本申請涉及發(fā)光器件以及發(fā)光裝置，特別涉及具有光致發(fā)光層的發(fā)光器件以及發(fā)光裝置。

背景技術(shù)：

對于照明器具、顯示器、投影儀之類的光學(xué)設(shè)備而言，在多種用途中需要向所需的方向射出光。熒光燈、白色LED等所使用的光致發(fā)光材料各向同性地發(fā)光。因此，為了使光僅向特定方向射出，這種材料與反射器、透鏡等光學(xué)部件一起使用。例如，專利文獻1公開了使用布光板和輔助反射板來確保指向性的照明系統(tǒng)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2010-231941號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的問題

在光學(xué)設(shè)備中，當(dāng)配置反射器、透鏡等光學(xué)部件時，需要增大光學(xué)設(shè)備自身的尺寸來確保它們的空間，優(yōu)選不用這些光學(xué)部件，或者至少使它們小型化。

本申請?zhí)峁┠軌驅(qū)庵掳l(fā)光層的發(fā)光效率、指向性或偏振特性進行控制的具有新型結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件以及具備該發(fā)光器件的發(fā)光裝置。

用于解決問題的手段

本申請的某個實施方式的發(fā)光器件具有：光致發(fā)光層；透光層，該透光層以與上述光致發(fā)光層接近的方式配置；以及亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述光致發(fā)光層和上述透光層中的至少一者上，并向上述光致發(fā)光層或上述透光層的面內(nèi)擴散，其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個凸部或多 個凹部，當(dāng)將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設(shè)定為D_int、上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光、將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a時，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關(guān)系，并且在上述光致發(fā)光層和上述透光層的至少一者之上具有多個第二凸部，該多個第二凸部中的相鄰的第二凸部之間的距離小于D_int。

上述總的方案或具體的方案可以通過器件、裝置、系統(tǒng)、方法或它們的任意組合來實現(xiàn)。

發(fā)明效果

本申請的某些實施方式的發(fā)光器件以及發(fā)光裝置具有新型構(gòu)成，能夠根據(jù)新的機理對亮度、指向性或偏振特性進行控制。

附圖說明

圖1A是表示某個實施方式的發(fā)光器件的構(gòu)成的立體圖。

圖1B是圖1A所示的發(fā)光器件的局部剖視圖。

圖1C是表示另一個實施方式的發(fā)光器件的構(gòu)成的立體圖。

圖1D是圖1C所示的發(fā)光器件的局部剖視圖。

圖2是表示分別改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的高度來計算向正面方向射出的光的增強度的結(jié)果的圖。

圖3是圖示式(10)中的m＝1和m＝3的條件的圖表。

圖4是表示改變發(fā)光波長和光致發(fā)光層的厚度t來計算向正面方向輸出的光的增強度的結(jié)果的圖。

圖5A是表示厚度t＝238nm時計算向x方向?qū)Р?引導(dǎo)光(to guide light))的模式的電場分布的結(jié)果的圖。

圖5B是表示厚度t＝539nm時計算向x方向?qū)Рǖ哪Ｊ降碾妶龇植嫉慕Y(jié)果的圖。

圖5C是表示厚度t＝300nm時計算向x方向?qū)Рǖ哪Ｊ降碾妶龇植嫉慕Y(jié)果的圖。

圖6是表示以與圖2的計算相同的條件就光的偏振為具有與y方向垂直的電場成分的TE模式時計算光的增強度的結(jié)果的圖。

圖7A是表示二維周期結(jié)構(gòu)的例子的俯視圖。

圖7B是表示就二維周期結(jié)構(gòu)進行與圖2相同的計算的結(jié)果的圖。

圖8是表示改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的折射率來計算向正面方向輸出的光的增強度的結(jié)果的圖。

圖9是表示以與圖8相同的條件將光致發(fā)光層的膜厚設(shè)定為1000nm時的結(jié)果的圖。

圖10是表示改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的高度來計算向正面方向輸出的光的增強度的結(jié)果的圖。

圖11是表示以與圖10相同的條件將周期結(jié)構(gòu)的折射率設(shè)定為n_p＝2.0時的計算結(jié)果的圖。

圖12是表示設(shè)定為光的偏振為具有與y方向垂直的電場成分的TE模式來進行與圖9所示的計算相同的計算的結(jié)果的圖。

圖13是表示以與圖9所示的計算相同的條件將光致發(fā)光層的折射率n_wav變更為1.5時的結(jié)果的圖。

圖14是表示在折射率為1.5的透明基板之上設(shè)置有與圖2所示的計算相同的條件的光致發(fā)光層和周期結(jié)構(gòu)時的計算結(jié)果的圖。

圖1是圖示式(15)的條件的圖表。

圖16是表示具備圖1A、1B所示的發(fā)光器件100和使激發(fā)光射入光致發(fā)光層110的光源180的發(fā)光裝置200的構(gòu)成例的圖。

圖17是用于說明通過使激發(fā)光與模擬導(dǎo)波模式結(jié)合來高效地射出光的構(gòu)成的圖；(a)表示具有x方向的周期p_x的一維周期結(jié)構(gòu)；(b)表示具有x方向的周期p_x、y方向的周期p_y的二維周期結(jié)構(gòu)；(c)表示(a)的構(gòu)成中的光的吸收率的波長依賴性；(d)表示(b)的構(gòu)成中的光的吸收率的波長依賴性。

圖18A是表示二維周期結(jié)構(gòu)的一個例子的圖。

圖18B是表示二維周期結(jié)構(gòu)的另一個例子的圖。

圖19A是表示在透明基板上形成了周期結(jié)構(gòu)的變形例的圖。

圖19B是表示在透明基板上形成了周期結(jié)構(gòu)的另一個變形例的圖。

圖19C是表示在圖19A的構(gòu)成中改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的周期來計算向正面方向輸出的光的增強度的結(jié)果的圖。

圖20是表示混合了多個粉末狀發(fā)光器件的構(gòu)成的圖。

圖21是表示在光致發(fā)光層之上二維地排列周期不同的多個周期結(jié)構(gòu)的例子的俯視圖。

圖22是表示具有表面上形成有凹凸結(jié)構(gòu)的多個光致發(fā)光層110層疊而成的結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件的一個例子的圖。

圖23是表示在光致發(fā)光層110與周期結(jié)構(gòu)120之間設(shè)置了保護層150的構(gòu)成例的剖視圖。

圖24是表示通過僅加工光致發(fā)光層110的一部分來形成周期結(jié)構(gòu)120的例子的圖。

圖25是表示形成在具有周期結(jié)構(gòu)的玻璃基板上的光致發(fā)光層的截面TEM圖像的圖。

圖26是表示測定試制的發(fā)光器件的出射光的正面方向的光譜的結(jié)果的圖表。

圖27(a)和(b)是表示測定試制的發(fā)光器件的出射光的角度依賴性的結(jié)果(上段)以及計算結(jié)果(下段)的圖表。

圖28(a)和(b)是表示測定試制的發(fā)光器件的出射光的角度依賴性的結(jié)果(上段)以及計算結(jié)果(下段)的圖表。

圖29是表示測定試制的發(fā)光器件的出射光(波長610nm)的角度依賴性的結(jié)果的圖表。

圖30是示意性地表示平板型波導(dǎo)的一個例子的立體圖。

圖31(a)是另一個實施方式的發(fā)光器件1100的剖視示意圖；(b)是表示使用相當(dāng)于發(fā)光器件1100的模型進行了計算的結(jié)果的圖。

