WO2023199703A1 - 発光装置 - Google Patents

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WO2023199703A1
WO2023199703A1 PCT/JP2023/010930 JP2023010930W WO2023199703A1 WO 2023199703 A1 WO2023199703 A1 WO 2023199703A1 JP 2023010930 W JP2023010930 W JP 2023010930W WO 2023199703 A1 WO2023199703 A1 WO 2023199703A1
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light
wavelength
light emitting
layer
phosphor
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PCT/JP2023/010930
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進 野田
賢司 石崎
俊介 村井
宏之 柏木
康之 川上
要介 前村
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国立大学法人京都大学
スタンレー電気株式会社
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/26—Reflecting filters
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    • H01L33/58—Optical field-shaping elements

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device, and particularly to a light emitting device including a light emitting element including a photonic crystal and a phosphor.
  • headlamps are required to have value not only as a single lamp but also as a lamp system that incorporates sensors.
  • LED light emitting diode
  • spontaneous emission LEDs have a Lambertian light emission distribution, which spreads the light distribution, resulting in loss due to light deviating from the lens in the headlamp.
  • the size of the lens that is, increase the aperture ratio NA
  • NA the aperture ratio
  • Patent Document 1 discloses a lighting device in which photons from a photon emitter are emitted from a plasmonic antenna array.
  • Patent Document 2 discloses a wavelength conversion device that includes a wavelength converter that converts the wavelength of an incident laser beam, and an antenna array formed on an output surface of the wavelength converter.
  • An object of the present invention is to provide a light-emitting device that has narrowed light distribution characteristics and emits highly efficient and high-output mixed color light.
  • a light emitting device includes: a semiconductor light emitting structure layer having a photonic crystal layer; a wavelength converter placed on the emission surface of the semiconductor light emitting structure layer and converting the wavelength of the emitted light of the semiconductor light emitting structure layer to generate wavelength-converted light; and a plurality of nanoantennas arranged periodically on the wavelength converter. and a nano-antenna phosphor consisting of an antenna array arranged in a vertical manner.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing the top surface of the light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional structure taken along line AA shown in FIG. 1A.
  • FIG. 3 is a diagram showing an enlarged view of a local maximum value portion in TE0 mode.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a nanoantenna phosphor 30.
  • FIG. 3 is a top view of a nanoantenna phosphor 30.
  • FIG. It is a graph showing the simulation result of the relationship between the emission angle ( ⁇ em) of the antenna array 32 and the wavelength when the period P is 360 nm. It is a graph showing the simulation result of the relationship between the emission angle ( ⁇ em) of the antenna array 32 and the wavelength when the period P is 400 nm. It is a graph showing the simulation result of the relationship between the emission angle ( ⁇ em) of the antenna array 32 and the wavelength when the period P is 440 nm.
  • FIG. 3 is a diagram showing light distribution characteristics of blue light from an LED structure layer 20.
  • FIG. 3 is a diagram showing the light distribution characteristics of fluorescence (yellow light) from a nanoantenna phosphor 30.
  • FIG. 3 is a diagram showing light distribution characteristics of white light from a light emitting device 10.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing narrow-angle LED light generated by an LED structure layer 20.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional structure of a light emitting device 50 according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a plan view schematically showing the top surface of a light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a schematic plan view showing a cross-sectional structure taken along line AA shown in FIG. 1A.
  • the light emitting device 10 includes a semiconductor light emitting structure layer 20, a nanoantenna phosphor 30, and an optical filter 40.
  • an optical filter 40 is arranged on the emission surface of the semiconductor light emitting structure layer 20, and a nanoantenna phosphor 30 is arranged on the optical filter 40.
  • the semiconductor light emitting structure layer (hereinafter referred to as LED structure layer) 20 includes a first semiconductor layer 21 including a photonic crystal layer 21P, an active layer 23, and a second semiconductor layer 25. .
  • the LED structure layer 20 is made of a nitride-based semiconductor layer (GaN-based semiconductor layer), but other crystalline semiconductor light-emitting structure layers that operate as LEDs may also be used. good.
  • composition, layer thickness, impurity, doping concentration, etc. of each layer of the semiconductor structure layer shown below are merely examples, and can be appropriately selected or modified depending on desired characteristics.
  • the LED structure layer 20 will be described in detail below with reference to FIGS. 1A and 1B.
  • the LED structure layer 20 is formed by sequentially growing an active layer 23 and a second semiconductor layer 25 on a first semiconductor layer 21.
  • it can be formed by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), or the like.
  • the first semiconductor layer 21 has a photonic crystal layer 21P formed on a lower layer 21A made of n-GaN, which is an n-type semiconductor layer.
  • the photonic crystal layer 21P has minute air holes 22 two-dimensionally and periodically formed in a plane parallel to the first semiconductor layer 21, and the refractive index changes periodically. It is a structural layer.
  • a buried layer 21B is formed on the photonic crystal layer 21P to bury the photonic crystal layer 21P.
  • the buried layer 21B is made of n-GaN, which is an n-type semiconductor layer, and has a layer thickness of 120 nm.
  • the holes 22 of the photonic crystal layer 21P are arranged in a square lattice position, have a cylindrical shape, have a lattice constant (period) of 185 nm, a height of 240 nm, and a diameter of 92 nm. .5 nm.
  • a ⁇ m ⁇ /neff (m is a natural number ) is set to satisfy a ⁇ m ⁇ 2/(3/2 ⁇ neff) (m is a natural number) in the case of a triangular lattice two-dimensional photonic crystal.
  • the present invention is a light emitting element that emits non-resonant LED light. By forming only photonic crystals that meet these conditions, the angle of light is narrowed while remaining non-resonant.
  • the non-resonant light can be turned into narrow-angle light.
  • the narrow-angle light component (outgoing angle of 20° or less) can also be changed to the wide-angle light component (outgoing angle of 20° or less). It is possible to use a light-emitting element that emits non-resonant LED light in the same way as the above-mentioned light emitting device.
  • a light emitting layer 23A is formed on the first semiconductor layer 21.
  • the light emitting layer 23A is a multi-quantum well structure layer (hereinafter referred to as an MQW layer) having a five-layer structure in which GaN barrier layers and InGaN well layers are alternately stacked.
  • a spacer layer 23B is formed on the light emitting layer 23A.
  • the spacer layer 23B is made of GaN and has a layer thickness of 6 nm.
  • a second semiconductor layer 25 is formed on the spacer layer 23B. More specifically, the second semiconductor layer 25 includes an electron blocking layer 25A and a p-GaN layer 25B, which is a p-type semiconductor layer formed on the electron blocking layer 25A.
  • the electron block layer 25A is made of AlGaN and has a layer thickness of, for example, 10 nm.
  • the p-GaN layer 25B has a layer thickness of, for example, 116 nm.
  • the layer consisting of the light emitting layer 23A and the spacer layer 23B is referred to as the active layer (core layer) 23.
  • the first semiconductor layer 21 and the second semiconductor layer 25 sandwiching the active layer 23 from both sides function as a first cladding layer and a second cladding layer, respectively.
  • the first semiconductor layer (first cladding layer) 21 includes the photonic crystal layer 21P, that is, the vacancies 22, and therefore has a lower refractive index than the base semiconductor (GaN in this embodiment), and is therefore active.
  • the effective refractive index is smaller than the effective refractive index of the layer (core layer) 23.
  • the electron block layer 25A is made of a semiconductor (AlGaN in this embodiment) having a larger band gap and lower refractive index than the active layer 23 (that is, the spacer layer 23B of the active layer 23), and is made of a second semiconductor.
  • the effective refractive index of the layer (second cladding layer) 25 is smaller than the effective refractive index of the active layer 23.
  • the first semiconductor layer 21 and the second semiconductor layer 25 have a function similar to, for example, a cladding of an optical fiber, that is, a function to confine light guided in the active layer (core layer) 23.
