JP2016021072A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトルミネッセンス材料を利用する新規な構造を有する発光素子を提供する。【解決手段】発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλａの光を発するフォトルミネッセンス層１１０と、フォトルミネッセンス層１１０を支持する基板１４０と、フォトルミネッセンス層１１０と基板１０４との間に位置し、フォトルミネッセンス層よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導層１０９と、フォトルミネッセンス層１１０、低熱伝導層１０９および基板１０４の少なくとも一つの表面に位置しており、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造１２０とを備え、表面構造１２０は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する。【選択図】図３５

Description

本開示は、発光素子に関し、特に、フォトルミネッセンス層を有する発光素子に関する。

照明器具、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスでは、多くの用途において、必要な方向に光を出射することが求められる。蛍光灯、白色ＬＥＤなどで使用されるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光する。よって、このような材料は、特定の方向のみに光を出射させるために、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。

特開２０１０−２３１９４１号公報

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る。これらの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。

本開示は、フォトルミネッセンス材料を利用する新規な構造を有する発光素子を提供する。

本開示のある実施形態の発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλａの光を発するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層を支持する基板と、前記フォトルミネッセンス層と前記基板との間に位置し、前記フォトルミネッセンス層よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導層と、前記フォトルミネッセンス層、前記低熱伝導層および前記基板の少なくとも一つの表面に位置しており、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造とを備え、前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの前記光の指向角を制限する。

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。

本開示のある実施形態によれば、フォトルミネッセンス材料を利用する新規な構造を有する発光素子を提供することができる。

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１Ａに示す発光素子の部分断面図である。 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１Ｃに示す発光素子の部分断面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 ２次元の周期構造の例を示す平面図である。 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。 発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 図８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。 発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 図１０と同様の条件で、周期構造の屈折率をｎ_p＝２．０とした場合の計算結果を示す図である。 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ｎ_wavを１．５に変更した場合の結果を示す図である。 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。 式（１５）の条件を図示したグラフである。 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。 ｘ方向の周期ｐ_xを有する１次元周期構造を示す図である。 ｘ方向の周期ｐ_x、ｙ方向の周期ｐ_yを有する２次元周期構造を示す図である。 図１７Ａの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。 図１７Ｂの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。 ２次元周期構造の一例を示す図である。 ２次元周期構造の他の例を示す図である。 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。 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。 複数の粉末状の発光素子を混ぜた構成を示す図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２７Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２７Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２７Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２７Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２８Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２８Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２８Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２８Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 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。 スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。 フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子における発光増強効果を受ける光の波長および出射方向との関係を説明するための模式図である。 発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。 一次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。 複数の２次元周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。 マイクロレンズを備える発光素子の模式的な断面図である。 発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する発光素子の模式的な断面図である。 発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する他の発光素子の模式的な断面図である。 低熱伝導層を有する発光素子の模式的な断面図である。 低熱伝導層を有する他の発光素子の模式的な断面図である。 低熱伝導層を有する他の発光素子の模式的な断面図である。 低熱伝導層を有する他の発光素子の模式的な断面図である。 低熱伝導層を有する他の発光素子の模式的な断面図である。 熱解析に用いた試料の構造を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層における発熱が３１．４ｍＷである場合における、低熱伝導層の厚さと、表面温度及び境界温度との関係を示す図である。 フォトルミネッセンス層における発熱が３４１ｍＷである場合における、低熱伝導層の厚さと、表面温度及び境界温度との関係を示す図である。 複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を有する表面構造の一例を示す模式的な断面図である。

［１．本開示の実施形態の概要］
本開示は、以下の項目に記載の発光素子を含む。
［項目１］
励起光を受けて空気中の波長がλａの光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層を支持する基板と、
前記フォトルミネッセンス層と前記基板との間に位置し、前記フォトルミネッセンス層よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導層と、
前記フォトルミネッセンス層、前記低熱伝導層および前記基板の少なくとも一つの表面に位置しており、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、
を備え、
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの前記光の指向角を制限する、発光素子。
［項目２］
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層の前記表面に位置している項目１に記載の発光素子。
［項目３］
励起光を受けて空気中の波長がλａの光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層を支持する基板と、
前記フォトルミネッセンス層と前記基板との間に位置し、前記フォトルミネッセンス層よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導層と、
前記フォトルミネッセンス層に設けられ、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、
前記透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、
を備え、
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの前記光の指向角を制限する、発光素子。
［項目４］
前記フォトルミネッセンス層と前記基板との間に位置するバリア層をさらに備える項目１から３のいずれかに記載の発光素子。
［項目５］
前記低熱伝導率層は前記基板よりも高いガラス転位点を有する項目１から４のいずれかに記載の発光素子。
［項目６］
前記基板のガラス転移点は６００℃以下である項目６に記載の発光素子。
［項目７］
前記低熱伝導率層は前記基板よりも高いガラス転位点を有する項目１から６のいずれかに記載の発光素子。
［項目８］
前記低熱伝導率層は酸化ケイ素を含む項目１から７のいずれかに記載の発光素子。
［項目９］
前記低熱伝導率層は前記フォトルミネッセンス層と前記基板との間の値の熱膨張係数を有する項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
［項目１０］
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの前記光の指向角を、１５°未満に制限する、項目１から４のいずれかに記載の発光素子。
［項目１１］
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層から出射される前記光の強度を、前記表面構造によって予め決められた第１の方向において最大にする擬似導波モードを、前記フォトルミネッセンス層の内部に形成する、項目１から９のいずれかに記載の発光素子。
［項目１２］
前記表面構造における隣接する２つの凸部間または隣接する２つの凹部間の距離をＤ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、項目１から９のいずれかに記載の発光素子。
［項目１３］
前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を有し、
空気中の波長がλ_aの前記光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、項目１から９のいずれかに記載の発光素子。