圖32是又一個實施方式的發(fā)光器件1200的剖視示意圖。

圖33(a)～(c)分別是示意性地表示發(fā)光器件1200截面的放大圖的一個例子的圖。

圖34(a)是又一個實施方式的發(fā)光器件1300的剖視示意圖；(b)是又一個實施方式的發(fā)光器件1400的剖視示意圖。

圖35(a)是又一個實施方式的發(fā)光器件1500的剖視示意圖；(b)是又一個實施方式的發(fā)光器件1600的剖視示意圖。

圖36(a)是表示具有不是錐形狀的第一凸部121a的亞微米結(jié)構(gòu)在包括光致發(fā)光層110的法線在內(nèi)的面內(nèi)的形狀的例子的圖；(b)～(e)分別 是表示具有錐形狀的第一凸部121a的亞微米結(jié)構(gòu)在包括光致發(fā)光層110的法線在內(nèi)的面內(nèi)的形狀的例子的圖；(f)表示發(fā)光器件1600的立體示意圖的一個例子。

圖37(a)和(c)分別是用于說明進行了計算的模型的圖；(b)和(d)分別是表示使用(a)和(c)的模型進行了計算的結(jié)果的圖。

圖38是表示使用相當(dāng)于發(fā)光器件1600的模型進行了計算的結(jié)果的圖。

圖39(a)是又一個實施方式的發(fā)光器件1700的剖視示意圖；(b)是又一個實施方式的發(fā)光器件1800的剖視示意圖。

圖40是用于說明透射型閃耀衍射光柵的圖。

圖41(a)～(e)是分別為了說明用于形成發(fā)光器件1800的第一凸部121a的模具10的制造方法的一個例子的剖視圖。

具體實施方式

本申請包括以下項目所述的發(fā)光器件以及發(fā)光裝置。

[項目1]

一種發(fā)光器件，其具有：

光致發(fā)光層；

透光層，該透光層以與上述光致發(fā)光層接近的方式配置；以及

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述光致發(fā)光層和上述透光層中的至少一者上，并向上述光致發(fā)光層或上述透光層的面內(nèi)擴散，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個凸部或多個凹部，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

當(dāng)將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設(shè)定為D_int、將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a時，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關(guān)系。

[項目2]

根據(jù)項目1所述的發(fā)光器件，其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個凸部或上述多個凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，上述至少一個周期結(jié)構(gòu)包含當(dāng)將周期設(shè)定為p_a時成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系的第一周期結(jié)構(gòu)。

[項目3]

根據(jù)項目1或2所述的發(fā)光器件，其中，上述透光層對上述第一光的 折射率n_t-a小于上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率n_wav-a。

[項目4]

根據(jù)項目1～3中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述第一光在由上述亞微米結(jié)構(gòu)預(yù)先確定的第一方向上強度最大。

[項目5]

根據(jù)項目4所述的發(fā)光器件，其中，上述第一方向為上述光致發(fā)光層的法線方向。

[項目6]

根據(jù)項目4或5所述的發(fā)光器件，其中，向上述第一方向射出的上述第一光為直線偏振光。

[項目7]

根據(jù)項目4～6中任一項所述的發(fā)光器件，其中，以上述第一光的上述第一方向為基準時的指向角小于15°。

[項目8]

根據(jù)項目4～7中任一項所述的發(fā)光器件，其中，具有與上述第一光的波長λ_a不同的波長λ_b的第二光在與上述第一方向不同的第二方向上強度最大。

[項目9]

根據(jù)項目1～8中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述透光層具有上述亞微米結(jié)構(gòu)。

[項目10]

根據(jù)項目1～9中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述光致發(fā)光層具有上述亞微米結(jié)構(gòu)。

[項目11]

根據(jù)項目1～8中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述光致發(fā)光層具有平坦的主面，

上述透光層形成在上述光致發(fā)光層的上述平坦的主面上，并且具有上述亞微米結(jié)構(gòu)。

[項目12]

根據(jù)項目11所述的發(fā)光器件，其中，上述光致發(fā)光層被透明基板支撐。

[項目13]

根據(jù)項目1～8中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述透光層為在一個主面上具有上述亞微米結(jié)構(gòu)的透明基板，

上述光致發(fā)光層被形成在上述亞微米結(jié)構(gòu)之上。

[項目14]

根據(jù)項目1或2所述的發(fā)光器件，其中，上述透光層對上述第一光的折射率n_t-a為上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率n_wav-a以上，上述亞微米結(jié)構(gòu)所具有的上述多個凸部的高度或上述多個凹部的深度為150nm以下。

[項目15]

根據(jù)項目1和3～14中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個凸部或上述多個凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，上述至少一個周期結(jié)構(gòu)包含當(dāng)將周期設(shè)定為p_a時成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系的第一周期結(jié)構(gòu)，

上述第一周期結(jié)構(gòu)為一維周期結(jié)構(gòu)。

[項目16]

根據(jù)項目15所述的發(fā)光器件，其中，上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為與λ_a不同的λ_b的第二光，

在將上述光致發(fā)光層對上述第二光上述第二光的折射率設(shè)定為n_wav-b的情況下，上述至少一個周期結(jié)構(gòu)還包含當(dāng)將周期設(shè)定為p_b時成立λ_b/n_wav-b＜p_b＜λ_b的關(guān)系的第二周期結(jié)構(gòu)，

上述第二周期結(jié)構(gòu)為一維周期結(jié)構(gòu)。

[項目17]

根據(jù)項目1和3～14中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個凸部或上述多個凹部形成的至少兩個周期結(jié)構(gòu)，上述至少兩個周期結(jié)構(gòu)包含在互相不同的方向具有周期性的二維周期結(jié)構(gòu)。

[項目18]

根據(jù)項目1和3～14中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個凸部或上述多個凹部形成的多個周期結(jié)構(gòu)，

上述多個周期結(jié)構(gòu)包含以矩陣狀排列而成的多個周期結(jié)構(gòu)。

[項目19]

根據(jù)項目1和3～14中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個凸部或上述多個凹部形成的多個周期結(jié)構(gòu)，

當(dāng)將上述光致發(fā)光層所具有的光致發(fā)光材料的激發(fā)光在空氣中的波長設(shè)定為λ_ex、將上述光致發(fā)光層對上述激發(fā)光的折射率設(shè)定為n_wav-ex時，上述多個周期結(jié)構(gòu)包含周期p_ex成立λ_ex/n_wav-ex＜p_ex＜λ_ex的關(guān)系的周期結(jié)構(gòu)。

[項目20]

一種發(fā)光器件，其具有多個光致發(fā)光層和多個透光層，

其中，上述多個光致發(fā)光層中的至少兩個和上述多個透光層中的至少兩個各自獨立地分別相當(dāng)于項目1～19中任一項所述的上述光致發(fā)光層和上述透光層。

[項目21]

根據(jù)項目20所述的發(fā)光器件，其中，上述多個光致發(fā)光層與上述多個透光層層疊。

[項目22]

