WO2015129222A1 - 発光素子および発光装置 - Google Patents

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安寿 稲田
平澤　拓
嘉孝 中村
享 橋谷
充 新田
山木　健之
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H01L33/22—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers

Definitions

  • the present disclosure relates to a light-emitting element and a light-emitting device, and particularly to a light-emitting element and a light-emitting device having a photoluminescence layer.
  • Patent Document 1 discloses an illumination system that secures directivity using a light distribution plate and an auxiliary reflector.
  • the present disclosure provides a light emitting element having a novel structure capable of controlling the light emission efficiency, directivity, or polarization characteristics of a photoluminescence layer, and a light emitting device including the light emitting element.
  • a light-emitting device is formed on at least one of a photoluminescence layer, a light-transmitting layer disposed in proximity to the photoluminescence layer, the photoluminescence layer, and the light-transmitting layer.
  • the light emitted from the photoluminescent layer includes a first light having a wavelength of ⁇ a in the air, and includes a concave portion, a distance between adjacent convex portions or a distance between the concave portions is D int, and the light with respect to the first light
  • the refractive index of the photoluminescence layer is n wav-a
  • a relationship of ⁇ a / n wav-a ⁇ D int ⁇ a is established.
  • a light-emitting element and a light-emitting device have a novel configuration, and can control luminance, directivity, or polarization characteristics according to a novel mechanism.
  • FIG. 1A It is a perspective view which shows the structure of the light emitting element by other embodiment. It is a fragmentary sectional view of the light emitting element shown to FIG. 1C. It is a figure which shows the result of having calculated the increase
  • the excitation light that is coupled to the pseudo guided mode is a diagram for explaining the configuration of efficiently emitting light, (a) shows the one-dimensional periodic structure having a period p x in the x direction, (b ) Shows a two-dimensional periodic structure having a period p x in the x direction and a period py in the y direction, (c) shows the wavelength dependence of the light absorption rate in the configuration of (a), and (d) shows ( The wavelength dependence of the light absorptance in the structure of b) is shown. It is a figure which shows an example of a two-dimensional periodic structure. It is a figure which shows the other example of a two-dimensional periodic structure.
  • FIG. 19B is a diagram illustrating a result of calculating the enhancement of light output in the front direction by changing the emission wavelength and the period of the periodic structure in the configuration of FIG. 19A. It is a figure which shows the structure which mixed several powdery light emitting element. It is a top view which shows the example which arranged the several periodic structure from which a period differs on the photo-luminescence layer in two dimensions. It is a figure which shows an example of the light emitting element which has the structure where the several photo-luminescence layer 110 in which the uneven structure was formed on the surface was laminated
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration example in which a protective layer 150 is provided between a photoluminescence layer 110 and a periodic structure 120. It is a figure which shows the example which formed the periodic structure 120 by processing only a part of photo-luminescence layer 110.
  • FIG. It is a figure which shows the cross-sectional TEM image of the photo-luminescence layer formed on the glass substrate which has a periodic structure. It is a graph which shows the result of having measured the spectrum of the front direction of the emitted light of the light emitting element made as an experiment.
  • (A) And (b) is a graph which shows the result (upper stage) and the calculation result (lower stage) which measured the angle dependence of the emitted light of the light emitting element made as an experiment.
  • (A) And (b) is a graph which shows the result (upper stage) and the calculation result (lower stage) which measured the angle dependence of the emitted light of the light emitting element made as an experiment. It is a graph which shows the result of having measured the angle dependence of the emitted light (wavelength 610nm) of the light emitting element made as an experiment. It is a perspective view which shows typically an example of a slab type
  • optical components such as reflectors and lenses
  • This disclosure includes the light-emitting elements and light-emitting devices described in the following items.
  • a photoluminescence layer A translucent layer disposed proximate to the photoluminescence layer; A submicron structure formed on at least one of the photoluminescence layer and the light transmissive layer and extending in the plane of the photoluminescence layer or the light transmissive layer, The submicron structure includes a plurality of convex portions or a plurality of concave portions, The light emitted by the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air, When the distance between adjacent convex portions or concave portions is D int and the refractive index of the photoluminescence layer with respect to the first light is n wav-a , ⁇ a / n wav-a ⁇ D int ⁇ a A light-emitting element in which the relationship is established.
  • the submicron structures comprising a plurality of at least one periodic structure formed by the projections or the plurality of recesses, said at least one periodic structure, when the period as p a, ⁇ a / n wav -a ⁇ p a ⁇ lambda relationship a comprises a first periodic structure holds the light-emitting device according to claim 1.
  • Item 3 The light-emitting element according to Item 1 or 2, wherein a refractive index n ta of the light transmitting layer with respect to the first light is smaller than a refractive index n wav-a of the photoluminescence layer with respect to the first light.
  • Item 5 The light-emitting element according to Item 4, wherein the first direction is a normal direction of the photoluminescence layer.
  • Item 6 The light-emitting element according to Item 4 or 5, wherein the first light emitted in the first direction is linearly polarized light.
  • the second light having a wavelength ⁇ b different from the wavelength ⁇ a of the first light has a maximum intensity in a second direction different from the first direction, according to any one of items 4 to 7 Light emitting element.
  • the photoluminescence layer has a flat main surface, 9.
  • Item 12 The light emitting device according to Item 11, wherein the photoluminescence layer is supported on a transparent substrate.
  • the translucent layer is a transparent substrate having the submicron structure on one main surface, 9.
  • the refractive index n ta of the translucent layer with respect to the first light is equal to or higher than the refractive index n wav-a of the photoluminescence layer with respect to the first light, and the plurality of convex portions of the submicron structure Item 3.
  • the submicron structures comprising a plurality of at least one periodic structure formed by the projections or the plurality of recesses, said at least one periodic structure, when the period as p a, ⁇ a / n wav -a ⁇ include p a ⁇ lambda first periodic structure relationship holds for a, Item 15.
  • the light-emitting element according to any one of Items 1 and 3 to 14, wherein the first periodic structure is a one-dimensional periodic structure.
  • the light emitted from the photoluminescence layer includes second light having a wavelength ⁇ b different from ⁇ a in the air, and the refractive index of the photoluminescence layer with respect to the second light is set to n wav ⁇ b
  • the periodic structure when the period as p b, further comprising a ⁇ b / n wav-b ⁇ p b ⁇ b second periodic structure relationship holds for, Item 16.
  • the submicron structure includes at least two periodic structures formed by the plurality of convex portions or the plurality of concave portions, and the at least two periodic structures include a two-dimensional periodic structure having periodicity in different directions.
  • the light emitting device according to any one of items 1 and 3 to 14.
  • the submicron structure includes a plurality of periodic structures formed by the plurality of convex portions or the plurality of concave portions, Item 15.
  • the light-emitting element according to any one of Items 1 and 3 to 14, wherein the plurality of periodic structures include a plurality of periodic structures arranged in a matrix.
  • the submicron structure includes a plurality of periodic structures formed by the plurality of convex portions or the plurality of concave portions, When the wavelength of the excitation light of the photoluminescence material of the photoluminescence layer in air is ⁇ ex and the refractive index of the photoluminescence layer with respect to the excitation light is n wav-ex , Item 15.
  • the light-emitting element according to any one of Items 1 and 3 to 14, wherein the plurality of periodic structures include a periodic structure in which a period p ex satisfies a relationship of ⁇ ex / n wav-ex ⁇ p ex ⁇ ex .
  • Item 21 The light-emitting element according to Item 20, wherein the plurality of photoluminescence layers and the plurality of light-transmitting layers are laminated.
  • a photoluminescence layer A translucent layer disposed proximate to the photoluminescence layer; A submicron structure formed on at least one of the photoluminescence layer and the light transmissive layer and extending in the plane of the photoluminescence layer or the light transmissive layer, The light emitting element which radiate
  • the submicron structures comprising a plurality of at least one periodic structure formed by the projections or the plurality of recesses, said at least one periodic structure, when the period as p ex, ⁇ ex / n wav -ex Item 25.
  • the submicron structure includes a plurality of convex portions or a plurality of concave portions,
  • the light emitted by the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air
  • the submicron structure includes at least one periodic structure formed by the plurality of convex portions or the plurality of concave portions, The refractive index of the photoluminescence layer for said first light and n wav-a, wherein when the period of at least one periodic structure and p a, the relationship ⁇ a / n wav-a ⁇ p a ⁇ a A light-emitting element that holds.
  • a photoluminescence layer A submicron structure formed in the photoluminescence layer and extending in the plane of the photoluminescence layer, The submicron structure includes a plurality of convex portions or a plurality of concave portions, The light emitted by the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air, The submicron structure includes at least one periodic structure formed by the plurality of convex portions or the plurality of concave portions, The refractive index of the photoluminescence layer for said first light and n wav-a, wherein when the period of at least one periodic structure and p a, the relationship ⁇ a / n wav-a ⁇ p a ⁇ a A light-emitting element that holds.
  • Item 24 The light emitting device according to Item 23, wherein the waveguide layer and the periodic structure are in contact with each other.
  • a light emitting device comprising: [Item 33] A photoluminescence layer; A translucent layer disposed proximate to the photoluminescence layer; A submicron structure formed on at least one of the photoluminescence layer and the light transmission layer and extending in a plane of the photoluminescence layer or the light transmission layer; A multilayer mirror laminated together with the photoluminescence layer and the translucent layer; Have The submicron structure includes at least a plurality of convex portions or a plurality of concave portions, The light emitted by the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air, When the distance between adjacent convex portions or concave portions is D int and the refractive index of the photoluminescence layer with respect to the first light is n wav-a , ⁇ a / n wav-a ⁇
  • the multilayer mirror includes a plurality of low refractive index layers and a plurality of high refractive index layers having a higher refractive index than the plurality of low refractive index layers, Item 34.
  • the plurality of low refractive index layers and the plurality of high refractive index layers have refractive indexes of n L and n H , respectively, and the plurality of low refractive index layers and the plurality of high refractive index layers have thicknesses of t ML, respectively.
  • t MH , m R is an arbitrary positive integer, and the following formula (2m R ⁇ 1.2) ⁇ a / (4n L ) ⁇ t ML ⁇ (2 m R ⁇ 0.8) ⁇ a / ( 4n L) (2m R ⁇ 1.2) ⁇ a / (4n H ) ⁇ t MH ⁇ (2 m R ⁇ 0.8) ⁇ a / (4n H ) 35.
  • the light emitting device according to item 34 wherein
  • the translucent layer has the submicron structure; 38.
  • the light emitting device according to any one of items 33 to 37, wherein the photoluminescence layer is located between the light transmitting layer and the multilayer mirror.
  • the photoluminescence layer has a flat main surface,
  • the translucent layer is formed on the flat main surface of the photoluminescence layer, and has the submicron structure;
  • the adjustment layer is located on the photoluminescence layer so as to cover the translucent layer,
  • the light emitting device according to any one of items 33 to 37, wherein the multilayer mirror is located on the adjustment layer.
  • the translucent layer is a transparent substrate having the submicron structure on the surface,
  • the photoluminescence layer is located on the surface of the transparent substrate to fill the submicron structure; 40.
  • the light emitting device according to any one of items 33 to 39, wherein the multilayer mirror is located on the photoluminescence layer.
  • Item 42 The light-emitting element according to Item 41, wherein the main surface located on the opposite side of the photoluminescence layer from the transparent substrate is flat.
  • the main surface located on the opposite side of the photoluminescence layer from the transparent substrate has a concavo-convex shape following the plurality of convex portions or the plurality of concave portions of the submicron structure, 42.
  • the light-emitting element according to Item 41, wherein the multilayer mirror has a concavo-convex shape following the plurality of convex portions or the plurality of concave portions of the submicron structure.
  • a translucent structure including the photoluminescence layer and the translucent layer;
  • the multilayer mirror and the translucent structure are in contact with each other, and the refractive index of the translucent structure is the refractive index of the multilayer mirror at the interface portion between the multilayer mirror and the translucent structure.
  • Bigger than m T is an arbitrary positive integer, and the effective optical path length d T in the stacking direction of the translucent structure is expressed by the following formula (4m T ⁇ 1) ⁇ a / (8n wav-a ) ⁇ d T ⁇ (4m T +1) ⁇ a / (8n wav-a ) 44.
  • the multilayer mirror and the translucent structure are in contact with each other, and the refractive index of the translucent structure is the refractive index of the multilayer mirror at the interface portion between the multilayer mirror and the translucent structure.
  • Smaller than m T is an arbitrary positive integer, and the effective optical path length d T in the stacking direction of the translucent structure is expressed by the following formula (4m T -3) ⁇ a / (8n wav-a ) ⁇ d T ⁇ 44.
  • the light emitting device according to any one of items 33 to 43, wherein (4m T ⁇ 1) ⁇ a / (8n wav-a ) is satisfied.
  • a light emitting device according to any one of items 33 to 51; An excitation light source that irradiates the photoluminescence layer with excitation light; A light emitting device comprising:
  • a light emitting device is formed on at least one of a photoluminescence layer, a light transmission layer disposed in proximity to the photoluminescence layer, the photoluminescence layer, and the light transmission layer, and the photoluminescence
  • the light emitted from the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air, and the refractive index of the photoluminescence layer with respect to the first light is n wav-a , ⁇ a / n
  • the relationship wav-a ⁇ D int ⁇ a holds.
  • the wavelength ⁇ a is, for example, in the wavelength range of visible light (for example, 380 nm to 780 nm).
  • the photoluminescence layer includes a photoluminescence material.
  • the photoluminescent material means a material that emits light upon receiving excitation light.
  • the photoluminescent material includes a fluorescent material and a phosphorescent material in a narrow sense, includes not only an inorganic material but also an organic material (for example, a dye), and further includes a quantum dot (that is, a semiconductor fine particle).
  • the photoluminescent layer may include a matrix material (ie, host material) in addition to the photoluminescent material.
  • the matrix material is, for example, an inorganic material such as glass or oxide, or a resin.
  • the light-transmitting layer disposed in the vicinity of the photoluminescence layer is formed of a material having a high transmittance with respect to light emitted from the photoluminescence layer, and is formed of, for example, an inorganic material or a resin.
  • the translucent layer is preferably formed of, for example, a dielectric (particularly an insulator that absorbs little light).
  • the light transmissive layer may be, for example, a substrate that supports the photoluminescence layer. Further, when the air-side surface of the photoluminescence layer has a submicron structure, the air layer can be a light-transmitting layer.
  • a submicron structure for example, a periodic structure formed in at least one of the photoluminescence layer and the light transmission layer.
  • a unique electric field distribution is formed inside the photoluminescence layer and the light transmission layer.
  • This is formed by the interaction of the guided light with the submicron structure, and can also be expressed as a pseudo-guide mode.
  • the term pseudo-waveguide mode may be used to describe a novel configuration and / or a novel mechanism found by the present inventors. However, this is merely an illustrative explanation. However, the present disclosure is not limited in any way.
  • Submicron structures for example, includes a plurality of convex portions, the distance between adjacent convex portions (i.e., center-to-center distance) when the the D int, ⁇ a / n wav -a ⁇ satisfy the relation D int ⁇ a To do.
  • the submicron structure may include a plurality of concave portions instead of the plurality of convex portions.
  • ⁇ represents the wavelength of light
  • ⁇ a represents the wavelength of light in the air.
  • n wav is the refractive index of the photoluminescence layer.
  • n wav the average refractive index obtained by weighting the refractive index of each material by the respective volume ratio. Since generally the refractive index n depends on the wavelength, that is a refractive index to light of lambda a it is desirable to express the n wav-a, may be omitted for simplicity.
  • n wav is basically the refractive index of the photoluminescence layer.
  • n wav be the average refractive index obtained by weighting the refractive indices of the layers by their respective volume ratios. This is because this is optically equivalent to the case where the photoluminescence layer is composed of a plurality of layers of different materials.