本開示の実施形態による発光素子は、前記励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発する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の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する前記光の指向角を制限する。波長λ_a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。赤外線を利用する用途では、波長λ_aは、７８０ｎｍを超える場合もあり得る。一方、紫外線を利用する用途では、波長λ_aは、３８０ｎｍ未満の場合もあり得る。本開示では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。

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。

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、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）で形成され得る。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。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。

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表面には、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造が形成される。ここで「表面」とは、他の物質と接している部分（即ち界面）を意味する。透光層が空気等の気体の層である場合は、その気体の層と他の物質（例えばフォトルミネッセンス層）との間の界面が、透光層の表面である。この表面構造は、「凹凸構造」と称することもできる。表面構造は、典型的には、複数の凸部または複数の凹部が一次元または二次元に周期的に配列された部分を含む。そのような表面構造は、「周期構造」と称することができる。複数の凸部および複数の凹部は、互いに接する２つの屈折率の異なる部材（または媒質）の境界に形成される。したがって、「周期構造」は、ある方向に屈折率が周期的に変動する部分を含む構造といえる。ここで「周期的」とは、厳密に周期的である態様に限定されず、近似的に周期的であるといえる態様を含む。本明細書において、連続する複数の凸部または凹部のうち、隣接する２つの中心間の距離（以下、「中心間隔」と称することがある。）が、いずれの２つの隣接する凸部または凹部についても、ある値ｐの±１５％以内の範囲に収まっているとき、その部分は、周期ｐを有する周期構造であると考える。

本明細書において「凸部」は、基準の高さの部分に対して盛り上がった部分を意味する。「凹部」は、基準の高さの部分に対して窪んだ部分を意味する。凸部および凹部の形状、サイズ、分布によっては、いずれが凸部でいずれが凹部かが容易に判断できない場合があり得る。例えば、図４２に示す断面図では、部材６１０が凹部を有し、部材６２０が凸部を有していると解釈することもできれば、その逆の解釈も可能である。どのように解釈したとしても、部材６１０および部材６２０の各々が、複数の凸部および凹部の少なくとも一方を有するといえることには変わりはない。

表面構造における隣接する２つの凸部または隣接する２つの凹部の中心間の距離（周期構造においては周期ｐ）は、典型的にはフォトルミネッセンス層が発する光の空気中における波長λ_aよりも短い。フォトルミネッセンス層から発せられる光が可視光、短波長の近赤外線、または紫外線の場合、その距離はマイクロメートルのオーダー（即ちミクロンオーダー）よりも短い。よって、そのような表面構造を、「サブミクロン構造」と称することがある。「サブミクロン構造」が一部に１マイクロメートル（μｍ）を超える中心間隔または周期を有する部分を含んでいてもよい。以下の説明では、可視光を発するフォトルミネッセンス層を主に想定し、表面構造を意味する用語として「サブミクロン構造」の用語を主に用いる。しかし、サブミクロンオーダーを超える微細構造（例えば、赤外線を利用する用途で使用されるミクロンオーダーの微細構造）を有する表面構造についても、以下の議論は全く同様に成立する。

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（即ち表面構造）と相互作用して形成される。このような電場分布を形成する光のモードを「擬似導波モード」と表現することができる。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。その説明は、１つの例示的な説明に過ぎず、本開示をいかなる意味においても限定するものではない。

サブミクロン構造は、例えば複数の凸部を含み、隣接する凸部間の中心間距離をＤ_intとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係を満足し得る。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ものとして説明する。λは光の波長を表し、λ_aは空気中での光の波長であることを表現する。ｎ_wav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ｎ_wavとする。一般に屈折率ｎは波長に依存するので、λ_aの光に対する屈折率であることをｎ_wav-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。ｎ_wav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ｎ_wav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。

擬似導波モードの光に対する媒質の有効屈折率をｎ_effとすると、ｎ_a＜ｎ_eff＜ｎ_wavを満たす。ここで、ｎ_a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ｎ_effは、ｎ_eff＝ｎ_wavｓｉｎθと書ける。また、有効屈折率ｎ_eff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ｎ_effは異なり得る。

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λ_a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λ_a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。

サブミクロン構造が、上記のように、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係を満足するとき、可視光を利用する用途では、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つの周期構造を含み得る。少なくとも１つの周期構造は、周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_a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Ｄ_intがｐ_aで一定の周期構造を含み得る。サブミクロン構造がこのような周期構造を含むと、擬似導波モードの光は、伝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。

