(57)【要約】【課題】発光面からの光が特定方向、特に法線方向に集中する発光ダイオード素子を提供すること。【解決手段】光出射面の電極１０６以外の部分の面上に、金属からなる金属層２００が積層された発光ダイオード素子であって、金属層２００は、下記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に変化した構造を有する発光ダイオード素子。2009239217.tif 000011［式中、ｍは自然数を、ｋｓｐは表面プラズモンの波数を、ωは振動数を、ｃは真空中の光速を、εｍは金属の複素誘電率を、εｄは空気の誘電率を、それぞれ示す。］【選択図】図３
2009239217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光出射面の電極以外の部分の面上に、金属からなる金属層が積層された発光ダイオード素子であって、
前記金属層は、下記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に変化した構造を有する発光ダイオード素子。
【数１】
2009239217.tif 000009
［式中、ｍは自然数を、ｋｓｐは表面プラズモンの波数を、ωは振動数を、ｃは真空中の光速を、εｍは前記金属の複素誘電率を、εｄは空気の誘電率を、それぞれ示す。］
【請求項２】
前記金属層は前記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期の周期的凹凸構造を有する、請求項１に記載の発光ダイオード素子。
【請求項３】
前記金属層は前記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に形成された孔を有する、請求項１に記載の発光ダイオード素子。
【請求項４】
光出射面の電極以外の部分の面上に、金属からなる金属層、及び誘電体からなる誘電体層が積層された発光ダイオード素子であって、
前記金属層及び前記誘電体層の少なくとも一方は、下記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に変化した構造を有する発光ダイオード素子。
【数２】
2009239217.tif 000010
［式中、ｍは自然数を、ｋｓｐは表面プラズモンの波数を、ωは振動数を、ｃは真空中の光速を、εｍは前記金属の複素誘電率を、εｄは前記金属層の光出射面に接する物質の誘電率を、それぞれ示す。］
【請求項５】
前記光出射面の電極以外の部分の面上に、前記金属層及び前記誘電体層がこの順で積層されており、
前記金属層は、前記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期の周期的凹凸構造を有する、請求項４に記載の発光ダイオード素子。
【請求項６】
前記光出射面の電極以外の部分の面上に、前記金属層及び前記誘電体層がこの順で積層されており、
前記誘電体層は、前記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期の周期的凹凸構造を有する、請求項４に記載の発光ダイオード素子。
【請求項７】
前記光出射面の電極以外の部分の面上に、前記誘電体層及び前記金属層がこの順で積層されており、
前記金属層及び前記誘電体層は、これらの層を貫通する、前記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に形成された孔を有する、請求項４に記載の発光ダイオード素子。
【請求項８】
前記誘電体層は第１誘電体層及び第２誘電体層を有し、
前記光出射面の電極以外の部分の面上に、前記第１誘電体層、前記金属層及び前記第２誘電体層がこの順で積層されており、
前記第１誘電体層、前記金属層及び前記第２誘電体層のうち少なくとも１層は、前記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に変化した構造を有する、請求項４に記載の発光ダイオード素子。
【請求項９】