  • n eff n wav sin ⁇ .
  • the effective refractive index n eff is determined by the refractive index of the medium existing in the region where the electric field of the pseudo waveguide mode is distributed, for example, when the submicron structure is formed in the light transmitting layer, the photoluminescence layer It depends not only on the refractive index but also on the refractive index of the translucent layer.
  • the electric field distribution varies depending on the polarization direction of the pseudo waveguide mode (TE mode and TM mode)
  • the effective refractive index n eff may be different between the TE mode and the TM mode.
  • the submicron structure is formed in at least one of the photoluminescence layer and the light transmission layer.
  • a submicron structure may be formed at the interface between the photoluminescence layer and the light transmission layer.
  • the photoluminescence layer and the translucent layer have a submicron structure.
  • the photoluminescent layer may not have a submicron structure.
  • the light-transmitting layer having a submicron structure is disposed in the vicinity of the photoluminescence layer.
  • the phrase “the light-transmitting layer (or its submicron structure) is close to the photoluminescence layer” typically means that the distance between them is not more than half the wavelength ⁇ a .
  • the electric field of the waveguide mode reaches the submicron structure, and the pseudo waveguide mode is formed.
  • the refractive index of the light-transmitting layer is larger than the refractive index of the photoluminescent layer, the light reaches the light-transmitting layer even if the above relationship is not satisfied. Therefore, the submicron structure of the light-transmitting layer and the photoluminescent layer the distance between the may be more than half of the wavelength lambda a.
  • the photoluminescence layer and the light-transmitting layer are in a positional relationship such that the electric field of the guided mode reaches a submicron structure and a pseudo-guided mode is formed, the two are associated with each other. Sometimes expressed.
  • the submicron structure satisfies the relationship of ⁇ a / n wav-a ⁇ D int ⁇ a , and is thus characterized by a size on the submicron order.
  • the submicron structure includes, for example, at least one periodic structure as in the light emitting device of the embodiment described in detail below. At least one of the periodic structure, when the period as p a, ⁇ a / n wav -a ⁇ p a ⁇ relationship a holds. That is, the submicron structure has a constant periodic structure with the distance D int between adjacent convex portions being pa.
  • the submicron structure includes a periodic structure
  • the light in the pseudo waveguide mode is diffracted by the submicron structure by repeating the interaction with the periodic structure while propagating. This is different from the phenomenon in which light propagating in free space is diffracted by the periodic structure, and is a phenomenon in which light acts on the periodic structure while being guided (that is, repeating total reflection). Therefore, even if the phase shift due to the periodic structure is small (that is, the height of the periodic structure is small), light can be efficiently diffracted.
  • the mechanism as described above is used, the luminous efficiency of photoluminescence increases due to the effect of the electric field being enhanced by the pseudo waveguide mode, and the generated light is coupled to the pseudo waveguide mode.
  • the directivity angle of the light emitted in the front direction is, for example, less than 15 °. Note that the directivity angle is an angle on one side with the front direction being 0 °.
  • the periodic structure may be a one-dimensional periodic structure with high polarization selectivity or a two-dimensional periodic structure capable of reducing the degree of polarization.
  • the submicron structure can include a plurality of periodic structures.
  • the plurality of periodic structures have different periods (pitch), for example.
  • the plurality of periodic structures are different from each other in the direction (axis) having periodicity, for example.
  • the plurality of periodic structures may be formed in the same plane or may be stacked.
  • the light-emitting element has a plurality of photoluminescence layers and a plurality of light-transmitting layers, and these may have a plurality of submicron structures.
  • the submicron structure can be used not only to control the light emitted from the photoluminescence layer, but also to efficiently guide the excitation light to the photoluminescence layer. That is, the excitation light is diffracted by the submicron structure and coupled to the pseudo-waveguide mode in which the excitation light is guided through the photoluminescence layer and the light transmission layer, so that the photoluminescence layer can be efficiently excited.
  • ⁇ ex / n wav-ex ⁇ D int ⁇ ex where ⁇ ex is the wavelength of light in the air that excites the photoluminescent material, and n wav-ex is the refractive index of the photoluminescence layer for this excitation light.
  • a sub-micron structure in which is satisfied may be used.
  • n wav-ex is the refractive index at the excitation wavelength of the photoluminescent material. If the period is p ex , a submicron structure having a periodic structure in which the relationship of ⁇ ex / n wav-ex ⁇ p ex ⁇ ex may be used.
  • the wavelength ⁇ ex of the excitation light is, for example, 450 nm, but may be shorter than visible light. When the wavelength of the excitation light is within the range of visible light, the excitation light may be emitted together with the light emitted from the photoluminescence layer.
  • the photoluminescent material used in fluorescent lamps, white LEDs, and the like emits isotropically, so that an optical component such as a reflector or a lens is required to illuminate a specific direction with light.
  • the photoluminescence layer itself emits light with directivity, the optical components as described above are not necessary (or can be reduced), so that the size of the optical device or instrument can be greatly reduced.
  • the present inventors have studied in detail the configuration of the photoluminescence layer in order to obtain directional light emission.
  • the inventors of the present invention first considered that the light emission itself has a specific directionality so that the light from the photoluminescence layer is biased in a specific direction.
  • the light emission rate ⁇ which is an index characterizing light emission, is expressed by the following formula (1) according to Fermi's golden rule.
  • r is a position vector
  • ⁇ is the wavelength of light
  • d is a dipole vector
  • E is an electric field vector
  • ⁇ is a density of states.
  • the dipole vector d has a random orientation.
  • the inventors of the present application considered controlling light emission by using a waveguide mode with a strong electric field.
  • the waveguide structure itself includes a photoluminescence material
  • light emission can be coupled to the waveguide mode.
  • the waveguide structure is simply formed using a photoluminescence material, the emitted light becomes a waveguide mode, so that almost no light is emitted in the front direction. Therefore, it was considered to combine a waveguide including a photoluminescent material with a periodic structure (formed at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions).
  • this pseudo waveguide mode is a waveguide mode limited by the periodic structure, and is characterized in that the antinodes of the electric field amplitude are generated in the same period as the period of the periodic structure.
  • This mode is a mode in which the electric field in a specific direction is strengthened by confining light in the waveguide structure. Furthermore, since this mode interacts with the periodic structure and is converted into propagating light in a specific direction by the diffraction effect, light can be emitted to the outside of the waveguide. Furthermore, since the light other than the pseudo waveguide mode has a small effect of being confined in the waveguide, the electric field is not enhanced. Therefore, most of the light emission is coupled to the pseudo waveguide mode having a large electric field component.
  • the inventors of the present application use a photoluminescence layer including a photoluminescence material (or a waveguide layer having a photoluminescence layer) as a waveguide provided with a periodic structure close thereto, thereby emitting light in a specific direction.
  • a photoluminescence layer including a photoluminescence material or a waveguide layer having a photoluminescence layer
  • a periodic structure close thereto, thereby emitting light in a specific direction.
  • the slab type waveguide is a waveguide in which a light guiding portion has a flat plate structure.
  • FIG. 30 is a perspective view schematically showing an example of the slab waveguide 110S.
  • the refractive index of the waveguide 110S is higher than the refractive index of the transparent substrate 140 that supports the waveguide 110S, there is a mode of light propagating in the waveguide 110S.
  • the electric field generated from the light emitting point has a large overlap with the electric field of the waveguide mode, so that most of the light generated in the photoluminescence layer Can be coupled to the guided mode.
  • the thickness of the photoluminescence layer to be approximately the wavelength of light, it is possible to create a situation in which only a waveguide mode having a large electric field amplitude exists.
  • the pseudo-waveguide mode is formed by the electric field of the waveguide mode interacting with the periodic structure. Even when the photoluminescence layer is composed of a plurality of layers, if the electric field of the waveguide mode reaches the periodic structure, a pseudo waveguide mode is formed. It is not necessary for all of the photoluminescence layer to be a photoluminescence material, and it is sufficient that at least a part of the photoluminescence layer has a function of emitting light.
  • the periodic structure is formed of metal, a guided mode and a mode due to the effect of plasmon resonance are formed, which is different from the pseudo-guided mode described above.
  • this mode since the absorption by the metal is large, the loss becomes large and the effect of enhancing the light emission becomes small. Therefore, it is desirable to use a dielectric material with low absorption as the periodic structure.
  • FIG. 1A is a perspective view schematically showing an example of a light-emitting element 100 having such a waveguide (for example, a photoluminescence layer) 110 and a periodic structure (for example, a light-transmitting layer) 120.
  • the light-transmitting layer 120 when the light-transmitting layer 120 has a periodic structure (that is, when a periodic submicron structure is formed in the light-transmitting layer 120), the light-transmitting layer 120 may be referred to as a periodic structure 120.
  • the periodic structure 120 is a one-dimensional periodic structure in which a plurality of stripe-shaped convex portions each extending in the y direction are arranged at equal intervals in the x direction.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the light emitting device 100 taken along a plane parallel to the xz plane.
  • the pseudo-waveguide mode having the wave number k wav in the in-plane direction is converted into propagating light outside the waveguide, and the wave number k out is It can be represented by Formula (2).
  • M in the formula (2) is an integer and represents the order of diffraction.
  • the light guided in the waveguide approximately is a light beam propagating at an angle ⁇ wav , and the following equations (3) and (4) hold.
  • ⁇ 0 is the wavelength of light in the air
  • n wav is the refractive index of the waveguide
  • n out is the refractive index of the medium on the exit side
  • ⁇ out is the light emitted to the substrate or air outside the waveguide. Is the exit angle. From the equations (2) to (4), the emission angle ⁇ out can be expressed by the following equation (5).
  • n out becomes the refractive index of air (about 1.0).
  • the period p may be determined so as to satisfy 12).
  • a structure in which the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 are formed on the transparent substrate 140 as illustrated in FIGS. 1C and 1D may be employed.
  • the period p is set so as to satisfy the following formula (15). It only has to be.
  • FIG. 2 shows the result of calculating the intensities of the light emitted in the front direction while changing each.
  • the calculation model was calculated with a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction, and the polarization of light was a TM mode having an electric field component parallel to the y direction. From the result of FIG. 2, it can be seen that a peak of enhancement exists at a certain combination of wavelength and period.
  • the magnitude of the enhancement is represented by the shade of the color, and the darker (that is, black) has a larger enhancement and the lighter (that is, white) has a smaller enhancement.
  • the period of the periodic structure is 400 nm
  • the height is 50 nm
  • the refractive index is 1.5
  • the emission wavelength and the thickness t of the photoluminescence layer are changed.
  • the calculation model was assumed to be a one-dimensional periodic structure uniform in the y direction, as described above. In each figure, the black region indicates that the electric field strength is high, and the white region indicates that the electric field strength is low.
  • FIG. 7A is a plan view showing a part of a two-dimensional periodic structure 120 ′ in which concave and convex portions are arranged in both the x and y directions.
  • the black area in the figure indicates a convex portion
  • the white area indicates a concave portion.
  • Diffraction only in the x direction or only in the y direction is the same as in the one-dimensional case, but there is also diffraction in a direction having both x and y components (for example, an oblique 45 ° direction).
  • FIG. 7B shows the result of calculating the light enhancement for such a two-dimensional periodic structure.
  • the calculation conditions other than the periodic structure are the same as the conditions in FIG.
  • a peak position that coincides with the peak position in the TE mode shown in FIG. 6 was also observed.
  • This result shows that the TE mode is also converted and output by diffraction due to the two-dimensional periodic structure.
  • Such diffracted light is emitted in the direction of an angle corresponding to a period ⁇ 2 times (that is, 2 1/2 times) the period p. Therefore, in addition to the peak in the case of the one-dimensional periodic structure, it is considered that a peak is generated for a period that is ⁇ 2 times the period p. In FIG. 7B, such a peak can also be confirmed.
  • the two-dimensional periodic structure is not limited to a square lattice structure having the same period in the x direction and the y direction as shown in FIG. 7A, but is a lattice structure in which hexagons and triangles are arranged as shown in FIGS. 18A and 18B. Also good. Moreover, the structure where the period of a direction differs (for example, x direction and y direction in the case of a square lattice) may be sufficient.
  • the characteristic pseudo-waveguide mode light formed by the periodic structure and the photoluminescence layer is selectively emitted only in the front direction using the diffraction phenomenon due to the periodic structure. I was able to confirm that it was possible. With such a configuration, light emission having directivity can be obtained by exciting the photoluminescence layer with excitation light such as ultraviolet rays or blue light.
  • the refractive index of the periodic structure was examined.
  • the film thickness of the photoluminescence layer is 200 nm
  • the periodic structure is a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction as shown in FIG. 1A
  • the height is 50 nm
  • the period is The calculation was performed on the assumption that the light polarization was TM mode having an electric field component parallel to the y direction.
  • FIG. 8 shows the result of calculating the enhancement of the light output in the front direction by changing the emission wavelength and the refractive index of the periodic structure.
  • FIG. 9 shows the results when the film thickness of the photoluminescence layer is 1000 nm under the same conditions.
  • the light intensity with respect to the change in the refractive index of the periodic structure is more peak when the film thickness is 1000 nm (FIG. 9) than when the film thickness is 200 nm (FIG. 8).
  • the peak wavelength becomes small. This is because the pseudo-waveguide mode is more susceptible to the refractive index of the periodic structure as the film thickness of the photoluminescence layer is smaller. That is, the higher the refractive index of the periodic structure, the higher the effective refractive index, and the corresponding peak wavelength shifts to the longer wavelength side. This effect becomes more pronounced as the film thickness decreases.
  • the effective refractive index is determined by the refractive index of the medium existing in the region where the electric field of the pseudo waveguide mode is distributed.
  • the refractive index of the dielectric (that is, the translucent layer) constituting the periodic structure may be made equal to or less than the refractive index of the photoluminescence layer. The same applies when the photoluminescence layer contains a material other than the photoluminescence material.
  • the peak intensity and the Q value that is, the line width of the peak
  • the peak intensity and the Q value are lowered. This is because, when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is higher than the refractive index n p of the periodic structure (FIG. 10), the light is totally reflected, so that the electric field bleeds out (evanescent) in the pseudo waveguide mode. Only due to the interaction with the periodic structure.
  • the height of the periodic structure When the height of the periodic structure is sufficiently large, the influence of the interaction between the evanescent part of the electric field and the periodic structure is constant even if the height changes further.
  • the refractive index n wav of the photoluminescence layer is lower than the refractive index n p of the periodic structure (FIG. 11), the light reaches the surface of the periodic structure without being totally reflected, so the height of the periodic structure The larger the is, the more affected. As can be seen from FIG. 11, it is sufficient that the height is about 100 nm, and the peak intensity and the Q value are lowered in the region exceeding 150 nm.
  • the height of the periodic structure may be set to 150 nm or less in order to increase the peak intensity and the Q value to some extent.
  • FIG. 12 shows the result of calculation assuming that the polarization of light is a TE mode having an electric field component perpendicular to the y direction under the same conditions as those shown in FIG.
  • the electric field of the quasi-guided mode is larger than that in the TM mode, so that it is easily affected by the periodic structure. Therefore, in the region where the refractive index n p of the periodic structure is larger than the refractive index n wav of the photoluminescence layer, the peak intensity and the Q value are significantly decreased as compared with the TM mode.
  • the height should be 150 nm or less. It can be seen that the peak intensity and the Q value can be increased.
  • the light-emitting element may have a structure in which the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 are formed on the transparent substrate 140 as illustrated in FIGS. 1C and 1D.
  • a thin film is formed on a transparent substrate 140 with a photoluminescent material (including a matrix material, if necessary, the same applies below) constituting the photoluminescent layer 110, A method of forming the periodic structure 120 thereon can be considered.
  • the refractive index n s of the transparent substrate 140 is less than the refractive index n wav of the photoluminescence layer. It is necessary to.
