(57)【要約】【課題】励起された蛍光体の励起子が非輻射過程で基底状態に戻る（励起子がフォノンになる）ことや、励起飽和が発生するのを抑制し、ひいては、発光効率や発光強度を高めることができる光源装置を提供する。【解決手段】固体光源素子２が発光する所定波長の光が励起光として入射され、その入射された励起光により励起されることによって蛍光を発生すると共に該蛍光を外部に出射する蛍光体層３と、蛍光体層３の外面のうち、励起光の入射面と蛍光の出射面とを除く所定の面に接合され、該所定の面に近接して蛍光体層３で励起された励起子から表面プラズモンポラリトンを介して光に変換する金属層４とを備える。表面プラズモンモラリトンを介して励起子から変換された光を蛍光と共に蛍光体層３の出射面から出射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長の光を発光する固体光源素子と、
該固体光源素子が発光する光が励起光として入射され、その入射された励起光により励起されることによって該励起光よりも長波長の蛍光を発生すると共に該蛍光を外部に出射する蛍光体層と、
該蛍光体層の外面のうち、前記励起光の入射面と前記蛍光の出射面とを除く所定の面に接合され、該所定の面に近接して該蛍光体層で励起された励起子から表面プラズモンポラリトンを介して光に変換する金属層とを備え、
前記表面プラズモンポラリトンを介して前記励起子から変換された光を前記蛍光と共に前記蛍光体層の出射面から出射することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
請求項１記載の光源装置において、
前記蛍光体層は、シリコンナノ結晶から構成されることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項２記載の光源装置において、
前記蛍光体層は、シリコン基板を陽極化成することにより作製されたシリコンナノ結晶により構成されることを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項２記載の光源装置において、
前記蛍光体層は、ポリシリコンをエッチングすることにより作製されたシリコンナノ結晶により構成されることを特徴とする光源装置。
【請求項５】
請求項２記載の光源装置において、
前記蛍光体層は、シリコン酸化膜にシリコンをイオン注入することにより作製されたシリコンナノ結晶により構成されることを特徴とする光源装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記金属層は、前記蛍光体層との接合面で発生する表面プラズモンの周波数が、前記蛍光の周波数と同等となる種類の金属により構成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記金属層の前記蛍光体層との接合面は粗面に形成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項８】
請求項７記載の光源装置において、
前記金属層は、該金属層を構成する金属を前記蛍光体層に蒸着することにより該蛍光体層に接合されていることを特徴とする光源装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記固体光源素子は、基板に形成された凹部の底面部に搭載され、前記蛍光体層及び金属層は、該蛍光体層と前記基板との間に前記金属層を介在させた状態で、前記基板の凹部の壁面部に固着されていることを特徴とする光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体光源素子と蛍光体とを有する光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤチップ等の固体光源素子を、蛍光体を含有させた樹脂製の透光性モールド部材で被覆し、固体光源素子が発光する光により蛍光体を励起することによって生成される蛍光と、固体光源素子が発光する光との合成色の光を透光性モールド部材の外部に出射するようにした光源装置が従来より知られている（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
この種の光源装置は、近年、照明器具や車両のヘッドライト等の光源用途としての利用が急速に進行しており、高強度の発光を高効率に行い得ることが要求されている。そして、このような要求から、例えば特許文献２，３には、固体光源素子として使用されるＧａＮ半導体発光素子の発光強度や発光効率を高める技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−７７４３３号公報
【特許文献２】特許第４１４０６０６号公報
【特許文献３】特開２００７−１５７７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に見られる光源装置の如く、固体光源素子が発する光と、蛍光体による蛍光とを合成した光を出射する光源装置の高効率化や高出力化を図る上では、固体光源素子の発光強度や発光効率を高めることに加えて、蛍光体による蛍光の発光強度や発光効率も高める必要がある。
【０００６】