前記第２誘電体層は、前記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期の周期的凹凸構造を有する、請求項８に記載の発光ダイオード素子。
【請求項１０】
前記第１誘電体層及び前記金属層は、前記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期の周期的凹凸構造を有する、請求項８に記載の発光ダイオード素子。
【請求項１１】
前記第１誘電体層及び前記金属層は、これらの層を貫通する、前記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に形成された孔を有する、請求項８に記載の発光ダイオード素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）素子は、近年の技術革新によって、その出力が５Ｗ以上に達するまでに改良されている。このＬＥＤ素子は、小型・長寿命・高効率の観点で従来の光源を凌ぐ性能を有しており、従来広く用いられている白熱灯、ハロゲン・キセノンランプ等の黒体輻射や希薄気体の放射現象を利用する照明装置の一部を代替するに至っている。
【０００３】
ＬＥＤ素子からの発光は、通常ランバート分布と呼ばれる放射強度分布を示す。図１に示すように、ランバート分布では、ＬＥＤ素子１から出射された光が、矢印２の長さに比例した強度をＬＥＤ素子１の発光面の法線方向からθ傾いた方向に示す。このような放射強度分布を持つＬＥＤ素子は、比較的広い領域を照らし、全光束を必要とする用途、例えば室内照明等に適している。
【０００４】
一方、顕微鏡等の照明光学系や液晶プロジェクタ等の投影光学系等の、特定の照野を均一に照明し、像を観察又は投影する装置においても、従来の白熱灯やハロゲン・キセノンランプ等の管球状発光素子を、小型・長寿命・高効率の観点で優れるＬＥＤ素子に置き換える動きが進んでいる。
【０００５】
上述のようにＬＥＤ素子の発光は、ランバート分布を示すため、特定の照野を均一に照らす用途でＬＥＤ素子を用いる場合には、ＬＥＤ素子の後段にその発光した光を所望の分布にするために、レンズ、プリズム、鏡、絞り等で構成される光学系が配置される。例えば、特許文献１では、ＬＥＤ素子の後段にコンデンサーレンズ系等の光学系を配置した、プロジェクタ装置等の画像表示装置が提案されている。
【特許文献１】特開２００８−３２９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のようにＬＥＤ素子の後段に光学系を配置する方法では、光学系が取り込むことのできる開口数（ＮＡ）以上の光は照野に到達せず、必ずしも効率的とは言えない。また、ＬＥＤ素子の後段に複数の光学系を配置するために、装置の小型化にも限界がある。
【０００７】
このような事情から、発光面からの光が特定方向に集中するＬＥＤ素子の開発が望まれている。発光面からの光が特定方向に集中するＬＥＤ素子によれば、特定の照野に到達しない光の量が減り、光の供給効率が向上するとともに、ＬＥＤ素子の後段に配置される光学系の多くを省略することが可能となり、装置のさらなる小型化にもつながる。
【０００８】
そこで本発明は、発光面からの光が特定方向、特に法線方向に集中するＬＥＤ素子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】
【０００９】
本発明は、下記［１］〜［１０］の発光ダイオード素子を提供する。
［１］  光出射面の電極以外の部分の面上に、金属からなる金属層が積層された発光ダイオード素子であって、金属層は、下記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に変化した構造を有する発光ダイオード素子。
【数１】
2009239217.tif 000003
［式中、ｍは自然数を、ｋｓｐは表面プラズモンの波数を、ωは振動数を、ｃは真空中の光速を、εｍは金属の複素誘電率を、εｄは空気の誘電率を、それぞれ示す。］
［２］  金属層は上記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期の周期的凹凸構造を有する、［１］に記載の発光ダイオード素子。
