TW202346227A

TW202346227A - 發光裝置

Info

Publication number: TW202346227A
Application number: TW112110851A
Authority: TW
Inventors: 野田進; 石崎賢司; 村井俊介; 柏木宏之; 川上康之; 前村要介
Original assignee: 國立大學法人京都大學; 日商斯坦雷電氣股份有限公司
Priority date: 2022-04-13
Filing date: 2023-03-23
Publication date: 2023-12-01
Also published as: WO2023199703A1; JP2023156941A

Abstract

具備有：半導體發光構造層，係具有光子晶體層；和奈米天線螢光體，係被載置於半導體發光構造層之射出面上，並由波長轉換體以及天線陣列所成，該波長轉換體，係將半導體發光構造層之輻射光的波長作轉換而產生波長轉換光，該天線陣列，係於波長轉換體上而使複數之奈米天線被週期性地作了配列。

Description

發光裝置

本發明，係有關於發光裝置，特別是有關於具備有：具備光子晶體之發光元件以及螢光體的發光裝置。

近年來，針對汽車等之交通工具或者是移動體之自動駕駛的開發係急速進展，對於車頭燈等之燈具的要求也有所改變。例如，車頭燈，係不但是對於燈自身有所要求，亦對於一同導入有感測器等的作為燈具系統之價值有所要求。但是，例如在汽車之車頭燈中，雖然係有將LED(發光二極體，Light emitting diode)元件並聯地作配置來使其高輸出化而作使用的情況，但是，係存在著難以取得設置感測器等之空間的問題。

一般而言，在自然射出光之LED中，發光分布係為朗伯分布，而配光係會擴廣，因此，係產生有起因於從車頭燈內之透鏡而偏離之光所導致的損失。為了減少光的損失而更進一步提升光量，係有必要將透鏡增大(亦即是，將開口率NA增大)，但是，從車頭燈之空間的觀點來看，係並不理想。為了並不改變透鏡之NA地而將LED之導入量增多，係有必要將LED光源自身之發光分布作窄角化。

作為形成小型且被作了窄角化的白色光源之技術，係揭示有對於在表面上形成有奈米天線之螢光體而照射雷射光之構成。

例如，在專利文獻1中，係揭示有一種將從光子射出器而來之光子從電漿子天線(plasmonic antenna)陣列而放出的照明裝置。又，在專利文獻2中，係揭示有一種波長轉換裝置，其係具有將射入雷射光之波長作轉換的波長轉換體、和被形成於波長轉換體之射出面上之天線陣列。

然而，係對於具有被更進一步地作了窄角化之配光分布並且也具有高的光輸出之光源有所要求。

[發明所欲解決之問題]

本發明之目的，係在於提供一種在具有被作了窄角化之配光特性的同時亦能夠以高效率來射出高輸出之混色光的發光裝置。 [用以解決問題之手段]

由本發明之其中1個實施形態所致之發光裝置，係具有：半導體發光構造層，係具有光子晶體層；和奈米天線螢光體，係被載置於前述半導體發光構造層之射出面上，並由波長轉換體以及天線陣列所成，該波長轉換體，係將前述半導體發光構造層之輻射光的波長作轉換而產生波長轉換光，該天線陣列，係於前述波長轉換體上而使複數之奈米天線被週期性地作了配列。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利6381645號公報 [專利文獻2]日本專利6789536號公報

以下，針對本發明之合適的實施形態作說明，但是，係亦可將此些作適宜改變並作組合。又，在以下之說明以及所添附之圖面中，對於實質性相同或者是等價之部分，係附加相同之元件符號來進行說明。

[第1實施形態] 第1A圖，係為對於本發明之第1實施形態的發光裝置10之上面作示意性展示之平面圖，第1B圖，係為對於沿著在第1A圖中所示之A-A線的剖面構造作示意性展示之剖面圖。

如同在第1A圖以及第1B圖中所示一般，發光裝置10，係具有半導體發光構造層20、和奈米天線螢光體30、以及光學濾波器40。在本實施形態之發光裝置10中，於半導體發光構造層20之射出面上係被配置有光學濾波器40，在光學濾波器40上係被配置有奈米天線螢光體30。

(1)半導體發光構造層半導體發光構造層(以下，稱作LED構造層)20，係具有具備光子晶體層21P之第1半導體層21、和活性層23、以及第2半導體層25。

另外，在本實施形態中，雖係針對LED構造層20為由氮化物系半導體層(GaN系半導體層)所成的情況來進行說明，但是，係亦可為作為LED而動作的其他之結晶系之半導體發光構造層。

