(57)【要約】【課題】フォトルミネッセンス材料を利用する発光素子の輝度、指向性、または偏光特性を制御することが可能な、新規な構造を有する発光素子およびそれを備える発光装置を提供する。【解決手段】発光素子１１００は、フォトルミネッセンス層１１０と、透光層１２０と、フォトルミネッセンス層または透光層の面内に広がるサブミクロン構造とを有し、サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、第１の光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立ち、かつ、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の上に、複数の第２の凸部１６０であって、隣接する第２の凸部間の距離がＤintより小さい複数の第２の凸部を有する。【選択図】図３１
2016033645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
隣接する第１の凸部または第１の凹部間の距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の上に、複数の第２の凸部であって、隣接する第２の凸部間の距離がＤintより小さい複数の第２の凸部を有する、発光素子。
【請求項２】
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記隣接する第２の凸部間の距離は、λa／２よりも小さい、請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記複数の第２の凸部の少なくとも一部は、周期構造を構成する、請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
隣接する第１の凸部または第１の凹部間の距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第１の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第１の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
【請求項６】
前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部の側面の少なくとも一部は、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜している、請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部の側面の少なくとも一部は、階段状である、請求項５または６に記載の発光素子。
【請求項８】
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、請求項５から７のいずれかに記載の発光素子。
【請求項９】
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第２の凸部を有する発光素子。
【請求項１０】
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第２の凸部を有する発光素子。
【請求項１１】
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第１の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第１の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
【請求項１２】
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第１の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第１の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
【請求項１３】
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、請求項１から１２のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１４】
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第２の凸部を有する発光素子。
【請求項１５】
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第１の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第１の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
【請求項１６】
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部と前記複数の第１の凹部との双方を含む、請求項１から１５のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発光素子および発光装置に関し、特に、フォトルミネッセンス層を有する発光素子および発光装置に関する。
【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、この様な材料は、特定の方向のみに光を出射させるために、リフレクターやレンズなどの光学部品とともに用いられる。例えば、特許文献１は、配光板および補助反射板を用いて指向性を確保した照明システムを開示している。
【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、リフレクターやレンズなどの光学部品を配置すると、そのスペースを確保するために、光学デバイス自身のサイズを大きくする必要があり、これら光学部品は無くすか、少しでも小型化することが望ましい。
【０００５】
本開示は、フォトルミネッセンス層の発光効率、指向性、または偏光特性を制御することが可能な、新規な構造を有する発光素子およびそれを備える発光装置を提供する。
【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、フォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造とを有し、前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立ち、かつ、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の上に、複数の第２の凸部であって、隣接する第２の凸部間の距離がＤintより小さい複数の第２の凸部を有する。
【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、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本開示のある実施形態による発光素子および発光装置は、新規な構成を有し、新規なメカニズムに従って、輝度、指向性、または偏光特性を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】ある実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す発光素子の部分断面図である。
【図１Ｃ】他の実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。
【図１Ｄ】図１Ｃに示す発光素子の部分断面図である。
【図２】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】式（１０）におけるｍ＝１およびｍ＝３の条件を図示したグラフである。
【図４】発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図５Ａ】厚さｔ＝２３８ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。
【図５Ｂ】厚さｔ＝５３９ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。
【図５Ｃ】厚さｔ＝３００ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。
【図６】図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図７Ａ】２次元の周期構造の例を示す平面図である。
【図７Ｂ】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８】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９】図８と同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍにした場合の結果を示す図である。
【図１０】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１１】図１０と同様の条件で、周期構造の屈折率をｎp＝２．０とした場合の計算結果を示す図である。
【図１２】光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードであるものとして図９に示す計算と同様の計算を行った結果を示す図である。
【図１３】図９に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavを１．５に変更した場合の結果を示す図である。
【図１４】屈折率が１．５の透明基板の上に、図２に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層および周期構造を設けた場合の計算結果を示す図である。
【図１５】式（１５）の条件を図示したグラフである。
【図１６】図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００と、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる光源１８０とを備える発光装置２００の構成例を示す図である。
【図１７】励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる構成を説明するための図であり、（ａ）はｘ方向の周期ｐxを有する１次元周期構造を示し、（ｂ）はｘ方向の周期ｐx、ｙ方向の周期ｐyを有する２次元周期構造を示し、（ｃ）は（ａ）の構成における光の吸収率の波長依存性を示し、（ｄ）は（ｂ）の構成における光の吸収率の波長依存性を示している。
【図１８Ａ】２次元周期構造の一例を示す図である。
【図１８Ｂ】２次元周期構造の他の例を示す図である。
【図１９Ａ】透明基板上に周期構造を形成した変形例を示す図である。
【図１９Ｂ】透明基板上に周期構造を形成した他の変形例を示す図である。
【図１９Ｃ】図１９Ａの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図２０】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２１】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２２】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２３】フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に保護層１５０を設けた構成例を示す断面図である。
【図２４】フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成した例を示す図である。
【図２５】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２６】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２７】（ａ）および（ｂ）は、試作した発光素子の出射光の角度依存性を測定した結果（上段）および計算結果（下段）を示すグラフである。
【図２８】（ａ）および（ｂ）は、試作した発光素子の出射光の角度依存性を測定した結果（上段）および計算結果（下段）を示すグラフである。
【図２９】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３０】スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。
【図３１】（ａ）は、さらに他の実施形態による発光素子１１００の模式的な断面図であり、（ｂ）は、発光素子１１００に相当するモデルを用いて計算を行った結果を示す図である。
【図３２】さらに他の実施形態による発光素子１２００の模式的な断面図である。
【図３３】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、発光素子１２００の断面の拡大図の一例を模式的に表した図である。
【図３４】（ａ）は、さらに他の実施形態による発光素子１３００の模式的な断面図であり、（ｂ）は、さらに他の実施形態による発光素子１４００の模式的な断面図である。
【図３５】（ａ）は、さらに他の実施形態による発光素子１５００の模式的な断面図であり、（ｂ）は、さらに他の実施形態による発光素子１６００の模式的な断面図である。
【図３６】（ａ）は、テーパー形状でない第１の凸部１２１ａを有するサブミクロン構造の、フォトルミネッセンス層１１０の法線を含む面内における形状の例を示す図であり、（ｂ）〜（ｅ）は、それぞれ、テーパー形状である第１の凸部１２１ａを有するサブミクロン構造の、フォトルミネッセンス層１１０の法線を含む面内における形状の例を示す図であり、（ｆ）は、発光素子１６００の模式的な斜視図の一例を示す。
【図３７】（ａ）および（ｃ）は、それぞれ、計算を行ったモデルを説明するための図であり、（ｂ）および（ｄ）は、それぞれ、（ａ）および（ｃ）のモデルを用いて計算を行った結果を示す図である。
【図３８】発光素子１６００に相当するモデルを用いて計算を行った結果を示す図である。
【図３９】（ａ）は、さらに他の実施形態による発光素子１７００の模式的な断面図であり、（ｂ）は、さらに他の実施形態による発光素子１８００の模式的な断面図である。
【図４０】透過型ブレーズド回折格子を説明するための図である。
【図４１】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、発光素子１８００の第１の凸部１２１ａを形成するための型１０の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示は、以下の項目に記載の発光素子および発光装置を含む。
［項目１］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含む、項目１に記載の発光素子。
［項目３］
前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎt-aは、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav-aよりも小さい、項目１または２に記載の発光素子。
［項目４］
前記第１の光は、前記サブミクロン構造によって予め決められた第１の方向において強度が最大になる、項目１から３のいずれかに記載の発光素子。
［項目５］
前記第１の方向は、前記フォトルミネッセンス層の法線方向である、項目４に記載の発光素子。
［項目６］
前記第１の方向に出射された前記第１の光は、直線偏光である、項目４または５に記載の発光素子。
［項目７］
前記第１の光の前記第１の方向を基準としたときの指向角は、１５°未満である、項目４から６のいずれかに記載の発光素子。
［項目８］
前記第１の光の波長λaと異なる波長λbを有する第２の光は、前記第１の方向と異なる第２の方向において強度が最大となる、項目４から７のいずれかに記載の発光素子。
［項目９］
前記透光層が前記サブミクロン構造を有する、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
［項目１０］
前記フォトルミネッセンス層が前記サブミクロン構造を有する、項目１から９のいずれかに記載の発光素子。
［項目１１］
前記フォトルミネッセンス層は、平坦な主面を有し、
前記透光層は前記フォトルミネッセンス層の前記平坦な主面上に形成されており、かつ、前記サブミクロン構造を有する、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