  • the transparent substrate 140 is provided so as to be in contact with the photoluminescence layer 110, it is necessary to set the period p so as to satisfy the equation (15) where the refractive index n out of the emission medium in the equation (10) is n s. .
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration example of a light-emitting device 200 including the light-emitting element 100 illustrated in FIGS. 1A and 1B and a light source 180 that causes excitation light to enter the photoluminescence layer 110.
  • light emission having directivity can be obtained by exciting the photoluminescence layer with excitation light such as ultraviolet light or blue light.
  • the light emitting device 200 having directivity can be realized.
  • the wavelength of the excitation light emitted from the light source 180 is typically a wavelength in the ultraviolet or blue region, but is not limited thereto, and is appropriately determined according to the photoluminescent material constituting the photoluminescent layer 110.
  • the light source 180 is arranged so that the excitation light is incident from the lower surface of the photoluminescence layer 110.
  • the present invention is not limited to such an example.
  • the excitation light is emitted from the upper surface of the photoluminescence layer 110. It may be incident.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining such a method.
  • the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 are formed on the transparent substrate 140 as in the configuration shown in FIGS. 1C and 1D.
  • the period p x is determined so as to satisfy the condition in which p is replaced with p x in Equation (10).
  • m is an integer equal to or larger than 1
  • the wavelength of the excitation light is ⁇ ex
  • the medium having the highest refractive index excluding the periodic structure 120 out of the medium in contact with the photoluminescence layer 110 is n out.
  • n out is n s of the transparent substrate 140 in the example of FIG. 17, but in the configuration in which the transparent substrate 140 is not provided as in FIG. 16, it is the refractive index of air (about 1.0).
  • the photoluminescence layer 110 can efficiently absorb the excitation light having the wavelength ⁇ ex .
  • the periodic structure 120 illustrated in FIG. 17B is a two-dimensional periodic structure having structures (periodic components) having different periods in the x direction and the y direction, respectively.
  • the excitation light is incident from the substrate side, but the same effect can be obtained even when incident from the periodic structure side.
  • FIG. 18A or 18B a configuration as shown in FIG. 18A or 18B may be adopted.
  • a plurality of main axes in the example shown, axes 1 to 3
  • a different period can be assigned to each axial direction.
  • Each of these periods may be set to increase the directivity of light having a plurality of wavelengths, or may be set to efficiently absorb the excitation light.
  • each cycle is set so as to satisfy the condition corresponding to the equation (10).
  • the periodic structure 120a may be formed on the transparent substrate 140, and the photoluminescence layer 110 may be provided thereon.
  • the periodic structure 120b having the same period is also formed on the surface of the photoluminescence layer 110.
  • the surface of the photoluminescence layer 110 is processed to be flat.
  • directional light emission can be realized by setting the period p of the periodic structure 120a so as to satisfy Expression (15).
  • the intensity of light output in the front direction was calculated by changing the emission wavelength and the period of the periodic structure.
  • the film thickness of the photoluminescence layer 110 is 1000 nm
  • the periodic structure 120a is a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction
  • the height is 50 nm
  • the period 400 nm
  • the polarization of light was a TM mode having an electric field component parallel to the y direction.
  • the result of this calculation is shown in FIG. 19C.
  • a peak of light intensity was observed at a period satisfying the condition of Expression (15).
  • light emission of an arbitrary wavelength can be emphasized by adjusting the period of the periodic structure and the film thickness of the photoluminescence layer.
  • a photoluminescent material that emits light in a wide band is used as shown in FIGS. 1A and 1B, only light of a certain wavelength can be emphasized. Therefore, the structure of the light emitting element 100 as shown in FIGS. 1A and 1B may be powdered and used as a fluorescent material. 1A and 1B may be used by being embedded in a resin or glass.
  • each light emitting element 100 in one direction is, for example, about several ⁇ m to several mm, and may include, for example, a one-dimensional or two-dimensional periodic structure having several cycles to several hundred cycles.
  • FIG. 21 is a plan view showing an example in which a plurality of periodic structures having different periods are two-dimensionally arranged on the photoluminescence layer.
  • three types of periodic structures 120a, 120b, and 120c are arranged without a gap.
  • the periodic structures 120a, 120b, and 120c have a period set so as to emit light in the red, green, and blue wavelength ranges to the front.
  • directivity can be exhibited with respect to a spectrum in a wide wavelength region by arranging a plurality of structures with different periods on the photoluminescence layer.
  • the configuration of the plurality of periodic structures is not limited to the above, and may be set arbitrarily.
  • FIG. 22 illustrates an example of a light-emitting element having a structure in which a plurality of photoluminescence layers 110 having an uneven structure formed on the surface are stacked.
  • a transparent substrate 140 is provided between the plurality of photoluminescence layers 110, and the concavo-convex structure formed on the surface of the photoluminescence layer 110 of each layer corresponds to the periodic structure or the submicron structure.
  • the three-layer periodic structures having different periods are formed, and the periods are set so as to emit light in the red, blue, and green wavelength ranges to the front.
  • the material of the photoluminescence layer 110 of each layer is selected so as to emit light of a color corresponding to the period of each periodic structure. In this way, directivity can be exhibited with respect to a spectrum in a wide wavelength range by laminating a plurality of periodic structures having different periods.
  • the number of layers, the photoluminescence layer 110 of each layer, and the structure of the periodic structure are not limited to those described above, and may be arbitrarily set.
  • the first photoluminescence layer and the second photoluminescence layer are formed so as to face each other through the light-transmitting substrate, and the surface of the first and second photoluminescence layers is formed on the surface.
  • the first and second periodic structures will be formed respectively.
  • the condition corresponding to the equation (15) may be satisfied. That's fine.
  • the condition corresponding to the formula (15) may be satisfied for the photoluminescence layer and the periodic structure in each layer.
  • the positional relationship between the photoluminescence layer and the periodic structure may be reversed from that shown in FIG.
  • the period of each layer is different, but they may all be the same period. In that case, the spectrum cannot be widened, but the emission intensity can be increased.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating a configuration example in which a protective layer 150 is provided between the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120.
  • the protective layer 150 for protecting the photoluminescence layer 110 may be provided.
  • an electric field of light oozes out only about half the wavelength inside the protective layer 150. Therefore, when the protective layer 150 is thicker than the wavelength, light does not reach the periodic structure 120. For this reason, there is no pseudo waveguide mode, and a function of emitting light in a specific direction cannot be obtained.
  • the refractive index of the protective layer 150 is about the same as or higher than the refractive index of the photoluminescence layer 110, the light reaches the inside of the protective layer 150. Therefore, there is no restriction on the thickness of the protective layer 150. However, even in that case, a larger light output can be obtained by forming most of a portion where light is guided (hereinafter, this portion is referred to as a “waveguide layer”) from a photoluminescent material. Therefore, it is desirable that the protective layer 150 is thin even in this case.
  • the protective layer 150 may be formed using the same material as the periodic structure (translucent layer) 120. At this time, the light-transmitting layer having a periodic structure also serves as a protective layer.
  • the refractive index of the light transmitting layer 120 is preferably smaller than that of the photoluminescent layer 110.
  • the photoluminescence layer (or waveguide layer) and the periodic structure are made of a material that satisfies the above conditions, directional light emission can be realized. Any material can be used for the periodic structure. However, if the light absorptivity of the medium forming the photoluminescence layer (or waveguide layer) or the periodic structure is high, the effect of confining light is reduced, and the peak intensity and the Q value are reduced. Therefore, a medium having a relatively low light absorption can be used as a medium for forming the photoluminescence layer (or waveguide layer) and the periodic structure.
  • a dielectric having low light absorption can be used as the material of the periodic structure.
  • the material of the periodic structure include, for example, MgF 2 (magnesium fluoride), LiF (lithium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SiO 2 (quartz), glass, resin, MgO (magnesium oxide), ITO (indium tin oxide), TiO 2 (titanium oxide), SiN (silicon nitride), Ta 2 O 5 (tantalum pentoxide), ZrO 2 (zirconia), ZnSe (zinc selenide), ZnS (zinc sulfide), etc. Can be mentioned.
  • MgF 2 , LiF, CaF 2 , SiO 2 , glass, resin having a refractive index of about 1.3 to 1.5. can be used.
  • the photoluminescent material includes a fluorescent material and a phosphorescent material in a narrow sense, includes not only an inorganic material but also an organic material (for example, a dye), and further includes a quantum dot (that is, a semiconductor fine particle).
  • a fluorescent material having an inorganic material as a host tends to have a high refractive index.
  • quantum dots for example, materials such as CdS, CdSe, core-shell type CdSe / ZnS, alloy type CdSSe / ZnS can be used, and various emission wavelengths can be obtained depending on the material.
  • the matrix of quantum dots for example, glass or resin can be used.
  • the transparent substrate 140 shown in FIGS. 1C, 1D, and the like is made of a light-transmitting material having a refractive index lower than that of the photoluminescence layer 110.
  • a light-transmitting material having a refractive index lower than that of the photoluminescence layer 110.
  • examples of such materials include MgF (magnesium fluoride), LiF (lithium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SiO 2 (quartz), glass, and resin.
  • a thin film of the photoluminescence layer 110 is formed on the transparent substrate 140 by a process such as vapor deposition, sputtering, and coating, and then a dielectric is formed.
  • a method of forming the periodic structure 120 by patterning by a method such as photolithography.
  • the periodic structure 120 may be formed by nanoimprinting.
  • the periodic structure 120 may be formed by processing only a part of the photoluminescence layer 110. In that case, the periodic structure 120 is formed of the same material as the photoluminescence layer 110.
  • the light-emitting element 100 illustrated in FIGS. 1A and 1B can be realized by, for example, manufacturing the light-emitting element 100a illustrated in FIGS. 1C and 1D and then performing a process of removing the portions of the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 from the substrate 140. is there.
  • the material constituting the photoluminescence layer 110 is formed thereon by a method such as vapor deposition or sputtering. This is possible by doing.
  • the structure shown in FIG. 19B can be realized by embedding the concave portion of the periodic structure 120a with the photoluminescence layer 110 using a method such as coating.
  • said manufacturing method is an example and the light emitting element of this indication is not limited to said manufacturing method.
  • a sample of a light-emitting element having the same configuration as in FIG. 19A was prototyped and its characteristics were evaluated.
  • the light emitting element was manufactured as follows.
  • a glass substrate was provided with a one-dimensional periodic structure (stripe-shaped convex part) having a period of 400 nm and a height of 40 nm, and YAG: Ce, which is a photoluminescence material, was formed thereon to a thickness of 210 nm.
  • FIG. 25 shows a TEM image of this cross-sectional view
  • FIG. 26 shows the result of measuring the spectrum in the front direction when YAG: Ce is emitted by exciting it with a 450 nm LED.
  • FIG. 26 shows measurement results (ref) in the absence of a periodic structure, results of measuring a TM mode having a polarization component parallel to the one-dimensional periodic structure, and a TE mode having a perpendicular polarization component.
  • FIG. 27 shows a case where the axis parallel to the line direction of the one-dimensional periodic structure (periodic structure 120) is rotated as a rotation axis
  • FIG. The measurement result (upper stage) and the calculation result (lower stage) are shown for the case where the vertical axis is rotated about the rotation axis.
  • FIGS. 27 and 28 show the results of TM mode and TE mode linearly polarized light, respectively, FIG. 27 (a) shows the TM mode, FIG. 27 (b) shows the TE mode, and FIG. 28 (a).
  • FIG. 28B shows the results for the linearly polarized light in the TM mode.
  • the TM mode has a higher effect of enhancement, and it can be seen that the wavelength of the enhancement is shifted depending on the angle. For example, in the case of light at 610 nm, it can be seen that light is directional and polarized because light is only present in the TM mode and in the front direction.
  • the upper and lower parts of each figure are consistent, the validity of the above calculation was confirmed by experiments.
  • FIG. 29 shows the angle dependency of the intensity when rotating with the direction perpendicular to the line direction as the rotation axis in 610 nm light.
  • the directivity angle of the light emitted in the front direction is less than 15 °.
  • the directivity angle is an angle at which the intensity is 50% of the maximum intensity, and is expressed as an angle on one side with respect to the direction of the maximum intensity. That is, it can be seen that directional light emission is realized. Further, since all of these are TM mode components, it can be seen that polarized light emission is realized at the same time.
  • FIG. 31 is a cross-sectional view showing the light emitting device 300 according to the present embodiment.
  • the light-emitting element 300 includes a photoluminescence layer 110 and a light-transmitting layer including a periodic structure (for example, a submicron structure) 120 disposed in proximity to the photoluminescence layer 110.
  • a periodic structure for example, a submicron structure
  • the light emitted in the photoluminescence layer 110 by entering the excitation light is coupled to a specific pseudo waveguide mode determined by the periodic structure 120.
  • the light coupled to the pseudo waveguide mode is emitted to the outside from the photoluminescence layer 110 through the periodic structure 120 as propagating light L having high directivity in a specific direction.
  • the propagation light L is emitted in the front direction (the normal direction of one main surface 110a).
  • the light emitting element 300 further includes a multilayer mirror 310 provided on the other main surface 110b side of the photoluminescence layer 110.
  • the multilayer mirror 310 is laminated together with the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120.
  • the multilayer mirror 310 may be provided on the transparent substrate 140.
  • the multilayer mirror 310 is also called a dielectric reflection film, a dielectric mirror, a dielectric multilayer film, or the like, and suppresses propagation light from being emitted from the other main surface 110 b of the photoluminescence layer 110 to the outside of the light emitting element 300. Thereby, the intensity
  • the multilayer mirror 310 has at least one high refractive index layer 311 and at least one low refractive index layer 312.
  • the multilayer mirror 310 may have a plurality of high refractive index layers 311 and a plurality of low refractive index layers 312. In this case, the high refractive index layers 311 and the low refractive index layers 312 are alternately stacked, and the effect becomes greater as the number of films increases.
  • the high refractive index layer 311 has a higher refractive index than the low refractive index layer 312.
  • the refractive indexes of the low refractive index layer 312 and the high refractive index layer 311 are n L and n H , respectively, and the thicknesses of the low refractive index layer 312 and the high refractive index layer 311 are t ML and t MH , respectively.
  • m R is a positive integer (that is, a natural number). m R may be the same in the plurality of low refractive index layers 312 and the plurality of high refractive index layers 311, or may be different.
  • the low refractive index layer 312 may be formed of, for example, a material that satisfies 1.3 ⁇ n L ⁇ 1.7 and less absorbs the propagating light L. Specifically, it may be formed of a material in the above-described refractive index range among various materials exemplified as a material for forming the periodic structure.
  • the high refractive index layer 311 may be formed of, for example, a material that satisfies 1.5 ⁇ n L ⁇ 2.5 and has little absorption with respect to the propagating light L. Specifically, it may be formed of a material in the above-described refractive index range among various materials exemplified as a material for forming the periodic structure.
  • the high refractive index layer 311 may be made of the same material as the photoluminescence layer 110. Thereby, manufacture of a light emitting element becomes easy.
  • 32A and 32B show the results of calculating the thickness of the high refractive index layer 311 of the multilayer mirror 310 and the relationship between the wavelength of the propagating light, the reflectance, and the emission intensity, respectively.
  • the calculation conditions are as follows.
  • Refractive index n L of the low refractive index layer 312 1.5 Refractive index n H of the high refractive index layer 311: 1.75 Number of low refractive index layers 312 and high refractive index layers 311: each 4 layers
  • Low refractive index layer 312 thickness: 1.17 ( 1.75 / 1.5) times the thickness of high refractive index layer
  • Period of the periodic structure 120: 370 nm Height of the periodic structure 120: 80 nm 32A and 32B the horizontal axis indicates the wavelength of propagating light, and the vertical axis indicates the thickness of the high refractive index layer 311.
  • the shading in FIG. 32A indicates transmittance, and the darker the density, the higher the transmittance.
