JP2010135212A - 発光素子、それを用いた表示装置および照明装置、ならびに発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各半導体発光素子列における明るさのバラツキを抑制する。
【解決手段】電極１２と、発光層１３と、電極１４と、屈折率分布レンズ１７とが積層されてなる積層構造を有し、屈折率分布レンズ１７は、同心円状の輪帯部３１，３２をそれぞれ複数備えている。
屈折率分布レンズ１７において、同心円の中心から半径方向外側に向かって１つの輪帯部３１および１つの輪帯部３２毎に区分した領域を１つのゾーン３０としている。各ゾーン３０では、屈折率の異なる透明材料Ａ，Ｂが用いられていて、各ゾーン３０内の輪帯部３１が高屈折率透明材料Ｂで形成され、輪帯部３２が低屈折率透明材料Ａで形成されている。各ゾーン３０の幅ｃは、発光層１３からの光の波長以下であって、同心円の中心から半径方向外側に向かうにつれてゾーン３０での有効屈折率が小さくなるように、１つのゾーン内の輪帯部３１および輪帯部３２の各幅の比率を設定している。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子、それを用いた表示装置および照明装置、ならびに発光素子の製造方法に関する。

近年、携帯電話やデジタルカメラなどのディスプレイでは、より薄型化、高輝度化、省エネルギー化を進めるために、ＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子が用いられている。ＥＬ素子は、例えば透明基板上に、透明電極層と、発光層と、電極層とをこの順で積層した積層構造を有している。このような積層構造では、透明電極層および透明基板の屈折率が互いに異なり、発光層から出射された光のうち、透明電極層と透明基板との界面に対してある程度大きい入射角度をもって到達する光に全反射が生じる。また、透明基板に入射した光のうち、透明基板における透明電極層とは反対側の界面に対してもある程度大きい入射角度をもって到達する光に全反射が生じる。このため、ＥＬ素子においては、光の取り出し効率が低いという課題がある。

このような界面における光の全反射成分を抑制するために、透明基板と透明電極層との間にマイクロレンズを備えた発光素子が提案されている（特許文献１参照）。この特許文献１に記載された発光素子では、マイクロレンズによって、発光層から出射された光を屈折させることにより発光層からの光の発散角を抑制して、透明基板に対する光の入射角度を小さくしている。これによって、透明基板の界面における全反射成分が抑制され、発光素子における光の取り出し効率が改善できるとされている。
特開２００７−２８０６９９号公報

上記従来のマイクロレンズを備えた発光素子では、マイクロレンズの径が数十μｍから数百μｍオーダーと非常に微細であるので、マイクロレンズの作製に、例えば、レンズ用の透明樹脂素材を加熱によって溶融し、当該素材の表面張力を利用して目的のレンズ曲面を形成する加熱リフロー処理が用いられている。加熱リフロー処理では、通常、複数の発光素子が、リフロー炉の内部に同時に搬入され加熱されるが、炉内のどの場所であっても温度を均一に保つことは難しく、その温度管理には限界がある。そのため、複数の発光素子を加熱する温度に差が生じてしまい、表面張力により形成されるレンズ曲面の形状にバラツキが生じるという問題がある。複数の発光素子において、マイクロレンズの曲面形状にバラツキが生じると、発光層からの光の発散角を抑制する効果が異なるために、光取り出し効率にバラツキが生じる問題となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、光取り出し効率のバラツキを抑制できる発光素子、それを用いた表示装置および照明装置、ならびに発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る発光素子は、第１電極層と、発光層と、第２電極層と、屈折率分布レンズとがこの順で積層されてなる積層構造を有し、前記屈折率分布レンズは、同心円状の輪帯部を複数有し、前記同心円の中心から半径方向外側に向かって所定数の輪帯部毎に１ゾーンとして区分され、各ゾーンでは、少なくとも1つの輪帯部の屈折率は他の輪帯部の屈折率と異なり、各ゾーンの幅は、前記発光層から出射される光の波長以下であり、前記同心円の中心から半径方向外側に向かうにつれてゾーンの有効屈折率が小さくなるように、１つのゾーンに含まれる所定数の輪帯部の各幅の比率が設定されていることを特徴とする。

なお、ここでの「輪帯部」とは、輪状の形状を有する輪帯部はもちろんのこと、同心円の中心部分であって円形の中心部も輪帯部に含むものとする。
また、ここでの「所定数」とは、各ゾーンを構成する輪帯部の数であり、ゾーン毎の輪帯部の数を全て同じ設定とする所定数はもちろんのこと、ゾーン毎の輪帯部の数が異なるように設定した所定数も含むものとする。

上記構成の屈折率分布レンズを備えることにより、当該屈折率分布レンズの有効屈折率の勾配によって通過する光を曲げることができるので、発光素子の有する発光層から出射された光の発散角を抑制することができる。
また、上記構成の屈折率分布レンズの作製では、加熱リフロー処理に比べて高精度に加工可能な処理、例えばリソグラフィを採用することができる。したがって、複数の発光素子におけるレンズ形状のバラツキを抑えて、複数の発光素子における光取り出し効率にバラツキが生じるのを抑制することができる。

また、本発明に係る発光素子の別の一態様では、第１電極層と、発光層と、第２電極層と、回折レンズとがこの順で積層されてなる積層構造を有し、前記回折レンズは、同心円状の輪帯部を複数有し、前記同心円の中心から半径方向外側に向かって所定数の輪帯部毎に１ゾーンとして区分され、各ゾーンでは、少なくとも1つの輪帯部の屈折率は他の輪帯部の屈折率と異なり、各ゾーンの幅は、前記発光層から出射される光の波長以下であり、前記同心円の中心から半径方向外側に向かってゾーンの有効屈折率が周期的に鋸歯状に変化するように、１つのゾーンに含まれる所定数の輪帯部の各幅の比率が設定されていることを特徴とする。

上記構成の回折型レンズによれば、上記の屈折率分布型レンズと同等の効果を有するとともに、屈折率を周期的に鋸歯状に変化させて光の回折作用を利用するため、屈折率分布レンズに比べて、短い焦点距離を実現することができる。したがって、発光素子をより小型化することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る発光素子、それを用いた表示装置および照明装置、ならびに発光素子の製造方法について、添付図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
＜発光素子の全体構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る発光素子としてトップエミッション型発光素子１０の構成を示す模式断面図である。この発光素子１０は、基板１１と、陽極である電極１２（第１電極層）と、発光層１３と、陰極である透明電極１４（第２電極層）と、レンズ層１５とをこの順で備え、さらに、各層１２〜１５の形成領域を規定する、基板１１上に形成された複数のバンク２１と、レンズ層１５および各バンク２１の上に形成された封止層２３およびガラス板２４とを有している。

発光層１３は、電極１２側から順に正孔輸送層、有機ＥＬ層、電子輸送層が順次積層されて構成されている。
封止層２３は、ガラス板２４とレンズ層１５とを接着固定して、発光素子１０の各層１２〜１５に、外気中の水分や酸素などが浸入するのを防止している。
＜詳細構成：レンズ＞
次に、レンズ層１５について説明する。

レンズ層１５は、透明電極１４側から順に、低屈折率層１６、屈折率分布レンズ１７および高屈折率層１８の３層で構成されている。これら３層１６〜１８は、屈折率が異なる低屈折率透明材料Ａと高屈折率透明材料Ｂとからなる。このうち低屈折率層１６は、低屈折率透明材料Ａのみで形成され、高屈折率層１８は、高屈折率透明材料Ｂのみで形成されている。一方、屈折率分布レンズ１７には、透明材料Ａ，Ｂが用いられている。図２は、屈折率分布レンズ１７を説明するための図であって、（ａ）は、屈折率分布レンズ１７の模式断面図であり、（ｂ）は、屈折率分布レンズ１７の模式平面図である。屈折率分布レンズ１７は、同心円状に形成された輪帯部３１，３２をそれぞれ複数備えている。このうち輪帯部３１は、高屈折率透明材料Ｂで形成され、輪帯部３２は、低屈折率透明材料Ａで形成されている。これら低屈折率輪帯部３２と高屈折率輪帯部３１とが同心円の中心ＯＣから半径方向外側に向かって交互に繰り返し配列されており、１つの低屈折率輪帯部３２および１つの高屈折率輪帯部３１がこの順で繰り返す周期毎に区分した領域によって複数のゾーン３０が構成されている。各ゾーン３０において、中心ＯＣから半径方向外側に並ぶゾーン３０の順番をｋとし、順番ｋは１以上の整数としている。なお、中心ＯＣを含む円形の中心部ＣＰ１は、高屈折率輪帯部３１の１つであり、本実施形態において、１番目（ｋ＝１）のゾーン３０を構成している。また、中心ＯＣを通り、屈折率分布レンズ１７の厚さ方向に延びる直線は、屈折率分布レンズ１７の光軸と一致する。