しかしながら、蛍光体の蛍光の発光強度は、一般に固体光源素子の発光強度（蛍光体に対する励起光の入射強度）に対して飽和特性を示すので、固体光源素子の発光強度がある程度大きくなると、該固体光源素子の発光強度が増加しても、蛍光体の蛍光の発光強度はさほど上昇しないようになる。
【０００７】
このように蛍光体の発光強度が飽和する原因としては、励起された蛍光体の励起子が非輻射過程で基底状態に戻ることで熱（フォノン）になり、その熱による蛍光体の加熱・温度上昇によって蛍光体の発光効率が低下したり、あるいは、励起密度（蛍光体の単位体積中に生成される励起子の量）が高くなって励起飽和（励起密度の飽和）が生じ、それによって、蛍光体の発光効率が低下する、というような原因が挙げられる。
【０００８】
従って、上記光源装置の高効率化や高出力化を図る上では、上記原因をできるだけ抑制することが望まれる。
【０００９】
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、励起された蛍光体の励起子が非輻射過程で基底状態に戻る（励起子がフォノンになる）ことや、励起飽和が発生するのを抑制し、ひいては、発光効率や発光強度を高めることができる光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光源装置は、かかる目的を達成するために、所定波長の光を発光する固体光源素子と、該固体光源素子が発光する光が励起光として入射され、その入射された励起光により励起されることによって該励起光よりも長波長の蛍光を発生すると共に該蛍光を外部に出射する蛍光体層と、該蛍光体層の外面のうち、前記励起光の入射面と前記蛍光の出射面とを除く所定の面に接合され、該所定の面に近接して該蛍光体層で励起された励起子から表面プラズモンポラリトンを介して光に変換する金属層とを備え、前記表面プラズモンポラリトンを介して前記励起子から変換された光を前記蛍光と共に前記蛍光体層の出射面から出射することを特徴とする（第１発明）。
【００１１】
この第１発明の光源装置によれば、前記蛍光体層では、前記蛍光（詳しくは、蛍光体層に入射した励起光により該蛍光体層で励起された励起子が輻射過程を介して基底状態に戻ることによって生成される蛍光）に加えて、前記表面プラズモンポラリトンを介して前記励起子から変換される光が生成される。
【００１２】
上記表面プラズモンポラリトンは、前記蛍光体層と金属層との接合面（界面）で発生する表面プラズモンに、該接合面に近接して前記蛍光体層で生成された励起子が結合することにより生成されるものである。そして、本発明では、この表面プラズモンポラリトンが光（フォトン）に変換され、この光が前記蛍光と共に蛍光体層の出射面から外部に出射する。
【００１３】
第１発明では、蛍光体層で励起された励起子の挙動には、通常の輻射過程及び非輻射過程に加えて、上記のように、励起子を、蛍光体層と金属層との接合面で発生する表面プラズモンに結合させて表面プラズモンポラリトンを生成する過程（以下、表面プラズモン過程ということがある）が含まれる。このため、励起された励起子のうち、非輻射過程を介して基底状態に戻ることで熱（フォノン）を生成するような励起子の量を相対的に低減させることが可能となり、ひいては、輻射過程又は表面プラズモン過程を介して光に変換される励起子の量を相対的に増加させることが可能となる。
【００１４】
また、励起子が表面プラズモンと結合して表面プラズモンポラリトンを生成することで、蛍光体層の単位体積中に単位時間当たりに存在する励起子の量、すなわち励起密度を、表面プラズモン過程が発生しない場合（蛍光体層で輻射過程と非輻射過程だけが発生する場合）に比べて少なくすることができる。そのため、励起密度が飽和する励起飽和を発生させずに蛍光体層に入射させ得る励起光の強度の上限を高めることができる。
【００１５】
よって、第１発明の光源装置によれば、励起された蛍光体の励起子が非輻射過程で基底状態に戻る（励起子がフォノンになる）ことや、励起飽和が発生するのを抑制し、ひいては、光源装置の発光効率や発光強度を高めることができる。
【００１６】
かかる第１発明では、前記蛍光体層は、前記金属層との接合面（界面）に近接した励起子を生成し得るものでよいが、そのような蛍光体層は、より具体的には、例えばシリコンナノ結晶から構成されることが好ましい（第２発明）。
【００１７】
このようにシリコンナノ結晶から構成された蛍光体層は、入射される励起光から輻射過程によって蛍光を発生できることに加えて、金属層との接合面に近接する多くの励起子を生成できる。このため、蛍光体層で生成される多くの励起子を素早く表面プラズモンに結合させて、表面プラズモンポラリトンに変換させることができる。ひいては、非輻射過程を介して熱となる励起子の量を効果的に低減し、蛍光体層での発光効率を効果的に高めることができる。
【００１８】
また、シリコンナノ結晶により構成された蛍光体層は、赤色や緑色等、幅広い波長域での光を出射させることができるので、固体光源素子として、例えばＧａＮ半導体発光素子等の青色発光の素子を使用することで、該固体光源素子が発光する光と蛍光体層から出射する光との合成色を白色光にすることができる。ひいては、高強度の白色光を高効率で出射し得る白色光源装置を実現することもできる。
【００１９】
上記の如くシリコンナノ結晶により構成された蛍光体層のより具体的な形態としては、例えば次のような形態が挙げられる。
【００２０】
すなわち、前記蛍光体層は、シリコン基板を陽極化成することにより作製されたシリコンナノ結晶により構成される（第３発明）。