  • the shading in FIG. 32B indicates the emission intensity, and the higher the density, the higher the emission intensity.
  • the wavelength of propagating light is 570 nm
  • the thickness of the high refractive index layer 311 is set to about 65 to 95 nm
  • the reflectance in the multilayer mirror 310 can be increased, and the periodic structure 120 is provided.
  • the emission efficiency of propagating light from the one main surface 110a of the photoluminescence layer 110 is also improved.
  • the wavelength of propagating light is 560 nm
  • the thickness of the high refractive index layer 311 is set to about 225 to 255 nm
  • the reflectance in the multilayer mirror 310 is increased, and the photoluminescence layer provided with the periodic structure 120 is provided. It can be seen that the emission efficiency of propagating light from one main surface 110a of 110 is also increased.
  • the low refractive index layer 312 and the high refractive index layer 311 can be made the thinnest, so that the manufacture becomes easy.
  • the emission efficiency of light emitted from the light emitting element 300 is increased in a predetermined range including the thickness at which the reflection efficiency of the multilayer mirror 310 is highest.
  • the emission efficiency of the light emitting element 300 can be further improved by making the structure between the multilayer mirror 310 and the light emitting surface of the light emitting element 300 suitable for transmission of propagating light. .
  • the translucent structure is composed of a photoluminescence layer 110 and a layer through which light emitted from the photoluminescence layer 110 is transmitted, other than the multilayer mirror 310.
  • the translucent structure 320 includes the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120. Since the substrate 140 is provided on the side opposite to the photoluminescence layer 110 with respect to the multilayer mirror 310, it is not a “layer through which light emitted from the photoluminescence layer 110 is transmitted”.
  • the translucent structure 320 satisfies a condition for enhancing light by interference. Specifically, the thickness of the translucent structure 320 is set in a range where reflection due to interference is reduced. For example, when the periodic structure 120 has a height h p , a refractive index n p , and an exclusive area (filling factor) f on one main surface 110a, the effective optical path length of the periodic structure 120 is h p n p f expressed. When the photoluminescence layer 110 has a refractive index nw and a thickness tw, the effective optical path length of the photoluminescence layer 110 is represented by n W t W.
  • the translucent structure 320 and the multilayer mirror 310 are in contact with each other, and the refraction of the photoluminescence layer 110 is between the photoluminescence layer 110 and the low refractive index layer 312 that are in contact with each other at the interface.
  • the refractive index is larger than the refractive index of the low refractive index layer 312. For this reason, for light propagating from the multilayer mirror 310 to the translucent structure 320, the interface between the translucent structure 320 and the multilayer mirror 310 is free-end reflection (reflection whose phase does not change).
  • FIG. 33A and FIG. 33B show the results of calculating the thickness of the photoluminescence layer 110 and the relationship between the wavelength of propagating light and the emission intensity.
  • FIG. 33A shows the emission intensity of the light L emitted from one main surface 110a
  • FIG. 33B shows the emission intensity of the light L ′ emitted from the substrate 140 side.
  • the calculation conditions are as follows.
  • Refractive index n L of the low refractive index layer 312 1.5 Refractive index n H of the high refractive index layer 311: 1.75
  • the thickness of the low refractive index layer 312 93 nm High refractive index layer 311 thickness: 80 nm Number of low refractive index layers 312 and high refractive index layers 311: each four layers
  • Refractive index of photoluminescence layer 110 1.75
  • Period of the periodic structure 120 370 nm Height of the periodic structure 120: 80 nm Refractive index 1.5 of the periodic structure 120
  • Filling rate of periodic structure 120 0.5 33A and 33B, the horizontal axis indicates the wavelength of propagating light, and the vertical axis indicates the thickness of the photoluminescence layer.
  • the shading in FIGS. 33A and 33B indicates the emission intensity, and the higher the concentration, the higher the emission intensity.
  • the emission intensity is large when the thickness of the photoluminescence layer is about 85 to 165 nm.
  • the propagating light L can be emitted with high emission efficiency from the one main surface 110a that is the emission surface, regardless of the conditions assumed in the above calculation. .
  • the light emission intensity of the light L ′ emitted from the substrate 140 side is significantly smaller than the light emission intensity of the light L emitted from the one main surface 110a. From this, it can be seen that the multilayer mirror 310 efficiently reflects the light emitted from the other main surface 110b of the photoluminescence layer 110.
  • FIG. 34 is a cross-sectional view showing a light emitting element 301 in a first alternative example according to the present embodiment, and the same reference numerals are used for the same components as those in FIG.
  • the light emitting element 301 includes a translucent structure 320a including an adjustment layer 140 ′.
  • the translucent structure 320a includes the periodic structure 120, the photoluminescence layer 110, and the adjustment layer 140 ′.
  • the effective optical path length d T ′ of the translucent structure 320a is represented by the sum of the effective optical path lengths of the periodic structure 120, the photoluminescence layer 110, and the adjustment layer 140 ′.
  • the translucent structure 320a and the multilayer mirror 310 are in contact with each other, and the refractive index of the adjustment layer 140 ′ is the high refractive index layer 311 in the adjustment layer 140 ′ and the high refractive index layer 311 in contact with each other. Is smaller than the refractive index of. Therefore, for light propagating from the multilayer mirror 310 to the light transmissive structure 320a, the interface between the light transmissive structure 320a and the multilayer mirror 310 is fixed-end reflection (the phase is shifted by ⁇ during reflection). Therefore, the desirable range of the effective optical path length d T ′ is different from the above equation (19) by ⁇ a / (4n wav-a ), and it is desirable that the following equation (20) is satisfied.
  • FIG. 35 shows the calculation result of the relationship between the thickness of the adjustment layer 140 ′, the wavelength of propagating light, and the emission intensity.
  • the horizontal axis indicates the wavelength of propagating light, and the vertical axis indicates the thickness of the adjustment layer 140 ′.
  • the shading in FIG. 35 indicates the emission intensity, and the higher the density, the higher the emission intensity.
  • Refractive index n L of the low refractive index layer 312 1.5 Refractive index n H of the high refractive index layer 311: 1.75
  • the thickness of the low refractive index layer 312 93 nm
  • High refractive index layer 311 thickness 80 nm
  • Number of low refractive index layers 312 3 layers
  • Number of high refractive index layers 311 4 layers
  • Refractive index of photoluminescence layer 110 1.75
  • Filling rate of periodic structure 120 0.5 Refractive index of the adjustment layer 140 ′: 1.5 From FIG.
  • the emission intensity is large when the thickness of the adjustment layer 140 ′ is about 100 nm to 200 nm and about 270 nm to 380 nm.
  • the effective optical path length of the adjustment layer 140 ′ is 150 nm to 300 nm.
  • the thickness of the adjustment layer 140 ′ which is a part of the component of the translucent structure 320a
  • the effective optical path length of the translucent structure 320a satisfies the above formula (19).
  • the light-transmitting structure 320a can increase light transmittance, and the emission efficiency of the light-emitting element 301 can be increased. Therefore, the thickness of the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 is set (that is, optimized) so as to increase the light emission efficiency by the pseudo-waveguide mode, and the thickness of the adjustment layer 140 ′ is adjusted independently.
  • FIG. 36 is a cross-sectional view showing a light emitting element 302 in a second alternative example according to the present embodiment, and the same reference numerals are used for the same configurations as those in FIG. 31 and FIG.
  • the translucent structure 320b includes photoluminescence layers 110 and 110 ′ and an adjustment layer 140 ′.
  • the effective optical path length d T ′ of the translucent structure 320b is represented by the sum of the effective optical path lengths of the photoluminescence layers 110 and 110 ′ and the adjustment layer 140 ′.
  • the multilayer mirror 310 is located between the translucent structure 320 and the transparent substrate 140.
  • FIG. 37 is a cross-sectional view showing a light emitting device 303 in a third other example according to the present embodiment, and the same reference numerals are used for the same configurations as those in FIGS. 31, 34, and 36.
  • a multilayer mirror 310 is formed on a light transmitting structure 320.
  • the transparent substrate 140 may support the multilayer mirror 310, and the multilayer mirror 310 may be sandwiched between the transparent substrate 140 and the translucent structure 320. Further, an air layer may be used instead of the transparent substrate 140.
  • An adjustment layer 140 ′ is provided on the translucent structure 320 so as to fill the irregularities of the periodic structure 120.
  • the adjustment layer 140 ′ has a flat main surface, and a multilayer mirror is formed on the main surface. 310 is located.
  • the translucent structure 320 further includes the transparent substrate 140, and the whole including the substrate 140 may satisfy Expression (20).
  • the multilayer mirror 310 is provided on the upper side of the translucent structure 320, it is possible to emit high intensity propagation light L 'from the substrate 140 side.
  • FIG. 38 is a cross-sectional view showing a light emitting device 304 according to a fourth example of the present embodiment.
  • the same reference numerals are used for the same configurations as those in FIGS. 31, 34, 36, and 37.
  • the light emitting element 304 has a structure in which the multilayer mirror 310 is disposed on the light transmitting structure 320c.
