WO2015129219A1 - 発光素子および発光装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a light-emitting element and a light-emitting device, and particularly to a light-emitting element and a light-emitting device having a photoluminescence layer.
- Patent Document 1 discloses an illumination system that secures directivity using a light distribution plate and an auxiliary reflector.
- optical components such as reflectors and lenses
- the present disclosure provides a light emitting element having a novel structure capable of controlling the light emission efficiency, directivity, or polarization characteristics of a photoluminescence layer, and a light emitting device including the light emitting element.
- a light-emitting device is formed on at least one of a photoluminescence layer, a light-transmitting layer disposed in proximity to the photoluminescence layer, the photoluminescence layer, and the light-transmitting layer.
- the light emitted from the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air, and the refractive index of the photoluminescence layer with respect to the first light is n wav-a , ⁇ a / n wav-a ⁇ holds the relationship of D int ⁇ a, and, on at least one of said photoluminescent layer and the translucent layer, a plurality of second protrusions, the adjacent The distance between the two convex portions having a second projecting portion of the plurality smaller D int.
- a light-emitting element and a light-emitting device have a novel configuration, and can control luminance, directivity, or polarization characteristics according to a novel mechanism.
- FIG. 1A It is a perspective view which shows the structure of the light emitting element by other embodiment. It is a fragmentary sectional view of the light emitting element shown to FIG. 1C. It is a figure which shows the result of having calculated the increase
- the excitation light that is coupled to the pseudo guided mode is a diagram for explaining the configuration of efficiently emitting light, (a) shows the one-dimensional periodic structure having a period p x in the x direction, (b ) Shows a two-dimensional periodic structure having a period p x in the x direction and a period py in the y direction, (c) shows the wavelength dependence of the light absorption rate in the configuration of (a), and (d) shows ( The wavelength dependence of the light absorptance in the structure of b) is shown. It is a figure which shows an example of a two-dimensional periodic structure. It is a figure which shows the other example of a two-dimensional periodic structure.
- FIG. 19B is a diagram illustrating a result of calculating the enhancement of light output in the front direction by changing the emission wavelength and the period of the periodic structure in the configuration of FIG. 19A. It is a figure which shows the structure which mixed several powdery light emitting element. It is a top view which shows the example which arranged the several periodic structure from which a period differs on the photo-luminescence layer in two dimensions. It is a figure which shows an example of the light emitting element which has the structure where the several photo-luminescence layer 110 in which the uneven structure was formed on the surface was laminated
- FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration example in which a protective layer 150 is provided between a photoluminescence layer 110 and a periodic structure 120. It is a figure which shows the example which formed the periodic structure 120 by processing only a part of photo-luminescence layer 110.
- FIG. It is a figure which shows the cross-sectional TEM image of the photo-luminescence layer formed on the glass substrate which has a periodic structure. It is a graph which shows the result of having measured the spectrum of the front direction of the emitted light of the light emitting element made as an experiment.
- (A) And (b) is a graph which shows the result (upper stage) and the calculation result (lower stage) which measured the angle dependence of the emitted light of the light emitting element made as an experiment.
- (A) And (b) is a graph which shows the result (upper stage) and the calculation result (lower stage) which measured the angle dependence of the emitted light of the light emitting element made as an experiment. It is a graph which shows the result of having measured the angle dependence of the emitted light (wavelength 610nm) of the light emitting element made as an experiment. It is a perspective view which shows typically an example of a slab type
- (A) is typical sectional drawing of the light emitting element 1100 by further another embodiment
- (b) is a figure which shows the result of having calculated using the model corresponded to the light emitting element 1100.
- FIG. It is typical sectional drawing of the light emitting element 1200 by other embodiment.
- FIG. (A) to (c) are diagrams each schematically showing an example of an enlarged view of a cross section of the light emitting element 1200.
- FIG. (A) is typical sectional drawing of the light emitting element 1300 by further another embodiment
- (b) is typical sectional drawing of the light emitting element 1400 by further another embodiment.
- (A) is typical sectional drawing of the light emitting element 1500 by further another embodiment
- (b) is typical sectional drawing of the light emitting element 1600 by further another embodiment.
- (A) is a diagram showing an example of the shape in the plane including the normal line of the photoluminescence layer 110 having a sub-micron structure having the first convex portion 121a that is not tapered, and (b) to (e) FIG.
- FIG. 10B is a diagram showing an example of a shape in a plane including a normal line of the photoluminescence layer 110 having a sub-micron structure having a first convex portion 121a having a tapered shape, and FIG. An example of a typical perspective view is shown.
- (A) And (c) is a figure for demonstrating the model which respectively calculated,
- (b) And (d) is respectively calculated using the model of (a) and (c). It is a figure which shows the result of having performed.
- FIG. 13 shows results obtained by performing calculations using a model corresponding to the light emitting element 1600.
- (A) is typical sectional drawing of the light emitting element 1700 by further another embodiment
- (b) is typical sectional drawing of the light emitting element 1800 by further another embodiment.
- FIGS. 9A to 9E are cross-sectional views for explaining an example of a method for manufacturing the mold 10 for forming the first convex portion 121a of the light emitting element 1800.
- FIG. 9A to 9E are cross-sectional views for explaining an example of a method for manufacturing the mold 10 for forming the first convex portion 121a of the light emitting element 1800.
- This disclosure includes the light-emitting elements and light-emitting devices described in the following items.
- a photoluminescence layer A translucent layer disposed proximate to the photoluminescence layer; A submicron structure formed on at least one of the photoluminescence layer and the light transmissive layer and extending in the plane of the photoluminescence layer or the light transmissive layer, The submicron structure includes a plurality of convex portions or a plurality of concave portions, The light emitted by the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air, When the distance between adjacent convex portions or concave portions is D int and the refractive index of the photoluminescence layer with respect to the first light is n wav-a , ⁇ a / n wav-a ⁇ D int ⁇ a A light-emitting element in which the relationship holds.
- the submicron structures comprising a plurality of at least one periodic structure formed by the projections or the plurality of recesses, said at least one periodic structure, when the period as p a, ⁇ a / n wav -a ⁇ p a ⁇ lambda relationship a comprises a first periodic structure holds the light-emitting device according to claim 1.
- Item 3 The light-emitting element according to Item 1 or 2, wherein a refractive index n ta of the light transmitting layer with respect to the first light is smaller than a refractive index n wav-a of the photoluminescence layer with respect to the first light.
- Item 5 The light-emitting element according to Item 4, wherein the first direction is a normal direction of the photoluminescence layer.
- Item 6 The light-emitting element according to Item 4 or 5, wherein the first light emitted in the first direction is linearly polarized light.
- the second light having a wavelength ⁇ b different from the wavelength ⁇ a of the first light has a maximum intensity in a second direction different from the first direction, according to any one of items 4 to 7 Light emitting element.
- the photoluminescence layer has a flat main surface, 9.
- Item 12 The light emitting device according to Item 11, wherein the photoluminescence layer is supported on a transparent substrate.
- the translucent layer is a transparent substrate having the submicron structure on one main surface, 9.
- the refractive index n ta of the translucent layer with respect to the first light is equal to or higher than the refractive index n wav-a of the photoluminescence layer with respect to the first light, and the plurality of convex portions of the submicron structure Item 3.
- the submicron structures comprising a plurality of at least one periodic structure formed by the projections or the plurality of recesses, said at least one periodic structure, when the period as p a, ⁇ a / n wav -a ⁇ include p a ⁇ lambda first periodic structure relationship holds for a, Item 15.
- the light-emitting element according to any one of Items 1 and 3 to 14, wherein the first periodic structure is a one-dimensional periodic structure.
- the light emitted from the photoluminescence layer includes second light having a wavelength ⁇ b different from ⁇ a in the air, and the refractive index of the photoluminescence layer with respect to the second light is set to n wav ⁇ b
- the periodic structure when the period as p b, further comprising a ⁇ b / n wav-b ⁇ p b ⁇ b second periodic structure relationship holds for, Item 16.
- the submicron structure includes at least two periodic structures formed by the plurality of convex portions or the plurality of concave portions, and the at least two periodic structures include a two-dimensional periodic structure having periodicity in different directions.
- the light emitting device according to any one of items 1 and 3 to 14.
- the submicron structure includes a plurality of periodic structures formed by the plurality of convex portions or the plurality of concave portions, Item 15.
- the light-emitting element according to any one of Items 1 and 3 to 14, wherein the plurality of periodic structures include a plurality of periodic structures arranged in a matrix.
- the submicron structure includes a plurality of periodic structures formed by the plurality of convex portions or the plurality of concave portions, When the wavelength of the excitation light of the photoluminescence material of the photoluminescence layer in air is ⁇ ex and the refractive index of the photoluminescence layer with respect to the excitation light is n wav-ex , Item 15.
- the light-emitting element according to any one of Items 1 and 3 to 14, wherein the plurality of periodic structures include a periodic structure in which a period p ex satisfies a relationship of ⁇ ex / n wav-ex ⁇ p ex ⁇ ex .
- Item 21 The light-emitting element according to Item 20, wherein the plurality of photoluminescence layers and the plurality of light-transmitting layers are laminated.
- a photoluminescence layer A translucent layer disposed proximate to the photoluminescence layer; A submicron structure formed on at least one of the photoluminescence layer and the light transmissive layer and extending in the plane of the photoluminescence layer or the light transmissive layer, The light emitting element which radiate
- the submicron structures comprising a plurality of at least one periodic structure formed by the projections or the plurality of recesses, said at least one periodic structure, when the period as p ex, ⁇ ex / n wav -ex Item 25.
- the submicron structure includes a plurality of convex portions or a plurality of concave portions,
- the light emitted by the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air
- the submicron structure includes at least one periodic structure formed by the plurality of convex portions or the plurality of concave portions, The refractive index of the photoluminescence layer for said first light and n wav-a, wherein when the period of at least one periodic structure and p a, the relationship ⁇ a / n wav-a ⁇ p a ⁇ a A light-emitting element that holds.
- a photoluminescence layer A submicron structure formed in the photoluminescence layer and extending in the plane of the photoluminescence layer, The submicron structure includes a plurality of convex portions or a plurality of concave portions, The light emitted by the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air, The submicron structure includes at least one periodic structure formed by the plurality of convex portions or the plurality of concave portions, The refractive index of the photoluminescence layer for said first light and n wav-a, wherein when the period of at least one periodic structure and p a, the relationship ⁇ a / n wav-a ⁇ p a ⁇ a A light-emitting element that holds.
- Item 24 The light emitting device according to Item 23, wherein the waveguide layer and the periodic structure are in contact with each other.
- the submicron structures comprising a plurality of first projections or the plurality of first at least one periodic structure formed by the recess, the at least one periodic structure, when the period as p a, lambda containing a / n wav-a ⁇ p a ⁇ first periodic structure relationship holds for a, the light emitting device of claim 33.
- the submicron structures comprising a plurality of first projections or the plurality of first at least one periodic structure formed by the recess, the at least one periodic structure, when the period as p a, lambda a / n wav-a ⁇ p a ⁇ relationship a holds, the light-emitting device as described in any one of 37 39.
- the submicron structure includes a plurality of first protrusions or a plurality of first recesses,
- the light emitted by the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air
- the submicron structure includes at least one periodic structure formed by the plurality of first convex portions or the plurality of first concave portions, The refractive index of the photoluminescence layer for said first light and n wav-a, wherein when the period of at least one periodic structure and p a, the relationship ⁇ a / n wav-a ⁇ p a ⁇ a Established And,
- the light emitting element which has a some 2nd convex part on the said photo-luminescence layer.
- the submicron structure includes a plurality of first protrusions or a plurality of first recesses, The light emitted by the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air,
- the submicron structure includes at least one periodic structure formed by the plurality of first convex portions or the plurality of first concave portions, The refractive index of the photoluminescence layer for said first light and n wav-a, wherein when the period of at least one periodic structure and p a, the relationship ⁇ a / n wav-a ⁇ p a ⁇ a Established And,
- the area of the cross section perpendicular to the normal direction of the photoluminescence layer of the plurality of first protrusions is the largest in the cross section closest to the photolum
- a photoluminescence layer A submicron structure formed in the photoluminescence layer and extending in the plane of the photoluminescence layer, The submicron structure includes a plurality of first protrusions or a plurality of first recesses, The light emitted by the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air, The submicron structure includes at least one periodic structure formed by at least the plurality of first convex portions or the plurality of first concave portions, The refractive index of the photoluminescence layer for said first light and n wav-a, wherein when the period of at least one periodic structure and p a, the relationship ⁇ a / n wav-a ⁇ p a ⁇ a Established And, The light emitting element which has a some 2nd convex part on the said photo-luminescence layer.
- a light emitting device is formed on at least one of a photoluminescence layer, a light transmission layer disposed in proximity to the photoluminescence layer, the photoluminescence layer, and the light transmission layer, and the photoluminescence
- the light emitted from the photoluminescence layer includes first light having a wavelength ⁇ a in the air, and the refractive index of the photoluminescence layer with respect to the first light is n wav-a , ⁇ a / n
- the relationship wav-a ⁇ D int ⁇ a holds.
- the wavelength ⁇ a is, for example, in the wavelength range of visible light (for example, 380 nm to 780 nm).
- the photoluminescence layer includes a photoluminescence material.
- the photoluminescent material means a material that emits light upon receiving excitation light.
- the photoluminescent material includes a fluorescent material and a phosphorescent material in a narrow sense, includes not only an inorganic material but also an organic material (for example, a dye), and further includes a quantum dot (that is, a semiconductor fine particle).
- the photoluminescent layer may include a matrix material (ie, host material) in addition to the photoluminescent material.
- the matrix material is, for example, an inorganic material such as glass or oxide, or a resin.
- the light-transmitting layer disposed in the vicinity of the photoluminescence layer is formed of a material having a high transmittance with respect to light emitted from the photoluminescence layer, and is formed of, for example, an inorganic material or a resin.
- the translucent layer is preferably formed of, for example, a dielectric (particularly an insulator that absorbs little light).
- the light transmissive layer may be, for example, a substrate that supports the photoluminescence layer. Further, when the air-side surface of the photoluminescence layer has a submicron structure, the air layer can be a light-transmitting layer.
- a submicron structure for example, a periodic structure formed in at least one of the photoluminescence layer and the light transmission layer.
- a unique electric field distribution is formed inside the photoluminescence layer and the light transmission layer.
- This is formed by the interaction of the guided light with the submicron structure, and can also be expressed as a pseudo-guide mode.
- the term pseudo-waveguide mode may be used to describe a novel configuration and / or a novel mechanism found by the present inventors. However, this is merely an illustrative explanation. However, the present disclosure is not limited in any way.
- Submicron structures for example, includes a plurality of convex portions, the distance between adjacent convex portions (i.e., center-to-center distance) when the the D int, ⁇ a / n wav -a ⁇ satisfy the relation D int ⁇ a To do.
- the submicron structure may include a plurality of concave portions instead of the plurality of convex portions.
- ⁇ represents the wavelength of light
- ⁇ a represents the wavelength of light in the air.
- n wav is the refractive index of the photoluminescence layer.
- n wav the average refractive index obtained by weighting the refractive index of each material by the respective volume ratio. Since generally the refractive index n depends on the wavelength, that is a refractive index to light of lambda a it is desirable to express the n wav-a, may be omitted for simplicity.
- n wav is basically the refractive index of the photoluminescence layer.
- n wav be the average refractive index obtained by weighting the refractive indices of the layers by their respective volume ratios. This is because this is optically equivalent to the case where the photoluminescence layer is composed of a plurality of layers of different materials.
- n eff n wav sin ⁇ .
- the effective refractive index n eff is determined by the refractive index of the medium existing in the region where the electric field of the pseudo waveguide mode is distributed, for example, when the submicron structure is formed in the light transmitting layer, the photoluminescence layer It depends not only on the refractive index but also on the refractive index of the translucent layer.
- the electric field distribution varies depending on the polarization direction of the pseudo waveguide mode (TE mode and TM mode)
- the effective refractive index n eff may be different between the TE mode and the TM mode.
- the submicron structure is formed in at least one of the photoluminescence layer and the light transmission layer.
- a submicron structure may be formed at the interface between the photoluminescence layer and the light transmission layer.
- the photoluminescence layer and the translucent layer have a submicron structure.
- the photoluminescent layer may not have a submicron structure.
- the light-transmitting layer having a submicron structure is disposed in the vicinity of the photoluminescence layer.
- the phrase “the light-transmitting layer (or its submicron structure) is close to the photoluminescence layer” typically means that the distance between them is not more than half the wavelength ⁇ a .
- the electric field of the waveguide mode reaches the submicron structure, and the pseudo waveguide mode is formed.
- the refractive index of the light-transmitting layer is larger than the refractive index of the photoluminescent layer, the light reaches the light-transmitting layer even if the above relationship is not satisfied. Therefore, the submicron structure of the light-transmitting layer and the photoluminescent layer the distance between the may be more than half of the wavelength lambda a.
- the photoluminescence layer and the light-transmitting layer are in a positional relationship such that the electric field of the guided mode reaches a submicron structure and a pseudo-guided mode is formed, the two are associated with each other. Sometimes expressed.
- the submicron structure satisfies the relationship of ⁇ a / n wav-a ⁇ D int ⁇ a , and is thus characterized by a size on the submicron order.
- the submicron structure includes, for example, at least one periodic structure as in the light emitting device of the embodiment described in detail below. At least one of the periodic structure, when the period as p a, ⁇ a / n wav -a ⁇ p a ⁇ relationship a holds. That is, the submicron structure has a constant periodic structure with the distance D int between adjacent convex portions being pa.
- the submicron structure includes a periodic structure
- the light in the pseudo waveguide mode is diffracted by the submicron structure by repeating the interaction with the periodic structure while propagating. This is different from the phenomenon in which light propagating in free space is diffracted by the periodic structure, and is a phenomenon in which light acts on the periodic structure while being guided (that is, repeating total reflection). Therefore, even if the phase shift due to the periodic structure is small (that is, the height of the periodic structure is small), light can be efficiently diffracted.