［項目１２］
前記フォトルミネッセンス層は、透明基板に支持されている、項目１１に記載の発光素子。
［項目１３］
前記透光層は、前記サブミクロン構造を一方の主面に有する透明基板であって、
前記フォトルミネッセンス層は、前記サブミクロン構造の上に形成されている、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
［項目１４］
前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎt-aは、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav-a以上であって、前記サブミクロン構造が有する前記複数の凸部の高さまたは前記複数の凹部の深さは１５０ｎｍ以下である、項目１または２に記載の発光素子。
［項目１５］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含み、
前記第１周期構造は、１次元周期構造である、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目１６］
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaと異なるλbの第２の光を含み、前記第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-bとするとき、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐbとすると、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関
係が成り立つ第２周期構造をさらに含み、
前記第２周期構造は、１次元周期構造である、項目１５に記載の発光素子。
［項目１７］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、前記少なくとも２つの周期構造は、互いに異なる方向に周期性を有する２次元周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目１８］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記複数の周期構造は、マトリクス状に配列された複数の周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目１９］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-exとすると、
前記複数の周期構造は、周期ｐexが、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目２０］
複数のフォトルミネッセンス層と、複数の透光層とを有し、
前記複数のフォトルミネッセンス層の少なくとも２つと前記複数の透光層の少なくとも２つとは、それぞれ独立に、項目１から１９のいずれかに記載の前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とにそれぞれ該当する、発光素子。
［項目２１］
前記複数のフォトルミネッセンス層と前記複数の透光層は、積層されている、項目２０に記載の発光素子。
［項目２２］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の内部に擬似導波モードを形成する光を出射する、発光素子。
［項目２３］
光が導波することができる導波層と、
前記導波層に近接して配置された周期構造と
を備え、
前記導波層はフォトルミネッセンス材料を有し、
前記導波層において、前記フォトルミネッセンス材料から発せられた光が前記周期構造と作用しながら導波する擬似導波モードが存在する、発光素子。
［項目２４］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層または前記透光層に至る光路に存在する媒質の内で最も屈折率が大きい媒質の屈折率をｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λexの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２５］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ第１周期構造を含む、項目２４に記載の発光素子。
［項目２６］
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２７］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２８］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２９］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、項目１から２１、２４から２８のいずれかに記載の発光素子。
［項目３０］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目１から２２、２４から２７のいずれかに記載の発光素子。
［項目３１］
前記導波層と前記周期構造とが互いに接している、項目２３に記載の発光素子。
［項目３２］
項目１から３１のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。
［項目３３］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
隣接する第１の凸部または第１の凹部間の距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の上に、複数の第２の凸部であって、隣接する第２の凸部間の距離がＤintより小さい複数の第２の凸部を有する、発光素子。
［項目３４］
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含む、項目３３に記載の発光素子。
［項目３５］
前記隣接する第２の凸部間の距離は、λa／２よりも小さい、項目３３または３５に記載の発光素子。
［項目３６］
前記複数の第２の凸部の少なくとも一部は、周期構造を構成する、項目３３から３５のいずれかに記載の発光素子。
［項目３７］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
隣接する第１の凸部または第１の凹部間の距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第１の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第１の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
［項目３８］
前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部の側面の少なくとも一部は、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜している、項目３７に記載の発光素子。
［項目３９］
前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部の側面の少なくとも一部は、階段状である、項目３７または３８に記載の発光素子。
［項目４０］
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、項目３７から３９のいずれかに記載の発光素子。
［項目４１］
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第２の凸部を有する発光素子。
［項目４２］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第２の凸部を有する発光素子。
［項目４３］
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第１の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第１の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
［項目４４］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第１の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第１の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
［項目４５］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目３３から４４のいずれかに記載の発光素子。
［項目４６］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第２の凸部を有する発光素子。
［項目４７］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の第１の凸部または前記複数の第１の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第１の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第１の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
［項目４８］
前記サブミクロン構造は、前記複数の第１の凸部と前記複数の第１の凹部との双方を含む、項目３３から４７のいずれかに記載の発光素子。
［項目４９］
項目３３から４８のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。
【００１１】
本開示の実施形態による発光素子は、フォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造とを有し、前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。波長λaは、例えば、可視光の波長範囲内（例えば、３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下）にある。
【００１２】
フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料を含む。フォトルミネッセンス材料は、励起光を受けて発光する材料を意味する。フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料に加えて、マトリクス材料（即ち、ホスト材料）を含んでもよい。マトリクス材料は、例えば、ガラスや酸化物などの無機材料や樹脂である。
【００１３】
フォトルミネッセンス層に近接して配置される透光層は、フォトルミネッセンス層が発する光に対して透過率が高い材料で形成され、例えば、無機材料や樹脂で形成される。透光層は、例えば誘電体（特に、光の吸収が少ない絶縁体）で形成されていることが望ましい。透光層は、例えば、フォトルミネッセンス層を支持する基板であってよい。また、フォトルミネッセンス層の空気側の表面がサブミクロン構造を有する場合、空気層が透光層となり得る。
【００１４】
本開示の実施形態による発光素子においては、後に計算結果および実験結果を参照して詳述するように、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成されたサブミクロン構造（例えば、周期構造）によって、フォトルミネッセンス層および透光層の内部に、ユニークな電場分布を形成する。これは、導波光がサブミクロン構造と相互作用して形成されるものであり、擬似導波モードと表現することもできる。この擬似導波モードを活用することで、以下で説明するように、フォトルミネッセンスの発光効率の増大、指向性の向上、偏光の選択性の効果を得ることができる。なお、以下の説明において、擬似導波モードという用語を使って、本発明者らが見出した、新規な構成および／または新規なメカニズムを説明することがあるが、１つの例示的な説明に過ぎず、本開示をいかなる意味においても限定するものではない。
【００１５】
サブミクロン構造は、例えば複数の凸部を含み、隣接する凸部間の距離（即ち、中心間距離）をＤintとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足する。サブミクロン構造は、複数の凸部に代えて複数の凹部を含んでもよい。以下では、簡単のために、サブミクロン構造が複数の凸部を有する場合を説明する。λは光の波長を表し、λaは空気中での光の波長であることを表現する。ｎwavはフォトルミネッセンス層の屈折率である。フォトルミネッセンス層が複数の材料を混合した媒質である場合、各材料の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎwavとする。一般に屈折率ｎは波長に依存するので、λaの光に対する屈折率であることをｎwav-aと明示することが望ましいが、簡単のために省略することがある。ｎwavは基本的にフォトルミネッセンス層の屈折率であるが、フォトルミネッセンス層に隣接する層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きい場合、当該屈折率が大きい層の屈折率およびフォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎwavとする。この場合は、光学的には、フォトルミネッセンス層が複数の異なる材料の層で構成されている場合と等価であるからである。
【００１６】
擬似導波モードの光に対する媒質の有効屈折率をｎeffとすると、ｎa＜ｎeff＜ｎwavを満たす。ここで、ｎaは空気の屈折率である。擬似導波モードの光を、フォトルミネッセンス層の内部を入射角θで全反射しながら伝搬する光であると考えると、有効屈折率ｎeffは、ｎeff＝ｎwavｓｉｎθと書ける。また、有効屈折率ｎeffは、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まるので、例えば、サブミクロン構造が透光層に形成されている場合、フォトルミネッセンス層の屈折率だけでなく、透光層の屈折率にも依存する。また、擬似導波モードの偏光方向（ＴＥモードとＴＭモード）により、電場の分布は異なるので、ＴＥモードとＴＭモードとでは有効屈折率ｎeffは異なり得る。
【００１７】
サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成される。フォトルミネッセンス層と透光層とが互いに接するとき、フォトルミネッセンス層と透光層との界面にサブミクロン構造が形成されてもよい。このとき、フォトルミネッセンス層および透光層がサブミクロン構造を有する。フォトルミネッセンス層はサブミクロン構造を有さなくてもよい。このとき、サブミクロン構造を有する透光層がフォトルミネッセンス層に近接して配置される。ここで、透光層（またはそのサブミクロン構造）がフォトルミネッセンス層に近接するとは、典型的には、これらの間の距離が、波長λaの半分以下であることをいう。これにより、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成される。ただし、透光層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きいときには上記の関係を満足しなくても透光層まで光が到達するため、透光層のサブミクロン構造とフォトルミネッセンス層との間の距離は、波長λaの半分超であってもよい。本明細書では、フォトルミネッセンス層と透光層とが、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成されるような配置関係にあるとき、両者が互いに関連付けられていると表現することがある。
【００１８】
サブミクロン構造は、上記のように、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足するので、サブミクロンオーダーの大きさで特徴づけられる。サブミクロン構造は、例えば、以下に詳細に説明する実施形態の発光素子におけるように、少なくとも１つの周期構造を含む。少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ。すなわち、サブミクロン構造は、隣接する凸部間の距離Ｄintがｐaで一定の周期構造を有する。サブミクロン構造が周期構造を含むと、擬似導波モードの光は、伝搬しながら周期構造と相互作用を繰り返すことにより、サブミクロン構造によって回折される。これは、自由空間を伝播する光が周期構造により回折する現象とは異なり、光が導波しながら（即ち、全反射を繰り返しながら）周期構造と作用する現象である。したがって、周期構造による位相シフトが小さくても（即ち、周期構造の高さが小さくても）効率よく光の回折を起こすことができる。