  • the translucent structure 320c includes a transparent substrate 140 on which the periodic structure 120 is provided on the surface, and a photoluminescence layer 110 provided on the transparent substrate 140 so as to fill the unevenness of the periodic structure 120.
  • the periodic structure 120 is formed of the same material as the transparent substrate 140, for example.
  • the effective optical path length of the translucent structure 320c is configured to satisfy the above formula (19).
  • the main surface of the photoluminescence layer 110 opposite to the transparent substrate 140 is flat.
  • a multilayer mirror 310 is formed on this main surface.
  • the high refractive index layer 311 and the low refractive index layer 312 of the multilayer mirror 310 each have a flat main surface.
  • the high refractive index layer 311 and the low refractive index layer 312 of the multilayer mirror 310 are configured to satisfy Expression (18).
  • the multilayer mirror 310 is provided on the upper side of the translucent structure 320, it is possible to emit high-intensity propagation light L 'from the substrate 140 side.
  • FIG. 39 is a cross-sectional view showing a light emitting device 305 according to a fifth alternative example of the present embodiment.
  • the same reference numerals are used for the same components as those in FIG.
  • the light-emitting element 305 is different from the light-emitting element 304 in that the light-emitting element 305 includes a photoluminescence layer 110 having a concavo-convex structure following the concavo-convex structure of the periodic structure 120 and a multilayer mirror 310.
  • the high refractive index layer 311 and the low refractive index layer 312 of the multilayer mirror 310 each satisfy the formula (18).
  • the translucent structure 320d including the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 satisfies the formula (19). Therefore, like the light emitting element 304, the light emitting element 305 can emit high-emission high-intensity propagation light L 'from the substrate 140 side.
  • the light emitting element that emits the propagation lights L and L ′ in the normal direction of the main surface of the photoluminescence layer 110 has been described.
  • a light emitting element that emits light in a direction other than the normal direction may be realized.
  • a light emitting device having directivity can be realized, it can be applied to an optical device such as an illumination, a display, and a projector.
  • Light-emitting element 110 Photoluminescence layer (waveguide) 120, 120 ', 120a, 120b, 120c Translucent layer (periodic structure, submicron structure) 140 Transparent substrate 140 ′ Adjustment layer 150 Protective layer 180 Light source 200 Light emitting device 310 Multilayer mirror 311 High refractive index layer 312 Low refractive index layer 320, 320a, 320b, 320c, 320d Translucent structure

Abstract

　発光素子（１００）は、フォトルミネッセンス層（１１０）と、フォトルミネッセンス層（１１０）に近接して配置された透光層（１２０）と、フォトルミネッセンス層（１１０）および透光層（１２０）の少なくとも一方に形成され、フォトルミネッセンス層（１１０）または透光層（１２０）の面内に広がるサブミクロン構造と、フォトルミネッセンス層および前記透光層と積層された多層ミラーとを有し、サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、フォトルミネッセンス層（１１０）が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。

Description

発光素子および発光装置
　本開示は、発光素子および発光装置に関し、特に、フォトルミネッセンス層を有する発光素子および発光装置に関する。
　照明器具、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスでは、多くの用途において、必要な方向に光を出射することが求められる。蛍光灯、白色ＬＥＤなどで使用されるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光する。よって、この様な材料は、特定の方向のみに光を出射させるために、リフレクターやレンズなどの光学部品とともに用いられる。例えば、特許文献１は、配光板および補助反射板を用いて指向性を確保した照明システムを開示している。
特開２０１０－２３１９４１号公報
　本開示は、フォトルミネッセンス層の発光効率、指向性、または偏光特性を制御することが可能な、新規な構造を有する発光素子およびそれを備える発光装置を提供する。
　本開示のある実施形態の発光素子は、フォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層とともに積層された多層ミラーとを有し、前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。
　上記の包括的または具体的な態様は、素子、装置、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。
　本開示のある実施形態による発光素子および発光装置は、新規な構成を有し、新規なメカニズムに従って、輝度、指向性、または偏光特性を制御することができる。
ある実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。 図１Ａに示す発光素子の部分断面図である。 他の実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。 図１Ｃに示す発光素子の部分断面図である。 発光波長および周期構造の高さをそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示す図である。 式（１０）におけるｍ＝１およびｍ＝３の条件を図示したグラフである。 発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 厚さｔ＝２３８ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。 厚さｔ＝５３９ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。 厚さｔ＝３００ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。 図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度を計算した結果を示す図である。 ２次元の周期構造の例を示す平面図である。 ２次元周期構造に関して図２と同様の計算を行った結果を示す図である。 発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 図８と同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍにした場合の結果を示す図である。 発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 図１０と同様の条件で、周期構造の屈折率を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。 励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる構成を説明するための図であり、（ａ）はｘ方向の周期ｐxを有する１次元周期構造を示し、（ｂ）はｘ方向の周期ｐx、ｙ方向の周期ｐyを有する２次元周期構造を示し、（ｃ）は（ａ）の構成における光の吸収率の波長依存性を示し、（ｄ）は（ｂ）の構成における光の吸収率の波長依存性を示している。 ２次元周期構造の一例を示す図である。 ２次元周期構造の他の例を示す図である。 透明基板上に周期構造を形成した変形例を示す図である。 透明基板上に周期構造を形成した他の変形例を示す図である。 図１９Ａの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 複数の粉末状の発光素子を混ぜた構成を示す図である。 フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を２次元に配列した例を示す平面図である。 表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層１１０が積層された構造を有する発光素子の一例を示す図である。 フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に保護層１５０を設けた構成例を示す断面図である。 フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成した例を示す図である。 周期構造を有するガラス基板上に形成されたフォトルミネッセンス層の断面ＴＥＭ像を示す図である。 試作した発光素子の出射光の正面方向のスペクトルを測定した結果を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、試作した発光素子の出射光の角度依存性を測定した結果（上段）および計算結果（下段）を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、試作した発光素子の出射光の角度依存性を測定した結果（上段）および計算結果（下段）を示すグラフである。 試作した発光素子の出射光（波長６１０ｎｍ）の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。 多層ミラーを有する発光素子の実施形態を示す図である。 多層ミラーの高屈折率層の厚さおよび伝播光の波長と反射率との関係を計算した結果を示す図である。 多層ミラーの高屈折率層の厚さおよび伝播光の波長と発光強度との関係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および伝播光の波長と周期構造側から出射する伝播光の発光強度との関係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および伝播光の波長と透明基板側から出射する伝播光の発光強度との関係を計算した結果を示す図である。 多層ミラーを有する発光素子の他の例を示す図である。 透明基板の厚さおよび伝播光の波長と発光強度との関係を計算した結果を示す図である。 多層ミラーを有する発光素子の他の例を示す図である。 多層ミラーを有する発光素子の他の例を示す図である。 多層ミラーを有する発光素子の他の例を示す図である。 多層ミラーを有する発光素子の他の例を示す図である。
　光学デバイスにおいて、リフレクターやレンズなどの光学部品を配置すると、そのスペースを確保するために、光学デバイス自身のサイズを大きくする必要があり、これら光学部品は無くすか、少しでも小型化することが望ましい。
　本開示は、以下の項目に記載の発光素子および発光装置を含む。
　［項目１］
　フォトルミネッセンス層と、
　前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
　前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
　隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
　［項目２］
　前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含む、項目１に記載の発光素子。
　［項目３］
　前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎt-aは、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav-aよりも小さい、項目１または２に記載の発光素子。
　［項目４］
　前記第１の光は、前記サブミクロン構造によって予め決められた第１の方向において強度が最大になる、項目１から３のいずれかに記載の発光素子。
　［項目５］
　前記第１の方向は、前記フォトルミネッセンス層の法線方向である、項目４に記載の発光素子。
　［項目６］
　前記第１の方向に出射された前記第１の光は、直線偏光である、項目４または５に記載の発光素子。
　［項目７］
　前記第１の光の前記第１の方向を基準としたときの指向角は、１５°未満である、項目４から６のいずれかに記載の発光素子。
　［項目８］
　前記第１の光の波長λaと異なる波長λbを有する第２の光は、前記第１の方向と異なる第２の方向において強度が最大となる、項目４から７のいずれかに記載の発光素子。
　［項目９］
　前記透光層が前記サブミクロン構造を有する、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
　［項目１０］
　前記フォトルミネッセンス層が前記サブミクロン構造を有する、項目１から９のいずれかに記載の発光素子。
　［項目１１］
　前記フォトルミネッセンス層は、平坦な主面を有し、
　前記透光層は前記フォトルミネッセンス層の前記平坦な主面上に形成されており、かつ、前記サブミクロン構造を有する、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
　［項目１２］
　前記フォトルミネッセンス層は、透明基板に支持されている、項目１１に記載の発光素子。
　［項目１３］
　前記透光層は、前記サブミクロン構造を一方の主面に有する透明基板であって、
　前記フォトルミネッセンス層は、前記サブミクロン構造の上に形成されている、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
　［項目１４］
　前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎt-aは、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav-a以上であって、前記サブミクロン構造が有する前記複数の凸部の高さまたは前記複数の凹部の深さは１５０ｎｍ以下である、項目１または２に記載の発光素子。
　［項目１５］
　前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含み、
　前記第１周期構造は、１次元周期構造である、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
　［項目１６］
　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaと異なるλbの第２の光を含み、前記第２の光前記第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-bとすると、
　前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐbとすると、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造をさらに含み、
　前記第２周期構造は、１次元周期構造である、項目１５に記載の発光素子。
　［項目１７］
　前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、前記少なくとも２つの周期構造は、互いに異なる方向に周期性を有する２次元周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
　［項目１８］
　前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
　前記複数の周期構造は、マトリクス状に配列された複数の周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
　［項目１９］
　前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
　前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-exとすると、
　前記複数の周期構造は、周期ｐexが、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
　［項目２０］
　複数のフォトルミネッセンス層と、複数の透光層とを有し、
　前記複数のフォトルミネッセンス層の少なくとも２つと前記複数の透光層の少なくとも２つとは、それぞれ独立に、項目１から１９のいずれかに記載の前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とにそれぞれ該当する、発光素子。
　［項目２１］
　前記複数のフォトルミネッセンス層と前記複数の透光層は、積層されている、項目２０に記載の発光素子。
　［項目２２］
　フォトルミネッセンス層と、
　前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の内部に擬似導波モードを形成する光を出射する、発光素子。
　［項目２３］
　光が導波することができる導波層と、
　前記導波層に近接して配置された周期構造と
を備え、
　前記導波層はフォトルミネッセンス材料を有し、
　前記導波層において、前記フォトルミネッセンス材料から発せられた光が前記周期構造と作用しながら導波する擬似導波モードが存在する、発光素子。
　［項目２４］
　フォトルミネッセンス層と、
　前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
　前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
　隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層または前記透光層に至る光路に存在する媒質の内で最も屈折率が大きい媒質の屈折率をｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λexの関係が成り立つ、発光素子。
　［項目２５］
　前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ第１周期構造を含む、項目２４に記載の発光素子。
　［項目２６］
　透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
　前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
　前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
　前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
　［項目２７］
　フォトルミネッセンス層と、
　前記フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
　前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
　前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
　前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
　前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
　［項目２８］
　フォトルミネッセンス層と、
　前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
　前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
　前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
　前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
　［項目２９］
　前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、項目１から２１、２４から２８のいずれかに記載の発光素子。
　［項目３０］
　前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目１から２２、２４から２７のいずれかに記載の発光素子。
　［項目３１］
　前記導波層と前記周期構造とが互いに接している、項目２３に記載の発光素子。
　［項目３２］
　項目１から３１のいずれかに記載の発光素子と、
　前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
　を備える発光装置。
［項目３３］
　フォトルミネッセンス層と、
　前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層とともに積層された多層ミラーと、
　を有し、
　前記サブミクロン構造は、少なくとも複数の凸部または複数の凹部を含み、