一種發(fā)光器件，其具有：

光致發(fā)光層；

透光層，該透光層以與上述光致發(fā)光層接近的方式配置；以及

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述光致發(fā)光層和上述透光層中的至少一者上，并向上述光致發(fā)光層或上述透光層的面內(nèi)擴散，

上述發(fā)光器件射出在上述光致發(fā)光層和上述透光層的內(nèi)部形成模擬導(dǎo)波模式的光。

[項目23]

一種發(fā)光器件，其具備：

光能夠?qū)Рǖ膶?dǎo)波層；以及

周期結(jié)構(gòu)，該周期結(jié)構(gòu)以與上述導(dǎo)波層接近的方式配置，

其中，上述導(dǎo)波層具有光致發(fā)光材料，

在上述導(dǎo)波層中，由上述光致發(fā)光材料發(fā)出的光存在一邊與上述周期結(jié)構(gòu)作用一邊導(dǎo)波的模擬導(dǎo)波模式。

[項目24]

一種發(fā)光器件，其具有：

光致發(fā)光層；

透光層，該透光層以與上述光致發(fā)光層接近的方式配置；以及

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述光致發(fā)光層和上述透光層中的至少一者上，并向上述光致發(fā)光層或上述透光層的面內(nèi)擴散，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個凸部或多個凹部，

當(dāng)將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設(shè)定為D_int、將上述光致發(fā)光層所具有的光致發(fā)光材料的激發(fā)光在空氣中的波長設(shè)定為λ_ex、將在到達上述光致發(fā)光層或上述透光層的光路中所存在的介質(zhì)之中折射率最大的介質(zhì)對上述激發(fā)光的折射率設(shè)定為n_wav-ex時，成立λ_ex/n_wav-ex＜D_int＜λ_ex的關(guān)系。

[項目25]

根據(jù)項目24所述的發(fā)光器件，其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個凸部或上述多個凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，上述至少一個周期結(jié)構(gòu)包含當(dāng)將周期設(shè)定為p_ex時成立λ_ex/n_wav-ex＜p_ex＜λ_ex的關(guān)系的第一周期結(jié)構(gòu)。

[項目26]

一種發(fā)光器件，其具有：

透光層；

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述透光層上，并向上述透光層的面內(nèi)擴散；以及

光致發(fā)光層，該光致發(fā)光層以與上述亞微米結(jié)構(gòu)接近的方式配置，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個凸部或多個凹部，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個凸部或上述多個凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，

當(dāng)將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a、將上述至少一個周期結(jié)構(gòu)的周期設(shè)定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系。

[項目27]

一種發(fā)光器件，其具有：

光致發(fā)光層；

透光層，該透光層具有比上述光致發(fā)光層高的折射率；以及

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述透光層上，并向上述透光層的面內(nèi)擴散，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個凸部或多個凹部，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個凸部或上述多個凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，

當(dāng)將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a、將上述至少一個周期結(jié)構(gòu)的周期設(shè)定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系。

[項目28]

一種發(fā)光器件，其具有：

光致發(fā)光層；以及

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述光致發(fā)光層上，并向上述光致發(fā)光層的面內(nèi)擴散，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個凸部或多個凹部，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個凸部或上述多個凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，

當(dāng)將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a、將上述至少一個周期結(jié)構(gòu)的周期設(shè)定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系。

[項目29]

根據(jù)項目1～21和24～28中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含上述多個凸部和上述多個凹部這雙者。

[項目30]

根據(jù)項目1～22和24～27中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述光致發(fā)光層與上述透光層互相接觸。

[項目31]

根據(jù)項目23所述的發(fā)光器件，其中，上述導(dǎo)波層與上述周期結(jié)構(gòu)互相接觸。

[項目32]

一種發(fā)光裝置，其具備項目1～31中任一項所述的發(fā)光器件和向上述 光致發(fā)光層照射激發(fā)光的激發(fā)光源。

[項目33]

一種發(fā)光器件，其具有：

光致發(fā)光層；

透光層，該透光層以與上述光致發(fā)光層接近的方式配置；以及

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述光致發(fā)光層和上述透光層中的至少一者上，并向上述光致發(fā)光層或上述透光層的面內(nèi)擴散，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個第一凸部或多個第一凹部，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

當(dāng)將相鄰的第一凸部或第一凹部之間的距離設(shè)定為D_int、將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a時，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關(guān)系，

并且在上述光致發(fā)光層和上述透光層中的至少一者之上具有多個第二凸部，該多個第二凸部中的相鄰的第二凸部之間的距離小于D_int。

[項目34]

根據(jù)項目33所述的發(fā)光器件，其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個第一凸部或上述多個第一凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，上述至少一個周期結(jié)構(gòu)包含當(dāng)將周期設(shè)定為p_a時成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系的第一周期結(jié)構(gòu)。

[項目35]

根據(jù)項目33或35所述的發(fā)光器件，其中，上述相鄰的第二凸部之間的距離小于λ_a/2。

[項目36]

根據(jù)項目33～35中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述多個第二凸部的至少一部分構(gòu)成周期結(jié)構(gòu)。

[項目37]

一種發(fā)光器件，其具有：

光致發(fā)光層；

透光層，該透光層以與上述光致發(fā)光層接近的方式配置；以及

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述光致發(fā)光層和上述透光層中的至少一者上，并向上述光致發(fā)光層或上述透光層的面內(nèi)擴散，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個第一凸部或多個第一凹部，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

當(dāng)將相鄰的第一凸部或第一凹部之間的距離設(shè)定為D_int、將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a時，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關(guān)系，并且

上述多個第一凸部的與上述光致發(fā)光層的法線方向垂直的截面的面積在距離上述光致發(fā)光層最近的截面中最大，或者上述多個第一凹部的與上述光致發(fā)光層的法線方向垂直的截面的面積在距離上述光致發(fā)光層最近的截面中最小。

[項目38]

根據(jù)項目37所述的發(fā)光器件，其中，上述多個第一凸部或上述多個第一凹部的側(cè)面的至少一部分相對于上述光致發(fā)光層的法線方向傾斜。

[項目39]

根據(jù)項目37或38所述的發(fā)光器件，其中，上述多個第一凸部或上述多個第一凹部的側(cè)面的至少一部分為臺階狀。

[項目40]

根據(jù)項目37～39中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個第一凸部或上述多個第一凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，上述至少一個周期結(jié)構(gòu)當(dāng)將周期設(shè)定為p_a時成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系。

[項目41]

一種發(fā)光器件，其具有：

透光層；

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述透光層上，并向上述透光層的面內(nèi)擴散；以及

光致發(fā)光層，該光致發(fā)光層以與上述亞微米結(jié)構(gòu)接近的方式配置，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個第一凸部或多個第一凹部，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個第一凸部或上述多個第一凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，

當(dāng)將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a、將上述至少 一個周期結(jié)構(gòu)的周期設(shè)定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系，

并且在上述光致發(fā)光層之上具有多個第二凸部。

[項目42]

一種發(fā)光器件，其具有：

光致發(fā)光層；

透光層，該透光層具有比上述光致發(fā)光層高的折射率；以及

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述透光層上，并向上述透光層的面內(nèi)擴散，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個第一凸部或多個第一凹部，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個第一凸部或上述多個第一凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，

當(dāng)將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a、將上述至少一個周期結(jié)構(gòu)的周期設(shè)定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系，