- the mechanism as described above is used, the luminous efficiency of photoluminescence increases due to the effect of the electric field being enhanced by the pseudo waveguide mode, and the generated light is coupled to the pseudo waveguide mode.
- the directivity angle of the light emitted in the front direction is, for example, less than 15 °. Note that the directivity angle is an angle on one side with the front direction being 0 °.
- the periodic structure may be a one-dimensional periodic structure with high polarization selectivity or a two-dimensional periodic structure capable of reducing the degree of polarization.
- the submicron structure can include a plurality of periodic structures.
- the plurality of periodic structures have different periods (pitch), for example.
- the plurality of periodic structures are different from each other in the direction (axis) having periodicity, for example.
- the plurality of periodic structures may be formed in the same plane or may be stacked.
- the light-emitting element has a plurality of photoluminescence layers and a plurality of light-transmitting layers, and these may have a plurality of submicron structures.
- the submicron structure can be used not only to control the light emitted from the photoluminescence layer, but also to efficiently guide the excitation light to the photoluminescence layer. That is, the excitation light is diffracted by the submicron structure and coupled to the pseudo-waveguide mode in which the excitation light is guided through the photoluminescence layer and the light transmission layer, so that the photoluminescence layer can be efficiently excited.
- ⁇ ex / n wav-ex ⁇ D int ⁇ ex where ⁇ ex is the wavelength of light in the air that excites the photoluminescent material, and n wav-ex is the refractive index of the photoluminescence layer for this excitation light.
- a sub-micron structure in which is satisfied may be used.
- n wav-ex is the refractive index at the excitation wavelength of the photoluminescent material. If the period is p ex , a submicron structure having a periodic structure in which the relationship of ⁇ ex / n wav-ex ⁇ p ex ⁇ ex may be used.
- the wavelength ⁇ ex of the excitation light is, for example, 450 nm, but may be shorter than visible light. When the wavelength of the excitation light is within the range of visible light, the excitation light may be emitted together with the light emitted from the photoluminescence layer.
- the photoluminescent material used in fluorescent lamps, white LEDs, and the like emits isotropically, so that an optical component such as a reflector or a lens is required to illuminate a specific direction with light.
- the photoluminescence layer itself emits light with directivity, the optical components as described above are not necessary (or can be reduced), so that the size of the optical device or instrument can be greatly reduced.
- the present inventors have studied in detail the configuration of the photoluminescence layer in order to obtain directional light emission.
- the inventors of the present invention first considered that the light emission itself has a specific directionality so that the light from the photoluminescence layer is biased in a specific direction.
- the light emission rate ⁇ which is an index characterizing light emission, is expressed by the following formula (1) according to Fermi's golden rule.
- r is a position vector
- ⁇ is the wavelength of light
- d is a dipole vector
- E is an electric field vector
- ⁇ is a density of states.
- the dipole vector d has a random orientation.
- the inventors of the present application considered controlling light emission by using a waveguide mode with a strong electric field.
- the waveguide structure itself includes a photoluminescence material
- light emission can be coupled to the waveguide mode.
- the waveguide structure is simply formed using a photoluminescence material, the emitted light becomes a waveguide mode, so that almost no light is emitted in the front direction. Therefore, it was considered to combine a waveguide including a photoluminescent material with a periodic structure (formed at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions).
- this pseudo waveguide mode is a waveguide mode limited by the periodic structure, and is characterized in that the antinodes of the electric field amplitude are generated in the same period as the period of the periodic structure.
- This mode is a mode in which the electric field in a specific direction is strengthened by confining light in the waveguide structure. Furthermore, since this mode interacts with the periodic structure and is converted into propagating light in a specific direction by the diffraction effect, light can be emitted to the outside of the waveguide. Furthermore, since the light other than the pseudo waveguide mode has a small effect of being confined in the waveguide, the electric field is not enhanced. Therefore, most of the light emission is coupled to the pseudo waveguide mode having a large electric field component.
- the inventors of the present application use a photoluminescence layer including a photoluminescence material (or a waveguide layer having a photoluminescence layer) as a waveguide provided with a periodic structure close thereto, thereby emitting light in a specific direction.
- a photoluminescence layer including a photoluminescence material or a waveguide layer having a photoluminescence layer
- a periodic structure close thereto, thereby emitting light in a specific direction.
- the slab type waveguide is a waveguide in which a light guiding portion has a flat plate structure.
- FIG. 30 is a perspective view schematically showing an example of the slab waveguide 110S.
- the refractive index of the waveguide 110S is higher than the refractive index of the transparent substrate 140 that supports the waveguide 110S, there is a mode of light propagating in the waveguide 110S.
- the electric field generated from the light emitting point has a large overlap with the electric field of the waveguide mode, so that most of the light generated in the photoluminescence layer Can be coupled to the guided mode.
- the thickness of the photoluminescence layer to be approximately the wavelength of light, it is possible to create a situation in which only a waveguide mode having a large electric field amplitude exists.
- the pseudo-waveguide mode is formed by the electric field of the waveguide mode interacting with the periodic structure. Even when the photoluminescence layer is composed of a plurality of layers, if the electric field of the waveguide mode reaches the periodic structure, a pseudo waveguide mode is formed. It is not necessary for all of the photoluminescence layer to be a photoluminescence material, and it is sufficient that at least a part of the photoluminescence layer has a function of emitting light.
- the periodic structure is formed of metal, a guided mode and a mode due to the effect of plasmon resonance are formed, which is different from the pseudo-guided mode described above.
- this mode since the absorption by the metal is large, the loss becomes large and the effect of enhancing the light emission becomes small. Therefore, it is desirable to use a dielectric material with low absorption as the periodic structure.
- FIG. 1A is a perspective view schematically showing an example of a light-emitting element 100 having such a waveguide (for example, a photoluminescence layer) 110 and a periodic structure (for example, a light-transmitting layer) 120.
- the light-transmitting layer 120 when the light-transmitting layer 120 has a periodic structure (that is, when a periodic submicron structure is formed in the light-transmitting layer 120), the light-transmitting layer 120 may be referred to as a periodic structure 120.
- the periodic structure 120 is a one-dimensional periodic structure in which a plurality of stripe-shaped convex portions each extending in the y direction are arranged at equal intervals in the x direction.
- FIG. 1B is a cross-sectional view of the light emitting device 100 taken along a plane parallel to the xz plane.
- the pseudo-waveguide mode having the wave number k wav in the in-plane direction is converted into propagating light outside the waveguide, and the wave number k out is It can be represented by Formula (2).
- M in the formula (2) is an integer and represents the order of diffraction.
- the light guided in the waveguide approximately is a light beam propagating at an angle ⁇ wav , and the following equations (3) and (4) hold.
- ⁇ 0 is the wavelength of light in the air
- n wav is the refractive index of the waveguide
- n out is the refractive index of the medium on the exit side
- ⁇ out is the light emitted to the substrate or air outside the waveguide. Is the exit angle. From the equations (2) to (4), the emission angle ⁇ out can be expressed by the following equation (5).
- n out becomes the refractive index of air (about 1.0).
- the period p may be determined so as to satisfy 12).
- a structure in which the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 are formed on the transparent substrate 140 as illustrated in FIGS. 1C and 1D may be employed.
- the period p is set so as to satisfy the following formula (15). It only has to be.
- FIG. 2 shows the result of calculating the intensities of the light emitted in the front direction while changing each.
- the calculation model was calculated with a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction, and the polarization of light was a TM mode having an electric field component parallel to the y direction. From the result of FIG. 2, it can be seen that a peak of enhancement exists at a certain combination of wavelength and period.
- the magnitude of the enhancement is represented by the shade of the color, and the darker (that is, black) has a larger enhancement and the lighter (that is, white) has a smaller enhancement.
- the period of the periodic structure is 400 nm
- the height is 50 nm
- the refractive index is 1.5
- the emission wavelength and the thickness t of the photoluminescence layer are changed.
- the calculation model was assumed to be a one-dimensional periodic structure uniform in the y direction, as described above. In each figure, the black region indicates that the electric field strength is high, and the white region indicates that the electric field strength is low.
- FIG. 7A is a plan view showing a part of a two-dimensional periodic structure 120 ′ in which concave and convex portions are arranged in both the x and y directions.
- the black area in the figure indicates a convex portion
- the white area indicates a concave portion.
- Diffraction only in the x direction or only in the y direction is the same as in the one-dimensional case, but there is also diffraction in a direction having both x and y components (for example, an oblique 45 ° direction).
- FIG. 7B shows the result of calculating the light enhancement for such a two-dimensional periodic structure.
- the calculation conditions other than the periodic structure are the same as the conditions in FIG.
- a peak position that coincides with the peak position in the TE mode shown in FIG. 6 was also observed.
- This result shows that the TE mode is also converted and output by diffraction due to the two-dimensional periodic structure.
- Such diffracted light is emitted in the direction of an angle corresponding to a period ⁇ 2 times (that is, 2 1/2 times) the period p. Therefore, in addition to the peak in the case of the one-dimensional periodic structure, it is considered that a peak is generated for a period that is ⁇ 2 times the period p. In FIG. 7B, such a peak can also be confirmed.
- the two-dimensional periodic structure is not limited to a square lattice structure having the same period in the x direction and the y direction as shown in FIG. 7A, but is a lattice structure in which hexagons and triangles are arranged as shown in FIGS. 18A and 18B. Also good. Moreover, the structure where the period of a direction differs (for example, x direction and y direction in the case of a square lattice) may be sufficient.
- the characteristic pseudo-waveguide mode light formed by the periodic structure and the photoluminescence layer is selectively emitted only in the front direction using the diffraction phenomenon due to the periodic structure. I was able to confirm that it was possible. With such a configuration, light emission having directivity can be obtained by exciting the photoluminescence layer with excitation light such as ultraviolet rays or blue light.
- the refractive index of the periodic structure was examined.
- the film thickness of the photoluminescence layer is 200 nm
- the periodic structure is a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction as shown in FIG. 1A
- the height is 50 nm
- the period is The calculation was performed on the assumption that the light polarization was TM mode having an electric field component parallel to the y direction.
- FIG. 8 shows the result of calculating the enhancement of the light output in the front direction by changing the emission wavelength and the refractive index of the periodic structure.
- FIG. 9 shows the results when the film thickness of the photoluminescence layer is 1000 nm under the same conditions.
- the light intensity with respect to the change in the refractive index of the periodic structure is more peak when the film thickness is 1000 nm (FIG. 9) than when the film thickness is 200 nm (FIG. 8).
- the peak wavelength becomes small. This is because the pseudo-waveguide mode is more susceptible to the refractive index of the periodic structure as the film thickness of the photoluminescence layer is smaller. That is, the higher the refractive index of the periodic structure, the higher the effective refractive index, and the corresponding peak wavelength shifts to the longer wavelength side. This effect becomes more pronounced as the film thickness decreases.
- the effective refractive index is determined by the refractive index of the medium existing in the region where the electric field of the pseudo waveguide mode is distributed.
- the refractive index of the dielectric (that is, the translucent layer) constituting the periodic structure may be made equal to or less than the refractive index of the photoluminescence layer. The same applies when the photoluminescence layer contains a material other than the photoluminescence material.
- the peak intensity and the Q value that is, the line width of the peak
- the peak intensity and the Q value are lowered. This is because, when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is higher than the refractive index n p of the periodic structure (FIG. 10), the light is totally reflected, so that the electric field bleeds out (evanescent) in the pseudo waveguide mode. Only due to the interaction with the periodic structure.
- the height of the periodic structure When the height of the periodic structure is sufficiently large, the influence of the interaction between the evanescent part of the electric field and the periodic structure is constant even if the height changes further.
- the refractive index n wav of the photoluminescence layer is lower than the refractive index n p of the periodic structure (FIG. 11), the light reaches the surface of the periodic structure without being totally reflected, so the height of the periodic structure The larger the is, the more affected. As can be seen from FIG. 11, it is sufficient that the height is about 100 nm, and the peak intensity and the Q value are lowered in the region exceeding 150 nm.
- the height of the periodic structure may be set to 150 nm or less in order to increase the peak intensity and the Q value to some extent.
- FIG. 12 shows the result of calculation assuming that the polarization of light is a TE mode having an electric field component perpendicular to the y direction under the same conditions as those shown in FIG.
- the electric field of the quasi-guided mode is larger than that in the TM mode, so that it is easily affected by the periodic structure. Therefore, in the region where the refractive index n p of the periodic structure is larger than the refractive index n wav of the photoluminescence layer, the peak intensity and the Q value are significantly decreased as compared with the TM mode.
- the height should be 150 nm or less. It can be seen that the peak intensity and the Q value can be increased.
- the light-emitting element may have a structure in which the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 are formed on the transparent substrate 140 as illustrated in FIGS. 1C and 1D.
- a thin film is formed on a transparent substrate 140 with a photoluminescent material (including a matrix material, if necessary, the same applies below) constituting the photoluminescent layer 110, A method of forming the periodic structure 120 thereon can be considered.
- the refractive index n s of the transparent substrate 140 is less than the refractive index n wav of the photoluminescence layer. It is necessary to.
- the transparent substrate 140 is provided so as to be in contact with the photoluminescence layer 110, it is necessary to set the period p so as to satisfy the equation (15) where the refractive index n out of the emission medium in the equation (10) is n s. .
- FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration example of a light-emitting device 200 including the light-emitting element 100 illustrated in FIGS. 1A and 1B and a light source 180 that causes excitation light to enter the photoluminescence layer 110.
- light emission having directivity can be obtained by exciting the photoluminescence layer with excitation light such as ultraviolet light or blue light.
- the light emitting device 200 having directivity can be realized.
- the wavelength of the excitation light emitted from the light source 180 is typically a wavelength in the ultraviolet or blue region, but is not limited thereto, and is appropriately determined according to the photoluminescent material constituting the photoluminescent layer 110.
- the light source 180 is arranged so that the excitation light is incident from the lower surface of the photoluminescence layer 110.
- the present invention is not limited to such an example.
- the excitation light is emitted from the upper surface of the photoluminescence layer 110. It may be incident.
- FIG. 17 is a diagram for explaining such a method.
- the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 are formed on the transparent substrate 140 as in the configuration shown in FIGS. 1C and 1D.
- the period p x is determined so as to satisfy the condition in which p is replaced with p x in Equation (10).
- m is an integer equal to or larger than 1
- the wavelength of the excitation light is ⁇ ex
- the medium having the highest refractive index excluding the periodic structure 120 out of the medium in contact with the photoluminescence layer 110 is n out.
- n out is n s of the transparent substrate 140 in the example of FIG. 17, but in the configuration in which the transparent substrate 140 is not provided as in FIG. 16, it is the refractive index of air (about 1.0).
- the photoluminescence layer 110 can efficiently absorb the excitation light having the wavelength ⁇ ex .
- the periodic structure 120 illustrated in FIG. 17B is a two-dimensional periodic structure having structures (periodic components) having different periods in the x direction and the y direction, respectively.
- the excitation light is incident from the substrate side, but the same effect can be obtained even when incident from the periodic structure side.
- FIG. 18A or 18B a configuration as shown in FIG. 18A or 18B may be adopted.
- a plurality of main axes in the example shown, axes 1 to 3
- a different period can be assigned to each axial direction.
- Each of these periods may be set to increase the directivity of light having a plurality of wavelengths, or may be set to efficiently absorb the excitation light.
- each cycle is set so as to satisfy the condition corresponding to the equation (10).
- the periodic structure 120a may be formed on the transparent substrate 140, and the photoluminescence layer 110 may be provided thereon.
- the periodic structure 120b having the same period is also formed on the surface of the photoluminescence layer 110.
- the surface of the photoluminescence layer 110 is processed to be flat.
- directional light emission can be realized by setting the period p of the periodic structure 120a so as to satisfy Expression (15).
- the intensity of light output in the front direction was calculated by changing the emission wavelength and the period of the periodic structure.
- the film thickness of the photoluminescence layer 110 is 1000 nm
- the periodic structure 120a is a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction
- the height is 50 nm
- the period 400 nm
- the polarization of light was a TM mode having an electric field component parallel to the y direction.
- the result of this calculation is shown in FIG. 19C.
- a peak of light intensity was observed at a period satisfying the condition of Expression (15).
- light emission of an arbitrary wavelength can be emphasized by adjusting the period of the periodic structure and the film thickness of the photoluminescence layer.
- a photoluminescent material that emits light in a wide band is used as shown in FIGS. 1A and 1B, only light of a certain wavelength can be emphasized. Therefore, the structure of the light emitting element 100 as shown in FIGS. 1A and 1B may be powdered and used as a fluorescent material. 1A and 1B may be used by being embedded in a resin or glass.
- each light emitting element 100 in one direction is, for example, about several ⁇ m to several mm, and may include, for example, a one-dimensional or two-dimensional periodic structure having several cycles to several hundred cycles.
- FIG. 21 is a plan view showing an example in which a plurality of periodic structures having different periods are two-dimensionally arranged on the photoluminescence layer.
- three types of periodic structures 120a, 120b, and 120c are arranged without a gap.
- the periodic structures 120a, 120b, and 120c have a period set so as to emit light in the red, green, and blue wavelength ranges to the front.
- directivity can be exhibited with respect to a spectrum in a wide wavelength region by arranging a plurality of structures with different periods on the photoluminescence layer.
- the configuration of the plurality of periodic structures is not limited to the above, and may be set arbitrarily.
- FIG. 22 illustrates an example of a light-emitting element having a structure in which a plurality of photoluminescence layers 110 having an uneven structure formed on the surface are stacked.
- a transparent substrate 140 is provided between the plurality of photoluminescence layers 110, and the concavo-convex structure formed on the surface of the photoluminescence layer 110 of each layer corresponds to the periodic structure or the submicron structure.
- the three-layer periodic structures having different periods are formed, and the periods are set so as to emit light in the red, blue, and green wavelength ranges to the front.
- the material of the photoluminescence layer 110 of each layer is selected so as to emit light of a color corresponding to the period of each periodic structure. In this way, directivity can be exhibited with respect to a spectrum in a wide wavelength range by laminating a plurality of periodic structures having different periods.