  • the first semiconductor layer 21 may be composed of a plurality of semiconductor layers having mutually different compositions.
  • the second semiconductor layer 25 may also be composed of a plurality of semiconductor layers having mutually different compositions.
  • first semiconductor layer 21 is an n-type semiconductor layer
  • second semiconductor layer 25 is a p-type (opposite conductivity type to the first semiconductor layer 21) semiconductor layer.
  • Layer 21 and second semiconductor layer 25 may have an i-layer or an undoped layer.
  • the electron block layer 25A in the second semiconductor layer 25 may be configured as an undoped layer.
  • a p-electrode 28A is provided on the p-GaN layer 25B.
  • the p-electrode 28A is formed, for example, as a Ni/Au structure (Au is the surface layer) made of Ni (nickel) formed on the p-GaN layer 25B and Au (gold) formed on the Ni.
  • the p-electrode 28A can be a metal layer that is in ohmic contact with the p-GaN layer 25B.
  • a configuration using an ITO electrode/Ag reflective film with high reflectance is used.
  • a semiconductor layer for example, a highly doped layer that easily makes ohmic contact with the metal layer may be provided on the p-GaN layer 25B.
  • an n-electrode 28B is provided on the exposed surface of the first semiconductor layer 21 where the buried layer 21B is partially exposed by etching.
  • the n-electrode 28B is in ohmic contact with the first semiconductor layer 21.
  • the n-electrode 28B has, for example, an Al (aluminum)/Pt (platinum)/Au structure (Au is the surface layer).
  • the light emitting device 10 is placed on a substrate or block provided with a wiring circuit, with the p electrode 28A and the n electrode 28B facing down.
  • the light emitting device 10 emits light by passing current between the p electrode 28A and the n electrode 28B.
  • the optical filter 40 is inserted between the output surface of the LED structure layer 20 and the entrance surface S1 of the nanoantenna phosphor 30.
  • the optical filter 40 is provided in close contact with the exit surface of the LED structure layer 20 and the entrance surface S1 of the nanoantenna phosphor 30.
  • a filter film 40A which is a dichroic mirror, is formed on a sapphire substrate 40B, which is a transparent substrate.
  • the filter film 40A can be formed of, for example, a multilayer film in which SiO 2 and NbO 5 are alternately laminated (SiO 2 /NbO 5 film) or a SiO 2 /TiO 2 multilayer film.
  • the optical filter 40 is configured as a short pass filter (SPF) that transmits the emitted light (blue light) from the LED structure layer 20 and reflects the wavelength-converted light (yellow light) from the phosphor plate 31.
  • SPPF short pass filter
  • FIG. 2 is a diagram showing the results of simulating the dependence of the reflectance of the optical filter 40 on the angle of incidence ( ⁇ ).
  • the reflectance in the above wavelength range is almost 0%, and it is difficult to make the blue LED light of the LED structure layer 20 efficiently enter the nanoantenna phosphor 30. can. That is, it is understood that the LED structure layer 20 having a photonic crystal that can efficiently emit narrow-angle light with ⁇ th ⁇ 15° is effective.
  • the depth of the holes in the photonic crystal is 100 nm, it has almost no effect on the physical size. As a result, it is possible to realize for the first time a compact narrow-angle white light source using a nanoantenna phosphor using an LED as a light source.
  • the emission spectrum of the active layer 23 has a full width at half maximum of 10 nm, and the optical filter 40 is set such that light within the full width at half maximum is transmitted through the optical filter 40 with a reflectance of 0%.
  • the characteristics of the filter film 40A (SPF) are set.
  • the characteristics of the LED structure layer 20 and the optical filter 40 are set such that light within the full width at half maximum of the emission spectrum of the LED structure layer 20 is transmitted through the optical filter 40 with a reflectance of 0%.
  • photonic crystals have the ability to exclude light of a certain frequency from within the crystal, and the frequency range can be set freely. This region is called the photonic band gap.
  • the dispersion relationship is determined from photonic bandgap calculation.
  • the dispersion relationship in the TE mode Transverse Electric mode
  • the lowest order TE0 among the plurality of TE modes attention is paid to the lowest order TE0 among the plurality of TE modes.
  • FIG. 3B is an enlarged view of the maximum value portion of the TE0 mode. As shown in FIG. 2B, adjusting the normalized frequency to the optical mode end (white circle in the figure) corresponds to extracting narrow-angle light in the 0° direction.
  • the photonic crystal layer 21P is designed. think of.
  • a lattice constant design value of 185 nm is obtained from the normalized frequency of 0.415 at a location (black circle in the figure) that satisfies the intersection of the optical mode (TE0) and the diffraction line.
  • the hole arrangement of the photonic crystal layer 21P is not limited to a square lattice, but can be appropriately selected from a triangular lattice, a hexagonal lattice, etc., and can be obtained using the same procedure.
  • the design value may be determined by the intersection of the diffraction lines and the theoretical value, but it may also be determined after actually fabricating multiple photonic crystal structures with slightly shifted lattice constants and determining the conditions. .
  • the lattice constant a and the diameter of the holes 22 can be adjusted so that the peak value of the intensity is within a desired range. It is also possible to obtain an optimal value for d.
  • the angle of narrow-angle light produced by the photonic crystal is determined.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of the nanoantenna phosphor 30.
  • FIG. 4B is a top view of the nanoantenna phosphor 30.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. 4B.
  • the nanoantenna phosphor 30 is formed from a phosphor plate 31 that is a wavelength converter and a plurality of nanoantennas 32A (hereinafter also simply referred to as antennas 32A) on the phosphor plate 31. It has an antenna array 32.
  • the phosphor plate 31 has an entrance surface S1 into which the primary light L1, which is the light from the LED structure layer 20 that has passed through the optical filter 40, enters, and an exit surface S2 through which the secondary light L2 exits.
  • the phosphor plate 31 has a parallel plate shape, with one of its principal surfaces serving as an entrance surface S1 and the other principal surface serving as an exit surface S2. That is, the primary light L1 enters from the entrance surface S1, which is one of the main surfaces (back surface) of the phosphor plate 31, and exits from the exit surface S2, which is the other main surface (front surface) of the phosphor plate 31.
  • the secondary light L2 emitted from the output surface S2 of the phosphor plate 31 includes wavelength-converted light L21 whose wavelength has been converted by the phosphor plate 31, and transmitted light (whose wavelength has not been converted) that has passed through the phosphor plate 31. primary light) L22. That is, the phosphor plate 31 converts the wavelength of a part of the primary light L1 incident from the entrance surface S1 to generate wavelength-converted light L21.
  • the phosphor plate 31 is arranged so that its entrance surface S1 is perpendicular to the optical axis of the incident light L1.
  • the primary light L1 may be referred to as incident light on the phosphor plate 31.
  • the phosphor plate 31 includes the entrance surface S1 and the exit surface S2, converts the wavelength of the incident light L1 that has entered from the entrance surface S1 to generate the wavelength-converted light L21, and generates the wavelength-converted light L21 and the transmitted light.
  • the light L22 is configured to be emitted from the output surface S2. Note that in this embodiment, the phosphor plate 31 is arranged parallel to the LED structure layer 20.
  • the phosphor plate 31 is a ceramic phosphor plate made of a single phase of yttrium aluminum garnet (YAG:Ce) with cerium as the luminescent center.
  • the LED structure layer 20 uses an InGaN-based semiconductor as a light emitting layer, and the primary light L1 is blue light with a wavelength of about 450 nm. Further, the wavelength-converted light L21 is yellow light with a wavelength of approximately 460 to 750 nm, and the secondary light L2 is white light that is a mixture of yellow light and blue light.
  • phosphors can be used as the phosphor of the phosphor plate 31, but a single-phase phosphor is preferable. This is because single-phase phosphors can extract incident excitation light as is as narrow-angle light without scattering it.