又，以下所示之半導體構造層之各層的組成、層厚、雜質、摻雜濃度等，係僅為例示，而能夠因應於所期望之特性來適宜作選擇、改變等。

以下，參照第1A圖以及第1B圖，針對LED構造層20進行詳細說明。

LED構造層20，係在第1半導體層21上而依序被成長形成有活性層23以及第2半導體層25。例如，係可藉由MOCVD法(有機金屬氣相成長法)、MBE法(分子線磊晶法)等來形成。

第1半導體層21，係具有被形成於由身為n型之半導體層的n-GaN所成之下層21A上的光子晶體層21P。光子晶體層21P，係具有於與第1半導體層21相平行之面內而被2維性地週期性形成之微細之空孔(air hole)22，並為折射率會週期性地改變之構造層。

在光子晶體層21P上，係被形成有將光子晶體層21P作埋入之埋入層21B。埋入層21B，係由身為n型之半導體層的n-GaN所成，並具有120nm之層厚。

更詳細而言，在本實施形態中，光子晶體層21P之空孔22，係被配置於正方晶格位置處，並具有圓柱形狀，晶格常數(週期)係為185nm，高度係為240nm，直徑係為92.5nm。

於此，在設為光子晶體之晶格常數=a、發光波長=λ(真空中)、母體之折射率=neff時，當正方晶格2維光子晶體的情況時，係設為會滿足a≠mλ/neff(m為自然數)，當三角晶格2維光子晶體的情況時，係設為會滿足a≠mλ×2/(3/2×neff)(m為自然數)。

另外，此時之λ，係不僅是峰值波長，亦會相對於活性層23之發光頻譜的半峰全寬(FWHM)內之任意之波長λw(真空中)而成立。亦即是，當發光頻譜之峰值為450nm而半峰全寬為10nm的情況時，λ係可視為具有445nm～455nm之範圍(445nm≦λw≦455nm)。本發明，較理想，係身為照射非共振之LED光的發光元件。藉由僅形成會滿足此種條件之光子晶體，來在非共振之光的狀態下而使其窄角化。

但是，就算是在當正方晶格2維光子晶體的情況時係滿足a=mλ/neff並當三角晶格2維光子晶體的情況時係滿足a=mλ×2/(3/2×neff)的情況時，只要所被供給之電流值係為一定之值以下，則便能夠在非共振之光的狀態下而設為使其作了窄角化之光。於此情況，藉由使被與發光裝置10作了連接的未圖示之電源供給不會使共振光產生的程度之電流值，係能夠設為使窄角光成分(射出角20˚以內)亦與廣角光成分(射出角超過20˚)相同的而照射非共振之LED光之發光元件。

在第1半導體層21上，係被形成有發光層23A。發光層23A，係為使GaN障壁層與InGaN井層被交互地作了層積的5層構造之多重量子井構造層(以下，稱作MQW層)。

在發光層23A上，係被形成有間隔物層23B。間隔物層23B，係由GaN所成，並具有6nm之層厚。

在間隔物層23B上，係被形成有第2半導體層25。更詳細而言，第2半導體層25，係由電子阻隔層(Electron Blocking Layer)25A和被形成於電子阻隔層25A上之身為p型之半導體層的p-GaN層25B所成。

電子阻隔層25A，係由AlGaN所成，並具有例如10nm之層厚。p-GaN層25B，係具有例如116nm之層厚。

另外，在本說明書中，係將由發光層23A以及間隔物層23B所成之層，稱作活性層(芯層)23。又，從兩側而包夾活性層23之第1半導體層21以及第2半導體層25，係分別作為第1包覆層(clad layer)以及第2包覆層而起作用。

第1半導體層(第1包覆層)21，由於係包含有光子晶體層21P，亦即是包含有空孔22，因此，其折射率係較母體之半導體(在本實施形態中，係為GaN)而更小，故而，其實效折射率係較活性層(芯層)23之實效折射率而更小。

又，電子阻隔層25A，由於係藉由相較於活性層23(亦即是，活性層23之間隔物層23B)而能帶隙為更大且折射率為更小的半導體(在本實施形態中，係為AlGaN)所構成，因此，第2半導體層(第2包覆層)25之實效折射率係較活性層23之實效折射率而更小。

第1半導體層21以及第2半導體層25，例如係具有與光纖之包層相同之功能，亦即是係具有將在活性層(芯層)23中而被導波的光作封閉之功能。另外，第1半導體層21，係亦可藉由互為相異之組成的複數之半導體層來構成。又，第2半導體層25，係亦可藉由互為相異之組成的複數之半導體層來構成。