　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
　隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
　［項目３４］
　前記多層ミラーは、複数の低屈折率層と前記複数の低屈折率層よりも高い屈折率を有する複数の高屈折率層とを含み、
　各低屈折率層および各高屈折率層は交互に積層されている項目３３に記載の発光素子。
　［項目３５］
　前記複数の低屈折率層および前記複数の高屈折率層の屈折率はそれぞれｎLおよびｎHであり、前記複数の低屈折率層および前記複数の高屈折率層の厚さはそれぞれｔMLおよびｔMHであり、ｍRは任意の正の整数であり、下記式
　（２ｍR－１．２）λa/（４ｎL）≦ｔML≦（２ｍR－０．８）λa/（４ｎL）
　（２ｍR－１．２）λa/（４ｎH）≦ｔMH≦（２ｍR－０．８）λa/（４ｎH）
を満たしている項目３４に記載の発光素子。
　［項目３６］
　前記複数の高屈折率層は前記フォトルミネッセンス層と同じ材料によって形成されている項目３３から３５のいずれかに記載の発光素子。
　［項目３７］
　前記ｍRは１である項目３５に記載の発光素子。
　［項目３８］
　前記透光層が前記サブミクロン構造を有し、
前記透光層と前記多層ミラーとの間に前記フォトルミネッセンス層が位置している項目３３から３７のいずれかに記載の発光素子。
　［項目３９］
　前記多層ミラーと前記フォトルミネッセンス層との間に位置する調整層をさらに含む項目３３から３７のいずれかに記載の発光素子。
　［項目４０］
　前記フォトルミネッセンス層を支持する透明基板と、
　調整層とをさらに備え、
　前記フォトルミネッセンス層は、平坦な主面を有し、
　前記透光層は前記フォトルミネッセンス層の前記平坦な主面上に形成されており、かつ、前記サブミクロン構造を有し、
　前記調整層は、前記透光層を覆って前記フォトルミネッセンス層上に位置しており、
　前記多層ミラーは前記調整層上に位置している項目３３から３７のいずれかに記載の発光素子。
　［項目４１］
　前記透光層は、前記サブミクロン構造を表面に有する透明基板であり、
　前記フォトルミネッセンス層は、前記サブミクロン構造を埋めるように前記透明基板の表面に位置しており、
　前記多層ミラーは前記フォトルミネッセンス層上に位置している項目３３から３９のいずれかに記載の発光素子。
　［項目４２］
　前記フォトルミネッセンス層の前記透明基板と反対側に位置する主面は平坦である項目４１に記載の発光素子。
　［項目４３］
　前記フォトルミネッセンス層の前記透明基板と反対側に位置する主面は、前記サブミクロン構造の複数の凸部または複数の凹部に追随した凹凸形状を有し、
　前記多層ミラーは、前記サブミクロン構造の複数の凸部または複数の凹部に追随した凹凸形状を有する項目４１に記載の発光素子。
　［項目４４］
　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層を含む透光性構造体を備え、
　前記多層ミラーと前記透光性構造体とは互いに接しており、前記多層ミラーと前記透光性構造体との界面部分において、前記透光性構造体の屈折率は、前記多層ミラーの屈折率よりも大きく、
　ｍTは任意の正の整数であり、前記透光性構造体の前記積層方向における実効光路長ｄTは、下記式
　（４ｍT－１）λa／（８ｎwav-a）＜ｄT＜（４ｍT＋１）λa／（８ｎwav-a）
　を満たしている項目３３から４３のいずれかに記載の発光素子。
　［項目４５］
　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層を含む透光性構造体を備え、
　前記多層ミラーと前記透光性構造体とは互いに接しており、前記多層ミラーと前記透光性構造体との界面部分において、前記透光性構造体の屈折率は、前記多層ミラーの屈折率よりも小さく、
　ｍTは任意の正の整数であり、前記透光性構造体の前記積層方向における実効光路長ｄTは、下記式（４ｍT－３）λa／（８ｎwav-a）＜ｄT＜（４ｍT－１）λa／（８ｎwav-a）を満たしている項目３３から４３のいずれかに記載の発光素子。
　［項目４６］
　前記ｍTは１である項目４４または４５に記載の発光素子。
　［項目４７］
　透光層と、
　前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
　前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、
　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層とともに積層された多層ミラーと、
　を有し、
　前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
　前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
　前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
　［項目４８］
　フォトルミネッセンス層と、
　前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
　前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層とともに積層された多層ミラーと、
　を有し、
　前記サブミクロン構造は、少なくとも複数の凸部または複数の凹部を含み、
　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
　前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
　前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
　［項目４９］
　前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目３３から４７のいずれかに記載の発光素子。
　［項目５０］
　フォトルミネッセンス層と、
　前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、
　前記フォトルミネッセンス層とともに積層された多層ミラーと、
　を有し、
　前記サブミクロン構造は、少なくとも複数の凸部または複数の凹部を含み、
　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
　前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
　前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
　［項目５１］
　前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、項目３３から５０のいずれかに記載の発光素子。
　［項目５２］
　項目３３から５１のいずれかに記載の発光素子と、
　前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
　を備える発光装置。
　本開示の実施形態による発光素子は、フォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造とを有し、前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。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。
　フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料を含む。フォトルミネッセンス材料は、励起光を受けて発光する材料を意味する。フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料に加えて、マトリクス材料（即ち、ホスト材料）を含んでもよい。マトリクス材料は、例えば、ガラスや酸化物などの無機材料や樹脂である。
　フォトルミネッセンス層に近接して配置される透光層は、フォトルミネッセンス層が発する光に対して透過率が高い材料で形成され、例えば、無機材料や樹脂で形成される。透光層は、例えば誘電体（特に、光の吸収が少ない絶縁体）で形成されていることが望ましい。透光層は、例えば、フォトルミネッセンス層を支持する基板であってよい。また、フォトルミネッセンス層の空気側の表面がサブミクロン構造を有する場合、空気層が透光層となり得る。
　本開示の実施形態による発光素子においては、後に計算結果および実験結果を参照して詳述するように、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成されたサブミクロン構造（例えば、周期構造）によって、フォトルミネッセンス層および透光層の内部に、ユニークな電場分布を形成する。これは、導波光がサブミクロン構造と相互作用して形成されるものであり、擬似導波モードと表現することもできる。この擬似導波モードを活用することで、以下で説明するように、フォトルミネッセンスの発光効率の増大、指向性の向上、偏光の選択性の効果を得ることができる。なお、以下の説明において、擬似導波モードという用語を使って、本発明者らが見出した、新規な構成および／または新規なメカニズムを説明することがあるが、１つの例示的な説明に過ぎず、本開示をいかなる意味においても限定するものではない。
　サブミクロン構造は、例えば複数の凸部を含み、隣接する凸部間の距離（即ち、中心間距離）をＤintとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足する。サブミクロン構造は、複数の凸部に代えて複数の凹部を含んでもよい。以下では、簡単のために、サブミクロン構造が複数の凸部を有する場合を説明する。λは光の波長を表し、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。フォトルミネッセンス層はサブミクロン構造を有さなくてもよい。このとき、サブミクロン構造を有する透光層がフォトルミネッセンス層に近接して配置される。ここで、透光層（またはそのサブミクロン構造）がフォトルミネッセンス層に近接するとは、典型的には、これらの間の距離が、波長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。
　サブミクロン構造は、上記のように、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足するので、サブミクロンオーダーの大きさで特徴づけられる。サブミクロン構造は、例えば、以下に詳細に説明する実施形態の発光素子におけるように、少なくとも１つの周期構造を含む。少なくとも１つの周期構造は、周期を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有する。サブミクロン構造が周期構造を含むと、擬似導波モードの光は、伝搬しながら周期構造と相互作用を繰り返すことにより、サブミクロン構造によって回折される。これは、自由空間を伝播する光が周期構造により回折する現象とは異なり、光が導波しながら（即ち、全反射を繰り返しながら）周期構造と作用する現象である。したがって、周期構造による位相シフトが小さくても（即ち、周期構造の高さが小さくても）効率よく光の回折を起こすことができる。
　以上のようなメカニズムを利用すれば、擬似導波モードにより電場が増強される効果によって、フォトルミネッセンスの発光効率が増大するとともに、発生した光が擬似導波モードに結合する。擬似導波モードの光は、周期構造で規定される回折角度だけ進行角度が曲げられる。これを利用することによって、特定の波長の光を特定の方向に出射することができる（指向性が顕著に向上）。さらに、ＴＥとＴＭモードで有効屈折率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、正面方向に出射される光の指向角は例えば１５°未満である。なお、指向角は正面方向を０°とした片側の角度とする。
　逆に、サブミクロン構造の周期性が低くなると、指向性、発光効率、偏光度および波長選択性が弱くなる。必要に応じて、サブミクロン構造の周期性を調整すればよい。周期構造は、偏光の選択性が高い１次元周期構造であってもよいし、偏光度を小さくできる２次元周期構造であってもよい。
　また、サブミクロン構造は、複数の周期構造を含み得る。複数の周期構造は、例えば、周期（ピッチ）が互いに異なる。あるいは、複数の周期構造は、例えば、周期性を有する方向（軸）が互いに異なる。複数の周期構造は、同一面内に形成されてもよいし、積層されてもよい。もちろん、発光素子は、複数のフォトルミネッセンス層と複数の透光層とを有し、これらが複数のサブミクロン構造を有してもよい。
　サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層が発する光を制御するためだけでなく、励起光を効率よくフォトルミネッセンス層に導くためにも用いることができる。すなわち、励起光がサブミクロン構造により回折されフォトルミネッセンス層および透光層を導波する擬似導波モードに結合することで、効率よくフォトルミネッセンス層を励起することができる。フォトルミネッセンス材料を励起する光の空気中における波長を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。
　［１．本開示の基礎となった知見］
　本開示の具体的な実施形態を説明する前に、まず、本開示の基礎となった知見を説明する。上述のように、蛍光灯、白色ＬＥＤなどで使われるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光するので、特定の方向を光で照らすためには、リフレクターやレンズなどの光学部品が必要である。しかしながら、もしフォトルミネッセンス層自身が指向性をもって発光すれば、上記のような光学部品は不要になるので（若しくは小さくできるので）、光学デバイスや器具の大きさを大幅に小さくすることができる。本発明者らは、このような着想に基づき、指向性発光を得るために、フォトルミネッセンス層の構成を詳細に検討した。
　本発明者らは、まず、フォトルミネッセンス層からの光が特定の方向に偏るようにするため、発光自体に特定の方向性をもたせることを考えた。発光を特徴付ける指標である発光レートΓは、フェルミの黄金則により、以下の式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）において、ｒは位置を表すベクトル、λは光の波長、ｄは双極子ベクトル、Ｅは電場ベクトル、ρは状態密度である。一部の結晶性物質を除く多くの物質では、双極子ベクトルｄはランダムな方向性を有している。また、フォトルミネッセンス層のサイズと厚さが光の波長よりも十分に大きい場合、電場Ｅの大きさも向きに依らずほとんど一定である。よって、ほとんどの場合、＜（ｄ・Ｅ（ｒ））＞2の値は方向に依らない。即ち、発光レートΓは方向に依らず一定である。このため、ほとんどの場合においてフォトルミネッセンス層は等方的に発光する。
　一方、式（１）から、異方的な発光を得るためには、双極子ベクトルｄを特定の方向に揃えるか、電場ベクトルの特定方向の成分を増強するかのいずれかの工夫が必要である。これらのいずれかの工夫を行うことで、指向性発光を実現できる。本開示では、フォトルミネッセンス層へ光を閉じ込める効果により、特定方向の電場成分が増強された擬似導波モードを利用するための構成について検討し、詳細に分析した結果を以下に説明する。
　［２．特定の方向の電場のみを強くする構成］
　本願発明者らは、電場が強い導波モードを用いて、発光の制御を行うことを考えた。導波構造自体がフォトルミネッセンス材料を含む構成とすることで、発光を導波モードに結合させることができる。しかし、ただ単にフォトルミネッセンス材料を用いて導波構造を形成しただけでは、発せられた光が導波モードとなるため、正面方向へはほとんど光は出てこない。そこで、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と周期構造（複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方で形成された）とを組み合わせることを考えた。導波路に周期構造が近接し、光の電場が周期構造と重なりながら導波する場合、周期構造の作用により擬似導波モードが存在する。つまり、この擬似導波モードは、周期構造により制限された導波モードであり、電場振幅の腹が周期構造の周期と同じ周期で発生することを特徴とする。このモードは、光が導波構造に閉じ込められることにより特定方向への電場が強められたモードである。さらに、このモードは周期構造と相互作用することで、回折効果により特定方向の伝播光へと変換されるため、導波路外部へと光を出射することができる。さらに、擬似導波モード以外の光は導波路内に閉じ込められる効果が小さいため、電場は増強されない。よって、発光のほとんどは大きな電場成分を有する擬似導波モードへと結合することになる。
　つまり、本願発明者らは、周期構造が近接して設けられた導波路を、フォトルミネッセンス材料を含むフォトルミネッセンス層（あるいはフォトルミネッセンス層を有する導波層）とすることで、発光を特定方向の伝播光へと変換される擬似導波モードへ結合させ、指向性のある光源を実現することを考えた。
　導波構造の簡便な構成として、スラブ型導波路に着目した。スラブ型導波路とは、光の導波部分が平板構造を有する導波路のことである。図３０は、スラブ型導波路１１０Ｓの一例を模式的に示す斜視図である。導波路１１０Ｓの屈折率が導波路１１０Ｓを支持する透明基板１４０の屈折率よりも高いとき、導波路１１０Ｓ内を伝播する光のモードが存在する。このようなスラブ型導波路をフォトルミネッセンス層を含む構成とすることで、発光点から生じた光の電場が導波モードの電場と大きく重なりをもつので、フォトルミネッセンス層で生じた光の大部分を導波モードに結合させることができる。さらに、フォトルミネッセンス層の厚さを光の波長程度とすることにより、電場振幅の大きい導波モードのみが存在する状況を作り出すことができる。
　さらに、フォトルミネッセンス層に周期構造が近接する場合には、導波モードの電場が周期構造と相互作用することで擬似導波モードが形成される。フォトルミネッセンス層が複数の層で構成されている場合でも、導波モードの電場が周期構造に達していれば、擬似導波モードが形成されることになる。フォトルミネッセンス層の全てがフォトルミネッセンス材料である必要はなく、その少なくとも一部の領域が発光する機能を有していればよい。
　また、周期構造を金属で形成した場合には、導波モードとプラズモン共鳴の効果によるモードが形成され、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質となる。また、このモードは金属による吸収が大きいためロスが大きくなり、発光増強の効果は小さくなる。したがって、周期構造としては、吸収の少ない誘電体を用いるのが望ましい。
　本発明者らは、まずこのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）の表面に、周期構造を形成することで、特定の角度方向の伝播光として出射することのできる擬似導波モードに発光を結合させることについて検討を行った。図１Ａは、そのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）１１０と周期構造（例えば、透光層）１２０とを有する発光素子１００の一例を模式的に示す斜視図である。以下、透光層１２０が周期構造を形成している場合（即ち、透光層１２０に周期的なサブミクロン構造が形成されている場合）、透光層１２０を周期構造１２０ということがある。この例では、周期構造１２０は、各々がｙ方向に延びるストライプ状の複数の凸部がｘ方向に等間隔に並んだ１次元周期構造である。図１Ｂは、この発光素子１００をｘｚ面に平行な平面で切断したときの断面図である。導波路１１０に接するように周期ｐの周期構造１２０を設けると、面内方向の波数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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　以上の不等式を満足するように周期構造の周期ｐを決定することにより、フォトルミネッセンス層１１０から発生した光を正面方向に出射させることができるため、指向性を有する発光装置を実現できる。
　［３．計算による検証］
　［３－１．周期、波長依存性］
　本発明者らは、以上のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のDiffractMODを用いた計算によって行った。これらの計算では、発光素子に対して外部から垂直に光を入射したときに、フォトルミネッセンス層における光の吸収の増減を計算することで、外部へ垂直に出射する光の増強度を求めた。外部から入射した光が擬似導波モードに結合しフォトルミネッセンス層で吸収されるという過程は、フォトルミネッセンス層における発光が擬似導波モードへと結合し、外部へ垂直に出射する伝播光へと変換される過程と逆の過程を計算していることに対応する。また、擬似導波モードの電場分布の計算においても、同様に外部から光を入射した場合における電場を計算した。
　フォトルミネッセンス層の膜厚を１μｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率を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。
　［３－２．厚さ依存性］
　図４は、フォトルミネッセンス層の屈折率を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。
　［３－３．偏光依存性］
　次に偏光依存性を確認するために、図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度の計算を行った。本計算の結果を図６に示す。ＴＭモードのとき（図２）に比べ、ピーク位置は多少変化しているものの、図３で示した領域内にピーク位置が納まっている。よって、本実施形態の構成は、ＴＭモード、ＴＥモードのいずれの偏光についても有効であることが確認できた。
　［３－４．２次元周期構造］
　さらに、２次元の周期構造による効果の検討を行った。図７Ａは、ｘ方向およびｙ方向の両方向に凹部および凸部が配列された２次元の周期構造１２０’の一部を示す平面図である。図中の黒い領域が凸部、白い領域が凹部を示している。このような２次元周期構造では、ｘ方向とｙ方向の両方の回折を考慮する必要がある。ｘ方向のみ、あるいはｙ方向のみの回折に関しては１次元の場合と同様であるが、ｘ、ｙ両方の成分を有する方向（例えば、斜め４５°方向）の回折も存在するため、１次元の場合とは異なる結果が得られることが期待できる。このような２次元周期構造に関して光の増強度を計算した結果を図７Ｂに示す。周期構造以外の計算条件は図２の条件と同じである。図７Ｂに示すように、図２に示すＴＭモードのピーク位置に加えて、図６に示すＴＥモードにおけるピーク位置と一致するピーク位置も観測された。この結果は、２次元周期構造により、ＴＥモードも、回折により変換されて出力されていることを示している。また、２次元周期構造については、ｘ方向およびｙ方向の両方について、同時に１次の回折条件を満足する回折も考慮する必要がある。このような回折光は、周期ｐの√２倍（即ち、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。
　［４．周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成の検討］
　次に、周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成や屈折率などの各種条件を変えたときの効果について説明する。
　［４－１．周期構造の屈折率］
　まず、周期構造の屈折率に関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を２００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率を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。
　［４－２．周期構造の高さ］
　次に、周期構造の高さに関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率を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。
　［４－３．偏光方向］