【００２１】
あるいは、前記蛍光体層は、ポリシリコンをエッチングすることにより作製されたシリコンナノ結晶により構成される（第４発明）。なお、この場合のエッチング剤としては、フッ酸、酸素ガス等を使用することができる。
【００２２】
あるいは、前記蛍光体層は、シリコン酸化膜にシリコンをイオン注入することにより作製されたシリコンナノ結晶により構成される（第５発明）。
【００２３】
これらの第３〜第５発明によれば、シリコンナノ結晶により構成される蛍光体層を容易に作製することができる。
【００２４】
また、上記第１〜第５発明では、前記金属層は、前記蛍光体層との接合面で発生する表面プラズモンの周波数が、前記蛍光の周波数と同等となる種類の金属により構成されていることが好ましい（第６発明）。なお、この第６発明において、表面プラズモンの周波数が、前記蛍光の周波数と同等であるということは、表面プラズモンの周波数が、前記蛍光の周波数と厳密に同じであることだけを意味するものではなく、蛍光体層で励起された励起子と表面プラズモンとの結合を行い得る範囲内で、表面プラズモン周波数と前記蛍光の周波数とが若干の相違があってもよい。
【００２５】
この第６発明によれば、前記蛍光体層で前記金属層との接合面に近接して生成される励起子と前記表面プラズモンとの結合を効果的に促進することができる。ひいては、非輻射過程を介して熱となる励起子の量を効果的に低減し、蛍光体層での発光効率を効果的に高めることができる。また、蛍光体層で前記金属層との接合面に近接して生成される励起子と前記表面プラズモンとの結合が生じやすくなるので、蛍光体層での励起密度をより一層低減することができる。ひいては、励起飽和を発生させずに蛍光体層に入射させ得る励起光の強度の上限を効果的に高めることができる。
【００２６】
また、前記第１〜第６発明では、前記金属層の前記蛍光体層との接合面は粗面に形成されていることが好ましい（第７発明）。
【００２７】
すなわち、本願発明者等による各種実験によれば、前記金属層の前記蛍光体層との接合面を粗面に形成しておくことによって、前記表面プラズモンポラリトンを、蛍光体層から出射する光に変換させることを効果的に促進できる。従って、蛍光体層での発光効率や、該蛍光体層から出射する光の強度を効果的に高めることができる。
【００２８】
なお、前記粗面の形態の例としては、例えばグレイン構造の粗面が挙げられる。
【００２９】
このように前記金属層の前記蛍光体層との接合面を粗面に形成する第７発明においては、前記金属層は、該金属層を構成する金属を前記蛍光体層に蒸着することにより該蛍光体層に接合されていることが好適である（第８発明）。
【００３０】
この第８発明によれば、蛍光体層への金属の蒸着速度を適切に設定することで、前記表面プラズモンポラリトンを、蛍光体層から出射する光に変換させるのに適した前記粗面を形成しつつ、前記金属層を蛍光体層に接合させることができる。
【００３１】
また、上記第１〜第８発明では、前記固体光源素子は、基板に形成された凹部の底面部に搭載され、前記蛍光体層及び金属層は、該蛍光体層と前記基板との間に前記金属層を介在させた状態で、前記基板の凹部の壁面部に固着されていることが好ましい（第９発明）。
【００３２】
この第９発明によれば、前記固体光源素子と、蛍光体層及び金属層とを基板の凹部に一体的に搭載した形態のコンパクトなパッケージ構造の光源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態における光源装置の基本構造を示す図。
【図２】図１に示す光源装置の蛍光体層３を作製する手法を説明するための図。
【図３】図１に示す光源装置の蛍光体層３の組成構造を示す図。
【図４】図１に示す光源装置の蛍光体層での発光効率を説明するためのグラフ。
【図５】図１に示す光源装置の蛍光体層での発熱率を説明するめのグラフ。
【図６】本発明の第２実施形態における光源装置の構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
［第１実施形態］
まず、本発明の基本的な実施形態としての第１実施形態を図１〜図５を参照して説明する。
【００３５】
図１は、本実施形態の光源装置１の基本構造を示しており、この光源装置１は、固体光源素子２と、蛍光体層３と、該蛍光体層３に接合された金属層４とを基本要素として備える。そして、図示例の光源装置１では、蛍光体層３及び金属層４がシリコン基板等の基板５に搭載されている。
【００３６】
固体光源素子２は、例えば発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子により構成される光源であり、所定波長の光、例えば紫外光から可視光までの波長領域に属する所定波長の光を発光する。本実施形態では、固体光源素子２としては、例えば、青色の光を発光するＧａＮ（窒化ガリウム）半導体発光素子等の発光ダイオードが使用される。
【００３７】
蛍光体層３は、固体光源素子２が発光する光を励起光として励起されることによって該励起光よりも長波長の蛍光を発する蛍光体の層である。図示例の蛍光体層３は、その表面３ａが該表面３の法線方向に対して傾斜した方向で固体光源素子２と間隔を存して対向するように配置されており、この蛍光体層３の表面３ａが、固体光源素子２が発光する光（励起光）の蛍光体層３への入射面として機能すると共に、蛍光体層３で発生する光の出射面としても機能するようになっている。なお、蛍光体層３で発生する光は、後述する如く、蛍光体層３に入射した励起光により励起された励起子から輻射過程によって生成される光（蛍光）と、該励起子から表面プラズモン過程によって生成される光とから構成される。
