(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎ１を有する第１層、および、空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎ２を有する第２層の間に配置されたフォトルミネッセンス層であって、励起光を受けることにより、空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層を備え、
前記フォトルミネッセンス層は、複数の凸部および複数の凹部を含む表面構造を少なくとも一方の表面に有し、
前記屈折率ｎ１および前記屈折率ｎ２は、空気中の波長がλa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よりも小さく、かつ、ｎ１＞ｎ２の関係を満たし、
前記フォトルミネッセンス層および前記表面構造の積層構造は、ＴＭ偏光よりもＴＥ偏光をより強く出射する実効厚さを有し、
前記フォトルミネッセンス層は、第１の方向において互いに空間的に分離して配置された複数の帯状部を含み、
前記複数の帯状部のそれぞれは、前記表面構造を有しており、
前記表面構造の前記複数の凸部および前記複数の凹部は、前記第１の方向に沿って延びており、
前記複数の凸部および前記複数の凹部の配列方向は、前記第１の方向に垂直であり、
前記フォトルミネッセンス層のうち、前記複数の帯状部が配置された部分における厚さをｔwav、前記表面構造の厚さをｈ、空気中の波長がλaの光に対する前記表面構造の屈折率をｎp、前記表面構造に対する、前記第１層および前記第２層のうち前記複数の凸部の間にある部分の体積比率をＲvとし、ｍを整数としたとき、前記実効厚さであるｔeffは、下記の関係式（３）および（４）を満たす、発光素子。
【数１】
0006719094.tif 000041
【数２】
0006719094.tif 000042
【請求項２】
空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎ１を有する第１層、および、空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎ２を有する第２層の間に配置された導光層であって、複数の凸部および複数の凹部を含む表面構造を表面に有する導光層を備え、
前記導光層は、
励起光を受けることにより、空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層であって、空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎwav-aを有するフォトルミネッセンス層と、
前記表面構造および前記フォトルミネッセンス層の間に配置された中間層であって、空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎmを有する中間層と、を含み、
前記屈折率ｎ１および前記屈折率ｎ２は、空気中の波長がλaの光に対する前記導光層の屈折率よりも小さく、かつ、ｎ１＞ｎ２の関係を満たし、
前記導光層および前記表面構造の積層構造は、ＴＭ偏光よりもＴＥ偏光をより強く出射する実効厚さを有し、
前記フォトルミネッセンス層は、第１の方向において互いに空間的に分離して配置された複数の帯状部を含み、
前記複数の帯状部のそれぞれは、前記表面構造を有しており、
前記表面構造の前記複数の凸部および前記複数の凹部は、前記第１の方向に沿って延びており、
前記複数の凸部および前記複数の凹部の配列方向は、前記第１の方向に垂直であり、
前記フォトルミネッセンス層のうち、前記複数の帯状部が配置された部分における厚さをｔwav、前記表面構造の厚さをｈ、前記中間層の厚さをｔm、空気中の波長がλaの光に対する前記表面構造の屈折率をｎp、前記表面構造に対する、前記第１層および前記第２層のうち前記複数の凸部の間にある部分の体積比率をＲvとし、ｍを整数としたとき、前記実効厚さｔeffは、下記の関係式（７）および（８）を満たす、発光素子。
【数３】
0006719094.tif 000043
【数４】
0006719094.tif 000044
【請求項３】
前記複数の帯状部の前記第１の方向における長さは、隣接する凸部間または凹部間の距離Ｄintの４倍以下である、請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記複数の帯状部の前記第１の方向における長さは、２μｍ以下である、請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第１層および前記第２層のうちの一方は、前記フォトルミネッセンス層を支持する基板である、請求項１から４のいずれかに記載の発光素子。
【請求項６】
前記フォトルミネッセンス層と前記基板とが互いに接している、請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
前記第１層および前記第２層のうちのいずれか一方は、空気である、請求項１から６のいずれかに記載の発光素子。
【請求項８】
前記表面構造における隣接する２つの凸部間または隣接する２つの凹部間の距離をＤintとしたとき、（λa／ｎwav-a）＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ、請求項１から７のいずれかに記載の発光素子。
【請求項９】
前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み、
前記少なくとも１つの周期構造における周期をｐとしたとき、（λa／ｎwav-a）＜ｐ＜λaの関係が成り立つ、請求項１から８のいずれかに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発光素子に関し、特に、フォトルミネッセンス層を有する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、このような材料は、特定の方向のみに光を出射させる場合、リフレクター、レンズなどの光学部品とともに用いられることが一般的である。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２３１９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光学デバイスにおいて、リフレクター、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る。したがって、これらの光学部品を不要とするか、少しでも小型化できると有益である。
【０００５】
本開示は、フォトルミネッセンス材料の発光効率、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を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示のある実施形態の発光素子は、空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎ１を有する第１層、および、空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎ２を有する第２層の間に配置されたフォトルミネッセンス層であって、励起光を受けることにより、空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層を備え、前記フォトルミネッセンス層は、複数の凸部および複数の凹部を含む表面構造を少なくとも一方の表面に有し、前記屈折率ｎ１および前記屈折率ｎ２は、空気中の波長がλa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よりも小さく、かつ、ｎ１＞ｎ２の関係を満たし、前記フォトルミネッセンス層および前記表面構造の積層構造は、ＴＭ偏光よりもＴＥ偏光をより強く出射する実効厚さを有する。
【０００７】
上記の包括的または具体的な態様は、素子、装置、システム、方法で実現されてもよいし、これらの任意の組み合わせで実現されてもよい。
【０００８】
開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および／または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの１つ以上を得るために全てを必要とはしない。
【発明の効果】
【０００９】
本開示のある実施形態による発光素子は、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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａは、ある実施形態による発光素子の例示的な構成を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示す発光素子の模式的な部分断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、フォトルミネッセンス層を支持する基板を有する発光素子の構成の一例を示す模式的な斜視図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、図１Ｃに示す発光素子の模式的な部分断面図である。
【図２】図２は、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。
【図３】図３は、式（１８）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。
【図４】図４は、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔwav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５Ａ】図５Ａは、厚さｔwav＝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。
【図５Ｂ】図５Ｂは、厚さｔwav＝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。
【図５Ｃ】図５Ｃは、厚さｔwav＝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６】図６は、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ＴＭ偏光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。
【図７】図７は、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】図８は、図７と同様の条件でフォトルミネッセンス層の厚さを１０００ｎｍにした場合の結果を示す図である。
【図９】図９は、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】図１０は、図９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。
【図１１】図１１は、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＭ偏光であるとして図８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１２】図１２は、図８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。
【図１３】図１３は、屈折率が１．５の基板の上に、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。
【図１４】図１４は、式（２３）の条件を図示したグラフである。
【図１５】図１５は、フォトルミネッセンス層１１０の一部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模式的な断面図である。
【図１６】図１６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模式的な断面図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、基板上に周期構造を形成した変形例を示す模式的な断面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、基板上に周期構造を形成した他の変形例を示す模式的な断面図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、図１７Ａ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。
【図１８Ａ】図１８Ａは、２次元の周期構造の例を示す平面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、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。
【図１９】図１９は、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。
【図２０】図２０は、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。
【図２１Ａ】図２１Ａは、ＴＥ偏光の直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、試作した発光素子を図２１Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図２１Ｃ】図２１Ｃは、試作した発光素子を図２１Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
【図２１Ｄ】図２１Ｄは、ＴＭ偏光の直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。
【図２１Ｅ】図２１Ｅは、試作した発光素子を図２１Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図２１Ｆ】図２１Ｆは、試作した発光素子を図２１Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
【図２２Ａ】図２２Ａは、ＴＭ偏光の直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、試作した発光素子を図２２Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図２２Ｃ】図２２Ｃは、試作した発光素子を図２２Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
【図２２Ｄ】図２２Ｄは、ＴＥ偏光の直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造のライン方向と垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。
【図２２Ｅ】図２２Ｅは、試作した発光素子を図２２Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図２２Ｆ】図２２Ｆは、試作した発光素子を図２２Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
【図２３】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。
【図２４Ａ】図２４Ａは、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方についての出射光強度の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、図２４Ａに示すグラフにおける、回転角度が０°の近傍を拡大して示す図である。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方についての出射光強度の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
【図２４Ｄ】図２４Ｄは、図２４Ｃに示すグラフにおける、回転角度が０°の近傍を拡大して示す図である。
【図２５Ａ】図２５Ａは、表面構造に対する、表面構造における複数の凸部の間の部分の体積比率Ｒvの算出方法を説明するための模式的な断面図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、フォトルミネッセンス層１１０および表面構造１２０の積層構造の実効厚さｔeffの算出方法を説明するための模式的な断面図である。
【図２６】図２６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４０ｎｍ、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ｔwav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２７Ａ】図２７Ａは、図２６の計算に用いたモデルと同様のモデルにおいて、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを８０ｎｍとしたときの、出射光強度の角度依存性の計算結果を示す図である。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは、図２７Ａに示すグラフにおける、回転角度が０°の近傍を拡大して示す図である。
【図２７Ｃ】図２７Ｃは、図２６の計算に用いたモデルと同様のモデルにおいて、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを８０ｎｍとしたときの、出射光強度の角度依存性の計算結果を示す図である。
【図２７Ｄ】図２７Ｄは、図２７Ｃに示すグラフにおける、回転角度が０°の近傍を拡大して示す図である。
【図２８】図２８は、基板１４０に対向する表面上、および、基板１４０とは反対側の表面上にそれぞれ周期構造１２０ｃおよび周期構造１２０ｂを有する発光素子における実効厚さｔeffの算出方法を説明するための模式的な断面図である。
【図２９】図２９は、表面構造１２０とフォトルミネッセンス層１１０との間に保護層１５０が配置された構成における実効厚さｔeffの算出方法を説明するための模式的な断面図である。
【図３０】図３０は、ある方向に沿って複数の帯状の導波構造が配列された構成を有する発光素子の一例を示す斜視図である。
【図３１】図３１は、複数の帯状部１１２を含むフォトルミネッセンス層１１０Ｂが基板１４０上に配列された構成を有する発光素子１００Ｗを示す斜視図である。
【図３２Ａ】図３２Ａは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを２００ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを１６μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３２Ｂ】図３２Ｂは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを２００ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを８μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３２Ｃ】図３２Ｃは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを２００ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを４μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３２Ｄ】図３２Ｄは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを２００ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを２μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３２Ｅ】図３２Ｅは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを２００ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを１．４μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３２Ｆ】図３２Ｆは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを２００ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを１．２μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３２Ｇ】図３２Ｇは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを２００ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを１μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３２Ｈ】図３２Ｈは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを２００ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを０．８μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３２Ｉ】図３２Ｉは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを２００ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを０．４μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３３Ａ】図３３Ａは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを８０ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを１６μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３３Ｂ】図３３Ｂは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを８０ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを８μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３３Ｃ】図３３Ｃは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを８０ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを４μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３３Ｄ】図３３Ｄは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを８０ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを２μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３３Ｅ】図３３Ｅは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを８０ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを１．４μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３３Ｆ】図３３Ｆは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを８０ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを１．２μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３３Ｇ】図３３Ｇは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを８０ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを１μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３３Ｈ】図３３Ｈは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを８０ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを０．８μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３３Ｉ】図３３Ｉは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを８０ｎｍとし、帯状部１１２の幅Ｗを０．４μｍとしたときの、出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す図である。