［３］  金属層は上記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に形成された孔を有する、［１］に記載の発光ダイオード素子。
［４］  光出射面の電極以外の部分の面上に、金属からなる金属層、及び誘電体からなる誘電体層が積層された発光ダイオード素子であって、金属層及び誘電体層の少なくとも一方は、下記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に変化した構造を有する発光ダイオード素子。
【数２】
2009239217.tif 000004
［式中、ｍは自然数を、ｋｓｐは表面プラズモンの波数を、ωは振動数を、ｃは真空中の光速を、εｍは金属の複素誘電率を、εｄは金属層の光出射面に接する物質の誘電率を、それぞれ示す。］
［５］  光出射面の電極以外の部分の面上に、金属層及び誘電体層がこの順で積層されており、金属層は、上記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期の周期的凹凸構造を有する、［４］に記載の発光ダイオード素子。
［６］  光出射面の電極以外の部分の面上に、金属層及び誘電体層がこの順で積層されており、誘電体層は、上記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期の周期的凹凸構造を有する、［４］に記載の発光ダイオード素子。
［７］  光出射面の電極以外の部分の面上に、誘電体層及び金属層がこの順で積層されており、金属層及び誘電体層は、これらの層を貫通する、上記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に形成された孔を有する、［４］に記載の発光ダイオード素子。
［８］  誘電体層は第１誘電体層及び第２誘電体層を有し、光出射面の電極以外の部分の面上に、第１誘電体層、金属層及び第２誘電体層がこの順で積層されており、第１誘電体層、金属層及び第２誘電体層のうち少なくとも１層は、上記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に変化した構造を有する、［４］に記載の発光ダイオード素子。
［９］  第２誘電体層は、上記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期の周期的凹凸構造を有する、［８］に記載の発光ダイオード素子。
［１０］  第１誘電体層及び金属層は、上記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期の周期的凹凸構造を有する、［８］に記載の発光ダイオード素子。
［１１］  第１誘電体層及び金属層は、これらの層を貫通する、上記式（２）で定義されるΛ±１０％の周期で周期的に形成された孔を有する、［８］に記載の発光ダイオード素子。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発光面からの光が特定方向、特に法線方向に集中するＬＥＤ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、場合により図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
【００１２】
まず、本発明のＬＥＤ素子との対比を目的として、従来のＬＥＤ素子を図２に基づいて説明する。なお、ＬＥＤ素子には、種々の発光色を持つものが知られているが、ここでは代表的な青色ＬＥＤ素子について説明する。
【００１３】
図２は、一般に上市されている青色ＬＥＤ素子の模式断面図である。この従来の青色ＬＥＤ素子は、サファイア基板１００、窒化ガリウム（ＧａＮ）バッファー層１０１、ｎ型ＧａＮ層１０２、窒化ガリウムインジウム（ＩｎＧａＮ）層又は多層量子井戸構造等の活性層１０３、ｐ型ＧａＮ層１０４がこの順で積層された構造を有している。ｎ型ＧａＮ層１０２には、負極となる電極１０５が、ｐ型ＧａＮ層１０４には正極となる電極１０６がそれぞれ設けられている。
