／黄色光を放つ染料分子又は量子ドットである、請求項６に記載の照明装置。
8. 前記アクセプタは、５８０ｎｍから６３０ｎｍの波長を持つ赤色光を放つ染料分子又は量子ドットである、請求項６に記載の照明装置。
9. 前記ドナー及び／又は前記アクセプタは、ペリレン染料分子である、請求項６に記載の照明装置。
10. 前記波長変換層の吸光係数及び／又は量子効率が、前記アクセプタのみを有する波長変換層に関してよりも高いように、ドナー濃度及びアクセプタ濃度が選択されている、請求項１乃至９の何れかに記載の照明装置。
11. 前記ドナーが前記励起状態に至るように前記ドナーにエネルギーを提供するよう構成されたエネルギー源、を更に有する請求項１乃至１０の何れかに記載の照明装置。
12. 前記エネルギー源は、光子エミッタ、電子エミッタ、ｘ線エミッタ、ガンマ線エミッタ、又は電子−正孔対である、請求項１１に記載の照明装置。
13. 前記エネルギー源は、発光ダイオード又はソリッドステートレーザである、請求項１１に記載の照明装置。
14. 前記プラズモンアンテナアレイは、アウトオブプレーン非対称であるプラズモン共鳴モードを有するように構成されている、請求項１乃至１３の何れかに記載の照明装置。
15. 前記アンテナアレイは、１１０−１３０ｎｍの範囲内の頂面辺と、１３５−１６０ｎｍの範囲内の底面辺と、１００−１６０ｎｍの範囲内の高さとを持った角錐台状の複数のアンテナ素子を有し、前記複数のアンテナ素子は、約４００ｎｍの格子定数を持つ正方形アレイ、又は４７０ｎｍの格子定数を持つ六角形アレイにて配列されている、請求項１乃至１４の何れかに記載の照明装置。

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