【００３８】
この蛍光体層３の材質は、金属層４との接合面（界面）で発生する表面プラズモンと結合可能な励起子（すなわち該接合面に近接する励起子）を生成し得るものであればよく、例えば、シリコンナノ結晶により構成される。より具体的には、本実施形態では、蛍光体層３は、例えばシリコンナノ結晶構造を有する水素終端ポーラスシリコンにより構成される。
【００３９】
このようにシリコンナノ結晶構造を有する水素終端ポーラスシリコンにより構成される蛍光体層３は、例えば次のように、陽極化成の処理によって作製することができる。
【００４０】
すなわち、図２に示すように、テフロン製（テフロン：登録商標）の電解槽５１に電解液５３（例えば、ＨＦ−Ｃ2Ｈ5ＯＨ溶液）を入れ、電解槽５１の底部にＳｉ基板５２を設置する。そして、電解液５３にメッシュ状のＰｔ陰極５４を浸透した後、Ｓｉ基板５２とＰｔ陰極５４との間に直流電源５５から電圧を印加し、Ｓｉ基板５２に１〜５００ｍＡ／ｃｍ2程度の直流電流を１０分から１３時間供給する。これにより、Ｓｉ基板５２は陽極化成処理され、膜状のポーラスシリコンが作製される。なお、５６はランプ、５７は電流計である。
【００４１】
このＳｉ基板５２上に作製された膜状のポーラスシリコンを該基板５２から剥がすためには、５００ｍＡ／ｃｍ2〜２０００ｍＡ／ｃｍ2の電流を０．１〜１秒の間、Ｓｉ基板５２に印加し、ポーラスシリコンをＳｉ基板５２から剥がす作業を行なう。
【００４２】
このようにして作製されたフリースタンディングポーラスシリコンは、ｐ（１００）１〜１０Ω・ｃｍのＳｉ基板２を用いて２０ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で作製した場合には、厚さが約１μｍ／分程度となる。また、電解液５３として、ＨＦ−Ｃ2Ｈ5ＯＨ溶液（体積比はＨＦ：Ｃ2Ｈ5ＯＨ＝０．１：１〜１：０．１程度）を用いた場合には、図３に示すように、Ｓｉナノ結晶の表面に、完全に水素終端された膜状のポーラスシリコンを作製することができる。
【００４３】
なお、図３において、６１は水素が１個終端したシリコン、６２は水素が２個終端したシリコン、６３は水素が３個終端したシリコン、６４はシリコンコラム、６５はＨＦ、６６はＨ2Ｏである。
【００４４】
図１の説明に戻って、金属層４は、蛍光体層３の裏面３ｂ（前記表面３ａと反対側の面）に接合された金属の薄膜層であり、蛍光体層３に入射した励起光により励起された励起子から、後述する如く表面プラズモンポラリトンを介して光（フォトン）を生成させる機能を有する。
【００４５】
この金属層４を構成する金属の種類としては、一般的には、例えば、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（プラチナ）、Ｐｂ（鉛）等の金属やそれらの合金を使用することができる。これらの各種類の金属は、蛍光体層３との接合面（蛍光体層３と金属層４との界面）で、該金属の種類に固有の周波数の表面プラズモンを発生する。そして、実施形態の光源装置１では、蛍光体層３で励起された励起子を表面プラズモンに結合させる（表面プラズモンポラリトンを生成する）ことを促進するために、金属層４を構成する金属の種類は、それに固有の表面プラズモン周波数が、蛍光体層３で励起子から輻射過程により生成される光（蛍光）の周波数に一致もしくは近い周波数のものが選定される。
【００４６】
より具体的には、本実施形態では、蛍光体層３で発生する蛍光の波長は、例えば５４０ｎｍ程度の波長（緑色の波長）から６４０ｎｍ程度の波長（赤色の波長）とされる。この場合には、金属層４の材質としては、表面プラズモン周波数のエネルギー換算値（＝表面プラズモン周波数×プランク定数）が２．３ｅＶ程度であるＡｕが使用される。なお、蛍光体層３で発生する蛍光の波長は、蛍光体層３を構成するシリコンナノ結晶の粒子の大きさを調整しておくことによって、種々様々な波長にすることが可能である。
【００４７】
また、金属層４の蛍光体層３への接合面は、そこで生成される表面プラズモンポラリトンが蛍光体層３から出射する光に変換されるようにするために粗面とされている。その粗面は、本実施形態ではグレイン構造の粗面である。この場合、グレイン構造の粗面におけるグレインの大きさが、１０ｎｍよりも小さいか、又は１００ｎｍよりも大きい場合には、表面プラズモンポラリトンを蛍光体層３から出射する光に変換することができないことが本願発明者等の各種実験により確認された。このため、本実施形態では、該グレイン構造のグレインの大きさは、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の大きさとされている。
【００４８】