以上のようなメカニズムを利用すれば、擬似導波モードにより電場が増強される効果によって、フォトルミネッセンスの発光効率が増大するとともに、発生した光が擬似導波モードに結合する。擬似導波モードの光は、周期構造で規定される回折角度だけ進行角度が曲げられる。これを利用することによって、特定の波長の光を特定の方向に出射することができる。すなわち、周期構造が存在しない場合と比較して、指向性が顕著に向上する。さらに、ＴＥモードとＴＭモードとで有効屈折率ｎ_eff（＝ｎ_wavｓｉｎθ）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、正面方向に出射する光の指向角は例えば１５°未満である。ここで「指向角」とは、出射する特定の波長の直線偏光について、強度が最大である方向と、強度が最大強度の５０％になる方向との間の角度と定義される。すなわち、指向角は強度が最大である方向を０°とした場合の片側の角度である。このように、本開示の実施形態における周期構造（即ち表面構造）は、特定の波長の光の指向角を制限する。言い換えれば、当該波長λ_aの光の配光を、周期構造がない場合と比較して狭角にする。このような、周期構造が存在しない場合と比較して指向角が低減された配光を、「狭角配光」と称することがある。本開示の実施形態における周期構造は、波長λａの光の指向角を制限するが、波長λａの光の全てを狭角に出射するのではない。例えば後述する図２９に示す例では、強度が最大になる方向から離れた角度（例えば２０°〜７０°）の方向にも波長λａの光が僅かに出射する。しかし、全体的には、波長λａの出射光が０°〜２０°の範囲に集中しており、指向角が制限されている。

なお、本開示の典型的な実施形態における周期構造は、一般的な回折格子とは異なり、光の波長λ_aよりも短い周期を有する。一般的な回折格子は、光の波長λ_aよりも十分に長い周期を有し、その結果、特定の波長の光を０次光（即ち透過光）、±１次回折光などの複数の回折光に分けて出射させる。そのような回折格子は、高次の回折光が０次光の両側に発生する。回折格子における、０次光の両側に発生する高次の回折光は、狭角配光の実現を困難にする。言い換えれば、従来の回折格子は、光の指向角を所定の角度（例えば１５°程度）に制限するという本開示の実施形態に特有の効果を奏しない。この点で、本開示の実施形態における周期構造は、従来の回折格子とは顕著に異なる性質を有する。

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。

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。

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λ_ex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ｎ_wav-exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜Ｄ_int＜λ_exの関係が成り立つサブミクロン構造を用いればよい。ｎ_wav-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ｐ_exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜ｐ_ex＜λ_ex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λ_ex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。

［２．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。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（若しくは小さくできる）。これにより、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。

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。

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。

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。本開示の実施形態では、フォトルミネッセンス層へ光を閉じ込める効果により、特定方向の電場成分が増強された擬似導波モードを利用する。そのための構成について検討し、詳細に分析した結果を以下に説明する。

［３．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、発生した光を導波モードに結合させることができる。しかし、ただ単にフォトルミネッセンス材料を用いて導波構造を形成しただけでは、発せられた光が導波モードとなるため、正面方向へはほとんど光は出てこない。そこで、本願発明者らは、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と周期構造とを組み合わせることを考えた。導波路に周期構造が近接し、光の電場が周期構造と重なりながら導波する場合、周期構造の作用により擬似導波モードが存在する。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。

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）によって構成することで、発生した光を、特定方向の伝播光に変換される擬似導波モードに結合させ、指向性のある光源を実現することを考えた。

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るので、フォトルミネッセンス層で生じた光の大部分を導波モードに結合させることができる。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。

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。

周期構造を金属で形成した場合には、導波モードとプラズモン共鳴の効果によるモードが形成される。このモードは、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質を有する。また、このモードは金属による吸収が大きいためロスが大きくなり、発光増強の効果は小さくなる。したがって、周期構造としては、吸収の少ない誘電体を用いるのが望ましい。

本発明者らは、まずこのような導波路の表面に、周期構造を形成することで、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、発生した光を結合させることを検討した。図１Ａは、そのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）１１０と周期構造（例えば、透光層の一部）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、透光層が周期構造を有している場合（即ち、透光層に周期的なサブミクロン構造が形成されている場合）、周期構造１２０を透光層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ｋ_wav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ｋ_outは以下の式（２）で表すことができる。

式（２）におけるｍは整数であり、回折の次数を表す。

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θ_wav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。

これらの式において、λ₀は光の空気中の波長、ｎ_wavは導波路の屈折率、ｎ_outは出射側の媒質の屈折率、θ_out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θ_outは、以下の式（５）で表すことができる。

式（５）より、ｎ_wavｓｉｎθ_wav＝ｍλ₀／ｐが成立するとき、θ_out＝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。

以上のような原理に基づけば、発生した光を特定の擬似導波モードに結合させ、さらに周期構造を利用して特定の出射角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。

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。

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＜ｓｉｎθ_out＜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。

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。

さらに、導波路１１０から出射される光の方向を正面方向（θ_out＝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。

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。

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。

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、ｎ_out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。

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ｎ_sが空気の屈折率よりも大きいことから、式（１１）においてｎ_out＝ｎ_s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。

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。

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。

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。

［４．計算による検証］
［４−１．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。

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ｎ_wav＝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。

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。

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。

［４−２．厚さ依存性］
図４は、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav＝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。

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。

［４−３．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。

［４−４．２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、２^1/2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。

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。

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。

［５．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。

［５−１．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ｎ_wav＝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。

