JP6748898B2 - 発光素子および発光装置 - Google Patents

Description

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。

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。

本開示は、フォトルミネッセンス材料の発光効率、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。

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Ｄ_int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λ_a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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ。

ある実施形態において、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ｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ第１周期構造を含む。
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。

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。 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ｐ_xを有する１次元周期構造を示し、（ｂ）は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。 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。 （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。 （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。 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。 （ａ）〜（ｃ）は、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。 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。 （ａ）および（ｂ）は、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。 （ａ）〜（ｄ）は、フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の模式的な断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の模式的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の模式的な断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、透明高熱伝導層を有する発光素子の模式的な断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、放熱特性が改善された発光装置の模式的な断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、高熱伝導部材を有する発光素子の模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、タイリングされた複数の発光素子における高熱伝導部材の配置の例を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、インターロック回路を備える発光装置の例を示す模式図である。 （ａ）〜（ｆ）は、ビーズを用いたサブミクロン構造の形成方法を説明するための図である。 本開示の発光素子をスクリーンとして備える透明ディスプレイの構成を示す模式図である。

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λ_a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、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ｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_a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ｎ_t-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ｎ_wav-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λ_aと異なる波長λ_b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ｎ_t-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ｎ_wav-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ｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_a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λ_aと異なるλ_b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ｎ_wav-bとするとき、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐ_bとすると、λ_b／ｎ_wav-b＜ｐ_b＜λ_b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λ_ex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ｎ_wav-exとすると、
前記複数の周期構造は、周期ｐ_exが、λ_ex／ｎ_wav-ex＜ｐ_ex＜λ_ex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Ｄ_int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λ_ex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ｎ_wav-exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜Ｄ_int＜λ_ex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ｐ_exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜ｐ_ex＜λ_ex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λ_a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、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λ_a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、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λ_a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、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。

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Ｄ_int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λ_a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ｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ。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。

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。

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。

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Ｄ_intとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_a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、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。

サブミクロン構造は、上記のように、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_a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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

［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。

［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。

［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、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。

［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。

［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。

［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。

［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。

［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。

［５．変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。

［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。

［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。

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ｐ_x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１７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、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。

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。

［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。

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。

［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。

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。

［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。

［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。

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。

［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。

［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。

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、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。

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。

[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。

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。

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。

次に、本開示の発光素子および発光装置の変形例を説明する。

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が異なることになる。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とになる。

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。

また、図３２Ａ（ａ）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（ａ）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、白色光が得られ、かつ、直線偏光である。

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３２Ａ（ｂ）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）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３２Ａ（ｂ）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（ａ）における周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂのそれぞれについて、図３２Ａ（ｂ）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３２Ａ（ｃ）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。

また、図３２Ｂに示すように、例えば、発光素子の出射側にマイクロレンズ１３０を配置し、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３２Ｂに示した発光素子は、図３２Ａ（ａ）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３２Ａ（ｂ）または（ｃ）に示した構成にも適用できる。

また、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を用いることもできる。また、レンズだけでなく、プリズムを用いることもできる。プリズムもアレイとしてもよい。周期構造に対応して個々に配置してもよい。プリズムの形状は、特に制限されず、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３３（ａ）および（ｂ）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３３（ａ）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３３（ｂ）に示すように、青色を発光するフォトルミネッセンス層１１０ｂの上に、黄色を発光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（ａ）〜（ｃ）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。

フォトルミネッセンス層１１０を形成する材料として、無機材料（例えばＹＡＧ）を用いる場合、その製造過程で、１０００℃を超える熱処理を経ることがある。その際、下地（典型的には、基板）から不純物が拡散し、フォトルミネッセンス層１１０の発光特性を低下させることがある。不純物がフォトルミネッセンス層に拡散するのを防止するために、例えば図３４（ａ）〜（ｄ）に示すように、フォトルミネッセンス層の下に、拡散防止層（バリア層）１０８を設けてもよい。図３４（ａ）〜（ｄ）に示すように、拡散防止層１０８は、これまで例示した種々の構成において、フォトルミネッセンス層１１０の下層に形成される。

例えば、図３４（ａ）に示すように、基板１４０とフォトルミネッセンス層１１０との間に拡散防止層１０８が形成される。また、図３４（ｂ）に示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１００ｂを有する場合には、フォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれの下層に拡散防止層１０８ａまたは１０８ｂが形成される。