并且在上述光致發(fā)光層之上具有多個第二凸部。

[項目43]

一種發(fā)光器件，其具有：

透光層；

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述透光層上，并向上述透光層的面內(nèi)擴散；以及

光致發(fā)光層，該光致發(fā)光層以與上述亞微米結(jié)構(gòu)接近的方式配置，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個第一凸部或多個第一凹部，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個第一凸部或上述多個第一凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，

當(dāng)將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a、將上述至少一個周期結(jié)構(gòu)的周期設(shè)定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系，

并且上述多個第一凸部的與上述光致發(fā)光層的法線方向垂直的截面的面積在距離上述光致發(fā)光層最近的截面中最大，或者上述多個第一凹部的與上述光致發(fā)光層的法線方向垂直的截面的面積在距離上述光致發(fā)光層最 近的截面中最小。

[項目44]

一種發(fā)光器件，其具有：

光致發(fā)光層；

透光層，該透光層具有比上述光致發(fā)光層高的折射率；以及

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述透光層上，并向上述透光層的面內(nèi)擴散，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個第一凸部或多個第一凹部，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

上述亞微米結(jié)構(gòu)包含由上述多個第一凸部或上述多個第一凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，

當(dāng)將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a、將上述至少一個周期結(jié)構(gòu)的周期設(shè)定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系，

并且上述多個第一凸部的與上述光致發(fā)光層的法線方向垂直的截面的面積在距離上述光致發(fā)光層最近的截面中最大，或者上述多個第一凹部的與上述光致發(fā)光層的法線方向垂直的截面的面積在距離上述光致發(fā)光層最近的截面中最小。

[項目45]

根據(jù)項目33～44中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述光致發(fā)光層與上述透光層互相接觸。

[項目46]

一種發(fā)光器件，其具有：

光致發(fā)光層；以及

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述光致發(fā)光層上，并向上述光致發(fā)光層的面內(nèi)擴散，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個第一凸部或多個第一凹部，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

上述亞微米結(jié)構(gòu)至少包含由上述多個第一凸部或上述多個第一凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，

當(dāng)將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a、將上述至少 一個周期結(jié)構(gòu)的周期設(shè)定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系，

并且在上述光致發(fā)光層之上具有多個第二凸部。

[項目47]

一種發(fā)光器件，其具有：

光致發(fā)光層；以及

亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述光致發(fā)光層上，并向上述光致發(fā)光層的面內(nèi)擴散，

其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個第一凸部或多個第一凹部，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

上述亞微米結(jié)構(gòu)至少包含由上述多個第一凸部或上述多個第一凹部形成的至少一個周期結(jié)構(gòu)，

當(dāng)將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a、將上述至少一個周期結(jié)構(gòu)的周期設(shè)定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系，

并且上述多個第一凸部的與上述光致發(fā)光層的法線方向垂直的截面的面積在距離上述光致發(fā)光層最近的截面中最大，或者上述多個第一凹部的與上述光致發(fā)光層的法線方向垂直的截面的面積在距離上述光致發(fā)光層最近的截面中最小。

[項目48]

根據(jù)項目33～47中任一項所述的發(fā)光器件，其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含上述多個第一凸部和上述多個第一凹部這兩者。

[項目49]

一種發(fā)光裝置，其具備項目33～48中任一項所述的發(fā)光器件和向上述光致發(fā)光層照射激發(fā)光的激發(fā)光源。

本申請的實施方式的發(fā)光器件具有：光致發(fā)光層；透光層，該透光層以與上述光致發(fā)光層接近的方式配置；以及亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在上述光致發(fā)光層和上述透光層中的至少一者上，并向上述光致發(fā)光層或上述透光層的面內(nèi)擴散，其中，上述亞微米結(jié)構(gòu)包含多個凸部或多個凹部，當(dāng)將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設(shè)定為D_int、上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光、將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a時，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關(guān)系。波長λ_a例如在 可見光的波長范圍內(nèi)(例如380nm以上且780nm以下)。

光致發(fā)光層包含光致發(fā)光材料。光致發(fā)光材料是指接受激發(fā)光而發(fā)光的材料。光致發(fā)光材料包括狹義的熒光材料和磷光材料，不僅包括無機材料，也包括有機材料(例如色素)，還包括量子點(即，半導(dǎo)體微粒)。光致發(fā)光層除了光致發(fā)光材料以外，還可以包含基質(zhì)材料(即，主體材料)?；|(zhì)材料例如為玻璃、氧化物等無機材料、樹脂。

以與光致發(fā)光層接近的方式配置的透光層由對于光致發(fā)光層所發(fā)出的光透射率高的材料形成，例如由無機材料、樹脂形成。透光層例如優(yōu)選由電介質(zhì)(特別是光的吸收少的絕緣體)形成。透光層例如可以為支撐光致發(fā)光層的基板。另外，在光致發(fā)光層的空氣側(cè)的表面具有亞微米結(jié)構(gòu)的情況下，空氣層可以為透光層。

對于本申請的實施方式的發(fā)光器件而言，如后面參照計算結(jié)果和實驗結(jié)果所詳述的那樣，由于形成在光致發(fā)光層和透光層中的至少一者上的亞微米結(jié)構(gòu)(例如周期結(jié)構(gòu))，在光致發(fā)光層和透光層的內(nèi)部形成獨特的電場分布。這是導(dǎo)波光與亞微米結(jié)構(gòu)相互作用形成的，可以將其表示為模擬導(dǎo)波模式。通過利用該模擬導(dǎo)波模式，如以下所說明的那樣，能夠得到光致發(fā)光的發(fā)光效率增大、指向性提高、偏振光的選擇性效果。此外，以下的說明中，有時使用模擬導(dǎo)波模式這一用語來對本申請的發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)的新型構(gòu)成和/或新的機理進行說明，但其不過是一種例示性的說明，任何意義上來說都不是要限定本申請。

亞微米結(jié)構(gòu)例如包含多個凸部，當(dāng)將相鄰的凸部之間的距離(即，中心間距離)設(shè)定為D_int時，滿足λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關(guān)系。亞微米結(jié)構(gòu)也可以包含多個凹部來代替多個凸部。以下，為了簡化起見，以亞微米結(jié)構(gòu)具有多個凸部的情況進行說明。λ表示光的波長，λ_a表示空氣中的光的波長。n_wav為光致發(fā)光層的折射率。在光致發(fā)光層為混合有多種材料的介質(zhì)的情況下，將各材料的折射率以各自的體積比率加權(quán)而得到的平均折射率設(shè)定為n_wav。通常折射率n依賴于波長，因此優(yōu)選將對λ_a的光的折射率表示為n_wav-a，但有時為了簡化起見會省略。n_wav基本上是光致發(fā)光層的折射率，但在與光致發(fā)光層相鄰的層的折射率大于光致發(fā)光層的折射率的情況下，將該折射率大的層的折射率和光致發(fā)光層的折射率以各自的體積比率加權(quán)而得到的 平均折射率設(shè)定為n_wav。這是因為，這種情況光學(xué)上與光致發(fā)光層由多個不同材料的層構(gòu)成的情況等價。