また、金属層４の厚さは、金属層４の蛍光体層３への接合面で生成される表面プラズモンポラリトンを蛍光体層３から出射する光に効率よく変換させ得る厚さに設定される。具体的には、金属層４の厚さが１０ｎｍより薄い場合には、表面プラズモンポラリトンを蛍光体層３から出射する光に効率よく変換させることが困難となることが本願発明者等の各種実験によって確認された。この原因としては、金属層４が１０ｎｍよりも薄いと、金属層４の蛍光体層３との接合面で生成される表面プラズモンポラリトンと、金属層３の当該接合面と反対側の面で生成される表面プラズモンポラリトンとの相互作用が発生して、金属層４の蛍光体層３との接合面で生成される表面プラズモンポラリトンが光に変換され難くなることや、金属層４がきれいな膜にならずに、島状分布に形成されてしまうことから、表面プラズモンポラリトンが生成され難くなること等が考えられる。従って、金属層４の厚さは１０ｎｍ以上の厚さに設定される。
【００４９】
このような金属層４は、本実施形態では、該金属層４を構成する金属を、蛍光体層３の裏面３ｂに蒸着することによって作製される。この場合、蒸着速度を適切な範囲内に設定することによって、金属層４の蛍光体層３との接合面を上記の如きグレイン構造の粗面として形成することができる。
【００５０】
より具体的には、本実施形態では、金属層４は例えば次のように作製した。すなわち、金属層４を構成する金属（ここではＡｕ）を蛍光体層３に蒸着するために、例えば抵抗加熱式の蒸着装置を使用する。この場合、抵抗加熱式の蒸着装置の真空度は、１０-4Ｐａ〜１０-1Ｐａの範囲内の真空度に設定した。そして、０．１Å／秒〜５０Å／秒の範囲内の蒸着速度で、金属層４を構成する金属を蛍光体層３の裏面３ｂに蒸着した。
【００５１】
この場合、蒸着速度が、０．１Å／秒よりも遅いか、又は蒸着速度５０Å／秒よりも速い場合には、前記した範囲内の大きさのグレインを有するグレイン構造の粗面を形成することができないことが本願発明者等の実験により確認された。このため、蒸着速度を０．１Å／秒〜５０Å／秒の範囲内の蒸着速度に設定した。
【００５２】
なお、本実施形態の光源装置１では、金属層４の裏面（蛍光体層３との接合面と反対側の面）が図示しない有機接着剤、無機接着剤、低融点ガラスなどを介して前記基板５に接合され、これにより蛍光体層３及び金属層４が基板５に搭載・固着される。
【００５３】
次に、以上の如く構成された光源装置１の作動を説明する。
【００５４】
固体光源素子２が発光する光を蛍光体層３の入射面（表面３ａ）から該蛍光体層３に入射すると、その入射された光を励起光として、蛍光体層３を構成する蛍光体の原子、イオン、分子等が励起され、励起子が生成される。
【００５５】
ここで、仮に蛍光体層３に金属層４が接合されていないとした場合には、蛍光体層２で励起された励起子は、非輻射過程を介して基底状態に戻って、熱（フォノン）に変換されるか、又は、輻射過程を介して基底状態に戻って、光（フォトン）に変換される。そして、非輻射過程により生成される熱（フォノン）は、蛍光体層３を加熱し、輻射過程により生成される光（フォトン）は、蛍光体層３の出射面（表面３ａ）から蛍光として外部に出射する。
【００５６】
これに対して、本実施形態の光源装置１では、前記した如く、蛍光体層３に金属層４が接合されており、該金属層４を構成する金属として、蛍光体層３で発生する蛍光の周波数に一致もしくは近い表面プラズモン周波数を有する種類の金属が選定されている。この場合には、上記非輻射過程及び輻射過程の他に、蛍光体層３と金属層４との接合面で発生する表面プラズモンと、該接合面に近接して生成された励起子とが結合することで表面プラズモンポラリトンが生成される過程である表面プラズモン過程も発生する。
【００５７】
この場合、表面プラズモンポラリトンの状態密度は、表面プラズモン周波数の付近で非常に大きくなるので、表面プラズモン過程による表面プラズモンポラリトンの発生速度は、非輻射過程によるフォノンの発生速度や輻射過程によるフォトンの発生速度よりも速くなる。従って、蛍光体層３の励起子の挙動においては、非輻射過程や輻射過程よりも表面プラズモン過程が主流の過程となり、表面プラズモンポラリトンの生成が促進される。
【００５８】
ここで、表面プラズモンポラリトンは、通常、非輻射モードの挙動を呈するものの、金属層４の蛍光体層３との接合面に粗面を形成することによって、該表面プラズモンポラリトンが蛍光体層３の出射面（表面３ａ）から出射される光に変換されることが本願発明者等の各種実験により確認された。この場合、金属層４の蛍光体層３との接合面を前記した如くグレイン構造の粗面として形成した場合、グレインの大きさを上記した範囲内に設定しておくことによって、表面プラズモンポラリトンを蛍光体層３の出射面（表面３ａ）から出射される光に効率よく変換することができる。
【００５９】
本実施形態の光源装置１では、上記の如く、表面プラズモン過程により生成される表面プラズモンポラリトンを光に変換して蛍光体層３の出射面（表面３ａ）から出射させることができる。従って、蛍光体層３内で励起された励起子から輻射過程により生成される蛍光に加えて、該励起子から表面プラズモン過程による表面プラズモンポラリトンを介して生成される光が蛍光体層３から出射する。これにより、蛍光体層３で輻射過程により生成される蛍光だけを該蛍光体層３から出射させる場合に比べて、蛍光体層３での発光効率や発光強度を高めることができる。
【００６０】
また、蛍光体層３で励起光により励起された励起子の挙動にあっては、表面プラズモン過程が非輻射過程や輻射過程よりも主流となるので、表面プラズモン過程が生じない場合（非輻射過程及び輻射過程だけが発生する場合）に比べて、蛍光体層３での励起密度を低減することができる。ひいては、蛍光体層３での励起密度の飽和（励起飽和）を発生させずに、蛍光体層３に入射させ得る励起光の入射強度の上限が高くなる。従って、励起光の入射強度（固体光源素子２の発光強度）をさらに高めることで、蛍光体層３から出射する光の強度をより一層高めることができる。