基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合には、図３４（ｃ）、図３４（ｄ）に示すように、基板１４０上に低屈折率層１０７を形成すればよい。図３４（ｃ）に示すように、基板１４０の上に低屈折率層１０７を設けた場合、低屈折率層１０７とフォトルミネッセンス層１１０との間の拡散防止層１０８が形成される。さらに、図３４（ｄ）に示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１００ｂを有する場合には、フォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂの下層に拡散防止層１０８ａおよび１０８ｂがそれぞれ形成される。

なお、低屈折率層１０７は、基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と同等かそれよりも大きい場合に形成される。低屈折率層１０７の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い。低屈折率層１０７は、例えば、ＭｇＦ₂、ＬｉＦ、ＣａＦ₂、ＢａＦ₂、ＳｒＦ₂、石英、樹脂、ＨＳＱ・ＳＯＧなどの常温硬化ガラスを用いて形成される。低屈折率層１０７の厚さは、光の波長よりも大きいことが望ましい。基板１４０は、例えば、ＭｇＦ₂、ＬｉＦ、ＣａＦ₂、ＢａＦ₂、ＳｒＦ₂、ガラス、樹脂、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、ＳｒＴｉＯ₃、ＬａＡｌＯ₃、ＴｉＯ₂、Ｇｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂、ＬａＳｒＡｌＯ₄、ＬａＳｒＧａＯ₄、ＬａＴａＯ₃、ＳｒＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ₂・Ｙ₂Ｏ₃）、ＹＡＧ、Ｔｂ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂を用いて形成される。

拡散防止層１０８、１０８ａ、１０８ｂは、拡散を防止する対象の元素によって好適に選択されればよく、例えば、共有結合性の強い酸化物結晶や窒化物結晶を用いて形成されることができる。拡散防止層１０８、１０８ａ、１０８ｂの厚さは、例えば、５０ｎｍ以下である。

なお、拡散防止層１０８や後述する結晶成長層１０６のような、フォトルミネッセンス層１１０に隣接する層を有する構成においては、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。

また、無機材料を用いて形成されたフォトルミネッセンス層１１０においては、無機材料の結晶性が低いために、フォトルミネッセンス層１１０の発光特性が低いことがある。フォトルミネッセンス層１１０を構成する無機材料の結晶性を高めるために、図３５（ａ）に示すように、フォトルミネッセンス層１１０の下地に、結晶成長層（「シード層」ということもある。）１０６を形成してもよい。結晶成長層１０６は、その上に形成されるフォトルミネッセンス層１１０の結晶と格子整合する材料を用いて形成される。格子整合は、例えば±５％以内であることが望ましい。基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合、結晶成長層１０６または１０６ａの屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さいことが望ましい。

基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合には、図３５（ｂ）に示すように、基板１４０上に低屈折率層１０７を形成すればよい。結晶成長層１０６は、フォトルミネッセンス層１１０と接するので、基板１４０上に低屈折率層１０７が形成される場合には、低屈折率層１０７上に結晶成長層１０６が形成される。また、図３５（ｃ）に示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂを有する構成においては、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれに対応する結晶成長層１０６ａまたは１０６ｂを形成することが望ましい。結晶成長層１０６、１０６ａおよび１０６ｂの厚さは、例えば、例えば、５０ｎｍ以下である。

図３６（ａ）および（ｂ）に示すように、周期構造１２０を保護するために、表面保護層１３２を設けてもよい。

表面保護層１３２は、図３６（ａ）に示すように、基板を有しないタイプのものであっても、図３６（ｂ）に示すように、基板１４０を有するタイプのものにも設けられる。また、図３６（ａ）に示した基板を有しないタイプの発光素子においては、フォトルミネッセンス層１１０の下層にも表面保護層を設けてもよい。このように、表面保護層１３２は、上述したいずれの発光素子の表面に設けてもよい。周期構造１２０は、図３６（ａ）および図３６（ｂ）に例示したものに限られず、上述したいずれのタイプであってもよい。