　次に、偏光方向に関して検討を行った。図９に示す計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードであるものとして計算した結果を図１２に示す。ＴＥモードでは、擬似導波モードの電場の染み出しがＴＭモードに比べて大きいため、周期構造による影響を受けやすい。よって、周期構造の屈折率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。
　［４－４．フォトルミネッセンス層の屈折率］
　次に、フォトルミネッセンス層の屈折率に関して検討を行った。図９に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率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。
　［５．変形例］
　以下、本実施形態の変形例を説明する。
　［５－１．基板を有する構成］
　上述のように、発光素子は、図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、透明基板１４０の上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成された構造を有していてもよい。このような発光素子１００ａを作製するには、まず、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料（必要に応じて、マトリクス材料を含む、以下同じ。）で薄膜を形成し、その上に周期構造１２０を形成する方法が考えられる。このような構成において、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とにより、光を特定の方向に出射する機能をもたせるためには、透明基板１４０の屈折率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。
　［５－２．励起光源を有する発光装置］
　図１６は、図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００と、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる光源１８０とを備える発光装置２００の構成例を示す図である。上述のように、本開示の構成では、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性をもつ発光が得られる。そのような励起光を出射するように構成された光源１８０を設けることにより、指向性をもつ発光装置２００を実現できる。光源１８０から出射される励起光の波長は、典型的には紫外または青色領域の波長であるが、これらに限らず、フォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料に応じて適宜決定される。なお、図１６では、光源１８０がフォトルミネッセンス層１１０の下面から励起光を入射させるように配置されているが、このような例に限定されず、例えば、フォトルミネッセンス層１１０の上面から励起光を入射させてもよい。
　励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる方法もある。図１７は、そのような方法を説明するための図である。この例では、図１Ｃ、１Ｄに示す構成と同様、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成されている。まず、図１７（ａ）に示すように、発光増強のためにｘ方向の周期ｐxを決定し、続いて、図１７（ｂ）に示すように、励起光を擬似導波モードに結合させるためにｙ方向の周期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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　ここで、ｎoutは、図１７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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　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１７（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、図１７（ａ）、（ｂ）に示す構造に対して光を入射したときに光が吸収される割合を波長ごとに計算した結果を示す図である。この計算では、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の消衰係数は０．００３としている。図１７（ｄ）に示すように、フォトルミネッセンス層１１０から生じた光だけでなく、励起光である約４５０ｎｍの光に対して高い吸収率を示している。これは、入射した光が効果的に擬似導波モードに変換されることで、フォトルミネッセンス層に吸収される割合を増大させることができているためである。また、発光波長である約６００ｎｍに対しても吸収率が増大しているが、これは、もし約６００ｎｍの波長の光をこの構造に入射した場合には、同様に効果的に擬似導波モードに変換されるということである。このように、図１７（ｂ）に示す周期構造１２０は、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期の異なる構造（周期成分）を有する２次元周期構造である。このように、複数の周期成分を有する２次元周期構造を用いることにより、励起効率を高めつつ、出射強度を高めることが可能になる。なお、図１７では励起光を基板側から入射しているが、周期構造側から入射しても同じ効果が得られる。
　さらに、複数の周期成分を有する２次元周期構造としては、図１８Ａまたは図１８Ｂに示すような構成を採用してもよい。図１８Ａに示すように六角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成や、図１８Ｂに示すように三角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成とすることにより、周期とみなすことのできる複数の主軸（図の例では軸１～３）を定めることができる。このため、それぞれの軸方向について異なる周期を割り当てることができる。これらの周期の各々を、複数の波長の光の指向性を高めるために設定してもよいし、励起光を効率よく吸収させるために設定してもよい。いずれの場合も、式（１０）に相当する条件を満足するように各周期が設定される。
　［５－３．透明基板上の周期構造］
　図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、透明基板１４０上に周期構造１２０ａを形成し、その上にフォトルミネッセンス層１１０を設けてもよい。図１９Ａの構成例では、基板１４０上の凹凸からなる周期構造１２０ａに追従するようにフォトルミネッセンス層１１０が形成された結果、フォトルミネッセンス層１１０の表面にも同じ周期の周期構造１２０ｂが形成されている。一方、図１９Ｂの構成例では、フォトルミネッセンス層１１０の表面は平坦になるように処理されている。これらの構成例においても、周期構造１２０ａの周期ｐを式（１５）を満足するように設定することにより、指向性発光を実現できる。
　この効果を検証するため、図１９Ａの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した。ここで、フォトルミネッセンス層１１０の膜厚を１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率を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。
　［５－４．粉体］
　以上の実施形態によれば、周期構造の周期や、フォトルミネッセンス層の膜厚を調整することで任意の波長の発光を強調することができる。例えば、広い帯域で発光するフォトルミネッセンス材料を用いて図１Ａ、１Ｂのような構成にすれば、ある波長の光のみを強調することが可能である。よって、図１Ａ、１Ｂのような発光素子１００の構成を粉末状にして、蛍光材料として利用してもよい。また、図１Ａ、１Ｂのような発光素子１００を樹脂やガラスなどに埋め込んで利用してもよい。
　図１Ａ、１Ｂのような単体の構成では、ある特定の波長しか特定の方向に出射できないため、例えば広い波長域のスペクトルを持つ白色などの発光を実現することは難しい。そこで、図２０に示すように周期構造の周期やフォトルミネッセンス層の膜厚などの条件の異なる複数の粉末状の発光素子１００を混ぜたものを用いることにより、広い波長域のスペクトルを持つ発光装置を実現できる。この場合、個々の発光素子１００の一方向のサイズは、例えば数μｍ～数ｍｍ程度であり、その中に例えば数周期～数百周期の１次元または２次元の周期構造を含み得る。
　［５－５．周期の異なる構造を配列］
　図２１は、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を２次元に配列した例を示す平面図である。この例では、３種類の周期構造１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃが隙間なく配列されている。周期構造１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃは、例えば、赤、緑、青の波長域の光をそれぞれ正面に出射するように周期が設定されている。このように、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の構造を並べることによっても広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。なお、複数の周期構造の構成は、上記のものに限定されず、任意に設定してよい。
　［５－６．積層構造］
　図２２は、表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層１１０が積層された構造を有する発光素子の一例を示している。複数のフォトルミネッセンス層１１０の間には、透明基板１４０が設けられ、各層のフォトルミネッセンス層１１０の表面に形成された凹凸構造が上記の周期構造またはサブミクロン構造に相当する。図２２に示す例では、３層の周期の異なる周期構造が形成されており、それぞれ、赤、青、緑の波長域の光を正面に出射するように周期が設定されている。また、各周期構造の周期に対応する色の光を発するように各層のフォトルミネッセンス層１１０の材料が選択されている。このように、周期の異なる複数の周期構造を積層することによっても、広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。
　なお、層数や各層のフォトルミネッセンス層１１０および周期構造の構成は上記のものに限定されず、任意に設定してよい。例えば２層の構成では、透光性の基板を介して第１のフォトルミネッセンス層と第２のフォトルミネッセンス層とが対向するように形成され、第１および第２のフォトルミネッセンス層の表面に、それぞれ第１および第２の周期構造が形成されることになる。この場合、第１のフォトルミネッセンス層および第１の周期構造の対と、第２のフォトルミネッセンス層および第２の周期構造の対のそれぞれについて、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。３層以上の構成においても同様に、各層におけるフォトルミネッセンス層および周期構造について、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。フォトルミネッセンス層と周期構造との位置関係が図２２に示すものとは逆転していてもよい。図２２に示す例では、各層の周期が異なっているが、これらを全て同じ周期にしてもよい。その場合、スペクトルを広くすることはできないが、発光強度を大きくすることができる。
　［５－７．保護層を有する構成］
　図２３は、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に保護層１５０を設けた構成例を示す断面図である。このように、フォトルミネッセンス層１１０を保護するための保護層１５０を設けても良い。ただし、保護層１５０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い場合は、保護層１５０の内部に波長の半分程度しか光の電場が染み出さない。よって、保護層１５０が波長よりも厚い場合には、周期構造１２０に光が届かない。このため、擬似導波モードが存在せず、光を特定方向に放出する機能を得ることができない。保護層１５０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と同程度あるいはそれ以上の場合には、保護層１５０の内部にまで光が到達する。よって、保護層１５０に厚さの制約は無い。ただし、その場合でも、光が導波する部分（以下、この部分を「導波層」と呼ぶ。）の大部分をフォトルミネッセンス材料で形成したほうが大きな光の出力が得られる。よって、この場合でも保護層１５０は薄いほうが望ましい。なお、保護層１５０を周期構造（透光層）１２０と同じ材料を用いて形成してもよい。このとき、周期構造を有する透光層が保護層を兼ねる。透光層１２０の屈折率はフォトルミネッセンス層１１０よりも小さいことが望ましい。
　［６．材料および製造方法］
　以上のような条件を満たす材料でフォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を構成すれば、指向性発光を実現できる。周期構造には任意の材料を用いることができる。しかしながら、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）や周期構造を形成する媒質の光吸収性が高いと、光を閉じ込める効果が低下し、ピーク強度およびＱ値が低下する。よって、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を形成する媒質として、光吸収性の比較的低いものが用いられ得る。
　周期構造の材料としては、例えば、光吸収性の低い誘電体が使用され得る。周期構造の材料の候補としては、例えば、ＭｇＦ2（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ2（石英）、ガラス、樹脂、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、ＳｉＮ（窒化シリコン）、Ｔａ2Ｏ5（五酸化タンタル）、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）などが挙げられる。ただし、前述のとおり周期構造の屈折率をフォトルミネッセンス層の屈折率よりも低くする場合、屈折率が１．３～１．５程度であるＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＳｉＯ2、ガラス、樹脂を用いることができる。
　フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。一般に、無機材料をホストとする蛍光材料は屈折率が高い傾向にある。青色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+、Ｍ3ＭｇＳｉ2Ｏ8：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ5ＳｉＯ4Ｃｌ6：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。緑色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ2ＭｇＳｉ2Ｏ7：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＳｒＳｉ5ＡｌＯ2Ｎ7：Ｅｕ2+、ＳｒＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、ＢａＡｌ2Ｏ4：Ｅｕ2+、ＢａＺｒＳｉ3Ｏ9：Ｅｕ2+、Ｍ2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＳｉ3Ｏ4Ｎ2：Ｅｕ2+Ｃａ8Ｍｇ（ＳｉＯ4）4Ｃｌ2：Ｅｕ2+、Ｃａ3ＳｉＯ4Ｃｌ2：Ｅｕ2+、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、ＭｇＦ（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ2（石英）、ガラス、樹脂が挙げられる。
　続いて、製造方法の一例を説明する。
　図１Ｃ、１Ｄに示す構成を実現する方法として、例えば、透明基板１４０上に蛍光材料を蒸着、スパッタリング、塗布などの工程によってフォトルミネッセンス層１１０の薄膜を形成し、その後、誘電体を成膜し、フォトリソグラフィなどの方法によってパターニングすることによって周期構造１２０を形成する方法がある。上記方法の代わりに、ナノインプリントによって周期構造１２０を形成してもよい。また、図２４に示すように、フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成してもよい。その場合、周期構造１２０はフォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成されることになる。
　図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００は、例えば、図１Ｃ、１Ｄに示す発光素子１００ａを作製した後、基板１４０からフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０の部分を剥がす工程を行うことで実現可能である。
　図１９Ａに示す構成は、例えば、透明基板１４０上に半導体プロセスやナノインプリントなどの方法で周期構造１２０ａを形成した後、その上にフォトルミネッセンス層１１０を構成する材料を蒸着やスパッタリングなどの方法で形成することによって実現可能である。あるいは、塗布などの方法を用いて周期構造１２０ａの凹部をフォトルミネッセンス層１１０で埋め込むことによって図１９Ｂに示す構成を実現することもできる。
　なお、上記の製造方法は一例であり、本開示の発光素子は上記の製造方法に限定されない。
　[実験例]
　以下に、本開示の実施形態による発光素子を作製した例を説明する。
　図１９Ａと同様の構成を有する発光素子のサンプルを試作し、特性を評価した。発光素子は以下の様にして作製した。
　ガラス基板に、周期４００ｎｍ、高さ４０ｎｍの１次元周期構造（ストライプ状の凸部）を設け、その上からフォトルミネッセンス材料であるＹＡＧ：Ｃｅを２１０ｎｍ成膜した。この断面図のＴＥＭ像を図２５に示し、これを４５０ｎｍのＬＥＤで励起することでＹＡＧ：Ｃｅを発光させたときの、正面方向のスペクトルを測定した結果を図２６に示す。図２６には、周期構造がない場合の測定結果（ｒｅｆ）と、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＭモードと、垂直な偏光成分を持つＴＥモードを測定した結果について示した。周期構造がある場合は、周期構造がない場合に対して、特定の波長の光が著しく増加していることが見て取れる。また、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＭモードの方が、光の増強効果が大きいことが分かる。
　さらに、同じサンプルにおいて、出射光強度の角度依存性を測定した結果および計算結果を図２７および図２８に示す。図２７は、１次元周期構造（周期構造１２０）のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させた場合について、図２８は、１次元周期構造（即ち、周期構造１２０）のライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合についての測定結果（上段）および計算結果（下段）を示している。
　また、図２７および図２８のそれぞれにおいて、ＴＭモードおよびＴＥモードの直線偏光についての結果を示しており、図２７（ａ）はＴＭモード、図２７（ｂ）はＴＥモード、図２８（ａ）はＴＥモード、図２８（ｂ）はＴＭモードの直線偏光についての結果をそれぞれ示している。図２７および図２８から明らかなように、ＴＭモードの方が増強する効果が高く、また増強される波長は角度によってシフトしていく様子が見て取れる。例えば、６１０ｎｍの光においては、ＴＭモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性かつ偏光発光していることがわかる。また、各図の上段と下段とが整合していることから、上述の計算の妥当性が実験によって裏付けられた。
　上記の測定結果から例えば、６１０ｎｍの光において、ライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合の強度の角度依存性を示したのが図２９である。正面方向に強い発光増強が起きており、そのほかの角度に対しては、ほとんど光が増強されていない様子がみてとれる。正面方向に出射される光の指向角は１５°未満であることがわかる。なお、指向角は、強度が最大強度の５０％となる角度であり、最大強度の方向を中心に片側の角度で表す。つまり、指向性発光が実現していることがわかる。さらにこれは、全てＴＭモードの成分であるため、同時に偏光発光も実現していることがわかる。
　以上の検証は、広帯域の波長帯で発光するＹＡＧ：Ｃｅを使って実験を行ったが、発光が狭帯域のフォトルミネッセンス材料で同様の構成としても、その波長の光に対して指向性や偏光発光を実現することができる。さらに、この場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や偏光状態の光は発生しないような光源を実現することができる。
　［７．多層ミラーを有する実施形態］
　以下、多層ミラーを有する実施形態を説明する。
　図３１は、本実施形態による発光素子３００を示す断面図である。発光素子３００は、他の実施形態の発光素子と同様に、フォトルミネッセンス層１１０と、フォトルミネッセンス層１１０に近接して配置された周期構造（例えば、サブミクロン構造）１２０を含む透光層とを有している。励起光を入射することによってフォトルミネッセンス層１１０において発せられた光は、周期構造１２０によって決まる特定の疑似導波モードに結合される。疑似導波モードに結合された光は、特定方向に高い指向性を有する伝播光Ｌとして、フォトルミネッセンス層１１０から周期構造１２０を介して外部に出射される。本実施形態では、伝播光Ｌは正面方向（一方の主面１１０ａの法線方向）に出射する。
　発光素子３００は、フォトルミネッセンス層１１０の他方の主面１１０ｂ側に設けられた多層ミラー３１０をさらに備える。多層ミラー３１０は、フォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０とともに積層されている。多層ミラー３１０は透明基板１４０上に設けられていてもよい。多層ミラー３１０は、誘電体反射膜、誘電体ミラー、誘電体多層膜等とも呼ばれ、フォトルミネッセンス層１１０の他方の主面１１０ｂから発光素子３００外部に伝播光が出射するのを抑制する。これにより、多層ミラー３１０が位置していない一方の主面１１０ａ側から出射する伝播光Ｌの強度を高めることができる。
　多層ミラー３１０は、少なくとも１つの高屈折率層３１１と少なくとも１つの低屈折率層３１２とを有する。多層ミラー３１０は、複数の高屈折率層３１１と複数の低屈折率層３１２とを有していてもよい。この場合、各高屈折率層３１１および各低屈折率層３１２は交互に積層されおり、膜数が多いほど効果が大きくなる。高屈折率層３１１は低屈折率層３１２よりも高い屈折率を有する。
　低屈折率層３１２および高屈折率層３１１の屈折率をそれぞれｎLおよびｎHとし、低屈折率層３１２および高屈折率層３１１の厚さをそれぞれｔMLおよびｔMHとする。また、ｍRを正の整数（即ち、自然数）とする。ｍRは、複数の低屈折率層３１２および複数の高屈折率層３１１で同じあってもよいし、異なっていてもよい。多層ミラー３１０は、下記式
　ｔML＝（２ｍR－１）λa/（４ｎL）
　ｔMH＝（２ｍR－１）λa/（４ｎH）
を満たしている場合、光の干渉を利用して最も高い効率で光を反射することができる。このため、フォトルミネッセンス層１１０における、疑似導波モードによる光閉じ込めの効果が大きくなり、一方の主面１１０ａから出射する伝播光の出射強度を高めることができる。