【００１９】
以上のようなメカニズムを利用すれば、擬似導波モードにより電場が増強される効果によって、フォトルミネッセンスの発光効率が増大するとともに、発生した光が擬似導波モードに結合する。擬似導波モードの光は、周期構造で規定される回折角度だけ進行角度が曲げられる。これを利用することによって、特定の波長の光を特定の方向に出射することができる（指向性が顕著に向上）。さらに、ＴＥとＴＭモードで有効屈折率ｎeff（＝ｎwavｓｉｎθ）が異なるので、高い偏光の選択性を同時に得ることもできる。例えば、後に実験例を示すように、特定の波長（例えば６１０ｎｍ）の直線偏光（例えばＴＭモード）を正面方向に強く出射する発光素子を得ることができる。このとき、正面方向に出射される光の指向角は例えば１５°未満である。なお、指向角は正面方向を０°とした片側の角度とする。
【００２０】
逆に、サブミクロン構造の周期性が低くなると、指向性、発光効率、偏光度および波長選択性が弱くなる。必要に応じて、サブミクロン構造の周期性を調整すればよい。周期構造は、偏光の選択性が高い１次元周期構造であってもよいし、偏光度を小さくできる２次元周期構造であってもよい。
【００２１】
また、サブミクロン構造は、複数の周期構造を含み得る。複数の周期構造は、例えば、周期（ピッチ）が互いに異なる。あるいは、複数の周期構造は、例えば、周期性を有する方向（軸）が互いに異なる。複数の周期構造は、同一面内に形成されてもよいし、積層されてもよい。もちろん、発光素子は、複数のフォトルミネッセンス層と複数の透光層とを有し、これらが複数のサブミクロン構造を有してもよい。
【００２２】
サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層が発する光を制御するためだけでなく、励起光を効率よくフォトルミネッセンス層に導くためにも用いることができる。すなわち、励起光がサブミクロン構造により回折されフォトルミネッセンス層および透光層を導波する擬似導波モードに結合することで、効率よくフォトルミネッセンス層を励起することができる。フォトルミネッセンス材料を励起する光の空気中における波長をλexとし、この励起光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λexの関係が成り立つサブミクロン構造を用いればよい。ｎwav-exはフォトルミネッセンス材料の励起波長における屈折率である。周期をｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ周期構造を有するサブミクロン構造を用いてもよい。励起光の波長λexは、例えば、４５０ｎｍであるが、可視光よりも短波長であってもよい。励起光の波長が可視光の範囲内にある場合、フォトルミネッセンス層が発する光とともに、励起光を出射するようにしてもよい。
【００２３】
［１．本開示の基礎となった知見］
本開示の具体的な実施形態を説明する前に、まず、本開示の基礎となった知見を説明する。上述のように、蛍光灯、白色ＬＥＤなどで使われるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光するので、特定の方向を光で照らすためには、リフレクターやレンズなどの光学部品が必要である。しかしながら、もしフォトルミネッセンス層自身が指向性をもって発光すれば、上記のような光学部品は不要になるので（若しくは小さくできるので）、光学デバイスや器具の大きさを大幅に小さくすることができる。本発明者らは、このような着想に基づき、指向性発光を得るために、フォトルミネッセンス層の構成を詳細に検討した。
【００２４】
本発明者らは、まず、フォトルミネッセンス層からの光が特定の方向に偏るようにするため、発光自体に特定の方向性をもたせることを考えた。発光を特徴付ける指標である発光レートΓは、フェルミの黄金則により、以下の式（１）で表される。
【数１】
2016033645.tif 000003
【００２５】
式（１）において、ｒは位置を表すベクトル、λは光の波長、ｄは双極子ベクトル、Ｅは電場ベクトル、ρは状態密度である。一部の結晶性物質を除く多くの物質では、双極子ベクトルｄはランダムな方向性を有している。また、フォトルミネッセンス層のサイズと厚さが光の波長よりも十分に大きい場合、電場Ｅの大きさも向きに依らずほとんど一定である。よって、ほとんどの場合、＜（ｄ・Ｅ（ｒ））＞2の値は方向に依らない。即ち、発光レートΓは方向に依らず一定である。このため、ほとんどの場合においてフォトルミネッセンス層は等方的に発光する。
【００２６】
一方、式（１）から、異方的な発光を得るためには、双極子ベクトルｄを特定の方向に揃えるか、電場ベクトルの特定方向の成分を増強するかのいずれかの工夫が必要である。これらのいずれかの工夫を行うことで、指向性発光を実現できる。本開示では、フォトルミネッセンス層へ光を閉じ込める効果により、特定方向の電場成分が増強された擬似導波モードを利用するための構成について検討し、詳細に分析した結果を以下に説明する。
【００２７】
［２．特定の方向の電場のみを強くする構成］
本願発明者らは、電場が強い導波モードを用いて、発光の制御を行うことを考えた。導波構造自体がフォトルミネッセンス材料を含む構成とすることで、発光を導波モードに結合させることができる。しかし、ただ単にフォトルミネッセンス材料を用いて導波構造を形成しただけでは、発せられた光が導波モードとなるため、正面方向へはほとんど光は出てこない。そこで、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と周期構造（複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方で形成された）とを組み合わせることを考えた。導波路に周期構造が近接し、光の電場が周期構造と重なりながら導波する場合、周期構造の作用により擬似導波モードが存在する。つまり、この擬似導波モードは、周期構造により制限された導波モードであり、電場振幅の腹が周期構造の周期と同じ周期で発生することを特徴とする。このモードは、光が導波構造に閉じ込められることにより特定方向への電場が強められたモードである。さらに、このモードは周期構造と相互作用することで、回折効果により特定方向の伝播光へと変換されるため、導波路外部へと光を出射することができる。さらに、擬似導波モード以外の光は導波路内に閉じ込められる効果が小さいため、電場は増強されない。よって、発光のほとんどは大きな電場成分を有する擬似導波モードへと結合することになる。
【００２８】
つまり、本願発明者らは、周期構造が近接して設けられた導波路を、フォトルミネッセンス材料を含むフォトルミネッセンス層（あるいはフォトルミネッセンス層を有する導波層）とすることで、発光を特定方向の伝播光へと変換される擬似導波モードへ結合させ、指向性のある光源を実現することを考えた。
【００２９】
導波構造の簡便な構成として、スラブ型導波路に着目した。スラブ型導波路とは、光の導波部分が平板構造を有する導波路のことである。図３０は、スラブ型導波路１１０Ｓの一例を模式的に示す斜視図である。導波路１１０Ｓの屈折率が導波路１１０Ｓを支持する透明基板１４０の屈折率よりも高いとき、導波路１１０Ｓ内を伝播する光のモードが存在する。このようなスラブ型導波路をフォトルミネッセンス層を含む構成とすることで、発光点から生じた光の電場が導波モードの電場と大きく重なりをもつので、フォトルミネッセンス層で生じた光の大部分を導波モードに結合させることができる。さらに、フォトルミネッセンス層の厚さを光の波長程度とすることにより、電場振幅の大きい導波モードのみが存在する状況を作り出すことができる。
【００３０】
さらに、フォトルミネッセンス層に周期構造が近接する場合には、導波モードの電場が周期構造と相互作用することで擬似導波モードが形成される。フォトルミネッセンス層が複数の層で構成されている場合でも、導波モードの電場が周期構造に達していれば、擬似導波モードが形成されることになる。フォトルミネッセンス層の全てがフォトルミネッセンス材料である必要はなく、その少なくとも一部の領域が発光する機能を有していればよい。
【００３１】
また、周期構造を金属で形成した場合には、導波モードとプラズモン共鳴の効果によるモードが形成され、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質となる。また、このモードは金属による吸収が大きいためロスが大きくなり、発光増強の効果は小さくなる。したがって、周期構造としては、吸収の少ない誘電体を用いるのが望ましい。
【００３２】
本発明者らは、まずこのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）の表面に、周期構造を形成することで、特定の角度方向の伝播光として出射することのできる擬似導波モードに発光を結合させることについて検討を行った。図１Ａは、そのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）１１０と周期構造（例えば、透光層）１２０とを有する発光素子１００の一例を模式的に示す斜視図である。以下、透光層１２０が周期構造を形成している場合（即ち、透光層１２０に周期的なサブミクロン構造が形成されている場合）、透光層１２０を周期構造１２０ということがある。この例では、周期構造１２０は、各々がｙ方向に延びるストライプ状の複数の凸部がｘ方向に等間隔に並んだ１次元周期構造である。図１Ｂは、この発光素子１００をｘｚ面に平行な平面で切断したときの断面図である。導波路１１０に接するように周期ｐの周期構造１２０を設けると、面内方向の波数ｋwavをもつ擬似導波モードは、導波路外の伝播光へと変換され、その波数ｋoutは以下の式（２）で表すことができる。
【数２】
2016033645.tif 000004
式（２）におけるｍは整数であり、回折の次数を表す。
【００３３】
ここで、簡単のため、近似的に導波路内を導波する光を角度θwavで伝播する光線であると考え、以下の式（３）および（４）が成立するとする。
【数３】
2016033645.tif 000005
【数４】
2016033645.tif 000006
【００３４】
これらの式において、λ0は光の空気中の波長、ｎwavは導波路の屈折率、ｎoutは出射側の媒質の屈折率、θoutは光が導波路外の基板または空気に出射するときの出射角度である。式（２）〜（４）から、出射角度θoutは、以下の式（５）で表すことができる。
【数５】
2016033645.tif 000007
【００３５】
式（５）より、ｎwavｓｉｎθwav＝ｍλ0／ｐが成立するとき、θout＝０となり、導波路の面に垂直な方向（即ち、正面）に光を出射させることができることがわかる。
【００３６】
以上のような原理に基づけば、発光を特定の擬似導波モードに結合させ、さらに周期構造を利用して特定の出射角度の光に変換することにより、その方向に強い光を出射させることができると考えられる。
【００３７】
上記のような状況を実現するためには、いくつかの制約条件がある。まず、擬似導波モードが存在するためには、導波路内で伝播する光が全反射することが必要である。このための条件は、以下の式（６）で表される。
【数６】
2016033645.tif 000008
【００３８】
この擬似導波モードを周期構造によって回折させて導波路外に光を出射させるためには、式（５）において−１＜ｓｉｎθout＜１である必要がある。よって、以下の式（７）を満足する必要がある。
【数７】
2016033645.tif 000009
【００３９】
これに対し、式（６）を考慮すると、以下の式（８）が成立すればよいことがわかる。
【数８】
2016033645.tif 000010
【００４０】
さらに、導波路１１０から出射される光の方向を正面方向（θout＝０）にするためには、式（５）から、以下の式（９）が必要であることがわかる。
【数９】
2016033645.tif 000011
【００４１】
式（９）および式（６）から、必要な条件は、以下の式（１０）であることがわかる。
【数１０】
2016033645.tif 000012
【００４２】
なお、図１Ａおよび図１Ｂに示すような周期構造を設けた場合には、ｍが２以上の高次の回折効率は低いため、ｍ＝１である１次の回折光を主眼に設計すると良い。このため、本実施形態における周期構造では、ｍ＝１として、式（１０）を変形した以下の式（１１）を満足するように周期ｐが決定される。
【数１１】
2016033645.tif 000013
【００４３】
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、導波路（フォトルミネッセンス層）１１０が透明基板に接していない場合には、ｎoutは空気の屈折率（約１．０）となるため、以下の式（１２）を満足するように周期ｐを決定すればよい。
【数１２】
2016033645.tif 000014
【００４４】
一方、図１Ｃおよび図１Ｄに例示するような透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を形成した構造を採用してもよい。この場合には、透明基板１４０の屈折率ｎsが空気の屈折率よりも大きいことから、式（１１）においてｎout＝ｎsとした次式（１３）を満足するように周期ｐを決定すればよい。
【数１３】
2016033645.tif 000015
【００４５】
なお、式（１２）、（１３）では、式（１０）においてｍ＝１の場合を想定したが、ｍ≧２であってもよい。すなわち、図１Ａおよび図１Ｂに示すように発光素子１００の両面が空気層に接している場合には、ｍを１以上の整数として、以下の式（１４）を満足するように周期ｐが設定されていればよい。
【数１４】
2016033645.tif 000016
【００４６】
同様に、図１Ｃおよび図１Ｄに示す発光素子１００ａのようにフォトルミネッセンス層１１０が透明基板１４０上に形成されている場合には、以下の式（１５）を満足するように周期ｐが設定されていればよい。
【数１５】
2016033645.tif 000017
【００４７】
以上の不等式を満足するように周期構造の周期ｐを決定することにより、フォトルミネッセンス層１１０から発生した光を正面方向に出射させることができるため、指向性を有する発光装置を実現できる。
【００４８】
［３．計算による検証］
［３−１．周期、波長依存性］
本発明者らは、以上のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のDiffractMODを用いた計算によって行った。これらの計算では、発光素子に対して外部から垂直に光を入射したときに、フォトルミネッセンス層における光の吸収の増減を計算することで、外部へ垂直に出射する光の増強度を求めた。外部から入射した光が擬似導波モードに結合しフォトルミネッセンス層で吸収されるという過程は、フォトルミネッセンス層における発光が擬似導波モードへと結合し、外部へ垂直に出射する伝播光へと変換される過程と逆の過程を計算していることに対応する。また、擬似導波モードの電場分布の計算においても、同様に外部から光を入射した場合における電場を計算した。
【００４９】
フォトルミネッセンス層の膜厚を１μｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造の高さを５０ｎｍ、周期構造の屈折率を１．５とし、発光波長および周期構造の周期をそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を図２に示す。計算モデルは、図１Ａに示すように、ｙ方向には均一な１次元周期構造とし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるとして計算を行った。図２の結果から、増強度のピークが、ある特定の波長と周期との組み合わせにおいて存在することがわかる。なお、図２において、増強度の大きさは色の濃淡で表されており、濃い（即ち黒い）方が増強度が大きく、淡い（即ち白い）方が増強度が小さい。
【００５０】
上記の計算において、周期構造の断面は、図１Ｂに示すような矩形であるものとしている。式（１０）におけるｍ＝１およびｍ＝３の条件を図示したグラフを図３に示す。図２と図３とを比較すると、図２におけるピーク位置はｍ＝１とｍ＝３に対応するところに存在することがわかる。ｍ＝１の方が強度が強いのは、３次以上の高次の回折光よりも１次の回折光の回折効率の方が高いからである。ｍ＝２のピークが存在しないのは、周期構造における回折効率が低いためである。