【図３４Ａ】図３４Ａは、周期構造における周期ｐが０．３μｍであるときの、正面方向から４０°傾斜した方向に出射する光の増強度の計算結果を示す図である。
【図３４Ｂ】図３４Ｂは、周期構造における周期ｐが０．４μｍであるときの、正面方向から４０°傾斜した方向に出射する光の増強度の計算結果を示す図である。
【図３４Ｃ】図３４Ｃは、周期構造における周期ｐが０．５μｍであるときの、正面方向から４０°傾斜した方向に出射する光の増強度の計算結果を示す図である。
【図３４Ｄ】図３４Ｄは、周期構造における周期ｐが０．６μｍであるときの、正面方向から４０°傾斜した方向に出射する光の増強度の計算結果を示す図である。
【図３５Ａ】図３５Ａは、図３１に示す発光素子１００Ｗと同様の構成を有する発光素子のサンプルのＳＥＭ像を示す図である。
【図３５Ｂ】図３５Ｂは、試作した発光素子の、スクリーン上に形成された出射光のパターンを示す図である。
【図３６Ａ】図３６Ａは、フォトルミネッセンス層１１０Ｂにおける帯状部１１２の形状および表面構造１２０における凸部の形状の変形例を示す平面図である。
【図３６Ｂ】図３６Ｂは、フォトルミネッセンス層１１０Ｂにおける帯状部１１２の形状および表面構造１２０における凸部の形状の他の変形例を示す平面図である。
【図３７】図３７は、フォトルミネッセンス層１１０Ｂにおける帯状部１１２の形状および表面構造１２０における凸部の形状のさらに他の変形例を示す平面図である。
【図３８】図３８は、フォトルミネッセンス層１１０Ｂにおける帯状部１１２の形状および表面構造１２０における凸部の形状のさらに他の変形例を示す平面図である。
【図３９】図３９は、フォトルミネッセンス層１１０Ｂにおける帯状部１１２の形状および表面構造１２０における凸部の形状のさらに他の変形例を示す平面図である。
【図４０】図４０は、フォトルミネッセンス層１１０Ｂにおける帯状部１１２の形状および表面構造１２０における凸部の形状のさらに他の変形例を示す平面図である。
【図４１】図４１は、フォトルミネッセンス層１１０Ｂにおける帯状部１１２の形状および表面構造１２０における凸部の形状のさらに他の変形例における平面図、正面図および側面図をあわせて示す図である。
【図４２Ａ】図４２Ａは、スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。
【図４２Ｂ】図４２Ｂは、屈折率が互いに異なる２つの媒質の間に配置されたスラブ型導波路のモデルを示す図である。
【図４３】図４３は、図１Ａ、図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３００の構成例を示す図である。
【図４４Ａ】図４４Ａは、ｘ方向の周期ｐxを有する１次元周期構造を示す図である。
【図４４Ｂ】図４４Ｂは、ｘ方向の周期ｐx、ｙ方向の周期ｐyを有する２次元周期構造を示す図である。
【図４４Ｃ】図４４Ｃは、図４４Ａの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。
【図４４Ｄ】図４４Ｄは、図４４Ｂの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。
【図４５】図４５は、複数の粉末状の発光素子を混ぜた構成を示す図である。
【図４６】図４６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。
【図４７】図４７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す図である。
【図４８】図４８は、フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子における発光増強効果を受ける光の波長および出射方向の間の関係を説明するための模式図である。
【図４９Ａ】図４９Ａは、発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。
【図４９Ｂ】図４９Ｂは、１次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。
【図５０】図５０は、マイクロレンズを備える発光素子の模式的な断面図である。
【図５１Ａ】図５１Ａは、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する発光素子の例を示す模式的な断面図である。
【図５１Ｂ】図５１Ｂは、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図５２Ａ】図５２Ａは、フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の例を示す模式的な断面図である。
【図５２Ｂ】図５２Ｂは、フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図５２Ｃ】図５２Ｃは、フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子のさらに他の例を示す模式的な断面図である。
【図５２Ｄ】図５２Ｄは、フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子のさらに他の例を示す模式的な断面図である。
【図５３Ａ】図５３Ａは、フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の例を示す模式的な断面図である。
【図５３Ｂ】図５３Ｂは、フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図５３Ｃ】図５３Ｃは、フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子のさらに他の例を示す模式的な断面図である。
【図５４Ａ】図５４Ａは、周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の例を示す模式的な断面図である。
【図５４Ｂ】図５４Ｂは、周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図５５Ａ】図５５Ａは、透明高熱伝導層を有する発光素子の例を示す模式的な断面図である。
【図５５Ｂ】図５５Ｂは、透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図５５Ｃ】図５５Ｃは、透明高熱伝導層を有する発光素子のさらに他の例を示す模式的な断面図である。
【図５５Ｄ】図５５Ｄは、透明高熱伝導層を有する発光素子のさらに他の例を示す模式的な断面図である。
【図５６Ａ】図５６Ａは、放熱特性が改善された発光装置の例を示す模式的な断面図である。
【図５６Ｂ】図５６Ｂは、放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。
【図５６Ｃ】図５６Ｃは、放熱特性が改善された発光装置のさらに他の例を示す模式的な断面図である。
【図５６Ｄ】図５６Ｄは、放熱特性が改善された発光装置のさらに他の例を示す模式的な断面図である。
【図５７Ａ】図５７Ａは、高熱伝導部材を有する発光素子の例を示す模式的な断面図である。
【図５７Ｂ】図５７Ｂは、図５７Ａに示す発光素子の平面図である。
【図５７Ｃ】図５７Ｃは、高熱伝導部材を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図５７Ｄ】図５７Ｄは、図５７Ｃに示す発光素子の平面図である。
【図５８Ａ】図５８Ａは、タイリングされた複数の発光素子における高熱伝導部材の配置の例を示す模式的な断面図である。
【図５８Ｂ】図５８Ｂは、図５８Ａに示す発光素子の平面図である。
【図５９Ａ】図５９Ａは、インターロック回路を備える発光装置の例を示す模式図である。
【図５９Ｂ】図５９Ｂは、インターロック回路を有する発光装置の構成を示す模式図である。
【図６０Ａ】図６０Ａは、ビーズを用いたサブミクロン構造の形成方法を説明するための図である。
【図６０Ｂ】図６０Ｂは、ビーズを用いたサブミクロン構造の形成方法を説明するための第２の図である。
【図６０Ｃ】図６０Ｃは、ビーズの充填状態の一例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。
【図６０Ｄ】図６０Ｄは、ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。
【図６０Ｅ】図６０Ｅは、ビーズの充填状態のさらに他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。
【図６０Ｆ】図６０Ｆは、ビーズの充填状態のさらに他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。
【図６１】図６１は、本開示の発光素子をスクリーンとして備える透明ディスプレイの構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示は、以下の項目に記載の発光素子を含む。
【００１２】
［項目１］
空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎ１を有する第１層、および、空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎ２を有する第２層の間に配置されたフォトルミネッセンス層であって、励起光を受けることにより、空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層を備え、
フォトルミネッセンス層は、複数の凸部および複数の凹部を含む表面構造を少なくとも一方の表面に有し、
屈折率ｎ１および屈折率ｎ２は、空気中の波長がλaの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav-aよりも小さく、かつ、ｎ１＞ｎ２の関係を満たし、
フォトルミネッセンス層および表面構造の積層構造は、ＴＭ偏光よりもＴＥ偏光をより強く出射する実効厚さを有する、発光素子。
【００１３】
項目１の構成によれば、ＴＥ偏光を選択的に強く出射させ得るので、指向性をより向上させ得る。
【００１４】
［項目２］
フォトルミネッセンス層の厚さをｔwav、表面構造の厚さをｈ、空気中の波長がλaの光に対する表面構造の屈折率をｎp、表面構造に対する、第１層および第２層のうち複数の凸部の間にある部分の体積比率をＲvとし、ｍを整数としたとき、実効厚さであるｔeffは、下記の関係式（１）および（２）を満たす、項目１に記載の発光素子。
【数１】
0006719094.tif 000002
【数２】
0006719094.tif 000003
【００１５】
［項目３］
フォトルミネッセンス層は、それぞれが表面構造を有し、かつ、互いに空間的に分離して配置された複数の帯状部を含み、
フォトルミネッセンス層のうち、複数の帯状部が配置された部分における厚さをｔwav、表面構造の厚さをｈ、空気中の波長がλaの光に対する表面構造の屈折率をｎp、表面構造に対する、第１層および第２層のうち複数の凸部の間にある部分の体積比率をＲvとし、ｍを整数としたとき、実効厚さであるｔeffは、下記の関係式（３）および（４）を満たす、項目１に記載の発光素子。
【数３】
0006719094.tif 000004
【数４】
0006719094.tif 000005
【００１６】
項目３の構成によれば、表面構造を構成する凸部の延びる方向に対して法線が垂直であるような面内に関しても高い指向性を有する発光素子を提供し得る。
【００１７】
［項目４］
空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎ１を有する第１層、および、空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎ２を有する第２層の間に配置された導光層であって、複数の凸部および複数の凹部を含む表面構造を表面に有する導光層を備え、
導光層は、
励起光を受けることにより、空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層であって、空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎwav-aを有するフォトルミネッセンス層と、
表面構造およびフォトルミネッセンス層の間に配置された中間層であって、空気中の波長がλaの光に対する屈折率ｎmを有する中間層と、を含み、
屈折率ｎ１および屈折率ｎ２は、空気中の波長がλaの光に対する導光層の屈折率よりも小さく、かつ、ｎ１＞ｎ２の関係を満たし、
導光層および表面構造の積層構造は、ＴＭ偏光よりもＴＥ偏光をより強く出射する実効厚さを有する、発光素子。
【００１８】
項目５の構成によれば、ＴＥ偏光を選択的に強く出射させ得るので、指向性をより向上させ得る。
【００１９】
［項目５］
フォトルミネッセンス層の厚さをｔwav、表面構造の厚さをｈ、中間層の厚さをｔm、空気中の波長がλaの光に対する表面構造の屈折率をｎp、表面構造に対する、第１層および第２層のうち複数の凸部の間にある部分の体積比率をＲvとし、ｍを整数としたとき、実効厚さｔeffは、下記の関係式（５）および（６）を満たす、項目４に記載の発光素子。
【数５】
0006719094.tif 000006
【数６】
0006719094.tif 000007
【００２０】
［項目６］
フォトルミネッセンス層は、それぞれが表面構造を有し、かつ、互いに空間的に分離して配置された複数の帯状部を含み、
フォトルミネッセンス層のうち、複数の帯状部が配置された部分における厚さをｔwav、表面構造の厚さをｈ、中間層の厚さをｔm、空気中の波長がλaの光に対する表面構造の屈折率をｎp、表面構造に対する、第１層および第２層のうち複数の凸部の間にある部分の体積比率をＲvとし、ｍを整数としたとき、実効厚さｔeffは、下記の関係式（７）および（８）を満たす、項目４に記載の発光素子。
【数７】
0006719094.tif 000008
【数８】
0006719094.tif 000009
【００２１】
項目６の構成によれば、表面構造を構成する凸部の延びる方向に対して法線が垂直であるような面内に関しても高い指向性を有する発光素子を提供し得る。
【００２２】
［項目７］
複数の帯状部は、第１の方向において互いに空間的に分離して配置されており、
複数の凸部および複数の凹部は、第１の方向に沿って延びている、項目３または６に記載の発光素子。
【００２３】
［項目８］
複数の凸部および複数の凹部の配列方向は、第１の方向に垂直である、項目７に記載の発光素子。
【００２４】
［項目９］
複数の帯状部の第１の方向における長さは、隣接する凸部間または凹部間の距離Ｄintの４倍以下である、項目７または８に記載の発光素子。
【００２５】
項目９の構成によれば、光を強く出射させたい方向から離れた方向への光の出射をより効果的に抑制し得る。
【００２６】
［項目１０］
複数の帯状部の第１の方向における長さは、２μｍ以下である、項目７または８に記載の発光素子。
【００２７】
項目１０の構成によれば、光を強く出射させたい方向から離れた方向への光の出射をより効果的に抑制し得る。
【００２８】
［項目１１］
第１層および第２層のうちの一方は、フォトルミネッセンス層を支持する基板である、項目１から１０のいずれかに記載の発光素子。
【００２９】
項目１１の構成によれば、基板の材料の選択により、フォトルミネッセンス層の一方の表面側にある媒質の屈折率と、他方の表面側にある媒質の屈折率とを比較的容易に異ならせ得る。
【００３０】
［項目１２］
フォトルミネッセンス層と基板とが互いに接している、項目１１に記載の発光素子。
【００３１】
［項目１３］
第１層および第２層のうちのいずれか一方は、空気である、項目１から１２のいずれかに記載の発光素子。
【００３２】
［項目１４］
表面構造における隣接する２つの凸部間または隣接する２つの凹部間の距離をＤintとしたとき、（λa／ｎwav-a）＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ、項目１から１３のいずれかに記載の発光素子。
【００３３】
［項目１５］
表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み、
少なくとも１つの周期構造における周期をｐとしたとき、（λa／ｎwav-a）＜ｐ＜λaの関係が成り立つ、項目１から１４のいずれかに記載の発光素子。
【００３４】
本開示の実施形態による発光素子は、励起光を受けることにより、空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層を有する（下付きの「ａ」は、空気中での光の波長であることを表す）。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）である。しかしながら、波長λaは、可視光の波長範囲内に限定されず、可視光の波長範囲外であってもよい。例えば、赤外線を利用する用途において、波長λaは、７８０ｎｍ超であってもよい。また、例えば、紫外線を利用する用途では、波長λaは、３８０ｎｍ未満であり得る。本開示では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。
【００３５】
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（例えば、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、酸化物などの無機材料、または、樹脂である。
【００３６】
ある実施形態において、フォトルミネッセンス層は、複数の凸部および複数の凹部を含む表面構造を少なくとも一方の表面に有する。この表面構造を「凹凸構造」と呼んでもよい。ここで、表面構造における凸部は、フォトルミネッセンス層（または後述の導光層）の表面からフォトルミネッセンス層の外部に向かって突出する構造を包含し、表面構造における凹部は、互いに隣接する２つの凸部の間に形成される。表面構造は、例えば、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（例えば、無機材料、樹脂など）から形成される。表面構造は、例えば誘電体（特に、光の吸収が少ない絶縁体）から形成され得る。表面構造を構成する材料は、フォトルミネッセンス層を構成する材料と異なっていてもよいし、共通であってもよい。
【００３７】
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、または、フォトルミネッセンス層を含む導光層の内部に、ユニークな電場分布を形成する。この電場分布は、導波光が表面構造と相互作用することによって形成される。このような電場分布を形成する光のモードを「擬似導波モード」と呼んでもよい。この擬似導波モードを活用することにより、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、偏光の選択性の少なくともいずれか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。ただし、その説明は、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。
【００３８】
例えば、フォトルミネッセンス層の内部に擬似導波モードを形成する場合、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播する光であると考えることが可能である。このとき、波長λaの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwavと書けば、擬似導波モードの光に対する、媒質の実効屈折率ｎeffをｎeff＝ｎwavｓｉｎθと書くことができる。ここで、空気の屈折率をｎairとすれば、ｎair＜ｎeff＜ｎwavの関係が成立する。なお、屈折率は、一般に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、本明細書では、簡単のために「ｎwav-a」を単に「ｎwav」と表記することがある。
【００３９】
実効屈折率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。したがって、例えば表面構造とフォトルミネッセンス層との間に他の媒質が介在する場合、実効屈折率ｎeffは、フォトルミネッセンス層の屈折率だけでなく、その媒質の屈折率にも依存する。また、擬似導波モードの偏光（ＴＥモードとＴＭモード）によって電場の分布は異なるので、ＴＥモードとＴＭモードとでは実効屈折率ｎeffが異なり得る。フォトルミネッセンス層自体が、複数の材料が混合された媒質である場合には、屈折率ｎwavとして、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用いればよい。
【００４０】