又，雖然第1半導體層21係身為n型之半導體層，而第2半導體層25係身為p型(與第1半導體層21相反之導電型)之半導體層，但是，第1半導體層21以及第2半導體層25，係亦可具有i層或者是無摻雜層。例如，第2半導體層25中之電子阻隔層25A，係亦可作為無摻雜層而被構成。

在p-GaN層25B上，係被設置有p電極28A。p電極28A，例如係作為由被形成於p-GaN層25B上之Ni(鎳)以及被形成於Ni上之Au(金)所成的Ni/Au構造(Au為表面層)，而被形成。

另外，p電極28A，係可使用被與p-GaN層25B作了歐姆接觸的金屬層。例如，係為使用有具有高反射率之ITO電極/Ag反射膜的構成。又，在p-GaN層25B上，係亦可被設置有容易取得與金屬層之間之歐姆接觸的半導體層(例如高摻雜層)。

又，在藉由蝕刻而使埋入層21B作了一部分的露出之第1半導體層21之露出面上，係被設置有n電極28B。n電極28B，係與第1半導體層21作歐姆接觸。n電極28B，例如係具有Al(鋁)/Pt(鉑)/Au構造(Au為表面層)。

如同在第1A圖中所示一般，發光裝置10，係以p電極28A以及n電極28B作為下面，而被載置於被設置有配線電路之基板或板塊上。藉由在p電極28A以及n電極28B之間通電，發光裝置10係發光。

(2)光學濾波器在本實施形態之發光裝置10中，於LED構造層20之射出面與奈米天線螢光體30之射入面S1之間，係被插入有光學濾波器40。光學濾波器40，係與LED構造層20之射出面以及奈米天線螢光體30之射入面S1相互密著地而被作設置。

光學濾波器40，係在身為透光性之基板的藍寶石基板40B上，被形成有身為二向分光鏡之濾波器膜40A。濾波器膜40A，例如係能夠藉由將SiO ₂以及NbO ₅交互地作了層積的多層膜(SiO ₂/NbO ₅膜)或者是SiO ₂/TiO ₂多層膜等來形成。

光學濾波器40，係作為「使從LED構造層20而來之輻射光(藍色光)透過，並將從螢光體板31而來之波長轉換光(黃色光)作反射」之短波通濾波器(SPF)而被構成。

首先，針對用以使從LED構造層20而來之輻射光有效率地射入至奈米天線螢光體30中的對於光學濾波器40之射入角進行說明。

第2圖，係為對於針對光學濾波器40之反射率的射入角(θ)依存性而進行了模擬後的結果作展示之圖。在第2圖中，係展示有當射入至光學濾波器40中之光的射入角為θ=30˚、15˚、0˚時之反射率。另外，於此，係作為射出窄角光之LED構造層20的發光波長(λ)，而考慮450nm±5nm。

當射入角θ=30˚時，射入光之99%以上係被光學濾波器40之濾波膜40A所反射。然而，在θ=15˚(=θth)以下之條件時，在上述波長範圍中之反射率係幾乎為0%，而能夠使LED構造層20之藍色LED光有效率地射入至奈米天線螢光體30中。亦即是，可以理解到，具有能夠有效率地射出θth≦15˚之窄角光的光子晶體之LED構造層20係為有效。

又，由於光子晶體之空孔的深度係為100nm，因此，對於物理性的大小而言係幾乎不會造成影響。藉由此，而首次成為能夠實現以LED作為光源之奈米天線螢光體的小型窄角白色光源。

亦即是，在本實施形態中，係如同上述一般地，活性層23之發光頻譜係具有半峰全寬10nm，並以使該半峰全寬內之光會以反射率0%而透過光學濾波器40的方式，來設定光學濾波器40之濾波膜40A(SPF)的特性。

如此這般，LED構造層20以及光學濾波器40之特性，係以會使LED構造層20之發光頻譜之半峰全寬內之光以反射率0%來透過光學濾波器40的方式，而被作設定。

另外，於上述之情況中，較理想，針對射入角為θ=30˚以上之射入光(在上述例中，係為藍色光)，係在該射入光之峰值波長處而具有未滿10%之透射率。又，較理想，針對射入角為θ=15˚以下之射入光，係在該射入光之峰值波長處而具有90%以上之透射率。