- the number of layers, the photoluminescence layer 110 of each layer, and the structure of the periodic structure are not limited to those described above, and may be arbitrarily set.
- the first photoluminescence layer and the second photoluminescence layer are formed so as to face each other through the light-transmitting substrate, and the surface of the first and second photoluminescence layers is formed on the surface.
- the first and second periodic structures will be formed respectively.
- the condition corresponding to the equation (15) may be satisfied. That's fine.
- the condition corresponding to the formula (15) may be satisfied for the photoluminescence layer and the periodic structure in each layer.
- the positional relationship between the photoluminescence layer and the periodic structure may be reversed from that shown in FIG.
- the period of each layer is different, but they may all be the same period. In that case, the spectrum cannot be widened, but the emission intensity can be increased.
- FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating a configuration example in which a protective layer 150 is provided between the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120.
- the protective layer 150 for protecting the photoluminescence layer 110 may be provided.
- an electric field of light oozes out only about half the wavelength inside the protective layer 150. Therefore, when the protective layer 150 is thicker than the wavelength, light does not reach the periodic structure 120. For this reason, there is no pseudo waveguide mode, and a function of emitting light in a specific direction cannot be obtained.
- the refractive index of the protective layer 150 is about the same as or higher than the refractive index of the photoluminescence layer 110, the light reaches the inside of the protective layer 150. Therefore, there is no restriction on the thickness of the protective layer 150. However, even in that case, a larger light output can be obtained by forming most of a portion where light is guided (hereinafter, this portion is referred to as a “waveguide layer”) from a photoluminescent material. Therefore, it is desirable that the protective layer 150 is thin even in this case.
- the protective layer 150 may be formed using the same material as the periodic structure (translucent layer) 120. At this time, the light-transmitting layer having a periodic structure also serves as a protective layer.
- the refractive index of the light transmitting layer 120 is preferably smaller than that of the photoluminescent layer 110.
- the photoluminescence layer (or waveguide layer) and the periodic structure are made of a material that satisfies the above conditions, directional light emission can be realized. Any material can be used for the periodic structure. However, if the light absorptivity of the medium forming the photoluminescence layer (or waveguide layer) or the periodic structure is high, the effect of confining light is reduced, and the peak intensity and the Q value are reduced. Therefore, a medium having a relatively low light absorption can be used as a medium for forming the photoluminescence layer (or waveguide layer) and the periodic structure.
- a dielectric having low light absorption can be used as the material of the periodic structure.
- the material of the periodic structure include, for example, MgF 2 (magnesium fluoride), LiF (lithium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SiO 2 (quartz), glass, resin, MgO (magnesium oxide), ITO (indium tin oxide), TiO 2 (titanium oxide), SiN (silicon nitride), Ta 2 O 5 (tantalum pentoxide), ZrO 2 (zirconia), ZnSe (zinc selenide), ZnS (zinc sulfide), etc. Can be mentioned.
- MgF 2 , LiF, CaF 2 , SiO 2 , glass, resin having a refractive index of about 1.3 to 1.5. can be used.
- the photoluminescent material includes a fluorescent material and a phosphorescent material in a narrow sense, includes not only an inorganic material but also an organic material (for example, a dye), and further includes a quantum dot (that is, a semiconductor fine particle).
- a fluorescent material having an inorganic material as a host tends to have a high refractive index.
- quantum dots for example, materials such as CdS, CdSe, core-shell type CdSe / ZnS, alloy type CdSSe / ZnS can be used, and various emission wavelengths can be obtained depending on the material.
- the matrix of quantum dots for example, glass or resin can be used.
- the transparent substrate 140 shown in FIGS. 1C, 1D, and the like is made of a light-transmitting material having a refractive index lower than that of the photoluminescence layer 110.
- a light-transmitting material having a refractive index lower than that of the photoluminescence layer 110.
- examples of such materials include MgF (magnesium fluoride), LiF (lithium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SiO 2 (quartz), glass, and resin.
- a thin film of the photoluminescence layer 110 is formed on the transparent substrate 140 by a process such as vapor deposition, sputtering, and coating, and then a dielectric is formed.
- a method of forming the periodic structure 120 by patterning by a method such as photolithography.
- the periodic structure 120 may be formed by nanoimprinting.
- the periodic structure 120 may be formed by processing only a part of the photoluminescence layer 110. In that case, the periodic structure 120 is formed of the same material as the photoluminescence layer 110.
- the light-emitting element 100 illustrated in FIGS. 1A and 1B can be realized by, for example, manufacturing the light-emitting element 100a illustrated in FIGS. 1C and 1D and then performing a process of removing the portions of the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 from the substrate 140. is there.
- the material constituting the photoluminescence layer 110 is formed thereon by a method such as vapor deposition or sputtering. This is possible by doing.
- the structure shown in FIG. 19B can be realized by embedding the concave portion of the periodic structure 120a with the photoluminescence layer 110 using a method such as coating.
- said manufacturing method is an example and the light emitting element of this indication is not limited to said manufacturing method.
- a sample of a light-emitting element having the same configuration as in FIG. 19A was prototyped and its characteristics were evaluated.
- the light emitting element was manufactured as follows.
- a glass substrate was provided with a one-dimensional periodic structure (stripe-shaped convex part) having a period of 400 nm and a height of 40 nm, and YAG: Ce, which is a photoluminescence material, was formed on the film 210 nm thereon.
- FIG. 25 shows a TEM image of this cross-sectional view
- FIG. 26 shows the result of measuring the spectrum in the front direction when YAG: Ce is emitted by exciting it with a 450 nm LED.
- FIG. 26 shows measurement results (ref) in the absence of a periodic structure, results of measuring a TM mode having a polarization component parallel to the one-dimensional periodic structure, and a TE mode having a perpendicular polarization component. .
- FIG. 27 and FIG. 27 shows a case where the axis parallel to the line direction of the one-dimensional periodic structure (periodic structure 120) is rotated as a rotation axis
- FIG. 28 shows the line direction of the one-dimensional periodic structure (ie, periodic structure 120).
- the measurement result (upper stage) and the calculation result (lower stage) are shown for the case where the vertical axis is rotated about the rotation axis.
- 27 and 28 show the results of TM mode and TE mode linearly polarized light, respectively, FIG. 27 (a) shows the TM mode, FIG. 27 (b) shows the TE mode, and FIG. 28 (a).
- FIG. 27 (a) shows the TM mode
- FIG. 27 (b) shows the TE mode
- the TM mode has a higher effect of enhancement, and it can be seen that the wavelength of the enhancement is shifted depending on the angle. For example, in the case of light at 610 nm, it can be seen that light is directional and polarized because light is only present in the TM mode and in the front direction. In addition, since the upper and lower parts of each figure are consistent, the validity of the above calculation was confirmed by experiments.
- FIG. 29 shows the angle dependency of the intensity when rotating with the direction perpendicular to the line direction as the rotation axis in 610 nm light.
- the directivity angle of the light emitted in the front direction is less than 15 °.
- the directivity angle is an angle at which the intensity is 50% of the maximum intensity, and is expressed as an angle on one side with respect to the direction of the maximum intensity. That is, it can be seen that directional light emission is realized. Further, since all of these are TM mode components, it can be seen that polarized light emission is realized at the same time.
- Embodiment 1 (Embodiment 1) Embodiment 1 will be described.
- the light-emitting element of Embodiment 1 includes a plurality of second protrusions on at least one of the photoluminescence layer and the light-transmitting layer, and the distance between the adjacent second protrusions is adjacent to each other. And a plurality of second protrusions smaller than the distance between the protrusions or the first recesses.
- the plurality of convex portions or the plurality of concave portions included in the submicron structure may be referred to as a plurality of first convex portions or a plurality of first concave portions.
- the light-emitting element of Embodiment 1 may have the same structure as that of any of the above-described embodiments except that the light-emitting element further includes a second protrusion, or any one of the light-emitting elements according to the embodiments of the present disclosure.
- the structure which combined several may be sufficient.
- FIG. 31A is a schematic cross-sectional view of the light emitting element 1100.
- the light-emitting element 1100 is formed on at least one of the photoluminescence layer 110, the light-transmitting layer 120 disposed in the vicinity of the photoluminescence layer 110, the photoluminescence layer 110, and the light-transmitting layer 120.
- a submicron structure extending in the plane of the optical layer 120 and a plurality of second protrusions 160 on the photoluminescence layer 110 are provided.
- the submicron structure includes a plurality of first protrusions 121a or a plurality of first recesses 121b.
- a distance between adjacent first convex portions 121a or between adjacent first concave portions 121b is defined as D int .
- the light emitted from the photoluminescence layer 110 includes first light having a wavelength ⁇ a in the air.
- the refractive index of the photoluminescence layer 110 with respect to the first light is n wav-a . Between these, the relationship of ⁇ a / n wav-a ⁇ D int ⁇ a is established. The distance between the second convex portion 160 adjacent the smaller D int.
- the photoluminescence layer 110 is provided on the light transmission layer 120, for example.
- the plurality of second protrusions 160 are provided on the surface of the photoluminescence layer 110, for example.
- the second protrusion 160 may not be in direct contact with the photoluminescence layer 110.
- another layer may be provided between the photoluminescence layer 110 and the second protrusion 160.
- the directivity and the light emission efficiency of the light emitting element 1100 can be further improved by providing the plurality of second convex portions 160 on the surface of the photoluminescence layer 110.
- the plurality of second protrusions 160 configure, for example, a so-called moth-eye structure (brown eye structure).
- moth-eye structure ribbon eye structure
- the effective refractive index with respect to the light emitted from the photoluminescence layer 110 is changed along the normal direction of the photoluminescence layer 110.
- the refractive index changes continuously from the refractive index of the layer 110 to the refractive index outside the light emitting element 1100. Thereby, the reflectance of the light emitted from the photoluminescence layer 110 at the interface between the photoluminescence layer 110 and the outside of the light emitting element 1100 (for example, air) is lowered.
- the light emitting element 1100 does not have the plurality of second protrusions 160
- the light emitted from the photoluminescence layer 110 is reflected at the interface between the photoluminescence layer 110 and the outside of the light emitting element 1100 (here, for example, air). Some are reflected. This is due to the difference in refractive index between the photoluminescence layer 110 and air.
- the ratio of the reflected light in the light emitted from the photoluminescence layer 110 is reduced, the loss is reduced, so that the directivity and the light emission efficiency of the light emitting element 1100 can be improved.
- the reflectance of light emitted in the normal direction of the photoluminescence layer 110 can be reduced, the directivity and light emission of light emitted in the normal direction of the photoluminescence layer 110 out of the light emitted by the photoluminescence layer 110. Efficiency can be improved.
- the medium having the refractive index n 2 from a medium of refractive index n 1 when light vertically strength to the interface I 0 of both the medium is incident, the intensity of reflected light, I 0 ( (N 1 ⁇ n 2 ) / (n 1 + n 2 )) 2
- the refractive index of the photoluminescence layer 110 when the refractive index of the photoluminescence layer 110 is 1.5, the reflectance is 0.04, and when the refractive index of the photoluminescence layer 110 is 1.8, The reflectance is 0.08.
- the refractive index of the photoluminescence layer 110 is high, the reflectance increases.
- the directivity and the light emission efficiency can be more effectively improved by having the plurality of second convex portions 160.
- the shape of the second convex portion 160 is, for example, a substantially cone.
- an effective refractive index changes continuously along the normal line direction of the photo-luminescence layer 110. FIG. For this reason, the reflectance of light can be reduced effectively.
- the shape of the second convex portion 160 may be, for example, a substantially pyramid (including a polygonal pyramid).
- the shape of the second convex portion 160 is not limited to a substantially cone.
- the shape of the second convex portion 160 may be, for example, a shape in which the tip (vertex) of a cone or a pyramid is rounded.
- the shape of the second convex portion 160 may be, for example, a substantially circular column or a substantially rectangular column (including a polygonal column).
- the shape of the cross section containing the normal line of the photo-luminescence layer 110 of the 2nd convex part 160 is a rectangle (for example, refer FIG.33 (c)).
- the shape of the second convex portion 160 may be, for example, a shape obtained by cutting a tip portion (that is, a portion including the apex) from a cone or a pyramid (that is, a truncated cone or a truncated pyramid). As described as the shape of the first convex portion of the light emitting element of Embodiment 2 below, the shape of the second convex portion 160 may be a tapered shape. The reflectance can also be reduced by the second convex portion 160 having these shapes.
- the second protrusions 160 may be periodically arranged or irregularly arranged. Some of the plurality of second convex portions 160 may form a periodic structure.
- the plurality of second protrusions 160 can improve the directivity and light emission efficiency of the light emitting element 1100 without affecting the pseudo waveguide mode formed in the light emitting element 1100. Even when a plurality of second protrusions 160 are provided on the surface of the photoluminescence layer 110, light emitted from the photoluminescence layer 110 is emitted from the photoluminescence layer 110 to the outside of the light emitting element 1100 (for example, in the air). This is because the critical angle does not change.
- the plurality of second protrusions 160 have a period D int2 that is smaller than the wavelength in the air of the light emitted from the photoluminescence layer 110.
- the period D int2 of the plurality of second protrusions 160 refers to the distance between the adjacent second protrusions 160 in a plane parallel to the surfaces of the photoluminescence layer 110 and the light transmitting layer 120.
- the size A of the second convex portion 160 may be the same as the period D int2 of the second convex portion 160 (see, for example, FIG. 33A or FIG. 33B).
- the size A of the second convex portion 160 may be smaller than the period D int2 of the second convex portion 160 (see, for example, FIG. 33C ).
- the size A of the second convex portion 160 is the size of the second convex portion 160 (for example, the bottom surface of the second convex portion 160 is substantially the same in a plane parallel to the surfaces of the photoluminescence layer 110 and the translucent layer 120. In the case of a circle, it is the diameter, and in the case where the bottom surface of the second convex portion 160 is rectangular, the length of one side thereof.
- the period D int2 of the plurality of second protrusions 160 is preferably smaller than ⁇ a of the wavelength of the first light in the air out of the light emitted from the photoluminescence layer 110.
- the plurality of second protrusions 160 having a period larger than the wavelength of light in the air can generate diffracted light.
- the period D int2 of the plurality of second convex portions 160 can be set to, for example, 50 nm or more and 305 nm or less.
- the processing of the plurality of second convex portions 160 may not be easy.
- the height h2 of the plurality of second convex portions 160 can be set to, for example, 50 nm or more and 300 nm or less.
- the height h ⁇ b> 2 of the second protrusion 160 is the height of the photoluminescence layer 110 in the normal direction.
- the height h2 of the plurality of second protrusions 160 may be set to, for example, 1 or more and 2 or less, assuming that the height of the plurality of first protrusions or the depth of the plurality of first recesses is 1. desirable.
- the effective refractive index can be gradually changed along the normal direction of the photoluminescence layer 110.
- the reflectance at the surface of the photoluminescence layer 110 can be reduced as the height h2 of the plurality of second protrusions 160 is increased.
- the height h2 of the plurality of second protrusions 160 is, for example, 50 nm or more.
- the processing of the plurality of second protrusions 160 is not easy and / or the strength of the second protrusions 160 is reduced (that is, It may be difficult to maintain the shape).
- the height h2 of the second convex portion 160 is desirably 300 nm or less, for example.
- the plurality of second convex portions 160 can be produced by, for example, a semiconductor process or a transfer process using nanoimprint.
- the manufacturing method of the plurality of second protrusions 160 is not limited to a specific method, and any known method may be used.
- the light emitting element 1100 may further include, for example, a transparent substrate 140 that supports the photoluminescence layer 110 and the light transmitting layer 120.
- FIG. 31 shows a configuration in which the light transmitting layer 120 and the transparent substrate 140 are provided integrally.
- the translucent layer 120 and the transparent substrate 140 are integrally formed of the same material.
- the translucent layer 120 and the transparent substrate 140 may be provided separately.
- the transparent substrate 140 is made of, for example, quartz.
- the transparent substrate 140 can be omitted.
- the second protrusion does not constitute only one periodic structure.
- the 2nd convex part 160 may have a plurality of periodic structures which have a mutually different period. Or the 2nd convex part 160 may be arranged irregularly.
- the second protrusion 160 it is not necessary for the second protrusion 160 to coincide with the position of the first protrusion 121a (and / or the first protrusion 121b) when viewed from the normal direction of the photoluminescence layer 110.
- the dotted lines in FIG. 31A are the center lines of the second convex portion 160, the first convex portion 121a, and the first convex portion 121b as viewed from the normal direction of the photoluminescence layer 110. Indicates.
- the center line of the second protrusion 160 matches the position of the center line of the first protrusion 121a (and / or the first protrusion 121b) when viewed from the normal direction of the photoluminescence layer 110.
- at least a part of the plurality of second protrusions 160 may be shifted in position from the first protrusion 121a (and / or the first protrusion 121b) and the center line.
- the present inventors calculated and verified the effect of the second convex portion. That is, when the light emitting element has the second convex portion, it was verified that the light emission efficiency of the light emitting element is improved by increasing the transmittance of light emitted from the front direction of the light emitting element.
- FIG. 31B illustrates the intensity of light emitted in the front direction by calculating the intensity of the electric field in the photoluminescence layer 110 when excitation light having a wavelength ⁇ ( ⁇ m) is incident from the front emission direction. It is a figure which shows the result of having calculated. The greater the calculated light enhancement, the better the light emitting device.
- a model corresponding to the light emitting element 1100 was used. In the model of the example, the thickness of the photoluminescence layer 110 was 163 nm, and the height of the second protrusion 160 was 100 nm. The thickness of the photoluminescence layer 110 and the height of the second protrusion 160 are the length of the photoluminescence layer 110 in the normal direction.
- the thickness of the photoluminescence layer 110 is 200 nm. This thickness is a value determined so that the wavelength at which the light enhancement intensity becomes maximum matches between the example and the comparative example. From the calculation result of FIG. 31 (b), it can be seen that when the second convex portion is present, the light enhancement intensity is increased as compared with the comparative example. That is, it can be seen that the light emission efficiency of the light emitting element is improved when the light emitting element has the second convex portion.