フォトルミネッセンス層は、波長λaの光に対する屈折率が互いに異なり、かつ、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav-aよりも小さな屈折率を有する２つの媒質間に配置される。例えば、フォトルミネッセンス層は、波長λaの光に対する屈折率がｎ１の第１層と、波長λaの光に対する屈折率がｎ１よりも小さいｎ２である第２層との間に配置され得る。ここで、ｎwav-a＞ｎ１＞ｎ２であり、上述の表面構造は、典型的には、フォトルミネッセンス層の第２層側の表面に配置される。第１層および第２層の一方は、空気層であり得る。第１層または第２層は、フォトルミネッセンス層を支持する基板（典型的には透明基板）であってもよい。
【００４１】
フォトルミネッセンス層と表面構造との間に保護層などの中間層が配置されてもよい。この場合、光学的には、フォトルミネッセンス層および中間層の積層構造を単一のフォトルミネッセンス層と等価とみなし得るので、フォトルミネッセンス層および中間層の積層構造を導光層と呼ぶことができる。フォトルミネッセンス層と表面構造との間に中間層が配置された構成では、導光層が、第１層および第２層の間に配置される。空気中の波長がλaの光に対する、導光層の屈折率をｎcmpとすれば、ここでは、ｎcmp＞ｎ１＞ｎ２の関係が成立する。
【００４２】
フォトルミネッセンス層と表面構造との間に中間層が配置された構成においては、表面構造は、導光層の表面に位置する。表面構造は、中間層の表面に設けられてもよいし、フォトルミネッセンス層の主面のうち、中間層に対向していない側の主面に設けられてもよい。あるいは、導光層の両方の主面、即ち中間層の表面およびフォトルミネッセンス層の表面の両方に表面構造を形成してもよい。表面構造をフォトルミネッセンス層に近接して配置することにより、導波モードの電場が表面構造に到達し、導光層またはフォトルミネッセンス層の内部に擬似導波モードが形成される。ここで、表面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。したがって、表面構造およびフォトルミネッセンス層の間に中間層を有する構成においては、中間層の厚さは、典型的には、波長λaの半分以下である。ただし、空気中の波長がλaの光に対する、中間層の屈折率ｎmが、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavよりも大きいときには、上記の関係を満足しなくても導光層上の表面構造まで光が到達し得るので、中間層の厚さ（表面構造とフォトルミネッセンス層との間の距離といってもよい）は、波長λaの半分超であってもよい。
【００４３】
フォトルミネッセンス層または導光層の表面に形成される表面構造において隣接する２つの凸部または隣接する２つの凹部の中心間の距離（以下、「中心間隔」と称することがある）Ｄintは、典型的には、フォトルミネッセンス層が発する光の空気中における波長λaよりも短い。例えば、隣接する凸部間の中心間距離をＤintとすると、（λa／ｎwav-a）＜Ｄint＜λaの関係が満足され得る。表面構造が（λa／ｎwav-a）＜Ｄint＜λaの関係を満足するとき、例えば可視光を利用する用途では、表面構造は、マイクロメートルのオーダー（ミクロンオーダー）よりも短いサブミクロンオーダーの大きさで特徴づけられる。つまり、フォトルミネッセンス層から発せられる光が可視光、短波長の近赤外線、または紫外線の場合、距離Ｄintは、マイクロメートルのオーダーよりも小さく、したがって、そのような表面構造を、「サブミクロン構造」と呼んでもよい。
【００４４】
このように、表面構造は、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であり得る。ただし、「サブミクロン構造」が、その一部に１マイクロメートル（μｍ）を超える中心間隔または周期を有する部分を含んでいてもよい。以下の説明では、可視光を発するフォトルミネッセンス層を主に想定し、表面構造を意味する用語として「サブミクロン構造」の用語を用いることがある。しかしながら、サブミクロンオーダーを超える微細構造（例えば、赤外線を利用する用途で使用されるミクロンオーダーの微細構造）を有する表面構造についても、以下の議論は全く同様に成立する。
【００４５】
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、表面構造は、典型的には、複数の凸部または複数の凹部が一次元または二次元に周期的に配列された部分を含む。言い換えれば、表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み得る。表面構造における複数の凸部および複数の凹部は、互いに接する２つの屈折率の異なる部材（または媒質）の境界に形成される。したがって、「周期構造」は、ある方向に屈折率が周期的に変動する部分を含む構造といえる。ここで「周期的」とは、厳密に周期的である態様に限定されず、近似的に周期的であるといえる態様を含む。本明細書において、連続する複数の凸部または凹部のうち、隣接する２つの中心間の距離が、いずれの２つの隣接する凸部または凹部についても、ある値ｐの±１５％以内の範囲に収まっているとき、その部分を、周期ｐを有する周期構造と考える。
【００４６】
周期構造における周期ｐ（表面構造における中心間隔といってもよい）は、典型的には、フォトルミネッセンス層が発する光の空気中における波長λaよりも短く、（λa／ｎwav-a）＜ｐ＜λaの関係が成り立つ。このように、表面構造は、隣接する凸部間（または隣接する凹部間）の距離Ｄintがｐで一定の周期構造を含み得る。表面構造がこのような周期構造を含むと、擬似導波モードの光は、伝播しながら表面構造と相互作用を繰り返すことにより、表面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。
【００４７】
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。すなわち、周期構造が存在しない場合と比較して、指向性が顕著に向上する。さらに、ＴＥモードとＴＭモードとの間で実効屈折率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偏光）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、正面方向に出射する光の指向角は例えば１５°未満である。ここで、「指向角」とは、出射する特定の波長の直線偏光について、強度が最大である方向と、強度が最大強度の５０％になる方向との間の角度と定義される。すなわち、指向角は強度が最大である方向を０°とした場合の片側の角度である。
【００４８】
このように、本開示の実施形態における表面構造（典型的には周期構造）は、特定の波長λaの光の指向角を制限する。言い換えれば、当該波長λaの光の配光を、表面構造がない場合と比較して狭角にする。このような、表面構造が存在しない場合と比較して指向角が低減された配光を、「狭角配光」と呼ぶことがある。なお、本開示の実施形態における表面構造は、波長λaの光の指向角を制限するが、波長λaの光の全てを狭角に出射するのではない。例えば後述する図２３に示す例では、強度が最大になる方向から離れた角度（例えば２０°〜７０°）の方向にも波長λaの光が僅かに出射する。しかしながら、全体的には、波長λaの出射光が０°〜２０°の範囲に集中しており、指向角が制限されている。
【００４９】
なお、本開示の典型的な実施形態における周期構造は、一般的な回折格子とは異なり、光の波長λaよりも短い周期を有する。一般的な回折格子は、光の波長λaよりも十分に長い周期を有し、その結果、特定の波長の光を０次光（即ち透過光）、±１次回折光などの複数の回折光に分けて出射させる。そのような回折格子は、高次の回折光が０次光の両側に発生する。回折格子における、０次光の両側に発生する高次の回折光は、狭角配光の実現を困難にする。言い換えれば、従来の回折格子は、光の指向角を所定の角度（例えば１５°程度）に制限するという本開示の実施形態に特有の効果を奏しない。この点で、本開示の実施形態における周期構造は、従来の回折格子とは顕著に異なる性質を有する。
【００５０】
後述するように、本開示の典型的な実施形態では、さらに、フォトルミネッセンス層および表面構造の積層構造、または、導光層および表面構造の積層構造における実効厚さを所定の範囲内とする。この実効厚さの範囲は、積層構造がＴＭモードよりもＴＥモードを許容するような範囲である。積層構造の実効厚さを所定の範囲内とすることにより、発光素子からＴＭ偏光よりもＴＥ偏光をより強く出射させることが可能である。すなわち、偏光の選択性が向上し、結果としてより高い指向性を有する発光素子を提供し得る。
【００５１】
［１−１．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、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（あるいは小さくできるので）、光学デバイスおよび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。
【００５２】
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（９）で表される。
【数９】
0006719094.tif 000010
【００５３】
式（９）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および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。
【００５４】
一方、式（９）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。本開示の実施形態では、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。その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。
【００５５】
［１−２．特定の方向の電場のみを強くする構成］
本発明者らは、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、発生した光を導波モードに結合させることができる。しかしながら、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、本発明者らは、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と周期構造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形成される。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く、したがって、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。つまり、本発明者らは、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）によって構成することにより、発生した光を、特定方向の伝播光に変換される擬似導波モードに結合させ、指向性のある光源を実現することを考えた。
【００５６】
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４２Ａ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により、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るので、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。なお、フォトルミネッセンス層の厚さを光の波長程度とすれば、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も可能である。
【００５７】
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によって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得る。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。
【００５８】
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る。このモードは、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質を有する。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方が有利である。
【００５９】
本発明者らは、まずこのような導波路の表面に、周期構造を形成することによって、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、発生した光を結合させることを検討した。図１Ａは、そのような導波路１１０と表面構造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。図１Ａには、参考のために、互いに直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸が示されている。以下、他の図面においても、互いに直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を示すことがある。図１Ａに示す例では、導波路１１０は、ｘｙ面内に広がっている。
【００６０】
この例では、表面構造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。したがって、以下の説明においては、表面構造１２０を周期構造１２０と呼ぶことがある。また、ここでは、フォトルミネッセンス層を導波路１１０として用いる構成を例示して説明する。そのため、以下では、導波路１１０をフォトルミネッセンス層１１０と呼ぶことがある。
【００６１】
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模式的な断面図である。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（１０）で表すことができる。
【数１０】
0006719094.tif 000011
【００６２】
式（１０）におけるｍは整数であり、回折の次数を表す。
【００６３】
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（１１）および（１２）が成立するとする。
【数１１】
0006719094.tif 000012
【数１２】
0006719094.tif 000013
【００６４】
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である。式（１０）〜（１２）から、出射角θoutは、以下の式（１３）で表すことができる。
【数１３】
0006719094.tif 000014
【００６５】
式（１３）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。
【００６６】
以上のような原理に基づけば、発生した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。
【００６７】
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（１４）で表される。
【数１４】
0006719094.tif 000015
【００６８】
擬似導波モードの光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（１３）において−１＜ｓｉｎθout＜１である必要がある。よって、以下の式（１５）を満足する必要がある。
【数１５】
0006719094.tif 000016
【００６９】
これに対し、式（１４）を考慮すると、以下の式（１６）が成立すればよいことがわかる。
【数１６】
0006719094.tif 000017
【００７０】
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（１３）から、以下の式（１７）を満たすことが必要である。
【数１７】
0006719094.tif 000018
【００７１】
式（１７）および式（１４）から、必要な条件は、以下の式（１８）であることがわかる。
【数１８】
0006719094.tif 000019
【００７２】
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。この場合、ｍ＝１として、式（１８）を変形した以下の式（１９）を満足するように周期ｐが決定される。
【数１９】
0006719094.tif 000020
【００７３】
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が基板に接していない場合には、ｎoutは空気の屈折率（約１．０）である。したがって、以下の式（２０）を満足するように周期ｐを決定すればよい。
【数２０】
0006719094.tif 000021
【００７４】
一方、図１Ｃおよび図１Ｄに例示するような、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。図１Ｃおよび図１Ｄに示す発光素子１００Ｓにおいて、フォトルミネッセンス層１１０と基板１４０とは、互いに接している。典型的には、基板１４０として透明基板が用いられる。基板の屈折率は、一般に空気の屈折率よりも大きく、したがって、フォトルミネッセンス層１１０を支持する基板１４０を有する構成においては、基板１４０の屈折率をｎsとすれば、式（１９）においてｎout＝ｎsとした次式（２１）を満足するように周期ｐを決定すればよい。
【数２１】
0006719094.tif 000022
【００７５】
なお、式（２０）、（２１）では、式（１８）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（２２）を満足するように周期ｐが設定されればよい。
【数２２】
0006719094.tif 000023
【００７６】
同様に、図１Ｃおよび図１Ｄに示す発光素子１００Ｓのようにフォトルミネッセンス層１１０が基板１４０上に形成されている場合には、以下の式（２３）を満足するように周期ｐが設定されればよい。
【数２３】
0006719094.tif 000024
【００７７】
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。即ち、指向性を有する発光装置を実現できる。
【００７８】
［２．計算による検証］
［２−１．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により、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。
【００７９】
フォトルミネッセンス層の厚さを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。計算モデルとして、図１Ａに示すように、ｙ方向には均一な１次元周期構造を有する構成を想定した。光の偏光は、ｙ方向に平行な電場成分を有するＴＥ偏光であるとした。
【００８０】
なお、周期構造を構成する材料とフォトルミネッセンス層を構成する材料とが異なる場合、周期構造の高さは、フォトルミネッセンス層の表面から周期構造の上面までの、フォトルミネッセンス層の法線方向（ここではｚ方向）に沿った長さを意味する。図１Ｂおよび図１Ｄでは、矢印ｈによって周期構造の高さを模式的に示している。後述するような、フォトルミネッセンス層自体に凹凸を形成することにより周期構造を形成した構成においては、周期構造の高さは、フォトルミネッセンス層から外部に向かって突出する部分である凸部の基部（凹部の底といってもよい）から凸部の上面までの、フォトルミネッセンス層の法線方向に沿った長さを意味する。
【００８１】
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。図２において、増強度の大きさは、色の濃淡によって表されており、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。
【００８２】
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としている。式（１８）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。
【００８３】
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。
【００８４】
［２−２．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ｔwav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。導波路としてのフォトルミネッセンス層の厚さｔwav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。
【００８５】
図４に示すように、波長６００ｎｍでは、厚さｔwav＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍのときに、増強度のピークが現れている。増強度のピークが存在する、波長６００ｎｍ、かつ、厚さｔwav＝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ｔwav＝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。ｔwav＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍの場合には高い電場強度の分布があるのに対して、ｔwav＝３００ｎｍでは全体的に電場強度が低い。これは、ｔwav＝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、周期構造１２０における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確認できる。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、ｔwav＝２３８ｎｍの場合とｔwav＝５３９ｎｍの場合とを比較すると、これらは、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。
【００８６】
［２−３．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ＴＭ偏光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。ＴＥ偏光のとき（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、導波路に表面構造を結合した本開示の構成は、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光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。
【００８７】
以上のように、本開示の実施形態によれば、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。このような構成において、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。
【００８８】