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。

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。

［５−２．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ｎ_wav＝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ｎ_p＝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ｎ_p＝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ｎ_wavが周期構造の屈折率ｎ_p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ｎ_wavが周期構造の屈折率ｎ_p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ｎ_wavが周期構造の屈折率ｎ_p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。

［５−３．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ｎ_pがフォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wav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。

［５−４．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ｎ_wav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ｎ_wav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＜ｎ_wav×ｐ／ｍ＝１．５×４００ｎｍ／１＝６００ｎｍとなるからである。

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。

［６．変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。

［６−１．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ｎ_sはフォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wav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ｎ_outをｎ_s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。

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ｎ_out＝ｎ_s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。

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。

［６−２．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。励起光は、フォトルミネッセンス層１１０の主面（即ち、上面または下面）に垂直な方向に対して傾斜した方向から（即ち、斜めに）入射させてもよい。励起光を、フォトルミネッセンス層１１０内で全反射が生じる角度で斜めに入射させることにより、より効率的に発光させることができる。

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１７Ａから図１７Ｄ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１７Ａに示すように、発光増強のためにｘ方向の周期ｐ_xを決定し、続いて、図１７Ｂ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ｐ_yを決定する。周期ｐ_xは、式（１０）においてｐをｐ_x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ｐ_yは、ｍを１以上の整数、励起光の波長をλ_ex、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ｎ_outとして、以下の式（１６）を満足するように決定される。

ここで、ｎ_outは、図１７Ｂの例では透明基板１４０のｎ_s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。

特に、ｍ＝１として、次の式（１７）を満足するように周期ｐ_y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。

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ｐ_y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λ_exの励起光を吸収させることができる。

図１７Ｃおよび図１７Ｄは、それぞれ、図１７Ａおよび図１７Ｂ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、ｐ_x＝３６５ｎｍ、ｐ_y＝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λ_exを約４５０ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の消衰係数を０．００３としている。図１７Ｄ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１７Ｂ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（周期成分と称する。）を有する２次元周期構造である。このように、複数の周期成分を有する２次元周期構造を用いることにより、励起効率を高めつつ、出射強度を高めることが可能になる。なお、図１７Ａ、１７Ｂでは励起光を基板１４０側から入射させているが、周期構造１２０側から入射させても同じ効果が得られる。

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。

［６−３．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が形成されている。その結果、フォトルミネッセンス層１１０の表面にも同じ周期の周期構造１２０ｂが形成されている。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。

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ｎ_wav＝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ｎ_p＝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。

［６−４．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。

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。

［６−５．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。

［６−６．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。

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。

［６−７．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。

［７．材料］
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。

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。

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⁺、ＣａＳｉ_12-(m+n)Ａｌ_(m+n)Ｏ_nＮ_16-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。

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。

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、ＭｇＦ₂（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ₂（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ₂（石英）、ガラス、樹脂が挙げられる。なお、基板１４０を介さずにフォトルミネッセンス層１１０に励起光を入射させるような構成においては、基板１４０が透明であることは必須ではない。基板１４０は、例えば、ＢａＦ₂、ＳｒＦ₂、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、ＳｒＴｉＯ₃、ＬａＡｌＯ₃、ＴｉＯ₂、Ｇｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂、ＬａＳｒＡｌＯ₄、ＬａＳｒＧａＯ₄、ＬａＴａＯ₃、ＳｒＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ₂・Ｙ₂Ｏ₃）、ＹＡＧ、Ｔｂ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂を用いて形成されてもよい。

［８．製造方法］
続いて、製造方法の一例を説明する。

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。

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。

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。

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。

[９．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。

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。

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。

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２７Ａ〜２７Ｆおよび図２８Ａ〜２８Ｆに示す。図２７Ａは、ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２７Ｂおよび図２７Ｃは、このように回転させた場合についての測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図２７Ｄは、ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２７Ｅおよび図２７Ｆは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。図２８Ａは、ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２８Ｂおよび図２８Ｃは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図２８Ｄは、ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２８Ｅおよび図２８Ｆは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。 図２７Ａ〜２７Ｆおよび図２８Ａ〜２８Ｆから明らかなように、ＴＭモードの方が増強される効果が高い。また、増強される光の波長は角度によってシフトすることがわかる。例えば、波長６１０ｎｍの光については、ＴＭモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性が高くかつ偏光発光していることがわかる。また、図２７Ｂと図２７Ｃ、図２７Ｅと図２７Ｆ、図２８Ｂと図２８Ｃ、図２８Ｅと図２８Ｆのそれぞれの測定結果と計算結果とが整合していることから、上述の計算の妥当性が実験によって裏付けられた。

図２９は、波長６１０ｎｍの光について、図２８Ｄに示すように、ライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合の強度の角度依存性を示している。正面方向に強い発光増強が起きており、そのほかの角度に対しては、ほとんど光が増強されていない様子がみてとれる。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、前述のように、強度が最大強度の５０％となる角度であり、最大強度の方向を中心に片側の角度で表す。図２９に示す結果から、指向性発光が実現していることがわかる。さらに、出射される光は全て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。

以上の検証のための実験は、広帯域の波長帯で発光するＹＡＧ：Ｃｅを使って行った。狭帯域の光を発するフォトルミネッセンス材料を用いて同様の構成で実験を行ったとしても、その波長の光に対して高い指向性および偏光発光を実現することができる。さらに、そのようなフォトルミネッセンス材料を用いた場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や他の偏光状態の光は発生しない光源を実現することができる。