各ゾーン３０の幅ｃは、発光層１３から出射される光の波長以下であって、本実施の形態においては、２００［ｎｍ］の一定値に設定されている。
低屈折率透明材料Ａは、ＳｉＯ_２であり、高屈折率透明材料Ｂは、ＴｉＯ_２である。ＳｉＯ_２の屈折率は１．４６、ＴｉＯ_２の屈折率は２．５３である。
＜屈折率分布＞
次に、屈折率分布レンズ１７の屈折率分布の設計思想について説明する。

一般的に、屈折率分布（ＧＲＩＮ）型レンズの屈折率ｎ（ｒ）は、光軸からの距離をｒ［μｍ］、光軸上の屈折率をｎ０、焦点距離をｆ［μｍ］、屈折率分布レンズの厚みをＬ［μｍ］、屈折率分布レンズの光入射面側に隣接する層の屈折率をｎｉとした場合に、次の（１）式で決定される。

屈折率分布レンズ１７では、ゾーン３０毎の有効屈折率ｎ_ｅｆｆが、当該ゾーン３０の内周半径を距離ｒ、中心ＯＣを含むゾーン３０の有効屈折率をｎ０として、上記（１）式より決定された屈折率ｎ（ｒ）に一致するように設定されている。この有効屈折率ｎ_ｅｆｆを実現するには、当該ゾーン３０における高屈折率輪帯部３１の線幅ａおよび低屈折率輪帯部３２の線幅ｂの比率の調整が必要である。

線幅ａおよび線幅ｂの調整の仕方について、以下に説明する。
各ゾーン３０において、その有効屈折率ｎ_ｅｆｆは、高屈折率輪帯部３１の屈折率をｎ_ｈｉｇｈ、低屈折率輪帯部３２の屈折率をｎ_ｌｏｗとして、次の（２）式で求められる。

線幅ａと線幅ｂの合算値は、ゾーン３０の幅ｃであるので、線幅ｂの代わりに幅ｃを用いた場合には、有効屈折率ｎ_ｅｆｆが次の（３）式で求められる。

上記（２）および（３）式より、幅ｃ内で線幅ａの割合を大きくすると、当該ゾーン３０における有効屈折率ｎ_ｅｆｆを高くすることができ、逆に、線幅ａの割合を小さくすると、有効屈折率ｎ_ｅｆｆを低くすることができる。
これらより、ゾーン３０毎の有効屈折率ｎ_ｅｆｆを、目的とする屈折率ｎ（ｒ）に一致させるためには、当該ゾーン３０の内周半径を距離ｒとして、線幅ａを、次の（４）式で求められる値にすればよい。

線幅ｂは、上記（４）式で求められた線幅ａおよび幅ｃから算出できる。
＜屈折率分布の例示＞
図３は、屈折率分布レンズの屈折率分布を示す図である。図３において、縦軸は有効屈折率ｎ_ｅｆｆを、横軸は、中心ＯＣからの距離ｒを示している。この距離ｒは、中心ＯＣからの任意の方向をプラス（＋）とし、その逆方向をマイナス（−）として表わされている。

図３に示す屈折率分布曲線４０は、上記（１）式による屈折率に基づいて設定された有効屈折率ｎ_ｅｆｆを有している。なお、この例における各パラメータは次の通りである。屈折率分布レンズ１７の焦点距離ｆを１０００［μｍ］、屈折率分布レンズ１７の厚みＬを１［μｍ］、発光層１３から出射される光の波長λを５３２［ｎｍ］、この波長λにおける中心ＯＣを含む１つ目のゾーン３０の有効屈折率ｎ０を２．５３および屈折率ｎｉを１．４６としている。このうち有効屈折率ｎ０には、中心ＯＣが含まれる１つ目のゾーンとなる中心部ＣＰ１の屈折率（ＴｉＯ_２＝２．５３）が適用されている。屈折率ｎｉには、低屈折率層１６の屈折率（ＳｉＯ_２＝１．４６）が適用されている。なお、屈折率分布レンズ１７は、有効径７０［μｍ］に設定され、３５０個のゾーン３０を有している。

屈折率分布曲線４０は、中心ＯＣでの有効屈折率を最大値として、中心ＯＣから半径方向外側に離れるに従い有効屈折率が漸次小さくなる曲線形状を有している。
図４は、図３の屈折率分布を実現するための各ゾーンでの線幅ａをプロットした図である。図４において、縦軸は高屈折率輪帯部３１の線幅ａの大きさ、横軸は、中心ＯＣからの距離ｒを示している。

線幅ａは、中心ＯＣを含むゾーン３０（ＣＰ１）において最大の２００［ｎｍ］となり、中心ＯＣから半径方向外側に離れるに従い短くなる。この例において、線幅ａの最小は３２．８［ｎｍ］であり、フォトリソグラフィ等を用いて作製することができる大きさである。
＜レンズの原理説明＞
図５は、屈折率分布レンズ１７の原理を説明する模式断面図である。

図５において、屈折率分布レンズ１７の光軸を５０とし、この光軸５０上の焦点距離ｆに位置する発光層１３の光源を５１としている。また、点光源５１から出射された光の光線を５２、点光源５１から出射された光の屈折率分布レンズ１７への入射波面を５３としている。光線５２は、光軸５０上を通過する光線５２ａと、光軸５０から離れた位置を通過する光線５２ｂとに分けて示されている。

本実施の形態において、屈折率分布レンズ１７における各ゾーン３０の幅ｃが発光層１３からの光の波長よりも短いため、光にとっては、屈折率分布レンズ１７と連続的に屈折率が変化する屈折率分布（ＧＲＩＮ）型レンズとは等価である。そのため、屈折率分布レンズ１７において、光軸５０から離れた位置を通過する光ほど屈折作用を受けて、図５に示す光線５２ｂのように、光軸５０側へ屈折することになる。

以上の構成からなる発光素子１０は、屈折率分布レンズ１７によって発光層１３から出射された光の発散角を抑制して、屈折率分布レンズ１７、高屈折率層１８、封止層２３およびガラス板２４との各界面における光の全反射成分を抑制することができる。これによって、発光素子１０における光取り出し効率を向上させることができる。
なお、本実施の形態において、低屈折率透明材料ＡにＳｉＯ_２、高屈折率透明材料ＢにＴｉＯ_２を用いた構成を示したが、低屈折率および高屈折率透明材料として、例えば、ＺｒＯ_２などの酸化ジルコニウム系、Ｎｂ_２Ｏ_５などの酸化ニオブ系、Ｓｉ_３Ｎ_４などの窒化シリコン系およびＳｉ_２Ｎ_３などの酸化珪素系の材料を用いることができる。
＜詳細構成：基板、電極、発光層＞
以下に、この発光素子１０を構成する基板１１、電極１２、発光層１３および透明電極１４に用いられる材料について説明する。
《基板》
基板１１には、ソーダガラス、無蛍光ガラス、燐酸系ガラス、硼酸系ガラスなどのガラス板、石英板、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエチレン、ポリエステル、シリコーン系樹脂などのプラスチック板およびプラスチックフィルム、アルミナなどの金属板および金属ホイル等を用いることができる。

なお、基板１１側から光を取り出すいわゆるボトムエミッションの場合には、基板１１はガラス基板等のように透明基板であることが必要とされる。
《電極》
電極１２としては、例えばナトリウム、リチウムなどのアルカリ金属単体、又はその合金を用いることが出来る。また、カルシウム、マグネシウムなどのアルカリ土類金属、またはその合金を用いることが出来る。合金はアルミニウム、銀、インジウムなどとなされる。また、ガリウム、インジウムなど一部の第３族金属を用いることも出来る。