【００５１】
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。
【００５２】
［３−２．厚さ依存性］
図４は、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造の周期を４００ｎｍ、高さを５０ｎｍ、屈折率を１．５とし、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。フォトルミネッセンス層の厚さｔが特定の値であるときに光の増強度がピークに達することがわかる。
【００５３】
図４においてピークが存在する波長６００ｎｍ、厚さｔ＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を図５Ａおよび図５Ｂにそれぞれ示す。比較のため、ピークが存在しないｔ＝３００ｎｍの場合について同様の計算を行った結果を図５Ｃに示す。計算モデルは、上記と同様、ｙ方向に均一な１次元周期構造であるとした。各図において、黒い領域ほど電場強度が高く、白い領域ほど電場強度が低いことを表している。ｔ＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍの場合には高い電場強度の分布があるのに対して、ｔ＝３００ｎｍでは全体的に電場強度が低い。これは、ｔ＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍの場合には、導波モードが存在し、光が強く閉じ込められているからである。さらに、凸部または凸部の直下に電場が最も強い部分（腹）が必ず存在しており、周期構造１２０と相関のある電場が発生している特徴が見て取れる。つまり、周期構造１２０の配置に従って、導波するモードが得られていることがわかる。また、ｔ＝２３８ｎｍの場合とｔ＝５３９ｎｍの場合とを比較すると、ｚ方向の電場の節（白い部分）の数が１つだけ異なるモードであることが分かる。
【００５４】
［３−３．偏光依存性］
次に偏光依存性を確認するために、図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度の計算を行った。本計算の結果を図６に示す。ＴＭモードのとき（図２）に比べ、ピーク位置は多少変化しているものの、図３で示した領域内にピーク位置が納まっている。よって、本実施形態の構成は、ＴＭモード、ＴＥモードのいずれの偏光についても有効であることが確認できた。
【００５５】
［３−４．２次元周期構造］
さらに、２次元の周期構造による効果の検討を行った。図７Ａは、ｘ方向およびｙ方向の両方向に凹部および凸部が配列された２次元の周期構造１２０’の一部を示す平面図である。図中の黒い領域が凸部、白い領域が凹部を示している。このような２次元周期構造では、ｘ方向とｙ方向の両方の回折を考慮する必要がある。ｘ方向のみ、あるいはｙ方向のみの回折に関しては１次元の場合と同様であるが、ｘ、ｙ両方の成分を有する方向（例えば、斜め４５°方向）の回折も存在するため、１次元の場合とは異なる結果が得られることが期待できる。このような２次元周期構造に関して光の増強度を計算した結果を図７Ｂに示す。周期構造以外の計算条件は図２の条件と同じである。図７Ｂに示すように、図２に示すＴＭモードのピーク位置に加えて、図６に示すＴＥモードにおけるピーク位置と一致するピーク位置も観測された。この結果は、２次元周期構造により、ＴＥモードも、回折により変換されて出力されていることを示している。また、２次元周期構造については、ｘ方向およびｙ方向の両方について、同時に１次の回折条件を満足する回折も考慮する必要がある。このような回折光は、周期ｐの√２倍（即ち、２1/2倍）の周期に対応する角度の方向に出射する。よって、１次元周期構造の場合のピークに加えて、周期ｐの√２倍の周期についてもピークが発生すると考えられる。図７Ｂでは、このようなピークも確認できる。
【００５６】
２次元周期構造としては、図７Ａに示すようなｘ方向およびｙ方向の周期が等しい正方格子の構造に限らず、図１８Ａおよび図１８Ｂのような六角形や三角形を並べた格子構造であってもよい。また、方位方向によって（例えば、正方格子の場合ｘ方向およびｙ方向）の周期が異なる構造であってもよい。
【００５７】
以上のように、本実施形態では、周期構造とフォトルミネッセンス層とによって形成される特徴的な擬似導波モードの光を、周期構造による回折現象を利用して、正面方向にのみ選択的に出射できることが確認できた。このような構成で、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性を有する発光が得られる。
【００５８】
［４．周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成の検討］
次に、周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成や屈折率などの各種条件を変えたときの効果について説明する。
【００５９】
［４−１．周期構造の屈折率］
まず、周期構造の屈折率に関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を２００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造は図１Ａに示すようなｙ方向に均一な１次元周期構造とし、高さを５０ｎｍ、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図８に示す。また、同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍにした場合の結果を図９に示す。
【００６０】
まず、フォトルミネッセンス層の膜厚に着目すると、膜厚が２００ｎｍの場合（図８）に比べ、膜厚が１０００ｎｍの場合（図９）のほうが、周期構造の屈折率の変化に対する光強度がピークとなる波長（ピーク波長と称する。）のシフトが小さいことがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の膜厚が小さいほど、擬似導波モードが周期構造の屈折率の影響を受けやすいからである。即ち、周期構造の屈折率が高いほど、有効屈折率が大きくなり、その分ピーク波長が長波長側にシフトするが、この影響は、膜厚が小さいほど顕著になる。なお、有効屈折率は、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まる。
【００６１】
次に、周期構造の屈折率の変化に対するピークの変化に着目すると、屈折率が高いほどピークが広がり強度が下がっていることがわかる。これは、周期構造の屈折率が高いほど擬似導波モードの光を外部に放出するレートが高いため、光を閉じ込める効果が減少する、すなわちＱ値が低くなることが原因である。ピーク強度を高く保つためには、光を閉じ込める効果が高い（即ちＱ値が高い）擬似導波モードを利用して、適度に光を外部に放出する構成にすればよい。これを実現するためには、屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率に比べて大き過ぎる材料を周期構造に用いるのは望ましくないことがわかる。したがって、ピーク強度およびＱ値をある程度高くするためには、周期構造を構成する誘電体（即ち、透光層）の屈折率を、フォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にすればよい。フォトルミネッセンス層がフォトルミネッセンス材料以外の材料を含むときも同様である。
【００６２】
［４−２．周期構造の高さ］
次に、周期構造の高さに関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造は図１Ａに示すようなｙ方向に均一な１次元周期構造で屈折率をｎp＝１．５、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図１０に示す。同様の条件で、周期構造の屈折率をｎp＝２．０とした場合の計算結果を図１１に示す。図１０に示す結果では、ある程度以上の高さではピーク強度やＱ値（即ち、ピークの線幅）が変化していないのに対して、図１１に示す結果では、周期構造の高さが大きいほどピーク強度およびＱ値が低下していることがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが周期構造の屈折率ｎpよりも高い場合（図１０）には、光が全反射するので、擬似導波モードの電場の染み出し（エバネッセント）部分のみが周期構造と相互作用することに起因する。電場のエバネッセント部分と周期構造との相互作用の影響は、周期構造の高さが十分大きい場合には、それ以上高さが変化しても一定である。一方、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが周期構造の屈折率ｎpよりも低い場合（図１１）は、全反射せずに周期構造の表面にまで光が到達するので、周期構造の高さが大きいほどその影響を受ける。図１１を見る限り、高さは１００ｎｍ程度あれば十分であり、１５０ｎｍを超える領域ではピーク強度およびＱ値が低下していることがわかる。したがって、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが周期構造の屈折率ｎpよりも低い場合に、ピーク強度およびＱ値をある程度高くするためには、周期構造の高さを１５０ｎｍ以下に設定すればよい。
【００６３】
［４−３．偏光方向］
次に、偏光方向に関して検討を行った。図９に示す計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードであるものとして計算した結果を図１２に示す。ＴＥモードでは、擬似導波モードの電場の染み出しがＴＭモードに比べて大きいため、周期構造による影響を受けやすい。よって、周期構造の屈折率ｎpがフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavよりも大きい領域では、ピーク強度およびＱ値の低下がＴＭモードよりも著しい。
【００６４】
［４−４．フォトルミネッセンス層の屈折率］
次に、フォトルミネッセンス層の屈折率に関して検討を行った。図９に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavを１．５に変更した場合の結果を図１３に示す。フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが１．５の場合においても概ね図９と同様の効果が得られていることがわかる。ただし、波長が６００ｎｍ以上の光は正面方向に出射していないことがわかる。これは、式（１０）より、λ0＜ｎwav×ｐ／ｍ＝１．５×４００ｎｍ／１＝６００ｎｍとなるからである。
【００６５】
以上の分析から、周期構造の屈折率はフォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にするか、周期構造の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率以上の場合には、高さを１５０ｎｍ以下にすれば、ピーク強度およびＱ値を高くできることがわかる。
【００６６】
［５．変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。
【００６７】
［５−１．基板を有する構成］
上述のように、発光素子は、図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、透明基板１４０の上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成された構造を有していてもよい。このような発光素子１００ａを作製するには、まず、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料（必要に応じて、マトリクス材料を含む、以下同じ。）で薄膜を形成し、その上に周期構造１２０を形成する方法が考えられる。このような構成において、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とにより、光を特定の方向に出射する機能をもたせるためには、透明基板１４０の屈折率ｎsはフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav以下にする必要がある。透明基板１４０をフォトルミネッセンス層１１０に接するように設けた場合、式（１０）における出射媒質の屈折率ｎoutをｎsとした式（１５）を満足するように周期ｐを設定する必要がある。
【００６８】
このことを確認するために、屈折率が１．５の透明基板１４０の上に、図２に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を設けた場合の計算を行った。本計算の結果を図１４に示す。図２の結果と同様、波長ごとに特定の周期において光強度のピークが現れることが確認できるが、ピークが現れる周期の範囲が図２の結果とは異なることがわかる。これに対して、式（１０）の条件をｎout＝ｎsとした式（１５）の条件を図１５に示す。図１４において、図１５に示される範囲に対応する領域内に、光強度のピークが現れていることがわかる。
【００６９】
したがって、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とを設けた発光素子１００ａでは、式（１５）を満足する周期ｐの範囲において効果が得られ、式（１３）を満足する周期ｐの範囲において特に顕著な効果が得られる。
【００７０】
［５−２．励起光源を有する発光装置］
図１６は、図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００と、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる光源１８０とを備える発光装置２００の構成例を示す図である。上述のように、本開示の構成では、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性をもつ発光が得られる。そのような励起光を出射するように構成された光源１８０を設けることにより、指向性をもつ発光装置２００を実現できる。光源１８０から出射される励起光の波長は、典型的には紫外または青色領域の波長であるが、これらに限らず、フォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料に応じて適宜決定される。なお、図１６では、光源１８０がフォトルミネッセンス層１１０の下面から励起光を入射させるように配置されているが、このような例に限定されず、例えば、フォトルミネッセンス層１１０の上面から励起光を入射させてもよい。
【００７１】
励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる方法もある。図１７は、そのような方法を説明するための図である。この例では、図１Ｃ、１Ｄに示す構成と同様、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成されている。まず、図１７（ａ）に示すように、発光増強のためにｘ方向の周期ｐxを決定し、続いて、図１７（ｂ）に示すように、励起光を擬似導波モードに結合させるためにｙ方向の周期ｐyを決定する。周期ｐxは、式（１０）においてｐをｐxに置き換えた条件を満足するように決定される。一方、周期ｐyは、ｍを１以上の整数、励起光の波長をλex、フォトルミネッセンス層１１０に接する媒質のうち、周期構造１２０を除く最も屈折率の高い媒質の屈折率をｎoutとして、以下の式（１６）を満足するように決定される。
【数１６】
2016033645.tif 000018
ここで、ｎoutは、図１７の例では透明基板１４０のｎsであるが、図１６のように透明基板１４０を設けない構成では、空気の屈折率（約１．０）である。
【００７２】
特に、ｍ＝１として、次の式（１７）を満足するように周期ｐyを決定すれば、励起光を擬似導波モードに変換する効果をより高くすることができる。
【数１７】
2016033645.tif 000019
【００７３】
このように、式（１６）の条件（特に式（１７）の条件）を満足するように周期ｐyを設定することで、励起光を擬似導波モードに変換することができる。その結果、フォトルミネッセンス層１１０に効率的に波長λexの励起光を吸収させることができる。
【００７４】