[１０．他の変形例］
次に、本開示の発光素子および発光装置の他の変形例を説明する。

[１０−１．視角依存性を低減させる構造]
上述したように、本開示の発光素子が有するサブミクロン構造によって、発光増強効果を受ける光の波長および出射方向は、サブミクロン構造の構成に依存する。図３１に示す、フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子を考える。ここでは、周期構造１２０はフォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成されており、図１Ａに示した１次元周期構造１２０を有する場合を例示する。１次元周期構造１２０によって発光増強を受ける光は、１次元周期構造１２０の周期ｐ（ｎｍ）、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率ｎ_wav、光が出射される外部の媒質の屈折率ｎ_outとし、１次元周期構造１２０への入射角をθ_wav、１次元周期構造１２０から外部の媒質への出射角をθ_outとすると、ｐ×ｎ_wav×ｓｉｎθ_wav−ｐ×ｎ_out×ｓｉｎθ_out＝ｍλの関係を満足する（上記の式（５）参照）。ここで、λは空気中における光の波長であり、ｍは整数である。

上記式から、θ_out＝ａｒｃｓｉｎ［（ｎ_wav×ｓｉｎθ_wav−ｍλ／ｐ）／ｎ_out］が得られる。したがって、一般に、波長λが異なると、発光増強を受けた光の出射角θ_outが異なる。その結果、図３１に模式的に示すように、観察する方向によって、見える光の色が異なる。

この視角依存性を低減させるためには、（ｎ_wav×ｓｉｎθ_wav−ｍλ／ｐ）／ｎ_outが、波長λによらず一定となるように、ｎ_wavおよびｎ_outを選べばよい。物質の屈折率は、波長分散（波長依存性）を有しているので、（ｎ_wav×ｓｉｎθ_wav−ｍλ／ｐ）／ｎ_outが波長λに依存しないような、ｎ_wavおよびｎ_outの波長分散性を有する材料を選択すればよい。例えば、外部の媒質が空気の場合、ｎ_outは、波長によらずほぼ１．０なので、フォトルミネッセンス層１１０および一次元周期構造１２０を形成する材料として、屈折率ｎ_wavの波長分散が小さい材料を選択することが望ましい。さらに、屈折率ｎ_wavがより短い波長の光に対して屈折率が低くなるような逆分散の材料のほうが望ましい。

[１０−２．白色光を出射する構造]
また、図３２Ａに示すように、互いに発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列することによって、白色光を出射できるようにできる。図３２Ａに示す例では、赤色光（Ｒ）を増強できる周期構造１２０ｒと、緑色光（Ｇ）を増強できる周期構造１２０ｇと、青色光（Ｂ）を増強できる周期構造１２０ｂとがマトリクス状に配列されている。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂは、例えば、１次元周期構造で、それぞれの凸部は互いに平行に配列されている。したがって、偏光特性は、赤、緑、青の全ての色の光について同じである。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂによって、発光増強を受けた三原色の光が出射され、混色される結果、白色光、かつ、直線偏光が得られる。

マトリクス状に配列された各周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂを単位周期構造（または画素）と呼ぶと、単位周期構造の大きさ（即ち、一辺の長さ）は、例えば、周期の３倍以上である。また、混色の効果を得るためには人間の目で単位周期構造が認識されない方が望ましく、例えば、一辺の長さは１ｍｍよりも小さいことが望ましい。ここでは、各単位周期構造を正方形に描いているが、これに限られず、例えば、互いに隣接する周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂが長方形、三角形、六角形などの正方形以外の形状でもよい。

また、周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂの下に設けられているフォトルミネッセンス層は、周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂに共通であってもよいし、それぞれの色の光に対応して異なるフォトルミネッセンス材料を有するフォトルミネッセンス層を設けてもよい。

図３２Ｂに示すように、１次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造（周期構造１２０ｈ、１２０ｉおよび１２０ｊを含む）を配列してもよい。複数の周期構造が発光増強する光の波長は、同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば、同じ周期構造を図３２Ｂのように配列すると、偏光していない光を得ることができる。また、図３２Ａにおける周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂのそれぞれについて、図３２Ｂの配列を適用すると、全体として、非偏光の白色光を得ることができる。

もちろん、周期構造は、１次元周期構造に限らず、図３２Ｃに示すように、複数の２次元周期構造（周期構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎを含む）を配列してもよい。このとき、周期構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎの周期や方位は、上述したように、同じでもよいし、異なってもよく、必要に応じて適宜設定され得る。

図３３に示すように、例えば、発光素子の光の出射側にマイクロレンズ１３０のアレイを配置してもよい。マイクロレンズ１３０のアレイにより、斜め方向に出射される光を法線方向に曲げることによって、混色の効果を得ることができる。