(3)光子晶體之窄角化構造接著，以波長λ=450nm(半峰全寬10nm)之藍色LED作為例子，而針對為了達成光子晶體之窄角化的構成作敘述。

進行在光子晶體中之能帶隙計算，另外，關於計算方法等，係可作為參考文獻而參照「光子晶體入門(作者：迫田和彰，森北出版社)」等。

另外，光子晶體，係具有將一定的頻率之光從晶體內而排除的能力，並且該頻率之區域係可自由作設定。將該區域稱作光子能帶隙。

於此，根據光子能帶隙計算，來求取出分散關係。將光子晶體之介質折射率設為n=2.5(例如，GaN)，並將光子晶體空孔(air hole)之介質(air)之折射率設為大氣n=1，關於晶格常數a(或者是週期)以及空孔之直徑d，係設為d/a=0.5，並針對在以正方晶格而配置有空孔的情況時之TE模式(Transverse Electric mode)之分散關係進行計算。

第3A圖，係為對於將橫軸設為波數kx(=ksinθ)並將縱軸設為正規化頻率a/λ的分散關係作展示之圖。其中，係將繞射角設為θ，並設為波數k=2π/λ。於此，係注目於複數之TE模式之中的最為低次之TE0。

第3B圖，係為將TE0模式之極大值部分作擴大展示之圖。如同在第3B圖中所示一般，將正規化頻率與光模式端部(圖中之白圓)相對合一事，係相當於取出0˚方向之窄角光。

於此，考慮到對於奈米天線螢光體30之射入，而視為能夠容許窄角光為θ=-15˚～15˚(亦即是，放出角度為30˚以內)，而對於光子晶體層21P之設計作考慮。在第3B圖中，係作為能夠期待有效果的範圍之代表性之設計值，而描繪有在θ=-10˚、θ=10˚時所得到的繞射線。

根據滿足光模式(TE0)與繞射線之交點的場所(圖中之黑圓)之正規化頻率0.415，而得到晶格常數設計值185nm。因此，係只要以空孔徑d=92.5nm、晶格常數a=185nm之正方晶格，來將空孔22作配列並構成光子晶體層21P，並且配置在例如1mm平方之面內區域中即可。

另外，光子晶體層21P之空孔配列，係並不被限定於正方晶格，亦可從三角晶格或六方晶格等來適宜作選擇並藉由相同之處理程序來得到。

設計值，雖係可根據繞射線之交點與理論值來作決定，但是，係亦可實際製作出將晶格常數作了些微之偏移的複數之光子晶體構造體，並在設定了條件之後而決定。

例如，係亦可形成具有光子晶體之LED，並藉由對於軸上之PL(Photo-luminescence)強度進行計測，來以會使強度之峰值成為所期望之範圍內的方式，而得到晶格常數a、空孔22之徑d之最佳值。

藉由決定光子晶體之空孔配列、晶格常數a、空孔22之徑d，由光子晶體所致之窄角光之角度係被決定。

(4)奈米天線螢光體 (4.1)奈米天線螢光體之構造第4A圖，係為奈米天線螢光體30之剖面圖。又，第4B圖，係為奈米天線螢光體30之上面圖。另外，第4A圖，係為沿著第4B圖之V-V線的剖面圖。如同在第4A圖中所示一般，奈米天線螢光體30，係具有身為波長轉換體之螢光體板31、和被形成於螢光體板31之上並由複數之奈米天線32A(以下，係亦單純稱作天線32A)所成之天線陣列32。

螢光體板31，係具有使「身為經由光學濾波器40之從LED構造層20而來之光」的一次光L1作射入之射入面S1、和使二次光L2射出之射出面S2。在本實施形態中，螢光體板31，係具有平行平板形狀，將主面之其中一方設為射入面S1，並將主面之另外一方設為射出面S2。亦即是，一次光L1，係從身為螢光體板31之主面之其中一方(背面)的射入面S1而被射入，並從身為螢光體板31之主面之另外一方(表面)的射出面S2而被射出。

從螢光體板31之射出面S2而被射出的二次光L2，係包含有藉由螢光體板31而使波長被作了轉換的波長轉換光L21、和通過了螢光體板31之透射光(波長並未被作轉換之一次光)L22。亦即是，螢光體板31，係將從射入面S1所射入的一次光L1之一部分的波長作轉換並產生波長轉換光L21。另外，在本實施例中，螢光體板31，係以會使其之射入面S1與射入光L1之光軸成為垂直的方式而被作配置。