図１７（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、図１７（ａ）、（ｂ）に示す構造に対して光を入射したときに光が吸収される割合を波長ごとに計算した結果を示す図である。この計算では、ｐx＝３６５ｎｍ、ｐy＝２６５ｎｍとし、フォトルミネッセンス層１１０からの発光波長λを約６００ｎｍ、励起光の波長λexを約４５０ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の消衰係数は０．００３としている。図１７（ｄ）に示すように、フォトルミネッセンス層１１０から生じた光だけでなく、励起光である約４５０ｎｍの光に対して高い吸収率を示している。これは、入射した光が効果的に擬似導波モードに変換されることで、フォトルミネッセンス層に吸収される割合を増大させることができているためである。また、発光波長である約６００ｎｍに対しても吸収率が増大しているが、これは、もし約６００ｎｍの波長の光をこの構造に入射した場合には、同様に効果的に擬似導波モードに変換されるということである。このように、図１７（ｂ）に示す周期構造１２０は、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期の異なる構造（周期成分）を有する２次元周期構造である。このように、複数の周期成分を有する２次元周期構造を用いることにより、励起効率を高めつつ、出射強度を高めることが可能になる。なお、図１７では励起光を基板側から入射しているが、周期構造側から入射しても同じ効果が得られる。
【００７５】
さらに、複数の周期成分を有する２次元周期構造としては、図１８Ａまたは図１８Ｂに示すような構成を採用してもよい。図１８Ａに示すように六角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成や、図１８Ｂに示すように三角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成とすることにより、周期とみなすことのできる複数の主軸（図の例では軸１〜３）を定めることができる。このため、それぞれの軸方向について異なる周期を割り当てることができる。これらの周期の各々を、複数の波長の光の指向性を高めるために設定してもよいし、励起光を効率よく吸収させるために設定してもよい。いずれの場合も、式（１０）に相当する条件を満足するように各周期が設定される。
【００７６】
［５−３．透明基板上の周期構造］
図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、透明基板１４０上に周期構造１２０ａを形成し、その上にフォトルミネッセンス層１１０を設けてもよい。図１９Ａの構成例では、基板１４０上の凹凸からなる周期構造１２０ａに追従するようにフォトルミネッセンス層１１０が形成された結果、フォトルミネッセンス層１１０の表面にも同じ周期の周期構造１２０ｂが形成されている。一方、図１９Ｂの構成例では、フォトルミネッセンス層１１０の表面は平坦になるように処理されている。これらの構成例においても、周期構造１２０ａの周期ｐを式（１５）を満足するように設定することにより、指向性発光を実現できる。
【００７７】
この効果を検証するため、図１９Ａの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した。ここで、フォトルミネッセンス層１１０の膜厚を１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造１２０ａはｙ方向に均一な１次元周期構造で高さを５０ｎｍ、屈折率をｎp＝１．５、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとした。本計算の結果を図１９Ｃに示す。本計算においても、式（１５）の条件を満足する周期で光強度のピークが観測された。
【００７８】
［５−４．粉体］
以上の実施形態によれば、周期構造の周期や、フォトルミネッセンス層の膜厚を調整することで任意の波長の発光を強調することができる。例えば、広い帯域で発光するフォトルミネッセンス材料を用いて図１Ａ、１Ｂのような構成にすれば、ある波長の光のみを強調することが可能である。よって、図１Ａ、１Ｂのような発光素子１００の構成を粉末状にして、蛍光材料として利用してもよい。また、図１Ａ、１Ｂのような発光素子１００を樹脂やガラスなどに埋め込んで利用してもよい。
【００７９】
図１Ａ、１Ｂのような単体の構成では、ある特定の波長しか特定の方向に出射できないため、例えば広い波長域のスペクトルを持つ白色などの発光を実現することは難しい。そこで、図２０に示すように周期構造の周期やフォトルミネッセンス層の膜厚などの条件の異なる複数の粉末状の発光素子１００を混ぜたものを用いることにより、広い波長域のスペクトルを持つ発光装置を実現できる。この場合、個々の発光素子１００の一方向のサイズは、例えば数μｍ〜数ｍｍ程度であり、その中に例えば数周期〜数百周期の１次元または２次元の周期構造を含み得る。
【００８０】
［５−５．周期の異なる構造を配列］
図２１は、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を２次元に配列した例を示す平面図である。この例では、３種類の周期構造１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃが隙間なく配列されている。周期構造１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃは、例えば、赤、緑、青の波長域の光をそれぞれ正面に出射するように周期が設定されている。このように、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の構造を並べることによっても広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。なお、複数の周期構造の構成は、上記のものに限定されず、任意に設定してよい。
【００８１】
［５−６．積層構造］
図２２は、表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層１１０が積層された構造を有する発光素子の一例を示している。複数のフォトルミネッセンス層１１０の間には、透明基板１４０が設けられ、各層のフォトルミネッセンス層１１０の表面に形成された凹凸構造が上記の周期構造またはサブミクロン構造に相当する。図２２に示す例では、３層の周期の異なる周期構造が形成されており、それぞれ、赤、青、緑の波長域の光を正面に出射するように周期が設定されている。また、各周期構造の周期に対応する色の光を発するように各層のフォトルミネッセンス層１１０の材料が選択されている。このように、周期の異なる複数の周期構造を積層することによっても、広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。
【００８２】
なお、層数や各層のフォトルミネッセンス層１１０および周期構造の構成は上記のものに限定されず、任意に設定してよい。例えば２層の構成では、透光性の基板を介して第１のフォトルミネッセンス層と第２のフォトルミネッセンス層とが対向するように形成され、第１および第２のフォトルミネッセンス層の表面に、それぞれ第１および第２の周期構造が形成されることになる。この場合、第１のフォトルミネッセンス層および第１の周期構造の対と、第２のフォトルミネッセンス層および第２の周期構造の対のそれぞれについて、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。３層以上の構成においても同様に、各層におけるフォトルミネッセンス層および周期構造について、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。フォトルミネッセンス層と周期構造との位置関係が図２２に示すものとは逆転していてもよい。図２２に示す例では、各層の周期が異なっているが、これらを全て同じ周期にしてもよい。その場合、スペクトルを広くすることはできないが、発光強度を大きくすることができる。
【００８３】
［５−７．保護層を有する構成］
図２３は、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に保護層１５０を設けた構成例を示す断面図である。このように、フォトルミネッセンス層１１０を保護するための保護層１５０を設けても良い。ただし、保護層１５０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い場合は、保護層１５０の内部に波長の半分程度しか光の電場が染み出さない。よって、保護層１５０が波長よりも厚い場合には、周期構造１２０に光が届かない。このため、擬似導波モードが存在せず、光を特定方向に放出する機能を得ることができない。保護層１５０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と同程度あるいはそれ以上の場合には、保護層１５０の内部にまで光が到達する。よって、保護層１５０に厚さの制約は無い。ただし、その場合でも、光が導波する部分（以下、この部分を「導波層」と呼ぶ。）の大部分をフォトルミネッセンス材料で形成したほうが大きな光の出力が得られる。よって、この場合でも保護層１５０は薄いほうが望ましい。なお、保護層１５０を周期構造（透光層）１２０と同じ材料を用いて形成してもよい。このとき、周期構造を有する透光層が保護層を兼ねる。透光層１２０の屈折率はフォトルミネッセンス層１１０よりも小さいことが望ましい。
【００８４】
［６．材料および製造方法］
以上のような条件を満たす材料でフォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を構成すれば、指向性発光を実現できる。周期構造には任意の材料を用いることができる。しかしながら、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）や周期構造を形成する媒質の光吸収性が高いと、光を閉じ込める効果が低下し、ピーク強度およびＱ値が低下する。よって、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を形成する媒質として、光吸収性の比較的低いものが用いられ得る。
【００８５】
周期構造の材料としては、例えば、光吸収性の低い誘電体が使用され得る。周期構造の材料の候補としては、例えば、ＭｇＦ2（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ2（石英）、ガラス、樹脂、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、ＳｉＮ（窒化シリコン）、Ｔａ2Ｏ5（五酸化タンタル）、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）などが挙げられる。ただし、前述のとおり周期構造の屈折率をフォトルミネッセンス層の屈折率よりも低くする場合、屈折率が１．３〜１．５程度であるＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＳｉＯ2、ガラス、樹脂を用いることができる。
【００８６】
フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。一般に、無機材料をホストとする蛍光材料は屈折率が高い傾向にある。青色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+、Ｍ3ＭｇＳｉ2Ｏ8：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ5ＳｉＯ4Ｃｌ6：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。緑色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ2ＭｇＳｉ2Ｏ7：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＳｒＳｉ5ＡｌＯ2Ｎ7：Ｅｕ2+、ＳｒＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、ＢａＡｌ2Ｏ4：Ｅｕ2+、ＢａＺｒＳｉ3Ｏ9：Ｅｕ2+、Ｍ2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＳｉ3Ｏ4Ｎ2：Ｅｕ2+Ｃａ8Ｍｇ（ＳｉＯ4）4Ｃｌ2：Ｅｕ2+、Ｃａ3ＳｉＯ4Ｃｌ2：Ｅｕ2+、ＣａＳｉ12-(m+n)Ａｌ(m+n)ＯnＮ16-n：Ｃｅ3+、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ2+を用いることができる。赤色に発光する蛍光材料としては、例えば、ＣａＡｌＳｉＮ3：Ｅｕ2+、ＳｒＡｌＳｉ4Ｏ7：Ｅｕ2+、Ｍ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉＮ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｙｂ2+（Ｍ＝ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、Ｌａ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、ＣａＷＯ4：Ｌｉ1+，Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、Ｍ2ＳｉＳ4：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ3ＳｉＯ5：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。黄色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+、ＣａＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、Ｃａ3Ｓｃ2Ｓｉ3Ｏ12：Ｃｅ3+、ＣａＳｃ2Ｏ4：Ｃｅ3+、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ2+、ＭＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ7（ＳｉＯ3）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。
【００８７】
量子ドットについては、例えば、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、コア・シェル型ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、合金型ＣｄＳＳｅ／ＺｎＳなどの材料を用いることができ、材質によって様々な発光波長を得ることができる。量子ドットのマトリクスとしては、例えば、ガラスや樹脂を用いることができる。
【００８８】
図１Ｃ、１Ｄなどに示す透明基板１４０は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い透光性材料によって構成される。そのような材料として、例えば、ＭｇＦ（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ2（石英）、ガラス、樹脂が挙げられる。
【００８９】
続いて、製造方法の一例を説明する。
【００９０】
図１Ｃ、１Ｄに示す構成を実現する方法として、例えば、透明基板１４０上に蛍光材料を蒸着、スパッタリング、塗布などの工程によってフォトルミネッセンス層１１０の薄膜を形成し、その後、誘電体を成膜し、フォトリソグラフィなどの方法によってパターニングすることによって周期構造１２０を形成する方法がある。上記方法の代わりに、ナノインプリントによって周期構造１２０を形成してもよい。また、図２４に示すように、フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成してもよい。その場合、周期構造１２０はフォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成されることになる。
【００９１】
図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００は、例えば、図１Ｃ、１Ｄに示す発光素子１００ａを作製した後、基板１４０からフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０の部分を剥がす工程を行うことで実現可能である。
【００９２】
図１９Ａに示す構成は、例えば、透明基板１４０上に半導体プロセスやナノインプリントなどの方法で周期構造１２０ａを形成した後、その上にフォトルミネッセンス層１１０を構成する材料を蒸着やスパッタリングなどの方法で形成することによって実現可能である。あるいは、塗布などの方法を用いて周期構造１２０ａの凹部をフォトルミネッセンス層１１０で埋め込むことによって図１９Ｂに示す構成を実現することもできる。