表面保護層１３２は、例えば、樹脂、ハードコート材、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）、ＳｉＯＣ、ＤＬＣを用いて形成することができる。表面保護層１３２の厚さは、例えば、１００ｎｍ〜１０μｍである。

表面保護層１３２を設けることによって、発光素子を外部環境から保護し、発光素子の劣化を抑制することができる。表面保護層１３２は、発光素子の表面を傷、水分、酸素、酸、アルカリ、または熱から保護する。表面保護層１３２の材料や厚さは、用途に応じて適宜設定され得る。

また、フォトルミネッセンス材料は熱によって劣化することがある。熱は、主にフォトルミネッセンス層１１０の非輻射ロスやストークスロスによって生じる。例えば、石英の熱伝導率（１．６Ｗ／ｍ・Ｋ）は、ＹＡＧの熱伝導率（１１．４Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも約１桁小さい。したがって、フォトルミネッセンス層（例えばＹＡＧ層）１１０で発生した熱が基板（例えば石英基板）１４０を通して外部に熱伝導して放熱されにくく、フォトルミネッセンス層１１０の温度が上昇し、熱劣化を起こすことがある。

そこで、図３７（ａ）に示すように、フォトルミネッセンス層１１０と基板１４０との間に、透明高熱伝導層１０５を形成することによって、フォトルミネッセンス層１１０の熱を外部に効率よく伝導させ、温度上昇を防ぐことができる。このとき、透明高熱伝導層１０５の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低いことが望ましい。なお、基板１４０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には、透明高熱伝導層１０５の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも高くてもよい。ただし、この場合には、透明高熱伝導層１０５は、フォトルミネッセンス層１１０とともに導波層を形成するので、５０ｎｍ以下であることが望ましい。図３７（ｂ）に示すように、フォトルミネッセンス層１１０と透明高熱伝導層１０５との間に、低屈折率層１０７を形成すれば、厚い透明高熱伝導層１０５を利用できる。

また、図３７（ｃ）に示すように、周期構造１２０を高い熱伝導率を有する低屈折率層１０７で覆ってもよい。さらに、図３７（ｄ）に示すように、周期構造１２０を低屈折率層１０７で覆った上に、透明高熱伝導層１０５を形成してもよい。この構成においては、低屈折率層１０７が高い熱伝導率を有する必要はない。

透明高熱伝導層１０５の材料としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｙ₂Ｏ₃、ダイヤモンド、グラフェン、ＣａＦ₂、ＢａＦ₂を挙げることができる。これらの内、ＣａＦ₂、ＢａＦ₂は、屈折率が低いので、低屈折率層１０７として利用することができる。

次に、図３８（ａ）〜（ｄ）を参照して、発光素子１００と光源１８０とを備える発光装置の放熱特性を高めた構造を説明する。

図３８（ａ）に示す発光装置は、光源１８０としてのＬＥＤチップ１８０と、発光素子１００とを有している。発光素子１００は、上述のいずれのタイプでもよい。ＬＥＤチップ１８０は、支持基板１９０上に実装されており、発光素子１００は、ＬＥＤチップと所定の間隔をあけて配置されている。発光素子１００は、ＬＥＤチップから出射される励起光を受けて発光する。支持基板１９０上において、ＬＥＤチップ１８０および発光素子１００は、封止部１４２に覆われている。

封止部１４２は、高熱伝導性と透光性とを備えている。封止部１４２を形成する材料（「封止材料」ということがある）は、例えば、高熱伝導性のフィラーと樹脂材料とを含む複合材料である。高熱伝導性フィラーとしては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、Ｙ₂Ｏ₃、グラフェンおよびＡｌＮを例示することができる。また、樹脂材料としては、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂を例示することができる。特に、封止材料として、高熱伝導性フィラーのサイズがナノメートルサイズ（即ち、サブミクロンサイズ）を用いたナノコンポジット材料を用いることができる。ナノコンポジット材料を用いると、光の拡散反射（または散乱）を抑制することができる。ナノコンポジット材料としては、フィラーとしてＺｎＯまたはＡｌ₂Ｏ₃を用い、樹脂として、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂を用いたものを例示することができる。