  • the phosphor plate 31 preferably has a thickness T within a range of 40 to 200 ⁇ m.
  • a light reflecting film may be provided on the side surface of the phosphor plate 31.
  • the light reflecting film is a film of white paint provided on the side surface of the phosphor plate 31.
  • the light-reflecting film can be replaced with a light-absorbing film such as black paint.
  • the antenna array 32 is formed on the emission surface S2 of the phosphor plate 31.
  • the antenna array 32 has a plurality of antennas 32A in which each antenna is arranged at a period P that is larger than the peak wavelength of the light emitted from the LED structure layer 20 and approximately equal to the effective wavelength of the wavelength-converted light within the phosphor plate 31. are doing.
  • each of the plurality of antennas 32A is a columnar or cone-shaped metal protrusion (pillar) that can excite surface plasmons.
  • each of the antennas 32A has a cylindrical shape, and includes Au (gold), Ag (silver), Cu (copper), Pt (platinum), Pd (palladium), Al (aluminum), It is made of a material having a plasma frequency in the ultraviolet to visible light range, such as Ni (nickel), and an alloy or laminate containing these materials.
  • each of the antennas 32A has substantially the same antenna height H and antenna width (diameter) W1. Note that when the antenna 32A has a columnar or conical shape, the antenna width W1 refers to the maximum width of the antenna 32A.
  • the plurality of antennas 32A are arranged at a period P in a hexagonal lattice on the emission surface S2 of the phosphor plate 31. Further, the antenna array 32 is formed in a square area with a vertical and horizontal width (array width) of W2 at the center of the emission surface S2.
  • the antenna width W1 is 150 ⁇ 20 nm, and the array width W2 is 6 mm.
  • the YAG:Ce phosphor has a refractive index of about 1.82 and emits light with a wavelength of 460 nm to 750 nm.
  • the optical wavelength is calculated as (emission wavelength/refractive index).
  • the optical wavelength within the phosphor plate 31 refers to, for example, a wavelength band obtained by adding 50 nm before and after the emission wavelength band of the phosphor within the phosphor plate 31.
  • the wavelength-converted light L21 from the phosphor plate 31 is amplified, and is emitted from the antenna array 32 with a narrow light distribution (low etendue). That is, the antenna array 32 has the function of enhancing the light within the phosphor plate 31 and narrowing down the direction of emission of the secondary light L2 (wavelength converted light L21).
  • the relationship between the emission angle and the wavelength was simulated under the condition that the period P was 360 nm to 480 nm.
  • FIGS. 5A to 5D show simulation results of the wavelength of the wavelength-converted light with respect to the emission angle ( ⁇ em) of the antenna array 32. Note that the period P is shown as a parameter. More specifically, FIGS. 5A to 5D show the diffraction order (1,0) component YAG(1 , 0) (indicated by a solid line in the figure) and diffraction orders (-1, 0) (indicated by a dashed-dotted line in the figure).
  • the diffraction order (-1, 0) is a line representing emission from the nanoantenna phosphor 30 to the atmosphere, and will be referred to as Air (-1, 0) here. If a propagation mode exists in the upper left side of the figure with the Air (-1,0) line as a boundary, this indicates that the propagation mode is light that can be extracted to the atmosphere side.
  • the YAG (1,0) component (encircled by the broken line) must be It is possible to extract light from the darkened region).
  • the period P of the antenna 32A is preferably in the range of 400 nm to 440 nm. It can be seen that under conditions other than the above-mentioned period, the region of the diffraction line related to light extraction is significantly reduced.
  • the period P of the antenna 32A can be determined based on the emission angle range of the wavelength-converted light by the antenna array 32.
  • the lattice structure of the antenna array 32 is not limited to this.
  • an antenna array having a periodic structure such as a square lattice or a triangular lattice may be used.
  • Light distribution characteristics of the light emitting device 10 The light distribution characteristics of the light emitting device 10 will be described below. 6A and 6B show the light distribution characteristics of blue light from the LED structure layer 20 and the light distribution characteristics of fluorescence (yellow light) from the nanoantenna phosphor 30, respectively. Further, FIG. 6C shows the light distribution characteristics of white light from the light emitting device 10, that is, the light distribution characteristics of the combined light of blue light and fluorescence (yellow light).
  • FIGS. 6A to 6C show Lambertian light distribution characteristics (dashed lines in the figures) from conventional LEDs and phosphors.
  • FIG. 6A it can be seen that in the blue light from the LED structure layer 20, the light corresponding to within ⁇ 15° increases, and a light distribution narrowed with respect to Lambertian is formed. Further, as shown in FIG. 6B, it can be seen that yellow light obtained when the nanoantenna phosphor 30 is excited also has a function of narrowing the angle with respect to Lambertian.
  • the luminous flux (output ratio) within ⁇ 30° is 25%, but in the light emitting device 10, the luminous flux within ⁇ 30° is 40%, and the luminous flux within ⁇ 30° is 25%. It was found that this was improved by 15% compared to cyan light distribution. It was also found that the center brightness increased by 20% or more.
  • narrow-angle white light can only be formed by combining the narrow-angle blue light and narrow-angle yellow light formed by the LED structure layer 20 having the photonic crystal 21P and the nanoantenna phosphor 30.
  • the light-emitting device 10 of the present invention has been described in detail, but the light-emitting device 10 forms narrow-angle light using a photonic crystal, and the narrow-angle light is efficiently transmitted. It is sufficient that the light is configured to be incident on the nanoantenna phosphor.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing narrow-angle LED light generated by the LED structure layer 20. More specifically, as shown in FIG. 7, in the light emitting device 10 of the present invention, the LED structure layer 20 is a photonic crystal LED in which a photonic crystal layer 21P is embedded, and narrow-angle LED light ( narrow-angle blue light).
  • the period of the holes 22 in the photonic crystal layer 21P is determined according to the incidence angle dependence of the reflectance of the filter film 40A of the optical filter 40. That is, the angle ⁇ th at which the reflection angle of the filter film 40A (for example, a dichroic mirror) is 0 (zero) is calculated, and the holes in the photonic crystal layer 21P are adjusted so that the diffraction angle ⁇ of the photonic crystal satisfies ⁇ th. 22 periods are defined.
  • the narrow-angle light LN0 then passes through the optical filter 40, which is an SPF, and enters the nanoantenna phosphor 30 with high incidence efficiency.
  • the wavelength-converted light (yellow light) that enters the phosphor plate 31 of the nanoantenna phosphor 30 and is wavelength-converted by the phosphor is emitted by the nanoantenna 32A as narrow-angle light LN1. Further, the wavelength-converted light is reflected by the optical filter 40 in the output direction.
  • narrow-angle white light is emitted by the narrow-angle blue light and narrow-angle yellow light that have passed through the phosphor plate 31, and the light emitting device 10 functions as a narrow-angle white light source.
  • the photonic crystal layer 21P has been described as having a single lattice structure, it may have a multiple lattice structure such as a double lattice structure.
  • the optical filter 40 is constituted by a dichroic mirror
  • the present invention is not limited to this. It is sufficient that it is formed of an optical filter such as a short pass filter (SPF) that transmits light from the LED structure layer 20 and reflects wavelength-converted light from the phosphor plate 31.
  • SPPF short pass filter
  • the light extraction efficiency can be increased by using the optical filter 40 whose reflectance with respect to the light emitted from the LED structure layer 20 has a small angular dependence.
  • a broadband bandpass filter with small incidence angle dependence may be used.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the cross-sectional structure of a light emitting device 50 according to the second embodiment of the present invention.
  • the light emitting device 50 of the second embodiment differs from the light emitting device 10 of the first embodiment in that the optical filter 40 is not provided.
  • the light emitting device 50 includes an LED structure layer 20 and a nanoantenna phosphor 30 disposed on the LED structure layer 20.