當(dāng)將介質(zhì)對模擬導(dǎo)波模式的光的有效折射率設(shè)定為n_eff時，滿足n_a＜n_eff＜n_wav。這里，n_a為空氣的折射率。如果認為模擬導(dǎo)波模式的光為在光致發(fā)光層的內(nèi)部一邊以入射角θ全反射一邊傳播的光，則有效折射率n_eff可寫作n_eff＝n_wavsinθ。另外，有效折射率n_eff由存在于模擬導(dǎo)波模式的電場分布的區(qū)域中的介質(zhì)的折射率確定，因此例如在透光層形成了亞微米結(jié)構(gòu)的情況下，不僅依賴于光致發(fā)光層的折射率，還依賴于透光層的折射率。另外，由于根據(jù)模擬導(dǎo)波模式的偏振方向(TE模式和TM模式)的不同，電場的分布不同，因此在TE模式和TM模式中，有效折射率n_eff可以不同。

亞微米結(jié)構(gòu)形成在光致發(fā)光層和透光層中的至少一者上。在光致發(fā)光層與透光層互相接觸時，也可以在光致發(fā)光層與透光層的界面上形成亞微米結(jié)構(gòu)。此時，光致發(fā)光層和透光層具有亞微米結(jié)構(gòu)。光致發(fā)光層也可以不具有亞微米結(jié)構(gòu)。此時，具有亞微米結(jié)構(gòu)的透光層以與光致發(fā)光層接近的方式配置。這里，透光層(或其亞微米結(jié)構(gòu))與光致發(fā)光層接近典型而言是指：它們之間的距離為波長λ_a的一半以下。由此，導(dǎo)波模式的電場達到亞微米結(jié)構(gòu)，形成模擬導(dǎo)波模式。但是，在透光層的折射率比光致發(fā)光層的折射率大時，即使不滿足上述的關(guān)系，光也到達透光層，因此透光層的亞微米結(jié)構(gòu)與光致發(fā)光層之間的距離也可以超過波長λ_a的一半。本說明書中，在光致發(fā)光層與透光層處于導(dǎo)波模式的電場到達亞微米結(jié)構(gòu)、形成模擬導(dǎo)波模式那樣的配置關(guān)系的情況下，有時表示兩者互相關(guān)聯(lián)。

亞微米結(jié)構(gòu)如上所述由于滿足λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關(guān)系，所以具有大小為亞微米量級的特征。亞微米結(jié)構(gòu)例如如以下詳細說明的實施方式的發(fā)光器件中那樣，包含至少一個周期結(jié)構(gòu)。至少一個周期結(jié)構(gòu)當(dāng)將周期設(shè)定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系。即，亞微米結(jié)構(gòu)可以包含相鄰的凸部之間的距離D_int為p_a且固定的周期結(jié)構(gòu)。如果亞微米結(jié)構(gòu)包含周期結(jié)構(gòu)，則模擬導(dǎo)波模式的光通過一邊傳播一邊與周期結(jié)構(gòu)反復(fù)相互作用，被亞微米結(jié)構(gòu)衍射。這與在自由空間傳播的光通過周期結(jié)構(gòu)而衍射的現(xiàn)象不同，而是光一邊導(dǎo)波(即，一邊反復(fù)全反射)一邊與周期結(jié)構(gòu)作用的現(xiàn)象。因此，即使由周期結(jié)構(gòu)引起的相移小(即，即使周期結(jié)構(gòu)的高度小)，也能 夠高效地引起光的衍射。

如果利用如上所述的機理，則通過由模擬導(dǎo)波模式增強電場的效果，光致發(fā)光的發(fā)光效率增大，并且產(chǎn)生的光與模擬導(dǎo)波模式結(jié)合。模擬導(dǎo)波模式的光的前進角度僅彎曲被周期結(jié)構(gòu)規(guī)定的衍射角度。通過利用該現(xiàn)象，能夠向特定方向射出特定波長的光(指向性顯著提高)。進而，由于在TE模式和TM模式中，有效折射率n_eff(＝n_wavsinθ)不同，因此還能夠同時得到高偏振光的選擇性。例如，如后面實驗例所示，能夠得到向正面方向射出強的特定波長(例如610nm)的直線偏振光(例如TM模式)的發(fā)光器件。此時，向正面方向射出的光的指向角例如低于15°。其中，指向角是指將正面方向設(shè)定為0°的單側(cè)的角度。

相反，如果亞微米結(jié)構(gòu)的周期性降低，則指向性、發(fā)光效率、偏振度以及波長選擇性變?nèi)酢Ｖ灰鶕?jù)需要調(diào)整亞微米結(jié)構(gòu)的周期性就行。周期結(jié)構(gòu)既可以為偏振光的選擇性高的一維周期結(jié)構(gòu)，也可以是能夠減小偏振度的二維周期結(jié)構(gòu)。

另外，亞微米結(jié)構(gòu)可以包含多個周期結(jié)構(gòu)。多個周期結(jié)構(gòu)例如周期(間距)互相不同。或者，多個周期結(jié)構(gòu)例如具有周期性的方向(軸)互相不同。多個周期結(jié)構(gòu)既可以形成在同一個面內(nèi)，也可以層疊。當(dāng)然，發(fā)光器件可以具有多個光致發(fā)光層和多個透光層，它們也可以具有多個亞微米結(jié)構(gòu)。

亞微米結(jié)構(gòu)不僅能夠用于控制光致發(fā)光層所發(fā)出的光，而且還能夠用于將激發(fā)光高效地導(dǎo)向光致發(fā)光層。即，激發(fā)光被亞微米結(jié)構(gòu)衍射，與將光致發(fā)光層和透光層導(dǎo)波的模擬導(dǎo)波模式結(jié)合，由此能夠高效地激發(fā)光致發(fā)光層。只要使用當(dāng)將激發(fā)光致發(fā)光材料的光在空氣中的波長設(shè)定為λ_ex、將光致發(fā)光層對該激發(fā)光的折射率設(shè)定為n_wav-ex時成立λ_ex/n_wav-ex＜D_int＜λ_ex的關(guān)系的亞微米結(jié)構(gòu)就行。n_wav-ex為光致發(fā)光材料對激發(fā)波長的折射率。可以使用具有當(dāng)將周期設(shè)定為p_ex時成立λ_ex/n_wav-ex＜p_ex＜λ_ex的關(guān)系的周期結(jié)構(gòu)的亞微米結(jié)構(gòu)。激發(fā)光的波長λ_ex例如為450nm，但也可以為比可見光短的波長。在激發(fā)光的波長處于可見光的范圍內(nèi)的情況下，也可以設(shè)定為與光致發(fā)光層所發(fā)出的光一起射出激發(fā)光。

[1.作為本申請的基礎(chǔ)的認識]

在說明本申請的具體實施方式之前，首先，對作為本申請的基礎(chǔ)的認識進行說明。如上所述，由于熒光燈、白色LED等所使用的光致發(fā)光材料各向同性地發(fā)光，所以為了用光照射特定方向，需要反射器、透鏡等光學(xué)部件。然而，如果光致發(fā)光層自身以指向性地發(fā)光，就不需要(或者能夠減小)如上所述的光學(xué)部件，從而能夠大幅縮小光學(xué)設(shè)備或器具的大小。本申請的發(fā)明者們根據(jù)這樣的設(shè)想，為了得到指向性發(fā)光，詳細研究了光致發(fā)光層的構(gòu)成。