以下，係會有將一次光L1稱作對於螢光體板31之射入光的情況。換言之，螢光體板31，係包含有射入面S1以及射出面S2，並構成為將從射入面S1所射入的射入光L1之波長作轉換而產生波長轉換光L21，並且將波長轉換光L21以及通過光L22從射出面S2而射出。另外，在本實施例中，螢光體板31，係被與LED構造層20相平行地作配置。

在本實施形態中，螢光體板31，係身為由以鈰作為發光中心的釔鋁石榴石(YAG：Ce)之單相所成之陶瓷螢光體板。

又，如同上述一般，LED構造層20，係以InGaN系半導體作為發光層，一次光L1係為約450nm之波長之藍色光。又，波長轉換光L21係為約460～750nm之波長之黃色光，二次光L2係為使黃色光與藍色光作了混色的白色光。

另外，作為螢光體板31之螢光體，係可使用各種的螢光體，但是，較理想，係身為單相之螢光體。此係因為，單相螢光體，係能夠並不使射入激勵光散射地而直接作為窄角光來取出之故。

又，螢光體板31，若是考慮到進行安定之白色化(混色化)一事，則較理想，係具有40～200μm之範圍內的厚度T。

另外，光反射膜，係亦可設置在螢光體板31之側面處。例如，該光反射膜，係為被設置在螢光體板31之側面上的白色塗料之膜。另外，該光反射膜，例如係可被置換為黑色塗料等之光吸收膜。

接著，針對天線陣列32進行說明。在本實施形態中，天線陣列32，係被形成於螢光體板31之射出面S2上。天線陣列32，係具有「以較LED構造層20之輻射光之峰值波長而更大的週期且為在螢光體板31內之波長轉換光之實效波長程度之週期P而使各天線被作了配置」的複數之天線32A。

此些之複數之天線32A之各者，在本實施形態中，係身為能夠激勵表面電漿子之柱狀或錐狀的金屬突起(pillar)。又，在本實施形態中，天線32A之各者，係具有圓柱形狀，並由Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)、Pt(鉑)、Pd(鈀)、Al(鋁)以及Ni(鎳)等的在從紫外光而至可視光區域中而具有電漿頻率之材料以及包含有此些之合金或者是層積體所成。

又，如同第4B圖中所示一般，在本實施形態中，天線32A之各者，係實質性地具有相同之天線高度H以及天線寬幅(直徑)W1。另外，當天線32A係具有柱狀或錐狀之形狀的情況時，所謂天線寬幅W1，係指天線32A之最大寬幅。

又，在本實施形態中，此些之複數之天線32A，係在螢光體板31之射出面S2上，以週期P而被配列為六方晶格狀。又，天線陣列32，係被形成於射出面S2之中央部的縱以及橫之寬幅(陣列寬幅)為W2之正方區域內。

在本實施形態中，天線寬幅W1係為150±20nm，陣列寬幅W2係為6mm。又，YAG：Ce螢光體係具有約1.82之折射率，並發出460nm～750nm之波長之光。於此，光學波長係藉由(發光波長/折射率)而被計算出來。

若是光被照射至天線陣列32之各天線32A處，則藉由在天線32A之表面處的局部表面電漿子共鳴，天線32A近旁之電場強度係增大。又，藉由將天線32A之配置週期P設為波長轉換光L21之光學波長程度，相鄰接之各個的天線32A之局部表面電漿子共鳴係引發中介有光繞射之共振，並產生更進一步的電場強度之增大，波長轉換光L21之光取出效率係提升。另外，在本說明書中，所謂螢光體板31內之光學波長程度，例如係指在螢光體板31內之螢光體之發光波長帶的前後50nm之波長帶域。

藉由此些，從螢光體板31而來之波長轉換光L21係被放大，並且係成為窄角之配光分布(低光展量)而被從天線陣列32射出。亦即是，天線陣列32，係具有將螢光體板31內之光增強並將二次光L2(波長轉換光L21)之射出方向作集中的功能。

(4.2)奈米天線螢光體之窄角化構造接著，針對奈米天線螢光體30之為了達成窄角化的構造進行說明。於此，由於電漿子共鳴係與繞射模式相協同地而發生，因此，在天線陣列32處之天線32A(pillar)的週期P，係藉由對於繞射角(放出角)與波長之關係進行模擬並算出放出角度為30˚以內之光會增加的區域來決定。