図３３に示した発光素子は、図３２Ａにおける周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂをそれぞれ有する領域Ｒ１、Ｒ２およびＲ３を有する。領域Ｒ１においては、周期構造１２０ｒによって、赤色光Ｒが法線方向に出射され、例えば緑色光Ｇは斜め方向に出射される。マイクロレンズ１３０の屈折作用によって、斜め方向に出射された緑色光Ｇは法線方向に曲げられる。その結果、法線方向においては、赤色光Ｒと緑色光Ｇとが混色されて観察される。このように、マイクロレンズ１３０を設けることによって、出射される光の波長が角度によって異なるという現象が抑制される。ここでは、複数の周期構造に対応する複数のマイクロレンズを一体化したマイクロレンズアレイを例示しているが、これに限られない。もちろん、タイリングする周期構造は上記の例に限られず、同じ周期構造をタイリングした場合にも適用できるし、図３２Ｂまたは図３２Ｃに示した構成にも適用できる。

斜め方向に出射される光を曲げる作用を有する光学素子は、マイクロレンズアレイに代えてレンチキュラーレンズであってもよい。また、レンズだけでなく、プリズムを用いることもできる。プリズムのアレイを用いてもよい。周期構造に対応して個々にプリズムを配置してもよい。プリズムの形状は、特に制限されない。例えば、三角プリズムまたはピラミッド型プリズムを用いることができる。

白色光（あるいは、広いスペクトル幅を有する光）を得る方法は、上述の周期構造によるものの他、例えば、図３４Ａおよび図３４Ｂに示すように、フォトルミネッセンス層によるものもある。図３４Ａに示すように、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層１１０ｂ、１１０ｇ、１１０ｒを積層することによって、白色光を得ることができる。積層順は図示の例に限らない。また、図３４Ｂに示すように、青色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｂの上に、黄色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｙを積層してもよい。フォトルミネッセンス層１１０ｙは、例えばＹＡＧを用いて形成することができる。

この他、蛍光色素などマトリクス（ホスト）材料に混合して用いられるフォトルミネッセンス材料を用いる場合には、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス材料をマトリクス材料に混合し、単一のフォトルミネッセンス層で、白色光を発光するようにできる。この様な白色光を発光できるフォトルミネッセンス層は、図３２Ａ、図３２Ｂ、図３２Ｃを参照して説明した、単位周期構造をタイリングした構成に用いることができる。
[１０−３．低熱伝導層を備える構造]
本開示の発光素子において、フォトルミネッセンス層１１０を励起するとフォトルミネッセンス層１１０において発熱が生じる。例えば、波長４５０ｎｍの光でフォトルミネッセンス層１１０を励起し、中心波長５５０ｎｍのフォトルミネッセンスを得る場合、変換効率が１００％であっても、ストークスロスにより約２０％は熱になる。原理的にこの発熱を抑えることは困難である。このため、例えば、励起光の強度が５Ｗである場合、１Ｗ程度の発熱が生じる。

本開示の発光素子において、基板は、フォトルミネッセンス層における発熱を考慮すべき構成要素の１つである。基板は、発光素子の構造を支持する機能を有し、種々の材料によって形成し得るが、材料によって耐熱性に差異がある。例えば、安価なガラス基板や樹脂基板は、耐熱性が低く、石英基板は高い耐熱性を有するが、比較的高価である。以下の形態の発光素子は、耐熱性が高くない基板が使用可能なように、フォトルミネッセンス層と基板との間に低熱伝導性層を備える。以下、低熱伝導層を備える発光素子の形態を説明する。

図３５に示す発光素子は、基板１４０と、低熱伝導層１０９と、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とを含む。低熱伝導層１０９は、フォトルミネッセンス層１１０と基板１４０との間に位置している。周期構造１２０は、フォトルミネッセンス層１１０、低熱伝導層１０９および基板１０４の少なくとも一つの表面に位置している。図３５に示す形態では、周期構造１２０は、フォトルミネッセンス層１１０の上面１１０ｕ、つまり、低熱伝導層１０９が設けられていない側に位置しており、フォトルミネッセンス層１１０の表面に一体的に形成されている。周期構造１２０がフォトルミネッセンス層１１０に位置していない場合には、上述した定義に従い、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とは近接している。

低熱伝導層１０９はフォトルミネッセンス層１１０よりも小さい熱伝導率を有する。例えば、フォトルミネッセンス層１１０の熱伝導率は概ね１０Ｗ／ｍ・Ｋである。具体的には、フォトルミネッセンス層１１０がＹＡＧによって形成される場合、フォトルミネッセンス層１１０の熱伝導率は１１〜１４Ｗ／ｍ・Ｋである。このため、低熱伝導層１０９は概ね１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有する。また、低熱伝導層１０９は基板１４０よりも小さいガラス転位点を有する。基板１４０は６００℃以下のガラス転位点を有していてもよい。つまり、ガラス転位点の低い安価なガラス基板であってよい。

低熱伝導層１０９は具体的には、酸化ケイ素、ジルコニア、アルミナ等の材料によって形成されている。より具体的には、スパッタ、蒸着等の薄膜形成技術によって形成された酸化ケイ素膜、ジルコニア、アルミナなどである。基板１４０は、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス、樹脂等から形成されている。

図３５に示すように、フォトルミネッセンス層１１０において、上述した理由により発生した熱は、フォトルミネッセンス層１１０内においては等方的に伝導する。しかし、低熱伝導層１０９の熱伝導率が低いため、フォトルミネッセンス層１１０から低熱伝導層１０９へは伝導しにくい。このため、発生した熱は、基板１４０へは伝導しにくく、フォトルミネッセンス層１１０内において、フォトルミネッセンス層１１０と平行な方向に伝導する。その結果、基板１４０の温度が上昇するのが抑制される。