  • the LED structure layer 20 and the nanoantenna phosphor 30 have the same configuration as the light emitting device 10 of the first embodiment.
  • the LED structure layer 20 has a photonic crystal layer 21P, and is configured to emit light at a predetermined narrow angle (for example, within 15 degrees with respect to the normal direction of the LED structure layer 20).
  • the angle of the narrow-angle light can be determined by the hole arrangement of the photonic crystal, the lattice constant a, and the diameter d of the holes 22.
  • narrow-angle light from the LED structure layer 20 is directly incident on the nanoantenna phosphor 30.
  • the narrow angle structure of the nanoantenna phosphor 30 is preferably set according to the angle of the narrow angle light from the photonic crystal layer 21P.
  • the plasmon resonance of the nanoantenna phosphor 30 occurs in coordination with the diffraction mode, so the period P of the antenna 32A in the antenna array 32 is determined by the diffraction angle. It can be determined by simulating the wavelength relationship and calculating the region where light increases within a predetermined emission angle (for example, 30°).
  • the light emitting device 50 having the configuration described above, it is possible to realize a mixed color light source having narrow angle light distribution characteristics and high output light.
  • the semiconductor light emitting structure layer is a photonic crystal light emitting diode made of a nitride semiconductor
  • the invention is not limited to this, and photonic crystal light emitting diodes made of other crystalline semiconductors may be used. It can also be applied to
  • the phosphor plate is made of a phosphor that converts blue light into yellow light
  • the present invention is not limited to this.
  • the phosphor can be appropriately selected and applied depending on the wavelength of the photonic crystal light emitting diode used.

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Abstract

フォトニック結晶層を有する半導体発光構造層と、半導体発光構造層の出射面上に載置され、半導体発光構造層の放射光の波長を変換して波長変換光を生成する波長変換体及び波長変換体上に複数のナノアンテナが周期的に配列されたアンテナアレイからなるナノアンテナ蛍光体と、を備えている。

Description

発光装置
　本発明は、発光装置、特にフォトニック結晶を備えた発光素子及び蛍光体を備えた発光装置に関する。
　近年、自動車等の乗り物又は移動体の自動運転についての取り組みは急速に進んでおり、ヘッドランプ等の灯具に求められる要求も変化している。例えば、ヘッドランプは、ランプ単体ではなく、センサなども取り込んだランプシステムとしての価値が求められる。ところが、例えば自動車のヘッドランプではＬＥＤ（Light emitting diode）素子を並列に配置して高出力化させて使用することがあるが、センサ等を設置するスペースを取りにくいという問題がある。
　一般に、自然放出光のＬＥＤでは、発光分布がランバーシアンであり、配光が広がってしまうため、ヘッドランプ内のレンズから外れた光による損失が生じる。光の損失を減らして、さらに光量を上げるためには、レンズを大きくする（すなわち、開口率ＮＡを大きくする）必要があるが、ヘッドランプのスペースの観点から好ましくない。レンズのＮＡを変えずに、ＬＥＤの取り込み量を多くするためには、ＬＥＤ光源自体の発光分布を狭角化する必要がある。
　小型で狭角化された白色光源を形成する技術として、表面にナノアンテナを形成した蛍光体へレーザ光を照射する構成が開示されている。
　例えば、特許文献１には、フォトンエミッタからのフォトンがプラズモニックアンテナアレイから放出される照明装置が開示されている。また、特許文献２には、入射レーザ光の波長を変換する波長変換体と、波長変換体の出射面上に形成されたアンテナアレイとを有する波長変換装置が開示されている。
　しかしながら、さらに、狭角化された配光分布を有するとともに高い光出力を有する光源が求められている。
　本発明は、狭角化された配光特性を有するとともに、高効率で高出力の混色光を出射する発光装置を提供することを目的としている。
　本発明の１実施形態による発光装置は、
　フォトニック結晶層を有する半導体発光構造層と、
　前記半導体発光構造層の出射面上に載置され、前記半導体発光構造層の放射光の波長を変換して波長変換光を生成する波長変換体及び前記波長変換体上に複数のナノアンテナが周期的に配列されたアンテナアレイからなるナノアンテナ蛍光体と、を有している。
特許６３８１６４５号公報 特許６７８９５３６号公報