なお、発光素子１００が、図３８（ａ）に例示したように、表面に周期構造が露出しているタイプの場合には、周期構造の周りの媒質の屈折率は、周期構造の屈折率よりも低いことが望ましい。すなわち、封止部１４２の屈折率は、周期構造が透光層によって形成されている場合は、透光層の屈折率よりも低く、周期構造がフォトルミネッセンス層と同じ材料で形成されている場合は、フォトルミネッセンス層の屈折率よりも低いことが望ましい。

封止部１４２は、図３８（ｂ）に示すように、発光素子１００の表面近傍（例えば、周期構造を有する透光層またはフォトルミネッセンス層）を露出するように設けてもよい。このとき、封止部１４２の屈折率は特に制限されない。

また、図３８（ｃ）に示すように、発光素子１００として、周期構造が低屈折率層１０７（図３７（ｃ）参照）で覆われているタイプのものを用いる場合にも、封止部１４２の屈折率は、周期構造の屈折率よりも高くてもよい。このような構成を採用するようことによって、封止部１４２の材料の選択範囲が広がる。

また、図３８（ｄ）に示すように、発光素子１００の周辺を高熱伝導性を有するフォルダー１５２に固定してもよい。フォルダー１５２は、例えば、金属で形成され得る。例えば、光源として、レーザーダイオード１８２を用いる場合のように、発光素子１００と光源との間に封止材料を充填できない場合に、上記の構造を好適に用いられ得る。例えば、図３７（ａ）〜（ｄ）に例示した構成を有する発光素子１００は、透明高熱伝導層１０５または高い熱伝導率を有する低屈折率層１０７を有するので、素子の面内の熱伝導性が高いので、効果的にフォルダー１５２を介して放熱することができる。

図３９（ａ）〜（ｄ）に示すように、発光素子１００の表面に、高熱伝導部材１４４を配置してもよい。高熱伝導部材１４４は、例えば、金属で形成される。

例えば、図３９（ａ）に断面図を示し、図３９（ｂ）に平面図を示すように、発光素子１００の周期構造１２０の一部を覆うように高熱伝導部材１４４を配置してもよい。図３９（ａ）および（ｂ）には、１次元周期構造を形成する複数の凸部の１つだけを覆う線状の高熱伝導部材１４４を示しているが、これに限られない。

また、図３９（ｃ）に断面図を示し、図３９（ｄ）に平面図を示すように、発光素子１００の周期構造１２０の両端の凸部およびフォトルミネッセンス層１１０の端面を覆うように、高熱伝導部材１４６を形成してもよい。いずれの場合も、周期構造およびフォトルミネッセンス層の、高熱伝導部材１４６に覆われる部分の面積が大きくなると、発光素子１００の特性に影響する恐れがあるので、発光素子１００の表面に形成する高熱伝導部材１４６の面積は小さい方がよい。

また、図４０（ａ）に断面図を示し、図４０（ｂ）に平面図を示すように、異なる構造を有する複数の発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂをタイリングする場合、隣接する発光素子の間に、それぞれの発光素子の端部を覆うように、高熱伝導部材１４８を配置してもよい。例えば、ここで例示するように、赤色光を増強する発光素子１００ｒ、緑色光を増強する１００ｇおよび青色光を増強する１００ｂを配列する場合、例えば、金属で形成された高熱伝導部材１４８を隣接する発光素子間に配置すると、高熱伝導部材１４８は遮光性を有しているので、混色を抑制することができる。このように、高熱伝導部材１４８を表示パネルにおけるブラックマトリクスのように使用することもできる。

図４１に、インターロック回路１８５を備える発光装置の例を示す。図４１（ａ）は発光素子１００の裏面を示す模式図であり、図４１（ｂ）は発光素子１００の断面図を含む、発光装置の模式図である。図４１（ａ）および（ｂ）に示すように、発光素子１００が有する基板１４０の裏面に、環状配線１７２が形成されている。環状配線１７２は、発光素子１００の裏面の外周近傍に形成されており、基板１４０が破損したら、断線するように形成されている。環状配線１７２は、例えば金属材料で形成されている。環状配線１７２の２つの端部は、インターロック回路１８５のリレー回路に電気的に接続されている。環状配線１７２に断線が発生した場合、リレー回路は、光源１８２への電力の供給を遮断する。光源１８２が、特に、レーザーダイオードのように強度の強い光を発する場合には、安全性等の観点から、インターロック回路１８５を設けることが望ましい。