- FIG. 32 is a cross-sectional view schematically showing the light emitting device 1200.
- the light-transmitting layer 120 is provided on the photoluminescent layer 110, and the plurality of second convex portions 160 are provided on the photoluminescent layer 110 and the light-transmitting layer 120.
- the light emitting element 1200 may be the same as the light emitting element 1100 except the above points.
- FIG. 32 shows a configuration in which the light transmitting layer 120 and the photoluminescence layer 110 are provided integrally. In this configuration example, the light transmitting layer 120 and the photoluminescence layer 110 are integrally formed of the same material. However, as a matter of course, the light transmitting layer 120 and the photoluminescence layer 110 may be provided separately. The same applies to other embodiments.
- the plurality of second protrusions 160 are provided on the surfaces of the photoluminescence layer 110 and the light transmission layer 120, for example, as illustrated in FIG.
- the plurality of second convex portions 160 may not be in direct contact with the photoluminescence layer 110 and the light transmitting layer 120.
- another layer may be provided between the plurality of second protrusions 160 and the photoluminescence layer 110 and the light transmitting layer 120.
- the light emitting element 1200 has a plurality of second convex portions 160 on the surface of the photoluminescence layer 110 and the light transmitting layer 120. For this reason, the transmittance
- FIGS. 33A to 33C are diagrams each schematically showing an example of an enlarged view of a cross section of the light emitting element 1200.
- FIG. FIG. 33A shows the first convex portion 121a and the first concave portion 121b of the submicron structure, and the second convex portion 160.
- FIG. 33A the submicron structure has a first convex part 121a and a first concave part 121b.
- the height of the first protrusion 121a or the depth of the first recess 121b is h. These are distances in the normal direction of the photoluminescence layer 110.
- the 2nd convex part 160 is provided in the surface of the 1st convex part 121a and the 1st recessed part 121b.
- the second convex portion 160 has a size A and a height h2.
- the 2nd convex part 160 may comprise a periodic structure, and the period Dint2 may correspond with the size A of the 2nd convex part 160.
- FIG. 33 (b) instead of the second convex portion 160, a second concave portion 160b having a size A and a depth h2 is formed on the surface of the first convex portion 121a and the first concave portion 121b. It may be provided. Further, the second convex portion 160 may have a triangular shape as shown in FIG.
- the 2nd convex part 160 may be provided only in the surface of the 1st convex part 121a, and may be provided only in the surface of the 1st recessed part 121b.
- the second convex portion 160 is desirably provided on the surfaces of both the first convex portion 121a and the first concave portion 121b in order to further improve the directivity and luminous efficiency of the light emitting element.
- the light-emitting element of Embodiment 1 is not limited to the above example.
- 34A and 34B still another light-emitting element 1300 and light-emitting element 1400 of Embodiment 1 will be described.
- 34A and 34B are cross-sectional views schematically showing the light-emitting element 1300 and the light-emitting element 1400, respectively.
- the light-transmitting layer 120 may have a submicron structure.
- a light-transmitting layer 120 may be provided on both sides of the photoluminescence layer 110 as in a light-emitting element 1400 illustrated in FIG.
- the light emitting element 1300 and the light emitting element 1400 may be the same as the light emitting element 1100 or the light emitting element 1200, respectively, except for the above points.
- the light emitting element 1300 and the light emitting element 1400 have a plurality of second convex portions 160 on at least one surface of the photoluminescence layer 110 and the light transmitting layer 120. For this reason, the transmittance
- Embodiment 2 Next, a second embodiment will be described.
- the light-emitting element of Embodiment 2 at least a part of the side surfaces of the plurality of first protrusions or the plurality of first recesses is inclined with respect to the normal direction of the photoluminescence layer.
- the area of the cross section perpendicular to the normal direction of the photoluminescence layer of the plurality of first protrusions is the largest in the cross section closest to the photoluminescence layer.
- the light-emitting element of Embodiment 2 may have the same structure as that of any of the above-described embodiments except for the above points, or may have a configuration in which any one or more of the light-emitting elements according to the embodiments of the present disclosure are combined. May be.
- FIG. 35A is a schematic cross-sectional view of the light emitting element 1500.
- the light-emitting element 1500 is formed on at least one of the photoluminescence layer 110, the light-transmitting layer 120 disposed in the vicinity of the photoluminescence layer 110, and the photoluminescence layer 110 and the light-transmitting layer 120.
- a submicron structure extending in the plane of the optical layer 120.
- the submicron structure includes a plurality of first protrusions 121a or a plurality of first recesses 121b.
- the light emitted from the photoluminescence layer 110 includes first light having a wavelength ⁇ a in the air.
- the refractive index of the photoluminescence layer 110 with respect to the first light is n wav-a . Between these, the relationship of ⁇ a / n wav-a ⁇ D int ⁇ a is established.
- the first convex portion 121a or the first concave portion 121b of the light emitting element 1500 has a so-called tapered shape.
- the tapered shape of the first convex portion 121a means that at least a part of the side surface of the first convex portion 121a is inclined with respect to the normal direction of the photoluminescence layer 110, and the first convex portion 121a
- the area of the cross section perpendicular to the normal direction of the photoluminescence layer 110 is the largest in the cross section closest to the photoluminescence layer 110.
- the tapered shape of the first recess 121b means that at least a part of the side surface of the first recess 121b is inclined with respect to the normal direction of the photoluminescence layer 110, and the first recess 121b of the photoluminescence layer 110 is formed.
- the area of the cross section perpendicular to the normal direction is the smallest in the cross section closest to the photoluminescence layer 110.
- the refractive index of the first convex portion 121a is set higher than the refractive index of the first concave portion 121b.
- the light emitting element 1500 further includes a transparent substrate 140 that supports, for example, the photoluminescence layer 110 and the translucent layer 120.
- the light-transmitting layer 120 is provided between the transparent substrate 140 and the photoluminescence layer 110.
- the excitation light is incident from the transparent substrate side of the light emitting element 1500, for example.
- the light emitting element 1500 includes a photoluminescence layer 110 and a transparent substrate 140 (in the case where the light emitting element 1500 does not have a transparent substrate, for example, air or the like, outside the light emitting element 1500) in the normal direction of the photoluminescence layer 110.
- the change in the effective refractive index with respect to the light emitted from the photoluminescence layer 110 along becomes smooth. Therefore, the reflectance of the excitation light incident from the transparent substrate 140 side can be reduced.
- the light emitting element 1500 since excitation light is efficiently guided to the photoluminescence layer 110, directivity and light emission efficiency can be improved.
- the light emitting element 1500 is manufactured as follows, for example. It is manufactured by preparing a transparent substrate (for example, a quartz substrate), forming a predetermined shape (pattern) by etching the transparent substrate, and then depositing a light emitting material on the transparent substrate.
- a transparent substrate for example, a quartz substrate
- the first protrusion 121 a is formed from the same material as the photoluminescence layer 110
- the first recess 121 b is formed from the same material as the transparent substrate 140.
- the first protrusion 121a may be formed of a material different from that of the photoluminescence layer 110.
- the first recess 121b may be formed of a material different from that of the transparent substrate 140.
- the first recess 121b may be an air layer.
- the light-emitting element of Embodiment 2 is not limited to the light-emitting element 1500.
- FIG. 35B another light-emitting element 1600 of the second embodiment will be described.
- FIG. 35B is a cross-sectional view of the light emitting element 1600.
- the light emitting element 1600 differs from the light emitting element 1500 in that the light transmitting layer 120 is provided over the photoluminescence layer 110.
- the light emitting element 1600 may be the same as the light emitting element 1500 except the above points. For example, excitation light may be incident on the light emitting element 1600 from the light transmitting layer 120 side.
- the reflectance of the excitation light incident from above the light emitting element 1600 is reduced by the first convex portion 121a having a tapered shape.
- the first convex portion 121a of the light emitting element 1600 can also have an effect of improving the emission efficiency of light emitted from the photoluminescence layer 110.
- FIGS. 36B to 36E are diagrams showing examples of cross-sectional shapes in a plane including the normal line of the photoluminescence layer 110 having a submicron structure.
- FIG. 36A shows a submicron structure having first convex portions 121a that are not tapered.
- the submicron structure has a periodic structure in which first convex portions 121a and first concave portions 121b are alternately provided.
- the submicron structure has a shape in which the area of the first protrusion 121a and the area of the first recess 121b are equal in the cross section including the normal line of the photoluminescence layer 110.
- the shape of the first convex portion 121a will be described, but the same applies to the shape of the first concave portion 121b.
- the shape of the first protrusion 121a is, for example, an isosceles trapezoid.
- the side surface of the first convex portion 121 a is inclined at an angle ⁇ with respect to the surface of the photoluminescence layer 110.
- the angle ⁇ is less than 90 °.
- the height h of the first protrusion 121a is the height of the photoluminescence layer 110 in the normal direction.
- at least a part of the side surface of the first convex portion 121a may have a curve.
- FIG. 36C shows a structure in which the lower part of the side surface of the first convex portion 121a is curved.
- FIG. 36D shows a structure in which the upper part of the side surface of the first convex portion 121a is curved.
- FIG. 36 (e) shows a structure in which both the upper and lower portions of the side surface of the first convex portion 121a are curved.
- the “upper portion” is a portion far from the photoluminescence layer 110 in the normal direction of the photoluminescence layer 110, and the “lower portion” is close to the photoluminescence layer 110 in the normal direction of the photoluminescence layer 110. Part.
- FIG. 36F shows an example of a schematic perspective view of the light-emitting element 1600.
- the submicron structure is not limited to the one including the first convex portion 121a and the first concave portion 121b illustrated in FIG. As illustrated in FIG. 36F, the submicron structure may be formed by a plurality of first recesses 121 b scattered in the light transmitting layer 120.
- the present inventors calculated and verified the effect of the first convex portion having a tapered shape.
- FIGS. 37 (b) and (d) are diagrams for explaining a model that has been calculated.
- FIGS. 37 (b) and (d) show the wavelength ⁇ ( ⁇ m) from the front direction (ie, perpendicular to the photoluminescence layer 110 and the translucent layer 120) in the models of FIGS. 37 (a) and (c), respectively. It is a figure which shows the result of having calculated the intensity
- the model in FIG. 37A corresponds to the light emitting element 1500.
- a translucent layer 120 is provided between the photoluminescence layer 110 and the transparent substrate 140.
- the refractive index of the photoluminescence layer 110 is 1.8, and the refractive index of the transparent substrate 140 is 1.46.
- the first convex portion 121 a is formed of the same material as that of the photoluminescence layer 110, and the first concave portion 121 b is formed of the same material as that of the transparent substrate 140. Therefore, the refractive index of the first convex portion 121a is 1.8, and the refractive index of the first concave portion 121b is 1.46.
- the 1st convex part 121a and the 1st recessed part 121b comprise the periodic structure whose period p is 380 nm.
- the height of the first convex portion 121a (the depth of the first concave portion 121b) h is 80 nm.
- the thickness h L of the photoluminescence layer 110 is 150 nm.
- FIG. 37 (b) shows the result of calculating the light enhancement intensity by changing the inclination angle ⁇ (°) of the side surface of the first convex portion 121a (or the first concave portion 121b).
- the area of the first convex portion 121a in the cross section including the normal line of the photoluminescence layer 110 was made constant even when the inclination angle ⁇ changed.
- the first convex portion 121a has a tapered shape. It can be seen that as the tilt angle ⁇ decreases, the light enhancement increases and the light emission efficiency of the photoluminescence layer 110 improves.
- the first convex portion 121a (or the first concave portion 121b) has a shape of a two-layer laminated structure, not a tapered shape. That is, the side surfaces of the plurality of first protrusions 121a (or the plurality of first recesses 121b) are stepped.
- the area of the cross section perpendicular to the normal direction of the photoluminescence layer 110 of the first protrusion 121a is the largest in the cross section closest to the photoluminescence layer 110 and the smallest in the cross section farthest.
- the area of the cross section perpendicular to the normal direction of the photoluminescence layer 110 of the first recess 121b is the smallest in the cross section closest to the photoluminescence layer 110 and the largest in the farthest cross section.
- the area of the cross section perpendicular to the normal direction of the photoluminescence layer 110 of the first protrusion 121 a and / or the first recess 121 b changes in a stepped manner along the normal direction of the photoluminescence layer 110.
- the two layers constituting the shape of the first convex portion 121a (or the first concave portion 121b) are different in size in a plane parallel to the photoluminescence layer 110, and when the centers of the two layers are made to coincide with each other, A shift (step) in ⁇ w (nm) occurs.
- the level difference ⁇ w increases, the light intensity increases and the light emission efficiency of the photoluminescence layer 110 improves. It has been found that the same effect as the tapered shape can be obtained even if the first convex portion 121a has a two-layer laminated structure instead of the tapered shape. The same effect can be obtained even if the first convex portion 121a has a laminated structure of three or more layers.
- FIG. 38 illustrates a case where light having a wavelength of 612 nm is incident on a model corresponding to the light-emitting element 1600 (see FIG. 35B) perpendicularly to the photoluminescent layer 110 and the light-transmitting layer 120 from the light-transmitting layer 120 side.
- the result of measuring the transmittance is shown. From the outside of the light-emitting element 1600, the ratio of light transmitted through the light-transmitting layer 120 and incident on the photoluminescence layer 110 was calculated. This calculation is a process reverse to the process in which the light emitted from the photoluminescence layer 110 is transmitted through the light-transmitting layer 120 and emitted to the outside of the light-emitting element 1600.
- the 1st convex part 121a is formed from the same material (refractive index is 1.8) as the photo-luminescence layer 110.
- the hatched portion in FIG. 38 is a region where the shape of the first convex portion 121a does not hold, and does not give an effective result.
- the transmittance tends to increase. That is, it can be seen that the light emitted from the photoluminescence layer 110 is efficiently emitted when the first protrusion 121a has a tapered shape.
- the transmittance is remarkably increased due to the decrease in the inclination angle ⁇ . That is, when the height h of the first protrusion 121a is about 100 nm or more, the light emission efficiency of the light emitted from the photoluminescence layer 110 can be greatly improved by having the first protrusion 121a have a tapered shape.
- the transmittance does not change much with respect to the change in the inclination angle ⁇ .
- the first convex portion has a tapered shape
- the light emitted from the photoluminescence layer is efficiently emitted, and the light emission efficiency and directivity of the light emitting element are improved.
- the inclination angle ⁇ of the side surface of the first convex portion may decrease from 90 ° due to an error in the manufacturing process.
- a draft may be provided in a type
- Embodiment 3 A light-emitting element according to Embodiment 3 will be described.
- the surfaces of the plurality of first protrusions or the plurality of first recesses that receive light incident on the light-emitting element from the normal direction of the photoluminescence layer are formed on the photoluminescence layer 110. Inclined from parallel surfaces.
- the light-emitting element of Embodiment 3 may have the same structure as that of any of the above-described embodiments except for the above points. Except for the above points, the light-emitting element of Embodiment 3 may have a configuration in which any of the light-emitting elements according to the embodiments of the present disclosure are combined.
- FIG. 39A is a schematic cross-sectional view of the light emitting element 1700.
- the light-emitting element 1700 is formed on at least one of the photoluminescence layer 110, the light-transmitting layer 120 disposed in proximity to the photoluminescence layer 110, and the photoluminescence layer 110 and the light-transmitting layer 120.
- a submicron structure extending in the plane of the optical layer 120.
- the submicron structure includes a plurality of first protrusions 121a or a plurality of first recesses 121b. Let D int be the distance between adjacent first convex portions 121a or the distance between adjacent first concave portions 121b.
- the light emitted from the photoluminescence layer 110 includes first light having a wavelength ⁇ a in the air.
- the refractive index of the photoluminescence layer 110 with respect to the first light is n wav-a . Between these, the relationship of ⁇ a / n wav-a ⁇ D int ⁇ a is established.
- the surface of the plurality of first protrusions 121 a or the plurality of first recesses 121 b that receives light incident on the light emitting element 1700 from the normal direction of the photoluminescence layer 110 is ⁇ from the surface parallel to the photoluminescence layer 110.
- B is inclined.
- the inclination angle ⁇ B is the same for each first convex portion 121a or first concave portion 121b.
- the submicron structure including the plurality of first protrusions 121 a and the plurality of first recesses 121 b has a cross section including the normal line of the photoluminescence layer 110 with respect to the normal line direction of the photoluminescence layer 110. And asymmetric.
- the direction in which the directivity intensity of the light emitted from the photoluminescence layer 110 is strong can be tilted from the normal direction of the photoluminescence layer 110.
- the light-emitting element 1700 can control directivity and light emission efficiency by adjusting ⁇ B in accordance with the direction in which the directivity of light is to be increased and the wavelength of light emitted from the photoluminescence layer 110.
- the inclination angle ⁇ B is, for example, 10 ° to 60 °.
- the shape of the first convex portion of the light emitting element 1700 is, for example, a saw shape in a cross section including the normal line of the photoluminescence layer 110. Such a shape is used, for example, in a blazed diffraction grating.
- the transmissive blazed diffraction grating is desired to be extracted by matching the traveling direction of the incident light after being refracted by the diffraction grating and the direction of the diffracted light of an arbitrary order.
- the intensity of the diffracted light of the order can be increased.
- FIG. 40 shows a schematic cross-sectional view of a transmissive blazed diffraction grating.
- the grooves of the diffraction grating have a saw-like shape, and the surface for receiving light incident from the direction of the diffraction grating normal is inclined by ⁇ B.
- the incident angle ⁇ i is an angle with respect to the diffraction grating normal line of the incident light
- the outgoing angle ⁇ o is an angle with respect to the diffraction grating normal line of the outgoing light.
- the refraction condition on the inclined surface of the diffraction grating ⁇ B is Snell's law.
- n i ⁇ sin ⁇ 'i n o ⁇ sin ⁇ ' o (19) It is.
- ⁇ ′ i and ⁇ ′ o are angles with respect to a line inclined by ⁇ B with respect to the diffraction grating normal.