本発明の第１の実施形態の発光装置１０の上面を模式的に示す平面図である。 図１Ａに示すＡ－Ａ線に沿った断面構造を模式的に示す断面図である。 光学フィルタ４０の反射率の入射角（θ）依存性をシミュレーションした結果を示す図である。 横軸を波数ｋｘ（＝ｋsinθ）、縦軸を規格化周波数ａ／λとした分散関係を示す図である。 ＴＥ０モードの極大値部分を拡大して示す図である。 ナノアンテナ蛍光体３０の断面図である。 ナノアンテナ蛍光体３０の上面図である。 周期Ｐが３６０ｎｍのときのアンテナアレイ３２の放出角（θem）と波長との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 周期Ｐが４００ｎｍのときのアンテナアレイ３２の放出角（θem）と波長との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 周期Ｐが４４０ｎｍのときのアンテナアレイ３２の放出角（θem）と波長との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 周期Ｐが４８０ｎｍのときのアンテナアレイ３２の放出角（θem）と波長との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 ＬＥＤ構造層２０からの青色光の配光特性を示す図である。 ナノアンテナ蛍光体３０からの蛍光（黄色光）の配光特性を示す図である。 発光装置１０からの白色光の配光特性を示す図である。 ＬＥＤ構造層２０により生成される狭角ＬＥＤ光を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態の発光装置５０の断面構造を模式的に示す断面図である。
　以下においては、本発明の好適な実施形態について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
［第１の実施形態］
　図１Ａは、本発明の第１の実施形態の発光装置１０の上面を模式的に示す平面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示すＡ－Ａ線に沿った断面構造を模式的に示す断面図である。
　図１Ａ及び図１Ｂに示すように、発光装置１０は、半導体発光構造層２０と、ナノアンテナ蛍光体３０と、光学フィルタ４０とを有している。本実施形態の発光装置１０においては、半導体発光構造層２０の出射面上に光学フィルタ４０が配され、光学フィルタ４０上にナノアンテナ蛍光体３０が配されている。
（１）半導体発光構造層
　半導体発光構造層（以下、ＬＥＤ構造層と称する）２０は、フォトニック結晶層２１Ｐを備えた第１の半導体層２１、活性層２３及び第２の半導体層２５を有する。
　なお、本実施形態においては、ＬＥＤ構造層２０が窒化物系半導体層（ＧａＮ系系半導体層）からなる場合について説明するが、ＬＥＤとして動作する他の結晶系の半導体発光構造層であってもよい。
　また、以下に示す半導体構造層の各層の組成、層厚、不純物、ドーピング濃度などは例示に過ぎず、所望の特性に応じて適宜選択、改変等することができる。
　図１Ａ及び図１Ｂを参照して以下にＬＥＤ構造層２０について詳細に説明する。
　ＬＥＤ構造層２０は、第１の半導体層２１上に活性層２３及び第２の半導体層２５を順次成長して形成されている。例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）などにより形成することができる。
　第１の半導体層２１は、ｎ型の半導体層であるｎ－ＧａＮからなる下層２１Ａ上に形成されたフォトニック結晶層２１Ｐを有する。フォトニック結晶層２１Ｐは、第１の半導体層２１に平行な面内に２次元的に周期的に形成された微細な空孔（air hole）２２を有し、屈折率が周期的に変化する構造層である。
　フォトニック結晶層２１Ｐ上には、フォトニック結晶層２１Ｐを埋め込む埋込層２１Ｂが形成されている。埋込層２１Ｂは、ｎ型の半導体層であるｎ－ＧａＮからなり、１２０ｎｍの層厚を有している。
　より詳細には、本実施形態において、フォトニック結晶層２１Ｐの空孔２２は、正方格子位置に配され、円柱形状を有し、格子定数（周期）は１８５ｎｍ、高さは２４０ｎｍ、直径は９２．５ｎｍである。
　ここで、フォトニック結晶の格子定数＝ａ，発光波長＝λ(真空中)、母体の屈折率＝ｎeffとおいたとき、正方格子２次元フォトニック結晶の場合はａ≠ｍλ／ｎeff（ｍは自然数）を、三角格子２次元フォトニック結晶の場合はａ≠ｍλ×２／(3/2×ｎeff)（ｍは自然数）を満たすようにしている。
　なお、このときのλはピーク波長のみならず活性層２３の発光スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）内の任意の波長λw（真空中）に対しても成立する。すなわち、発光スペクトルのピークが４５０ｎｍで半値全幅が１０ｎｍの場合λは４４５ｎｍ～４５５ｎｍの範囲を持つとして考える（４４５ｎｍ≦λw≦４５５ｎｍ）。本発明は非共振のＬＥＤ光を照射する発光素子であることが好ましい。このような条件を満たすフォトニック結晶のみを形成することで、非共振の光のまま狭角化させている。
　ただし、正方格子２次元フォトニック結晶の場合はａ＝ｍλ／ｎeffを、三角格子２次元フォトニック結晶の場合はａ＝ｍλ×２／(3/2×ｎeff)を満たす場合であっても、供給される電流値が一定の値以下であれば、非共振の光のまま狭角化された光とすることができる。この場合は、発光装置１０に接続された不図示の電源が共振光を発生させない程度の電流値を供給することで、狭角光成分(出射角２０°以内)も広角光成分(出射角２０°を超える)と同様に非共振のＬＥＤ光を照射する発光素子とすることができる。
　第１の半導体層２１上には、発光層２３Ａが形成されている。発光層２３Ａは、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層が交互に積層された５層構造の多重量子井戸構造層（以下、ＭＱＷ層という。）である。
　発光層２３Ａ上には、スペーサ層２３Ｂが形成されている。スペーサ層２３Ｂは、ＧａＮからなり、６ｎｍの層厚を有している。
　スペーサ層２３Ｂ上には、第２の半導体層２５が形成されている。より詳細には、第２の半導体層２５は電子ブロック層（Electron Blocking Layer）２５Ａと電子ブロック層２５Ａ上に形成されたｐ型の半導体層であるｐ－ＧａＮ層２５Ｂとからなる。
　電子ブロック層２５Ａは、ＡｌＧａＮからなり、例えば１０ｎｍの層厚を有している。ｐ－ＧａＮ層２５Ｂは、例えば１１６ｎｍの層厚を有している。
　なお、本明細書において、発光層２３Ａ及びスペーサ層２３Ｂからなる層を活性層（コア層）２３と称する。また、活性層２３を両側から挟む第１の半導体層２１及び第２の半導体層２５は、それぞれ第１のクラッド層及び第２のクラッド層として機能する。
　第１の半導体層（第１のクラッド層）２１は、フォトニック結晶層２１Ｐ、すなわち空孔２２を含むため、母体の半導体（本実施形態においてはＧａＮ）よりも屈折率が小さく、従って、活性層（コア層）２３の実効屈折率よりも実効屈折率は小さい。
　また、電子ブロック層２５Ａは活性層２３（すなわち、活性層２３のスペーサ層２３Ｂ）よりもバンドギャップが大きく屈折率が小さい半導体（本実施形態においてはＡｌＧａＮ）で構成されており、第２の半導体層（第２のクラッド層）２５の実効屈折率は活性層２３の実効屈折率よりも小さい。
　第１の半導体層２１及び第２の半導体層層２５は、例えば光ファイバのクラッドと同様の機能、すなわち活性層（コア層）２３中を導波する光を閉じ込める機能を有する。なお、第１の半導体層２１は、互いに異なる組成の複数の半導体層から構成されていてもよい。また、第２の半導体層層２５も、互いに異なる組成の複数の半導体層から構成されていてもよい。
　また、第１の半導体層２１はｎ型の半導体層であり、第２の半導体層２５はｐ型（第１の半導体層２１とは反対導電型）の半導体層であるが、第１の半導体層２１及び第２の半導体層２５は、ｉ層又はアンドープ層を有していてもよい。例えば、第２の半導体層２５中の電子ブロック層２５Ａがアンドープ層として構成されていてもよい。
　ｐ－ＧａＮ層２５Ｂ上にはｐ電極２８Ａが設けられている。ｐ電極２８Ａは、例えばｐ－ＧａＮ層２５Ｂ上に形成されたＮｉ（ニッケル）及びＮｉ上に形成されたＡｕ（金）からなるＮｉ／Ａｕ構造（Ａｕが表面層）として形成されている。
　なお、ｐ電極２８Ａは、ｐ－ＧａＮ層２５Ｂとオーミック接触された金属層を用いることができる。例えば、高反射率を持つＩＴＯ電極／Ａｇ反射膜を用いた構成である。また、ｐ－ＧａＮ層２５Ｂ上に金属層とのオーミック接触の取りやすい半導体層（例えば高ドープ層）が設けられていてもよい。