透明電極１４は、発光層１３で発生した光に対して十分な透光性を有する導電性材料により構成されている。材料としては、酸化インジウムスズ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）や酸化インジウム亜鉛（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ：ＩＺＯ）などが好ましい。室温で成膜しても良好な導電性を得ることができるからである。
《発光層》
発光層１３としては、一層の場合に限られず多層構造であってもよい。また、発光層は、有機発光体を含む有機ＥＬ層を含んでもよい。さらに、有機ＥＬ層を挟持する電子輸送層と正孔輸送層をさらに含んでもよい。またさらに、電子注入層、及び／又は、正孔注入層を備えてもよい。電子注入層及び正孔注入層は、蒸着法、スピンコート法、キャスト法などにより形成できる。
・有機ＥＬ層
このうち有機ＥＬ層の具体例としては、特開平５−１６３４８８号公報に記載のオキシノイド化合物、ペリレン化合物、クマリン化合物、アザクマリン化合物、オキサゾール化合物、オキサジアゾール化合物、ペリノン化合物、ピロロピロール化合物、ナフタレン化合物、アントラセン化合物、フルオレン化合物、フルオランテン化合物、テトラセン化合物、ピレン化合物、コロネン化合物、キノロン化合物及びアザキノロン化合物、ピラゾリン誘導体及びピラゾロン誘導体、ローダミン化合物、クリセン化合物、フェナントレン化合物、シクロペンタジエン化合物、スチルベン化合物、ジフェニルキノン化合物、スチリル化合物、ブタジエン化合物、ジシアノメチレンピラン化合物、ジシアノメチレンチオピラン化合物、フルオレセイン化合物、ピリリウム化合物、チアピリリウム化合物、セレナピリリウム化合物、テルロピリリウム化合物、芳香族アルダジエン化合物、オリゴフェニレン化合物、チオキサンテン化合物、アンスラセン化合物、シアニン化合物、アクリジン化合物、８−ヒドロキシキノリン化合物の金属鎖体、２，２’−ビピリジン化合物の金属鎖体、シッフ塩とＩＩＩ族金属との鎖体、オキシン金属鎖体、希土類鎖体などの蛍光物質を使用することができる。有機ＥＬ層は蒸着法、スピンコート法、キャスト法などにより形成できる。
・電子輸送層
また、電子輸送能を有する電子輸送層の具体例としては、特開平５−１６３４８８号公報のニトロ置換フルオレノン誘導体、チオピランジオキサイド誘導体、ジフェキノン誘導体、ペリレンテトラカルボキシル誘導体、アントラキノジメタン誘導体、フレオレニリデンメタン誘導体、アントロン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ペリノン誘導体、キノリン錯体誘導体などの化合物を使用することができる。
・正孔輸送層
正孔輸送層の具体例としては、特願平３−３３３５１７号に記載のトリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体及びピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、ポリフィリン化合物、芳香族第三級アミン化合物及びスチリルアミン化合物、ブタジエン化合物、ポリスチレン誘導体、ヒドラゾン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、テトラフェニルベンジン誘導体などを使用することができるが、特に好ましくは、ポリフィリン化合物、芳香族第三級アミン化合物及びスチリルアミン化合物である。
＜製造方法＞
次に、屈折率分布レンズ１７の製造方法について具体的に説明する。

上記の構成の屈折率分布レンズ１７は、フォトリソグラフィ技術を用いて作製することができ、図６（ａ）〜（ｄ）は、その作製工程を説明する説明図である。
《レジスト塗布、パターニング》
先ず、図６（ａ）に示すように、透明電極１４の上に、スパッタ装置を用いて低屈折率透明材料Ａ（ＳｉＯ_２）からなる低屈折率材の膜４４を形成し、低屈折率材の膜４４の上に、レジストを塗布しレジスト膜４５を形成する。これら低屈折率材の膜４４およびレジスト膜４５の厚みは、それぞれ１［μｍ］である。

その後、電子線描画装置を用いて、レジスト膜４５上に同心円状のパターニング４６を行う。このパターニング４６において、レジスト膜４５の上面の各選択位置が、低屈折率輪帯部３２および高屈折率輪帯部３１のうちいずれの輪帯部を形成する領域に属するかの判定が電子線描画装置により行われ、高屈折率輪帯部３１を形成する領域と判定した場合に電子線の照射が行われる。
《領域の判定手順》
以下、電子線描画装置による領域の判定手順について説明する。

図７は、パターニング工程における領域の判定手順を示すフロー図である。
〔１〕先ず、電子線描画装置に、作製するレンズにおける設計上の次の基本情報を入力する（Ｓ０１）。
{基本情報}
焦点距離ｆ［μｍ］、屈折率分布レンズの厚みＬ［μｍ］、屈折率分布レンズの光入射面側に隣接する層の屈折率ｎｉ、高屈折率輪帯部の屈折率ｎ_ｈｉｇｈ、低屈折率輪帯部の屈折率ｎ_ｌｏｗ、中心ＯＣを含むゾーンの有効屈折率ｎ０、屈折率分布レンズのサイズなど。
〔２〕レジスト膜４５の上面において、光軸となるべき位置を基準位置（ｘ_０，ｙ_０）として設定する（Ｓ０２）。
〔３〕レジスト膜４５の上面のうち領域の判定が行われていない任意の位置を選択し、選択位置（ｘ，ｙ）とする（Ｓ０３）。
〔４〕選択位置（ｘ，ｙ）の基準位置（ｘ_０，ｙ_０）からの距離ｒを、次の（５）式で算出する（Ｓ０４）。

〔５〕算出された距離ｒおよびゾーン３０の幅ｃを用いて、選択位置（ｘ，ｙ）が含まれるゾーン３０の順番ｋを、次の（６）式より求める（Ｓ０５）。

上記（６）式における（ｋ−１）ｃは、順番ｋのゾーン３０の内周半径であり、ｋｃは、外周半径である。
〔６〕算出された距離ｒおよびゾーン３０の順番ｋを用いて、当該ゾーン３０における高屈折率輪帯部３１の線幅ａを、次の（７）式で算出する（Ｓ０６）。

なお、上記（７）式は、上記（４）式の距離ｒを、順番ｋのゾーン３０の内周半径（ｋ−１）ｃに置き換えたものである。
〔７〕算出された線幅ａより求められる高屈折率輪帯部３１の内周半径と、ステップＳ０４で算出された距離ｒとを次の（８）式で比較する（Ｓ０７）。

上記（８）式を満たす場合に、選択位置（ｘ，ｙ）が低屈折率輪帯部３２を形成する領域に属すると判定し、逆に上記（８）式を満たさない場合に、選択位置（ｘ，ｙ）が高屈折率輪帯部３１を形成する領域に属すると判定する（Ｓ０８）。
〔８〕ステップＳ０８において、低屈折率輪帯部３２を形成する領域に属すると判定した場合には、電子線を照射することなくステップＳ１０に進み、高屈折率輪帯部３１を形成する領域に属すると判定した場合には、選択位置（ｘ，ｙ）に電子線を照射する（Ｓ０９）。
〔９〕レジスト膜４５の上面の全ての位置に対して上記領域の判定が行われたかどうかをチェックする（Ｓ１０）。未判定の位置があれば、Ｓ０３〜Ｓ０９の一連のステップを繰り返す。

このような電子線を用いることで、線幅を３０［ｎｍ］程度とする精緻なパターニングを施すことができる。
《現像、エッチング、レジスト除去》
図６に戻って、図６（ｂ）に示すように、上記の判定手順により電子線が照射されたレジスト膜４５を現像して、低屈折率材の膜４４にエッチング４７を施してレンズの微細パターンを形成する。この微細パターンが、屈折率分布レンズ１７における低屈折率輪帯部３２である。本実施の形態では、透明電極１４と屈折率分布レンズ１７との間に低屈折率層１６を設けるため、エッチング４７によって低屈折率材の膜４４に貫通孔が形成されないように設定されている。なお、透明電極１４と屈折率分布レンズ１７との間に低屈折率層１６など他の層を設けない場合には、エッチング４７によって低屈折率材の膜４４を貫通させて、透明電極１４の上に屈折率分布レンズ１７を形成するように設定することになる。