　低屈折率層３１２は、例えば、１．３≦ｎL≦１．７を満たし、伝播光Ｌに対して吸収の少ない材料によって形成されていてもよい。具体的には、周期構造を形成する材料として例示した種々の材料のうち前述の屈折率の範囲にある材料によって形成されていてもよい。高屈折率層３１１は、例えば、１．５≦ｎL≦２．５を満たし、伝播光Ｌに対して吸収の少ない材料によって形成されていてもよい。具体的には、周期構造を形成する材料として例示した種々の材料のうち前述の屈折率の範囲にある材料によって形成されていてもよい。また、高屈折率層３１１はフォトルミネッセンス層１１０と同じ材料によって構成されていてもよい。これにより発光素子の製造が容易になる。
　図３２Ａおよび図３２Ｂに、多層ミラー３１０の高屈折率層３１１の厚さおよび伝播光の波長と反射率および発光強度との関係を計算した結果をそれぞれ示す。
　計算条件は以下のとおりである。
　　低屈折率層３１２の屈折率ｎL：１．５
　　高屈折率層３１１の屈折率ｎH：１．７５
　　低屈折率層３１２および高屈折率層３１１の数：各４層
　　低屈折率層３１２の厚さ：高屈折率層の厚さの１．１７（＝１．７５／１．５）倍
　　フォトルミネッセンス層１１０の厚さ：１３０ｎｍ
　　フォトルミネッセンス層１１０の屈折率：１．７５
　　周期構造１２０の周期：３７０ｎｍ
　　周期構造１２０の高さ：８０ｎｍ
　図３２Ａおよび図３２Ｂにおいて、横軸は伝播光の波長を示し、縦軸は、高屈折率層３１１の厚さを示す。図３２Ａにおける濃淡は、透過率示を示し、濃度が濃いほど透過率が高いことを示している。図３２Ｂにおける濃淡は、発光強度を示し、濃度が濃いほど発光強度が高いことを示している。
　図３２Ａおよび図３２Ｂより、例えば伝播光の波長が５７０ｎｍの場合、高屈折率層３１１の厚さを約６５～９５ｎｍに設定すれば、多層ミラー３１０における反射率が高められ、周期構造１２０が設けられたフォトルミネッセンス層１１０の一方の主面１１０ａからの伝播光の出射効率も高められることが分かる。また、例えば伝播光の波長が５６０ｎｍの場合、高屈折率層３１１の厚さを約２２５～２５５ｎｍに設定すれば、多層ミラー３１０における反射率がたかまり、周期構造１２０が設けられたフォトルミネッセンス層１１０の一方の主面１１０ａからの伝播光の出射効率も高められることが分かる。
　これらの範囲は、０．２λa／ｎH～０．３λa／ｎHおよび０．７λa／ｎH～０．８λa／ｎHに対応する。つまり、発光素子３００が以下の式（１８）を満たす場合、上記計算で仮定した条件（即ち、各層の屈折率や周期構造の周期、高さ、フォトルミネッセンス層の厚さ）によらず、出射面である一方の主面１１０ａから高い出射効率で伝播光Ｌを出射させることできる。
　　（２ｍR－１．２）λa/（４ｎL）≦ｔML≦（２ｍR－０．８）λa/（４ｎL）
　　（２ｍR－１．２）λa/（４ｎH）≦ｔMH≦（２ｍR－０．８）λa/（４ｎH）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・・・・・（１８）
　図３２Ａおよび図３２Ｂに示される、波長λa＝５７０ｎｍと、高屈折率層３１１の厚さｔMH＝約６５～９５ｎｍとは、式（１８）において、ｍR＝１の場合に相当し、波長λa＝５６０ｎｍと、高屈折率層３１１の厚さｔMH＝約２２５～２５５ｎｍとは、式（１８）において、ｍR＝２の場合に相当する。ｍR＝１の場合、低屈折率層３１２および高屈折率層３１１を最も薄くすることができることから、製造が容易となる。このように、多層ミラー３１０の反射効率が最も高くなる厚さを含む所定の範囲において、発光素子３００から出射する光の出射効率が高められる。
　また、発光素子３００において、多層ミラー３１０と発光素子３００における光の出射面との間の構造を伝播光の透過に適した構造にすることによって、発光素子３００の出射効率をより高めることができる。具体的には、発光素子３００において、透光性構造体が干渉による光の出射効率を高める条件を満たしていればよい。ここで、透光性構造体は、多層ミラー３１０以外の、フォトルミネッセンス層１１０およびフォトルミネッセンス層１１０から出射する光が透過する層によって構成される。図３１に示す発光素子３００の場合、透光性構造体３２０はフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０によって構成される。基板１４０は、多層ミラー３１０に対してフォトルミネッセンス層１１０とは反対側に設けられているため、「フォトルミネッセンス層１１０から出射する光が透過する層」ではない。
　透光性構造体３２０は、干渉によって光を強めあう条件を満たしている。具体的には、透光性構造体３２０の厚さが、干渉による反射が小さくなる範囲に設定されている。例えば、周期構造１２０が、高さｈp、屈折率ｎp、および一方の主面１１０ａにおける専有面積（充填率）ｆを有する場合、周期構造１２０が実効光路長は、ｈpｎpｆで表される。また、フォトルミネッセンス層１１０が屈折率ｎｗおよび厚さｔｗを有する場合、フォトルミネッセンス層１１０の実効光路長は、ｎWｔWで表される。
　図３１に示すように、透光性構造体３２０と多層ミラー３１０とは互いに接しており、これらの界面において接しているフォトルミネッセンス層１１０と低屈折率層３１２とにおいて、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率は低屈折率層３１２の屈折率よりも大きい。このため、多層ミラー３１０から透光性構造体３２０へ伝播する光にとって、透光性構造体３２０と多層ミラー３１０との界面は自由端反射（位相が変化しない反射）となる。
　したがって、これらの合計である透光性構造体３２０の積層方向における実効光路長をｄT＝ｈpｎpｆ＋ｎWｔWとし、ｍTを正の任意の整自然数とした場合、ｄＴがｍTλa／（２ｎwav-a）であれば、干渉効果によって、最も光を透過させることができる。逆に、（２ｍ－１）λa／（４ｎwav-a）を満たす場合、透光性構造体３２０における光の反射性が最も高くなり、発光増強効果が最も小さくなる。よって、望ましい範囲は下記の通りである。
　　（４ｍT－１）λa／（８ｎwav-a）＜ｄT＜（４ｍT＋１）λa／（８ｎwav-a）　
　　　・・・（１９）
　図３３Ａおよび図３３Ｂに、フォトルミネッセンス層１１０の厚さおよび伝播光の波長と発光強度との関係を計算した結果を示す。図３３Ａは、一方の主面１１０ａから出射する光Ｌの発光強度を示し、図３３Ｂは、基板１４０側から出射する光Ｌ’の発光強度を示している。
　計算条件は以下のとおりである。
　　低屈折率層３１２の屈折率ｎL：１．５
　　高屈折率層３１１の屈折率ｎH：１．７５
　　低屈折率層３１２の厚さ：９３ｎｍ
　　高屈折率層３１１の厚さ：８０ｎｍ
　　低屈折率層３１２および高屈折率層３１１の数：各４層
　　フォトルミネッセンス層１１０の屈折率：１．７５
　　周期構造１２０の周期：３７０ｎｍ
　　周期構造１２０の高さ：８０ｎｍ
　　周期構造１２０の屈折率１．５
　　周期構造１２０の充填率：０．５
　　図３３Ａおよび図３３Ｂにおいて、横軸は伝播光の波長を示し、縦軸は、フォトルミネッセンス層の厚さを示す。図３３Ａおよび図３３Ｂにおける濃淡は発光強度を示し、濃度が濃いほど発光強度が高いことを示している。図３３Ａより、例えば伝播光の波長が５６０ｎｍの場合、フォトルミネッセンス層の厚さが、約８５～１６５ｎｍにおいて、発光強度は大きい。このとき、周期構造１２０の実効光路長は、ｎpｈpｆ＝１．５×８０ｎｍ×０．５＝６０ｎｍであり、フォトルミネッセンス層の実効光路長は１４９ｎｍ＜ｎWｔW＜２８９ｎｍとなる。よって、２０９ｎｍ＜ｄT＜３４９ｎｍとなる。この関係は、ｄTに関する上記式（１９）の範囲とほぼ一致する。
　つまり、発光素子３００がｄTに関する上記式（１９）を満たす場合、上記計算で仮定した条件によらず、出射面である一方の主面１１０ａから高い出射効率で伝播光Ｌを出射させることできる。
　また、図３３Ａと図３３Ｂとを比べると、基板１４０側から出射する光Ｌ’の発光強度は、一方の主面１１０ａから出射する光Ｌの発光強度に比べて大幅に小さいことが分かる。このことから、多層ミラー３１０がフォトルミネッセンス層１１０の他方の主面１１０ｂから出射する光を効率よく反射させることが分かる。
　図３４は、本実施形態による第1の別例における発光素子３０１を示す断面図であり、図３１と同じ構成には同じ符号を用いている。発光素子３０１は、調整層１４０’を含む透光性構造体３２０ａを備えている。具体的には、透光性構造体３２０ａは、周期構造１２０と、フォトルミネッセンス層１１０と調整層１４０’とによって構成されている。この場合、透光性構造体３２０ａの実効光路長ｄT’は、周期構造１２０、フォトルミネッセンス層１１０および調整層１４０’のそれぞれの実効光路長の和で表される。
　透光性構造体３２０ａと多層ミラー３１０とは互いに接しており、これらの界面において接している調整層１４０’と高屈折率層３１１とにおいて、調整層１４０’の屈折率は高屈折率層３１１の屈折率よりも小さい。このため、多層ミラー３１０から透光性構造体３２０ａへ伝播する光にとって透光性構造体３２０ａと多層ミラー３１０と界面は固定端反射（反射時に位相がπずれる）となる。よって、実効光路長ｄT’の望ましい範囲は、上記式（１９）とλa／（４ｎwav-a）だけ異なり、下記式（２０）の条件を満たす場合が望ましい。
　　（４ｍT－３）λa／（８ｎwav-a）＜ｄT＜（４ｍT－１）λa／（８ｎwav-a）
　　　　・・・（２０）
　図３５は、調整層１４０'の厚さおよび伝播光の波長と発光強度との関係を計算した結果を示す。横軸は伝播光の波長を示し、縦軸は、調整層１４０'の厚さを示す。図３５における濃淡は発光強度を示し、濃度が濃いほど発光強度が高いことを示している。計算条件は以下のとおりである。
　　低屈折率層３１２の屈折率ｎL：１．５
　　高屈折率層３１１の屈折率ｎH：１．７５
　　低屈折率層３１２の厚さ：９３ｎｍ
　　高屈折率層３１１の厚さ：８０ｎｍ
　　低屈折率層３１２の数：３層
　　高屈折率層３１１の数：４層
　　フォトルミネッセンス層１１０の屈折率：１．７５
　　フォトルミネッセンス層１１０の厚さ：８０ｎｍ
　　周期構造１２０の周期：３７０ｎｍ
　　周期構造１２０の高さ：８０ｎｍ
　　周期構造１２０の屈折率１．５
　　周期構造１２０の充填率：０．５
　　調整層１４０'の屈折率：１．５
　図３５より、例えば伝播光の波長が５６０ｎｍの場合、調整層１４０'の厚さが、約１００ｎｍ～２００ｎｍ、約２７０ｎｍ～３８０ｎｍにおいて、発光強度は大きい。このとき、周期構造１２０の実効光路長は、ｎpｈpｆ＝１．５×８０ｎｍ×０．５＝６０ｎｍであり、フォトルミネッセンス層１１０の実効光路長は１．７５×８０＝１４０ｎｍであり、調整層１４０'の実効光路長は、１５０ｎｍ～３００ｎｍである。よって、透光性構造体３２０の実効光路長は、３５０ｎｍ＜ｄT＜５００ｎｍ、６０５ｎｍ＜ｄT＜７７０ｎｍとなる。この関係は、ｍT＝２，３の場合の上記式（２０）の範囲とほぼ一致する。
　このように、透光性構造体３２０ａの一部の構成要素である調整層１４０'の厚さを調整することによって、透光性構造体３２０ａの実効光路長が上記式（１９）を満たす場合、透光性構造体３２０ａ全体として光の透過性を高めることができ、発光素子３０１の出射効率を高めることができる。したがって、フォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０の厚さは、擬似導波モードによる発光効率が高くなるように設定（即ち、最適化）し、独立して調整層１４０'の厚さを調整することによって、透光性構造体３２０ａ全体として光の透過性を高めることができる。つまり、擬似導波モードによる発光効率の向上と、生成した光の透過性の向上とを同時に実現し得る。
　図３６は、本実施形態による第２の別例における発光素子３０２を示す断面図であり、図３１や図３４と同様の構成には同じ符号を用いている。透光性構造体３２０ｂは、フォトルミネッセンス層１１０、１１０’と調整層１４０'とを備えている。この場合、透光性構造体３２０ｂの実効光路長ｄT’は、フォトルミネッセンス層１１０，１１０’および調整層１４０'のそれぞれの実効光路長の和で表される。多層ミラー３１０は、透光性構造体３２０と透明基板１４０との間に位置している。
　図３７は、本実施形態による第３の別例における発光素子３０３を示す断面図であり、図３１、図３４、図３６と同様の構成には同じ符号を用いている。発光素子３０３は、透光性構造体３２０の上に多層ミラー３１０が形成されている。この場合において、透明基板１４０は多層ミラー３１０を支持し、多層ミラー３１０が透明基板１４０と透光性構造体３２０で挟まれるような構成にしてもよい。また、透明基板１４０に代えて空気層を用いてもよい。
　透光性構造体３２０の上には、その周期構造１２０の凹凸を埋めるように調整層１４０'が設けられ、調整層１４０'は平坦な主面を有し、その主面上に、多層ミラー３１０が位置している。透光性構造体３２０は、透明基板１４０をさらに含み、基板１４０を含む全体で、式（２０）を満たしていてもよい。
　発光素子３０３は、多層ミラー３１０が透光性構造体３２０の上側に設けられているので、基板１４０側から高強度の伝播光Ｌ’を出射することができる。
　図３８は、本実施形態による第４の別例における発光素子３０４を示す断面図であり、図３１、図３４、図３６、図３７と同様の構成には同じ符号を用いている。発光素子３０４は、発光素子３０３と同様に、透光性構造体３２０ｃの上に多層ミラー３１０が配置された構造である。透光性構造体３２０ｃは、周期構造１２０が表面に設けられた透明基板１４０と、周期構造１２０の凹凸を埋めるように、透明基板１４０に設けられたフォトルミネッセンス層１１０とを含む。周期構造１２０は、例えば、透明基板１４０と同じ材料によって形成されている。透光性構造体３２０ｃの実効光路長は上記式（１９）を満たすように構成されている。
　フォトルミネッセンス層１１０における透明基板１４０と反対側の主面は平坦である。この主面上に、多層ミラー３１０が形成されている。このため、多層ミラー３１０の高屈折率層３１１および低屈折率層３１２は、それぞれ平坦な主面を有している。多層ミラー３１０の高屈折率層３１１と低屈折率層３１２とは、式（１８）を満たすように構成されている。
　発光素子３０４は、多層ミラー３１０が透光性構造体３２０の上側に設けられているので、基板１４０側から高強度の伝播光Ｌ’を出射することができる。
　図３９は、本実施形態による第５の別例における発光素子３０５を示す断面図であり、図３８と同様の構成には同じ符号を用いている。発光素子３０５は、周期構造１２０の凹凸に追随した凹凸構造を有するフォトルミネッセンス層１１０および多層ミラー３１０を備えている点で、発光素子３０４と異なる。
　発光素子３０５において、多層ミラー３１０の層高屈折率層３１１および低屈折率層３１２はそれぞれ式（１８）を満たしている。また、フォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を含む透光性構造体３２０ｄは式（１９）を満たしている。よって、発光素子３０５は、発光素子３０４と同様に基板１４０側から高発光高強度の伝播光Ｌ’を出射することができる。
　以上、本実施形態では、フォトルミネッセンス層１１０の主面の法線方向に伝播光Ｌ、Ｌ’を出射する発光素子を説明した。しかし、法線方向以外の方向へ出射する発光素子を実現してもよい。この場合、本実施形態の「厚さ」を出射する方向に平行な「光路長」に置き換えることにより、本実施形態と同様の特徴を備える発光素子を実現することができる。
　また、本実施形態は、本実施形態より前に説明した種々の他の実施形態や変形例と組み合わせてもよい。
　本開示の発光素子によれば、指向性を有する発光装置を実現できるため、例えば、照明、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスに適用可能である。
　１００，１００ａ，３００，３００’　　発光素子
　１１０　　フォトルミネッセンス層（導波路）
　１２０，１２０’，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ　　透光層（周期構造、サブミクロン構造）
　１４０　　透明基板
　１４０’　　調整層
　１５０　　保護層
　１８０　　光源
　２００　　発光装置
　３１０　　多層ミラー
　３１１　　高屈折率層
　３１２　　低屈折率層
　３２０，３２０ａ，３２０ｂ，３２０ｃ，３２０ｄ　　透光性構造体

Claims (20)

  1. 　フォトルミネッセンス層と、
    　前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
    　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
    　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層とともに積層された多層ミラーと、
    を有し、
    　前記サブミクロン構造は、少なくとも複数の凸部または複数の凹部を含み、
    　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
    　隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
  2. 　前記多層ミラーは、複数の低屈折率層と前記複数の低屈折率層よりも高い屈折率を有する複数の高屈折率層とを含み、
    　各低屈折率層および各高屈折率層は交互に積層されている請求項１に記載の発光素子。
  3. 　前記複数の低屈折率層および前記複数の高屈折率層の屈折率はそれぞれｎLおよびｎHであり、前記複数の低屈折率層および前記複数の高屈折率層の厚さはそれぞれｔMLおよびｔMHであり、ｍRは任意の正の整数であり、下記式
    （２ｍR－１．２）λa/（４ｎL）≦ｔML≦（２ｍR－０．８）λa/（４ｎL）
    （２ｍR－１．２）λa/（４ｎH）≦ｔMH≦（２ｍR－０．８）λa/（４ｎH）
    を満たしている請求項２に記載の発光素子。
  4. 　前記複数の高屈折率層は前記フォトルミネッセンス層と同じ材料によって形成されている請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
  5. 　前記ｍRは１である請求項３に記載の発光素子。
  6. 　前記透光層が前記サブミクロン構造を有し、
    前記透光層と前記多層ミラーとの間に前記フォトルミネッセンス層が位置している請求項１から５のいずれかに記載の発光素子。
  7. 　前記多層ミラーと前記フォトルミネッセンス層との間に位置する調整層をさらに含む請求項１から５のいずれかに記載の発光素子。
  8. 　前記フォトルミネッセンス層を支持する透明基板と、
    　調整層と
    をさらに備え、
    　前記フォトルミネッセンス層は、平坦な主面を有し、
    　前記透光層は前記フォトルミネッセンス層の前記平坦な主面上に形成されており、かつ、前記サブミクロン構造を有し、
    　前記調整層は、前記透光層を覆って前記フォトルミネッセンス層上に位置しており、
    　前記多層ミラーは前記調整層上に位置している請求項１から５のいずれかに記載の発光素子。
  9. 　前記透光層は、前記サブミクロン構造を表面に有する透明基板であり、
    　前記フォトルミネッセンス層は、前記サブミクロン構造を埋めるように前記透明基板の表面に位置しており、
    　前記多層ミラーは前記フォトルミネッセンス層上に位置している請求項１から７のいずれかに記載の発光素子。
  10. 　前記フォトルミネッセンス層の前記透明基板と反対側に位置する主面は平坦である請求項９に記載の発光素子。
  11. 　前記フォトルミネッセンス層の前記透明基板と反対側に位置する主面は、前記サブミクロン構造の複数の凸部または複数の凹部に追随した凹凸形状を有し、
    　前記多層ミラーは、前記サブミクロン構造の複数の凸部または複数の凹部に追随した凹凸形状を有する請求項９に記載の発光素子。
  12. 　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層を含む透光性構造体を備え、
    　前記多層ミラーと前記透光性構造体とは互いに接しており、前記多層ミラーと前記透光性構造体との界面部分において、前記透光性構造体の屈折率は、前記多層ミラーの屈折率よりも大きく、
    　ｍTは任意の正の整数であり、前記透光性構造体の前記積層方向における実効光路長ｄTは、下記式
    （４ｍT－１）λa／（８ｎwav-a）＜ｄT＜（４ｍT＋１）λa／（８ｎwav-a）
    を満たしている請求項１から１１のいずれかに記載の発光素子。
  13. 　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層を含む透光性構造体を備え、
    　前記多層ミラーと前記透光性構造体とは互いに接しており、前記多層ミラーと前記透光性構造体との界面部分において、前記透光性構造体の屈折率は、前記多層ミラーの屈折率よりも小さく、
    　ｍTは任意の正の整数であり、前記透光性構造体の前記積層方向における実効光路長ｄTは、下記式（４ｍT－３）λa／（８ｎwav-a）＜ｄT＜（４ｍT－１）λa／（８ｎwav-a）を満たしている請求項１から１１のいずれかに記載の発光素子。
  14. 　前記ｍTは１である請求項１２または１３に記載の発光素子。
  15. 　透光層と、
    　前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
    　前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、
    　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層とともに積層された多層ミラーと、
    を有し、
    　前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
    　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
    　前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
    　前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
  16. 　フォトルミネッセンス層と、
    　前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
    　前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
    　前記フォトルミネッセンス層および前記透光層とともに積層された多層ミラーと、
    を有し、
    　前記サブミクロン構造は、少なくとも複数の凸部または複数の凹部を含み、
    　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
    　前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
    　前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
  17. 　前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、請求項１から１５のいずれかに記載の発光素子。
  18. 　フォトルミネッセンス層と、
    　前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、
    　前記フォトルミネッセンス層とともに積層された多層ミラーと、
    を有し、
    　前記サブミクロン構造は、少なくとも複数の凸部または複数の凹部を含み、
    　前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
    　前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
    　前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
  19. 　前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、請求項１から１８のいずれかに記載の発光素子。
  20. 　請求項１から１９のいずれかに記載の発光素子と、
    　前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
    を備える発光装置。
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