［３．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、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。
【００８９】
［３−１．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厚さを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ＴＥ偏光である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７に示す。また、同様の条件でフォトルミネッセンス層の厚さを１０００ｎｍにした場合の結果を図８に示す。
【００９０】
まず、フォトルミネッセンス層の厚さに着目すると、厚さが２００ｎｍの場合（図７）に比べ、厚さが１０００ｎｍの場合（図８）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（以下、「ピーク波長」と呼ぶことがある）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厚さが小さいほど、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、実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。周期構造の屈折率がピーク波長に与える影響は、フォトルミネッセンス層の厚さが小さいほど顕著になる。なお、実効屈折率は、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。
【００９１】
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。これを実現する観点からは、周期構造の材料として、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ない材料を用いることが有益である。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。
【００９２】
［３−２．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厚さを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次元周期構造であって屈折率を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ＴＥ偏光である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９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１０に示す。図９に示す結果では、ある程度以上の高さではピーク強度およびＱ値（即ち、ピークの線幅）が変化していないことに対して、図１０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９）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１０）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１０を見る限り、周期構造の高さは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値が低下することがわかる。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には、周期構造の高さを１５０ｎｍ以下に設定すればよいことがわかる。
【００９３】
［３−３．偏光方向］
次に、偏光方向に関して検討を行った。図８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ＴＭ偏光であるものとして計算した結果を図１１に示す。ＴＭ偏光では、擬似導波モードの電場の染み出しがＴＥ偏光に比べて大きいために、周期構造による影響を受けやすい。そのため、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ＴＥ偏光よりも著しい。
【００９４】
［３−４．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８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１２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８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以上の光が正面方向に出射していないことがわかる。これは、式（１８）より、λ0＜ｎwav×ｐ／ｍ＝１．５×４００ｎｍ／１＝６００ｎｍとなるからである。
【００９５】
以上の分析から、周期構造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周期構造の高さを１５０ｎｍ以下にすることによって、ピーク強度およびＱ値を高くし得ることがわかる。
【００９６】
［４．変形例］
ここで、本開示の実施形態による発光素子の変形例を説明する。
【００９７】
［４−１．基板を有する構成］
上述のように、発光素子は、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得る（図１Ｃおよび図１Ｄ参照）。図１Ｃおよび図１Ｄに例示するような発光素子１００Ｓを作製するには、まず、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。）の薄膜を形成し、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、基板１４０の屈折率ｎsを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。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（１８）における出射媒質の屈折率ｎoutをｎsとした式（２３）を満足するように周期ｐを設定すればよい。
【００９８】
このことを確認するために、屈折率が１．５の基板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１３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。図１３と図２との比較からわかるように、ピークが現れる周期の範囲は、図２の結果とは異なる。図１４は、式（１８）の条件をｎout＝ｎsとした式（２３）の条件を示す。図１３において、図１４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。
【００９９】
したがって、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１００Ｓでは、式（２３）を満足する周期ｐの範囲において効果が得られ、式（２１）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。
【０１００】
［４−２．フォトルミネッセンス材料を用いて表面構造を形成した構成］
図１５は、フォトルミネッセンス層１１０を構成する材料と共通の材料から形成された周期構造を有する発光素子の構成例を示す。図１５に示す発光素子１００Ｔにおいて、周期構造１２０を構成する材料は、フォトルミネッセンス層１１０を構成する材料と共通である。このような周期構造１２０は、例えば、フォトルミネッセンス層１１０を形成するための材料の膜を基板１４０上に配置し、その膜の表面を加工することによって形成し得る。
【０１０１】
図１５に例示するような構成においては、フォトルミネッセンス層１１０から外部に向かって突出する部分が、周期構造１２０を構成する複数の凸部に対応する。あるいは、隣接する２つの凸部の間の部分を、周期構造１２０を構成する複数の凹部のうちの１つに対応付けることができる。このような構成において、周期構造１２０の高さは、図１５において矢印ｈで模式的に示すように、隣接する２つの凸部の間の底を基準として、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向（ここではｚ方向）に沿った、凸部の上面までの長さとして定義できる。
【０１０２】
［４−３．保護層を有する構成］
図１６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。図１６に例示する構成において、発光素子１００ｍは、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に配置された保護層１５０を有する。この例では、フォトルミネッセンス層１１０の主面のうち、周期構造１２０が形成されていない側の主面に隣接して基板１４０が配置されている。したがって、基板１４０に発光素子１００ｍが支持された構造が、全体として発光素子１００Ｕを構成しているということもできる。
【０１０３】
図示する例において、フォトルミネッセンス層１１０および保護層１５０の積層体は、発光素子１００ｍにおける導光層２００を構成する。ここでは、フォトルミネッセンス層１１０および保護層１５０の積層体が、空気層および基板１４０に挟まれている。つまり、ここでは、発光素子１００ｍにおける導光層２００を構成する積層体は、互いに屈折率の異なる２つの媒質の間に配置されている。
【０１０４】
図１６に例示する構成では、周期構造１２０が、保護層１５０の表面に配置されている。このような構成においては、周期構造１２０の高さは、保護層１５０の表面から周期構造１２０の上面までの、フォトルミネッセンス層の法線方向（ここではｚ方向）に沿った長さ（図１６において矢印ｈで模式的に示す）として定義できる。
【０１０５】
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を設けてもよい。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、導波光の電場は、保護層１５０の内部に波長λaの半分程度しか染み出さない。よって、保護層１５０の厚さが波長λaよりも大きい場合には、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られないことがある。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、フォトルミネッセンス層１１０において発生した光が保護層１５０の内部にまで到達する。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、光が導波する部分である導光層２００の大部分がフォトルミネッセンス材料に占められるように導光層２００を形成した方が、より大きな光の出力を得られる。よって、この場合でも保護層１５０は薄いと有益である。なお、保護層１５０を周期構造１２０と同じ材料を用いて形成してもよい。
【０１０６】
［４−４．基板上の周期構造］
図１７Ａおよび図１７Ｂに示すように、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１７Ａ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が形成されている。その結果、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。
【０１０７】
図１７Ａに例示する構成では、周期構造１２０ａを構成する複数の凸部の間の領域が、フォトルミネッセンス層１１０を構成する材料と共通の材料によって埋められている。したがって、このような構成においては、フォトルミネッセンス層１１０の基板１４０側の表面に周期構造１２０ｃが配置されているということもできる。あるいは、基板１４０のうち、フォトルミネッセンス層１１０に向かって突出する複数の凸部が、フォトルミネッセンス層１１０をその一部に含む発光素子における周期構造を構成するといってもよい。言うまでもないが、周期構造１２０ｃにおける周期は、基板１４０上の周期構造１２０ａの周期に一致する。
【０１０８】
図１７Ａにおいて模式的に示すように、この周期構造１２０ｃは、フォトルミネッセンス層１１０から基板１４０に向かって突出する複数の凸部を含んでいる。図１７Ａに例示するように、フォトルミネッセンス層１１０の両面に周期構造（ここでは周期構造１２０ｂおよび１２０ｃ）が配置された構成においては、これらの周期構造に挟まれた部分の厚さが、フォトルミネッセンス層１１０の厚さに相当するといえる。言い換えれば、フォトルミネッセンス層１１０の厚さは、図１７Ａにおいて矢印ｔwavで模式的に示すように、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向（基板１４０の法線方向といってもよい）に沿った、周期構造１２０ｂ中の隣接する２つの凸部の間の底から周期構造１２０ｃ中の隣接する２つの凸部の間の底までの距離で表される。
【０１０９】
一方、図１７Ｂの構成例では、フォトルミネッセンス層１１０の基板１４０と反対側の表面が平坦化されている。この例においても、フォトルミネッセンス層１１０から基板１４０に向かって突出する複数の凸部を含む周期構造１２０ｃがフォトルミネッセンス層１１０の基板１４０側の表面に配置されているといえる。図１７Ｂに例示する構成において、周期構造１２０ｃの高さ（図１７Ｂにおいて矢印ｈで模式的に示す）は、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向（ここではｚ方向）に沿った、周期構造１２０ｃ中の隣接する２つの凸部の間の底から凸部の上面までの長さである。フォトルミネッセンス層１１０の厚さ（図１７Ｂにおいて矢印ｔwavで模式的に示す）は、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向（ここではｚ方向）に沿った、周期構造１２０ｃ中の隣接する２つの凸部の間の底からフォトルミネッセンス層１１０の空気層側の表面までの距離である。図１７Ａおよび図１７Ｂに示すこれらの構成例においても、周期構造１２０ａの周期ｐを、式（２３）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。
【０１１０】
この効果を検証するため、図１７Ａ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の厚さを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ＴＥ偏光であるとした。本計算の結果を図１７Ｃに示す。本計算においても、式（２３）の条件を満足する周期で光強度のピークが観測された。
【０１１１】
［４−５．２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１８Ａ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１２０Ｄの一部を示す平面図である。図中の黒い領域が凸部、白い領域が凹部を表している。このような２次元周期構造では、ｘ方向およびｙ方向の両方に回折の効果が生じる。２次元の周期構造１２０Ｄにおいては、ｘ方向のみおよび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と考えられる。また、周期構造１２０Ｄでは、ｘ、ｙ両方の成分を有する方向（例えば、斜め４５°方向）の回折も存在することから、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１８Ｂ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１８Ｂに示すように、図２に示すＴＥ偏光のピーク位置に加えて、図６に示すＴＭ偏光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、ＴＭ偏光も、回折により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１８Ｂでは、このようなピークも確認できる。
【０１１２】
[５．実験例]
以下に、発光素子を作製した例を説明する。以下、図１７Ａ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。
【０１１３】
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の膜（厚さ：２１０ｎｍ）を形成した。このようにして得られた積層構造の断面のＴＥＭ像を図１９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２０に示す。図２０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ＴＥ偏光と、垂直な偏光成分を持つＴＭ偏光とを測定した結果を示した。周期構造がある場合は、周期構造がない場合と比較して、特定の波長の光が著しく増加していることがわかる。また、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＥ偏光の方が、光の増強効果が大きいことがわかる。
【０１１４】
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２１Ａ〜図２１Ｆおよび図２２Ａ〜図２２Ｆに示す。図２１Ａは、ＴＥ偏光の直線偏光を出射する発光素子を、周期構造１２０（ここでは１次元周期構造）のライン方向（ストライプ状の凸部の延びる方向）と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２１Ｂおよび図２１Ｃは、このように回転させた場合についての測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図２１Ｄは、ＴＭ偏光の直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２１Ｅおよび図２１Ｆは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。図２２Ａは、ＴＭ偏光の直線偏光を出射する発光素子を、周期構造１２０（ここでは１次元周期構造）のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２２Ｂおよび図２２Ｃは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図２２Ｄは、ＴＥ偏光の直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造のライン方向と垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２２Ｅおよび図２２Ｆは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。
【０１１５】
図２１Ａ〜図２１Ｆおよび図２２Ａ〜２２Ｆから明らかなように、ＴＥ偏光の方が増強される効果が高い。また、増強される光の波長は角度によってシフトすることがわかる。例えば、波長６１０ｎｍの光については、ＴＥ偏光でかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性が高くかつ偏光発光していることがわかる。また、図２１Ｂと図２１Ｃ、図２１Ｅと図２１Ｆ、図２２Ｂと図２２Ｃ、図２２Ｅと図２２Ｆのそれぞれにおける測定結果と計算結果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。
【０１１６】
図２３は、波長６１０ｎｍの光について、図２２Ｄに示すように、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ている。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ことがわかる。この例において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、前述のように、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。図２３に示す結果から、指向性発光が実現していることがわかる。さらに、出射される光は全てＴＥ偏光の成分であるため、同時に偏光発光も実現していることがわかる。
【０１１７】
以上の検証のための実験は、広帯域の波長帯で発光するＹＡＧ：Ｃｅを使って行った。狭帯域の光を発するフォトルミネッセンス材料を用いて同様の構成で実験を行ったとしても、その波長の光に対して高い指向性および偏光発光を実現することができる。さらに、そのようなフォトルミネッセンス材料を用いた場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や他の偏光状態の光は発生しない光源を実現することができる。
【０１１８】
［６．偏光の制限による指向性の向上］
再び図２１Ａ〜図２１Ｆを参照する。例えば図２１Ｃからわかるように、この例では、発光素子の正面方向に、波長６１０ｎｍのＴＥ偏光が強く出射される。他方、図２１Ｆから、ＴＭ偏光に関しては、波長６１０ｎｍの光は、正面方向とは異なる方向に出射されることがわかる。つまり、特定の波長に着目すると、光が強く出射される方向は、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の間で異なっている。あるいは、図２１Ｃおよび図２１Ｆの比較から、発光素子の正面方向に強く出射される光の波長は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との間で異なるといってもよい。
【０１１９】
図２１Ｂ、図２１Ｃ、図２１Ｅおよび図２１Ｆに示す結果から、一方の偏光が正面方向に強く出射されるように発光素子を設計しても、他方の偏光が正面方向以外の方向に強く出射されてしまうために、発光素子の指向性が劣化する可能性があることがわかる。本発明者らは、これらの解析結果に着目し、より高い指向性を実現し得る構成を検討した。
【０１２０】
図２４Ａは、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方についての出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す。ここでは、計算のモデルとして、屈折率が１．５の透明基板上に屈折率が１．８のフォトルミネッセンス層が配置され、フォトルミネッセンス層の表面に１次元周期構造（ここではストライプ状の凸部の集合）が配置された構成を用いている。計算においては、フォトルミネッセンス層の厚さを２００ｎｍとし、１次元周期構造の屈折率を１．５、周期を４００ｎｍ、高さを４０ｎｍとしている。
【０１２１】
図２４Ａは、図２１Ａおよび図２１Ｄに示すように１次元周期構造のライン方向と平行な軸を回転軸として発光素子を回転させたときにおける、出射光強度の角度依存性の計算結果である。図２４Ｂは、図２４Ａに示すグラフにおける、回転角度が０°の近傍を拡大して示す。図２４Ｃは、図２４Ａを参照して説明した計算におけるモデルと同様のモデルを用いて、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方についての出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す。図２４Ｃは、図２２Ａおよび図２２Ｄに示すように１次元周期構造のライン方向と垂直な軸を回転軸として発光素子を回転させたときにおける、出射光強度の角度依存性の計算結果である。図２４Ｄは、図２４Ｃに示すグラフにおける、回転角度が０°の近傍を拡大して示す。