【００１４】
バッファー層１０１及び電極１０５、１０６以外の層は、例えば、サファイア基板上へＭＯＣＶＤ法などの薄膜形成法により、エピタキシャルに結晶成長させることにより形成することができる。
【００１５】
このようなＬＥＤ素子によれば、活性層１０３においてｎ型ＧａＮ層１０２側から供給される電子とｐ型ＧａＮ層１０４側から供給される正孔（ホール）とが結合して発光する。この再結合過程は、活性層１０３内において位置及び時間とは無相関に発生する。そのため、このＬＥＤ素子の発光は非干渉性である。また、再結合によって発生する光は、双極子遷移による発光で近似できるため、再結合位置の近傍以外（例えば、発光面であるｐ型ＧａＮ層１０４の表層部など）では、球面波となっている。その結果として、従来のＬＥＤはランバート分布と呼ばれる放射強度分布（図１参照）を示す。
【００１６】
ｎ型ＧａＮ層１０２及びｐ型ＧａＮ層１０４は、正孔・電子の再結合をＬＥＤ素子の全域で発生させるために約１μｍ程度の厚みを持っている。また、これらの層はクラッド層と呼ばれ、正孔・電子を活性層１０３内に閉じ込める働きを持つ。発生した光は、これらのｎ型ＧａＮ層１０２及びｐ型ＧａＮ層１０４と活性層１０３との間の屈折率差が小さいことから、クラッド層内に進行する。
【００１７】
なお、ここではサファイア基板を用いた青色ＬＥＤ素子の一例について説明したが、もちろん従来のＬＥＤ素子には、この他にもいろいろなタイプのものがある。例えば、サファイア基板以外のＳｉＣ基板やＧａＮ基板等を用いたＬＥＤ素子や、サファイア基板から上の積層物を取り外し、金属基板上へ接合したＬＥＤ素子等が知られている。このようなＬＥＤ素子においては、電極１０５（負極）は最下層の基板の底面に設けられる場合が多い。
【００１８】
（実施形態１）
次に、本発明の好適な実施形態の一つである実施形態１について、図３に基づいて説明する。
【００１９】
図３は、実施形態１のＬＥＤ素子を表す模式断面図である。本実施形態のＬＥＤ素子は、ｐ型ＧａＮ層１０４の光出射面の電極１０６以外の部分の面上に、銀、アルミニウム等の金属からなる金属層２００が設けられている点以外は、図２に示した従来のＬＥＤ素子と同様の構造を有する。金属層２００は、ｐ型ＧａＮ層１０４の光出射面上の電極１０６とは電気的に絶縁され、且つ光出射面をできる限り広い範囲で覆うように設置することが好ましい。電極１０６は、電子・正孔再結合過程がＬＥＤ素子のできるだけ広い領域で生起するように、適当な配置及び形状を有するように形成されている。したがって、光の出射方向を制御するための金属層２００を、発光のための電極１０６とは別に形成することにより、高い発光効率と出射方向の制御とを両立させることが可能となる。
【００２０】
金属層２００は、周期的凹凸構造を有する。この周期的凹凸構造の周期は、表面プラズモン共鳴効果により、ＬＥＤ素子の発光面からの光が法線方向に集中するような周期であり、次のようにして求めることができる。
【００２１】
まず、金属層２００と発光素子の周りに存在する空気との界面２０１における、金属層２００の周期的凹凸構造に沿って発生する表面プラズモンの分散関係は、以下の式（１）によって表現される。
【００２２】
【数３】
2009239217.tif 000005
【００２３】
ここで、ｋｘは光の波数ベクトルのうち金属層２００と空気との界面２０１方向（ｘ方向と定義する）への射影成分の大きさであり、ｍは自然数であり、Ｇは周期構造を表す逆格子ベクトルの大きさである。逆格子ベクトルは一次元周期構造であれば、周期構造をなす溝状の構造に垂直で且つ界面方向を向き、周期Λを用いると、
【数４】
2009239217.tif 000006
の大きさを持つ。
【００２４】
また、ｋｓｐは表面プラズモンの波数であり、ωは振動数であり、ｃは真空中の光速であり、εｍは金属の複素誘電率であり、そして、εｄは金属層２００の光出射面に接する物質（本実施形態では空気）の誘電率である。
【００２５】
ここで、金属層２００における金属として銀を用いた場合の、表面プラズモンの分散関係を、図４に示す。ここで、εｍとして銀の複素誘電率をドルーデモデルにより近似したものを用い、εｄには空気の誘電率１を用いた。