次に、レジスト膜４５を除去する。このようにして複数の低屈折率輪帯部３２および低屈折率層１６が現れた状態が図６（ｃ）に示されている。
《プラズマＣＶＤ、ポストベーク》
この後、プラズマＣＶＤを用いて、図６（ｄ）に示すように、複数の低屈折率輪帯部３２の各間に高屈折率透明材料Ｂ（ＴｉＯ_２）を堆積させる。このとき、各低屈折率輪帯部３２の上にも、さらに高屈折率透明材料Ｂ（ＴｉＯ_２）を堆積させる。これによって、複数の高屈折率輪帯部３１および高屈折率層１８を形成することができる。

そして、高屈折率層１８の表面研磨を行い、最後に、屈折率分布レンズ１７、低屈折率層１６および高屈折率層１８にポストベークを行うことにより、屈折率分布レンズ１７が出来上がる。
以上の構成からなる屈折率分布レンズ１７の製造方法によれば、フォトリソグラフィ技術を用いているので、屈折率分布レンズ１７の各輪帯部３１，３２を、３０［ｎｍ］程度の線幅までならバラツキなく精度よく加工することができる。そのため、ゾーン３０毎の輪帯部３１，３２の各線幅ａ，ｂの調整を細かく行うことができるので、有効屈折率ｎ_ｅｆｆを、当該ゾーン３０の内周半径を距離ｒとして上記（１）式により決定された屈折率ｎ（ｒ）に精度よく一致させることができる。これにより、屈折率分布レンズ１７による発光層１３から出射される光の発散角を抑制する効果を高めることができる。その結果、発光素子１０において、屈折率分布レンズ１７、高屈折率層１８、封止層２３およびガラス板２４の各界面における光の全反射成分を抑制することができ、光取り出し効率を向上させることができる。
（実施の形態２）
＜発光素子の全体構成２＞
図８は、本発明の実施の形態２に係る発光素子６０の構成を示す模式断面図である。

この発光素子６０は、上記実施の形態１に係る発光素子１０が屈折率分布レンズを有しているのに対して、回折レンズを有している点が異なっている。なお、図１に示す発光素子１０と同じ構成要素については、簡単のため、同じ符号で示し、その説明を省略する。
発光素子６０の有するレンズ層６５は、透明電極１４側から順に、低屈折率層６６、回折レンズ６７および高屈折率層６８の３層で構成されている。
＜詳細構成２：レンズ＞
図９は、回折レンズ６７を説明するための図であって、図９（ａ）は、回折レンズ６７の模式断面図であり、図９（ｂ）は、回折レンズ６７の模式平面図である。

回折レンズ６７は、同心円状に交互に繰り返し配列された低屈折率輪帯部７２および高屈折率輪帯部７１を備え、この回折レンズ６７において、同心円の中心から半径方向外側に向かって、１つの低屈折率輪帯部７２および１つの高屈折率輪帯部７１がこの順で繰り返す周期毎に区分した領域によって複数のゾーン７０が構成されている。各ゾーン７０において、中心ＯＣから半径方向外側に並ぶゾーン７０の順番をｋとし、順番ｋは１以上の整数としている。なお、中心ＯＣを含む円形の中心部ＣＰ２は、高屈折率輪帯部７１の１つであり、本実施形態において、１番目（ｋ＝１）のゾーン７０を構成している。

各ゾーン７０の幅ｃは、発光層１３から出射される光の波長以下であって、本実施の形態において２００［ｎｍ］に設定されている。
本実施の形態において、低屈折率層６６および低屈折率輪帯部７２が、ＳｉＯ_２からなる低屈折率透明材料Ａで形成され、高屈折率層６８および高屈折率輪帯部７１が、ＴｉＯ_２からなる高屈折率透明材料Ｂで形成されている。
＜屈折率分布２＞
次に、回折レンズ６７の屈折率分布の設計思想について説明する。

回折レンズ６７は、中心ＯＣから半径方向外側に向かってゾーン７０の有効屈折率が周期的に鋸歯状に変化するように設定されている。ここで、「鋸歯状」とは、ノコギリの歯のような形状であって、有効屈折率分布において、有効屈折率が、中心ＯＣから半径方向外側にかけて、急激に高くなる部分と、高くなったところから漸次低くなる部分とを組み合わせた形状をいう。また、「周期的に」とは、繰り返す態様を示しており、有効屈折率における鋸歯状の変化が繰り返すことを意味している。有効屈折率が周期的に変化するレンズは、光に対して回折作用を有することができる。

回折レンズ６７において、ゾーン７０毎の有効屈折率ｎ_ｅｆｆは、当該ゾーン７０の内周半径を距離ｒ［μｍ］、中心ＯＣを含むゾーン７０の有効屈折率をｎ０、屈折率の変化における鋸歯状の周期の順番を０から始まる整数のｍ、発光層１３からの光の波長をλとして、次の（９）式で決定される屈折率ｎ（ｒ）に一致するように設定されている。なお、焦点距離をｆ［μｍ］、回折レンズ６７の厚みをＬ［μｍ］、回折レンズ６７の光入射面側に隣接する層の屈折率をｎｉとしている。

当該ゾーン７０が含まれる周期の順番ｍを、小数点以下を切り下げる関数のＦｌｏｏｒを用いて、次の（１０）式で求めることができる。

ゾーン７０毎の有効屈折率ｎ_ｅｆｆを、上記（９），（１０）式により決定された屈折率ｎ（ｒ）に一致させるには、上記実施の形態１における屈折率分布レンズ１７と同様、当該ゾーン７０における高屈折率輪帯部７１の線幅ａおよび低屈折率輪帯部７２の線幅ｂの比率の調整が必要である。具体的には、ゾーン７０毎の内周半径を距離ｒとして、
当該ゾーン７０の線幅ａを、次の（１１）式で求められる値にすればよい。

線幅ｂは、上記（１１）式で求められた線幅ａおよびゾーン７０の幅ｃから算出できる。
なお、上記（１０）式では、中心ＯＣから距離ｒの位置が含まれた鋸歯状の周期の順番ｍが求まるだけでなく、鋸歯状部分の現れる周期間隔が決定されている。
＜屈折率分布の例示２＞
図１０は、回折レンズの屈折率分布を示す図である。

図１０において、縦軸は有効屈折率ｎ_ｅｆｆを示し、横軸は、中心ＯＣからの距離ｒを示している。図１０に示す屈折率分布曲線４２は、上記（９），（１０）式に基づいて設定された有効屈折率ｎ_ｅｆｆを有している。この例における各パラメータは次の通りである。焦点距離ｆを１００［μｍ］、回折レンズ６７の厚みＬを１［μｍ］、発光層１３から出射される光の波長λを５７２［ｎｍ］、この波長λにおける中心ＯＣを含む１つ目のゾーンの有効屈折率ｎ０を２．５３および屈折率ｎｉを１．４６としている。このうち有効屈折率ｎ０には、中心部ＣＰ１の屈折率（ＴｉＯ_２＝２．５３）が適用され、屈折率ｎｉには、低屈折率層６６の屈折率（ＳｉＯ_２＝１．４６）が適用されている。なお、屈折率分布レンズ６７は、有効径７０［μｍ］に設定され、３５０個のゾーン７０を有している。

屈折率分布曲線４２は、中心ＯＣから半径方向外側に向かって有効屈折率ｎ_ｅｆｆが周期的に鋸歯状に変化する曲線形状を有している。鋸歯状の周期間隔は、中心ＯＣから１つ目の周期（ｍ＝０）が最も大きく、半径方向外側に向かうにつれて周期間隔が漸次小さくなっている。このように鋸歯状の周期間隔を、中心ＯＣから漸次小さくすることによって、回折レンズ６７において、中心ＯＣから離れた位置を通過する光ほど回折作用を受け、光軸側へ回折することになる。