【０１２２】
図２４Ａおよび図２４Ｃから、１次元周期構造を有する発光素子は、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方が出射されることにより、ＴＥ偏光における角度依存性と、ＴＭ偏光における角度依存性とが重なりあった発光特性を示し得ることがわかる。例えば波長が６４４ｎｍの光に着目すると、図２４Ｂおよび図２４Ｄに示すように、正面方向以外の方向に向けての発光が存在し、したがって指向性が低下し得ることがわかる。
【０１２３】
既に説明したように、フォトルミネッセンス層の表面に周期構造を形成した構成によれば、狭角配光を実現可能である。さらに、フォトルミネッセンス層を基板上に配置した構成においても狭角配光を実現可能であることは、例えば図１９〜図２２Ｆを参照して説明した実験例から明らかである。フォトルミネッセンス層を基板上に配置した構成においては、フォトルミネッセンス層が、基板と、例えば空気層との間に配置される。したがって、フォトルミネッセンス層を基板上に配置した構成によれば、基板の材料の選択により、フォトルミネッセンス層の一方の表面側にある媒質の屈折率と、他方の表面側にある媒質の屈折率とを比較的容易に異ならせ得る。本発明者らは、この点に着目し、一方の偏光の選択的な取り出しの可能性を検討した。
【０１２４】
図１Ａ〜図１Ｄを参照して説明したように、本開示の発光素子は、ある側面において、スラブ型導波路に似た性質を有している。図１Ｃおよび図１Ｄに示すような、基板１４０を有する構成は、屈折率が互いに異なる２つの媒質の間に配置された導波路によって表現することができる。
【０１２５】
図４２Ｂは、屈折率が互いに異なる２つの媒質の間に配置されたスラブ型導波路のモデルを示す。ここでは、スラブ型導波路がｙｚ面内に広がっているとして説明する。
【０１２６】
図４２Ｂは、屈折率ｎ１の媒質と屈折率ｎ２の媒質との間に配置されたスラブ型導波路（屈折率：ｎx）のモデルである。図４２Ｂに示すモデルにおいて、屈折率ｎxの部分と屈折率ｎ２の部分との間の界面、および、屈折率ｎxの部分と屈折率ｎ１の部分との間の界面は、それぞれ、ｘ＝０およびｘ＝−２ａに位置している。つまり、このモデルにおけるスラブ導波路の厚さＴは、２ａである。なお、ここでは、ｎx＞ｎ１＞ｎ２とする。図４２Ｂに示すモデルは、非対称３層スラブ導波路とも呼ばれる。図４２Ｂに示す屈折率ｎxの部分および屈折率ｎ１の部分は、図１Ｃに示すフォトルミネッセンス層１１０および基板１４０にそれぞれ対応している。屈折率ｎ２の部分は、フォトルミネッセンス層１１０上の周期構造１２０側の空気層に対応する。
【０１２７】
まず、このような非対称３層スラブ導波路内を伝播するＴＥモードの光波に着目する。スラブ導波路内を伝播する光波の電場Ｅのｙ成分Ｅy（ｘ）は、界面での連続の条件を考慮して、以下の式（２４）のように書ける。ここで、下記の式（２４）中、Ａ、Ｂ、ｐ、ｑおよびｒは、定数である。
【数２４】
0006719094.tif 000025
【０１２８】
電場Ｅが下記の式（２５）の波動方程式を満たす必要があることから、下記の式（２６）が得られる。ここで、ｋ0は、真空におけるλ0を用いてｋ0＝（２π／λ0）と表される波数であり、βは、スラブ型導波路の伝搬定数である。
【数２５】
0006719094.tif 000026
【数２６】
0006719094.tif 000027
【０１２９】
マクスウェル方程式により、スラブ型導波路内を伝播する光波の磁場Ｈのｚ成分Ｈz（ｘ）と、上述のＥy（ｘ）との間の関係式が得られるので、この関係式を用いて、Ｅy（ｘ）からＨz（ｘ）が求められる。ｘ＝０およびｘ＝−２ａでのＨz（ｘ）における連続の条件から、下記の式（２７）を得る。式（２６）を用いて、式（２７）から下記の（２８）が得られる。
【数２７】
0006719094.tif 000028
【数２８】
0006719094.tif 000029
【０１３０】
式（２８）中のｎeffは、上述の実効屈折率であり、ｎeff＝（β／ｋ0）である。式（２８）から、波長λaの光波についてのカットオフ厚さＴcutoffは、下記の式（２９）のように表されることがわかる。
【数２９】
0006719094.tif 000030
【０１３１】
次に、ＴＭモードに関するカットオフ厚さＴcutoffを求める。ＴＭモードについては、磁場のｙ成分Ｈy（ｘ）から出発する。磁場のｙ成分Ｈy（ｘ）は、界面での連続の条件を考慮して、以下の式（３０）のように書ける。ここで、下記の式（３０）中のＣおよびＤは、定数である。
【数３０】
0006719094.tif 000031
【０１３２】
マクスウェル方程式により、Ｈy（ｘ）とＥz（ｘ）との間の関係式が得られるので、この関係式と上述の式（３０）とから、角振動数ωを用いてＥz（ｘ）を下記の式（３１）の形に書ける。さらに、Ｅz（ｘ）に関する連続の条件、および、上述の式（２６）から、下記の式（３２）が得られる。
【数３１】
0006719094.tif 000032
【数３２】
0006719094.tif 000033
【０１３３】
式（３２）から下記の式（３３）が得られるので、結局、波長λaの光波についてのカットオフ厚さＴcutoffに関する下記の式（３４）が得られる。
【数３３】
0006719094.tif 000034
【数３４】
0006719094.tif 000035
【０１３４】
式（２９）と式（３４）との比較からわかるように、非対称３層スラブ導波路におけるカットオフ厚さＴcutoffは、ＴＥモードとＴＭモードとの間で異なっている。非対称３層スラブ導波路としてフォトルミネッセンス層を用い、屈折率ｎ２を有する部分が空気層であれば、一般にｎx＞ｎ２が成り立つ。このとき、式（２９）および式（３４）からわかるように、ＴＭモードに関するカットオフ厚さＴcutoffは、ＴＥモードに関するカットオフ厚さＴcutoffよりも常に大きな値をとる。
【０１３５】
スラブ型導波路において波長λaの光を伝播させるためには、カットオフ厚さＴcutoffより大きい厚さが必要である。本発明者らは、フォトルミネッセンス層をスラブ型導波路として用いる構成においても、フォトルミネッセンス層の厚さによって、フォトルミネッセンス層内を伝播可能な光波のモードが制約されると予想し、さらなる検証を行った。
【０１３６】
擬似導波モードにおいては、光の導波に表面構造が影響を与える。したがって、表面構造を有する発光素子については、上述の式中の屈折率ｎxにフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavをそのまま適用することは不適当である。そこで、本発明者らは、フォトルミネッセンス層上の表面構造の影響を考慮した実効厚さを所定の範囲内とすることによって、ＴＥモードを選択的に許容する導波路構造を検討した。
【０１３７】
本開示の実施形態による発光素子において、フォトルミネッセンス層１１０および表面構造１２０の積層構造の実効厚さｔeffは、下記の式（３５）の関係を満たすように決定される。式（３５）中、ｎ１およびｎ２は、それぞれ、フォトルミネッセンス層１１０の一方の主面側の媒質、および、他方の主面側の媒質の屈折率である。典型的には、ｎ１は、フォトルミネッセンス層１１０を支持する基板の屈折率である。
【数３５】
0006719094.tif 000036
【０１３８】
フォトルミネッセンス層１１０および表面構造１２０の積層構造の実効厚さｔeffは、下記の式（３６）によって定義できる。式（３６）中、ｔwavは、フォトルミネッセンス層１１０の厚さを表し、ｈおよびｎpは、それぞれ、表面構造１２０における厚さおよび空気中の波長がλaの光に対する屈折率を表す。
【数３６】
0006719094.tif 000037
【０１３９】
ここで、式（３６）中の第２項のＲvは、表面構造に対する、表面構造における複数の凸部の間の部分の体積比率である。例えば、図２５Ａに示すように、基板１４０上のフォトルミネッセンス層１１０の表面上に、複数の凸部１２２ｐを含む表面構造１２０が配置され、フォトルミネッセンス層１１０の表面構造１２０側に空気層が配置されているとする。この例において、体積比率Ｒvは、表面構造１２０の全体に占める空気層の体積比率である。表面構造１２０は、フォトルミネッセンス層１１０の表面から複数の凸部１２２ｐの上面までを占める層であると考えることができる。したがって、例えば、フォトルミネッセンス層１１０の表面から複数の凸部１２２ｐの上面までの領域のうち、複数の凸部１２２ｐの占める体積比率が６０％であれば、Ｒv＝４０％である。
【０１４０】
上述の式（３６）中の第２項は、表面構造１２０の影響を考慮するための補正項であり、（１−Ｒv）・ｈの因子は、表面構造１２０を構成する凹凸形状を平坦にならすことによって得られる連続膜の厚さを意味している。つまり、式（３６）中の第２項は、全体として、表面構造１２０をフォトルミネッセンス層に置き換えたときにおける、その層の厚さｔkへの換算結果に対応する（図２５Ｂ参照）。本発明者らは、式（３６）の実効厚さｔeffが式（３５）を満たすようにすることにより、以下に説明するように、フォトルミネッセンス層１１０と表面構造１２０を組み合わせによって形成された擬似導波モードにおいても、同様に導波路内部のＴＭモードの光波の伝播を抑制し得ることを見出した。
【０１４１】
図２６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４０ｎｍ、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ｔwav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２６では、フォトルミネッセンス層の主面のうち、周期構造が配置された主面とは反対側に屈折率１．５の基板を設けた構成における光の増強度の計算結果を示している。ここでは、表面構造の全体に対する、表面構造における複数の凸部の体積比率を５０％としている。したがって、ここでは、Ｒv＝５０％と計算される。なお、この例では、周期構造が配置された主面側の媒質が空気（屈折率：１．０）であるとして計算を行っている。
【０１４２】
図２６に示すように、フォトルミネッセンス層の一方の主面上に基板を配置することにより、図４に示す計算結果とは異なる結果が得られている。図２６中の破線ＬｅおよびＬｍは、それぞれ、この発光素子におけるＴＥモードおよびＴＭモードのカットオフ厚さを表している。図２６から、フォトルミネッセンス層の厚さが１１０ｎｍよりも大きい領域では、複数のピーク波長が存在しており、したがって、指向性が低下し得ることがわかる。フォトルミネッセンス層の厚さが１１０ｎｍを下回ると、ＴＭモードがカットオフされ、フォトルミネッセンス層の厚さが７０ｎｍを下回ると、さらにＴＥモードがカットオフされることがわかる。このように、この例では、フォトルミネッセンス層の厚さが７０ｎｍ〜１１０ｎｍの範囲において、出射する光がＴＥモードに制限され、正面方向に出射される波長が一つに限定されている。
【０１４３】
ここで、上述の式（２９）および（３４）を用いて、屈折率１．５の透明基板上に屈折率が１．８の導波路を設けた非対称３層導波路の、波長６００ｎｍの光におけるカットオフ厚さＴcutoffを求めると、ＴＥモードについて８１ｎｍであり、ＴＭモードについて１２５ｎｍである。つまり、図２６に示すカットオフの厚さは、ＴＥモードおよびＴＭモードのいずれについても、非対称３層スラブ導波路におけるカットオフ厚さＴcutoffよりも小さな値となっている。
【０１４４】
この計算例に使用したモデルについて、上述の式（３６）の第２項を求めるとおよそ１７ｎｍとなる。つまり、この例では、表面構造を設けることの効果が、フォトルミネッセンス層の厚さを１７ｎｍ増大させることに相当している。波長６００ｎｍの光に注目すると、上述のカットオフ厚さＴcutoffである８１ｎｍおよび１２５ｎｍからこの１７ｎｍを引いた厚さは、それぞれ、６４ｎｍおよび１０８ｎｍとなり、図２６に示すＴＥモードのカットオフ厚さ７０ｎｍおよびＴＭモードのカットオフ厚さ１１０ｎｍとほぼ一致している。
【０１４５】
図２７Ａは、図２６の計算に用いたモデルと同様のモデルにおいて、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを８０ｎｍとしたときの、出射光強度の角度依存性の計算結果である。図２７Ａは、図２１Ａおよび図２１Ｄに示すように１次元周期構造のライン方向と平行な軸を回転軸として発光素子を回転させたときにおける、出射光強度の角度依存性の計算結果を示している。図２７Ｂは、図２７Ａに示すグラフにおける、回転角度が０°の近傍を拡大して示す。図２７Ｃは、図２７Ａに示す計算におけるモデルと同様のモデルを用いて出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す。図２７Ｃは、図２２Ａおよび図２２Ｄに示すように１次元周期構造のライン方向と垂直な軸を回転軸として発光素子を回転させたときにおける、出射光強度の角度依存性の計算結果を示している。図２７Ｄは、図２７Ｃに示すグラフにおける、回転角度が０°の近傍を拡大して示す。
【０１４６】
この例において、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavは、８０ｎｍであり、周期構造を設けることによる、フォトルミネッセンス層の厚さの実効的な増加分は、１７ｎｍである。したがって、この例における、フォトルミネッセンス層および周期構造の積層構造における実効厚さｔeffは、式（３６）により、９７ｎｍと計算される。一方、上述の式（３５）における下限および上限は、０次の回折光（即ち、ｍ＝０）について、およそ８１ｎｍおよび１２５ｎｍとそれぞれ計算される。したがって、この例における実効厚さｔeffは、式（３５）に示される関係式を満足している。
【０１４７】
図２７Ａ〜図２７Ｄに示すように、この例では、６００ｎｍ以外の波長の光は、正面方向に強く出射されないことがわかる。あるいは、波長が６００ｎｍの光に注目すると、波長が６００ｎｍの光は、正面方向以外の方向には強く出射されないことがわかる。例えば図２７Ｂと図２４Ｂとの間の比較、および、図２７Ｄと図２４Ｄとの間の比較からわかるように、実効厚さｔeffが式（３５）の関係を満足するように発光素子を設計することにより、発光の偏光を限定して指向性を向上させ得ることがわかる。
【０１４８】
この例のようにフォトルミネッセンス層１１０を挟む２つの媒質の屈折率が互いに異なっていれば、表面構造１２０をフォトルミネッセンス層１１０の両方の表面上に配置した場合も、上記と同様の議論が成立する。この場合は、式（３６）の第２項として、フォトルミネッセンス層１１０の一方の表面側への表面構造１２０の配置によるフォトルミネッセンス層１１０の実効的な厚さの増大分と、他方の表面側への表面構造１２０の配置によるフォトルミネッセンス層１１０の実効的な厚さの増大分との合計を用いればよい。
【０１４９】
例えば、図１７Ａを参照して説明した構成では、基板１４０上に周期構造１２０ａが設けられることにより、フォトルミネッセンス層１１０の基板１４０側の表面に周期構造１２０ｃが形成されている。図２８は、基板１４０に対向する表面上、および、基板１４０とは反対側の表面上にそれぞれ周期構造１２０ｃおよび周期構造１２０ｂを有する発光素子の模式的な断面を示す。この例において、フォトルミネッセンス層１１０の基板１４０側の表面は、基板１４０上の周期構造１２０ａを構成する複数の凸部の上面と同じレベルに位置していると考えることができる。ここでは、周期構造１２０ｃを構成する複数の凸部の間の領域が、基板１４０を構成する材料によって埋められている。よって、上述の体積比率Ｒvとしては、周期構造１２０ｃを構成する複数の凸部の体積と、周期構造１２０ａを構成する複数の凸部の体積との合計に対する、周期構造１２０ａを構成する複数の凸部の体積の比率を用いればよい。図１７Ｂを参照して説明した構成においても同様にして体積比率Ｒvが求められる。
【０１５０】
基板１４０と反対側の表面上の周期構造１２０ｂについては、周期構造１２０ｂを構成する材料と、フォトルミネッセンス層１１０を構成する材料とが共通であり、周期構造１２０ｂを構成する複数の凸部の間の領域は、空気によって占められている。このような構成においては、周期構造１２０ｂの高さは、周期構造１２０ｂ中の隣接する２つの凸部の間の底を基準として、周期構造１２０ｂを構成する複数の凸部の上面までの、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向（ここではｚ方向）に沿った長さである。上述の体積比率Ｒvとしては、周期構造１２０ｂ中の隣接する２つの凸部の間の底（言い換えれば、フォトルミネッセンス層１１０の表面）から複数の凸部の上面までの層に対する、周期構造１２０ｂ中の隣接する２つの凸部の間にある空気が占める体積比率を用いる。結局、図１７Ａを参照して説明した構成では、実質厚さｔeffは、フォトルミネッセンス層１１０の厚さｔwavに、周期構造１２０ｂをフォトルミネッセンス層に置き換えたときの厚さｔｂkと、周期構造１２０ｃをフォトルミネッセンス層に置き換えたときの厚さｔｃkとを加えた厚さである（図２８参照）。
【０１５１】
また、図１６に示すような、表面構造１２０とフォトルミネッセンス層１１０との間に中間層を配置した場合も同様に、実効厚さｔeffを所定の範囲内とすることによって偏光の選択性の効果が得られる。表面構造１２０とフォトルミネッセンス層１１０との間に保護層１５０が配置された構成においては、図２９において模式的に示すように、保護層１５０の影響が加味された実効厚さｔeffを用いる。具体的には、上述の式（３６）に代えて下記の式（３７）により求められる実効厚さｔeffが式（３５）を満たすように発光素子を設計すればよい。
【数３７】
0006719094.tif 000038
【０１５２】
ここで、式（３７）中のｔmおよびｎmは、それぞれ、表面構造１２０とフォトルミネッセンス層１１０との間に配置された中間層（ここでは保護層１５０）の厚さおよび屈折率である。式（３７）の右辺の第３項は、保護層１５０をフォトルミネッセンス材料の層に置き換えたと仮定したときの、フォトルミネッセンス層の厚さの実効的な増加分を表している。即ち、保護層１５０をフォトルミネッセンス材料の層に置き換えたと仮定したときにおける、フォトルミネッセンス層の厚さの実効的な増加分をｔhとすれば、図２９に例示する構成において、ｔeff＝ｔwav＋ｔk＋ｔhである。なお、中間層は、単一の層であってもよいし、多層構造を有する層であってもよい。中間層が多層構造を有する場合には、中間層の屈折率ｎmとして多層構造全体の屈折率を用いればよい。
【０１５３】
［７−１．周期構造の延在方向における長さの制限による指向性の向上］
図２７Ａ〜図２７Ｄを参照して説明したように、導波構造の実効厚さを所定の範囲内に設定することにより、一方の偏光を選択的に出射させる効果が得られ、結果として、指向性が向上し得る。ただし、図２７Ａおよび図２７Ｂと、図２７Ｃおよび図２７Ｄとの比較から、１次元周期構造のライン方向と垂直な軸を回転軸として発光素子を回転させたときには、より広い角度範囲において発光が確認されることがわかる。例えば、波長が５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲で比較すると、１次元周期構造のライン方向と平行な軸を回転軸として発光素子を回転させたときには、回転角度が２０°以上の領域ではほとんど光が出射されていない（図２７Ａ参照）。これに対し、１次元周期構造のライン方向と垂直な軸を回転軸として発光素子を回転させたときには、回転角度が２０°以上の領域においても光が出射されている（図２７Ｃ参照）。つまり、法線が１次元周期構造のライン方向に垂直であるような面内に関しては、正面方向から離れた方向にも光が強く出射されることにより、十分な指向性が得られない可能性がある。１次元周期構造のライン方向と垂直な軸を回転軸として発光素子を回転させたときにおいても、所望の波長を選択的に強く出射することのできる構造を実現できると有益である。
【０１５４】
本発明者らは、図２７Ａ〜図２７Ｄに示すような、発光における角度依存性の非対称性に着目し、指向性のさらなる向上の可能性を検討した。ここで、本発明者らは、図２７Ａ〜図２７Ｄの計算に用いたモデルにおいては、周期構造を構成する複数の凸部が、ある方向に延びていることに注目した。
【０１５５】
１次元周期構造の配列方向（例えば図１Ｃにおけるｘ方向）においては、複数の凸部が周期的に並んでいることに対し、１次元周期構造の延びる方向（例えば図１Ｃにおけるｙ方向）においては、このような周期性が存在していない。本発明者らは、凸部の長さが発光波長の角度依存性に与える影響を検討した。その結果、以下に説明するように、凸部の長さを調整することによって発光波長の角度依存性を制御し得ることを見出した。
【０１５６】
本発明者らは、図３０に示すような、ある方向に沿って複数の帯状の導波構造が配列された構成を検討した。図３０に例示する発光素子１００Ｖは、複数の帯状部１１２を含むフォトルミネッセンス層１１０Ｂを有する。図３０に例示する構成において、複数の帯状部１１２は、表面構造１２０を構成する複数の凸部の延びる方向に沿って空間的に分離して配置されており、それらの各々が、表面構造１２０を有している。複数の帯状部１１２を含むフォトルミネッセンス層１１０Ｂは、図３１に示す発光素子１００Ｗのように、基板１４０上に配置され得る。表面構造１２０を構成する材料は、フォトルミネッセンス層１１０Ｂを構成する材料と共通であってもよいし、異なっていてもよい。ここでは、表面構造１２０を構成する材料と、フォトルミネッセンス層１１０Ｂを構成する材料とが共通であるような構成を例示する。
【０１５７】
図示する例において、複数の帯状部１１２は、表面構造１２０を構成する複数の凸部（または複数の凹部）が延びる方向（ここではｙ方向）に沿って配列されている。言い換えれば、この例では、複数の凸部（または複数の凹部）は、複数の帯状部１１２が配列された方向とは垂直な方向（ここではｘ方向）に沿って配列されている。もちろん、複数の凸部（または複数の凹部）の配列方向は、複数の帯状部１１２の配列方向に厳密に垂直である必要はない。以下では、複数の凸部（または複数の凹部）の延びる方向における帯状部１１２の長さを帯状部１１２の幅Ｗと呼ぶことがある。
【０１５８】
図３２Ａ〜図３２Ｉは、複数の帯状部を含むフォトルミネッセンス層を有する構成について出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す。ここでは、屈折率が１．５の透明基板上のフォトルミネッセンス層の屈折率および厚さをそれぞれ１．８および２００ｎｍとして計算を実行している。ここでは、複数の帯状部１１２の各々における１次元周期構造の屈折率を１．５、周期を４００ｎｍ、高さを４０ｎｍとしている。
【０１５９】
図３２Ａ〜図３２Ｉは、図２２Ａおよび図２２Ｄに示すように１次元周期構造のライン方向に対して垂直な軸を回転軸として発光素子を回転させたときにおける、出射光強度の角度依存性の計算結果を示している。図３２Ａ〜図３２Ｉは、帯状部１１２の幅Ｗを、それぞれ、１６μｍ、８μｍ、４μｍ、２μｍ、１．４μｍ、１．２μｍ、１μｍ、０．８μｍおよび０．４μｍとしたときの計算結果である。
【０１６０】