上述の実施形態の発光素子が有するサブミクロン構造は、例えば周期構造であり、フォトリソグラフィ技術やナノプリント技術を用いて形成され得る。図４２（ａ）〜（ｆ）を参照して、サブミクロン構造の他の形成方法を説明する。

図４２（ａ）に示すように、基板１４０に支持されたフォトルミネッセンス層１１０の表面にビーズ１２２を配置する。ビーズ１２２の一部をフォトルミネッセンス層１１０に均等に埋め込むことで、ビーズ１２２をフォトルミネッセンス層１１０に固定することができる。このように、多数のビーズ１２２のそれぞれの一部がフォトルミネッセンス層１１０に均等に埋め込まれて、残りの部分がフォトルミネッセンス層１１０から突き出ている場合、ビーズ１２２の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率と等しくてもよいし、小さくてもよい。例えば、ビーズ１２２の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さい場合、多数のビーズ１２２によって形成される層（フォトルミネッセンス層１１０から突き出た部分と埋め込まれた部分の両方）が、サブミクロン構造を有する透光層１２０として機能する。また、ビーズ１２２の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と等しい場合、ビーズ１２２とフォトルミネッセンス層１１０とは実質的に一体となり、フォトルミネッセンス層１１０から突き出た部分が、サブミクロン構造を有する透光層１２０として機能する。

あるいは、図４２（ｂ）に示すように、基板１４０上に、多数のビーズ１２２を配置した上に、フォトルミネッセンス層１１０を形成してもよい。このとき、ビーズ１２２の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低いことが望ましい。

ここで、ビーズ１２２の直径は例えば上述のＤ_intと等しいかそれよりも小さい。ビーズ１２２が緻密に充填された場合には、ビーズ１２２の直径がＤ_intとほぼ一致する。隣接するビーズ１２２の間に間隙が形成される場合、ビーズ１２２の直径に間隙を加えた長さがＤ_intに対応することになる。

また、ビーズ１２２としては、中空のビーズであっても、中実のビーズであってもよい。

図４２（ｃ）〜（ｆ）は、種々のビーズの充填状態を模式的に示す図と、それぞれ充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。図４２（ｃ）〜（ｆ）において、黒い部分は中実ビーズまたは中空ビーズ内の中実部分を示し、白い部分は、中空ビーズまたは、中空ビーズ内の空隙部分を示している。

図４２（ｃ）は、卵形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、ほぼ球形で、卵の底の位置に形成されている。図４２（ｄ）は、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、ほぼ球形で、外形の球に接するように形成されている。図４２（ｅ）は、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、２つのほぼ球形の空隙を含んでおり、２つの球形の空隙は、外形の球の直径にそって配列されている。図４２（ｆ）は、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズとほぼ球形の外形を有する中実ビーズとが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。中空ビーズおよび中実ビーズはほぼ同じ直径を有しており、ほぼ同じ体積比率で混合されている。また、中空ビーズおよび中実ビーズの配置に規則性はなく、ほぼランダムである。

中空ビーズや中実ビーズは、種々のガラスまたは樹脂で形成されたものが市販されている。ここで例示したビーズは、例えば、研磨材料として広く市販されているアルミナの粉体や日鉄鉱業株式会社の中空シリカなどを用い、得られたビーズに分散剤を添加し、溶媒（例えば水やアルコール類など）に分散し、この分散液を基板１４０上またはフォトルミネッセンス層１１０上に付与し、乾燥することによって、多数のビーズが密に充填された層を形成することができる。

上述したように、本開示の発光素子およびそれを備える発光装置は、種々の利点を有しているので、種々の光学デバイスに適用することによって、有利な効果を奏し得る。以下に、応用例を挙げる。

本開示の発光素子は、特定の方向に指向性の高い光を出射することができる。この高い指向性は、例えば、液晶表示装置の導光板を利用するエッジライト型のバックライトとして好適に用いられる。例えば、従来の指向性の低い光源を用いた場合には、光源から出射した光を反射板および／または拡散材により、導光板へ光を導入していた。特定方向の指向性が高い光源の場合、これらの光学部品を省略しても効率よく導光板へ光を導入することできる。