於此，以使天線32A被作了六方晶格配置之天線陣列32作為模型，來在週期P為360nm～480nm之條件下，對於放出角與波長之關係進行了模擬。

第5A圖～第5D圖，係針對相對於天線陣列32之放出角(θem)的波長轉換光之波長之模擬結果作展示。另外，週期P係作為參數而有所標示。更具體而言，第5A圖～第5D圖，係展示有當天線32A之週期P為360nm、400nm、440nm、480nm之各者的情況時，代表指向性的特徵之繞射次數(1,0)之成分YAG(1,0)(於圖中，以實線來作標示)、和繞射次數(-1,0)(於圖中，以一點鍊線來作標示)。

於此，繞射次數(-1,0)，係為代表從奈米天線螢光體30而朝向大氣側作放出一事之線，於此，係設為稱作Air(-1,0)。以Air(-1,0)線作為邊界，當在圖之左上部側處存在有傳播模式的情況時，係代表該傳播模式乃身為能夠取出至大氣側處之光。

又，以Air(-1,0)線作為邊界，當在圖之右下之範圍中存在有光模式的情況時，該光係身為漸消(evanescent)光，而可視為光係並不會射出至奈米天線螢光體30之外。

又，在第5A圖～第5D圖中，從螢光體板31而來之螢光，由於係以波長為500nm～650nm之光為具有支配性，因此，係以將此波長範圍內(於圖中，以點線作標示)之繞射光在30˚以內而放出一事作為條件。

為了使光被從奈米天線螢光體30而放出，若是對於上述之Air(-1,0)線作考慮，則係能夠將在被點線所包圍之範圍之中的YAG(1,0)之成分(被虛線所包圍之區域)之光取出。

已得知，在週期P為400nm～440nm之範圍中，以30˚以內而被取出的光係為多。因此，在將由天線陣列32所致之波長轉換光的放出角度範圍設為特定之範圍，例如設為30˚以內時，天線32A之週期P，係以400nm～440nm之範圍為理想。可得知，在上述週期以外的條件下，與光之取出有所關連的繞射線之區域係會大幅度地減少。

亦即是，天線32A之週期P，係可基於由天線陣列32所致之波長轉換光的放出角度範圍來作決定。

另外，雖係針對使天線32A被作了六方晶格配置之天線陣列32來進行了說明，但是，天線陣列32之晶格構造係並不被限定於此。例如，係亦可使用具有正方晶格、三角晶格等之週期構造的天線陣列。

(5)發光裝置10之配光特性以下，針對發光裝置10之配光特性作說明。第6A圖、第6B圖，係分別對於從LED構造層20而來之藍色光的配光特性以及從奈米天線螢光體30而來之螢光(黃色光)的配光特性作展示。又，第6C圖，係對於從發光裝置10而來之白色光的配光特性、亦即是藍色光以及螢光(黃色光)之合成光的配光特性作展示。

另外，在第6A圖～第6C圖中，係展示有從先前技術之LED、螢光體而來的朗伯配光特性(圖中之虛線)。

如同在第6A圖中所示一般，從LED構造層20而來之藍色光，其之相當於±15˚以內的光係增加，而可以得知係被形成有相對於朗伯配光而被作了窄角化之配光。又，如同在第6B圖中所示一般，針對在激勵奈米天線螢光體30時所得到的黃色光，亦同樣的，可以得知係具有相對於朗伯配光而作窄角化之功能。

而，如同在第6C圖中所示一般，可以得知，針對從發光裝置10而來之合成光(白色光)，係亦能夠得到被作了窄角化之配光特性。

更詳細而言，在先前技術之朗伯配光中，±30˚以內之光束(輸出比例)係為25%，但是，在發光裝置10中，±30˚以內之光束係為40%，而可以得知係相較於朗伯配光而更作了15%之提升。又，係得知了，中心亮度係作了20%以上之增加。

亦即是，藉由具有光子晶體21P之LED構造層20與奈米天線螢光體30所形成的窄角藍色光與窄角黃色光之合成，係成為能夠形成窄角白色光。

(6)發光裝置10之機制以及構成於上述內容中，雖係針對本發明之發光裝置10而詳細地作了說明，但是，發光裝置10，係只要藉由光子晶體來形成窄角光，並構成為使該窄角光有效率地射入至奈米天線螢光體中即可。

第7圖，係為對於藉由LED構造層20所產生的窄角LED光作示意性展示之圖。更具體而言，如同在第7圖中所示一般，在本發明之發光裝置10中，LED構造層20，係身為於內部被埋入有光子晶體層21P之光子晶體LED，並構成為會產生窄角LED光(窄角藍色光)。