耐熱性の低い基板は、高温に曝されると、熱膨張率が大きいため、急激な加熱による熱衝撃によって基板が割れる、ガラス転位点が低いため、基板が変質する、基板に変形が生じ、素子の構造に歪みが生じるなどの課題が生じ得る。これに対し、図３５に示す発光素子によれば、上述したように基板１４０の温度が上昇するのが抑制される。このため、このような課題の発生を抑制し、安価で耐熱性の低い基板を使用することが可能となる。よって発光素子の製造コストを低減することもできる。

また、応力緩和の観点から、低熱伝導層１０９は、フォトルミネッセンス層１１０と基板１０４との間の値の熱膨張係数を有していてもよい。これにより、上述した基板１０４への熱伝導の抑制に加え、安価な基板１０４の熱膨張によって生じるフォトルミネッセンス層１１０への圧縮応力を緩和させることができる。

低熱伝導層１０９の好ましい厚さは、発光素子のフォトルミネッセンス層で発生する熱および使用する基板の材料などに依存する。しかし、低熱伝導層１０９が設けられていれば、低熱伝導層１０９を有していない発光素子よりも基板の温度の上昇は抑制される。低熱伝導層１０９の厚さと基板１４０の温度との関係については、以下の実施例において例示する。

発光素子はフォトルミネッセンス層１１０と基板との間に低熱伝導層１０９が位置している限り、周期構造１２０は、種々の位置に設けてもよい。例えば、図３６に示すように、発光素子において、周期構造１２０ａは、低熱伝導層１０９に設けられていてもよい。具具体的には、周期構造１２０は低熱伝導層１０９の上面に位置している。低熱伝導層１０９の上面１０９ｕはフォトルミネッセンス層１１０に接しており、フォトルミネッセンス層１１０の上面１１０ｕは周期構造１２０ａに追従した周期構造１２０ｂを有している。また図３７に示すように、フォトルミネッセンス層１１０の上面１１０ｕは平坦であってもよい。

また、周期構造は、基板１４０、低熱伝導層１０９およびフォトルミネッセンス層以外の構成要素に設けられていてもよい。図３８に示す発光素子は、基板１４０、と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と基板との間に位置する低熱伝導層１０９と、透光層１２５とを備える。透光層１２５は、フォトルミネッセンス層１１０に設けられ、フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する。具体的には、透光層１２５は、フォトルミネッセンス層１１０の上面１１０ｕに接しており、透光層１２５の上面１２５ｕに周期構造１２０が設けられている。この場合、透光層１２５の屈折率およびフォトルミネッセンス層１１０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ｎ_wavとして、上述した関係を満たしている。

基板１０４として耐熱性の低いガラス基板を用いる場合、ガラス基板中には、石英基板に比べ多くのアルカリ金属が含まれる。低熱伝導層１０９によって、発光素子の動作中における基板１０４の温度の上昇は抑制されるが、室温よりはかなり高い温度となるため、アルカリ金属がフォトルミネッセンス層へ拡散し得る。その結果、フォトルミネッセンス層１１０の発光特性を低下させる場合がある。つまり、長時間動作により発光素子の発光強度が徐々に低下する可能性がある。このアルカリ金属の拡散を抑制するため、発光素子は、図３９に示すように、フォトルミネッセンス層１１０と基板１０４との間にバリア層１０８をさらに備えていてもよい。バリア層１０８を構成する材料は、例えば、基板１４０からの拡散を防止すべき元素の特性に応じて選択することができる。共有結合性の強い酸化物または窒化物は、種々の元素に対して拡散を抑制することができ、バリア層として好適に用いることができる。図３９に示す形態では、低熱伝導層１０９の上面１０９ｕに周期構造１２０が位置しており。バリア層１０８は周期構造１２０に追従するように設けられている。この形態によれば、フォトルミネッセンス層１１０に接してバリア層１０８が設けられているため、バリア層１０８は基板１０４のみならず、低熱伝導層１０９にアルカリ金属が含まれる場合にも、アルカリ金属のフォトルミネッセンス層１１０への拡散を抑制することができる。

また、低熱伝導層１０９がアルカリ金属を実質的に含んでおらず、例えば、上述したように、共有結合性の強い酸化物または窒化物で形成されている場合には、低熱伝導層１０９はバリア層としても機能する。
えば、フォトルミネッセンス層１１０が結晶性のＣｅドープＹＡＧによって構成されている場合、バリア層は、珪素を含まない酸化物または窒化物によって構成することができる。より具体的には、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化イットリウムなどによってバリア層を形成することができる。

以下、フォトルミネッセンス層を励起した場合の発熱量および低熱伝導層の効果を確認するために熱解析を行った。計算には計算ツールはアンシス・ジャパン社製のソフトウェアＡＮＳＹＳを用いた。図４０に示すように、基板１０４、低熱伝導層１０９およびフォトルミネッセンス層１１０として、それぞれ表１に示す厚さおよび熱伝導率を用いた。