本申請的發(fā)明者們首先認為：為了使來自光致發(fā)光層的光偏向特定方向，要使發(fā)光本身具有特定方向性。作為表征發(fā)光的指標的發(fā)光率Γ根據(jù)費米的黃金法則，由以下的式(1)表示。

式(1)中，r是表示位置的矢量，λ為光的波長，d為偶極矢量，E為電場矢量，ρ為狀態(tài)密度。就除了一部分結(jié)晶性物質(zhì)以外的多種物質(zhì)而言，偶極矢量d具有隨機的方向性。另外，在光致發(fā)光層的尺寸和厚度比光的波長足夠大的情況下，電場E的大小也不依賴于朝向而基本固定。因此，在絕大多數(shù)情況下，<(d·E(r))>²的值不依賴于方向。即，發(fā)光率Γ不依賴于方向而固定。因此，在絕大多數(shù)情況下，光致發(fā)光層各向同性地發(fā)光。

另一方面，為了由式(1)得到各向異性的發(fā)光，需要花工夫進行使偶極矢量d匯集在特定方向或者增強電場矢量的特定方向的成分中的任意一種。通過花工夫進行它們中的任意一種，能夠?qū)崿F(xiàn)指向性發(fā)光。在本申請中，利用通過將光封閉在光致發(fā)光層中的效果將特定方向的電場成分增強的模擬導(dǎo)波模式，對于用于此的構(gòu)成進行了研究，以下說明詳細分析的結(jié)果。

[2.僅增強特定方向的電場的構(gòu)成]

本申請的發(fā)明者們認為要使用電場強的導(dǎo)波模式對發(fā)光進行控制。通過設(shè)定為導(dǎo)波結(jié)構(gòu)本身含有光致發(fā)光材料的構(gòu)成，能夠使得發(fā)光與導(dǎo)波模式結(jié)合。但是，如果僅使用光致發(fā)光材料形成導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，則由于發(fā)出的光成為導(dǎo)波模式，因此向正面方向幾乎出不來光。于是，本申請的發(fā)明者們認為要對包含光致發(fā)光材料的波導(dǎo)和周期結(jié)構(gòu)(形成在多個凸部和多個凹 部中的至少一者上)進行組合。在周期結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)接近、光的電場一邊與周期結(jié)構(gòu)重疊一邊導(dǎo)波的情況下，通過周期結(jié)構(gòu)的作用，存在模擬導(dǎo)波模式。即，該模擬導(dǎo)波模式是被周期結(jié)構(gòu)所限制的導(dǎo)波模式，其特征在于，電場振幅的波腹以與周期結(jié)構(gòu)的周期相同的周期產(chǎn)生。該模式是通過光被封閉在導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中從而電場向特定方向被增強的模式。進而，由于通過該模式與周期結(jié)構(gòu)進行相互作用，通過衍射效果轉(zhuǎn)換為特定方向的傳播光，因此能夠向波導(dǎo)外部射出光。另外，由于除了模擬導(dǎo)波模式以外的光被封閉在波導(dǎo)內(nèi)的效果小，因此電場不被增強。所以，大多數(shù)發(fā)光與具有大的電場成分的模擬導(dǎo)波模式結(jié)合。

即，本申請的發(fā)明者們認為通過將包含光致發(fā)光材料的光致發(fā)光層(或者具有光致發(fā)光層的導(dǎo)波層)設(shè)定為以周期結(jié)構(gòu)接近的方式設(shè)置的波導(dǎo)，使發(fā)光與轉(zhuǎn)換為特定方向的傳播光的模擬導(dǎo)波模式結(jié)合，實現(xiàn)具有指向性的光源。

作為導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的簡便構(gòu)成，著眼于平板型波導(dǎo)。平板型波導(dǎo)是指光的導(dǎo)波部分具有平板結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)。圖30是示意性地表示平板型波導(dǎo)110S的一個例子的立體圖。在波導(dǎo)110S的折射率比支撐波導(dǎo)110S的透明基板140的折射率高時，存在在波導(dǎo)110S內(nèi)傳播的光的模式。通過將這樣的平板型波導(dǎo)設(shè)定為包含光致發(fā)光層的構(gòu)成，由于由發(fā)光點產(chǎn)生的光的電場與導(dǎo)波模式的電場大幅重合，因此能夠使光致發(fā)光層中產(chǎn)生的光的大部分與導(dǎo)波模式結(jié)合。進而，通過將光致發(fā)光層的厚度設(shè)定為光的波長程度，能夠作出僅存在電場振幅大的導(dǎo)波模式的狀況。

進而，在周期結(jié)構(gòu)與光致發(fā)光層接近的情況下，通過導(dǎo)波模式的電場與周期結(jié)構(gòu)相互作用而形成模擬導(dǎo)波模式。即使在光致發(fā)光層由多個層構(gòu)成的情況下，只要導(dǎo)波模式的電場達到周期結(jié)構(gòu)，就會形成模擬導(dǎo)波模式。不需要光致發(fā)光層全部都為光致發(fā)光材料，只要其至少一部分區(qū)域具有發(fā)光的功能就行。

另外，在由金屬形成周期結(jié)構(gòu)的情況下，形成導(dǎo)波模式和基于等離子體共振效應(yīng)的模式，該模式具有與上面所述的模擬導(dǎo)波模式不同的性質(zhì)。此外，該模式由于由金屬導(dǎo)致的吸收多，因此損失變大，發(fā)光增強的效果變小。所以，作為周期結(jié)構(gòu)，優(yōu)選使用吸收少的電介質(zhì)。

本申請的發(fā)明者們首先研究了使發(fā)光與通過在這樣的波導(dǎo)(例如光致發(fā)光層)的表面形成周期結(jié)構(gòu)而能夠作為特定角度方向的傳播光射出的模擬導(dǎo)波模式結(jié)合。圖1A是示意性地表示具有這樣的波導(dǎo)(例如光致發(fā)光層)110和周期結(jié)構(gòu)(例如透光層)120的發(fā)光器件100的一個例子的立體圖。以下，在透光層120形成有周期結(jié)構(gòu)的情況下(即，在透光層120形成有周期性的亞微米結(jié)構(gòu)的情況下)，有時將透光層120稱為周期結(jié)構(gòu)120。在該例子中，周期結(jié)構(gòu)120是分別在y方向延伸的條紋狀的多個凸部在x方向上等間隔排列的一維周期結(jié)構(gòu)。圖1B是將該發(fā)光器件100用與xz面平行的平面切斷時的剖視圖。如果以與波導(dǎo)110接觸的方式設(shè)置周期p的周期結(jié)構(gòu)120，則面內(nèi)方向的具有波數(shù)k_wav的模擬導(dǎo)波模式被轉(zhuǎn)換為波導(dǎo)外的傳播光，該波數(shù)k_out能夠用以下的式(2)表示。

式(2)中的m為整數(shù)，表示衍射的次數(shù)。

這里，為了簡化起見，近似地將在波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)波的光看作是以角度θ_wav傳播的光線，成立以下的式(3)和(4)。

在這些式子中，λ₀為光在空氣中的波長，n_wav為波導(dǎo)的折射率，n_out為出射側(cè)的介質(zhì)的折射率，θ_out為光射出到波導(dǎo)外的基板或空氣時的出射角度。由式(2)～(4)可知，出射角度θ_out能夠用以下的式(5)表示。

n_outsinθ_out＝n_wavsinθ_wav-mλ₀/p (5)