また、種々の光学デバイスにおいて、光源からの光を所定の方向に効率よく導く必要があり、そのために例えば、レンズ、プリズムまたは反射板が用いられている。例えば、プロジェクターにおいは、光源からの光を表示パネルに導くために、ライトガイドを用いる構成が知られている（例えば、特開２０１０−１５６９２９号公報）。本開示の発光素子を光源に用いることによって、ライトガイドを省略することができる。

また、照明器具においても、等方的に発せられた光を所望の方向に導くために、レンズおよびまたは反射板を含む光学部品を用いているが、本開示の発光素子を用いることによって、これらを省略することが可能となる。あるいは、等方的な光に対する複雑な設計を、指向性の高い光に対する単純な設計に置き換えることができる。その結果、照明器具を小型化、あるいは、設計工程を簡略化することができる。

本開示の発光素子は、特定の波長の光だけを増強することができる。したがって、必要とされる波長だけを出射する光源を容易に実現できる。また、フォトルミネッセンス層の材料を変えずに、周期構造を変更するだけで、出射される光の波長を変えることができる。さらに、周期構造に対する角度によって、異なる波長の光を出射させることもできる。このような波長選択性は、例えば、狭帯域イメージング（ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ：ＮＢＩ、登録商標）という技術に好適に用いられる。また、可視光通信にも好適に用いることができる。

また、照明の分野では、彩光色照明および美光色照明という技術が開発されている。これらは、照明の対象の色を美しく見せるもので、彩光色照明は例えば野菜などの食品をよりおいしそうに見せる効果があり、美光色照明は、肌をより美しく見せる効果がある。これらは、いずれも光源のスペクトル（即ち、発光する光の波長の強度分布）を対象物に応じて制御することによって行われる。従来は、光学フィルターを用いて光源から出射された光を選択透過させることによって、照明に用いる光のスペクトルを制御していた。すなわち、不要な光を光学フィルターによって吸収させていたので、光の利用効率を低下させていた。これに対し、本開示の発光素子は、特定の波長の光を増強できるので、光学フィルターを必要とせず、その結果、光の利用効率を向上させることができる。

本開示の発光素子は、偏光（直線偏光）を出射することができる。従来、直線偏光は、光源から出射された非偏光を構成する直交する２つの直線偏光の内の一方を偏光フィルター（「偏光板」ともいわれる。）を用いて吸収させることによって作られていた。したがって、光の利用効率は５０％以下であった。本開示の発光素子を偏光光源として用いれば、偏光フィルターを用いる必要がないので、光の利用効率を向上させることができる。偏光照明は、例えば、ショーウィンドウや展望レストランの窓ガラスなど、反射光を低減させたい場合に用いられる。また、皮膚表面の反射特性が偏光に依存することを利用した、洗面・化粧用の照明、さらには、内視鏡による病変部の観察を容易にするために用いられる。

偏光光源は、液晶表示装置のバックライトとして好適に用いられる他、液晶プロジェクターの光源にも好適に用いられる。液晶プロジェクターの光源として用いる場合には、上述の波長選択性と組み合わせて、３原色の偏光を出射できる光源を構成することができる。例えば、赤色の直線偏光を出射する発光素子と、緑色の直線偏光を出射する発光素子と、青色の直線偏光を出射する発光素子とをつなぎあわせて円盤を形成し、この円盤に励起光を照射しながら、円盤を回転させることによって、時系列に赤、緑、青の三原色の偏光を出射する光源とすることができる。

また、本開示の発光素子は、図４３に模式的に示すように、透明表示装置のスクリーン１００Ｓとして用いることができる。

スクリーン１００Ｓは、例えば、赤色光（Ｒ）を増強する発光素子と、緑色光（Ｇ）を増強する発光素子と、青色光（Ｂ）を増強する発光素子とで構成される画素がマトリクス状に配列されている。これらの発光素子は、励起光源１８０Ｓ１から対応する励起光（例えば紫外線）が照射されたときにだけ所定の色光を発光し、画像を表示することができる。各発光素子は、可視光を透過するので、観察者は、スクリーン１００Ｓを介して、背景を観察することができる。スクリーン１００Ｓに励起光が照射されないときは、透明な窓のように見える。励起光源１８０Ｓ１として、レーザーダイオードを用い画像データに合わせて、出力を変えながらスキャンさせることによって、高解像度の表示が可能となる。また、レーザー光はコヒーレント光であるので、周期構造と干渉させることによって、励起効率も高めることができる。また、紫外線などの好ましくない波長の光を励起光として用いる場合には、励起光源をスクリーン１００Ｓの観察者と反対側に設置し、スクリーン１００Ｓの観察者側に励起光をカットするフィルターを設けることによって、不要な光の漏洩を防止することができる。