以上の構成からなる発光素子６０は、上記実施の形態１の屈折率分布レンズ１７と同様に、回折レンズ６７によって発光層１３から出射された光の発散角を抑制して、当該回折レンズ６７、高屈折率層１８、封止層２３およびガラス板２４との各界面における光の全反射成分を抑制することができる。これによって、発光素子６０における光取り出し効率を向上させることができる。

また、回折レンズ６７は、周期的に鋸歯状に変化する屈折率の周期間隔を変えることによって、焦点距離を調整することができるので、屈折率分布レンズ１７と比べて、焦点距離を短くすることができる。したがって、発光素子をより小型化することができる。
＜屈折率の高次式＞
本実施の形態において、屈折率ｎ（ｒ）の計算精度をさらに高めるために、上記（９）式に３次以上の高次の項を追加した次の（１２）式を用いることができる。

この場合には、周期の順番ｍを、次の（１３）式で求めることができる。

＜高屈折率輪帯部の線幅の大きさの限定＞
なお、本実施の形態における高屈折率輪帯部７１の線幅ａおよび低屈折率輪帯部７２の線幅ｂの大きさは、特に限定するものではないが、回折レンズ６７を作製し易くするための範囲を限定するのが好ましい。
ゾーン７０毎の有効屈折率ｎ_ｅｆｆは、輪帯部７１，７２の線幅ａ，ｂを互いに調整することで設定できること、各ゾーン７０のうち中心ＯＣを含む１つ目のゾーン７０において輪帯部７１の線幅ａが最も大きいことから、有効屈折率ｎ０および回折レンズ６７の厚みＬを用いて、間接的に、各ゾーン７０の輪帯部７１，７２の線幅ａ，ｂの範囲を限定することができる。すなわち、有効屈折率ｎ０および厚みＬを、次の（１４）〜（１６）式を満たすように、それぞれ設定するのが好適である。

このうち上記（１４）式は、有効屈折率ｎ０の範囲を限定するものであって、中心ＯＣを含む１つ目のゾーンにおける高屈折率輪帯部の線幅ａの比率を示している。これによって、各ゾーンにおける低屈折率輪帯部の線幅ｂの比率の最小値を設定している。なお、上記（１４）式により有効屈折率ｎ０の範囲を限定した場合には、高屈折率輪帯部のみで構成された中心部ＣＰ２とは異なり、中心ＯＣを含む１つ目のゾーンにも低屈折率輪帯部が含まれた構成となる。

図１１は、上記（１４）〜（１６）式を満たす有効屈折率ｎ０および回折レンズ６７の厚みＬの限定範囲を示す図である。図１１において、有効屈折率ｎ０が縦軸で、回折レンズ６７の厚みＬが横軸で示され、有効屈折率ｎ０および厚みＬが限定された範囲８０が斜線で示されている。
この図１１には、有効屈折率ｎ０および厚みＬの組み合わせとなる、次のケース８１〜８５が示されている。

ケース８１：ｎ０＝０．８５ ｎ_ｈｉｇｈ ，Ｌ＝１．５［μｍ］
ケース８２：ｎ０＝０．９ ｎ_ｈｉｇｈ ，Ｌ＝１．５［μｍ］
ケース８３：ｎ０＝０．９ ｎ_ｈｉｇｈ ，Ｌ＝０．９［μｍ］
ケース８４：ｎ０＝０．８７５ｎ_ｈｉｇｈ ，Ｌ＝１．２［μｍ］
ケース８５：ｎ０＝０．８５ ｎ_ｈｉｇｈ ，Ｌ＝０．９［μｍ］
ケース８１〜８４が、限定範囲８０以内であり、ケース８５が、限定範囲８０の外側とされている。

図１２（ａ）〜（ｅ）は、図１１のケース８１〜８５の場合の屈折率分布を実現するための各ゾーンでの線幅ａをプロットした図である。図１２（ａ）〜（ｅ）において、縦軸は高屈折率輪帯部の線幅ａの大きさ、横軸は、中心ＯＣからの距離ｒを示している。なお、各線幅ａは、上記（１１）式より求められており、有効屈折率ｎ０および厚みＬを除く他のパラメータは、図１０に示す屈折率分布と同じ値に設定されている。

図１２（ａ）〜（ｅ）に示す線幅ａにおいて、最大値および最小値は次の通りである。
図１２（ａ）の線幅ａ：最大値＝１２９．０［ｎｍ］，最小値＝６３．２［ｎｍ］
図１２（ｂ）の線幅ａ：最大値＝１５２．７［ｎｍ］，最小値＝８６．９［ｎｍ］
図１２（ｃ）の線幅ａ：最大値＝１５２．７［ｎｍ］，最小値＝４３．０［ｎｍ］
図１２（ｄ）の線幅ａ：最大値＝１４０．８［ｎｍ］，最小値＝５８．６［ｎｍ］
図１２（ｅ）の線幅ａ：最大値＝１２９．０［ｎｍ］，最小値＝１９．４［ｎｍ］
以上のように、図１２（ａ）〜（ｄ）に示す、ケース８１〜８４における高屈折率輪帯部の線幅ａは、４０〜１６０［ｎｍ］の範囲内であり、したがって、低屈折率輪帯部の線幅ｂも４０〜１６０［ｎｍ］の範囲内となる。このように、線幅ａ，ｂの最小値をそれぞれ４０［ｎｍ］以上に設定することができるので、輪帯部の形成が容易であり、回折レンズの作製が容易となる。

一方、図１２（ｅ）に示す、ケース８５における高屈折率輪帯部の線幅ａは、１９〜１３０［ｎｍ］と、フォトリソグラフィ技術を用いて輪帯部の形成が可能な範囲ではあるが、３０［ｎｍ］未満となる微細な線幅ａの形成が必要になることがわかる。
＜製造方法２＞
次に、回折レンズ６７の製造方法について説明する。

上記の構成の回折レンズ６７は、上記実施の形態１に係る屈折率分布レンズ１７の製造方法と同様、フォトリソグラフィ技術を用いて作製することができる。
この回折レンズ６７の製造方法においては、回折レンズ６７の有効屈折率ｎ_ｅｆｆが周期的に鋸歯状に変化するように、ゾーン７０毎の高屈折率輪帯部の線幅ａおよび低屈折率輪帯部の線幅ｂを設定している点が、屈折率分布レンズ１７の製造方法と異なっている。その他の点については、図６および図７に示す屈折率分布レンズ１７の作製手順と同じであり、簡単のため、その説明を省略する。

屈折率分布レンズ１７における製造方法では、図７に示すステップＳ０６において、高屈折率輪帯部３１の線幅ａを上記（７）式を用いて算出しているのに対して、回折レンズ６７の製造方法では、高屈折率輪帯部７１の線幅ａを次の（１７）式で算出する。

なお、上記（１７）式は、上記（１１）式における距離ｒを、順番ｋのゾーン７０の内周半径（ｋ−１）ｃに置き換えたものである。
異なる点は以上である。
以上の構成からなる回折レンズ６７の製造方法によれば、屈折率分布レンズ１７の製造方法と同様に、フォトリソグラフィ技術を用いているので、回折レンズ６７の各輪帯部７１，７２を、３０［ｎｍ］程度の線幅までならバラツキなく精度よく加工することができる。したがって、発光素子６０においても、上記実施の形態１の発光素子１０が得られる効果と同等の効果が得られる。
（実施の形態３）
＜表示装置の全体構成３＞
図１３は、本発明の実施の形態３に係る表示装置の一例として、有機ＥＬディスプレイ１００の要部を示す模式断面図である。

有機ＥＬディスプレイ１００は、ＲＧＢの各画素を構成する発光素子を備え、各発光素子が、それぞれの画素の光の波長に応じて設定された有効屈折率を有する屈折率分布レンズを備えている点が特徴とされている。なお、図１に示す発光素子１０と同じ構成要素については、簡単のため、同じ符号で示し、その説明を省略する。
本実施の形態において、発光素子１１０が画素Ｒを、発光素子１２０が画素Ｇを、発光素子１３０が画素Ｂを構成している。