【００２６】
活性層１０３において正孔・電子の再結合により発生した光は、全方位に向かって進行し、一部が金属層２００とｐ型ＧａＮ層１０４との界面に達する。この光は、金属層２００と空気との界面２０１において、図４で示した分散関係を持つ表面プラズモンを励起する。表面プラズモンの分散関係と波数ｋｘ＝０との交点が、励起光の振動数に位置するよう周期構造の周期Λを設計する。周期Λは、下記式（２）により決定することができる。
【００２７】
【数５】
2009239217.tif 000007
【００２８】
ここで、自然数ｍは１以外の高次の値であっても構わないが、励起光との結合効率を考慮すると、好ましくはｍ＝１である。
【００２９】
次に、周期Λの具体例について示す。ＬＥＤ素子の発光波長が４６０ｎｍであり、金属層２００が銀により構成されている場合には、ｍ＝１のとき、周期Λは４２３ｎｍとなる。一方、ＬＥＤ素子の発光波長が４６０ｎｍであり、金属層２００がアルミニウムにより構成されている場合には、周期Λは、４５３ｎｍとなる。
【００３０】
金属層２００の周期的凹凸構造の周期は、上述の周期Λであることが好ましいが、製造上の精度の問題などから、完全に周期Λに一致させることはが難しい場合には、Λ±１０％の範囲の周期であればよい。Λ±１０％の範囲は、出射光の角度の広がりに換算すると±９度程度に相当し、十分に平行な出射光を得ることができる。これは後述する実施形態２〜５のＬＥＤ素子の周期構造についても同様である。
【００３１】
なお、本実施形態では、青色ＬＥＤ素子に本発明を適用した場合について説明したが、赤色ＬＥＤ素子等の他の発光色を有するＬＥＤ素子に本発明を適用することも、もちろん可能である。赤色ＬＥＤ素子に本発明を適用する場合には、金属層２００は金により構成されることが好ましい。例えば、ＬＥＤ素子の発光波長が６４０ｎｍであり、金属層２００が金により構成されている場合には、ｍ＝１のとき、周期Λは６１１ｎｍとなる。
【００３２】
このような特定の周期の周期的凹凸構造を有するＬＥＤ素子によれば、表面プラズモンは空気中の伝播光とｋｘ＝０で結合する。これは、界面２０１内方向への波数成分を持たない光へと変換されることを意味する。すなわち、ＬＥＤ素子の発光面の法線方向（垂直方向）へと光の出射方向を限定することができる。
【００３３】
なお、本実施形態の周期的凹凸構造を有する金属層２００は、例えばｐ型ＧａＮ層１０４を直接エッチング加工して周期的凹凸構造を形成し、その上に銀等の金属を蒸着することにより形成することができる。
【００３４】
また、金属層２００は周期だけでなく、金属層２００の厚さｄ等をパラメータとする。金属層２００の厚さｄは、ＬＥＤ素子からの光を十分に透過するために、５０ｎｍ程度まで薄くすることが好ましい。
【００３５】
（実施形態２）
次に、本発明の好適な実施形態の一つである実施形態２について、図５に基づいて説明する。
【００３６】
図５は、実施形態２のＬＥＤ素子を表す模式断面図である。本実施形態のＬＥＤ素子は、金属層２００上に、さらに誘電体層３００が設けられている点以外は、図３に示したＬＥＤ素子と同様の構造を有する。
【００３７】
誘電体層３００は、例えば透明な樹脂（屈折率１．４から１．７）やシリカ（ＳｉＯ２）（屈折率１．５）等から構成される。
【００３８】
本実施形態において、誘電体層３００を設けることによる効果を以下に説明する。本実施形態のＬＥＤ素子によれば、発光した光が、金属層２００と誘電体層３００との界面２０１において表面プラズモンを励起するだけでなく、ｐ型ＧａＮ１０４と金属層２００との界面２０２においても表面プラズモンを励起する。
【００３９】
界面２０１において発生する表面プラズモンの波数をｋｓｐ１とし、界面２０２において発生する表面プラズモンの波数をｋｓｐ２とすると、以下の式（３）が成立する場合、すなわち共鳴透過条件が満たされる場合に、ｐ型ＧａＮ層１０４側から誘電体層３００へ光のエネルギーが効率よく透過される。
【００４０】
【数６】
2009239217.tif 000008
【００４１】