　また、エッチングによって埋込層２１Ｂが一部露出した第１の半導体層２１の露出面上にはｎ電極２８Ｂが設けられている。ｎ電極２８Ｂは、第１の半導体層２１とオーミック接触している。ｎ電極２８Ｂは、例えばＡｌ（アルミニウム）／Ｐｔ（プラチナ）／Ａｕ構造（Ａｕが表面層）を有する。
　図１Ａに示すように、発光装置１０は、ｐ電極２８Ａ及びｎ電極２８Ｂを下面として、配線回路が設けられた基板やブロック上に載置される。ｐ電極２８Ａ及びｎ電極２８Ｂ間に通電することにより、発光装置１０は発光する。
（２）光学フィルタ
　本実施形態の発光装置１０においては、ＬＥＤ構造層２０の出射面とナノアンテナ蛍光体３０の入射面Ｓ１との間に光学フィルタ４０が挿入されている。光学フィルタ４０は、ＬＥＤ構造層２０の出射面及びナノアンテナ蛍光体３０の入射面Ｓ１に密着して設けられている。
　光学フィルタ４０は、透光性の基板であるサファイヤ基板４０Ｂ上に、ダイクロイックミラーであるフィルタ膜４０Ａが形成されている。フィルタ膜４０Ａは、例えばＳｉＯ２及びＮｂＯ５を交互に積層した多層膜（ＳｉＯ２／ＮｂＯ５膜）又はＳｉＯ２／ＴｉＯ２多層膜などで形成することができる。
　光学フィルタ４０は、ＬＥＤ構造層２０からの放射光（青色光）を透過し、蛍光体プレート３１のからの波長変換光（黄色光）を反射するショートパスフィルタ（ＳＰＦ）として構成されている。
　まず、ＬＥＤ構造層２０からの放射光がナノアンテナ蛍光体３０に効率よく入射するための光学フィルタ４０への入射角について説明する。
　図２は、光学フィルタ４０の反射率の入射角（θ）依存性をシミュレーションした結果を示す図である。図２には、光学フィルタ４０に入射する光の入射角がθ＝３０°，１５°，０°における反射率が示されている。なお、ここでは、狭角光を出射するＬＥＤ構造層２０の発光波長（λ）として４５０ｎｍ±５ｎｍを考える。
　入射角θ＝３０°のとき、入射光の９９％以上が光学フィルタ４０のフィルタ膜４０Ａによって反射される。しかしながら、θ＝１５°（＝θth）以下の条件においては、上記波長範囲における反射率はほぼ０％であり、ＬＥＤ構造層２０の青色ＬＥＤ光をナノアンテナ蛍光体３０に効率よく入射させることができる。すなわち、θth≦１５°の狭角光を効率よく出射することが可能なフォトニック結晶を有するＬＥＤ構造層２０が有効であることが理解される。
　また、フォトニック結晶の空孔の深さは１００ｎｍのため、物理的な大きさにはほとんど影響を与えない。これにより、ＬＥＤを光源とするナノアンテナ蛍光体の小型狭角白色光源をはじめて実現することができる。
　すなわち、本実施形態においては、上記したように活性層２３の発光スペクトルは半値全幅１０ｎｍを有し、当該半値全幅内の光が反射率０％で光学フィルタ４０を透過するように、光学フィルタ４０のフィルタ膜４０Ａ（ＳＰＦ）の特性が設定されている。
　このように、ＬＥＤ構造層２０及び光学フィルタ４０の特性は、ＬＥＤ構造層２０の発光スペクトルの半値全幅内の光が反射率０％で光学フィルタ４０を透過するように設定されている。
　なお、上記の場合、入射角θ＝３０°以上の入射光（上記例においては青色光）に対し、当該入射光のピーク波長において１０％未満の透過率を有していることが好ましい。また、入射角θ＝１５°以下の入射光に対し、当該入射光のピーク波長において９０％以上の透過率を有していることが好ましい。
（３）フォトニック結晶の狭角化構造
　次に、波長λ＝４５０ｎｍ（半値全幅１０ｎｍ）の青色ＬＥＤを例として、フォトニック結晶の狭角化のための構成について述べる。
　フォトニック結晶におけるバンドギャップ計算を行うが、計算方法などについては、参考文献として「フォトニック結晶入門（著：迫田和彰、森北出版）」などを参照することができる。
　なお、フォトニック結晶は、一定の周波数の光を結晶内から排除する能力を持ち、その周波数の領域は自在に設定することが可能である。当該領域はフォトニックバンドギャップと呼ばれる。
　ここで、フォトニックバンドギャップ計算から分散関係を求める。フォトニック結晶の媒質屈折率をｎ＝２．５（例えば、ＧａＮ）、フォトニック結晶空孔（air hole）の媒質（air）の屈折率を大気ｎ＝１、格子定数ａ（又は周期）及び空孔の直径ｄについては、ｄ／ａ＝０．５とし、正方格子で空孔が配置された場合のＴＥモード(Transverse Electric mode)の分散関係を計算する。
　図３Ａは、横軸を波数ｋｘ（＝ｋsinθ）、縦軸を規格化周波数ａ／λとした分散関係を示す図である。ただし、回折角をθ、波数ｋ＝２π／λとしている。ここでは、複数のＴＥモードのうち、最も低次のＴＥ０に着目している。
　図３Ｂは、ＴＥ０モードの極大値部分を拡大して示す図である。図２Ｂに示すように、光モード端部（図中、白丸）に規格化周波数を合わせることは、０°方向の狭角光を取り出すことに相当する。
　ここで、ナノアンテナ蛍光体３０への入射を考慮し、狭角光をθ＝－１５°～１５°（すなわち、放出角度が３０°以内）まで許容されるとして、フォトニック結晶層２１Ｐの設計を考える。図３Ｂには、効果が見込まれる範囲の代表的な設計値としてθ＝－１０°，θ＝１０°で得られる回折線をプロットしている。
　光モード（ＴＥ０）と回折線の交点を満たす箇所（図中、黒丸）の規格化周波数０．４１５から、格子定数設計値１８５ｎｍを得る。このため、空孔径ｄ＝９２．５ｎｍ、格子定数ａ＝１８５ｎｍの正方格子で空孔２２を配列してフォトニック結晶層２１Ｐを構成し、例えば１ｍｍ角の面内領域に配置すればよい。
　なお、フォトニック結晶層２１Ｐの空孔配列は、正方格子に限ることなく、三角格子又は六方格子などから適宜選択し、同様の手順で得ることが可能である。
　設計値は回折線の交点と理論値で決定してもよいが、格子定数をわずかにずらした複数のフォトニック結晶構造体を実際に作製した上で、条件出しした上で決定してもよい。
　例えば、フォトニック結晶を有するＬＥＤを形成し、軸上のＰＬ(Photo-luminescence)強度を計測することで、強度のピーク値が所望の範囲内であるように格子定数ａ、空孔２２の径ｄの最適値を得ることもできる。
　フォトニック結晶の空孔配列、格子定数ａ、空孔２２の径ｄを決定することにより、フォトニック結晶による狭角光の角度が決定される。
（４）ナノアンテナ蛍光体
（４．１）ナノアンテナ蛍光体の構造
　  図４Ａは、ナノアンテナ蛍光体３０の断面図である。また、図４Ｂは、ナノアンテナ蛍光体３０の上面図である。なお、 図４Ａは、図４ＢのＶ－Ｖ線に沿った断面図である。図４Ａに示すように、ナノアンテナ蛍光体３０は、波長変換体である蛍光体プレート３１と、蛍光体プレート３１上に形成され、複数のナノアンテナ３２Ａ（以下、単にアンテナ３２Ａとも称する。）からなるアンテナアレイ３２と、を有する。
　蛍光体プレート３１は、光学フィルタ４０を経たＬＥＤ構造層２０からの光である一次光Ｌ１が入射する入射面Ｓ１と、二次光Ｌ２が出射する出射面Ｓ２とを有する。本実施形態においては、蛍光体プレート３１は、平行平板形状を有し、主面の一方を入射面Ｓ１とし、主面の他方を出射面Ｓ２とする。すなわち、一次光Ｌ１は、蛍光体プレート３１の主面の一方（裏面）である入射面Ｓ１から入射され、蛍光体プレート３１の主面の他方（表面）である出射面Ｓ２から出射される。
　 蛍光体プレート３１の出射面Ｓ２から出射される二次光Ｌ２は、蛍光体プレート３１によって波長が変換された波長変換光Ｌ２１と、蛍光体プレート３１を通過した透過光（波長が変換されていない一次光）Ｌ２２とを含む。すなわち、蛍光体プレート３１は、入射面Ｓ１から入射された一次光Ｌ１の一部の波長を変換して波長変換光Ｌ２１を生成する。なお、本実施例においては、蛍光体プレート３１は、その入射面Ｓ１が入射光Ｌ１の光軸に垂直となるように配置されている。
　以下においては、一次光Ｌ１を蛍光体プレート３１への入射光と称する場合がある。換言すれば、蛍光体プレート３１は、入射面Ｓ１及び出射面Ｓ２を含み、入射面Ｓ１から入射された入射光Ｌ１の波長を変換して波長変換光Ｌ２１を生成し、波長変換光Ｌ２１及び通過光Ｌ２２を出射面Ｓ２から出射するように構成されている。なお、本実施例においては、蛍光体プレート３１は、ＬＥＤ構造層２０に平行に配置されている。