【００９３】
なお、上記の製造方法は一例であり、本開示の発光素子は上記の製造方法に限定されない。
【００９４】
[実験例]
以下に、本開示の実施形態による発光素子を作製した例を説明する。
【００９５】
図１９Ａと同様の構成を有する発光素子のサンプルを試作し、特性を評価した。発光素子は以下の様にして作製した。
【００９６】
ガラス基板に、周期４００ｎｍ、高さ４０ｎｍの１次元周期構造（ストライプ状の凸部）を設け、その上からフォトルミネッセンス材料であるＹＡＧ：Ｃｅを２１０ｎｍ成膜した。この断面図のＴＥＭ像を図２５に示し、これを４５０ｎｍのＬＥＤで励起することでＹＡＧ：Ｃｅを発光させたときの、正面方向のスペクトルを測定した結果を図２６に示す。図２６には、周期構造がない場合の測定結果（ｒｅｆ）と、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＭモードと、垂直な偏光成分を持つＴＥモードを測定した結果について示した。周期構造がある場合は、周期構造がない場合に対して、特定の波長の光が著しく増加していることが見て取れる。また、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＭモードの方が、光の増強効果が大きいことが分かる。
【００９７】
さらに、同じサンプルにおいて、出射光強度の角度依存性を測定した結果および計算結果を図２７および図２８に示す。図２７は、１次元周期構造（周期構造１２０）のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させた場合について、図２８は、１次元周期構造（即ち、周期構造１２０）のライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合についての測定結果（上段）および計算結果（下段）を示している。また、図２７および図２８のそれぞれにおいて、ＴＭモードおよびＴＥモードの直線偏光についての結果を示しており、図２７（ａ）はＴＭモード、図２７（ｂ）はＴＥモード、図２８（ａ）はＴＥモード、図２８（ｂ）はＴＭモードの直線偏光についての結果をそれぞれ示している。図２７および図２８から明らかなように、ＴＭモードの方が増強する効果が高く、また増強される波長は角度によってシフトしていく様子が見て取れる。例えば、６１０ｎｍの光においては、ＴＭモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性かつ偏光発光していることがわかる。また、各図の上段と下段とが整合していることから、上述の計算の妥当性が実験によって裏付けられた。
【００９８】
上記の測定結果から例えば、６１０ｎｍの光において、ライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合の強度の角度依存性を示したのが図２９である。正面方向に強い発光増強が起きており、そのほかの角度に対しては、ほとんど光が増強されていない様子がみてとれる。正面方向に出射される光の指向角は１５°未満であることがわかる。なお、指向角は、強度が最大強度の５０％となる角度であり、最大強度の方向を中心に片側の角度で表す。つまり、指向性発光が実現していることがわかる。さらにこれは、全てＴＭモードの成分であるため、同時に偏光発光も実現していることがわかる。
【００９９】
以上の検証は、広帯域の波長帯で発光するＹＡＧ：Ｃｅを使って実験を行ったが、発光が狭帯域のフォトルミネッセンス材料で同様の構成としても、その波長の光に対して指向性や偏光発光を実現することができる。さらに、この場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や偏光状態の光は発生しないような光源を実現することができる。
【０１００】
［７．発光効率を向上させる構成］
以下で、指向性および発光効率をより向上させるための実施形態を説明する。図面において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、その説明を省略することがある。
【０１０１】
（実施の形態１）
実施の形態１を説明する。実施の形態１の発光素子は、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の上に、複数の第２の凸部であって、隣接する第２の凸部間の距離が、隣接する第１の凸部または第１の凹部間の距離より小さい複数の第２の凸部をさらに有する。以下で、サブミクロン構造が有する複数の凸部または複数の凹部を、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部ということがある。実施の形態１の発光素子は、第２の凸部をさらに有する点を除いて、上述した実施形態の構造のいずれかと同じであってもよいし、本開示の実施形態による発光素子のいずれか複数を組み合わせた構成であってもよい。
【０１０２】
図３１（ａ）を参照して、実施の形態１による発光素子１１００を説明する。図３１（ａ）は、発光素子１１００の模式的な断面図である。
【０１０３】
発光素子１１００は、フォトルミネッセンス層１１０と、フォトルミネッセンス層１１０に近接して配置された透光層１２０と、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の少なくとも一方に形成され、フォトルミネッセンス層１１０または透光層１２０の面内に広がるサブミクロン構造と、フォトルミネッセンス層１１０の上に複数の第２の凸部１６０とを有する。サブミクロン構造は、複数の第１の凸部１２１ａまたは複数の第１の凹部１２１ｂを含む。隣接する第１の凸部１２１ａ間または隣接する第１の凹部１２１ｂ間の距離をＤintとする。フォトルミネッセンス層１１０が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含む。第１の光に対するフォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎwav-aとする。これらの間には、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。隣接する第２の凸部１６０間の距離は、Ｄintより小さい。
【０１０４】
発光素子１１００において、フォトルミネッセンス層１１０は、例えば、透光層１２０の上に設けられている。複数の第２の凸部１６０は、例えば、フォトルミネッセンス層１１０の表面に設けられている。第２の凸部１６０は、フォトルミネッセンス層１１０に直接接していなくてもよい。例えば、フォトルミネッセンス層１１０と第２の凸部１６０との間に、別の層が設けられていてもよい。
【０１０５】
フォトルミネッセンス層１１０の表面に複数の第２の凸部１６０が設けられていることにより、発光素子１１００の指向性および発光効率がより向上し得ることについて、以下で説明する。
【０１０６】
複数の第２の凸部１６０は、例えば、いわゆるモスアイ構造（蛾の目構造）を構成する。フォトルミネッセンス層１１０の表面に複数の第２の凸部１６０が形成されていることによって、フォトルミネッセンス層１１０が発する光に対する実効屈折率が、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に沿って、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率から発光素子１１００の外部の屈折率まで連続的に変化する。これにより、フォトルミネッセンス層１１０が発する光の、フォトルミネッセンス層１１０と発光素子１１００の外部（例えば空気）との界面における反射率が低下する。
【０１０７】
発光素子１１００が複数の第２の凸部１６０を有しない場合、フォトルミネッセンス層１１０が発する光は、フォトルミネッセンス層１１０と発光素子１１００の外部（ここでは例えば空気とする）との界面において、その一部が反射される。これは、フォトルミネッセンス層１１０と空気との屈折率の違いに起因している。フォトルミネッセンス層１１０から出射する光のうち反射光の割合が減少すると、ロスが低減するので、発光素子１１００の指向性および発光効率を向上させることができる。特に、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に出射する光の反射率を減少させることができれば、フォトルミネッセンス層１１０が発する光のうちフォトルミネッセンス層１１０の法線方向に出射する光の指向性および発光効率が向上し得る。一般に、フレネルの反射公式によると、屈折率ｎ1の媒質から屈折率ｎ2の媒質へ、両媒質の界面に垂直に強度Ｉ0の光が入射するとき、反射光の強度は、Ｉ0（（ｎ1−ｎ2）／（ｎ1＋ｎ2））2で与えられる。例えば、発光素子１１００において、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率が１．５である場合には、反射率は０．０４であり、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率が１．８である場合には、反射率は０．０８である。フォトルミネッセンス層１１０の屈折率が高いと、反射率が大きくなる。フォトルミネッセンス層１１０の屈折率が高い発光素子１１００においては、複数の第２の凸部１６０を有することにより、より効果的に指向性および発光効率が向上し得る。
【０１０８】
第２の凸部１６０の形状は、例えば、略円錐である。第２の凸部１６０が略円錐形である場合は、実効屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の法線方向に沿って連続的に変化する。このため、光の反射率を効果的に低下させることができる。第２の凸部１６０の形状は例えば略角錐（多角錐を含む）であってもよい。
【０１０９】
第２の凸部１６０の形状は、略錐体に限られない。第２の凸部１６０の形状は、例えば、円錐または角錐の先端（頂点）が丸みを帯びている形状であってもよい。第２の凸部１６０の形状は、例えば、略円柱または略角柱（多角柱を含む）であってもよい。第２の凸部１６０が角柱形状であるときは、第２の凸部１６０のフォトルミネッセンス層１１０の法線を含む断面の形状が矩形である（例えば図３３（ｃ）参照）。第２の凸部１６０の形状は、例えば、円錐からまたは角錐から、先端部分（即ち、頂点を含む部分）を切り取った形状（つまり円錐台または角錐台）であってもよい。下記実施の形態２の発光素子の第１の凸部の形状として説明するように、第２の凸部１６０の形状は、テーパー形状であってもよい。これらの形状を有する第２の凸部１６０によっても、反射率を低減させることができる。
【０１１０】
第２の凸部１６０は、周期的に配置されていてもよいし、不規則に配置されていてもよい。複数の第２の凸部１６０の一部が周期構造を構成していてもよい。
【０１１１】
複数の第２の凸部１６０は、発光素子１１００内に形成される擬似導波モードには影響を与えずに、発光素子１１００の指向性および発光効率を向上させることができると考えられる。フォトルミネッセンス層１１０の表面に複数の第２の凸部１６０を有しても、フォトルミネッセンス層１１０が発する光が、フォトルミネッセンス層１１０から発光素子１１００の外部（例えば空気中）に出射するときの臨界角は変化しないからである。
【０１１２】
複数の第２の凸部１６０は、フォトルミネッセンス層１１０が発する光の空気中の波長よりも小さい周期Ｄint2を有する。ここで、複数の第２の凸部１６０の周期Ｄint2は、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の面に平行な面内において、隣接する第２の凸部１６０間の距離をいう。第２の凸部１６０のサイズＡは、第２の凸部１６０の周期Ｄint2と同じであってもよい（例えば図３３（ａ）または図３３（ｂ）参照）。第２の凸部１６０のサイズＡは、第２の凸部１６０の周期Ｄint2より小さくてもよい（例えば図３３（ｃ）参照）。第２の凸部１６０のサイズＡは、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の面に平行な面内における、第２の凸部１６０のサイズ（例えば、第２の凸部１６０の底面が略円である場合はその直径、第２の凸部１６０の底面が矩形である場合はその一辺の長さ）である。
【０１１３】
複数の第２の凸部１６０の周期Ｄint2は、例えば、フォトルミネッセンス層１１０が発する光のうち、第１の光の空気中の波長のλaよりも小さいことが望ましい。光の空気中の波長と同程度よりも大きい周期を有する複数の第２の凸部１６０は、回折光を生じさせ得る。さらに、回折光の発生を抑制するために、複数の第２の凸部１６０の周期Ｄint2は、例えば、λa／２以下に設定することがより望ましい。具体的には、第１の光の空気中での波長λaが例えば６１０ｎｍである場合、複数の第２の凸部１６０の周期Ｄint2は、例えば５０ｎｍ以上３０５ｎｍ以下に設定され得る。周期Ｄint2が５０ｎｍ未満であると、複数の第２の凸部１６０の加工が容易でないことがある。
【０１１４】
複数の第２の凸部１６０の高さｈ２は、例えば５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下に設定され得る。第２の凸部１６０の高さｈ２は、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向における高さである。複数の第２の凸部１６０の高さｈ２は、複数の第１の凸部の高さまたは複数の第１の凹部の深さを１とすると、例えば１以上２以下に設定されることが望ましい。複数の第２の凸部１６０の高さｈ２が大きいほど、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に沿って実効屈折率を緩やかに変化させることができる。従って、複数の第２の凸部１６０の高さｈ２が大きいほど、フォトルミネッセンス層１１０の表面での反射率を低下させ得る。複数の第２の凸部１６０の高さｈ２は、例えば５０ｎｍ以上である。ただし、複数の第２の凸部１６０の高さｈ２が大きい場合は、複数の第２の凸部１６０の加工が容易でないことおよび／または第２の凸部１６０の強度が小さくなる（即ち、形状を維持しにくくなる）ことがある。また、後述のナノインプリントなどの方法の適用が困難となる。したがって、第２の凸部１６０の高さｈ２は例えば３００ｎｍ以下であることが望ましい。
【０１１５】
複数の第２の凸部１６０は、例えば、半導体プロセスや、ナノインプリントなどを用いた転写プロセスによって作製することができる。複数の第２の凸部１６０の作製方法は特定の方法に限定されず、公知のどのような方法を用いてもよい。
【０１１６】
発光素子１１００は、例えば、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０を支持する透明基板１４０をさらに有してもよい。図３１は、透光層１２０と透明基板１４０とが一体に設けられた構成を示している。この構成例では、透光層１２０と透明基板１４０とが同一の材料で一体的に形成されている。しかし、当然、透光層１２０と透明基板１４０が別に設けられていてもよい。他の実施形態においても同様である。透明基板１４０は、例えば、石英から形成される。透明基板１４０は、省略され得る。
【０１１７】
第１の凸部１２１ａ（および／または第１の凹部１２１ｂ）が形成する周期構造による指向性、発光効率、偏光度および波長選択性の効果を有効に活用するためには、第２の凸部１６０は、１つの周期構造のみを構成しないことが望ましい。例えば、第２の凸部１６０は、互いに異なる周期を有する複数の周期構造を有してもよい。あるいは、第２の凸部１６０は、不規則に配置されていてもよい。
【０１１８】
また、第２の凸部１６０は、第１の凸部１２１ａ（および／または第１の凸部１２１ｂ）と、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向から見たときの位置を一致させる必要はない。図３１（ａ）中の点線は、第２の凸部１６０、第１の凸部１２１ａおよび第１の凸部１２１ｂの、それぞれの、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向から見たときの中心線を示す。第２の凸部１６０の中心線は、第１の凸部１２１ａ（および／または第１の凸部１２１ｂ）の中心線と、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向から見たときの位置を一致させる必要はない。例えば、複数の第２の凸部１６０のうち、少なくとも一部について、第１の凸部１２１ａ（および／または第１の凸部１２１ｂ）と中心線の位置がずれていればよい。
【０１１９】
本発明者らは、第２の凸部の効果について、計算を行い検証した。すなわち、発光素子が第２の凸部を有すると、発光素子の正面方向から出射される光の透過率が増加することによって、発光素子の発光効率が向上することを検証した。