ここで、εｄ１は誘電体層３００における誘電体の誘電率であり、εｄ２はｐ型ＧａＮ層１０４におけるＧａＮの誘電率である。誘電体層３００として透明なシリカ（誘電率：２．２５）を使用し、金属層２００が銀により構成されている場合には、上記式（２）により、周期Λは２４８ｎｍとなる。
【００４２】
このとき、ｐ型ＧａＮ層１０４側にも同様の周期をもつ周期的凹凸構造が形成されているとすると、式（３）が成立ときのｍの値は、ｍ≒６程度となる。同様に、誘電体層３００を設けず、金属層２００の光出射面に接する物質が空気である場合（εｄ＝１）には、周期Λは実施形態１と同様の４２３ｎｍとなり、ｍ≒１１程度のときに式（３）が成立する。
【００４３】
このように、金属層２００の光出射面に接する物質が空気である場合には、金属層の両面に接する物質それぞれの誘電率の差が大きいため、式（２）で定義される条件と式（３）で定義される条件とを同時に満たす共鳴透過条件は、ｍの値が比較的大きい条件で達成される。このようにｍの値が比較的大きい条件において共鳴透過条件を満たした場合には、金属層２００の両面における表面プラズモンの結合が難しくなり、光の透過効率が低下する。一方、誘電率が空気と比較して大きい誘電体層３００を設けた場合には、共鳴透過条件におけるｍの値を小さくすることが可能となるため、ｐ型ＧａＮ層１０４側から誘電体層３００への光のエネルギーの透過の効率を高めることが可能となる。
【００４４】
ただし、周期的凹凸構造の作成プロセスにおいて含まれる不均一性（例えば、金属の吸収や表面粗さによる散乱、その他には金属膜厚むらや周期的な山谷の構造不均一等）により、式（３）で定義される共鳴透過条件は緩和される（APPLIED  PHYSICS  LETTERS  87,  241109(2005)参照）。
【００４５】
なお、実施形態２における誘電体層３００は、例えば金属層２００上にシリカ等の誘電体をスパッタ成膜することにより形成することができる。
【００４６】
（実施形態３）
次に、本発明の好適な実施形態の一つである実施形態３について、図６に基づいて説明する。
【００４７】
図６は、実施形態３のＬＥＤ素子を表す模式断面図である。本実施形態のＬＥＤ素子は、ｐ型ＧａＮ層１０４の光出射面の電極１０６以外の部分の面上に、金属層２００及び誘電体層３００がこの順で積層されている点以外は、図２に示した従来のＬＥＤ素子と同様の構造を有する。
【００４８】
本実施形態のＬＥＤ素子においては、誘電体層３００が、上記式（２）により定義されるΛ±１０％の周期の周期的凹凸構造を有する。
【００４９】
本実施形態のＬＥＤ素子の利点としては、まず、ｐ型ＧａＮ層１０４や金属層２００に周期的凹凸構造を形成するのに比べて、誘電体層３００の周期的凹凸構造が形成し易い点が挙げられる。さらに、この誘電体層３００の屈折率がｐ型ＧａＮ層１０４の屈折率よりも高い場合には、周期的凹凸構造中では、表面プラズモンが発生し電場の強度が強い領域において、空気と誘電体との中間の屈折率を実効的に持たせることができる点で優れる。
【００５０】
また、図７に示すように金属層２００の下に、ｐ型ＧａＮ層１０４よりも低誘電率のレジスト等からなる誘電体層４００を形成すれば、式（３）で定義される共鳴透過条件は金属層２００の上の誘電体層３００と、金属層２００の下の誘電体層４００との間に成り立つため、金属層２００上に形成する誘電体層３００の誘電率による制限が緩和される。
【００５１】
なお、本実施形態の誘電体層３００は、例えば金属層２００上にスピンコート等の手法により誘電体を成膜し、得られた膜に凹凸加工を施すことにより形成することができる。
【００５２】
（実施形態４）
次に、本発明の好適な実施形態の一つである実施形態４について、図８に基づいて説明する。
【００５３】
図８は、実施形態４のＬＥＤ素子を表す模式断面図である。本実施形態のＬＥＤ素子は、ｐ型ＧａＮ層１０４の光出射面の電極１０６以外の部分の面上に、誘電体層４００、金属層２００及び誘電体層３００がこの順で積層されている点以外は、図２に示した従来のＬＥＤ素子と同様の構造を有する。
【００５４】