試料の周囲は、対流している空気を想定して１０Ｗｍ^-2Ｋ^-1の熱伝導率を有する媒質で満たされているとして計算した。基板の大きさは２ｍｍ×２ｍｍであり、フォトルミネッセンス層１１０中に直径２００μｍの発熱領域１１０ｒを設定した。設定した熱伝導率にほぼ等しい材料は、例えば、基板１０４はソーダガラスであり、低熱伝導層１０９は酸化ケイ素であり、フォトルミネッセンス層１１０はＹＡＧである。

発熱領域１１０ｒにおける発熱量３１．４ｍＷおよび３４１ｍＷとし、低熱伝導層１０９の厚さを１μｍから１００μｍまで変化させ、フォトルミネッセンス層１１０の上面１１０ｕにおける温度と基板１０４と低熱伝導層１０９との界面温度を計算した。

発熱量３１．４ｍＷおよび３４１ｍＷとである場合の結果を図４１Ａおよび図４１Ｂに示す。図４１Ａおよび図４１Ｂから分かるように、低熱伝導層１０９の厚さが変化してもフォトルミネッセンス層１１０の上面１１０ｕ、つまり表面温度はほとんど変化せず、発熱量が３１．４ｍＷおよび３４１ｍＷである場合、それぞれ１０５℃および８５０℃程度である。発熱量が３４１ｍＷであれば、フォトルミネッセンス層１１０が発する熱量はかなり多く、安価なガラス基板のガラス転位点である６００℃よりもはるかに高い温度にまでフォトルミネッセンス層１１０が加熱されるのが分かる。

図４１Ａに示すように、発熱量が３１．４ｍＷである場合、低熱伝導層１０９の厚さが３μｍ程度で、界面温度は下がり始める。低熱伝導層の厚さが約３０μｍである場合、界面温度は９５℃程度にまでさがる。

また、図４１Ｂに示すように、発熱量が３４１ｍＷである場合、低熱伝導層１０９の厚さが３μｍ程度で、界面温度は下がり始める。低熱伝導層の厚さが約３０μｍである場合、界面温度は７５０℃程度にまで下がる。

これらの結果から、低熱伝導層１０９をフォトルミネッセンス層１１０と基板１０４との間に設けることによって、基板１０４へ伝導する熱を抑制し得ることが分かった。また、フォトルミネッセンス層１１０で発生する熱量や、基板１０４に求められる耐熱性に応じて低熱伝導層１０９の厚さを決定し得ることが分かった。

本開示の発光素子は、照明器具、ディスプレイ、プロジェクターをはじめ、種々の光学デバイスに適用され得る。

１００、１００ａ 発光素子
１１０ フォトルミネッセンス層（導波層）
１０８ バリア層
１０９ 低熱伝導層
１２０、１２０’、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ 透光層（周期構造、サブミクロン構造）
１４０ 透明基板
１５０ 保護層
１８０ 光源
２００ 発光装置
５００ 光源ユニット（発光装置）
５１０ 励起光源
５２０ コリメートレンズ
５３０ リフレクター
５４０ 支持体
５５０ レンズ
５６０ フィルター
５７０ 角度調整機構（回転軸）
５８０ レーザーモジュール
７００ 発光素子

Claims (13)

1. 励起光を受けて空気中の波長がλａの光を発するフォトルミネッセンス層と、
   前記フォトルミネッセンス層を支持する基板と、
   前記フォトルミネッセンス層と前記基板との間に位置し、前記フォトルミネッセンス層よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導層と、
   前記フォトルミネッセンス層、前記低熱伝導層および前記基板の少なくとも一つの表面に位置しており、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、
   を備え、
   前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの前記光の指向角を制限する、発光素子。
2. 前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層の前記表面に位置している請求項１に記載の発光素子。
3. 励起光を受けて空気中の波長がλａの光を発するフォトルミネッセンス層と、
   前記フォトルミネッセンス層を支持する基板と、
   前記フォトルミネッセンス層と前記基板との間に位置し、前記フォトルミネッセンス層よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導層と、
   前記フォトルミネッセンス層に設けられ、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、
   前記透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、
   を備え、
   前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの前記光の指向角を制限する、発光素子。
4. 前記フォトルミネッセンス層と前記基板との間に位置するバリア層をさらに備える請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
5. 前記低熱伝導率層は前記基板よりも高いガラス転位点を有する請求項１から４のいずれかに記載の発光素子。
6. 前記基板のガラス転移点は６００℃以下である請求項５に記載の発光素子。
7. 前記低熱伝導率層は前記基板よりも高いガラス転位点を有する請求項１から６のいずれかに記載の発光素子。
8. 前記低熱伝導率層は酸化ケイ素を含む請求項１から７のいずれかに記載の発光素子。
9. 前記低熱伝導率層は前記フォトルミネッセンス層と前記基板との間の値の熱膨張係数を有する請求項１から８のいずれかに記載の発光素子。
10. 前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの前記光の指向角を、１５°未満に制限する、請求項１から４のいずれかに記載の発光素子。
11. 前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層から出射される前記光の強度を、前記表面構造によって予め決められた第１の方向において最大にする擬似導波モードを、前記フォトルミネッセンス層の内部に形成する、請求項１から９のいずれかに記載の発光素子。
12. 前記表面構造における隣接する２つの凸部間または隣接する２つの凹部間の距離をＤ_int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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、請求項１から９のいずれかに記載の発光素子。
13. 前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を有し、
    空気中の波長がλ_aの前記光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、請求項１から９のいずれかに記載の発光素子。

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