- the light emitting element 1700 can enhance light emitted in an arbitrary direction and enhance directivity based on the same principle as that of the blazed diffraction grating. Directivity can be enhanced by adjusting the shape of the plurality of first protrusions in accordance with the wavelength of light emitted from the photoluminescence layer 110. Since the proportion of light emitted in a direction other than the direction in which the directivity is enhanced can be reduced, the light emission efficiency can be improved. The light emitting element 1700 can improve and / or control directivity and light emission efficiency.
- FIG. 39B is a schematic cross-sectional view of the light emitting element 1800.
- the first convex portion 121a of the light emitting element 1800 has a stepped shape including a plurality of steps in a cross section including the normal line of the photoluminescence layer 110.
- Each of the plurality of steps constituting the first convex portion 121a has the largest area of the step closest to the photoluminescence layer 110 in the cross section perpendicular to the normal direction of the photoluminescence layer 110, and is the largest from the photoluminescence layer 110.
- the area of the far step is the smallest.
- the first protrusion 121 a has the largest cross-sectional area closest to the photoluminescence layer 110 in the cross section perpendicular to the normal direction of the photoluminescence layer 110.
- the first convex portion 121a of the light emitting element 1800 is easier to manufacture than the first convex portion 121a of the light emitting element 1700.
- the first convex portion 121a of the light emitting element 1800 is formed by, for example, a known semiconductor process including a photolithography process.
- the first convex portion 121a of the light emitting element 1800 may be formed by, for example, a transfer method using a mold (stamper) as will be described later.
- FIG. 39B illustrates a case where the number of stages is 4, but the number N of stages is not limited to this.
- the height of each step may be the same or different from each other.
- the height ⁇ h of each step is a height (h / (N ⁇ 1)) obtained by dividing the height h of the first protrusion 121a into N ⁇ 1 equal parts.
- the difference in the area of adjacent steps may be the same, for example.
- the number of steps is infinite, and is equivalent to the first convex portion 121a of the light emitting element 1700.
- the manufacturing process and manufacturing cost increase.
- the number of stages is, for example, 4 to 8 stages.
- the number of steps is, for example, an even number.
- 41A to 41E are cross-sectional views for explaining an example of a method for manufacturing the mold 10 for forming the first convex portion 121a of the light emitting element 1800.
- FIG. 41A to 41E are cross-sectional views for explaining an example of a method for manufacturing the mold 10 for forming the first convex portion 121a of the light emitting element 1800.
- a resist layer 12 is formed on a substrate 11.
- the resist layer 12 is formed, for example, by applying a known resist material to the entire surface of the substrate 11.
- the resist layer 12 is processed into a predetermined shape (pattern) by a known photolithography process.
- Electron beam lithography EB lithography
- the resist layer 12 is processed to have a periodic structure. For example, in a plane parallel to the substrate 11, the region where the resist layer 12 exists and the region where the resist layer 12 does not have the same area, and both regions are alternately formed.
- the substrate 11 is etched using the patterned resist layer 12 as a mask.
- anisotropic dry etching is performed. For example, a region of the substrate 11 where the resist layer 12 does not exist in FIG. 41B is etched. The depth to be etched is ⁇ d. After the etching, the resist layer 12 is removed.
- a resist layer 12 is formed again on the entire surface of the substrate 11.
- the resist layer 12 is processed into a predetermined shape (pattern).
- photolithography or electron beam lithography is used.
- the period of the pattern (periodic structure) of the resist layer 12 formed in the process of FIG. 41D is twice the period in the process of FIG.
- the substrate 11 is etched using the patterned resist layer 12 as a mask. Similar to the process of FIG. 41C, typically, anisotropic dry etching is performed. For example, a region of the substrate 11 where the resist layer 12 does not exist in FIG. Typically, the depth etched is twice (2 ⁇ d) the depth etched in the step of FIG. After the etching, the resist layer 12 is removed.
- the mold 10 for forming the first convex portion 121a of the light emitting element 1800 is manufactured.
- the first convex portion formed by the transfer method using the mold 10 in FIG. 41 (e) has four steps like the first convex portion 121a of the light emitting element 1800 illustrated in FIG. 39 (b). .
- the etching depth ⁇ d in the mold 10 may correspond to, for example, the height ⁇ h of each step of the first protrusion 121a.
- a mold having a number of steps higher than the number of times of etching can be produced. Typically, the number of steps is twice the number of etchings.
- a light emitting device having directivity can be realized, it can be applied to an optical device such as an illumination, a display, and a projector.
- Light-emitting element 100, 100a, 1100 to 1800 Light-emitting element 110 Photoluminescence layer (waveguide) 120, 120 ', 120a, 120b, 120c Translucent layer (periodic structure, submicron structure) 121a First convex portion 140 Transparent substrate 150 Protective layer 160 Second convex portion 180 Light source 200 Light emitting device
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Abstract
発光素子は、フォトルミネッセンス層と、透光層と、フォトルミネッセンス層または透光層の面内に広がるサブミクロン構造とを有し、サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をDintとし、第1の光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立ち、かつ、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の上に、複数の第2の凸部であって、隣接する第2の凸部間の距離がDintより小さい複数の第2の凸部を有する。
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、この様な材料は、特定の方向のみに光を出射させるために、リフレクターやレンズなどの光学部品とともに用いられる。例えば、特許文献1は、配光板および補助反射板を用いて指向性を確保した照明システムを開示している。
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層の発光効率、指向性、または偏光特性を制御することが可能な、新規な構造を有する発光素子およびそれを備える発光装置を提供する。
本開示のある実施形態の発光素子は、フォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造とを有し、前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をDintとし、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立ち、かつ、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の上に、複数の第2の凸部であって、隣接する第2の凸部間の距離がDintより小さい複数の第2の凸部を有する。
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。
本開示は、以下の項目に記載の発光素子および発光装置を含む。
[項目1]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をDintとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立つ、発光素子。
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をDintとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立つ、発光素子。
[項目2]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ第1周期構造を含む、項目1に記載の発光素子。
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ第1周期構造を含む、項目1に記載の発光素子。
[項目3]
前記第1の光に対する前記透光層の屈折率nt-aは、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率nwav-aよりも小さい、項目1または2に記載の発光素子。
前記第1の光に対する前記透光層の屈折率nt-aは、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率nwav-aよりも小さい、項目1または2に記載の発光素子。
[項目4]
前記第1の光は、前記サブミクロン構造によって予め決められた第1の方向において強度が最大になる、項目1から3のいずれかに記載の発光素子。
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。
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。
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。
前記第1の光の前記第1の方向を基準としたときの指向角は、15°未満である、項目4から6のいずれかに記載の発光素子。
[項目8]
前記第1の光の波長λaと異なる波長λbを有する第2の光は、前記第1の方向と異なる第2の方向において強度が最大となる、項目4から7のいずれかに記載の発光素子。
前記第1の光の波長λaと異なる波長λbを有する第2の光は、前記第1の方向と異なる第2の方向において強度が最大となる、項目4から7のいずれかに記載の発光素子。
[項目9]
前記透光層が前記サブミクロン構造を有する、項目1から8のいずれかに記載の発光素子。
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。
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。
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。
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。
前記透光層は、前記サブミクロン構造を一方の主面に有する透明基板であって、
前記フォトルミネッセンス層は、前記サブミクロン構造の上に形成されている、項目1から8のいずれかに記載の発光素子。
[項目14]
前記第1の光に対する前記透光層の屈折率nt-aは、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率nwav-a以上であって、前記サブミクロン構造が有する前記複数の凸部の高さまたは前記複数の凹部の深さは150nm以下である、項目1または2に記載の発光素子。
前記第1の光に対する前記透光層の屈折率nt-aは、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率nwav-a以上であって、前記サブミクロン構造が有する前記複数の凸部の高さまたは前記複数の凹部の深さは150nm以下である、項目1または2に記載の発光素子。
[項目15]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ第1周期構造を含み、
前記第1周期構造は、1次元周期構造である、項目1および3から14のいずれかに記載の発光素子。
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ第1周期構造を含み、
前記第1周期構造は、1次元周期構造である、項目1および3から14のいずれかに記載の発光素子。
[項目16]
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaと異なるλbの第2の光を含み、前記第2の光前記第2の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-bとすると、
前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpbとすると、λb/nwav-b<pb<λbの関係が成り立つ第2周期構造をさらに含み、
前記第2周期構造は、1次元周期構造である、項目15に記載の発光素子。
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaと異なるλbの第2の光を含み、前記第2の光前記第2の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-bとすると、
前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpbとすると、λb/nwav-b<pb<λbの関係が成り立つ第2周期構造をさらに含み、
前記第2周期構造は、1次元周期構造である、項目15に記載の発光素子。
[項目17]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも2つの周期構造を含み、前記少なくとも2つの周期構造は、互いに異なる方向に周期性を有する2次元周期構造を含む、項目1および3から14のいずれかに記載の発光素子。
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。
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記複数の周期構造は、マトリクス状に配列された複数の周期構造を含む、項目1および3から14のいずれかに記載の発光素子。
[項目19]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-exとすると、
前記複数の周期構造は、周期pexが、λex/nwav-ex<pex<λexの関係が成り立つ周期構造を含む、項目1および3から14のいずれかに記載の発光素子。
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-exとすると、
前記複数の周期構造は、周期pexが、λex/nwav-ex<pex<λexの関係が成り立つ周期構造を含む、項目1および3から14のいずれかに記載の発光素子。
[項目20]
複数のフォトルミネッセンス層と、複数の透光層とを有し、
前記複数のフォトルミネッセンス層の少なくとも2つと前記複数の透光層の少なくとも2つとは、それぞれ独立に、項目1から19のいずれかに記載の前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とにそれぞれ該当する、発光素子。
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。
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。
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。
光が導波することができる導波層と、
前記導波層に近接して配置された周期構造と
を備え、
前記導波層はフォトルミネッセンス材料を有し、
前記導波層において、前記フォトルミネッセンス材料から発せられた光が前記周期構造と作用しながら導波する擬似導波モードが存在する、発光素子。
[項目24]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をDintとし、前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層または前記透光層に至る光路に存在する媒質の内で最も屈折率が大きい媒質の屈折率をnwav-exとすると、λex/nwav-ex<Dint<λexの関係が成り立つ、発光素子。
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をDintとし、前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層または前記透光層に至る光路に存在する媒質の内で最も屈折率が大きい媒質の屈折率をnwav-exとすると、λex/nwav-ex<Dint<λexの関係が成り立つ、発光素子。
[項目25]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpexとすると、λex/nwav-ex<pex<λexの関係が成り立つ第1周期構造を含む、項目24に記載の発光素子。
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpexとすると、λex/nwav-ex<pex<λexの関係が成り立つ第1周期構造を含む、項目24に記載の発光素子。
[項目26]
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、発光素子。
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、発光素子。
[項目27]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、発光素子。
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、発光素子。
[項目28]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、発光素子。
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、発光素子。
[項目29]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、項目1から21、24から28のいずれかに記載の発光素子。
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。
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。
前記導波層と前記周期構造とが互いに接している、項目23に記載の発光素子。
[項目32]
項目1から31のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。
項目1から31のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。
[項目33]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
隣接する第1の凸部または第1の凹部間の距離をDintとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の上に、複数の第2の凸部であって、隣接する第2の凸部間の距離がDintより小さい複数の第2の凸部を有する、発光素子。
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
隣接する第1の凸部または第1の凹部間の距離をDintとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の上に、複数の第2の凸部であって、隣接する第2の凸部間の距離がDintより小さい複数の第2の凸部を有する、発光素子。
[項目34]
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ第1周期構造を含む、項目33に記載の発光素子。
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ第1周期構造を含む、項目33に記載の発光素子。
[項目35]
前記隣接する第2の凸部間の距離は、λa/2よりも小さい、項目33または35に記載の発光素子。
前記隣接する第2の凸部間の距離は、λa/2よりも小さい、項目33または35に記載の発光素子。