各発光素子１１０，１２０，１３０は、上記実施の形態１に係る発光素子１０と同様の構成からなり、基板上に、電極と、発光層と、透明電極と、低屈折率層と、屈折率分布レンズと、高屈折率層とがこの順で積層されてなる積層構造を有している。
また、各発光素子１１０，１２０，１３０は、バンク１０１によって規定されており、図示しないが、マトリックス状に配列されている。各発光素子１１０，１２０，１３０および各バンク１０１の上には、封止層１０３およびガラス層１０４が形成されている。
＜詳細構成３＞
発光素子１１０は、赤色の光を出射する発光層１１３と、当該赤色の光の波長に応じた有効屈折率を有する屈折率分布レンズ１１７とを備えている。発光素子１２０は、出緑色の光を出射する発光層１２３と、当該緑色の光の波長に応じた有効屈折率を有する屈折率分布レンズ１２７とを備えている。発光素子１３０は、青色の光を出射する発光層１３３と、当該青色の光の波長に応じた有効屈折率を有する屈折率分布レンズ１２７とを備えている。

図１４は、ＲＧＢ各画素の屈折率分布レンズ１１７，１２７，１３７を示す模式平面図である。図１４において、高屈折率輪帯部が斜線の領域で示され、低屈折輪帯部が無地の領域で示されている。
各屈折率分布レンズ１１７，１２７，１３７における有効屈折率は、上記実施の形態１と同様に、上記（１）式により決定された屈折率（ｒ）に一致するように設定されている。上記（１）式における屈折率ｎｉは、対象となる光の波長によって変動するので、屈折率分布レンズ１１７，１２７，１３７における有効屈折率の分布の仕方が互いに異なる。したがって、同心円の中心から半径方向外側に向かうにつれて小さくなる高屈折率輪帯部の線幅の変化が、屈折率分布レンズ１１７，１２７，１３７間において互いに異なっており、図１４に示すように、画素Ｒを構成する屈折率分布レンズ１１７において当該変化の度合いが最も大きく、画素Ｂを構成する屈折率分布レンズ１３７が当該変化の度合いが最も小さくなる。なお、図１４では、分かり易くするため、高屈折率輪帯部の線幅の変化が誇張されて示されている。

以上の構成からなる有機ＥＬディスプレイ１００は、ＲＧＢの画素毎の波長に応じた有効屈折率の分布を有する屈折率分布レンズを備えることにより、どの色の画素においても発光層から出射された光の発散角を抑制して、各界面における光の全反射成分を抑制することができる。これによって、画素毎の光取り出し効率を向上させることができるので、有機ＥＬディスプレイ１００の省電力化を図ることができる。
＜製造方法３＞
次に、上記構成の屈折率分布レンズ１１７，１２７，１３７の製造方法について説明する。

本実施の形態に係る屈折率分布レンズ１１７，１２７，１３７の製造方法は、パターニングの工程において、複数の画素の屈折率分布レンズを作製する同心円状パターンをレジスト膜上にパターニングする点と、レジスト膜の上面の各選択位置が属する輪帯部の領域を判定する前に、当該選択位置が属する画素の領域を判定する点とが、上記実施の形態１に係る屈折率分布レンズ１７の製造方法との主な相違点である。

図１５は、本実施の形態のパターニング工程における領域の判定手順を示すフロー図である。図１５の判定手順においては、ステップＳ０３とステップＳ０４との間に、レジスト膜の上面の任意の選択位置（ｘ，ｙ）が属する画素領域（ｉ，ｊ）を判定するためのステップＳ２０を設けている点が、図７に示す屈折率分布レンズ１７の作製手順と大きく異なっている。

また、他のステップにおいても、複数の同心円状パターンをレジスト膜上にパターニングすることにより、屈折率分布レンズ１７の製造方法との相違点を有しているので、以下にこの相違点について説明する。なお、図６および図７に示す屈折率分布レンズ１７の作製手順と同じ構成については、簡単のため、その説明を省略する。
〔１〕ステップＳ０１の基本情報の入力では、ＲＧＢの画素毎のレンズの設計上の基本情報を入力する。また、本実施の形態において、各画素の屈折率分布レンズのサイズはｘＬ，ｙＬとする。
〔２〕ステップＳ０２の基準位置の設定では、レジスト膜の上面において、画素毎の光軸となるべき位置をそれぞれ基準位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）として設定する。

ここで、ｉ，ｊは、マトリックス状に配列される画素領域のうちｉ，ｊ番目の画素領域を示している。
〔３〕ステップＳ０３は、上記実施の形態１と同様である。
〔４〕ここで、ステップＳ０４に進む前に、選択位置（ｘ，ｙ）の属する画素領域（ｉ，ｊ）を、次の（１８），（１９）式より求める（Ｓ２０）。

〔５〕ステップＳ０４では、求められた画素領域（ｉ，ｊ）において、選択位置（ｘ，ｙ）の基準位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）からの距離ｒを、次の（２０）式で算出する。

〔６〕ステップＳ０５は、上記実施の形態１と同様である。
〔７〕ステップＳ０６の高屈折率輪帯部の線幅ａの算出では、上記（７）式において、ＲＧＢの各画素に応じた屈折率ｎｉを用いる。
〔８〕以降のステップＳ０７〜Ｓ１０は、上記実施の形態１と同様である。
以上の構成からなる屈折率分布レンズ１１７，１２７，１３７の製造方法によれば、屈折率分布レンズ１７の製造方法と同様に、フォトリソグラフィ技術を用いているので、複数の画素における屈折率分布レンズの各輪帯部を、３０［ｎｍ］程度の線幅までならバラツキなく精度よく加工することができる。したがって、有機ＥＬディスプレイ１００の有するＲＧＢの画素毎の発光素子においても、上記実施の形態１の発光素子１０が得られる効果と同等の効果が得られる。

本実施の形態では、各発光素子が屈折率分布レンズを有した構成を示したが、上記実施の形態２における回折レンズを有した構成とすることもできる。もっともこの場合においても、ＲＧＢの画素毎の波長に応じて、回折レンズの有効屈折率を設定する必要があるので、ステップＳ０６における線幅ａの算出には、上記実施の形態２と同様に、上記（１７）式を用いる。

また、本実施の形態３に係る製造方法は、有機ＥＬディスプレイなどの表示装置が備える発光素子に限定するものではなく、パターニングの工程において、複数の屈折率分布レンズ（回折レンズ）を作製するときには、本実施の形態３に係る製造方法を用いるのが好ましい。
（実施の形態４）
＜照明装置の全体構成４＞
図１６（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態４に係る照明装置の一例として、上記実施の形態１に係る発光素子１０を備えた照明装置１５０の概略構成を示している。図１６（ａ）は、照明装置１５０のＹ−Ｚ断面を示す模式図であり、図１６（ｂ）は、照明装置１５０のＸ−Ｚ断面を示す模式図である。

照明装置１５０は、ベース１５１とベース１５１の上に配列された複数の発光素子１０と反射部材１５２とから構成されている。複数の発光素子１０は、ベース１５１上に形成された導電パターンに電気的に接続されており、導電パターンにより供給された駆動電力によって発光される。複数の発光素子１０から出射された光の一部は反射部材１５２によって、配光が制御される。

以上の構成からなる照明装置１５０は、屈折率分布レンズによって出射光の発散角が抑制された発光素子１０を備えているので、光取り出し効率のよい照明装置を実現できる。また、複数の発光素子１０において、屈折率分布レンズをバラツキなく精度よく加工できるので、出射光の発散角を抑制する効果のバラツキを抑えて、光取り出し効率にバラツキが生じるのを抑制することができる。