上述したように、ここでは、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavを２００ｎｍとしている。したがって、この例では、フォトルミネッセンス層および表面構造の積層構造における実効厚さｔeffは、式（３５）を用いて求められる上限（１２５ｎｍ）を超えている。そのため、図示する例では、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対応して複数の増強度のピークが現れている。また、例えば図３２Ａによく表れているように、帯状部１１２の幅Ｗが２μｍを超えると、発光素子の正面方向から離れるにつれてピーク波長がシフトすることがわかる。
【０１６１】
これに対し、帯状部１１２の幅Ｗが２μｍ程度以下であると、正面方向以外の方向に強く出射される光の波長が、正面方向におけるピーク波長に近づくことがわかる。また、帯状部１１２の幅Ｗが小さくなるほど、より大きな角度における増強度が低下していることがわかる。つまり、１次元周期構造のライン方向に対して垂直な軸を回転軸として発光素子を回転させたときにおける、回転角に対する出射光の色変化が抑制されている。また、正面方向から離れた方向における出射光の強度が低減されている。言い換えれば、複数の帯状部１１２を含むフォトルミネッセンス層１１０Ｂを用い、各帯状部１１２の幅Ｗをある程度の大きさまで小さくすることにより、ｙｚ面内における指向性が向上することがわかる。
【０１６２】
図３３Ａ〜図３３Ｉは、複数の帯状部を含む、厚さ８０ｎｍのフォトルミネッセンス層を有する構成について出射光強度の角度依存性を計算した結果を示す。図３３Ａ〜図３３Ｉは、図３２Ａ〜図３２Ｉと同様に、１次元周期構造のライン方向に対して垂直な軸を回転軸として発光素子を回転させたときにおける、出射光強度の角度依存性の計算結果を示している。図３３Ａ〜図３３Ｉは、帯状部１１２の幅Ｗを、それぞれ、１６μｍ、８μｍ、４μｍ、２μｍ、１．４μｍ、１．２μｍ、１μｍ、０．８μｍおよび０．４μｍとしたときの計算結果である。
【０１６３】
図３３Ａ〜図３３Ｉから、帯状部１１２の幅Ｗが４μｍ程度まで小さくなると、正面方向から離れた方向に向けての光の出射がほぼ抑制されることがわかる。即ち、帯状部１１２の幅Ｗを４μｍ程度まで小さくすることによって、指向性向上の効果が得られることがわかる。言い換えれば、狭角配光が実現され得る。また、図３３Ａ〜図３３Ｉにおいては、フォトルミネッセンス層の厚さｔwavは、８０ｎｍであり、フォトルミネッセンス層および表面構造の積層構造における実効厚さｔeffは、式（３５）を用いて求められる範囲内にある。例えば図３３Ａを参照すればわかるように、この例では、ＴＭ偏光に対応する増強度のピークは現れていない。即ち、複数の帯状部１１２を含むフォトルミネッセンス層１１０Ｂを用いた場合においても、実効厚さｔeffを所定の範囲内とすることによって導波構造においてＴＥモードの光波が選択的に許容されるようになり、偏光の選択性の効果を得られることがわかる。
【０１６４】
図２４Ａ〜図３３Ｉを参照して以上に説明したように、ＴＥ偏光（電場の振動が１次元周期構造の延びる方向に平行）の出射は、フォトルミネッセンス層および表面構造の積層構造における実効厚さｔeffを所定の範囲内とすることによって抑制し得ることがわかる。なお、表面構造１２０とフォトルミネッセンス層１１０Ｂ（帯状部１１２といってもよい）との間に中間層を配置した構成も適用し得る。この場合は、上述の式（３７）に基づいて実効厚さｔeffを決定すればよい。また、１次元周期構造を構成する複数の凸部の配列方向に垂直な面内（例えばｙｚ面内）における出射光強度の角度依存性は、帯状部１１２の幅Ｗを低減することによって抑制し得ることがわかる。したがって、本開示の実施形態によれば、指向性のより向上された発光素子を実現し得る。
【０１６５】
本発明者らは、さらに、表面構造における周期と、帯状部の幅との間の関係を検討した。図３４Ａ〜図３４Ｄは、正面方向から４０°傾斜した方向に出射する光の増強度における波長と帯状部の幅との間の関係を、周期構造における周期毎に計算した結果を示す。図３４Ａ〜図３４Ｄにおいて、フォトルミネッセンス層の厚さは８０ｎｍに固定し、帯状部の幅に関しては、０．２μｍから１０μｍの範囲を計算している。図３４Ａ〜図３４Ｄは、それぞれ、周期構造における周期ｐを０．３μｍ、０．４μｍ、０．５μｍおよび０．６μｍに変えて計算したときの光の増強度を示している。
【０１６６】
図３４Ａ〜図３４Ｄから、帯状部１１２の幅Ｗがある程度まで小さくなると、発光強度が低下することがわかる。つまり、正面方向から離れた方向への光の出射が抑制されることがわかる。例えば、周期ｐが０．５μｍのときは、帯状部１１２の幅Ｗが２μｍを下回るあたりから、発光強度を低下させる効果が得られている。なお、周期ｐが０．６μｍのときは、帯状部１１２の幅Ｗが２．４μｍを下回るあたりから、発光強度が低下している。つまり、周期構造における周期ｐが大きいほど、より大きな値のＷから、正面方向から離れた方向において発光強度を低下させる効果が得られることがわかる。また、図３４Ａ〜図３４Ｄ間の比較から、周期構造における周期ｐが大きいほど、より高い指向性が得られる対象の波長が大きくなっていることもわかる。
【０１６７】
このことは、光の増強度に関し、帯状部１１２の幅Ｗと周期構造における周期ｐとの間に何らかの関連性が存在することを示唆している。これは、正面方向から離れた方向への光の出射を抑制する効果を示す、帯状部１１２の幅Ｗと、表面構造において隣接する２つの凸部または隣接する２つの凹部の中心間隔Ｄintとが、相関を有していることを示しているといえる。正面方向から離れた方向への光の出射の抑制の観点から、例えば、帯状部１１２の幅Ｗを、表面構造において隣接する２つの凸部または隣接する２つの凹部の中心間隔Ｄintのｎ倍未満としてもよい。例えば、帯状部１１２の幅Ｗは、中心間隔Ｄintの５倍未満であってもよいし、４倍未満であってもよい。あるいは、帯状部１１２の幅Ｗを、中心間隔Ｄintの２倍未満としてもよい。図３４Ａ〜図３４Ｄに示す例では、帯状部１１２の幅Ｗが中心間隔Ｄintの４倍となるあたりから、正面方向から離れた方向への光の出射を抑制する効果が得られている。
【０１６８】
[７−２．実験例]
図３１に示す発光素子１００Ｗと構成を有する発光素子のサンプルを試作し、出射光強度の角度依存性を評価した。発光素子は以下の様にして作製した。
【０１６９】
まず、ガラス基板を用意し、周期４００ｎｍ、高さ４０ｎｍのストライプ状の凸部を形成することにより、ガラス基板の表面に１次元周期構造を形成した。次に、１次元周期構造上にＹＡＧ：Ｃｅを堆積し、リフトオフ法を適用することにより、ガラス基板上に、厚さが８０ｎｍ、幅Ｗが１μｍの複数の帯状部を含むフォトルミネッセンス層を形成した。このようにして得られたサンプルのＳＥＭ像を図３５Ａに示す。また、ＹＡＧ：Ｃｅの膜の厚さを８０ｎｍとすること以外は、図１９に示すサンプルと同様にして、参考例のサンプルを作成した。
【０１７０】
図３５Ｂは、これらのサンプルをスクリーンに対向して配置し、波長４５０ｎｍのレーザ光によりサンプルを励起したときの、スクリーン上に形成された、サンプルからの出射光のパターンを示す。図３５Ｂは、１次元周期構造のライン方向と垂直な軸（ここではＸ軸）を回転軸としてこれらのサンプルを回転させたときの出射光のパターンを示している。図３５Ｂの左側は、フォトルミネッセンス層が複数の帯状部を含んでいない、参考例のサンプルから得られた出射光のパターンであり、右側は、図３５Ａに示すサンプルから得られた出射光のパターンである。図３５Ｂから、複数の帯状部を含むフォトルミネッセンス層が形成されたサンプルでは、正面方向から離れた方向（特に、正面方向に対して２０°よりも大きく傾斜した方向）へは光が強く出射されていないことがわかる。つまり、表面構造を構成する複数の凸部の延びる方向に沿って空間的に分離して複数の帯状部を配置することにより、法線が１次元周期構造のライン方向に垂直であるような面内に関しても、高い指向性が得られることが確認できた。
【０１７１】
［７−３．帯状部および表面構造の形状の変形例］
図３０および図３１に例示した構成においては、各帯状部１１２において、表面構造１２０における凸部のｙ方向に沿った長さと、帯状部１１２の幅Ｗとが一致している。しかしながら、フォトルミネッセンス層１１０Ｂにおける帯状部１１２の形状および表面構造１２０における凸部の形状は、図３０および図３１に示す例に限定されず、種々の改変が可能である。例えば、図３６Ａに示すように、表面構造１２０における凸部のｙ方向に沿った長さと、帯状部１１２の幅Ｗとが異なっていてもよい。この例では、表面構造１２０における凸部のｙ方向に沿った長さは、帯状部１１２の幅Ｗよりも小さい。
【０１７２】
フォトルミネッセンス層１１０Ｂの法線方向からみたときの帯状部１１２の外形は、矩形に限定されない。図３６Ｂに例示するように、帯状部１１２の外形を規定する辺のうち、表面構造１２０における凸部の延びる方向とは異なる方向に延びる辺が、凸部の延びる方向に厳密に垂直である必要はない。このように、凸部の延びる方向と垂直な方向において帯状部１１２の幅が一定である必要はない。また、互いに隣接する２つの帯状部１１２の外形が合同である必要もない。フォトルミネッセンス層１１０Ｂの法線方向からみたときの外形が異なる帯状部１１２の組み合わせを用いてもよい。例えば、図３７に例示する構成では、ある帯状部１１２は、ｘの正方向に向かって幅が小さくなっており、他方、その帯状部１１２に隣接する他のある帯状部１１２は、ｘの負方向に向かって幅が小さくなっている。あるいは、図３８に例示するように、帯状部１１２のうち、表面構造１２０を形成する複数の凸部の各々に対応する領域が台形状であってもよい。言い換えれば、帯状部１１２の外形を規定する辺は、直線状に限定されない。
【０１７３】
複数の帯状部１１２の間で、表面構造１２０を形成する複数の凸部の配置が一致していなくてもよい。図３９に示す例では、ある帯状部１１２における複数の凸部が、他の帯状部１１２における複数の凸部に対してｘ方向に沿ってシフトしている。このように、複数の凸部が複数の帯状部１１２の間でｙ方向に沿って直線状に並んでいる必要はない。複数の帯状部１１２の配置ピッチも、必ずしも一定でなくてもよい。図４０に示すように、ある２つの帯状部１１２の組における帯状部１１２の間隔と、他の帯状部１１２の組における帯状部１１２の間隔とが異なっていてもよい。複数の帯状部１１２の配置ピッチは、ランダムであってもよい。
【０１７４】
あるいは、図４１に例示するように、複数の帯状部１１２の基部が連結されていてもよい。図４１に例示する構成において、フォトルミネッセンス層１１０Ｃは、複数の帯状部１１２と、互いに隣接する２つの帯状部１１２を連結する連結部１１０ｍとを含む。図示するように、連結部１１０ｍの厚さは、帯状部１１２の厚さよりも小さい。典型的には、連結部１１０ｍの厚さは、ＴＥモードおよびＴＭモードのいずれも許容しない厚さ、すなわち、ＴＥモードに関するカットオフ厚さおよびＴＭモードに関するカットオフ厚さよりも小さい。連結部１１０ｍが、ＴＥモードおよびＴＭモードのいずれも許容しない厚さを有するので、連結部１１０ｍは、導波構造としての機能を有しない。したがって、図４１に例示する構成は、実質的には、互いに隣接する帯状部１１２を空間的に完全に分離した構成と同等であるといってよい。
【０１７５】
このような構成においては、フォトルミネッセンス層１１０Ｃの厚さｔwavとしては、図４１に模式的に示すように、フォトルミネッセンス層１１０Ｃのうち、帯状部１１２を含む部分の厚さを用いればよい。なお、表面構造１２０とフォトルミネッセンス層１１０Ｃとの間に中間層が挟まれている構成では、導光層のうち、帯状部１１２を含む部分の厚さを厚さｔwavとして用いればよい。
【０１７６】
［８．その他の変形例］
［８−１．励起光源を有する発光装置］
図４３は、図１Ａ、図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３００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３００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４３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。励起光は、フォトルミネッセンス層１１０の主面（即ち、上面または下面）に垂直な方向に対して傾斜した方向から（即ち、斜めに）入射させてもよい。励起光を、フォトルミネッセンス層１１０内で全反射が生じる角度で斜めに入射させることにより、より効率的に発光素子１００を発光させることができる。
【０１７７】
励起光を擬似導波モードに結合させることにより、効率よく光を出射させる方法もある。図４４Ａから図４４Ｄ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、図１Ｄに示す構成と同様、基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および表面構造１２０が形成されている。まず、図４４Ａ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４４Ｂ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（１８）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、表面構造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（３８）を満足するように決定される。下記の式（３８）中、ｎoutは、図４４Ｂの例では基板１４０の屈折率ｎsである。
【数３８】
0006719094.tif 000039
【０１７８】
特に、ｍ＝１として、次の式（３９）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。
【数３９】
0006719094.tif 000040
【０１７９】
このように、式（３８）の条件（特に式（３９）の条件）を満足するように周期ｐyを設定することにより、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。
【０１８０】
図４４Ｃおよび図４４Ｄは、それぞれ、図４４Ａおよび図４４Ｂ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の消衰係数を０．００３としている。図４４Ｄ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により、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を示している。このように、図４４Ｂに示す表面構造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（周期成分と称する）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４４Ａ、図４４Ｂでは励起光を基板１４０側から入射させているが、表面構造１２０側から入射させても同じ効果が得られる。
【０１８１】
［８−２．粉体］
以上の実施形態によれば、周期構造の周期、フォトルミネッセンス層の厚さなどを調整することにより、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、図１Ｂのような構成を適用すれば、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、図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、図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。
【０１８２】
図１Ａ、図１Ｂのような単体の構成では、ある特定の波長が選択的に特定の方向に出射されるので、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４５に示すように周期構造の周期、フォトルミネッセンス層の厚さなどの条件の異なる複数の粉末状の発光素子１００の混合体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。
【０１８３】
［８−３．周期の異なる構造を配列］
図４６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１２０ｕ、１２０ｖおよび１２０ｗがタイリングされている。周期構造１２０ｕ、１２０ｖおよび１２０ｗ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。
【０１８４】
［８−４．積層構造］
図４７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１４０ｐ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４７に示す例では、周期の異なる周期構造が３層形成されており、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。
【０１８５】
なお、フォトルミネッセンス層１１０の層数、各層のフォトルミネッセンス層１１０の構成および周期構造の構成は図４７に示す例に限定されず、任意に設定してよい。例えば２層の構成では、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透光性の基板を介して互いに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（２３）に相当する条件が満足されていればよい。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（２３）に相当する条件が満足されていればよい。フォトルミネッセンス層と周期構造との位置関係が、図４７に示す例と逆転していてもよい。図４７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、スペクトルは拡大されないが、発光強度を大きくすることができる。
【０１８６】
［９．材料および製造方法］
［９−１．材料］
以上に述べたような条件を満たすようにフォトルミネッセンス層（あるいは導光層）および表面構造（典型的には周期構造）を構成すれば、指向性発光を実現できる。表面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（あるいは導光層）および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（あるいは導光層）および表面構造を形成する媒質として、光吸収性の比較的低い媒質が用いられ得る。
【０１８７】
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。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。
【０１８８】
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（例えば半導体微粒子）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。
【０１８９】
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、ガラスまたは樹脂を用いることができる。
【０１９０】
図１Ｃ、図１Ｄなどに示す基板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、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、樹脂が挙げられる。基板１４０は、例えば、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＴｉＯ2、Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12、ＬａＳｒＡｌＯ4、ＬａＳｒＧａＯ4、ＬａＴａＯ3、ＳｒＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ2・Ｙ2Ｏ3）、ＹＡＧ、Ｔｂ3Ｇａ5Ｏ12を用いて形成されてもよい。なお、例えば、基板１４０を介さずにフォトルミネッセンス層１１０に励起光を入射させるような構成においては、基板１４０が透明であることは必須ではない。
【０１９１】
［９−２．製造方法］
続いて、発光素子の製造方法の一例を説明する。
【０１９２】
図１Ｃ、図１Ｄに示す構成を実現する方法として、例えば、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を形成し、その後、誘電体膜を形成し、フォトリソグラフィなどの方法を用いて誘電体膜を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。周期構造１２０の形成の前に、蒸着、スパッタリングなどにより、保護層１５０を形成するための材料をフォトルミネッセンス層１１０上に堆積すれば、図１６に示すような導光層２００が得られる。
【０１９３】
図１Ａ、図１Ｂに示す発光素子１００は、例えば、図１Ｃ、図１Ｄに示す発光素子１００Ｓ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によって実現可能である。
【０１９４】
図１７Ａに示す構成は、例えば、基板１４０上に、半導体プロセス、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、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１７Ｂに示す構成を実現することもできる。
【０１９５】
図３１、図４１などに示す、フォトルミネッセンス層が複数の帯状部１１２を含むような構造は、例えば、基板１４０上にフォトルミネッセンス層の材料を堆積し、フォトリソグラフィなどの方法を用いてパターニングを行った後、周期構造１２０を形成すればよい。あるいは、フォトルミネッセンス層および周期構造１２０の形成後に、微細加工を適用して、フォトルミネッセンス層および周期構造１２０の一部を除去することによってこのような構造を形成してもよい。上述したように、基板１４０上に、半導体プロセス、ナノインプリントなどの方法によって周期構造１２０ａを形成した後、リフトオフ法を適用し、フォトルミネッセンス層を帯状に加工してもよい。具体的には、基板上へのフォトルミネッセンス材料の堆積に先立ち、周期構造１２０ａの形成された基板１４０上の領域のうち、フォトルミネッセンス材料を選択的に除去したい部分にフォトレジストなどで帯状のパターンを形成する。その後、フォトレジストのパターン上に、フォトルミネッセンス層を形成する。フォトレジストの除去により、フォトレジスト上のフォトルミネッセンス材料がフォトレジストとともに除去され、結果として、各々が表面に周期構造を有する複数の帯状部を形成することができる（図３５Ａ参照）。なお、上記の製造方法は一例であり、本開示の発光素子の製造方法は上記の製造方法に限定されない。
【０１９６】
［１０．出射光における色の視角依存性の低減］