[項目36]
前記複数の第2の凸部の少なくとも一部は、周期構造を構成する、項目33から35のいずれかに記載の発光素子。
前記複数の第2の凸部の少なくとも一部は、周期構造を構成する、項目33から35のいずれかに記載の発光素子。
[項目37]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
隣接する第1の凸部または第1の凹部間の距離をDintとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第1の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第1の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
隣接する第1の凸部または第1の凹部間の距離をDintとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第1の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第1の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
[項目38]
前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部の側面の少なくとも一部は、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜している、項目37に記載の発光素子。
前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部の側面の少なくとも一部は、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜している、項目37に記載の発光素子。
[項目39]
前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部の側面の少なくとも一部は、階段状である、項目37または38に記載の発光素子。
前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部の側面の少なくとも一部は、階段状である、項目37または38に記載の発光素子。
[項目40]
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、項目37から39のいずれかに記載の発光素子。
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、項目37から39のいずれかに記載の発光素子。
[項目41]
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第2の凸部を有する発光素子。
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第2の凸部を有する発光素子。
[項目42]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第2の凸部を有する発光素子。
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第2の凸部を有する発光素子。
[項目43]
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第1の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第1の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第1の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第1の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
[項目44]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第1の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第1の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第1の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第1の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
[項目45]
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目33から44のいずれかに記載の発光素子。
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目33から44のいずれかに記載の発光素子。
[項目46]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第2の凸部を有する発光素子。
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第2の凸部を有する発光素子。
[項目47]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第1の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第1の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第1の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第1の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。
[項目48]
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部と前記複数の第1の凹部との双方を含む、項目33から47のいずれかに記載の発光素子。
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部と前記複数の第1の凹部との双方を含む、項目33から47のいずれかに記載の発光素子。
[項目49]
項目33から48のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。
項目33から48のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。
本開示の実施形態による発光素子は、フォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造とを有し、前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をDintとし、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立つ。波長λaは、例えば、可視光の波長範囲内(例えば、380nm以上780nm以下)にある。
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Dintとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係を満足する。サブミクロン構造は、複数の凸部に代えて複数の凹部を含んでもよい。以下では、簡単のために、サブミクロン構造が複数の凸部を有する場合を説明する。λは光の波長を表し、λaは空気中での光の波長であることを表現する。nwavはフォトルミネッセンス層の屈折率である。フォトルミネッセンス層が複数の材料を混合した媒質である場合、各材料の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をnwavとする。一般に屈折率nは波長に依存するので、λaの光に対する屈折率であることをnwav-aと明示することが望ましいが、簡単のために省略することがある。nwavは基本的にフォトルミネッセンス層の屈折率であるが、フォトルミネッセンス層に隣接する層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きい場合、当該屈折率が大きい層の屈折率およびフォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をnwavとする。この場合は、光学的には、フォトルミネッセンス層が複数の異なる材料の層で構成されている場合と等価であるからである。
擬似導波モードの光に対する媒質の有効屈折率をneffとすると、na<neff<nwavを満たす。ここで、naは空気の屈折率である。擬似導波モードの光を、フォトルミネッセンス層の内部を入射角θで全反射しながら伝搬する光であると考えると、有効屈折率neffは、neff=nwavsinθと書ける。また、有効屈折率neffは、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まるので、例えば、サブミクロン構造が透光層に形成されている場合、フォトルミネッセンス層の屈折率だけでなく、透光層の屈折率にも依存する。また、擬似導波モードの偏光方向(TEモードとTMモード)により、電場の分布は異なるので、TEモードとTMモードとでは有効屈折率neffは異なり得る。
サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成される。フォトルミネッセンス層と透光層とが互いに接するとき、フォトルミネッセンス層と透光層との界面にサブミクロン構造が形成されてもよい。このとき、フォトルミネッセンス層および透光層がサブミクロン構造を有する。フォトルミネッセンス層はサブミクロン構造を有さなくてもよい。このとき、サブミクロン構造を有する透光層がフォトルミネッセンス層に近接して配置される。ここで、透光層(またはそのサブミクロン構造)がフォトルミネッセンス層に近接するとは、典型的には、これらの間の距離が、波長λaの半分以下であることをいう。これにより、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成される。ただし、透光層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きいときには上記の関係を満足しなくても透光層まで光が到達するため、透光層のサブミクロン構造とフォトルミネッセンス層との間の距離は、波長λaの半分超であってもよい。本明細書では、フォトルミネッセンス層と透光層とが、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成されるような配置関係にあるとき、両者が互いに関連付けられていると表現することがある。
サブミクロン構造は、上記のように、λa/nwav-a<Dint<λaの関係を満足するので、サブミクロンオーダーの大きさで特徴づけられる。サブミクロン構造は、例えば、以下に詳細に説明する実施形態の発光素子におけるように、少なくとも1つの周期構造を含む。少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ。すなわち、サブミクロン構造は、隣接する凸部間の距離Dintがpaで一定の周期構造を有する。サブミクロン構造が周期構造を含むと、擬似導波モードの光は、伝搬しながら周期構造と相互作用を繰り返すことにより、サブミクロン構造によって回折される。これは、自由空間を伝播する光が周期構造により回折する現象とは異なり、光が導波しながら(即ち、全反射を繰り返しながら)周期構造と作用する現象である。したがって、周期構造による位相シフトが小さくても(即ち、周期構造の高さが小さくても)効率よく光の回折を起こすことができる。
以上のようなメカニズムを利用すれば、擬似導波モードにより電場が増強される効果によって、フォトルミネッセンスの発光効率が増大するとともに、発生した光が擬似導波モードに結合する。擬似導波モードの光は、周期構造で規定される回折角度だけ進行角度が曲げられる。これを利用することによって、特定の波長の光を特定の方向に出射することができる(指向性が顕著に向上)。さらに、TEとTMモードで有効屈折率neff(=nwavsinθ)が異なるので、高い偏光の選択性を同時に得ることもできる。例えば、後に実験例を示すように、特定の波長(例えば610nm)の直線偏光(例えばTMモード)を正面方向に強く出射する発光素子を得ることができる。このとき、正面方向に出射される光の指向角は例えば15°未満である。なお、指向角は正面方向を0°とした片側の角度とする。
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λexとし、この励起光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-exとすると、λex/nwav-ex<Dint<λexの関係が成り立つサブミクロン構造を用いればよい。nwav-exはフォトルミネッセンス材料の励起波長における屈折率である。周期をpexとすると、λex/nwav-ex<pex<λexの関係が成り立つ周期構造を有するサブミクロン構造を用いてもよい。励起光の波長λexは、例えば、450nmであるが、可視光よりも短波長であってもよい。励起光の波長が可視光の範囲内にある場合、フォトルミネッセンス層が発する光とともに、励起光を出射するようにしてもよい。
[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。
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kwavをもつ擬似導波モードは、導波路外の伝播光へと変換され、その波数koutは以下の式(2)で表すことができる。
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θwavで伝播する光線であると考え、以下の式(3)および(4)が成立するとする。
これらの式において、λ0は光の空気中の波長、nwavは導波路の屈折率、noutは出射側の媒質の屈折率、θoutは光が導波路外の基板または空気に出射するときの出射角度である。式(2)~(4)から、出射角度θoutは、以下の式(5)で表すことができる。
式(5)より、nwavsinθwav=mλ0/pが成立するとき、θout=0となり、導波路の面に垂直な方向(即ち、正面)に光を出射させることができることがわかる。
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<sinθout<1である必要がある。よって、以下の式(7)を満足する必要がある。
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(θout=0)にするためには、式(5)から、以下の式(9)が必要であることがわかる。
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、noutは空気の屈折率(約1.0)となるため、以下の式(12)を満足するように周期pを決定すればよい。
一方、図1Cおよび図1Dに例示するような透明基板140上にフォトルミネッセンス層110および周期構造120を形成した構造を採用してもよい。この場合には、透明基板140の屈折率nsが空気の屈折率よりも大きいことから、式(11)においてnout=nsとした次式(13)を満足するように周期pを決定すればよい。
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。
[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nwav=1.8、周期構造の高さを50nm、周期構造の屈折率を1.5とし、発光波長および周期構造の周期をそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を図2に示す。計算モデルは、図1Aに示すように、y方向には均一な1次元周期構造とし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるとして計算を行った。図2の結果から、増強度のピークが、ある特定の波長と周期との組み合わせにおいて存在することがわかる。なお、図2において、増強度の大きさは色の濃淡で表されており、濃い(即ち黒い)方が増強度が大きく、淡い(即ち白い)方が増強度が小さい。
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nwav=1.8、周期構造の周期を400nm、高さを50nm、屈折率を1.5とし、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さtを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。フォトルミネッセンス層の厚さtが特定の値であるときに光の増強度がピークに達することがわかる。
図4は、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、周期構造の周期を400nm、高さを50nm、屈折率を1.5とし、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さtを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。フォトルミネッセンス層の厚さtが特定の値であるときに光の増強度がピークに達することがわかる。
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。
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、21/2倍)の周期に対応する角度の方向に出射する。よって、1次元周期構造の場合のピークに加えて、周期pの√2倍の周期についてもピークが発生すると考えられる。図7Bでは、このようなピークも確認できる。
さらに、2次元の周期構造による効果の検討を行った。図7Aは、x方向およびy方向の両方向に凹部および凸部が配列された2次元の周期構造120’の一部を示す平面図である。図中の黒い領域が凸部、白い領域が凹部を示している。このような2次元周期構造では、x方向とy方向の両方の回折を考慮する必要がある。x方向のみ、あるいはy方向のみの回折に関しては1次元の場合と同様であるが、x、y両方の成分を有する方向(例えば、斜め45°方向)の回折も存在するため、1次元の場合とは異なる結果が得られることが期待できる。このような2次元周期構造に関して光の増強度を計算した結果を図7Bに示す。周期構造以外の計算条件は図2の条件と同じである。図7Bに示すように、図2に示すTMモードのピーク位置に加えて、図6に示すTEモードにおけるピーク位置と一致するピーク位置も観測された。この結果は、2次元周期構造により、TEモードも、回折により変換されて出力されていることを示している。また、2次元周期構造については、x方向およびy方向の両方について、同時に1次の回折条件を満足する回折も考慮する必要がある。このような回折光は、周期pの√2倍(即ち、21/2倍)の周期に対応する角度の方向に出射する。よって、1次元周期構造の場合のピークに加えて、周期pの√2倍の周期についてもピークが発生すると考えられる。図7Bでは、このようなピークも確認できる。
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。
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nwav=1.8、周期構造は図1Aに示すようなy方向に均一な1次元周期構造とし、高さを50nm、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図8に示す。また、同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を1000nmにした場合の結果を図9に示す。
まず、周期構造の屈折率に関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を200nm、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、周期構造は図1Aに示すようなy方向に均一な1次元周期構造とし、高さを50nm、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図8に示す。また、同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を1000nmにした場合の結果を図9に示す。
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nwav=1.8、周期構造は図1Aに示すようなy方向に均一な1次元周期構造で屈折率をnp=1.5、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図10に示す。同様の条件で、周期構造の屈折率をnp=2.0とした場合の計算結果を図11に示す。図10に示す結果では、ある程度以上の高さではピーク強度やQ値(即ち、ピークの線幅)が変化していないのに対して、図11に示す結果では、周期構造の高さが大きいほどピーク強度およびQ値が低下していることがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも高い場合(図10)には、光が全反射するので、擬似導波モードの電場の染み出し(エバネッセント)部分のみが周期構造と相互作用することに起因する。電場のエバネッセント部分と周期構造との相互作用の影響は、周期構造の高さが十分大きい場合には、それ以上高さが変化しても一定である。一方、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも低い場合(図11)は、全反射せずに周期構造の表面にまで光が到達するので、周期構造の高さが大きいほどその影響を受ける。図11を見る限り、高さは100nm程度あれば十分であり、150nmを超える領域ではピーク強度およびQ値が低下していることがわかる。したがって、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも低い場合に、ピーク強度およびQ値をある程度高くするためには、周期構造の高さを150nm以下に設定すればよい。
次に、周期構造の高さに関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を1000nm、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、周期構造は図1Aに示すようなy方向に均一な1次元周期構造で屈折率をnp=1.5、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図10に示す。同様の条件で、周期構造の屈折率をnp=2.0とした場合の計算結果を図11に示す。図10に示す結果では、ある程度以上の高さではピーク強度やQ値(即ち、ピークの線幅)が変化していないのに対して、図11に示す結果では、周期構造の高さが大きいほどピーク強度およびQ値が低下していることがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも高い場合(図10)には、光が全反射するので、擬似導波モードの電場の染み出し(エバネッセント)部分のみが周期構造と相互作用することに起因する。電場のエバネッセント部分と周期構造との相互作用の影響は、周期構造の高さが十分大きい場合には、それ以上高さが変化しても一定である。一方、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも低い場合(図11)は、全反射せずに周期構造の表面にまで光が到達するので、周期構造の高さが大きいほどその影響を受ける。図11を見る限り、高さは100nm程度あれば十分であり、150nmを超える領域ではピーク強度およびQ値が低下していることがわかる。したがって、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも低い場合に、ピーク強度およびQ値をある程度高くするためには、周期構造の高さを150nm以下に設定すればよい。
[4-3.偏光方向]
次に、偏光方向に関して検討を行った。図9に示す計算と同じ条件で、光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードであるものとして計算した結果を図12に示す。TEモードでは、擬似導波モードの電場の染み出しがTMモードに比べて大きいため、周期構造による影響を受けやすい。よって、周期構造の屈折率npがフォトルミネッセンス層の屈折率nwavよりも大きい領域では、ピーク強度およびQ値の低下がTMモードよりも著しい。
次に、偏光方向に関して検討を行った。図9に示す計算と同じ条件で、光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードであるものとして計算した結果を図12に示す。TEモードでは、擬似導波モードの電場の染み出しがTMモードに比べて大きいため、周期構造による影響を受けやすい。よって、周期構造の屈折率npがフォトルミネッセンス層の屈折率nwavよりも大きい領域では、ピーク強度およびQ値の低下がTMモードよりも著しい。
[4-4.フォトルミネッセンス層の屈折率]
次に、フォトルミネッセンス層の屈折率に関して検討を行った。図9に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavを1.5に変更した場合の結果を図13に示す。フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが1.5の場合においても概ね図9と同様の効果が得られていることがわかる。ただし、波長が600nm以上の光は正面方向に出射していないことがわかる。これは、式(10)より、λ0<nwav×p/m=1.5×400nm/1=600nmとなるからである。
次に、フォトルミネッセンス層の屈折率に関して検討を行った。図9に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavを1.5に変更した場合の結果を図13に示す。フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが1.5の場合においても概ね図9と同様の効果が得られていることがわかる。ただし、波長が600nm以上の光は正面方向に出射していないことがわかる。これは、式(10)より、λ0<nwav×p/m=1.5×400nm/1=600nmとなるからである。
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。
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nsはフォトルミネッセンス層の屈折率nwav以下にする必要がある。透明基板140をフォトルミネッセンス層110に接するように設けた場合、式(10)における出射媒質の屈折率noutをnsとした式(15)を満足するように周期pを設定する必要がある。