更詳細而言，因應於光學濾波器40之濾波膜40A的反射率之射入角依存性，光子晶體層21P之空孔22的週期係被制定。亦即是，係算出濾波膜40A(例如，二向分光鏡)之反射角會成為0(零)的角度θth，並以會使光子晶體之繞射角θ滿足θ≦θth的方式，來制定光子晶體層21P之空孔22之週期。

亦即是，LED構造層20，係以會產生角度θth(於上述實施形態中，係為θth=15˚)以下之窄角光LN的方式，而被構成。而，該窄角光LN0，係透過身為SPF之光學濾波器40，並以高射入效率而射入至奈米天線螢光體30中。

射入至奈米天線螢光體30之螢光體板31中並藉由螢光體而被作了波長轉換的波長轉換光(黃色光)，係藉由奈米天線32A來作為窄角光LN1而被射出。又，該波長轉換光，係藉由光學濾波器40而被朝向射出方向作反射。

故而，藉由透過了螢光體板31之窄角藍色光與窄角黃色光，窄角白色光係被射出，發光裝置10係作為窄角白色光源而起作用。

另外，雖係針對光子晶體層21P為具有單一晶格構造的情況作為例子來進行了說明，但是，係亦可具有雙重晶格構造等之多重晶格構造。

又，雖係針對光學濾波器40為藉由二向分光鏡來構成的情況作為例子而進行了說明，但是，係並不被限定於此。只要藉由「使從LED構造層20而來之光透過，並將從螢光體板31而來之波長轉換光作反射」之短波通濾波器(SPF)等的光學濾波器來構成即可。

於此情況，藉由使用相對於從LED構造層20而來之發光的反射率之角度依存性為小之光學濾波器40，係能夠將光取出效率提高。具體而言，係亦可使用射入角依存性為小之廣帶域的帶通濾波器。

[第2實施形態] 第8圖，係為對於本發明之第2實施形態的發光裝置50之剖面構造作示意性展示之剖面圖。

第2實施形態之發光裝置50，係並未被設置有光學濾波器40，在此點上，係與第1實施形態之發光裝置10相異。

更具體而言，發光裝置50，係具有LED構造層20、和被配置在LED構造層20上之奈米天線螢光體30。LED構造層20和奈米天線螢光體30，係具有與第1實施形態之發光裝置10相同的構成。

亦即是，LED構造層20，係具有光子晶體層21P，並構成為會使特定之窄角光(例如，相對於LED構造層20之法線方向而為15˚以內)射出。

另外，如同在第1實施形態之發光裝置10中已有所敘述一般，該窄角光之角度，係可藉由光子晶體之空孔配列、晶格常數a、空孔22之徑d來決定。

在本實施形態中，從LED構造層20而來之窄角光，係直接被射入至奈米天線螢光體30中。奈米天線螢光體30之窄角化構造，較理想，係因應於從光子晶體層21P而來之窄角光的角度而被作設定。

如同在第1實施形態之發光裝置10中已有所敘述一般，由於奈米天線螢光體30之電漿子共鳴係與繞射模式相協同地而發生，因此，在天線陣列32處之天線32A的週期P，係可藉由對於該繞射角與波長之關係進行模擬並算出特定之放出角度(例如，30˚)以內之光會增加的區域來決定。

藉由以上所說明了的構成之發光裝置50，係可實現具有窄角之配光特性以及高射出光之混色光源。

另外，在上述之實施例中，雖係針對半導體發光構造層乃身為由氮化物半導體所成之光子晶體發光二極體的情況來作了說明，但是，係並不被限定於此，而亦可針對由其他之結晶系之半導體所成的光子晶體發光二極體來作適用。

又，雖係針對螢光體板為由將藍色光轉換為黃色光之螢光體而成的情況來進行了說明，但是，係並不被限定於此。可因應於所使用之光子晶體發光二極體之波長等，來適宜選擇螢光體並作適用。

又，在上述之實施例中的數值，係僅為例示，而可因應於所使用之半導體的組成、發光波長等來適宜改變並作適用。

10,50:發光裝置 20:半導體發光構造層 21:第1半導體層 21P:光子晶體層 22:空孔(air hole) 23:活性層 23A:發光層 23B:間隔物層 25:第2半導體層 28A:p電極 28B:n電極 30:奈米天線螢光體 31:螢光體板 32:天線陣列 32A:奈米天線 40:光學濾波器 40A:濾波器膜 40B:透光性基板