【０１２０】
図３１（ｂ）は、正面の射出方向から波長λ（μｍ）の励起光を入射させたときの、フォトルミネッセンス層１１０内における電場の強さを計算し、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。計算された光の増強度が大きいほど、発光素子は優れた発光効率を有する。計算には、発光素子１１００（図３１（ａ）参照）に対応するモデルを使用した。実施例のモデルにおいて、フォトルミネッセンス層１１０の厚さは１６３ｎｍとし、第２の凸部１６０の高さは１００ｎｍとした。フォトルミネッセンス層１１０の厚さおよび第２の凸部１６０の高さは、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向における長さである。比較例として、第２の凸部が設けられていないモデルにおいても同じ計算を行った。比較例のモデルにおいて、フォトルミネッセンス層１１０の厚さは２００ｎｍである。この厚さは、実施例と比較例との間で、光の増強度が最大になる波長が一致するように、決定された値である。図３１（ｂ）の計算結果から、第２の凸部がある場合は、比較例に比べて光の増強度が増加していることが分かる。すなわち、発光素子が第２の凸部を有することにより、発光素子の発光効率が向上することが分かる。
【０１２１】
次に、図３２を参照して、実施の形態１の他の発光素子１２００を説明する。図３２は、発光素子１２００を模式的に示す断面図である。
【０１２２】
図３２に示すように、発光素子１２００において、透光層１２０はフォトルミネッセンス層１１０上に設けられ、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の上に複数の第２の凸部１６０が設けられている。発光素子１２００は、上記点を除いて発光素子１１００と同じであってよい。図３２は、透光層１２０とフォトルミネッセンス層１１０が一体に設けられた構成を示している。この構成例では、透光層１２０とフォトルミネッセンス層１１０とが同一の材料で一体的に形成されている。しかし、当然、透光層１２０とフォトルミネッセンス層１１０が別に設けられていてもよい。他の実施形態においても同様である。
【０１２３】
複数の第２の凸部１６０は、例えば、図３２に例示するように、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の表面に設けられている。複数の第２の凸部１６０は、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０に直接接していなくてもよい。例えば、複数の第２の凸部１６０と、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０との間に、別の層が設けられていてもよい。
【０１２４】
発光素子１２００は、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の表面に、複数の第２の凸部１６０を有する。このため、フォトルミネッセンス層１１０が発する光の、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の透過率が増加する。発光素子１２００では、指向性および発光効率がより向上され得る。
【０１２５】
図３３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、発光素子１２００の断面の拡大図の一例を模式的に表した図である。図３３（ａ）は、サブミクロン構造が有する第１の凸部１２１ａおよび第１の凹部１２１ｂと、第２の凸部１６０とを示す。図３３（ａ）に示すように、サブミクロン構造は、第１の凸部１２１ａと第１の凹部１２１ｂとを有する。第１の凸部１２１ａの高さまたは第１の凹部１２１ｂの深さはｈである。これらはフォトルミネッセンス層１１０の法線方向における距離である。第１の凸部１２１ａおよび第１の凹部１２１ｂの表面に、第２の凸部１６０が設けられている。第２の凸部１６０は、サイズＡおよび高さｈ２を有する。第２の凸部１６０は、周期構造を構成し、その周期Ｄint2は第２の凸部１６０のサイズＡと一致していてもよい。図３３（ｂ）に示すように、第２の凸部１６０の代わりに、サイズＡおよび深さｈ２を有する第２の凹部１６０ｂが、第１の凸部１２１ａおよび第１の凹部１２１ｂの表面に設けられていてもよい。また、第２の凸部１６０は、フォトルミネッセンス層１１０の法線を含む断面において、図３３（ａ）または（ｂ）に示すように三角形状であってもよいし、図３３（ｃ）に示すように矩形状であってもよい。第２の凸部１６０は、第１の凸部１２１ａの表面のみに設けられていてもよいし、第１の凹部１２１ｂの表面のみに設けられていてもよい。第２の凸部１６０は、発光素子の指向性および発光効率をより向上させるためには、第１の凸部１２１ａおよび第１の凹部１２１ｂの両方の表面に設けられていることが望ましい。
【０１２６】
実施の形態１の発光素子は、上記の例に限られない。図３４（ａ）および（ｂ）を参照して、実施の形態１のさらに他の発光素子１３００および発光素子１４００を説明する。図３４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、発光素子１３００および発光素子１４００を模式的に示す断面図である。
【０１２７】
図３４（ａ）に示す発光素子１３００のように、透光層１２０がサブミクロン構造を有していてもよい。図３４（ｂ）に示す発光素子１４００のように、フォトルミネッセンス層１１０の両側に透光層１２０を有していてもよい。発光素子１３００および発光素子１４００は、それぞれ、上記点を除いて、発光素子１１００または発光素子１２００と同じであってよい。
【０１２８】
発光素子１３００および発光素子１４００は、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の少なくとも一方の表面に、複数の第２の凸部１６０を有する。このため、フォトルミネッセンス層１１０が発する光の、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の透過率が増加する。発光素子１３００および発光素子１４００においては、指向性および発光効率が向上し得る。
【０１２９】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２を説明する。実施の形態２の発光素子では、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部の側面の少なくとも一部が、フォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜している。複数の第１の凸部の、フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい。実施の形態２の発光素子は、上記点を除いて、上述した実施形態の構造のいずれかと同じであってもよいし、本開示の実施形態による発光素子のいずれか複数を組み合わせた構成であってもよい。
【０１３０】
図３５（ａ）を参照して、実施の形態２による発光素子１５００を説明する。図３５（ａ）は、発光素子１５００の模式的な断面図である。
【０１３１】
発光素子１５００は、フォトルミネッセンス層１１０と、フォトルミネッセンス層１１０に近接して配置された透光層１２０と、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の少なくとも一方に形成され、フォトルミネッセンス層１１０または透光層１２０の面内に広がるサブミクロン構造とを有する。サブミクロン構造は、複数の第１の凸部１２１ａまたは複数の第１の凹部１２１ｂを含む。隣接する第１の凸部間１２１ａまたは隣接する第１の凹部１２１ｂ間の距離をＤintとする。フォトルミネッセンス層１１０が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含む。第１の光に対するフォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎwav-aとする。これらの間には、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。
【０１３２】
発光素子１５００の第１の凸部１２１ａまたは第１の凹部１２１ｂは、いわゆるテーパー形状を有する。ここで、第１の凸部１２１ａについてテーパー形状とは、第１の凸部１２１ａの側面の少なくとも一部が、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に対して傾斜し、第１の凸部１２１ａの、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に垂直な断面の面積が、フォトルミネッセンス層１１０に最も近い断面において最も大きいことをいう。第１の凹部１２１ｂについてテーパー形状とは、第１の凹部１２１ｂの側面の少なくとも一部が、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に対して傾斜し、第１の凹部１２１ｂの、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に垂直な断面の面積が、フォトルミネッセンス層１１０に最も近い断面において最も小さいことをいう。このような第１の凸部１２１ａまたは第１の凹部１２１ｂにより、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に沿って、フォトルミネッセンス層１１０が発する光に対する実効屈折率を緩やかに変化させるという効果が得られる。これは、上記実施の形態１の発光素子が有する複数の第２の凸部と同様の原理による。上記効果を実現するためには、例えば、第１の凸部１２１ａの屈折率は、第１の凹部１２１ｂの屈折率よりも高く設定される。
【０１３３】
発光素子１５００は、例えば、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０を支持する透明基板１４０をさらに有する。発光素子１５００において、透明基板１４０とフォトルミネッセンス層１１０との間に透光層１２０が設けられている。励起光は、例えば発光素子１５００の透明基板側から入射される。
【０１３４】
発光素子１５００は、フォトルミネッセンス層１１０と透明基板１４０（発光素子１５００が透明基板を有しない場合は、例えば空気等、発光素子１５００の外部）との間で、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に沿ったフォトルミネッセンス層１１０が発する光に対する実効屈折率の変化が緩やかになる。従って、透明基板１４０側から入射される励起光の反射率を低下させることができる。発光素子１５００においては、励起光が効率よくフォトルミネッセンス層１１０に導かれるので、指向性および発光効率が向上し得る。
【０１３５】
発光素子１５００は、例えば、以下のように製造される。透明基板（例えば石英基板）を用意し、透明基板にエッチングを施すことにより所定の形状（パターン）を形成した後、透明基板上に発光材料を堆積させることで製造される。この場合、第１の凸部１２１ａは、フォトルミネッセンス層１１０と同じ材料から形成され、第１の凹部１２１ｂは、透明基板１４０と同じ材料から形成される。第１の凸部１２１ａは、フォトルミネッセンス層１１０と異なる材料から形成されてもよい。第１の凹部１２１ｂは、透明基板１４０と異なる材料から形成されてもよい。透明基板１４０が省略される場合には、第１の凹部１２１ｂは空気層であってもよい。
【０１３６】
実施の形態２の発光素子は、発光素子１５００に限られない。図３５（ｂ）を参照して、実施の形態２の他の発光素子１６００を説明する。図３５（ｂ）は、発光素子１６００の断面図である。発光素子１６００は、フォトルミネッセンス層１１０上に透光層１２０が設けられている点において、発光素子１５００と異なる。発光素子１６００は、上記点を除いて、発光素子１５００と同じであってよい。発光素子１６００には、例えば、透光層１２０側から励起光が入射されてもよい。
【０１３７】
発光素子１６００は、テーパー形状を有する第１の凸部１２１ａにより、発光素子１６００の上から（透光層１２０側から）入射される励起光の反射率が低減される。発光素子１６００においては、励起光が効率よくフォトルミネッセンス層１１０に導かれるので、指向性および発光効率が向上し得る。さらに、発光素子１６００の第１の凸部１２１ａは、フォトルミネッセンス層１１０が発する光の出射効率を向上させる効果も有し得る。
【０１３８】
図３６（ｂ）〜（ｅ）は、サブミクロン構造の、フォトルミネッセンス層１１０の法線を含む面内における断面形状の例を示す図である。図３６（ａ）は、比較のために、テーパー形状でない第１の凸部１２１ａを有するサブミクロン構造を示している。図３６（ａ）〜（ｅ）において、サブミクロン構造は、第１の凸部１２１ａおよび第１の凹部１２１ｂが交互に設けられた周期構造を有する。図示する例においては、サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層１１０の法線を含む断面において、第１の凸部１２１ａの面積および第１の凹部１２１ｂの面積が等しい形状である。以下では簡単のために、第１の凸部１２１ａの形状について説明するが、第１の凹部１２１ｂの形状についても同様である。
【０１３９】
図３６（ｂ）に示すように、フォトルミネッセンス層１１０の法線を含む面内において、第１の凸部１２１ａの形状は、例えば等脚台形である。第１の凸部１２１ａの側面は、フォトルミネッセンス層１１０の面に対して角度θ傾斜している。角度θは９０°未満である。第１の凸部１２１ａの高さｈは、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向における高さである。図３６（ｃ）〜（ｅ）に示すように、第１の凸部１２１ａの側面の少なくとも一部は、曲線を有していてもよい。図３６（ｃ）は、第１の凸部１２１ａの側面の下部が湾曲した構造を示している。図３６（ｄ）は、第１の凸部１２１ａの側面の上部が湾曲した構造を示している。図３６（ｅ）は、第１の凸部１２１ａの側面の上部および下部の両方が湾曲した構造を示している。ここで「上部」とは、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向において、フォトルミネッセンス層１１０から遠い部分であり、「下部」とは、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向において、フォトルミネッセンス層１１０に近い部分である。
【０１４０】
図３６（ｆ）は、発光素子１６００の模式的な斜視図の一例を示す。サブミクロン構造は、図３５（ｂ）に例示される、第１の凸部１２１ａおよび第１の凹部１２１ｂを含むものに限られない。図３６（ｆ）に例示されるように、サブミクロン構造は、透光層１２０内に点在する複数の第１の凹部１２１ｂによって形成されてもよい。
【０１４１】
本発明者らは、第１の凸部がテーパー形状を有する効果について、計算を行い検証した。
【０１４２】
まず、第１の凸部がテーパー形状であることにより、フォトルミネッセンス層が発する光が効率よく出射されることを検証した。結果を図３７に示して説明する。
【０１４３】
図３７（ａ）および（ｃ）は、計算を行ったモデルを説明するための図である。図３７（ｂ）および（ｄ）は、それぞれ、図３７（ａ）および（ｃ）のモデルに、正面方向から（即ち、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０に垂直に）波長λ（μｍ）の励起光を入射させたときの、フォトルミネッセンス層１１０内における電場の強さを計算し、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。計算された光の増強度が大きいほど、発光素子は優れた発光効率を有する。
【０１４４】
図３７（ａ）のモデルは、発光素子１５００に相当する。フォトルミネッセンス層１１０および透明基板１４０の間に透光層１２０が設けられている。フォトルミネッセンス層１１０の屈折率は１．８であり、透明基板１４０の屈折率は１．４６である。第１の凸部１２１ａは、フォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成され、第１の凹部１２１ｂは、透明基板１４０と同じ材料で形成されている。従って、第１の凸部１２１ａの屈折率は１．８であり、第１の凹部１２１ｂの屈折率は１．４６である。第１の凸部１２１ａおよび第１の凹部１２１ｂは、周期ｐが３８０ｎｍの周期構造を構成する。第１の凸部１２１ａの高さ（第１の凹部１２１ｂの深さ）ｈは８０ｎｍである。フォトルミネッセンス層１１０の厚さｈLは１５０ｎｍである。
【０１４５】