上述のように、発光素子は、図1Cおよび図1Dに示すように、透明基板140の上にフォトルミネッセンス層110および周期構造120が形成された構造を有していてもよい。このような発光素子100aを作製するには、まず、透明基板140上にフォトルミネッセンス層110を構成するフォトルミネッセンス材料(必要に応じて、マトリクス材料を含む、以下同じ。)で薄膜を形成し、その上に周期構造120を形成する方法が考えられる。このような構成において、フォトルミネッセンス層110と周期構造120とにより、光を特定の方向に出射する機能をもたせるためには、透明基板140の屈折率nsはフォトルミネッセンス層の屈折率nwav以下にする必要がある。透明基板140をフォトルミネッセンス層110に接するように設けた場合、式(10)における出射媒質の屈折率noutをnsとした式(15)を満足するように周期pを設定する必要がある。
このことを確認するために、屈折率が1.5の透明基板140の上に、図2に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層110および周期構造120を設けた場合の計算を行った。本計算の結果を図14に示す。図2の結果と同様、波長ごとに特定の周期において光強度のピークが現れることが確認できるが、ピークが現れる周期の範囲が図2の結果とは異なることがわかる。これに対して、式(10)の条件をnout=nsとした式(15)の条件を図15に示す。図14において、図15に示される範囲に対応する領域内に、光強度のピークが現れていることがわかる。
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。
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pxを決定し、続いて、図17(b)に示すように、励起光を擬似導波モードに結合させるためにy方向の周期pyを決定する。周期pxは、式(10)においてpをpxに置き換えた条件を満足するように決定される。一方、周期pyは、mを1以上の整数、励起光の波長をλex、フォトルミネッセンス層110に接する媒質のうち、周期構造120を除く最も屈折率の高い媒質の屈折率をnoutとして、以下の式(16)を満足するように決定される。
ここで、noutは、図17の例では透明基板140のnsであるが、図16のように透明基板140を設けない構成では、空気の屈折率(約1.0)である。
特に、m=1として、次の式(17)を満足するように周期pyを決定すれば、励起光を擬似導波モードに変換する効果をより高くすることができる。
このように、式(16)の条件(特に式(17)の条件)を満足するように周期pyを設定することで、励起光を擬似導波モードに変換することができる。その結果、フォトルミネッセンス層110に効率的に波長λexの励起光を吸収させることができる。
図17(c)、(d)は、それぞれ、図17(a)、(b)に示す構造に対して光を入射したときに光が吸収される割合を波長ごとに計算した結果を示す図である。この計算では、px=365nm、py=265nmとし、フォトルミネッセンス層110からの発光波長λを約600nm、励起光の波長λexを約450nm、フォトルミネッセンス層110の消衰係数は0.003としている。図17(d)に示すように、フォトルミネッセンス層110から生じた光だけでなく、励起光である約450nmの光に対して高い吸収率を示している。これは、入射した光が効果的に擬似導波モードに変換されることで、フォトルミネッセンス層に吸収される割合を増大させることができているためである。また、発光波長である約600nmに対しても吸収率が増大しているが、これは、もし約600nmの波長の光をこの構造に入射した場合には、同様に効果的に擬似導波モードに変換されるということである。このように、図17(b)に示す周期構造120は、x方向およびy方向のそれぞれに周期の異なる構造(周期成分)を有する2次元周期構造である。このように、複数の周期成分を有する2次元周期構造を用いることにより、励起効率を高めつつ、出射強度を高めることが可能になる。なお、図17では励起光を基板側から入射しているが、周期構造側から入射しても同じ効果が得られる。
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。
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nwav=1.8、周期構造120aはy方向に均一な1次元周期構造で高さを50nm、屈折率をnp=1.5、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとした。本計算の結果を図19Cに示す。本計算においても、式(15)の条件を満足する周期で光強度のピークが観測された。
[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。
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。
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。
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。
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。
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+、CaSi12-(m+n)Al(m+n)OnN16-n:Ce3+、β-SiAlON:Eu2+を用いることができる。赤色に発光する蛍光材料としては、例えば、CaAlSiN3:Eu2+、SrAlSi4O7:Eu2+、M2Si5N8:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、MSiN2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、MSi2O2N2:Yb2+(M=SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、Y2O2S:Eu3+,Sm3+、La2O2S:Eu3+,Sm3+、CaWO4:Li1+,Eu3+,Sm3+、M2SiS4:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、M3SiO5:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)を用いることができる。黄色に発光する蛍光材料としては、例えば、Y3Al5O12:Ce3+、CaSi2O2N2:Eu2+、Ca3Sc2Si3O12:Ce3+、CaSc2O4:Ce3+、α-SiAlON:Eu2+、MSi2O2N2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、M7(SiO3)6Cl2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)を用いることができる。
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。
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。
[7.発光効率を向上させる構成]
以下で、指向性および発光効率をより向上させるための実施形態を説明する。図面において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、その説明を省略することがある。
以下で、指向性および発光効率をより向上させるための実施形態を説明する。図面において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、その説明を省略することがある。
(実施の形態1)
実施の形態1を説明する。実施の形態1の発光素子は、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の上に、複数の第2の凸部であって、隣接する第2の凸部間の距離が、隣接する第1の凸部または第1の凹部間の距離より小さい複数の第2の凸部をさらに有する。以下で、サブミクロン構造が有する複数の凸部または複数の凹部を、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部ということがある。実施の形態1の発光素子は、第2の凸部をさらに有する点を除いて、上述した実施形態の構造のいずれかと同じであってもよいし、本開示の実施形態による発光素子のいずれか複数を組み合わせた構成であってもよい。
実施の形態1を説明する。実施の形態1の発光素子は、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の上に、複数の第2の凸部であって、隣接する第2の凸部間の距離が、隣接する第1の凸部または第1の凹部間の距離より小さい複数の第2の凸部をさらに有する。以下で、サブミクロン構造が有する複数の凸部または複数の凹部を、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部ということがある。実施の形態1の発光素子は、第2の凸部をさらに有する点を除いて、上述した実施形態の構造のいずれかと同じであってもよいし、本開示の実施形態による発光素子のいずれか複数を組み合わせた構成であってもよい。
図31(a)を参照して、実施の形態1による発光素子1100を説明する。図31(a)は、発光素子1100の模式的な断面図である。
発光素子1100は、フォトルミネッセンス層110と、フォトルミネッセンス層110に近接して配置された透光層120と、フォトルミネッセンス層110および透光層120の少なくとも一方に形成され、フォトルミネッセンス層110または透光層120の面内に広がるサブミクロン構造と、フォトルミネッセンス層110の上に複数の第2の凸部160とを有する。サブミクロン構造は、複数の第1の凸部121aまたは複数の第1の凹部121bを含む。隣接する第1の凸部121a間または隣接する第1の凹部121b間の距離をDintとする。フォトルミネッセンス層110が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含む。第1の光に対するフォトルミネッセンス層110の屈折率をnwav-aとする。これらの間には、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立つ。隣接する第2の凸部160間の距離は、Dintより小さい。
発光素子1100において、フォトルミネッセンス層110は、例えば、透光層120の上に設けられている。複数の第2の凸部160は、例えば、フォトルミネッセンス層110の表面に設けられている。第2の凸部160は、フォトルミネッセンス層110に直接接していなくてもよい。例えば、フォトルミネッセンス層110と第2の凸部160との間に、別の層が設けられていてもよい。
フォトルミネッセンス層110の表面に複数の第2の凸部160が設けられていることにより、発光素子1100の指向性および発光効率がより向上し得ることについて、以下で説明する。
複数の第2の凸部160は、例えば、いわゆるモスアイ構造(蛾の目構造)を構成する。フォトルミネッセンス層110の表面に複数の第2の凸部160が形成されていることによって、フォトルミネッセンス層110が発する光に対する実効屈折率が、フォトルミネッセンス層110の法線方向に沿って、フォトルミネッセンス層110の屈折率から発光素子1100の外部の屈折率まで連続的に変化する。これにより、フォトルミネッセンス層110が発する光の、フォトルミネッセンス層110と発光素子1100の外部(例えば空気)との界面における反射率が低下する。
発光素子1100が複数の第2の凸部160を有しない場合、フォトルミネッセンス層110が発する光は、フォトルミネッセンス層110と発光素子1100の外部(ここでは例えば空気とする)との界面において、その一部が反射される。これは、フォトルミネッセンス層110と空気との屈折率の違いに起因している。フォトルミネッセンス層110から出射する光のうち反射光の割合が減少すると、ロスが低減するので、発光素子1100の指向性および発光効率を向上させることができる。特に、フォトルミネッセンス層110の法線方向に出射する光の反射率を減少させることができれば、フォトルミネッセンス層110が発する光のうちフォトルミネッセンス層110の法線方向に出射する光の指向性および発光効率が向上し得る。一般に、フレネルの反射公式によると、屈折率n1の媒質から屈折率n2の媒質へ、両媒質の界面に垂直に強度I0の光が入射するとき、反射光の強度は、I0((n1-n2)/(n1+n2))2で与えられる。例えば、発光素子1100において、フォトルミネッセンス層110の屈折率が1.5である場合には、反射率は0.04であり、フォトルミネッセンス層110の屈折率が1.8である場合には、反射率は0.08である。フォトルミネッセンス層110の屈折率が高いと、反射率が大きくなる。フォトルミネッセンス層110の屈折率が高い発光素子1100においては、複数の第2の凸部160を有することにより、より効果的に指向性および発光効率が向上し得る。
第2の凸部160の形状は、例えば、略円錐である。第2の凸部160が略円錐形である場合は、実効屈折率がフォトルミネッセンス層110の法線方向に沿って連続的に変化する。このため、光の反射率を効果的に低下させることができる。第2の凸部160の形状は例えば略角錐(多角錐を含む)であってもよい。
第2の凸部160の形状は、略錐体に限られない。第2の凸部160の形状は、例えば、円錐または角錐の先端(頂点)が丸みを帯びている形状であってもよい。第2の凸部160の形状は、例えば、略円柱または略角柱(多角柱を含む)であってもよい。第2の凸部160が角柱形状であるときは、第2の凸部160のフォトルミネッセンス層110の法線を含む断面の形状が矩形である(例えば図33(c)参照)。第2の凸部160の形状は、例えば、円錐からまたは角錐から、先端部分(即ち、頂点を含む部分)を切り取った形状(つまり円錐台または角錐台)であってもよい。下記実施の形態2の発光素子の第1の凸部の形状として説明するように、第2の凸部160の形状は、テーパー形状であってもよい。これらの形状を有する第2の凸部160によっても、反射率を低減させることができる。
第2の凸部160は、周期的に配置されていてもよいし、不規則に配置されていてもよい。複数の第2の凸部160の一部が周期構造を構成していてもよい。
複数の第2の凸部160は、発光素子1100内に形成される擬似導波モードには影響を与えずに、発光素子1100の指向性および発光効率を向上させることができると考えられる。フォトルミネッセンス層110の表面に複数の第2の凸部160を有しても、フォトルミネッセンス層110が発する光が、フォトルミネッセンス層110から発光素子1100の外部(例えば空気中)に出射するときの臨界角は変化しないからである。
複数の第2の凸部160は、フォトルミネッセンス層110が発する光の空気中の波長よりも小さい周期Dint2を有する。ここで、複数の第2の凸部160の周期Dint2は、フォトルミネッセンス層110および透光層120の面に平行な面内において、隣接する第2の凸部160間の距離をいう。第2の凸部160のサイズAは、第2の凸部160の周期Dint2と同じであってもよい(例えば図33(a)または図33(b)参照)。第2の凸部160のサイズAは、第2の凸部160の周期Dint2より小さくてもよい(例えば図33(c)参照)。第2の凸部160のサイズAは、フォトルミネッセンス層110および透光層120の面に平行な面内における、第2の凸部160のサイズ(例えば、第2の凸部160の底面が略円である場合はその直径、第2の凸部160の底面が矩形である場合はその一辺の長さ)である。
複数の第2の凸部160の周期Dint2は、例えば、フォトルミネッセンス層110が発する光のうち、第1の光の空気中の波長のλaよりも小さいことが望ましい。光の空気中の波長と同程度よりも大きい周期を有する複数の第2の凸部160は、回折光を生じさせ得る。さらに、回折光の発生を抑制するために、複数の第2の凸部160の周期Dint2は、例えば、λa/2以下に設定することがより望ましい。具体的には、第1の光の空気中での波長λaが例えば610nmである場合、複数の第2の凸部160の周期Dint2は、例えば50nm以上305nm以下に設定され得る。周期Dint2が50nm未満であると、複数の第2の凸部160の加工が容易でないことがある。
複数の第2の凸部160の高さh2は、例えば50nm以上300nm以下に設定され得る。第2の凸部160の高さh2は、フォトルミネッセンス層110の法線方向における高さである。複数の第2の凸部160の高さh2は、複数の第1の凸部の高さまたは複数の第1の凹部の深さを1とすると、例えば1以上2以下に設定されることが望ましい。複数の第2の凸部160の高さh2が大きいほど、フォトルミネッセンス層110の法線方向に沿って実効屈折率を緩やかに変化させることができる。従って、複数の第2の凸部160の高さh2が大きいほど、フォトルミネッセンス層110の表面での反射率を低下させ得る。複数の第2の凸部160の高さh2は、例えば50nm以上である。ただし、複数の第2の凸部160の高さh2が大きい場合は、複数の第2の凸部160の加工が容易でないことおよび/または第2の凸部160の強度が小さくなる(即ち、形状を維持しにくくなる)ことがある。また、後述のナノインプリントなどの方法の適用が困難となる。したがって、第2の凸部160の高さh2は例えば300nm以下であることが望ましい。
複数の第2の凸部160は、例えば、半導体プロセスや、ナノインプリントなどを用いた転写プロセスによって作製することができる。複数の第2の凸部160の作製方法は特定の方法に限定されず、公知のどのような方法を用いてもよい。
発光素子1100は、例えば、フォトルミネッセンス層110および透光層120を支持する透明基板140をさらに有してもよい。図31は、透光層120と透明基板140とが一体に設けられた構成を示している。この構成例では、透光層120と透明基板140とが同一の材料で一体的に形成されている。しかし、当然、透光層120と透明基板140が別に設けられていてもよい。他の実施形態においても同様である。透明基板140は、例えば、石英から形成される。透明基板140は、省略され得る。
第1の凸部121a(および/または第1の凹部121b)が形成する周期構造による指向性、発光効率、偏光度および波長選択性の効果を有効に活用するためには、第2の凸部160は、1つの周期構造のみを構成しないことが望ましい。例えば、第2の凸部160は、互いに異なる周期を有する複数の周期構造を有してもよい。あるいは、第2の凸部160は、不規則に配置されていてもよい。
また、第2の凸部160は、第1の凸部121a(および/または第1の凸部121b)と、フォトルミネッセンス層110の法線方向から見たときの位置を一致させる必要はない。図31(a)中の点線は、第2の凸部160、第1の凸部121aおよび第1の凸部121bの、それぞれの、フォトルミネッセンス層110の法線方向から見たときの中心線を示す。第2の凸部160の中心線は、第1の凸部121a(および/または第1の凸部121b)の中心線と、フォトルミネッセンス層110の法線方向から見たときの位置を一致させる必要はない。例えば、複数の第2の凸部160のうち、少なくとも一部について、第1の凸部121a(および/または第1の凸部121b)と中心線の位置がずれていればよい。
本発明者らは、第2の凸部の効果について、計算を行い検証した。すなわち、発光素子が第2の凸部を有すると、発光素子の正面方向から出射される光の透過率が増加することによって、発光素子の発光効率が向上することを検証した。
図31(b)は、正面の射出方向から波長λ(μm)の励起光を入射させたときの、フォトルミネッセンス層110内における電場の強さを計算し、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示す図である。計算された光の増強度が大きいほど、発光素子は優れた発光効率を有する。計算には、発光素子1100(図31(a)参照)に対応するモデルを使用した。実施例のモデルにおいて、フォトルミネッセンス層110の厚さは163nmとし、第2の凸部160の高さは100nmとした。フォトルミネッセンス層110の厚さおよび第2の凸部160の高さは、フォトルミネッセンス層110の法線方向における長さである。比較例として、第2の凸部が設けられていないモデルにおいても同じ計算を行った。比較例のモデルにおいて、フォトルミネッセンス層110の厚さは200nmである。この厚さは、実施例と比較例との間で、光の増強度が最大になる波長が一致するように、決定された値である。図31(b)の計算結果から、第2の凸部がある場合は、比較例に比べて光の増強度が増加していることが分かる。すなわち、発光素子が第2の凸部を有することにより、発光素子の発光効率が向上することが分かる。
次に、図32を参照して、実施の形態1の他の発光素子1200を説明する。図32は、発光素子1200を模式的に示す断面図である。
図32に示すように、発光素子1200において、透光層120はフォトルミネッセンス層110上に設けられ、フォトルミネッセンス層110および透光層120の上に複数の第2の凸部160が設けられている。発光素子1200は、上記点を除いて発光素子1100と同じであってよい。図32は、透光層120とフォトルミネッセンス層110が一体に設けられた構成を示している。この構成例では、透光層120とフォトルミネッセンス層110とが同一の材料で一体的に形成されている。しかし、当然、透光層120とフォトルミネッセンス層110が別に設けられていてもよい。他の実施形態においても同様である。
複数の第2の凸部160は、例えば、図32に例示するように、フォトルミネッセンス層110および透光層120の表面に設けられている。複数の第2の凸部160は、フォトルミネッセンス層110および透光層120に直接接していなくてもよい。例えば、複数の第2の凸部160と、フォトルミネッセンス層110および透光層120との間に、別の層が設けられていてもよい。
発光素子1200は、フォトルミネッセンス層110および透光層120の表面に、複数の第2の凸部160を有する。このため、フォトルミネッセンス層110が発する光の、フォトルミネッセンス層110および透光層120の透過率が増加する。発光素子1200では、指向性および発光効率がより向上され得る。
図33(a)~(c)は、それぞれ、発光素子1200の断面の拡大図の一例を模式的に表した図である。図33(a)は、サブミクロン構造が有する第1の凸部121aおよび第1の凹部121bと、第2の凸部160とを示す。図33(a)に示すように、サブミクロン構造は、第1の凸部121aと第1の凹部121bとを有する。第1の凸部121aの高さまたは第1の凹部121bの深さはhである。これらはフォトルミネッセンス層110の法線方向における距離である。第1の凸部121aおよび第1の凹部121bの表面に、第2の凸部160が設けられている。第2の凸部160は、サイズAおよび高さh2を有する。第2の凸部160は、周期構造を構成し、その周期Dint2は第2の凸部160のサイズAと一致していてもよい。図33(b)に示すように、第2の凸部160の代わりに、サイズAおよび深さh2を有する第2の凹部160bが、第1の凸部121aおよび第1の凹部121bの表面に設けられていてもよい。また、第2の凸部160は、フォトルミネッセンス層110の法線を含む断面において、図33(a)または(b)に示すように三角形状であってもよいし、図33(c)に示すように矩形状であってもよい。第2の凸部160は、第1の凸部121aの表面のみに設けられていてもよいし、第1の凹部121bの表面のみに設けられていてもよい。第2の凸部160は、発光素子の指向性および発光効率をより向上させるためには、第1の凸部121aおよび第1の凹部121bの両方の表面に設けられていることが望ましい。
実施の形態1の発光素子は、上記の例に限られない。図34(a)および(b)を参照して、実施の形態1のさらに他の発光素子1300および発光素子1400を説明する。図34(a)および(b)は、それぞれ、発光素子1300および発光素子1400を模式的に示す断面図である。
図34(a)に示す発光素子1300のように、透光層120がサブミクロン構造を有していてもよい。図34(b)に示す発光素子1400のように、フォトルミネッセンス層110の両側に透光層120を有していてもよい。発光素子1300および発光素子1400は、それぞれ、上記点を除いて、発光素子1100または発光素子1200と同じであってよい。
発光素子1300および発光素子1400は、フォトルミネッセンス層110および透光層120の少なくとも一方の表面に、複数の第2の凸部160を有する。このため、フォトルミネッセンス層110が発する光の、フォトルミネッセンス層110および透光層120の透過率が増加する。発光素子1300および発光素子1400においては、指向性および発光効率が向上し得る。
(実施の形態2)
次に、実施の形態2を説明する。実施の形態2の発光素子では、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部の側面の少なくとも一部が、フォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜している。複数の第1の凸部の、フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい。実施の形態2の発光素子は、上記点を除いて、上述した実施形態の構造のいずれかと同じであってもよいし、本開示の実施形態による発光素子のいずれか複数を組み合わせた構成であってもよい。
次に、実施の形態2を説明する。実施の形態2の発光素子では、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部の側面の少なくとも一部が、フォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜している。複数の第1の凸部の、フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい。実施の形態2の発光素子は、上記点を除いて、上述した実施形態の構造のいずれかと同じであってもよいし、本開示の実施形態による発光素子のいずれか複数を組み合わせた構成であってもよい。
図35(a)を参照して、実施の形態2による発光素子1500を説明する。図35(a)は、発光素子1500の模式的な断面図である。
発光素子1500は、フォトルミネッセンス層110と、フォトルミネッセンス層110に近接して配置された透光層120と、フォトルミネッセンス層110および透光層120の少なくとも一方に形成され、フォトルミネッセンス層110または透光層120の面内に広がるサブミクロン構造とを有する。サブミクロン構造は、複数の第1の凸部121aまたは複数の第1の凹部121bを含む。隣接する第1の凸部間121aまたは隣接する第1の凹部121b間の距離をDintとする。フォトルミネッセンス層110が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含む。第1の光に対するフォトルミネッセンス層110の屈折率をnwav-aとする。これらの間には、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立つ。
発光素子1500の第1の凸部121aまたは第1の凹部121bは、いわゆるテーパー形状を有する。ここで、第1の凸部121aについてテーパー形状とは、第1の凸部121aの側面の少なくとも一部が、フォトルミネッセンス層110の法線方向に対して傾斜し、第1の凸部121aの、フォトルミネッセンス層110の法線方向に垂直な断面の面積が、フォトルミネッセンス層110に最も近い断面において最も大きいことをいう。第1の凹部121bについてテーパー形状とは、第1の凹部121bの側面の少なくとも一部が、フォトルミネッセンス層110の法線方向に対して傾斜し、第1の凹部121bの、フォトルミネッセンス層110の法線方向に垂直な断面の面積が、フォトルミネッセンス層110に最も近い断面において最も小さいことをいう。このような第1の凸部121aまたは第1の凹部121bにより、フォトルミネッセンス層110の法線方向に沿って、フォトルミネッセンス層110が発する光に対する実効屈折率を緩やかに変化させるという効果が得られる。これは、上記実施の形態1の発光素子が有する複数の第2の凸部と同様の原理による。上記効果を実現するためには、例えば、第1の凸部121aの屈折率は、第1の凹部121bの屈折率よりも高く設定される。