[第1A圖]係為對於本發明之第1實施形態的發光裝置10之上面作示意性展示之平面圖。 [第1B圖]係為對於沿著第1A圖中所示之A-A線的剖面構造作示意性展示之剖面圖。 [第2圖]係為對於針對光學濾波器40之反射率的射入角(θ)依存性而進行了模擬後的結果作展示之圖。 [第3A圖]係為對於將橫軸設為波數kx(=ksinθ)並將縱軸設為正規化頻率a/λ的分散關係作展示之圖。 [第3B圖]係為將TE0模式之極大值部分作擴大展示之圖。 [第4A圖]係為奈米天線螢光體30之剖面圖。 [第4B圖]係為奈米天線螢光體30之上面圖。 [第5A圖]係為對於當周期P為360nm時的天線陣列32之放出角(θem)與波長之間的關係之模擬結果作展示之圖表。 [第5B圖]係為對於當周期P為400nm時的天線陣列32之放出角(θem)與波長之間的關係之模擬結果作展示之圖表。 [第5C圖]係為對於當周期P為440nm時的天線陣列32之放出角(θem)與波長之間的關係之模擬結果作展示之圖表。 [第5D圖]係為對於當周期P為480nm時的天線陣列32之放出角(θem)與波長之間的關係之模擬結果作展示之圖表。 [第6A圖]係為對於從LED構造層20而來之藍色光之配光特性作展示之圖。 [第6B圖]係為對於從奈米天線螢光體30而來之螢光(黃色光)之配光特性作展示之圖。 [第6C圖]係為對於從發光裝置10而來之白色光之配光特性作展示之圖。 [第7圖]係為對於藉由LED構造層20所產生的窄角LED光作示意性展示之圖。 [第8圖]係為對於本發明之第2實施形態的發光裝置50之剖面構造作示意性展示之剖面圖。

10:發光裝置

20:半導體發光構造層

21:第1半導體層

21A:下層

21B:埋入層

21P:光子晶體層

22:空孔(air hole)

23:活性層

23A:發光層

23B:間隔物層

25:第2半導體層

25A:電子阻隔層

25B:p-GaN層

28A:p電極

28B:n電極

30:奈米天線螢光體

31:螢光體板

32:天線陣列

32A:奈米天線

40:光學濾波器

40A:濾波器膜

40B:透光性基板

L2:二次光

Claims

一種發光裝置，係具有：半導體發光構造層，係具有光子晶體層；和奈米天線螢光體，係被載置於前述半導體發光構造層之射出面上，並由波長轉換體以及天線陣列所成，該波長轉換體，係將前述半導體發光構造層之輻射光的波長作轉換而產生波長轉換光，該天線陣列，係於前述波長轉換體上而使複數之奈米天線被週期性地作了配列。
如請求項1所記載之發光裝置，其中，前述複數之奈米天線，係以較前述半導體發光構造層之前述輻射光峰值波長而更大的週期且為在前述波長轉換體內之前述波長轉換光之實效波長程度之週期而被作配置。
如請求項1所記載之發光裝置，其中，前述複數之奈米天線之週期，係基於由前述天線陣列所致之前述波長轉換光之放出角度範圍而被作設定。
如請求項1所記載之發光裝置，其中，前述半導體發光構造層，係輻射峰值波長為445nm～455nm之範圍內的藍色光，前述波長轉換體，係將從前述半導體發光構造層而來之輻射光的波長作轉換而產生黃色光，前述複數之奈米天線之前述週期，係為400nm～440nm之範圍內。
如請求項1～4中之任一項所記載之發光裝置，其中，係具備有被配置在前述半導體發光構造層以及前述奈米天線螢光體之間之光學濾波器，前述光學濾波器，係使前述半導體發光構造層之前述輻射光透過，並將前述奈米天線螢光體之前述波長轉換光作反射。
如請求項5所記載之發光裝置，其中，前述光學濾波器，係針對從前述半導體發光構造層而來之射入角為30˚以上的前述輻射光，而在前述輻射光之峰值波長處具有未滿10%之透射率，並針對射入角為15˚以下的前述輻射光，而在前述峰值波長處具有90%以上之透射率。
如請求項5所記載之發光裝置，其中，前述半導體發光構造層，係具有前述半導體發光構造層之前述輻射光相較於朗伯(lambertian)配光特性而15˚以下之輻射光成分為大的配光特性，前述奈米天線螢光體，係具有前述奈米天線螢光體之射出光相較於朗伯(lambertian)配光特性而15˚以下之射出光成分為大的配光特性。
如請求項1～4中之任一項所記載之發光裝置，其中，前述波長轉換體，係為單相螢光體。
如請求項5所記載之發光裝置，其中，前述波長轉換體，係為單相螢光體。