【００６１】
ここで、本実施形態における上記の作用効果をさらに詳しく説明する。
【００６２】
本実施形態の光源装置１では、蛍光体層３での発光効率をη*_int、蛍光体層３での発熱率をη*_heatとおくと、これらは次式（１）、（２）により表すことができる。
【００６３】
η*_int＝（ｋr＋ｋsp）／（ｋr＋ｋnon＋ｋsp）      ……（１）
η*_heat＝ｋnon／（ｋr＋ｋnon＋ｋsp）      ……（２）
これらの式（１）、（２）において、ｋrは、前記輻射過程によるフォトン（蛍光）の発生速度（単位時間当たりの発生量）を表す速度定数、ｋnonは、非輻射過程によるフォノンの発生速度を表す速度定数、ｋspは、表面プラズモン過程による表面プラズモンポラリトンの発生速度を表す速度定数である。なお、表面プラズモン過程が無い場合には、蛍光体層３での発光効率と、発熱率とは、それぞれ、式（１）、（２）におけるｋspを“０”とした式によって表される。
【００６４】
これらの式（１）、（２）から判るように、ｋspを大きくする（表面プラズモン過程をより多く発生させる）ことによって、発熱率η*_nonをｋsp＝０である場合よりも低下させることができ、ひいては、発光効率η*_int（＝１−η*_heat）や発光強度を高めることができる。
【００６５】
また、図４は、ｋspと（ｋr＋ｋnon）との比（＝ｋsp／（ｋr＋ｋnon））と、式（２）により表わされる発熱率η*_heatとの間の関係を示すグラフである。なお、図２では、ｋnon：ｋr＝０．２：０．８である場合と、ｋnon：ｋr＝０．５：０．５である場合と、ｋnon：ｋr＝０．８：０．２である場合とで、ｋsp／（ｋr＋ｋnon））と、η*_inとの間の関係を示すグラフを記載している。
【００６６】
この図４のグラフで示されるように、ｋnonとｋrとの比が変化しても（ひいては、発光効率η*_intが変化しても）、ｋsp／（ｋr＋ｋnon）が２以上であれば、発熱率η*_heatは、ｋsp＝０である場合よりも半減することが判る。なお、発熱率η*_heatは、できるだけ小さいことが望ましいので、ｋsp／（ｋr＋ｋnon）は、例えば１０以上であることが望ましいと考えられる。
【００６７】
また、本実施形態の光源装置１では、蛍光体層３の励起密度（単位体積中で単位時間当たりに発生する励起子の量）をρ*とおくと、励起密度がほぼ一定となる（ρ*の時間的変化率がほぼ“０”となる）定常状態におけるρ*は、次式（３）により表される。
【００６８】
ρ*＝Ｉ／（ｋr＋ｋnon＋ｋsp）      ……（３）
この式（３）におけるｋr、ｋnon、ｋspの意味は、前記式（１）、（２）と同じである。また、Ｉは、蛍光体層３の単位体積中に単位時間当たりに入射される励起光のフォトンの量であり、該励起光の入射強度に相当する。なお、表面プラズモン過程が無い場合には、定常状態での蛍光体層３の励起密度は、式（３）におけるｋspを“０”とした式によって表される。
【００６９】
そして、図５は、ｋspと（ｋr＋ｋnon）との比（＝ｋsp／（ｋr＋ｋnon））と、式（３）により表わされる励起密度ρ*との間の関係を示すグラフである。なお、図３のグラフでは、縦軸は、ｋsp＝０である場合の励起密度ρ0*（＝Ｉ／（ｋr＋ｋnon））を基準とする相対的な励起密度ρ*／ρ0*である。
【００７０】
式（３）と図５とから判るように、蛍光体層３への励起光の入射強度を一定とした場合（Ｉを一定とした場合）、ｋspを大きくする（表面プラズモン過程をより多く発生させる）ことによって、ｋsp＝０である場合よりも励起密度ρ*を低下させることができる。この結果、励起密度ρ*が飽和するに至る励起光の入射強度の上限を高めることができる。
【００７１】
この場合、図５のグラフで示されるように、ｋsp／（ｋr＋ｋnon）が２以上であれば、励起密度ρ*は、ｋsp＝０である場合の１／３程度に減少する。なお、励起光の入射強度の上限を高める上では、励起密度ρ*はできるだけ小さいことが望ましいので、ｋsp／（ｋr＋ｋnon）は、例えば１０以上であることが望ましいと考えられる。
【００７２】
以上のように、図１に示した構造の光源装置１によれば、蛍光体層３で励起子が熱に変換されてしまう非輻射過程が発生することや、励起密度が飽和することを抑制することができる。そして、非輻射過程の発生を抑制できることにより、蛍光体層３に入射した励起光のエネルギーを、輻射過程及び表面プラズモン過程を介して蛍光体層３から出射する光に変換することを高効率で行なうことができると共に、該蛍光体層３から出射する光のトータルの強度を高めることができる。
【００７３】
また、励起密度を低減することができることにより、高出力の（発光強度の高い）固体光源素子２を使用して、励起密度が飽和しないようにしつつ、蛍光体層３に高強度の励起光を入射することができ、それによって、蛍光体層３から出射する光の強度をより一層高めることができる。
【００７４】
また、蛍光体層３で励起子が熱に変換されてしまう非輻射過程が発生することを抑制して、蛍光体層３の発熱率を低下させることができるので、蛍光体層３の加熱・温度上昇を抑制することができる。
【００７５】