発光素子1500は、例えば、フォトルミネッセンス層110および透光層120を支持する透明基板140をさらに有する。発光素子1500において、透明基板140とフォトルミネッセンス層110との間に透光層120が設けられている。励起光は、例えば発光素子1500の透明基板側から入射される。
発光素子1500は、フォトルミネッセンス層110と透明基板140(発光素子1500が透明基板を有しない場合は、例えば空気等、発光素子1500の外部)との間で、フォトルミネッセンス層110の法線方向に沿ったフォトルミネッセンス層110が発する光に対する実効屈折率の変化が緩やかになる。従って、透明基板140側から入射される励起光の反射率を低下させることができる。発光素子1500においては、励起光が効率よくフォトルミネッセンス層110に導かれるので、指向性および発光効率が向上し得る。
発光素子1500は、例えば、以下のように製造される。透明基板(例えば石英基板)を用意し、透明基板にエッチングを施すことにより所定の形状(パターン)を形成した後、透明基板上に発光材料を堆積させることで製造される。この場合、第1の凸部121aは、フォトルミネッセンス層110と同じ材料から形成され、第1の凹部121bは、透明基板140と同じ材料から形成される。第1の凸部121aは、フォトルミネッセンス層110と異なる材料から形成されてもよい。第1の凹部121bは、透明基板140と異なる材料から形成されてもよい。透明基板140が省略される場合には、第1の凹部121bは空気層であってもよい。
実施の形態2の発光素子は、発光素子1500に限られない。図35(b)を参照して、実施の形態2の他の発光素子1600を説明する。図35(b)は、発光素子1600の断面図である。発光素子1600は、フォトルミネッセンス層110上に透光層120が設けられている点において、発光素子1500と異なる。発光素子1600は、上記点を除いて、発光素子1500と同じであってよい。発光素子1600には、例えば、透光層120側から励起光が入射されてもよい。
発光素子1600は、テーパー形状を有する第1の凸部121aにより、発光素子1600の上から(透光層120側から)入射される励起光の反射率が低減される。発光素子1600においては、励起光が効率よくフォトルミネッセンス層110に導かれるので、指向性および発光効率が向上し得る。さらに、発光素子1600の第1の凸部121aは、フォトルミネッセンス層110が発する光の出射効率を向上させる効果も有し得る。
図36(b)~(e)は、サブミクロン構造の、フォトルミネッセンス層110の法線を含む面内における断面形状の例を示す図である。図36(a)は、比較のために、テーパー形状でない第1の凸部121aを有するサブミクロン構造を示している。図36(a)~(e)において、サブミクロン構造は、第1の凸部121aおよび第1の凹部121bが交互に設けられた周期構造を有する。図示する例においては、サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層110の法線を含む断面において、第1の凸部121aの面積および第1の凹部121bの面積が等しい形状である。以下では簡単のために、第1の凸部121aの形状について説明するが、第1の凹部121bの形状についても同様である。
図36(b)に示すように、フォトルミネッセンス層110の法線を含む面内において、第1の凸部121aの形状は、例えば等脚台形である。第1の凸部121aの側面は、フォトルミネッセンス層110の面に対して角度θ傾斜している。角度θは90°未満である。第1の凸部121aの高さhは、フォトルミネッセンス層110の法線方向における高さである。図36(c)~(e)に示すように、第1の凸部121aの側面の少なくとも一部は、曲線を有していてもよい。図36(c)は、第1の凸部121aの側面の下部が湾曲した構造を示している。図36(d)は、第1の凸部121aの側面の上部が湾曲した構造を示している。図36(e)は、第1の凸部121aの側面の上部および下部の両方が湾曲した構造を示している。ここで「上部」とは、フォトルミネッセンス層110の法線方向において、フォトルミネッセンス層110から遠い部分であり、「下部」とは、フォトルミネッセンス層110の法線方向において、フォトルミネッセンス層110に近い部分である。
図36(f)は、発光素子1600の模式的な斜視図の一例を示す。サブミクロン構造は、図35(b)に例示される、第1の凸部121aおよび第1の凹部121bを含むものに限られない。図36(f)に例示されるように、サブミクロン構造は、透光層120内に点在する複数の第1の凹部121bによって形成されてもよい。
本発明者らは、第1の凸部がテーパー形状を有する効果について、計算を行い検証した。
まず、第1の凸部がテーパー形状であることにより、フォトルミネッセンス層が発する光が効率よく出射されることを検証した。結果を図37に示して説明する。
図37(a)および(c)は、計算を行ったモデルを説明するための図である。図37(b)および(d)は、それぞれ、図37(a)および(c)のモデルに、正面方向から(即ち、フォトルミネッセンス層110および透光層120に垂直に)波長λ(μm)の励起光を入射させたときの、フォトルミネッセンス層110内における電場の強さを計算し、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示す図である。計算された光の増強度が大きいほど、発光素子は優れた発光効率を有する。
図37(a)のモデルは、発光素子1500に相当する。フォトルミネッセンス層110および透明基板140の間に透光層120が設けられている。フォトルミネッセンス層110の屈折率は1.8であり、透明基板140の屈折率は1.46である。第1の凸部121aは、フォトルミネッセンス層110と同じ材料で形成され、第1の凹部121bは、透明基板140と同じ材料で形成されている。従って、第1の凸部121aの屈折率は1.8であり、第1の凹部121bの屈折率は1.46である。第1の凸部121aおよび第1の凹部121bは、周期pが380nmの周期構造を構成する。第1の凸部121aの高さ(第1の凹部121bの深さ)hは80nmである。フォトルミネッセンス層110の厚さhLは150nmである。
図37(b)は、第1の凸部121a(または第1の凹部121b)の側面の傾斜角θ(°)を変えて、光の増強度を計算した結果を示す。計算においては、傾斜角θが変化しても、フォトルミネッセンス層110の法線を含む断面における第1の凸部121aの面積は一定にした。傾斜角θが90°から小さくなると、第1の凸部121aはテーパー形状を有する。傾斜角θが小さくなると、光の増強度が大きくなり、フォトルミネッセンス層110の発光効率が向上することが分かる。
図37(c)のモデルでは、第1の凸部121a(または第1の凹部121b)は、テーパー形状ではなく、2層の積層構造の形状を有する。つまり、複数の第1の凸部121a(または複数の第1の凹部121b)の側面は、階段状である。第1の凸部121aの、フォトルミネッセンス層110の法線方向に垂直な断面の面積は、フォトルミネッセンス層110に最も近い断面において最も大きく、最も遠い断面において最も小さい。第1の凹部121bの、フォトルミネッセンス層110の法線方向に垂直な断面の面積は、フォトルミネッセンス層110に最も近い断面において最も小さく、最も遠い断面において最も大きい。第1の凸部121aおよび/または第1の凹部121bの、フォトルミネッセンス層110の法線方向に垂直な断面の面積は、フォトルミネッセンス層110の法線方向に沿って、階段状に変化する。
第1の凸部121a(または第1の凹部121b)の形状を構成する2層は、フォトルミネッセンス層110に平行な面内での大きさが異なり、2層の中心を一致させて重ねると、Δw(nm)のずれ(段差)が生じる。図37(d)は、段差Δw(nm)を変えて、光の増強度を計算した結果を示す。段差Δwが変化しても、フォトルミネッセンス層110の法線を含む断面における第1の凸部121aの面積は一定であるように設定した。段差がない場合は、図37(a)における傾斜角θ=90°の場合と同じである。段差Δwが大きくなると、光の増強度が大きくなり、フォトルミネッセンス層110の発光効率が向上することが分かる。第1の凸部121aが、テーパー形状の代わりに、2層の積層構造の形状を有しても、テーパー形状と同様の効果が得られることが分かった。第1の凸部121aが、3層以上の積層構造の形状であっても同様の効果が得られ得る。
さらに、第1の凸部がテーパー形状であることにより、フォトルミネッセンス層が発する光が効率よく出射される範囲についてさらに検証した。結果を図38に示して説明する。
図38は、発光素子1600(図35(b)参照)に相当するモデルに、透光層120側から、フォトルミネッセンス層110および透光層120に垂直に、波長612nmの光を入射したときの透過率を測定した結果を示している。発光素子1600の外部から、透光層120を透過しフォトルミネッセンス層110に入射した光の割合を計算した。この計算は、フォトルミネッセンス層110が発する光が透光層120を透過し、発光素子1600の外部に出射される過程と逆の過程を計算していることになる。すなわち、計算された透過率が大きいほど、発光素子1600は優れた発光効率を有する。図37(a)のモデルと同様に、第1の凸部121aは、周期p=380nmの周期構造を有し、傾斜角θおよび高さhを変えて計算を行った。第1の凸部121aは、フォトルミネッセンス層110と同じ材料(屈折率は1.8)から形成されている。
図38に、計算した透過率を等高線でプロットしている。例えば傾斜角θ=90°において、高さhが0.14μmより小さい領域では、高さhの増加とともに透過率は減少し、高さh=0.14μmとh=0.22μmの間で透過率は極小値を取り、高さhが0.22μmより大きい領域では高さhの増加とともに透過率は増加している。図38の斜線部は、第1の凸部121aの形状が成り立たない領域であり、有効な結果を与えない。
傾斜角θが90°から小さくなると、透過率が増加する傾向にある。すなわち、第1の凸部121aがテーパー形状を有することにより、フォトルミネッセンス層110が発する光が効率よく出射されることが分かる。特に、第1の凸部121aの高さhが約100nm以上の場合、傾斜角θの減少により透過率が顕著に増加する。すなわち、第1の凸部121aの高さhが約100nm以上の場合、第1の凸部121aがテーパー形状を有することにより、フォトルミネッセンス層110が発する光の発光効率が大きく向上し得る。これに比べて、第1の凸部121aの高さhが約100nm以下である場合は、傾斜角θの変化に対して、透過率はあまり変化しない。
上記の検証により、第1の凸部がテーパー形状を有することにより、フォトルミネッセンス層が発する光が効率よく出射され、発光素子の発光効率および指向性が向上することが確かめられた。第1の凸部の側面の傾斜角θは、その製造工程における誤差によって、90°から減少することがある。また、第1の凸部をナノインプリントにより形成する場合、離型をスムーズに行うために、型に抜き勾配を設けることがある。これらの場合において、第1の凸部がテーパー形状を有するので、発光素子が上記効果を有する場合があると考えられる。
(実施の形態3)
実施の形態3の発光素子を説明する。実施の形態3の発光素子において、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部の、フォトルミネッセンス層の法線方向から発光素子に入射する光を受光する面は、フォトルミネッセンス層110に平行な面から傾斜している。実施の形態3の発光素子は、上記点を除いて、上述した実施形態の構造のいずれかと同じであってもよい。実施の形態3の発光素子は、上記点を除いて、本開示の実施形態による発光素子のいずれか複数を組み合わせた構成であってもよい。
実施の形態3の発光素子を説明する。実施の形態3の発光素子において、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部の、フォトルミネッセンス層の法線方向から発光素子に入射する光を受光する面は、フォトルミネッセンス層110に平行な面から傾斜している。実施の形態3の発光素子は、上記点を除いて、上述した実施形態の構造のいずれかと同じであってもよい。実施の形態3の発光素子は、上記点を除いて、本開示の実施形態による発光素子のいずれか複数を組み合わせた構成であってもよい。
図39(a)を参照して、実施の形態3の発光素子1700を説明する。図39(a)は、発光素子1700の模式的な断面図である。
発光素子1700は、フォトルミネッセンス層110と、フォトルミネッセンス層110に近接して配置された透光層120と、フォトルミネッセンス層110および透光層120の少なくとも一方に形成され、フォトルミネッセンス層110または透光層120の面内に広がるサブミクロン構造とを有する。サブミクロン構造は、複数の第1の凸部121aまたは複数の第1の凹部121bを含む。隣接する第1の凸部121a間の距離または隣接する第1の凹部121b間の距離をDintとする。フォトルミネッセンス層110が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含む。第1の光に対するフォトルミネッセンス層110の屈折率をnwav-aとする。これらの間には、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立つ。複数の第1の凸部121aまたは複数の第1の凹部121bの、フォトルミネッセンス層110の法線方向から発光素子1700に入射する光を受光する面は、フォトルミネッセンス層110に平行な面からθB傾斜している。傾斜角θBは、例えば、それぞれの第1の凸部121aまたは第1の凹部121bについて同じである。
発光素子1700において、複数の第1の凸部121aおよび複数の第1の凹部121bを有するサブミクロン構造が、フォトルミネッセンス層110の法線を含む断面において、フォトルミネッセンス層110の法線方向に対して非対称である。発光素子1700において、フォトルミネッセンス層110が発する光の指向強度が強い方向が、フォトルミネッセンス層110の法線方向から傾けられ得る。発光素子1700は、光の指向強度を強めたい方向やフォトルミネッセンス層110が発する光の波長に応じてθBを調整することで、指向性および発光効率を制御することが可能である。傾斜角θBは、例えば、10°~60°である。
図39(a)に示すように、発光素子1700が有する第1の凸部の形状は、フォトルミネッセンス層110の法線を含む断面において例えば鋸状である。このような形状は、例えばブレーズド回折格子において用いられている。
図40を参照して説明するように、透過型ブレーズド回折格子は、入射した光の、回折格子による屈折後の進行方向と、任意の次数の回折光の方向とを一致させることによって、取り出したい次数の回折光の強度を強めることができる。
図40に、透過型ブレーズド回折格子の模式的な断面図を示す。回折格子の溝は鋸状であり、回折格子法線の方向から入射された光を受光する面がθB傾斜している。屈折率niの回折格子内に平行光線(空気中の波長はλ)が入射され、回折格子の外部(屈折率no)に出射されるとき、回折光が得られる条件は、
Dint×ni×sinθi-Dint×no×sinθo=mλ (18)
である。ここで、Dintは回折格子の周期(隣接する溝間の間隔)であり、θiは入射角であり、θoは出射角であり、mは回折次数を示す整数である。入射角θiは、入射光の回折格子法線に対する角度であり、出射角θoは、出射光の回折格子法線に対する角度である。一方で、回折格子のθB傾斜した面における屈折条件は、スネルの法則より、
ni×sinθ’i=no×sinθ’o (19)
である。ここで、θ’iおよびθ’oは、回折格子法線に対してθB傾斜した線に対する角度である。式(19)に表された屈折光を、式(18)の回折光のうち強めたい次数mの回折光と一致させることにより、ある特定の方向の光のみを強めることができる。
Dint×ni×sinθi-Dint×no×sinθo=mλ (18)
である。ここで、Dintは回折格子の周期(隣接する溝間の間隔)であり、θiは入射角であり、θoは出射角であり、mは回折次数を示す整数である。入射角θiは、入射光の回折格子法線に対する角度であり、出射角θoは、出射光の回折格子法線に対する角度である。一方で、回折格子のθB傾斜した面における屈折条件は、スネルの法則より、
ni×sinθ’i=no×sinθ’o (19)
である。ここで、θ’iおよびθ’oは、回折格子法線に対してθB傾斜した線に対する角度である。式(19)に表された屈折光を、式(18)の回折光のうち強めたい次数mの回折光と一致させることにより、ある特定の方向の光のみを強めることができる。
ブレーズド回折格子と同様の原理により、発光素子1700は、任意の方向に出射する光を強め、指向性を強めることができる。フォトルミネッセンス層110が発する光の波長に応じて、複数の第1の凸部の形状を調節することで、指向性が強められ得る。指向性を強めた方向以外の方向に出射する光の割合を減らすことができるので、発光効率を向上させることができる。発光素子1700は、指向性および発光効率を向上させることおよび/または制御することができる。
次に、図39(b)を参照して、発光素子1700と同様の効果が得られ得る発光素子1800を説明する。図39(b)は発光素子1800の模式的な断面図である。
図39(b)に示すように、発光素子1800の第1の凸部121aは、フォトルミネッセンス層110の法線を含む断面において、複数の段を含む階段状である。第1の凸部121aを構成する複数の段のそれぞれは、フォトルミネッセンス層110の法線方向に垂直な断面において、フォトルミネッセンス層110に最も近い段の面積が最も大きく、フォトルミネッセンス層110から最も遠い段の面積が最も小さい。第1の凸部121aは、フォトルミネッセンス層110の法線方向に垂直な断面において、フォトルミネッセンス層110に最も近い断面の面積が最も大きい。
このような形状の第1の凸部121aによっても、階段の段数が多くなれば、鋸状の第1の凸部121aを有する発光素子1700と同様の効果が得られる。発光素子1800の第1の凸部121aは、発光素子1700の第1の凸部121aと比べて、製造プロセスが容易である。発光素子1800の第1の凸部121aは、例えば、フォトリソグラフィプロセスを含む公知の半導体プロセスによって、形成される。発光素子1800の第1の凸部121aは、例えば、後述するように、型(スタンパ)を用いた転写法により形成されてもよい。
図39(b)には段数が4の場合を例示するが、段の数Nは、これに限定されない。各段の高さは、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。例えば、それぞれの段の高さΔhは、第1の凸部121aの高さhをN-1等分した高さ(h/(N-1))である。隣接する段の面積の差は、例えば、同じであってもよい。理論的には、段数が無限大で、発光素子1700の第1の凸部121aと同等であり、段数の増加とともに、発光素子1700の第1の凸部121aの光学的効果に近付くと考えられる。一方で、段数が増えれば、製造工程および製造コストが増加する。段数は、例えば4段~8段である。以下で説明する型を用いた転写法が用いられる場合には、段数は、例えば偶数である。
発光素子1800の第1の凸部121aを形成するための型10の製造方法について、図41(a)~図41(e)を参照して説明する。図41(a)~図41(e)は、それぞれ、発光素子1800の第1の凸部121aを形成するための型10の製造方法の一例を説明するための断面図である。
まず、図41(a)に示すように、基板11の上にレジスト層12を形成する。レジスト層12は、例えば、基板11の全面に公知のレジスト材料を塗布することによって形成される。
次に、図41(b)に示すように、公知のフォトリソグラフィプロセスにより、レジスト層12を所定の形状(パターン)に加工する。電子線リソグラフィ(EBリソグラフィ)を用いてもよい。レジスト層12は、例えば、周期構造を有するように加工される。例えば、基板11と平行な面において、レジスト層12が存在する領域と存在しない領域とは同じ面積を有し、両領域は交互に形成される。
次に、図41(c)に示すように、パターン化されたレジスト層12をマスクとして、基板11のエッチングを行う。典型的には、異方性ドライエッチングを行う。例えば、基板11のうち、図41(b)においてレジスト層12が存在しない領域が、エッチングされる。エッチングされる深さをΔdとする。エッチング後、レジスト層12を除去する。
次に、再び、基板11の全面にレジスト層12を形成する。図41(d)に示すように、レジスト層12を所定の形状(パターン)に加工する。図41(b)の工程と同様に、フォトリソグラフィまたは電子線リソグラフィが用いられる。典型的には、図41(d)の工程で形成されるレジスト層12のパターン(周期構造)の周期は、図41(b)の工程における周期の2倍である。
次に、図41(e)に示すように、パターン化されたレジスト層12をマスクとして、基板11のエッチングを行う。図41(c)の工程と同様に、典型的には、異方性ドライエッチングを行う。例えば、基板11のうち、図41(d)においてレジスト層12が存在しない領域が、エッチングされる。典型的には、エッチングされる深さは、図41(c)の工程でエッチングされる深さの2倍(2Δd)である。エッチング後、レジスト層12を除去する。
以上の製造工程により、発光素子1800の第1の凸部121aを形成するための型10が製造される。図41(e)の型10を用いた転写法により形成した第1の凸部は、図39(b)に例示される発光素子1800の第1の凸部121aのように、4段を有する。型10におけるエッチングの深さΔdは、例えば、第1の凸部121aのそれぞれの段の高さΔhに相当し得る。上記の型の製造工程によると、エッチングの回数よりも多い数の段を有する型を作成することができる。典型的には、段の数はエッチングの回数の2倍である。
本開示の発光素子によれば、指向性を有する発光装置を実現できるため、例えば、照明、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスに適用可能である。
100,100a,1100~1800 発光素子
110 フォトルミネッセンス層(導波路)
120,120’,120a,120b,120c 透光層(周期構造、サブミクロン構造)
121a 第1の凸部
140 透明基板
150 保護層
160 第2の凸部
180 光源
200 発光装置
110 フォトルミネッセンス層(導波路)
120,120’,120a,120b,120c 透光層(周期構造、サブミクロン構造)
121a 第1の凸部
140 透明基板
150 保護層
160 第2の凸部
180 光源
200 発光装置
Claims (17)
- フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
隣接する第1の凸部または第1の凹部間の距離をDintとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の上に、複数の第2の凸部であって、隣接する第2の凸部間の距離がDintより小さい複数の第2の凸部を有する、発光素子。 - 前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ第1周期構造を含む、請求項1に記載の発光素子。
- 前記隣接する第2の凸部間の距離は、λa/2よりも小さい、請求項1または2に記載の発光素子。
- 前記複数の第2の凸部の少なくとも一部は、周期構造を構成する、請求項1から3のいずれかに記載の発光素子。
- フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
隣接する第1の凸部または第1の凹部間の距離をDintとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第1の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第1の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。 - 前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部の側面の少なくとも一部は、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜している、請求項5に記載の発光素子。
- 前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部の側面の少なくとも一部は、階段状である、請求項5または6に記載の発光素子。
- 前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、請求項5から7のいずれかに記載の発光素子。
- 透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第2の凸部を有する発光素子。 - フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第2の凸部を有する発光素子。 - 透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第1の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第1の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。 - フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第1の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第1の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。 - 前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、請求項1から12のいずれかに記載の発光素子。
- フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記フォトルミネッセンス層の上に複数の第2の凸部を有する発光素子。 - フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の第1の凸部または複数の第1の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の第1の凸部または前記複数の第1の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立ち、
かつ、
前記複数の第1の凸部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も大きい、または、前記複数の第1の凹部の、前記フォトルミネッセンス層の法線方向に垂直な断面の面積は、前記フォトルミネッセンス層に最も近い断面において最も小さい、発光素子。 - 前記サブミクロン構造は、前記複数の第1の凸部と前記複数の第1の凹部との双方を含む、請求項1から15のいずれかに記載の発光素子。
- 請求項1から16のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。
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