スクリーン１００Ｓは、高い指向性を有し得るので、例えば、所定の方から観察する人だけが画像を観察できるように構成することができる。

励起光源１８０Ｓ１に代えて、励起光源１８０Ｓ２を用いることができる。このとき、スクリーン１００Ｓの背面（即ち、観察者側とは反対側）に、導光シートＳを配置し、導光シートＳに励起光源１８０Ｓ２から励起光を照射する。導光シートＳに入射した励起光は、導光シートＳ内を伝搬しながら、スクリーン１００Ｓを裏面から照射する。この時、表示したい画像の部分に合わせて、発光素子を配置すると任意の画像をアクティブに表示することはできないが、励起光が照射されていない場合は、窓のように透明であり、励起光が照射された時にのみ画像あるいは図形や文字などが表示される表示機器を構成することができる。

また、本開示の発光素子では、例えば図８および図９を参照して上述したように、周期構造の屈折率が変化すると、増強される光の波長が変化し、増強される光の出射方向も変化する。また、フォトルミネッセンス層の屈折率によっても、増強される光の波長および出射方向が変化する。したがって、発光素子の近傍の媒質の屈折率変化を容易に感度良く検知することができる。

例えば、以下の様にして、本開示の発光素子を用いて、様々な物質を検出するセンサーを構成することができる。

本開示の発光素子の周期構造に近接して、測定対象の物質（タンパク質や匂い分子、ウィルスなど）と選択的に結合する物質（酵素など）を配置しておく。測定対象の物質が結合すると、発光素子の近傍の媒質の屈折率が変化する。この屈折率の変化を、上述の増強される光の波長または出射方向の変化をとして検出することによって、様々な物質の存在を検知することができる。

本開示の発光素子の応用例は上記に限られず、種々の光学デバイスに適用され得る。

本開示の発光素子および発光装置は、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）
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

Claims (31)