照明装置１５０に、発光素子１０に替えて上記実施の形態２に係る発光素子６０を用いた場合でも、上記と同等の効果が得られる。
＜変形例＞
以上、本発明に係る発光素子、それを用いた表示装置および照明装置、ならびに発光素子の製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施の形態では、低屈折率層と、屈折率分布レンズ（回折レンズ）と、高屈折率層とからなるレンズ層を備えた発光素子の構成を示したが、レンズ層が屈折率分布レンズ（回折レンズ）のみからなる構成であってもよい。例えば、図１７に示すように、発光素子１６０は、例えば、基板１１上に、電極１２と、発光層１３と、透明電極１４と、屈折率分布レンズ１６７とがこの順で積層されてなる積層構造を有する構成とすることができる。もっとも、この場合には、上記各式で用いられている屈折率ｎｉには、透明電極１４の屈折率が適用される。
（２）上記実施の形態では、透明電極の上に、低屈折率層と、屈折率分布レンズ（回折レンズ）と、高屈折率層とがこの順で積層されたレンズ層の構成を示したが、高屈折率層と低屈折率層との順序を変えて、透明電極の上に、高屈折率層と、屈折率分布レンズ（回折レンズ）と、高屈折率層とがこの順で積層されたレンズ層の構成としてもよい。
（３）上記実施の形態では、基板と反対側から光を取り出すトップエミッション構造としたが、基板側から光を取り出すボトムエミッション構造としてもよい。この場合には、透明基板を用いて、この透明基板と発光層との間に、屈折率分布レンズ（回折レンズ）を配置することでトップエミッションの場合と同等の効果が得られる。
（４）上記実施の形態では、各ゾーンが、１つの高屈折率輪帯部と１つの低屈折率輪帯部とからなる構成を示したが、各ゾーンが、低屈折率輪帯部および高屈折率輪帯部をそれぞれ複数備える構成にすることもできる。この場合には、上記各式のうちの一部の式で用いられている線幅ａのパラメータａおよび線幅ｂのパラメータｂには、ゾーン毎の各高屈折率輪帯部の線幅ａの合算値、および各低屈折率輪帯部の線幅ｂの合算値が用いられることになる。
（５）上記実施の形態では、低屈折率透明材料Ａからなる低屈折率輪帯部と、高屈折率透明材料Ｂからなる高屈折率輪帯部で構成されたゾーンを説明したが、屈折率の異なる３つ以上の透明材料のうち、１つの透明材料で形成された輪帯部と、他の透明材料で形成された輪帯部と、さらに他の透明材料で形成された輪帯部とを有するゾーンの構成とすることができる。各ゾーンの幅が発光層から出射される光の波長以下である限り、ゾーンを構成する輪帯部の数および透明材料の種類を適宜変更することができる。

また、ゾーン毎に、輪帯部の数、透明材料の種類およびゾーンの幅を適宜変更することができる。例えば、屈折率分布レンズまたは回折レンズが、１つ輪帯部からなるゾーンを有する構成とすることもできる。
（６）上記実施の形態では、低屈折率透明材料ＡとしてＳｉＯ_２、高屈折率透明材料ＢとしてＴｉＯ_２を用いた構成を示したが、低屈折率透明材料Ａおよび高屈折率透明材料Ｂを、ＴｉＯ_２，ＺｒＯ_２，Ｎｂ_２Ｏ_５，Ｓｉ_３Ｎ_４，Ｓｉ_２Ｎ_３およびＳｉＯ_２の中から選択することができる。さらに、低屈折率透明材料Ａとして空気を用いた構成としてもよい。もっともこの場合には、レンズ層において、透明電極側に高屈折率層を配置させた構成とするのが良い。
（７）上記実施の形態における製造方法では、パターニングの工程において、レジスト上に直接電子線描画を行う構成を示したが、フォトマスクに電子線描画による同心円状パターンを形成し、このフォトマスクを用いた露光によってレジストに同心円状パターンを転写する構成としてもよい。
（８）上記実施の形態において、各ゾーンの有効屈折率ｎ_ｅｆｆが、当該ゾーンの内周半径を距離ｒとして算出される構成を示したが、当該ゾーンの外周半径を距離ｒとして算出してもよく、また、当該ゾーンの内周および外周の中間の位置における同心円の中心からの距離をｒとして算出してもよい。

本発明は、平面光源及びフラットディスプレイなどに用いられる有機ＥＬ表示装置に利用可能である。

本発明の実施の形態１に係る発光素子の構成を示す模式断面図である。 図１の発光素子が備える屈折率分布レンズであって、（ａ）は、その模式断面図であり、（ｂ）は、その模式平面図である。 図２の屈折率分布レンズの屈折率分布を示す図である。 図２の屈折率分布レンズにおけるゾーン毎の高屈折率輪帯部の線幅を示す図である。 屈折率分布レンズの原理を説明する模式断面図である。 本発明の実施の形態１に係る製造方法であって、屈折率分布レンズの作製工程を説明する説明図である。 屈折率分布レンズの作製工程の要部であって、パターニング工程の領域の判定手順を示すフロー図である。 本発明の実施の形態２に係る発光素子の構成を示す模式断面図である。 図８の発光素子が備える回折レンズであって、（ａ）は、その模式断面図であり、（ｂ）は、その模式平面図である。 図９の回折レンズの屈折率分布を示す図である。 図９の有効屈折率ｎ０および回折レンズの厚みＬの限定範囲を示す図である。 図９の回折レンズにおけるゾーン毎の高屈折率輪帯部の線幅を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る有機ＥＬディスプレイが備える発光素子の模式断面図である。 図１３の発光素子が有する屈折率分布レンズの模式平面図である。 本発明の実施の形態３に係る製造方法であって、パターニング工程の判定の手順を示すフロー図である。 本発明の実施の形態４に係る照明装置であって、（ａ）は、そのＹ−Ｚ断面を示す模式図であり、（ｂ）は、そのＸ−Ｚ断面を示す模式図である。 変形例に係る発光素子の模式断面図である。

符号の説明

１０ 発光素子
１１ 基板
１２ 電極
１３ 発光層
１４ 電極
１４ 透明電極
１５ レンズ層
１６ 低屈折率層
１７ 屈折率分布レンズ
１８ 高屈折率層
２１，２２ バンク
２３ 封止層
２４ ガラス板
３０ ゾーン
３１ 高屈折率輪帯部
３２ 低屈折率輪帯部
４０ 屈折率分布曲線
４２ 屈折率分布曲線
４４ 低屈折率材の膜
４５ レジスト膜
４６ 電子線描画
４７ エッチング
５０ 光軸
５１ 点光源
５２ 光線
５３ 入射波面
６０ 発光素子
６６ 低屈折率層
６７ 回折レンズ
６８ 高屈折率層
７０ ゾーン
７１ 高屈折率輪帯部
７２ 低屈折率輪帯部
８０ 限定範囲
８１〜８５ ケース
１００ 有機ＥＬディスプレイ
１０１ バンク
１０３ 封止層
１０４ ガラス層
１１０，１２０，１３０ 発光素子
１１３，１２３，１３３ 発光層
１１７，１２７，１３７ 屈折率分布レンズ
１５０ 照明装置
１５１ ベース
１５２ 反射部材
１６０ 発光素子
１６７ 屈折率分布レンズ

Claims (22)

1. 第１電極層と、発光層と、第２電極層と、屈折率分布レンズとがこの順で積層されてなる積層構造を有し、
   前記屈折率分布レンズは、同心円状の輪帯部を複数有し、
   前記同心円の中心から半径方向外側に向かって所定数の輪帯部毎に１ゾーンとして区分され、各ゾーンでは、少なくとも1つの輪帯部の屈折率は他の輪帯部の屈折率と異なり、
   各ゾーンの幅は、前記発光層から出射される光の波長以下であり、
   前記同心円の中心から半径方向外側に向かうにつれてゾーンの有効屈折率が小さくなるように、１つのゾーンに含まれる所定数の輪帯部の各幅の比率が設定されている
   ことを特徴とする発光素子。
2. 前記屈折率分布レンズにおいて、前記ゾーン毎の有効屈折率は、
   前記同心円の中心から当該ゾーンまでの距離をｒ［μｍ］、前記同心円の中心を含むゾーンの有効屈折率をｎ０、当該屈折率分布レンズの焦点距離をｆ［μｍ］、当該屈折率分布レンズの厚みをＬ［μｍ］、前記屈折率分布レンズの光入射面側に隣接する層の屈折率をｎｉとした場合に、
   

   