 　本実施形態においては、蛍光体プレート３１は、セリウムを発光中心としたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）の単相からなるセラミックス蛍光体プレートである。
　また、上記したように、ＬＥＤ構造層２０は、ＩｎＧａＮ系半導体を発光層とし、一次光Ｌ１は約４５０ｎｍの波長の青色光である。また、波長変換光Ｌ２１は約４６０～７５０ｎｍの波長の黄色光であり、二次光Ｌ２は黄色光と青色光とが混色された白色光である。
　なお、蛍光体プレート３１の蛍光体として種々の蛍光体を用いることができるが、単相の蛍光体であることが好ましい。単相蛍光体は、入射励起光を散乱させずにそのまま狭角光として取り出すことが可能だからである。
　また、蛍光体プレート３１は、安定した白色化（混色化）を行うことを考慮すると、４０～２００μｍの範囲内の厚さＴを有することが好ましい。
　なお、光反射膜が蛍光体プレート３１の側面に設けられていてもよい。例えば、当該光反射膜は、蛍光体プレート３１の側面上に設けられた白色塗料の膜である。なお、当該光反射膜は、例えば黒色塗料などの光吸収膜に置換されることができる。
　次に、アンテナアレイ３２について説明する。本実施形態においては、アンテナアレイ３２は、蛍光体プレート３１の出射面Ｓ２上に形成されている。アンテナアレイ３２は、ＬＥＤ構造層２０の放射光のピーク波長よりも大きな周期で、蛍光体プレート３１内における波長変換光の実効波長程度の周期Ｐで各アンテナが配置された複数のアンテナ３２Ａを有している。
　これら複数のアンテナ３２Ａの各々は、本実施形態においては、表面プラズモンを励起可能な柱状又は錐状の金属突起（ピラー）である。また、本実施形態においては、アンテナ３２Ａの各々は、円柱形状を有し、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（プラチナ）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｌ（アルミニウム）及びＮｉ（ニッケル）等の紫外から可視光領域にプラズマ周波数を有する材料、並びにこれらを含む合金又は積層体からなる。
　また、図４Ｂに示すように、本実施形態においては、アンテナ３２Ａの各々は実質的に同一のアンテナ高さＨ及びアンテナ幅（直径）Ｗ１を有する。なお、アンテナ３２Ａが柱状又は錐状の形状を有する場合、アンテナ幅Ｗ１とはアンテナ３２Ａの最大幅をいう。
　また、本実施形態においては、これら複数のアンテナ３２Ａは、蛍光体プレート３１の出射面Ｓ２上に六方格子状に周期Ｐで配列されている。また、アンテナアレイ３２は、出射面Ｓ２の中央部の縦及び横の幅（アレイ幅）がＷ２で正方領域内に形成されている。
　本実施形態においては、アンテナ幅Ｗ１は１５０±２０ｎｍ、アレイ幅Ｗ２は６ｍｍである。また、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は約１．８２の屈折率を有し、４６０ｎｍ～７５０ｎｍの波長の光を発する。ここで、光学波長は（発光波長／屈折率）で計算される。
　アンテナアレイ３２の各アンテナ３２Ａに光が照射されると、アンテナ３２Ａの表面での局在表面プラズモン共鳴によりアンテナ３２Ａ近傍の電場強度が増大する。また、アンテナ３２Ａの配置周期Ｐを波長変換光Ｌ２１の光学波長程度とすることで、隣接する個々のアンテナ３２Ａの局在表面プラズモン共鳴が光回折を介した共振を起こし、さらなる電場強度の増大が生じ、波長変換光Ｌ２１の光取り出し効率が向上する。なお、本明細書においては、蛍光体プレート３１内での光学波長程度とは、例えば蛍光体プレート３１内における蛍光体の発光波長帯に前後５０ｎｍを加えた波長帯域をいう。
　これらによって、蛍光体プレート３１からの波長変換光Ｌ２１が増幅され、また、狭角な配光分布（低エタンデュ）となってアンテナアレイ３２から出射される。すなわち、アンテナアレイ３２は、蛍光体プレート３１内の光を増強し、また、二次光Ｌ２（波長変換光Ｌ２１）の出射方向を絞る機能を有する。
（４．２）ナノアンテナ蛍光体の狭角化構造
　次に、ナノアンテナ蛍光体３０の狭角化のための構造について説明する。ここで、プラズモン共鳴は回折モードと共調して発生するため、アンテナアレイ３２におけるアンテナ３２Ａ（ピラー）の周期Ｐは、回折角（放出角）と波長の関係をシミュレーションし、放出角度が３０°以内の光が増加する領域を算出することによって決定される。
　ここでは、アンテナ３２Ａが六方格子配置されたアンテナアレイ３２をモデルとして、周期Ｐが３６０ｎｍ～４８０ｎｍの条件において、放出角と波長の関係をシミュレーションした。
　図５Ａ～図５Ｄは、アンテナアレイ３２の放出角（θem）に対する波長変換光の波長のシミュレーション結果を示している。なお、周期Ｐをパラメータとして示している。より具体的には、図５Ａ～図５Ｄは、アンテナ３２Ａの周期Ｐが３６０ｎｍ，４００ｎｍ，４４０ｎｍ，４８０ｎｍのそれぞれの場合において、指向性の特徴を表す回折次数（１，０）の成分ＹＡＧ（１，０）（図中、実線で示す）と、回折次数（－１，０）（図中、一点鎖線で示す）とを示している。
　ここで、回折次数（－１，０）はナノアンテナ蛍光体３０から大気側へ放出することを表す線であり、ここではＡｉｒ（－１，０）と呼ぶことにする。Ａｉｒ（－１，０）線を境に、図の左上部側に伝播モードが存在する場合には、当該伝播モードは大気側に取り出すことが可能な光であることを示している。
　また、Ａｉｒ（－１，０）線を境に、図の右下の範囲に光モードが存在する場合には、当該光はエバネッセント光であり、光がナノアンテナ蛍光体３０の外に出てこないと考えて差支えがない。
　また、図５Ａ～図５Ｄにおいて、蛍光体プレート３１からの蛍光は、波長が５００ｎｍから６５０ｎｍの光が支配的であるため、この波長範囲内（図中、点線で示す）の回折光が３０°以内で放出することが条件とされる。
　光がナノアンテナ蛍光体３０から放出されるためには、上記のＡｉｒ（－１，０）線を考慮すると、点線で囲まれた範囲のうち、ＹＡＧ（１，０）の成分（破線で囲まれた領域）の光を取り出すことが可能である。 
　周期Ｐが４００ｎｍから４４０ｎｍの範囲では、３０°以内で取り出される光が多いことが判明した。 このため、アンテナアレイ３２による波長変換光の放出角度範囲を所定の範囲、例えば３０°以内としたときには、アンテナ３２Ａの周期Ｐは４００ｎｍから４４０ｎｍの範囲が望ましい。上記周期以外の条件では、光取り出しと関わる回折線の領域が大幅に減少することがわかる。
　すなわち、アンテナ３２Ａの周期Ｐは、アンテナアレイ３２による波長変換光の放出角度範囲に基づいて決定することができる。
　なお、アンテナ３２Ａが六方格子配置されたアンテナアレイ３２について説明したが、アンテナアレイ３２の格子構造はこれに限定されない。例えば、正方格子、三角格子等の周期構造を有するアンテナアレイを用いてもよい。
（５）発光装置１０の配光特性
　発光装置１０の配光特性について以下に説明する。図６Ａ、図６Ｂは、それぞれＬＥＤ構造層２０からの青色光の配光特性、ナノアンテナ蛍光体３０からの蛍光（黄色光）の配光特性を示している。また、図６Ｃは、発光装置１０からの白色光の配光特性、すなわち青色光及び蛍光（黄色光）の合成光の配光特性を示している。
　なお、図６Ａ～図６Ｃには、従来のＬＥＤ、蛍光体からのランバーシアン配光特性（図中、破線）示している。
　図６Ａに示すように、ＬＥＤ構造層２０からの青色光は、±１５°以内に相当する光が増加し、ランバーシアンに対して狭角化された配光が形成されていることがわかる。また、図６Ｂに示すように、ナノアンテナ蛍光体３０を励起した際に得られる黄色光に対しても、ランバーシアンに対して狭角化する機能があることがわかる。
　そして、図６Ｃに示すように、発光装置１０からの合成光（白色光）についても狭角化された配光特性が得られていることが分かる。