図３７（ｂ）は、第１の凸部１２１ａ（または第１の凹部１２１ｂ）の側面の傾斜角θ（°）を変えて、光の増強度を計算した結果を示す。計算においては、傾斜角θが変化しても、フォトルミネッセンス層１１０の法線を含む断面における第１の凸部１２１ａの面積は一定にした。傾斜角θが９０°から小さくなると、第１の凸部１２１ａはテーパー形状を有する。傾斜角θが小さくなると、光の増強度が大きくなり、フォトルミネッセンス層１１０の発光効率が向上することが分かる。
【０１４６】
図３７（ｃ）のモデルでは、第１の凸部１２１ａ（または第１の凹部１２１ｂ）は、テーパー形状ではなく、２層の積層構造の形状を有する。つまり、複数の第１の凸部１２１ａ（または複数の第１の凹部１２１ｂ）の側面は、階段状である。第１の凸部１２１ａの、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に垂直な断面の面積は、フォトルミネッセンス層１１０に最も近い断面において最も大きく、最も遠い断面において最も小さい。第１の凹部１２１ｂの、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に垂直な断面の面積は、フォトルミネッセンス層１１０に最も近い断面において最も小さく、最も遠い断面において最も大きい。第１の凸部１２１ａおよび／または第１の凹部１２１ｂの、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に垂直な断面の面積は、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に沿って、階段状に変化する。
【０１４７】
第１の凸部１２１ａ（または第１の凹部１２１ｂ）の形状を構成する２層は、フォトルミネッセンス層１１０に平行な面内での大きさが異なり、２層の中心を一致させて重ねると、Δｗ（ｎｍ）のずれ（段差）が生じる。図３７（ｄ）は、段差Δｗ（ｎｍ）を変えて、光の増強度を計算した結果を示す。段差Δｗが変化しても、フォトルミネッセンス層１１０の法線を含む断面における第１の凸部１２１ａの面積は一定であるように設定した。段差がない場合は、図３７（ａ）における傾斜角θ＝９０°の場合と同じである。段差Δｗが大きくなると、光の増強度が大きくなり、フォトルミネッセンス層１１０の発光効率が向上することが分かる。第１の凸部１２１ａが、テーパー形状の代わりに、２層の積層構造の形状を有しても、テーパー形状と同様の効果が得られることが分かった。第１の凸部１２１ａが、３層以上の積層構造の形状であっても同様の効果が得られ得る。
【０１４８】
さらに、第１の凸部がテーパー形状であることにより、フォトルミネッセンス層が発する光が効率よく出射される範囲についてさらに検証した。結果を図３８に示して説明する。
【０１４９】
図３８は、発光素子１６００（図３５（ｂ）参照）に相当するモデルに、透光層１２０側から、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０に垂直に、波長６１２ｎｍの光を入射したときの透過率を測定した結果を示している。発光素子１６００の外部から、透光層１２０を透過しフォトルミネッセンス層１１０に入射した光の割合を計算した。この計算は、フォトルミネッセンス層１１０が発する光が透光層１２０を透過し、発光素子１６００の外部に出射される過程と逆の過程を計算していることになる。すなわち、計算された透過率が大きいほど、発光素子１６００は優れた発光効率を有する。図３７（ａ）のモデルと同様に、第１の凸部１２１ａは、周期ｐ＝３８０ｎｍの周期構造を有し、傾斜角θおよび高さｈを変えて計算を行った。第１の凸部１２１ａは、フォトルミネッセンス層１１０と同じ材料（屈折率は１．８）から形成されている。
【０１５０】
図３８に、計算した透過率を等高線でプロットしている。例えば傾斜角θ＝９０°において、高さｈが０．１４μｍより小さい領域では、高さｈの増加とともに透過率は減少し、高さｈ＝０．１４μｍとｈ＝０．２２μｍの間で透過率は極小値を取り、高さｈが０．２２μｍより大きい領域では高さｈの増加とともに透過率は増加している。図３８の斜線部は、第１の凸部１２１ａの形状が成り立たない領域であり、有効な結果を与えない。
【０１５１】
傾斜角θが９０°から小さくなると、透過率が増加する傾向にある。すなわち、第１の凸部１２１ａがテーパー形状を有することにより、フォトルミネッセンス層１１０が発する光が効率よく出射されることが分かる。特に、第１の凸部１２１ａの高さｈが約１００ｎｍ以上の場合、傾斜角θの減少により透過率が顕著に増加する。すなわち、第１の凸部１２１ａの高さｈが約１００ｎｍ以上の場合、第１の凸部１２１ａがテーパー形状を有することにより、フォトルミネッセンス層１１０が発する光の発光効率が大きく向上し得る。これに比べて、第１の凸部１２１ａの高さｈが約１００ｎｍ以下である場合は、傾斜角θの変化に対して、透過率はあまり変化しない。
【０１５２】
上記の検証により、第１の凸部がテーパー形状を有することにより、フォトルミネッセンス層が発する光が効率よく出射され、発光素子の発光効率および指向性が向上することが確かめられた。第１の凸部の側面の傾斜角θは、その製造工程における誤差によって、９０°から減少することがある。また、第１の凸部をナノインプリントにより形成する場合、離型をスムーズに行うために、型に抜き勾配を設けることがある。これらの場合において、第１の凸部がテーパー形状を有するので、発光素子が上記効果を有する場合があると考えられる。
【０１５３】
（実施の形態３）
実施の形態３の発光素子を説明する。実施の形態３の発光素子において、複数の第１の凸部または複数の第１の凹部の、フォトルミネッセンス層の法線方向から発光素子に入射する光を受光する面は、フォトルミネッセンス層１１０に平行な面から傾斜している。実施の形態３の発光素子は、上記点を除いて、上述した実施形態の構造のいずれかと同じであってもよい。実施の形態３の発光素子は、上記点を除いて、本開示の実施形態による発光素子のいずれか複数を組み合わせた構成であってもよい。
【０１５４】
図３９（ａ）を参照して、実施の形態３の発光素子１７００を説明する。図３９（ａ）は、発光素子１７００の模式的な断面図である。
【０１５５】
発光素子１７００は、フォトルミネッセンス層１１０と、フォトルミネッセンス層１１０に近接して配置された透光層１２０と、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の少なくとも一方に形成され、フォトルミネッセンス層１１０または透光層１２０の面内に広がるサブミクロン構造とを有する。サブミクロン構造は、複数の第１の凸部１２１ａまたは複数の第１の凹部１２１ｂを含む。隣接する第１の凸部１２１ａ間の距離または隣接する第１の凹部１２１ｂ間の距離をＤintとする。フォトルミネッセンス層１１０が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含む。第１の光に対するフォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎwav-aとする。これらの間には、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。複数の第１の凸部１２１ａまたは複数の第１の凹部１２１ｂの、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向から発光素子１７００に入射する光を受光する面は、フォトルミネッセンス層１１０に平行な面からθB傾斜している。傾斜角θBは、例えば、それぞれの第１の凸部１２１ａまたは第１の凹部１２１ｂについて同じである。
【０１５６】
発光素子１７００において、複数の第１の凸部１２１ａおよび複数の第１の凹部１２１ｂを有するサブミクロン構造が、フォトルミネッセンス層１１０の法線を含む断面において、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に対して非対称である。発光素子１７００において、フォトルミネッセンス層１１０が発する光の指向強度が強い方向が、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向から傾けられ得る。発光素子１７００は、光の指向強度を強めたい方向やフォトルミネッセンス層１１０が発する光の波長に応じてθBを調整することで、指向性および発光効率を制御することが可能である。傾斜角θBは、例えば、１０°〜６０°である。
【０１５７】
図３９（ａ）に示すように、発光素子１７００が有する第１の凸部の形状は、フォトルミネッセンス層１１０の法線を含む断面において例えば鋸状である。このような形状は、例えばブレーズド回折格子において用いられている。
【０１５８】
図４０を参照して説明するように、透過型ブレーズド回折格子は、入射した光の、回折格子による屈折後の進行方向と、任意の次数の回折光の方向とを一致させることによって、取り出したい次数の回折光の強度を強めることができる。
【０１５９】
図４０に、透過型ブレーズド回折格子の模式的な断面図を示す。回折格子の溝は鋸状であり、回折格子法線の方向から入射された光を受光する面がθB傾斜している。屈折率ｎiの回折格子内に平行光線（空気中の波長はλ）が入射され、回折格子の外部（屈折率ｎo）に出射されるとき、回折光が得られる条件は、
Ｄint×ｎi×ｓｉｎθi−Ｄint×ｎo×ｓｉｎθo＝ｍλ            （１８）
である。ここで、Ｄintは回折格子の周期（隣接する溝間の間隔）であり、θiは入射角であり、θoは出射角であり、ｍは回折次数を示す整数である。入射角θiは、入射光の回折格子法線に対する角度であり、出射角θoは、出射光の回折格子法線に対する角度である。一方で、回折格子のθB傾斜した面における屈折条件は、スネルの法則より、
ｎi×ｓｉｎθ’i＝ｎo×ｓｉｎθ’o                            （１９）
である。ここで、θ’iおよびθ’oは、回折格子法線に対してθB傾斜した線に対する角度である。式（１９）に表された屈折光を、式（１８）の回折光のうち強めたい次数ｍの回折光と一致させることにより、ある特定の方向の光のみを強めることができる。
【０１６０】
ブレーズド回折格子と同様の原理により、発光素子１７００は、任意の方向に出射する光を強め、指向性を強めることができる。フォトルミネッセンス層１１０が発する光の波長に応じて、複数の第１の凸部の形状を調節することで、指向性が強められ得る。指向性を強めた方向以外の方向に出射する光の割合を減らすことができるので、発光効率を向上させることができる。発光素子１７００は、指向性および発光効率を向上させることおよび／または制御することができる。
【０１６１】
次に、図３９（ｂ）を参照して、発光素子１７００と同様の効果が得られ得る発光素子１８００を説明する。図３９（ｂ）は発光素子１８００の模式的な断面図である。
【０１６２】
図３９（ｂ）に示すように、発光素子１８００の第１の凸部１２１ａは、フォトルミネッセンス層１１０の法線を含む断面において、複数の段を含む階段状である。第１の凸部１２１ａを構成する複数の段のそれぞれは、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に垂直な断面において、フォトルミネッセンス層１１０に最も近い段の面積が最も大きく、フォトルミネッセンス層１１０から最も遠い段の面積が最も小さい。第１の凸部１２１ａは、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に垂直な断面において、フォトルミネッセンス層１１０に最も近い断面の面積が最も大きい。
【０１６３】
このような形状の第１の凸部１２１ａによっても、階段の段数が多くなれば、鋸状の第１の凸部１２１ａを有する発光素子１７００と同様の効果が得られる。発光素子１８００の第１の凸部１２１ａは、発光素子１７００の第１の凸部１２１ａと比べて、製造プロセスが容易である。発光素子１８００の第１の凸部１２１ａは、例えば、フォトリソグラフィプロセスを含む公知の半導体プロセスによって、形成される。発光素子１８００の第１の凸部１２１ａは、例えば、後述するように、型（スタンパ）を用いた転写法により形成されてもよい。
【０１６４】
図３９（ｂ）には段数が４の場合を例示するが、段の数Ｎは、これに限定されない。各段の高さは、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。例えば、それぞれの段の高さΔｈは、第１の凸部１２１ａの高さｈをＮ−１等分した高さ（ｈ／（Ｎ−１））である。隣接する段の面積の差は、例えば、同じであってもよい。理論的には、段数が無限大で、発光素子１７００の第１の凸部１２１ａと同等であり、段数の増加とともに、発光素子１７００の第１の凸部１２１ａの光学的効果に近付くと考えられる。一方で、段数が増えれば、製造工程および製造コストが増加する。段数は、例えば４段〜８段である。以下で説明する型を用いた転写法が用いられる場合には、段数は、例えば偶数である。
【０１６５】
発光素子１８００の第１の凸部１２１ａを形成するための型１０の製造方法について、図４１（ａ）〜図４１（ｅ）を参照して説明する。図４１（ａ）〜図４１（ｅ）は、それぞれ、発光素子１８００の第１の凸部１２１ａを形成するための型１０の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【０１６６】
まず、図４１（ａ）に示すように、基板１１の上にレジスト層１２を形成する。レジスト層１２は、例えば、基板１１の全面に公知のレジスト材料を塗布することによって形成される。
【０１６７】
次に、図４１（ｂ）に示すように、公知のフォトリソグラフィプロセスにより、レジスト層１２を所定の形状（パターン）に加工する。電子線リソグラフィ（ＥＢリソグラフィ）を用いてもよい。レジスト層１２は、例えば、周期構造を有するように加工される。例えば、基板１１と平行な面において、レジスト層１２が存在する領域と存在しない領域とは同じ面積を有し、両領域は交互に形成される。
【０１６８】
次に、図４１（ｃ）に示すように、パターン化されたレジスト層１２をマスクとして、基板１１のエッチングを行う。典型的には、異方性ドライエッチングを行う。例えば、基板１１のうち、図４１（ｂ）においてレジスト層１２が存在しない領域が、エッチングされる。エッチングされる深さをΔｄとする。エッチング後、レジスト層１２を除去する。
【０１６９】
次に、再び、基板１１の全面にレジスト層１２を形成する。図４１（ｄ）に示すように、レジスト層１２を所定の形状（パターン）に加工する。図４１（ｂ）の工程と同様に、フォトリソグラフィまたは電子線リソグラフィが用いられる。典型的には、図４１（ｄ）の工程で形成されるレジスト層１２のパターン（周期構造）の周期は、図４１（ｂ）の工程における周期の２倍である。
【０１７０】
次に、図４１（ｅ）に示すように、パターン化されたレジスト層１２をマスクとして、基板１１のエッチングを行う。図４１（ｃ）の工程と同様に、典型的には、異方性ドライエッチングを行う。例えば、基板１１のうち、図４１（ｄ）においてレジスト層１２が存在しない領域が、エッチングされる。典型的には、エッチングされる深さは、図４１（ｃ）の工程でエッチングされる深さの２倍（２Δｄ）である。エッチング後、レジスト層１２を除去する。
【０１７１】
以上の製造工程により、発光素子１８００の第１の凸部１２１ａを形成するための型１０が製造される。図４１（ｅ）の型１０を用いた転写法により形成した第１の凸部は、図３９（ｂ）に例示される発光素子１８００の第１の凸部１２１ａのように、４段を有する。型１０におけるエッチングの深さΔｄは、例えば、第１の凸部１２１ａのそれぞれの段の高さΔｈに相当し得る。上記の型の製造工程によると、エッチングの回数よりも多い数の段を有する型を作成することができる。典型的には、段の数はエッチングの回数の２倍である。
【産業上の利用可能性】
【０１７２】
本開示の発光素子によれば、指向性を有する発光装置を実現できるため、例えば、照明、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスに適用可能である。
【符号の説明】
【０１７３】
１００、１００ａ、１１００〜１８００    発光素子
１１０    フォトルミネッセンス層（導波路）
１２０、１２０’、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ    透光層（周期構造、サブミクロン構造）
１２１ａ    第１の凸部
１４０    透明基板
１５０    保護層
１６０    第２の凸部
１８０    光源
２００    発光装置
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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