本実施形態のＬＥＤ素子においては、金属層２００が、上記式（２）により定義されるΛ±１０％の周期の周期的凹凸構造を有する。
【００５５】
本実施形態のＬＥＤ素子の利点としては、まず、ｐ型ＧａＮ層１０４の加工に比べて、レジスト等からなる誘電体層４００の加工が容易である点が挙げられる。さらに、上記式（３）で定義される共鳴透過条件が非常に容易に達成される点も利点として挙げられる。これは、金属層２００のｐ型ＧａＮ層側に形成された誘電体層４００が、ＧａＮの屈折率（２．５）に比べて低い屈折率（１．４〜１．６）を有するためである。
【００５６】
本実施形態のＬＥＤ素子は、例えば次のような方法で作製することができる。
まず、ｐ型ＧａＮ層１０４上にＬＥＤ発光波長に対して透明なフォト（又は電子ビーム）レジスト等からなる誘電体層４００をスピンコート等の手法で成膜し、これを加工して周期的凹凸構造を形成する。この上面に金属層２００を蒸着等の手法で成膜し、さらにこの上に、誘電体層３００をスピンコート等の手法で成膜することにより、本実施形態のＬＥＤ素子が得られる。
【００５７】
なお、最近のＬＥＤ素子の発光面は、全反射により内部に閉じ込められる光を外部に取り出すために、ランダムなラフネス構造を有しているものが多いが、上述の実施形態１〜４の構造はこのランダムなラフネス構造を有する発光面上に形成されていてもよい。
【００５８】
（実施形態５）
続いて、本発明の好適な実施形態の一つである実施形態５について、図９に基づいて説明する。
【００５９】
図９は、実施形態５のＬＥＤ素子を表す模式断面図である。本実施形態のＬＥＤ素子は、ｐ型ＧａＮ層１０４の光出射面の電極１０６以外の部分の面上に、誘電体層４００、金属層２００及び誘電体層３００がこの順で積層されている点以外は、図２に示した従来のＬＥＤ素子と同様の構造を有する。
【００６０】
本実施形態のＬＥＤ素子においては、誘電体層４００及び金属層２００に、これらの層を貫通する、上記式（２）により定義されるΛ±１０％の周期で周期的に形成された孔を有する。
【００６１】
本実施形態のＬＥＤ素子は、例えば次のような方法で作製することができる。
まず、ｐ型ＧａＮ層１０４上にＬＥＤ発光波長に対して透明なシリカ等の誘電体層４００をＣＶＤ法やスピンコート等の手法で成膜する。この上に、金属を蒸着等により成膜し、金属層２００を形成する。
次にパターニングのためのエッチングマスクとなるフォトレジストをスピンコート等の手法で塗布する。この時、使用するレジストがポジレジストの場合、後に誘電体層４００及び金属層２００に孔を形成する箇所となる場所を露光し、ネガレジストならば、孔を形成しない箇所となる場所を露光する。そして、現像工程により、孔の空いたエッチングマスクをフォトレジストにより形成し、ウエットエッチング法やドライエッチング法を用いて金属層２００と誘電体層４００をエッチングし孔を形成する。孔を形成した後、エッチングマスクとしたフォトレジストを薬液やアッシング等により除去し、最後に金属層２００上に誘電体層３００を形成することにより、本実施形態のＬＥＤ素子が得られる。
なお、金属層２００及び誘電体層４００に形成された孔の径が比較的小さい場合は、誘電体層３００は孔に侵入しにいので、上記の方法により孔の中に空間を保ったまま誘電体層３００を形成することができる。一方、孔の径が比較的大きい場合には、誘電体層３００が孔の中へ侵入することを防止するため、一旦形成した孔をレジスト等の犠牲層で埋め戻し、その上に誘電体層３００を形成した後、上記犠牲層を除去することによって誘電体層３００の下に空間を形成することができる。
【００６２】
なお、本実施形態においては、誘電体層３００を形成する形態を示したが、誘電体層３００を形成しなくとも本発明による効果を得ることができる。
【００６３】
また、本実施形態においては、誘電体層４００、金属層２００及び誘電体層３００がこの順で積層されている形態を示したが、上記式（２）により定義されるΛ±１０％の周期で周期的に形成された孔を有する金属層２００のみが積層されている場合でも本発明による効果を得ることができる。このようなＬＥＤ素子は例えば次のような方法で作製することができる。
【００６４】