また、本実施形態では、固体光源素子２として、青色の光を発光するＧａＮ半導体発光素子が使用されている。この場合、蛍光体層３で励起子から輻射過程を介して生成される蛍光の波長を、例えば前記した如く５４０ｎｍ程度（緑色の波長）から６４０ｎｍ程度（赤色の波長）とし、また、金属層４の材質として、前記プラズモン周波数が、該蛍光の周波数と同等となるような材質（Ａｕ）を使用することで、蛍光体３から緑色から赤色の光を高効率で出射させることができる。そして、この場合、固体光源素子２が発光する光と、蛍光体層３から出射する光との合成によって、演色性の良い白色光を生成できる。従って、本実施形態の光源装置１は、演色性の良い高強度の白色光を高効率に出力できる白色光源として利用することができる。
【００７６】
［第２実施形態］
次に、図１の構造の光源装置１をより具体化した構造の光源装置１１を第２実施形態として、図６を参照して説明する。
【００７７】
図６に示す光源装置１１は、図１に示した光源装置１の固体光源素子２、蛍光体層３、金属層４にそれぞれ相当するものとして、固体光源素子１２、蛍光体層１３、金属層１４を備える。そして、光源装置１１では、固体光源素子１２、蛍光体層１３及び金属層１４が基板１５に搭載されている。
【００７８】
基板１５は、蛍光体層１３で発生する熱が金属層１４を介して伝わり易いように熱伝導性の高いものが好ましく、例えばシリコン基板により構成されている。そして、この基板１５の上面部に、固体光源素子１２、蛍光体層１３及び金属層１４を配置・搭載する凹部１６が形成されている。このような基板１５は、例えば素材のシリコン基板に異方性エッチングを施して凹部１６を形成することで作製される。このようにシリコン基板に異方性エッチングを施して作製される基板１５は、この凹部１６等の表面が平滑なものとなり、後述のように該凹部１６に配置される蛍光体層１３の熱が基板１５に伝わり易くなる。
【００７９】
この基板１５の外表面の全体には、熱酸化処理によって酸化シリコン膜１７が形成されている。さらに、この酸化シリコン膜１７上には、基板１５の上面側及び下面側でそれぞれパターン化された電極１８ａ，１８ｂが成膜されている。この場合、電極１８ａ，１８ｂは互いに電気的に絶縁されている。また、電極１８ａ，１８ｂはそれぞれ、基板１５の上面側の部分と下面側の部分とが基板１５の側面側の部分を介して電気的に導通されている。そして、各電極１８ａ，１８ｂの上面側の部分は、凹部１６の側壁部を経由して該凹部１６の底面部まで延在している。
【００８０】
上記のように酸化シリコン膜１７及び電極１８ａ，１８ｂが外表面に形成された基板１５の凹部１６の底面部上に固体光源素子１２が搭載されている。本実施形態では、固体光源素子１２は、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）半導体発光素子等から成る発光ダイオード（ＬＥＤチップ）であり、その発光色は、青色とされている。
【００８１】
そして、この固体光源素子１２の下面側の電極端子と上面側の電極端子とのうちの下面側の電極端子が、電極１８ａにダイボンディングされている。このダイボンディングにより、固体光源素子１２の下面側の電極端子が電極１８ａに電気的に導通されると共に、該固体光源素子１２が基板１５に固定される。
【００８２】
また、固体光源素子１２の上面側の電極端子は、ボンディングワイヤ１９を介して電極１８ｂに電気的に接続されている。
【００８３】
蛍光体層１３及び金属層１４は、それぞれ前記第１実施形態の蛍光体層３、金属層４と同じ機能を有するものであり、薄膜状に形成されている。この場合、蛍光体層１３の材質は、第１実施形態のものと同じでよく、例えばシリコンナノ結晶構造を有する水素終端ポーラスシリンにより構成され、第１実施形態で説明した作製手法により蛍光体層１３が作製される。
【００８４】
また、金属層１４の材質も第１実施形態のものと同じでよく、例えばＡｕにより構成される。そして、この金属層１４においては、第１実施形態の金属層４と同様に、その厚さが１０ｎｍ以上の厚さに設定されている。さらに、第１実施形態のものと同じ手法で、蛍光体層１３に金属層１４を構成する金属（ここではＡｕ）を蒸着することによって、蛍光体層１３に金属層１４が接合されると共に、該蛍光体層１３の接合面が、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の大きさのグレインを有するグレイン構造の粗面として形成されている。
【００８５】
そして、このように蛍光体層１３に金属層１４を接合したものが、基板１５の凹部１６の側壁部と蛍光体層１３との間に金属層１４を介在させた状態で、該金属層１４を介して凹部１６の側壁部に固着されている。この場合、本実施形態では、図示の如く、凹部１６の側壁部のうち、互いに対向する２つの面部のそれぞれに、蛍光体層１３及び金属層１４の組が固着されている。また、蛍光体層１３及び金属層１４の各組における金属層１４の凹部１６の側壁部への固着は、該金属層１４と凹部１６の側壁部との間に介在させた有機接着剤、無機接着剤、低融点ガラス等の接合材（図示省略）を介して行なわれ、金属層１４と前記電極１８ａ，１８ｂとは電気的に絶縁される。
【００８６】
本実施形態の光源装置１１では、上記のように基板１５の凹部１６に固体光源素子１２、蛍光体層１３及び金属層１４を搭載した状態で、該凹部１６に透光性の樹脂製モールド部材２０が充填されて硬化されており、該モールド部材２０により、固体光源素子１２、蛍光体層１３及び金属層１４の全体がモールドされている。