根據(jù)式(5)可知，在n_wavsinθ_wav＝mλ₀/p成立時，θ_out＝0，能夠使光向與波導(dǎo)的面垂直的方向(即，正面)射出。

根據(jù)如上的原理，可以認為通過使發(fā)光與特定模擬導(dǎo)波模式結(jié)合，進而利用周期結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為特定出射角度的光，能夠使強的光向該方向射出。

為了實現(xiàn)如上所述的狀況，有幾個制約條件。首先，為了使模擬導(dǎo)波 模式存在，需要在波導(dǎo)內(nèi)傳播的光全反射。用于此的條件用以下的式(6)表示。

n_out＜n_wav sinθ_wav (6)

為了使該模擬導(dǎo)波模式通過周期結(jié)構(gòu)衍射并使光射出到波導(dǎo)外，式(5)中需要-1＜sinθ_out＜1。因此，需要滿足以下的式(7)。

對此，如果考慮式(6)，可知只要成立以下的式(8)就行。

進而，為了使得由波導(dǎo)110射出的光的方向為正面方向(θ_out＝0)，由式(5)可知需要以下的式(9)。

p＝mλ₀/(n_wav sinθ_wav) (5)

由式(9)和式(6)可知，必要條件為以下的式(10)。

此外，在設(shè)置如圖1A和圖1B所示的周期結(jié)構(gòu)的情況下，由于m為2以上的高次的衍射效率低，所以只要以m＝1的一次衍射光為重點進行設(shè)計就行。因此，在本實施方式的周期結(jié)構(gòu)中，設(shè)定為m＝1，以滿足將式(10)變形得到的以下的式(11)的方式，確定周期p。

如圖1A和圖1B所示，在波導(dǎo)(光致發(fā)光層)110不與透明基板接觸的情況下，n_out為空氣的折射率(約1.0)，因此只要以滿足以下的式(12)的方式確定周期p就行。

另一方面，可以采用如圖1C和圖1D所例示的那樣在透明基板140上形成有光致發(fā)光層110和周期結(jié)構(gòu)120的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，由于透明 基板140的折射率n_s比空氣的折射率大，因此只要以滿足在式(11)中設(shè)定為n_out＝n_s得到的下式(13)的方式確定周期p就行。

此外，式(12)、(13)考慮了式(10)中m＝1的情況，但也可以m≥2。即，在如圖1A和圖1B所示發(fā)光器件100的兩面與空氣層接觸的情況下，只要將m設(shè)定為1以上的整數(shù)并以滿足以下的式(14)的方式設(shè)定周期p就行。

同樣地，在如圖1C和圖1D所示的發(fā)光器件100a那樣將光致發(fā)光層110形成在透明基板140上的情況下，只要以滿足以下的式(15)的方式設(shè)定周期p就行。

通過以滿足以上的不等式的方式確定周期結(jié)構(gòu)的周期p，能夠使由光致發(fā)光層110產(chǎn)生的光向正面方向射出，因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有指向性的發(fā)光裝置。

[3.通過計算進行的驗證]

[3-1.周期、波長依賴性]

本申請的發(fā)明者們利用光學(xué)解析驗證了如上那樣向特定方向射出光實際上是否可能。光學(xué)解析通過使用了Cybernet公司的DiffractMOD的計算來進行。這些計算中，在對發(fā)光器件由外部垂直地射入光時，通過計算光致發(fā)光層中的光吸收的增減，求出向外部垂直地射出的光的增強度。由外部射入的光與模擬導(dǎo)波模式結(jié)合而被光致發(fā)光層吸收的過程對應(yīng)于：對與光致發(fā)光層中的發(fā)光和模擬導(dǎo)波模式結(jié)合而轉(zhuǎn)換為向外部垂直地射出的傳播光的過程相反的過程進行計算。另外，在模擬導(dǎo)波模式的電場分布的計算中，也同樣計算由外部射入光時的電場。

將光致發(fā)光層的膜厚設(shè)定為1μm，將光致發(fā)光層的折射率設(shè)定為n_wav＝1.8，將周期結(jié)構(gòu)的高度設(shè)定為50nm，將周期結(jié)構(gòu)的折射率設(shè)定為1.5， 分別改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的周期，計算向正面方向射出的光的增強度，將其結(jié)果表示在圖2中。計算模型如圖1A所示，設(shè)定為在y方向上為均勻的一維周期結(jié)構(gòu)、光的偏振為具有與y方向平行的電場成分的TM模式，由此進行計算。由圖2的結(jié)果可知，增強度的峰在某個特定波長和周期的組合中存在。此外，在圖2中，增強度的大小用顏色的深淺來表示，深(即黑)的增強度大，淺(即白)的增強度小。

在上述的計算中，周期結(jié)構(gòu)的截面設(shè)定為如圖1B所示的矩形。圖3表示圖示式(10)中的m＝1和m＝3的條件的圖表。比較圖2和圖3可知，圖2中的峰位置存在于與m＝1和m＝3相對應(yīng)的地方。m＝1的強度強是因為，相比于三次以上的高次衍射光，一次衍射光的衍射效率高。不存在m＝2的峰是因為，周期結(jié)構(gòu)中的衍射效率低。

在圖3所示的分別與m＝1和m＝3相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，圖2中能夠確認存在多個線?？梢哉J為這是因為存在多個模擬導(dǎo)波模式。

[3-2.厚度依賴性]

圖4是表示將光致發(fā)光層的折射率設(shè)定為n_wav＝1.8、將周期結(jié)構(gòu)的周期設(shè)定為400nm、將高度設(shè)定為50nm、將折射率設(shè)定為1.5并改變發(fā)光波長和光致發(fā)光層的厚度t來計算向正面方向輸出的光的增強度的結(jié)果的圖?？芍?dāng)光致發(fā)光層的厚度t為特定值時，光的增強度達到峰值。

將在圖4中存在峰的波長為600nm、厚度t＝238nm、539nm時對向x方向?qū)Рǖ哪Ｊ降碾妶龇植歼M行計算的結(jié)果分別表示在圖5A和圖5B中。為了比較，對于不存在峰的t＝300nm的情況進行了相同的計算，將其結(jié)果表示在圖5C中。計算模型與上述同樣，設(shè)定為在y方向為均勻的一維周期結(jié)構(gòu)。在各圖中，越黑的區(qū)域，表示電場強度越高；越白的區(qū)域，表示電場強度越低。在t＝238nm、539nm時有高的電場強度分布，而在t＝300nm時整體上電場強度低。這是因為，在t＝238nm、539nm的情況下，存在導(dǎo)波模式，光被較強地封閉。進而，可以觀察出如下特征：在凸部或凸部的正下方，必然存在電場最強的部分(波腹)，產(chǎn)生與周期結(jié)構(gòu)120相關(guān)的電場。即，可知根據(jù)周期結(jié)構(gòu)120的配置，可以得到導(dǎo)波的模式。另外，比較t＝238nm的情況和t＝539nm的情況，可知是z方向的電場的波節(jié)(白色部分)的數(shù)目僅差一個的模式。

[3-3.偏振光依賴性]