発光増強効果を受ける光の波長および出射方向は、表面構造の構成に依存する。図４８に示す、フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子を考える。ここでは、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ており、図１Ａに示した１次元周期構造を有する場合を例示する。１次元周期構造によって発光増強を受ける光は、１次元周期構造の周期をｐ（ｎｍ）、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎwav、光が出射される外部の媒質の屈折率をｎoutとし、１次元周期構造に入射する光の入射角をθwav、１次元周期構造から外部の媒質へ出射する光の出射角をθoutとすると、ｐ×ｎwav×ｓｉｎθwav−ｐ×ｎout×ｓｉｎθout＝ｍλの関係を満足する（上記の式（１３）参照、なお、式中の「×」は乗算を表す）。ここで、λは空気中における光の波長であり、ｍは整数である。
【０１９７】
上記式から、θout＝ａｒｃｓｉｎ［（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎout］が得られる。したがって、一般に、波長λが異なると、発光増強を受けた光の出射角θoutが異なる。その結果、図４８に模式的に示すように、観察する方向によって、見える光の色が異なる。
【０１９８】
（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎoutが、波長λによらず一定となるように、ｎwavおよびｎoutを選べば、この視角依存性を低減させ得る。物質の屈折率は、波長分散（波長依存性）を有しているので、（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎoutが波長λに依存しなくなるような波長分散性を示すｎwavおよびｎoutを有する材料を選択すればよい。例えば、外部の媒質が空気の場合、ｎoutは、波長によらずほぼ１．０なので、フォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を形成する材料として、屈折率ｎwavの波長分散が小さい材料を選択すると有益である。さらに、屈折率ｎwavがより短い波長の光に対して屈折率が低くなるような逆分散の材料であると有益である。
【０１９９】
図４９Ａに示すように、発光増強効果を示す波長が互いに異なる複数の周期構造を配列することによって、白色光を出射するようにできる。図４９Ａに示す例では、赤色光（Ｒ）を増強できる周期構造１２０ｒと、緑色光（Ｇ）を増強できる周期構造１２０ｇと、青色光（Ｂ）を増強できる周期構造１２０ｂとがマトリクス状に配列されている。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂは、例えば、１次元周期構造であり、それぞれの凸部が互いに平行に配列され得る。したがって、偏光特性は、赤、緑、青の全ての色の光について同じであり得る。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂによって、発光増強を受けた三原色の光が出射され、混色される結果、白色光、かつ、直線偏光が得られる。
【０２００】
マトリクス状に配列された各周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂを単位周期構造（または画素）と呼ぶと、単位周期構造の大きさ（即ち、一辺の長さ）は、例えば、周期の３倍以上である。また、混色の効果を得るためには人間の目で単位周期構造が認識されない方が望ましく、例えば、一辺の長さは１ｍｍよりも小さい。ここでは、各単位周期構造を正方形に描いているが、これに限られず、例えば、互いに隣接する、周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂを含む領域のそれぞれが長方形、三角形、六角形などの正方形以外の形状でもよい。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂの下に設けられるフォトルミネッセンス層は、周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂに共通であってもよいし、それぞれの色の光に対応して異なるフォトルミネッセンス材料を有するフォトルミネッセンス層であってもよい。
【０２０１】
図４９Ｂに示すように、１次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる、複数の周期構造（周期構造１２０ｈ、１２０ｉおよび１２０ｊを含む）を配列してもよい。複数の周期構造が発光増強する光の波長は、同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば、同じ周期構造を図４９Ｂのように配列すると、非偏光を得ることができる。また、図４９Ａにおける周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂのそれぞれについて、図４９Ｂの配列を適用すると、全体として、非偏光の白色光を得ることができる。
【０２０２】
図５０に示すように、例えば、発光素子の光の出射側にマイクロレンズ１３０のアレイを配置してもよい。マイクロレンズ１３０のアレイにより、斜め方向に出射される光を法線方向に曲げることによって、混色の効果を得ることができる。図５０に示した発光素子は、図４９Ａにおける周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂをそれぞれ有する領域Ｒ１、Ｒ２およびＲ３を有する。領域Ｒ１においては、周期構造１２０ｒによって、赤色光Ｒが法線方向に出射され、例えば緑色光Ｇは斜め方向に出射される。マイクロレンズ１３０の屈折作用によって、斜め方向に出射された緑色光Ｇは法線方向に曲げられる。その結果、法線方向においては、赤色光Ｒと緑色光Ｇとが混色されて観察される。このように、マイクロレンズ１３０を設けることによって、観察される光の色の視覚依存性が抑制される。ここでは、複数の周期構造に対応する複数のマイクロレンズを一体化したマイクロレンズアレイを例示しているが、これに限られない。もちろん、タイリングする周期構造は上記の例に限られず、同じ周期構造をタイリングした構成も適用できるし、図４９Ｂに示した構成も適用できる。
【０２０３】
斜め方向に出射される光を曲げる作用を有する光学素子として、マイクロレンズアレイに代えてレンチキュラーレンズも用い得る。また、レンズだけでなく、プリズムを用いることもできる。プリズムのアレイを用いてもよい。周期構造に対応して個々にプリズムを配置してもよい。プリズムの形状は、特に制限されない。例えば、三角プリズムまたはピラミッド型プリズムを用いることができる。
【０２０４】
白色光（あるいは、広いスペクトル幅を有する光）を得る方法は、上述の周期構造による方法の他、例えば、図５１Ａおよび図５１Ｂに示すように、複数のフォトルミネッセンス層による方法もある。例えば、図５１Ａに示すように、青色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｂ、緑色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｇ、および、赤色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｒを積層することにより、白色光を得ることが可能である。図５１Ｂに示すように、フォトルミネッセンス層１１０ｂの上に、黄色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｙを積層してもよい。フォトルミネッセンス層１１０ｙは、例えばＹＡＧを用いて形成することができる。このように、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を積層することによっても、白色光を得ることが可能である。発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層の積層の順序は、図示する例に限られない。
【０２０５】
この他、蛍光色素など、マトリクス（ホスト）材料に混合して用いられるフォトルミネッセンス材料を用いる場合には、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス材料をマトリクス材料に混合することにより、単一のフォトルミネッセンス層で、白色光を発光するようにできる。このような、白色光を発光できるフォトルミネッセンス層は、図４９Ａおよび図４９Ｂを参照して説明した、単位周期構造をタイリングした構成に用いることができる。
【０２０６】
［１１．拡散防止層、結晶成長層、熱伝導層および表面保護層］
フォトルミネッセンス層（例えば上述のフォトルミネッセンス層１１０）を形成する材料として、無機材料（例えばＹＡＧ）を用いる場合、その製造過程で、１０００℃を超える熱処理を経ることがある。その際、下地（典型的には、基板）から不純物が拡散し、フォトルミネッセンス層の発光特性を低下させることがある。不純物のフォトルミネッセンス層への拡散を防止するために、例えば図５２Ａ〜図５２Ｄに示すように、フォトルミネッセンス層の下層に、拡散防止層（バリア層）１０８を設けてもよい。図５２Ａ〜図５２Ｄに示すように、拡散防止層１０８は、これまで例示した種々の構成において、フォトルミネッセンス層の下層に形成される。
【０２０７】
例えば、図５２Ａに示すように、基板１４０とフォトルミネッセンス層１１０との間に拡散防止層１０８が形成されてもよい。図５２Ｂに示すように、発光素子が複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１００ｂを有する場合には、フォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれの下層に拡散防止層１０８ａおよび１０８ｂが形成され得る。
【０２０８】
基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合に、図５２Ｃ、図５２Ｄに示すように、基板１４０上に低屈折率層１０７を形成してもよい。図５２Ｃに示すように、基板１４０の上に低屈折率層１０７を設けた場合、低屈折率層１０７とフォトルミネッセンス層１１０との間に拡散防止層１０８が形成される。さらに、図５２Ｄに示すように、発光素子が複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１００ｂを有する場合には、フォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂの下層に拡散防止層１０８ａおよび１０８ｂがそれぞれ形成される。
【０２０９】
なお、低屈折率層１０７は、基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と同等かそれよりも大きい場合に形成される。低屈折率層１０７の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い。低屈折率層１０７は、例えば、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、石英、樹脂、ＨＳＱ・ＳＯＧなどの常温硬化ガラスを用いて形成される。低屈折率層１０７の厚さは、典型的には、光の波長よりも大きい。基板１４０は、例えば、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、ガラス、樹脂、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＴｉＯ2、Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12、ＬａＳｒＡｌＯ4、ＬａＳｒＧａＯ4、ＬａＴａＯ3、ＳｒＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ2・Ｙ2Ｏ3）、ＹＡＧ、Ｔｂ3Ｇａ5Ｏ12を用いて形成される。
【０２１０】
拡散防止層１０８、１０８ａ、１０８ｂは、拡散を防止する対象の元素によって好適に選択されればよく、例えば、共有結合性の強い酸化物結晶または窒化物結晶を用いて形成される。拡散防止層１０８、１０８ａ、１０８ｂの厚さは、例えば、５０ｎｍ以下である。
【０２１１】
なお、拡散防止層１０８および後述する結晶成長層１０６のような、フォトルミネッセンス層１１０に隣接する層を有する構成においては、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、当該屈折率の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。ただし、フォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きな屈折率を有する層がフォトルミネッセンス層に隣接し、かつ、その層がフォトルミネッセンス層と表面構造との間に配置されているような構成においては、その層をフォトルミネッセンス層から区別して、上述の式（３７）を適用する。
【０２１２】
無機材料を用いて形成されたフォトルミネッセンス層おいては、無機材料の結晶性が低いために、フォトルミネッセンス層の発光特性が低いことがある。フォトルミネッセンス層を構成する無機材料の結晶性を高めるために、図５３Ａに示すように、フォトルミネッセンス層（例えばフォトルミネッセンス層１１０）の下地に、結晶成長層（「シード層」ということもある。）１０６を形成してもよい。結晶成長層１０６は、その上に形成されるフォトルミネッセンス層１１０の結晶と格子整合する材料を用いて形成される。格子整合は、例えば±５％以内である。基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合、結晶成長層１０６の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さい。
【０２１３】
基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合には、図５３Ｂに示すように、基板１４０上に低屈折率層１０７を形成すればよい。結晶成長層１０６は、フォトルミネッセンス層１１０と接するので、基板１４０上に低屈折率層１０７が形成される場合には、低屈折率層１０７上に結晶成長層１０６が形成される。また、図５３Ｃに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂを有する構成においては、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれに対応する結晶成長層１０６ａおよび１０６ｂを形成してもよい。結晶成長層１０６、１０６ａおよび１０６ｂの厚さは、例えば、５０ｎｍ以下である。
【０２１４】
図５４Ａおよび図５４Ｂに示すように、表面構造１２０を保護するために、表面保護層１３２を設けてもよい。表面保護層１３２は、図５４Ａに示すように、基板を有しないタイプの発光素子、図５４Ｂに示すように、基板１４０を有するタイプの発光素子のいずれにも設けられ得る。基板を有しないタイプの発光素子に表面保護層１３２を設ける場合には、発光素子において表面保護層１３２の設けられていない側の媒質の屈折率と異なる屈折率を有する材料から表面保護層１３２を形成すればよい。図５４Ａに示した基板を有しないタイプの発光素子において、フォトルミネッセンス層１１０の下層にも表面保護層を設けてもよい。基板を有するタイプの発光素子に表面保護層１３２を設ける場合には、基板１４０の屈折率とは異なる屈折率を有する材料から表面保護層１３２を形成すればよい。このように、表面保護層１３２は、上述したいずれの発光素子の表面に設けられてもよい。表面構造１２０は、図５４Ａおよび図５４Ｂに例示したものに限られず、上述したいずれのタイプであってもよい。
【０２１５】
表面保護層１３２は、例えば、樹脂、ハードコート材、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、ＳｉＯＣ、ＤＬＣを用いて形成することができる。表面保護層１３２の厚さは、例えば、１００ｎｍ〜１０μｍである。
【０２１６】
表面保護層１３２を設けることによって、発光素子を外部環境から保護し、発光素子の劣化を抑制することができる。表面保護層１３２は、発光素子の表面を傷、水分、酸素、酸、アルカリ、または熱から保護する。表面保護層１３２の材料および厚さは、用途に応じて適宜設定され得る。
【０２１７】
フォトルミネッセンス材料は熱によって劣化することがある。熱は、主にフォトルミネッセンス層の非輻射ロスおよびストークスロスによって生じる。例えば、石英の熱伝導率（１．６Ｗ／ｍ・Ｋ）は、ＹＡＧの熱伝導率（１１．４Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも約１桁小さい。したがって、例えば基板１４０として石英基板を用いた場合には、フォトルミネッセンス層（例えばＹＡＧ層）で発生した熱が基板（例えば石英基板）を通して外部に熱伝導して放熱されにくく、フォトルミネッセンス層の温度が上昇し、熱劣化を起こす可能性がある。
【０２１８】
そこで、図５５Ａに示すように、フォトルミネッセンス層（例えばフォトルミネッセンス層１１０）と基板１４０との間に、透明高熱伝導層１０５を形成してもよい。透明高熱伝導層１０５をすることによって、フォトルミネッセンス層１１０の熱を外部に効率よく伝導させ、温度上昇を防ぐことができる。このとき、透明高熱伝導層１０５の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い。なお、基板１４０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には、透明高熱伝導層１０５の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも高くてもよい。この場合には、透明高熱伝導層１０５は、フォトルミネッセンス層１１０とともに導波構造を形成する。このとき、透明高熱伝導層１０５の厚さは、典型的には、５０ｎｍ以下である。図５５Ｂに示すように、フォトルミネッセンス層１１０と透明高熱伝導層１０５との間に、低屈折率層１０７を形成すれば、厚い透明高熱伝導層１０５を利用できる。
【０２１９】
図５５Ｃに示すように、高い熱伝導率を有する低屈折率層１０７で表面構造１２０を覆ってもよい。さらに、図５５Ｄに示すように、表面構造１２０を低屈折率層１０７で覆った上に、透明高熱伝導層１０５を形成してもよい。この構成においては、低屈折率層１０７が高い熱伝導率を有する必要はない。
【０２２０】
透明高熱伝導層１０５の材料としては、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｙ2Ｏ3、ダイヤモンド、グラフェン、ＣａＦ2、ＢａＦ2を挙げることができる。これらの内、ＣａＦ2、ＢａＦ2は、屈折率が低いので、低屈折率層１０７として利用することができる。
【０２２１】
［１２．放熱特性が向上された発光装置］
次に、図５６Ａ〜図５６Ｄを参照して、発光素子と光源とを備える発光装置の放熱特性を高めた構造を説明する。
【０２２２】
図５６Ａに示す発光装置は、光源としてのＬＥＤチップ１８０ｃと、発光素子とを有している。発光素子は、上述のいずれのタイプでもよく、ここでは基板１４０を有する発光素子１００Ｓ（例えば図１Ｃ参照）を例示する。ＬＥＤチップ１８０ｃは、支持基板１９０上に実装されており、発光素子１００Ｓは、ＬＥＤチップ１８０ｃと所定の間隔をあけて配置されている。発光素子１００Ｓは、ＬＥＤチップ１８０ｃから出射される励起光を受けて発光する。支持基板１９０上において、ＬＥＤチップ１８０ｃおよび発光素子１００Ｓは、封止部１４２に覆われている。
【０２２３】
封止部１４２は、高熱伝導性と透光性とを備えている。封止部１４２を形成する材料（「封止材料」ということがある）は、例えば、高熱伝導性のフィラーと樹脂材料とを含む複合材料である。高熱伝導性フィラーとしては、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、Ｙ2Ｏ3、グラフェンおよびＡｌＮを例示することができる。また、樹脂材料としては、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂を例示することができる。特に、封止材料として、高熱伝導性フィラーのサイズがナノメートルサイズ（例えば、サブミクロンサイズ）のナノコンポジット材料を用いることができる。ナノコンポジット材料を用いると、光の拡散反射（または散乱）を抑制することができる。ナノコンポジット材料としては、フィラーとしてＺｎＯまたはＡｌ2Ｏ3を用い、樹脂として、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂を用いた材料を例示することができる。
【０２２４】
なお、図５６Ａに例示するように、表面に周期構造が露出しているタイプの発光素子を用いる場合には、周期構造の周りの媒質の屈折率は、典型的には、周期構造の屈折率よりも低い。例えば周期構造がフォトルミネッセンス層と同じ材料で形成されている場合は、発光素子から効率良く光を取り出す観点から、封止部１４２の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも低いと有益である。
【０２２５】
図５６Ｂに示すように、発光素子１００Ｓとして、周期構造が低屈折率層１０７（図５５Ｃ参照）で覆われているタイプの発光素子を用いる場合、封止部１４２の屈折率は、周期構造の屈折率よりも高くてもよい。このような構成を採用するようことによって、封止部１４２の材料の選択範囲が広がる。
【０２２６】
封止部１４２は、図５６Ｃに示すように、発光素子１００Ｓの表面近傍（例えば、周期構造を有する側の表面の近傍）を露出するように設けられてもよい。このような構成においては、封止部１４２の屈折率は特に制限されない。
【０２２７】
図５６Ｄに示すように、発光素子１００Ｓの周辺を高い熱伝導性を有するホルダー１５２に固定してもよい。ホルダー１５２は、例えば、金属で形成され得る。例えば、光源として、レーザーダイオード１８２を用いる場合のように、発光素子１００Ｓと光源との間に封止材料を充填できない場合に、上記の構造を適用し得る。例えば、図５５Ａ〜図５５Ｄに例示する構成を有する発光素子は、透明高熱伝導層１０５または高い熱伝導率を有する低屈折率層１０７を有するので、素子の面内の熱伝導性が高く、ホルダー１５２を介して効果的に放熱することができる。
【０２２８】
図５７Ａ〜図５７Ｄに示すように、発光素子１００の表面に、高熱伝導部材１４４を配置してもよい。高熱伝導部材１４４は、例えば、金属で形成される。
【０２２９】
例えば、図５７Ａに断面図を示し、図５７Ｂに平面図を示すように、発光素子１００の表面構造１２０の一部を覆うように高熱伝導部材１４４を配置してもよい。図５７Ａおよび図５７Ｂには、１次元周期構造を形成する複数の凸部の１つを覆う線状の高熱伝導部材１４４を示しているが、これに限られない。
【０２３０】
また、図５７Ｃに断面図を示し、図５７Ｄに平面図を示すように、表面構造１２０において最も外側に位置する凸部およびフォトルミネッセンス層１１０の端面を覆うように、高熱伝導部材１４６を配置してもよい。ただし、表面構造およびフォトルミネッセンス層の、高熱伝導部材１４６に覆われる部分の面積が大きくなると、発光素子１００の特性に影響するおそれがあるので、発光素子１００の表面に形成する高熱伝導部材１４６の面積は小さい方がよい。
【０２３１】