【００８７】
これにより固体光源素子１２、蛍光体層１３、金属層１４、基板１５及びモールド部材２０が一体的なパッケージとされている。そして、このパッケージの全体が回路基板２１に搭載され、該回路基板２１に固定されている。
【００８８】
この回路基板２１は、その上面部にパターン化された配線パターン２２ａ，２２ｂが形成されている。そして、上記パッケージの基板１５の下面部の電極１８ａ，１８ｂがそれぞれ配線パターン２２ａ，２２ｂに接触・導通するように回路基板２１上にパッケージが搭載され、さらに、基板１５の周縁部で、電極１８ａ，１８ｂがそれぞれ配線パターン２２ａ，２２ｂに、クリーム半田リフローなどの接続剤２３により接続される。これにより、上記パッケージが回路基板２１に搭載・固定されている。
【００８９】
以上が、本実施形態における光源装置１１の構造である。
【００９０】
以上説明した本実施形態の光源装置１１では、固体光源素子１２に駆動電圧を印加して該固体光源素子１２を発光させると、その光の一部が励起光として各蛍光体層１３に入射する。そして、このとき、各蛍光体層１３での励起子の挙動に関して、前記表面プラズモン過程を含む、前記第１実施形態のものと同じ過程が発生することによって、該蛍光体層１３にて励起光により励起された励起子から輻射過程を介して生成される蛍光に加えて、該励起子から表面プラズモン過程による表面プラズモンポラリトンを介して生成される光が蛍光体層１３の出射面（蛍光体層１３の法線方向の両面のうち、金属層１４との接合面と反対側の面）から出射する。そして、この出射光が、固体光源素子１２が発光する光（蛍光体層１３に入射せずに上方に向かう光）と共にモールド部材２０を透過して、該モールド部材２０の外部に出射する。この場合、モールド部材２０の外部に出射される光の色は、固体光源素子１２が発光する光の色と蛍光体層１３から出射する光の色（固体光源素子１２が発光する光よりも長波長の光の色）とを合成した色となる。本実施形態では、第１実施形態と同様に、固体光源素子１２が発光する光の色は青色であり、蛍光体層１３から出射する光の色は緑色から赤色であるので、その合成色の光は、白色光である。
【００９１】
かかる光源装置１１においても、第１実施形態のものと同様に、各蛍光体層１３に入射する励起光から、高効率で該蛍光体層１３から出射する光を生成できると共に、各蛍光体層１３での励起飽和を発生させずに、該蛍光体層１３に入射し得る励起光の強度の上限を高めることができる。そのため、固体光源素子１２として発光強度の高いものを使用して、各蛍光体層１３から高強度の光を出射させることができる。ひいては、光源装置１１が、モールド部材２０から外部に出射する光（本実施形態では白色光）の全体を高強度なものとすることができ、高出力の光源装置１１を提供できる。
【００９２】
また、各蛍光体層１３での非輻射過程の発生を抑制できることに加えて、該蛍光体層１３での非輻射過程により発生する熱を基板１５側に効率よく逃がすことができるので、蛍光体層１３の加熱・温度上昇を抑制することができる。
【００９３】
なお、以上説明した各実施形態では、蛍光体層１３の入射面と出射面とを同じ面としたが、該入射面と出射面とを異ならせるようにしてもよい。
【００９４】
また、前記各実施形態では、蛍光体層３，１３にそれぞれ金属層４，１４を蒸着する場合に、抵抗加熱式の蒸着装置を使用したが、マグネトロンスパッタ方式の蒸着装置を使用してもよい。
【００９５】
また、前記各実施形態では、蛍光体層３，１３を、シリコンナノ結晶構造を有する水素終端ポーラスシリンにより構成したが、これ以外に、希土類錯体や遷移金属錯体からなる蛍光体、あるいは各種有機発光材料、あるいはＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ等の半導体微粒子、あるいは、シリコンナノ微粒子等により、蛍光体層３，１３を構成してもよい。
【００９６】
また、蛍光体層３，１３をシリコンナノ結晶により構成する場合に、例えば金属層４，１４の上にポリシリコンを堆積し、このポリシリコンをフッ酸、酸素ガス等のエッチング剤によりエッチングしてシリコンナノ結晶を作製することによって蛍光体層３，１３を構成してもよい。あるいは、金属層４，１４の上にシリコン酸化膜を堆積し、このシリコン酸化膜にシリコンをイオン注入してシリコンナノ結晶を作製することによって蛍光体層３，１３を構成してもよい。
【００９７】
また、固体光源素子２，１２としては、半導体発光素子以外に、例えば無機・有機ＥＬ光源、あるいは、は半導体レーザー等を使用することができる。
【００９８】
また、前記各実施形態では、固体光源素子２，１２の発光色が青色である場合を例にとって説明したが、固体光源素子２，１２が発光する光は、青色の波長の光に限られるものではなく、例えば、紫あるいは紫外領域の波長の光であってもよい。
【符号の説明】
【００９９】
１，１１…光源装置、２，１２…固体光源素子、３，１３…蛍光体層、４，１４…金属層、１５…基板、１６…凹部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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