　より詳細には、従来のランバーシアン配光においては、±３０°以内の光束（出力割合）は２５％であるが、発光装置１０においては、±３０°以内の光束は４０％であり、ランバーシアン配光よりも１５％向上することが分かった。また、中心輝度が２０％以上増加することが判明した。
　すなわち、フォトニック結晶２１Ｐを有するＬＥＤ構造層２０と、ナノアンテナ蛍光体３０により形成される狭角青色光と狭角黄色光の合成によって、はじめて狭角白色光を形成することができる。
（６）発光装置１０のメカニズム及び構成
　上記においては、本発明の発光装置１０について詳細に説明したが、発光装置１０は、フォトニック結晶により狭角光が形成され、当該狭角光が効率よくナノアンテナ蛍光体に入射するように構成されていればよい。
　図７は、ＬＥＤ構造層２０により生成される狭角ＬＥＤ光を模式的に示す図である。より具体的には、図７に示すように、本発明の発光装置１０において、ＬＥＤ構造層２０は、フォトニック結晶層２１Ｐが内部に埋め込まれたフォトニック結晶ＬＥＤであり、狭角ＬＥＤ光（狭角青色光）が生成されるように構成されている。
　より詳細には、光学フィルタ４０のフィルタ膜４０Ａの反射率の入射角依存性に応じてフォトニック結晶層２１Ｐの空孔２２の周期が定められる。すなわち、フィルタ膜４０Ａ（例えば、ダイクロイックミラー）の反射角が０（ゼロ）となる角度θthを算出し、フォトニック結晶の回折角θがθ≦θthを満たすようにフォトニック結晶層２１Ｐの空孔２２の周期が定められる。
　すなわち、ＬＥＤ構造層２０は、角度θth（上記実施形態においてはθth＝１５°）以下の狭角光ＬＮが生成されるように構成されている。そして当該狭角光ＬＮ０は、ＳＰＦである光学フィルタ４０を透過し、高い入射効率でナノアンテナ蛍光体３０に入射する。
　ナノアンテナ蛍光体３０の蛍光体プレート３１に入射し、蛍光体によって波長変換された波長変換光（黄色光）はナノアンテナ３２Ａによって狭角光ＬＮ１として出射される。また、当該波長変換光は光学フィルタ４０によって出射方向に反射される。
　したがって、蛍光体プレート３１を透過した狭角青色光と狭角黄色光とによって狭角白色光が出射され、発光装置１０は狭角白色光源として機能する。
　なお、フォトニック結晶層２１Ｐが単一格子構造を有する場合を例に説明したが、二重格子構造など多重格子構造を有していてもよい。
　また、光学フィルタ４０がダイクロイックミラーによって構成されている場合を例に説明したが、これに限らない。ＬＥＤ構造層２０からの光を透過し、蛍光体プレート３１のからの波長変換光を反射するショートパスフィルタ（ＳＰＦ）等の光学フィルタで構成されていればよい。
　この場合、ＬＥＤ構造層２０からの発光に対する反射率の角度依存性が小さな光学フィルタ４０を用いることによって光取り出し効率を高めることができる。具体的には、入射角依存性の小さな広帯域のバンドパスフィルタを用いてもよい。
［第２の実施形態］
　図８は、本発明の第２の実施形態の発光装置５０の断面構造を模式的に示す断面図である。
　第２の実施形態の発光装置５０は、光学フィルタ４０が設けられていない点において第１の実施形態の発光装置１０とは異なる。
　より具体的には、発光装置５０は、ＬＥＤ構造層２０と、ＬＥＤ構造層２０上に配されたナノアンテナ蛍光体３０とを有する。ＬＥＤ構造層２０及びナノアンテナ蛍光体３０は第１の実施形態の発光装置１０と同一の構成を有している。
　すなわち、ＬＥＤ構造層２０はフォトニック結晶層２１Ｐを有し、所定の挟角光（例えば、ＬＥＤ構造層２０の法線方向に対して１５°以内）が出射されるように構成されている。
　なお、第１の実施形態の発光装置１０において述べたように、当該挟角光の角度はフォトニック結晶の空孔配列、格子定数ａ、空孔２２の径ｄによって決定することができる。
　本実施形態において、ＬＥＤ構造層２０からの挟角光は直接ナノアンテナ蛍光体３０に入射される。ナノアンテナ蛍光体３０の挟角化構造は、フォトニック結晶層２１Ｐからの挟角光の角度に応じて設定されていることが好ましい。
　第１の実施形態の発光装置１０において述べたように、ナノアンテナ蛍光体３０のプラズモン共鳴は回折モードと共調して発生するため、アンテナアレイ３２におけるアンテナ３２Ａの周期Ｐは、当該回折角と波長の関係をシミュレーションし、所定の放出角度（例えば、３０°）以内の光が増加する領域を算出することによって決定することができる。
　以上説明した構成の発光装置５０によって、挟角の配光特性及び高い出射光を有する混色光源を実現することができる。
　なお、上記した実施例においては、半導体発光構造層が窒化物半導体からなるフォトニック結晶発光ダイオードである場合について説明したが、これに限らず、他の結晶系の半導体からなるフォトニック結晶発光ダイオードについても適用が可能である。
　また、蛍光体プレートが青色光を黄色光に変換する蛍光体からなる場合について説明したが、これに限らない。用いられるフォトニック結晶発光ダイオードの波長等に応じて適宜蛍光体を選択して適用することができる。
　また、上記した実施例における数値は例示に過ぎず、用いられる半導体の組成、発光波長等に応じて適宜改変して適用することができる。
　１０，５０：発光装置、２０：半導体発光構造層、２１：第１の半導体層、２１Ｐ：フォトニック結晶層、２２：空孔（air hole）、２３：活性層、２３Ａ：発光層、２３Ｂ：スペーサ層、２５：第２の半導体層、２８Ａ：ｐ電極、２８Ｂ：ｎ電極、３０：ナノアンテナ蛍光体、３１：蛍光体プレート、３２：アンテナアレイ、３２Ａ、ナノアンテナ、４０：光学フィルタ、４０Ａ：フィルタ膜、４０Ｂ：透光性基板

Claims (9)

  1. 　フォトニック結晶層を有する半導体発光構造層と、
    　前記半導体発光構造層の出射面上に載置され、前記半導体発光構造層の放射光の波長を変換して波長変換光を生成する波長変換体及び前記波長変換体上に複数のナノアンテナが周期的に配列されたアンテナアレイからなるナノアンテナ蛍光体と、を有する発光装置。
  2. 　前記複数のナノアンテナは、前記半導体発光構造層の前記放射光ピーク波長よりも大きな周期で、かつ前記波長変換体内における前記波長変換光の実効波長程度の周期で配されている請求項１に記載の発光装置。
  3. 　前記複数のナノアンテナの周期は、前記アンテナアレイによる前記波長変換光の放出角度範囲に基づいて設定されている請求項１に記載の発光装置。
  4. 　前記半導体発光構造層は、ピーク波長が４４５ｎｍから４５５ｎｍの範囲内の青色光を放射し、
    　前記波長変換体は前記半導体発光構造層からの放射光の波長を変換して黄色光を生成し、
    　前記複数のナノアンテナの前記周期は、４００ｎｍ～４４０ｎｍの範囲内である、請求項１に記載の発光装置。
  5. 　前記半導体発光構造層及び前記ナノアンテナ蛍光体間に配された光学フィルタを備え、
    　前記光学フィルタは、前記半導体発光構造層の前記放射光を透過し、前記ナノアンテナ蛍光体の前記波長変換光を反射する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の発光装置。
  6. 　前記光学フィルタは、前記半導体発光構造層からの入射角が３０°以上の前記放射光に対し、前記放射光のピーク波長において１０％未満の透過率を有し、入射角が１５°以下の前記放射光に対し、前記ピーク波長において９０％以上の透過率を有する、請求項５に記載の発光装置。
  7. 　前記半導体発光構造層は、前記半導体発光構造層の前記放射光がランバーシアン配光特性と比較して１５°以下の放射光成分が大である配光特性を有し、
    　前記ナノアンテナ蛍光体は、前記ナノアンテナ蛍光体の出射光がランバーシアン配光特性と比較して１５°以下の出射光成分が大である配光特性を有する、請求項５に記載の発光装置。
  8. 　前記波長変換体は単相蛍光体である請求項１ないし４のいずれか一項に記載の発光装置。
  9. 　前記波長変換体は単相蛍光体である請求項５に記載の発光装置。
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