まず、ｐ型ＧａＮ層１０４上に金属を蒸着等により成膜し、金属層２００を形成する。次にパターニングのためのエッチングマスクとなるフォトレジストをスピンコート等の手法で塗布する。この時、使用するレジストがポジレジストの場合、後に金属層２００に孔を形成する箇所となる場所を露光し、ネガレジストならば、孔を形成しない箇所となる場所を露光する。そして、現像工程により、孔の空いたエッチングマスクをフォトレジストにより形成し、ウエットエッチング法やドライエッチング法を用いて金属層２００をエッチングし孔を形成する。孔を形成した後、エッチングマスクとしたフォトレジストを薬液やアッシング等により除去することにより、上述のＬＥＤ素子が得られる。
【００６５】
なお、上述の実施形態１〜５では、金属層２００、誘電体層３００及び／又は誘電体層４００の周期構造の一方向のみについて説明したが、もちろん周期構造は金属層２００、誘電体層３００及び／又は誘電体層４００の面上に広がっている。面上に広がっている周期構造について、図１０に基づいて、実施形態５の場合を例にとって説明する。
【００６６】
図１０は、実施形態５のＬＥＤ素子を示す図であり、その中の１０００、１００１及び１００２は、それぞれ金属層２００のＡ−Ａ’断面の矢視図である。○印で示された部分１０１０はそれぞれ金属層２００における孔を示す。
【００６７】
周期構造は、平面上の位置を表す２次元座標ｘ，ｙ軸を定義し、それぞれの方向への周期をΛ１、Λ２として表記される。矢視図１０００は、ｘ方向及びｙ方向に同じ周期Λ１で孔１０１０が形成されている場合を示す図である。この場合には、Λ１が上記式（２）で定義されるΛ±１０％の範囲にあればよい。
矢視図１００１は、ｘ方向とｙ方向に異なる周期Λ１とΛ２で孔１０１０が形成されている場合を示す図である。この場合には、Λ１とΛ２のいずれか一方が上記式（２）で定義されるΛ±１０％の範囲にあればよいが、Λ１とΛ２の双方が上記式（２）で定義されるΛ±１０％の範囲にあることが好ましい。
矢視図１００２は、ｘ軸とｙ軸が直交しない場合を表し、図中にはｘ方向及びｙ方向に同じ周期Λ１を持つ場合が記してある。この場合には、Λ１が上記式（２）で定義されるΛ±１０％の範囲にあればよい。
【００６８】
なお、ここでは実施形態５の孔が形成している場合についての２次元構造について示したが、実施形態１〜４の場合にも○印で示された部分を金属の凸部としてみれば、同様な構造をとることができる。
【００６９】
また、ここでは３種類の形態（矢視図１０００、１００１、１００２）について説明したが、本発明における周期構造はこれに限られず、本発明は周期構造がΛ±１０％の周期で形成されている他の形態をも含む。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】従来のＬＥＤ素子が示すランバート分布を説明する図である。
【図２】従来のＬＥＤ素子を表す模式断面図である。
【図３】本発明の実施形態１のＬＥＤ素子を表す模式断面図である。
【図４】表面プラズモンの分散関係とＬＥＤ素子の発光周波数との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施形態２のＬＥＤ素子を表す模式断面図である。
【図６】本発明の実施形態３のＬＥＤ素子を表す模式断面図である。
【図７】本発明の実施形態３のＬＥＤ素子を表す模式断面図である。
【図８】本発明の実施形態４のＬＥＤ素子を表す模式断面図である。
【図９】本発明の実施形態５のＬＥＤ素子を表す模式断面図である。
【図１０】本発明の実施形態５のＬＥＤ素子における金属層２００のＡ−Ａ’断面の矢視図である。
【符号の説明】
【００７１】
１…ＬＥＤ素子、２…矢印、１００…サファイア基板、１０１…バッファー層、１０２…ｎ型ＧａＮ層、１０３…活性層、１０４…ｐ型ＧａＮ層、１０５，１０６…電極、２００…金属層、２０１，２０２…界面、３００，４００…誘電体層。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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