図５８Ａに断面図を示し、図５８Ｂに平面図を示すように、異なる構造を有する複数の発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂをタイリングする場合、隣接する発光素子の間に、それぞれの発光素子の端部を覆うように、高熱伝導部材１４８を配置してもよい。例えば、ここで例示するように、赤色光を増強する発光素子１００ｒ、緑色光を増強する発光素子１００ｇおよび青色光を増強する発光素子１００ｂを配列する場合、例えば、金属で形成された高熱伝導部材１４８を隣接する発光素子間に配置してもよい。例えば高熱伝導部材１４８は遮光性を有しているので、このような構成によれば、混色を抑制することができる。このように、高熱伝導部材１４８を表示パネルにおけるブラックマトリクスのように使用することもできる。
【０２３２】
［１３．インターロック回路を有する発光装置］
図５９Ａおよび図５９Ｂは、インターロック回路１８５を有する発光装置の例を示す。図５９Ａは、発光装置中の発光素子１００Ｓの裏面を示す模式図であり、図５９Ｂは、発光素子１００Ｓの断面図を含む、発光装置の模式図である。図５９Ａおよび図５９Ｂに示すように、発光素子１００Ｓが有する基板１４０の裏面に、環状配線１７２が形成されている。環状配線１７２は、発光素子１００Ｓの裏面の外周近傍に形成されており、基板１４０が破損したら断線するように形成されている。環状配線１７２は、例えば金属材料で形成される。環状配線１７２の２つの端部は、インターロック回路１８５のリレー回路に電気的に接続されている。環状配線１７２に断線が発生した場合、リレー回路は、光源としてのレーザーダイオード１８２への電力の供給を遮断する。光源が、特に、レーザーダイオードのように強度の強い光を発する場合には、安全性等の観点から、インターロック回路１８５を設けると有益である。
【０２３３】
［１４．ビーズの利用］
上述の実施形態の発光素子が有する表面構造は、例えば周期構造であり、フォトリソグラフィ技術、ナノプリント技術などを用いて形成され得る。以下、図６０Ａ〜図６０Ｆを参照しながら、サブミクロン構造の他の形成方法を説明する。
【０２３４】
図６０Ａに示すように、基板１４０に支持されたフォトルミネッセンス層１１０の表面にビーズ１２２を配置する。ビーズ１２２の一部をフォトルミネッセンス層１１０に均等に埋め込むことにより、ビーズ１２２をフォトルミネッセンス層１１０に固定することができる。このように、多数のビーズ１２２のそれぞれの一部がフォトルミネッセンス層１１０に例えば均等に埋め込まれて、残りの部分がフォトルミネッセンス層１１０から突き出ている構成も採用し得る。このような構成において、ビーズ１２２の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率と等しくてもよいし、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さくてもよい。例えば、ビーズ１２２の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さい場合、多数のビーズ１２２によって形成される層（フォトルミネッセンス層１１０から突き出た部分と埋め込まれた部分の両方）が、表面構造１２０として機能し得る。ビーズ１２２の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と等しい場合、ビーズ１２２とフォトルミネッセンス層１１０とは実質的に一体となり、フォトルミネッセンス層１１０から突き出た部分が、表面構造１２０として機能する。
【０２３５】
あるいは、図６０Ｂに示すように、基板１４０上に多数のビーズ１２２を配置した上に、フォトルミネッセンス層１１０を形成してもよい。このとき、ビーズ１２２の屈折率は、典型的には、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い。
【０２３６】
ここで、ビーズ１２２の直径は例えば上述のＤintと等しいかそれよりも小さい。ビーズ１２２が緻密に充填された場合には、ビーズ１２２の直径がＤintとほぼ一致する。隣接するビーズ１２２の間に間隙が形成される場合、ビーズ１２２の直径に間隙を加えた長さがＤintに対応する。ビーズ１２２は、中空のビーズであっても、中実のビーズであってもよい。
【０２３７】
図６０Ｃ〜図６０Ｆは、種々のビーズの充填状態（左側）と、それぞれ充填状態のビーズから得られる光散乱のパターン（右側）とをあわせて示す図である。図６０Ｃ〜図６０Ｆのそれぞれの左側の図において、黒い部分は中実ビーズまたは中空ビーズ内の中実部分を示し、白い部分は、中空ビーズまたは、中空ビーズ内の空隙部分を示している。
【０２３８】
図６０Ｃは、卵形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンとを示している。この中空ビーズの空隙部分は、ほぼ球形で、卵の底の位置に形成されている。図６０Ｄは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンとを示している。この中空ビーズの空隙部分は、ほぼ球形で、外形の球に接するように形成されている。図６０Ｅは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンとを示している。この中空ビーズの空隙部分は、２つのほぼ球形の空隙を含んでおり、２つの球形の空隙は、外形の球の直径にそって配列されている。図６０Ｆは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズとほぼ球形の外形を有する中実ビーズとが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンとを示している。中空ビーズおよび中実ビーズはほぼ同じ直径を有しており、ほぼ同じ体積比率で混合されている。また、中空ビーズおよび中実ビーズの配置に規則性はなく、ほぼランダムである。
【０２３９】
種々のガラスまたは樹脂で形成された、中空ビーズまたは中実ビーズが市販されている。ここでは、例えば、研磨材料として広く市販されているアルミナの粉体または日鉄鉱業株式会社の中空シリカなどを用い、得られたビーズに分散剤を添加し、溶媒（例えば水やアルコール類など）に分散し、この分散液を基板１４０上またはフォトルミネッセンス層１１０上に付与し、乾燥することによって、多数のビーズが密に充填された層を形成し得る。
【０２４０】
［１５．応用例］
上述したように、本開示の発光素子およびそれを備える発光装置は、種々の利点を有しているので、種々の光学デバイスに適用することによって、有利な効果を奏し得る。以下に、応用例を挙げる。
【０２４１】
本開示の発光素子は、特定の方向に指向性の高い光を出射することができる。この高い指向性は、例えば、液晶表示装置の導光板を利用するエッジライト型のバックライトとして好適に用い得る。例えば、従来の指向性の低い光源を用いた場合には、光源から出射した光を反射板および／または拡散材により、導光板へ光を導入している。特定方向の指向性が高い光源の場合、これらの光学部品を省略しても効率よく導光板へ光を導入することできる。
【０２４２】
種々の光学デバイスにおいて、光源からの光を所定の方向に効率よく導く必要がある。そのために、例えば、レンズ、プリズムまたは反射板が用いられている。例えば、プロジェクターにおいては、光源からの光を表示パネルに導くために、ライトガイドを用いる構成が知られている（例えば、特開２０１０−１５６９２９号公報）。参考のために、特開２０１０−１５６９２９号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。本開示の発光素子を光源に用いることによって、ライトガイドを省略することができる。
【０２４３】
従来の照明器具は、等方的に発せられた光を所望の方向に導くために、レンズおよび／または反射板を含む光学部品が用いられる。これに対して、本開示の発光素子を用いることによって、これらを省略することが可能となる。あるいは、等方的な光に対する複雑な設計を、指向性の高い光に対する単純な設計に置き換えることができる。その結果、照明器具を小型化、あるいは、設計工程を簡略化することができる。
【０２４４】
本開示の発光素子は、特定の波長の光を選択的に増強することができる。したがって、必要とされる波長を出射する光源を比較的容易に実現し得る。また、フォトルミネッセンス層の材料を変えずに、周期構造を変更することによって、出射される光の波長を変えることができる。さらに、周期構造に対する角度によって、異なる波長の光を出射させることもできる。このような波長選択性は、例えば、狭帯域イメージング（narrow band imaging：ＮＢＩ、登録商標）という技術に好適に用いられ得る。また、可視光通信にも好適に用いることができる。
【０２４５】
照明の分野では、彩光色照明および美光色照明という技術が開発されている。これらは、照明の対象の色を美しく見せる。彩光色照明は、例えば野菜などの食品をよりおいしそうに見せる効果があり、美光色照明は、肌をより美しく見せる効果がある。これらは、いずれも光源のスペクトル（即ち、発光する光の波長の強度分布）を対象物に応じて制御することによって行われる。従来は、光学フィルタを用いて光源から出射された光を選択透過させることによって、照明に用いる光のスペクトルを制御している。つまり、不要な光を光学フィルタによって吸収させているので、光の利用効率を低下させてしまう。これに対し、本開示の発光素子は、特定の波長の光を増強できるので、光学フィルタを必要とせず、その結果、光の利用効率を向上させることができる。
【０２４６】
本開示の発光素子は、偏光（直線偏光）を出射することができる。従来、直線偏光は、光源から出射された非偏光を構成する直交する２つの直線偏光の内の一方を例えば偏光板などの偏光フィルタに吸収させることによって作られている。したがって、光の利用効率は５０％以下である。本開示の発光素子を偏光光源として用いれば、偏光フィルタを用いる必要がないので、光の利用効率を向上させることができる。偏光照明は、例えば、ショーウィンドウまたは展望レストランの窓ガラスなど、反射光を低減させたい場合に用いられる。また、皮膚表面の反射特性が偏光に依存することを利用した、洗面・化粧用の照明、さらには、内視鏡による病変部の観察を容易にするために用いられる。
【０２４７】
偏光光源は、液晶表示装置のバックライトとして好適に用いられる他、液晶プロジェクターの光源にも好適に用いられ得る。液晶プロジェクターの光源として用いる場合には、上述の波長選択性と組み合わせて、３原色の偏光を出射できる光源を構成することができる。例えば、赤色の直線偏光を出射する発光素子と、緑色の直線偏光を出射する発光素子と、青色の直線偏光を出射する発光素子とをつなぎあわせて円盤を形成し、この円盤に励起光を照射しながら、円盤を回転させることによって、時系列に赤、緑、青の三原色の偏光を出射する光源を形成することができる。
【０２４８】
また、本開示の発光素子は、図６１に模式的に示すように、透明表示装置のスクリーン３００Ｓとして用いることができる。スクリーン３００Ｓは、例えば、赤色光（Ｒ）を増強する発光素子と、緑色光（Ｇ）を増強する発光素子と、青色光（Ｂ）を増強する発光素子とで構成される画素がマトリクス状に配列されている。これらの発光素子は、励起光源１８０Ｓ１から対応する励起光（例えば紫外線）が照射されたときにだけ所定の色光を発光し、画像を表示することができる。各発光素子は、可視光を透過するので、観察者は、スクリーン３００Ｓを介して、背景を観察することができる。スクリーン３００Ｓに励起光が照射されないときは、スクリーン３００Ｓは、透明な窓のように見える。励起光源１８０Ｓ１として、レーザーダイオードを用い画像データに合わせて、出力を変えながらスキャンさせることによって、高解像度の表示が可能となる。また、レーザー光はコヒーレント光であるので、周期構造と干渉させることによって、励起効率も高めることができる。また、紫外線などの光を励起光として用いる場合には、励起光源をスクリーン３００Ｓの観察者と反対側に設置し、スクリーン３００Ｓの観察者側に励起光をカットするフィルタを設けることによって、不要な光の漏洩を防止することができる。
【０２４９】
スクリーン３００Ｓは、高い指向性を有し得るので、例えば、所定の方から観察する人だけが画像を観察できるように構成することができる。
【０２５０】
励起光源１８０Ｓ１に代えて、励起光源１８０Ｓ２を用いることができる。このとき、スクリーン３００Ｓの背面（即ち、観察者側とは反対側）に、導光シートＳを配置し、導光シートＳに励起光源１８０Ｓ２から励起光を照射する。導光シートＳに入射した励起光は、導光シートＳ内を伝播しながら、スクリーン３００Ｓを裏面から照射する。表示したい画像の部分に合わせて発光素子を配置しておけば、励起光が照射されていない場合は、窓のように透明であり、励起光が照射された時にのみ画像あるいは図形、文字などが表示される表示機器を構成することができる。
【０２５１】
また、本開示の発光素子では、例えば図７および図８を参照して上述したように、周期構造の屈折率が変化すると、増強される光の波長が変化し、増強される光の出射方向も変化する。また、フォトルミネッセンス層の屈折率によっても、増強される光の波長および出射方向が変化する。したがって、発光素子の近傍の媒質の屈折率変化を容易に感度良く検知することができる。したがって、例えば、以下のようにして、本開示の発光素子を用いて、様々な物質を検出するセンサーを構成することができる。
【０２５２】
本開示の発光素子の周期構造に近接して、測定対象の物質（タンパク質、匂い分子、ウィルスなど）と選択的に結合する物質（酵素など）を配置しておく。測定対象の物質が、周期構造に近接して配置された物質と結合すると、発光素子の近傍の媒質の屈折率が変化する。この屈折率の変化を、上述の増強される光の波長または出射方向の変化として検出することによって、様々な物質の存在を検知することができる。
【０２５３】
上述の種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。本開示の発光素子の応用例は上記に限られず、種々の光学デバイスに適用され得る。
【産業上の利用可能性】
【０２５４】
本開示の発光素子および発光素子は、照明器具、ディスプレイ、プロジェクターをはじめ、種々の光学デバイスに適用され得る。
【符号の説明】
【０２５５】
１００、１００Ｓ〜１００Ｗ    発光素子
１１０、１１０Ｂ、１１０Ｃ    フォトルミネッセンス層
１１２    帯状部
１２０    表面構造
１２２ｐ    凸部
１４０    基板
１５０    保護層
２００    導光層
【図１Ａ】
0006719094.tif 000045
【図１Ｂ】
0006719094.tif 000046
【図１Ｃ】
0006719094.tif 000047
【図１Ｄ】
0006719094.tif 000048
【図２】
0006719094.tif 000049
【図３】
0006719094.tif 000050
【図４】
0006719094.tif 000051
【図５Ａ】
0006719094.tif 000052
【図５Ｂ】
0006719094.tif 000053
【図５Ｃ】
0006719094.tif 000054
【図６】
0006719094.tif 000055
【図７】
0006719094.tif 000056
【図８】
0006719094.tif 000057
【図９】
0006719094.tif 000058
【図１０】
0006719094.tif 000059
【図１１】
0006719094.tif 000060
【図１２】
0006719094.tif 000061
【図１３】
0006719094.tif 000062
【図１４】
0006719094.tif 000063
【図１５】
0006719094.tif 000064
【図１６】
0006719094.tif 000065
【図１７Ａ】
0006719094.tif 000066
【図１７Ｂ】
0006719094.tif 000067
【図１７Ｃ】
0006719094.tif 000068
【図１８Ａ】
0006719094.tif 000069
【図１８Ｂ】
0006719094.tif 000070
【図１９】
0006719094.tif 000071
【図２０】
0006719094.tif 000072
【図２１Ａ】
0006719094.tif 000073
【図２１Ｂ】
0006719094.tif 000074
【図２１Ｃ】
0006719094.tif 000075
【図２１Ｄ】
0006719094.tif 000076
【図２１Ｅ】
0006719094.tif 000077
【図２１Ｆ】
0006719094.tif 000078
【図２２Ａ】
0006719094.tif 000079
【図２２Ｂ】
0006719094.tif 000080
【図２２Ｃ】
0006719094.tif 000081
【図２２Ｄ】
0006719094.tif 000082
【図２２Ｅ】
0006719094.tif 000083
【図２２Ｆ】
0006719094.tif 000084
【図２３】
0006719094.tif 000085
【図２４Ａ】
0006719094.tif 000086
【図２４Ｂ】
0006719094.tif 000087
【図２４Ｃ】
0006719094.tif 000088
【図２４Ｄ】
0006719094.tif 000089
【図２５Ａ】
0006719094.tif 000090
【図２５Ｂ】
0006719094.tif 000091
【図２６】
0006719094.tif 000092
【図２７Ａ】
0006719094.tif 000093
【図２７Ｂ】
0006719094.tif 000094
【図２７Ｃ】
0006719094.tif 000095
【図２７Ｄ】
0006719094.tif 000096
【図２８】
0006719094.tif 000097
【図２９】
0006719094.tif 000098
【図３０】
0006719094.tif 000099
【図３１】
0006719094.tif 000100
【図３２Ａ】
0006719094.tif 000101
【図３２Ｂ】
0006719094.tif 000102
【図３２Ｃ】
0006719094.tif 000103
【図３２Ｄ】
0006719094.tif 000104
【図３２Ｅ】
0006719094.tif 000105
【図３２Ｆ】
0006719094.tif 000106
【図３２Ｇ】
0006719094.tif 000107
【図３２Ｈ】
0006719094.tif 000108
【図３２Ｉ】
0006719094.tif 000109
【図３３Ａ】
0006719094.tif 000110
【図３３Ｂ】
0006719094.tif 000111
【図３３Ｃ】
0006719094.tif 000112
【図３３Ｄ】
0006719094.tif 000113
【図３３Ｅ】
0006719094.tif 000114
【図３３Ｆ】
0006719094.tif 000115
【図３３Ｇ】
0006719094.tif 000116
【図３３Ｈ】
0006719094.tif 000117
【図３３Ｉ】
0006719094.tif 000118
【図３４Ａ】
0006719094.tif 000119
【図３４Ｂ】
0006719094.tif 000120
【図３４Ｃ】
0006719094.tif 000121
【図３４Ｄ】
0006719094.tif 000122
【図３５Ａ】
0006719094.tif 000123
【図３５Ｂ】
0006719094.tif 000124
【図３６Ａ】
0006719094.tif 000125
【図３６Ｂ】
0006719094.tif 000126
【図３７】
0006719094.tif 000127
【図３８】
0006719094.tif 000128
【図３９】
0006719094.tif 000129
【図４０】
0006719094.tif 000130
【図４１】
0006719094.tif 000131
【図４２Ａ】
0006719094.tif 000132
【図４２Ｂ】
0006719094.tif 000133
【図４３】
0006719094.tif 000134
【図４４Ａ】
0006719094.tif 000135
【図４４Ｂ】
0006719094.tif 000136
【図４４Ｃ】
0006719094.tif 000137
【図４４Ｄ】
0006719094.tif 000138
【図４５】
0006719094.tif 000139
【図４６】
0006719094.tif 000140
【図４７】
0006719094.tif 000141
【図４８】
0006719094.tif 000142
【図４９Ａ】
0006719094.tif 000143
【図４９Ｂ】
0006719094.tif 000144
【図５０】
0006719094.tif 000145
【図５１Ａ】
0006719094.tif 000146
【図５１Ｂ】
0006719094.tif 000147
【図５２Ａ】
0006719094.tif 000148
【図５２Ｂ】
0006719094.tif 000149
【図５２Ｃ】
0006719094.tif 000150
【図５２Ｄ】
0006719094.tif 000151
【図５３Ａ】
0006719094.tif 000152
【図５３Ｂ】
0006719094.tif 000153
【図５３Ｃ】
0006719094.tif 000154
【図５４Ａ】
0006719094.tif 000155
【図５４Ｂ】
0006719094.tif 000156
【図５５Ａ】
0006719094.tif 000157
【図５５Ｂ】
0006719094.tif 000158
【図５５Ｃ】
0006719094.tif 000159
【図５５Ｄ】
0006719094.tif 000160
【図５６Ａ】
0006719094.tif 000161
【図５６Ｂ】
0006719094.tif 000162
【図５６Ｃ】
0006719094.tif 000163
【図５６Ｄ】
0006719094.tif 000164
【図５７Ａ】
0006719094.tif 000165
【図５７Ｂ】
0006719094.tif 000166
【図５７Ｃ】
0006719094.tif 000167
【図５７Ｄ】
0006719094.tif 000168
【図５８Ａ】
0006719094.tif 000169
【図５８Ｂ】
0006719094.tif 000170
【図５９Ａ】
0006719094.tif 000171
【図５９Ｂ】
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【図６０Ａ】
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【図６０Ｂ】
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【図６０Ｃ】
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【図６０Ｄ】
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【図６０Ｅ】
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【図６０Ｆ】
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【図６１】
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