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、
   を備え、
   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は、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λ _a 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 の関係が成り立ち、
   前記フォトルミネッセンス層の厚さは、前記フォトルミネッセンス層が前記第１の光を発している状態において、前記フォトルミネッセンス層の内部に、前記複数の凸部または前記複数の凹部の位置で振幅が最大になる電場が形成される厚さである、
   発光素子。
2. 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、
   を備え、
   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は、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λ _a 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 の関係が成り立ち、
   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の方向に最大の強度で出射され、
   前記第１の方向と、前記第１の光が前記最大の強度の５０％の強度で出射される方向との角度は、１５°未満である、
   発光素子。
3. 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、
   を備え、
   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は、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発する光は、空気中の波長がλ_a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ｎ_wav-a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λ_ex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ｎ_wav-exとすると、
   前記複数の周期構造は、
   周期をｐ _a とすると、λ _a ／ｎ _wav-a ＜ｐ _a ＜λ _a の関係が成り立つ周期構造と、
   周期をｐ_ex とすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜ｐ_ex＜λ_exの関係が成り立つ他の周期構造と、
   を含み、
   前記周期ｐ _ａ と、前記周期ｐ _ｅｘ とは異なる、
   発光素子。
4. 前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎ_t-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ｎ_wav-aよりも小さい、請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
5. 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の方向に最大の強度で出射される、請求項１、３、４のいずれかに記載の発光素子。
6. 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、請求項２または５に記載の発光素子。
7. 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、請求項２、５、６のいずれかに記載の発光素子。
8. 前記第１の方向と、前記第１の光が前記最大の強度の５０％の強度で出射される方向との角度は、１５°未満である、請求項５に記載の発光素子。
9. 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λ _a とは異なるλ _b の第２の光を含み、
   前記第２の光は、前記第１の方向と異なる第２の方向において最大の強度で出射される、請求項２、５から８のいずれかに記載の発光素子。
10. 前記透光層が前記サブミクロン構造を有する、請求項１から９のいずれかに記載の発光素子。
11. 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、請求項１から１０のいずれかに記載の発光素子。
12. 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、請求項１から９のいずれかに記載の発光素子。
13. 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、請求項１２に記載の発光素子。
14. 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、請求項１から９のいずれかに記載の発光素子。
15. 前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎ_t-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ｎ_wav-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、請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
16. 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ｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_a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、請求項１または２に記載の発光素子。
17. 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λ_aと異なるλ_b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ｎ_wav-bとするとき、
    前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐ_bとすると、λ_b／ｎ_wav-b＜ｐ_b＜λ_b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、請求項１６に記載の発光素子。
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、請求項１または２に記載の発光素子。
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、請求項１または２に記載の発光素子。
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、請求項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。
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、請求項２０に記載の発光素子。
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、
    を備え、
    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は、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λ_aの第１の光、および空気中の波長がλ _a とは異なるλ _b の第２の光を含み、
    隣接する凸部間または凹部間の距離を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の関係が成り立ち、
    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の方向に最大の強度で出射され、
    前記第２の光は、前記第１の方向と異なる第２の方向に最大の強度で出射される、
    発光素子。
23. 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、
    を備え、
    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は、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を有し、
    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λ_aの第１の光と、空気中の波長がλ _a とは異なるλ _b の第２の光とを含み、
    前記サブミクロン構造は、複数の凸部または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 、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ｎ _wav-b とすると、前記複数の周期構造は、周期ｐ _a がλ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係を満たす第１周期構造と、周期ｐ _ｂ がλ _ｂ ／ｎ _wav-ｂ ＜ｐ _ｂ ＜λ _ｂ の関係を満たす第２周期構造とを含み、
    前記第１周期構造および前記第２周期構造の各々は、１次元周期構造である、
    発光素子。
24. 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λ _ex 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ｎ _wav-ex とすると、
    前記複数の周期構造は、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さらに含む、請求項２３に記載の発光素子。
25. 第１のフォトルミネッセンス層および第２のフォトルミネッセンス層を含む複数のフォトルミネッセンス層と、
    前記第１のフォトルミネッセンス層に近接して配置された第１の透光層、および前記第２のフォトルミネッセンス層に近接して配置された第２の透光層を含む複数の透光層と、
    を備え、
    前記第１のフォトルミネッセンス層および前記第１の透光層の少なくとも一方は、前記第１のフォトルミネッセンス層または前記第１の透光層の面内に広がる第１のサブミクロン構造を有し、
    前記第２のフォトルミネッセンス層および前記第２の透光層の少なくとも一方は、前記第２のフォトルミネッセンス層または前記第２の透光層の面内に広がる第２のサブミクロン構造を有し、
    前記第１のサブミクロン構造および前記第２のサブミクロン構造の各々は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
    前記第１のフォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
    前記第１のフォトルミネッセンス層における隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ_int1 とし、前記第１の光に対する前記第１の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_int1 ＜λ_aの関係が成り立ち、
    前記第２のフォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ _ｂ の第２の光を含み、
    前記第２のフォトルミネッセンス層における隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ _int２ とし、前記第２の光に対する前記第２のフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ _wav-ｂ とすると、λ _ｂ ／ｎ _wav-ｂ ＜Ｄ _int２ ＜λ _ｂ の関係が成り立つ、
    発光素子。
26. 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、請求項２５に記載の発光素子。
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に近接して配置された透光層と、
    を備え、
    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は、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Ｄ_int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λ_ex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ｎ_wav-exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜Ｄ_int＜λ_exの関係が成り立ち、
    前記フォトルミネッセンス層の厚さは、前記励起光が前記フォトルミネッセンス層に入射したとき、前記フォトルミネッセンス層の内部に、前記複数の凸部または前記複数の凹部の位置で振幅が最大になる電場が形成される厚さである、
    発光素子。
28. 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ｐ_exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜ｐ_ex＜λ_exの関係が成り立つ第１周期構造を含む、請求項２７に記載の発光素子。
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、請求項１から２８のいずれかに記載の発光素子。
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、請求項１から２９のいずれかに記載の発光素子。
31. 請求項１から３０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。

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