   により得られる屈折率ｎ（ｒ）と一致する
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記所定数は２であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
4. 前記屈折率分布レンズと前記第２電極層との間に、透明層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
5. 前記透明層の屈折率が、前記複数の輪帯部の屈折率のうち最も低い屈折率と同じ値であることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
6. 第１電極層と、発光層と、第２電極層と、回折レンズとがこの順で積層されてなる積層構造を有し、
   前記回折レンズは、同心円状の輪帯部を複数有し、
   前記同心円の中心から半径方向外側に向かって所定数の輪帯部毎に１ゾーンとして区分され、各ゾーンでは、少なくとも1つの輪帯部の屈折率は他の輪帯部の屈折率と異なり、 各ゾーンの幅は、前記発光層から出射される光の波長以下であり、
   前記同心円の中心から半径方向外側に向かってゾーンの有効屈折率が周期的に鋸歯状に変化するように、１つのゾーンに含まれる所定数の輪帯部の各幅の比率が設定されている
   ことを特徴とする発光素子。
7. 前記回折レンズにおいて、前記ゾーン毎の有効屈折率は、
   前記同心円の中心から当該ゾーンまでの距離をｒ［μｍ］、前記同心円の中心から１つ目のゾーンの有効屈折率をｎ０、当該回折レンズの焦点距離をｆ［μｍ］、当該回折レンズの厚みをＬ［μｍ］、前記有効屈折率の変化における鋸歯状の周期の順番を０から始まる整数のｍ、前記発光層からの入射光の波長をλ、前記回折レンズの光入射面側に隣接する層の屈折率をｎｉとした場合に、
   

   

   により得られる屈折率ｎ（ｒ）と一致する
   ことを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
8. 前記周期の順番ｍが、小数点以下を切り下げる関数のＦｌｏｏｒを用いて、
   

   

   で求められることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
9. 前記所定数は２であることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
10. 前記各ゾーンに含まれる輪帯部のうち屈折率の高い方の輪帯部の屈折率をｎ_ｈｉｇｈとした場合において、
    前記有効屈折率ｎ０が、
    

    

    の範囲内に設定され、かつ前記厚みＬが、
    

    

    の範囲内に設定され、さらに、有効屈折率ｎ０と前記厚みＬとの関係が、
    

    

    を満たすように、前記同心円の中心から１つ目の前記ゾーンに含まれる２つの輪帯部の各幅の比率および前記厚みＬが設定されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
11. 前記回折レンズと前記第２電極層との間に、透明層が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
12. 前記透明層の屈折率が、前記複数の輪帯部のうち最も低い屈折率と同じ値であることを特徴とする請求項１１に記載の発光素子。
13. 前記各ゾーンの幅が、一定値に設定されていることを特徴とする請求項１または６に記載の発光素子。
14. 前記各輪帯部の幅が、４０ｎｍ以上に設定されていることを特徴とする請求項１または６に記載の発光素子。
15. 前記回折レンズにおいて、
    前記同心円の中心から当該ゾーンまでの距離をｒ［μｍ］、前記同心円の中心から１つ目のゾーンの有効屈折率をｎ０、当該回折レンズの焦点距離をｆ［μｍ］、当該回折レンズの厚みをＬ［μｍ］、前記有効屈折率の変化における鋸歯状の周期の順番を０から始まる整数のｍ、前記発光層からの入射光の波長をλ、前記回折レンズの光入射面側に隣接する層の屈折率をｎｉ、前記発光層からの入射光の波長をλ、ｎを３以上の整数、ａｎを第ｎ次の係数とした場合に、
    

    

    により得られる屈折率ｎ（ｒ）と一致する
    ことを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
16. 前記周期の順番ｍが、小数点以下を切り下げる関数のＦｌｏｏｒを用いて、
    

    

    で求められることを特徴とする請求項１５に記載の発光素子。
17. 前記複数の輪帯部が、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、窒化シリコン、酸化珪素、および空気のうちのいずれかで透明材料で形成されている
    ことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の発光素子。
18. 複数の画素を有し、各画素は請求項１〜１７のいずれか１項に記載された発光素子で構成されたことを特徴とする表示装置。
19. 前記発光素子において、前記発光層から出射される赤（Ｒ）、緑（Ｇ）または青（Ｂ）の光に応じて、前記各ゾーンに含まれる所定数の輪帯部のそれぞれの幅の比率が設定されている
    ことを特徴とする請求項１８に記載の表示装置。
20. 請求項１〜１７のいずれか１項に記載された発光素子を備えたことを特徴とする照明装置。
21. 第１電極層と、発光層と、第２電極層と、屈折率分布レンズとがこの順で積層されてなる積層構造を有し、
    前記屈折率分布レンズは、同心円状の輪帯部を複数有し、低屈折率と高屈折率の２種類の輪帯部が同心円の中心から半径方向外側に向かって交互に繰り返し配列され、同心円の中心から２個の輪帯部毎に１ゾーンとしたとき各ゾーンの幅は一定である発光素子の製造方法であって、
    前記屈折率分布レンズに含まれる２種類の輪帯部の一方に対応するレジストパターンを形成する工程と、
    前記レジストパターンを用いて前記屈折率分布レンズを形成する工程とを含み、
    前記レジストパターンを形成する工程は、
    レジスト膜を形成するサブ工程と、
    レジスト膜上面の任意の位置（ｘ，ｙ）を選択するサブ工程と、
    レジスト膜の前記同心円の中心に相当する基準位置（ｘ_０，ｙ_０）と前記選択位置（ｘ，ｙ）との距離ｒを算出するサブ工程と、
    算出された距離ｒおよびゾーンの幅ｃを用いて、前記選択位置（ｘ，ｙ）を含むゾーンの中心からの順番ｋを算出するサブ工程と、
    ゾーンの順番ｋ、ゾーンの幅ｃ［ｎｍ］、低屈折率ｎ_ｌｏｗ、高屈折率ｎ_ｈｉｇｈ、屈折率分布レンズの光入射面側に隣接する層の屈折率ｎｉ、屈折率分布レンズの焦点距離をｆ［μｍ］、屈折率分布レンズの厚みをＬ［μｍ］、同心円の中心から１番目のゾーンの有効屈折率をｎ０としたとき、各ゾーンにおける高屈折率の輪帯部の幅ａを次の式を用いて算出するサブ工程と、
    

    

    算出された距離ｒが次の式を満たすか否かにより前記選択位置（ｘ，ｙ）のレジスト膜を除去するか否かを判定するサブ工程と
    

    

    を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
22. 第１電極層と、発光層と、第２電極層と、回折レンズとがこの順で積層されてなる積層構造を有し、
    前記回折レンズは、同心円状の輪帯部を複数有し、低屈折率と高屈折率の２種類の輪帯部が同心円の中心から半径方向外側に向かって交互に繰り返し配列され、同心円の中心から２個の輪帯部毎に１ゾーンとしたとき各ゾーンの幅は一定である発光素子の製造方法であって、
    前記回折レンズに含まれる２種類の輪帯部の一方に対応するレジストパターンを形成する工程と、
    前記レジストパターンを用いて前記回折レンズを形成する工程とを含み、
    前記レジストパターンを形成する工程は、
    レジスト膜を形成するサブ工程と、
    レジスト膜上面の任意の位置（ｘ，ｙ）を選択するサブ工程と、
    レジスト膜の前記同心円の中心に相当する基準位置（ｘ_０，ｙ_０）と前記選択位置（ｘ，ｙ）との距離ｒを算出するサブ工程と、
    算出された距離ｒおよびゾーンの幅ｃを用いて、前記選択位置（ｘ，ｙ）を含むゾーンの中心からの順番ｋを算出するサブ工程と、
    ゾーンの順番ｋ、ゾーンの幅ｃ［ｎｍ］、低屈折率ｎ_ｌｏｗ、高屈折率ｎ_ｈｉｇｈ、回折レンズの光入射面側に隣接する層の屈折率ｎｉ、回折レンズの焦点距離をｆ［μｍ］、回折レンズの厚みをＬ［μｍ］、同心円の中心から１番目のゾーンの有効屈折率をｎ０としたとき、各ゾーンにおける高屈折率の輪帯部の幅ａを次の式を用いて算出するサブ工程と、
    

    

    算出された距離ｒが次の式を満たすか否かにより前記選択位置（ｘ，ｙ）のレジスト膜を除去するか否かを判定するサブ工程と
    

    

    を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。

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