接著，為了確認偏振光依賴性，以與圖2的計算相同的條件，對于光的偏振為具有與y方向垂直的電場成分的TE模式時進行了光的增強度的計算。本計算的結(jié)果表示在圖6中。與TM模式時(圖2)相比，盡管峰位置多少有變化，但峰位置仍舊處于圖3所示的區(qū)域內(nèi)。因此，確認了本實施方式的構(gòu)成對于TM模式、TE模式中的任意一種偏振光都有效。

[3-4.二維周期結(jié)構(gòu)]

進而，進行了基于二維周期結(jié)構(gòu)的效果的研究。圖7A是表示凹部和凸部在x方向和y方向這兩方向排列而成的二維周期結(jié)構(gòu)120’的一部分的俯視圖。圖中的黑色區(qū)域表示凸部，白色區(qū)域表示凹部。在這樣的二維周期結(jié)構(gòu)中，需要考慮x方向和y方向這兩方向的衍射。就僅x方向或者僅y方向的衍射而言，與一維時相同，但也存在具有x、y兩方向的成分的方向(例如傾斜45°方向)的衍射，因此能夠期待得到與一維時不同的結(jié)果。將對于這樣的二維周期結(jié)構(gòu)計算光的增強度計算得到的結(jié)果表示在圖7B中。除了周期結(jié)構(gòu)以外的計算條件與圖2的條件相同。如圖7B所示，除了圖2所示的TM模式的峰位置以外，還觀測到了與圖6所示的TE模式中的峰位置一致的峰位置。該結(jié)果表示：基于二維周期結(jié)構(gòu)，TE模式也通過衍射被轉(zhuǎn)換而輸出。另外，對于二維周期結(jié)構(gòu)而言，還需要考慮x方向和y方向這兩方向同時滿足一次衍射條件的衍射。這樣的衍射光向與周期p的倍(即，2^1/2倍)的周期相對應(yīng)的角度的方向射出。因此，除了一維周期結(jié)構(gòu)時的峰以外，還可以考慮在周期p的倍的周期也產(chǎn)生峰。圖7B中，也能夠確認到這樣的峰。

作為二維周期結(jié)構(gòu)，不限于如圖7A所示的x方向和y方向的周期相等的四方點陣的結(jié)構(gòu)，也可以是如圖18A和圖18B所示的排列六邊形或三角形的點陣結(jié)構(gòu)。另外，根據(jù)方位方向也可以為(例如四方點陣時x方向和y方向)的周期不同的結(jié)構(gòu)。

如上所述，本實施方式確認了：利用基于周期結(jié)構(gòu)的衍射現(xiàn)象，能夠?qū)⑼ㄟ^周期結(jié)構(gòu)和光致發(fā)光層所形成的特征性的模擬導(dǎo)波模式的光僅向正面方向選擇性地射出。通過這樣的構(gòu)成，用紫外線或藍色光等激發(fā)光使光致發(fā)光層激發(fā)，可以得到具有指向性的發(fā)光。

[4.周期結(jié)構(gòu)和光致發(fā)光層的構(gòu)成的研究]

接著，對于改變周期結(jié)構(gòu)和光致發(fā)光層的構(gòu)成、折射率等各種條件時的效果進行說明。

[4-1.周期結(jié)構(gòu)的折射率]

首先，對于周期結(jié)構(gòu)的折射率進行研究。將光致發(fā)光層的膜厚設(shè)定為200nm，將光致發(fā)光層的折射率設(shè)定為n_wav＝1.8，將周期結(jié)構(gòu)設(shè)定為如圖1A所示那樣的在y方向上均勻的一維周期結(jié)構(gòu)，將高度設(shè)定為50nm，將周期設(shè)定為400nm，光的偏振為具有與y方向平行的電場成分的TM模式，由此進行計算。將改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的折射率計算向正面方向輸出的光的增強度得到的結(jié)果表示在圖8中。另外，將以相同的條件將光致發(fā)光層的膜厚設(shè)定為1000nm時的結(jié)果表示在圖9中。

首先，著眼于光致發(fā)光層的膜厚，可知與膜厚為200nm時(圖8)相比，膜厚為1000nm時(圖9)相對于周期結(jié)構(gòu)的折射率變化的光強度達到峰值的波長(稱為峰值波長)的位移更小。這是因為，光致發(fā)光層的膜厚越小，模擬導(dǎo)波模式越容易受到周期結(jié)構(gòu)的折射率的影響。即，周期結(jié)構(gòu)的折射率越高，有效折射率越大，相應(yīng)地峰值波長越向長波長側(cè)位移，但該影響在膜厚越小時越明顯。此外，有效折射率由存在于模擬導(dǎo)波模式的電場分布的區(qū)域中的介質(zhì)的折射率決定。

接著，著眼于相對于周期結(jié)構(gòu)的折射率變化的峰的變化，可知折射率越高，則峰越寬，強度越降低。這是因為周期結(jié)構(gòu)的折射率越高，則模擬導(dǎo)波模式的光放出到外部的速率越高，因此封閉光的效果減少，即，Q值變低。為了保持高的峰強度，只要設(shè)定為利用封閉光的效果高(即Q值高)的模擬導(dǎo)波模式適度地將光放出到外部的構(gòu)成就行?？芍獮榱藢崿F(xiàn)該構(gòu)成，不優(yōu)選將折射率與光致發(fā)光層的折射率相比過大的材料用于周期結(jié)構(gòu)。因此，為了將峰強度和Q值提高一定程度，只要將構(gòu)成周期結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)(即，透光層)的折射率設(shè)定為光致發(fā)光層的折射率的同等以下就行。光致發(fā)光層包含除了光致發(fā)光材料以外的材料時也是同樣的。

[4-2.周期結(jié)構(gòu)的高度]

接著，對于周期結(jié)構(gòu)的高度進行研究。將光致發(fā)光層的膜厚設(shè)定為1000nm，將光致發(fā)光層的折射率設(shè)定為n_wav＝1.8，周期結(jié)構(gòu)為如圖1A所示 那樣的在y方向上均勻的一維周期結(jié)構(gòu)，并且將折射率設(shè)定為n_p＝1.5，將周期設(shè)定為400nm，光的偏振為具有與y方向平行的電場成分的TM模式，由此進行計算。將改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的高度計算向正面方向輸出的光的增強度的結(jié)果表示在圖10中。將以相同的條件將周期結(jié)構(gòu)的折射率設(shè)定為n_p＝2.0時的計算結(jié)果表示在圖11中。可知在圖10所示的結(jié)果中，在一定程度以上的高度，峰強度、Q值(即，峰的線寬)不變化，而在圖11所示的結(jié)果中，周期結(jié)構(gòu)的高度越大，峰強度和Q值越低。這是因為，在光致發(fā)光層的折射率n_wav比周期結(jié)構(gòu)的折射率n_p高的情況(圖10)下，光進行全反射，所以僅模擬導(dǎo)波模式的電場的溢出(瞬逝)部分與周期結(jié)構(gòu)相互作用。在周期結(jié)構(gòu)的高度足夠大的情況下，即使高度變化到更高，電場的瞬逝部分與周期結(jié)構(gòu)的相互作用的影響也是固定的。另一方面，在光致發(fā)光層的折射率n_wav比周期結(jié)構(gòu)的折射率n_p低的情況(圖11)下，由于光不全反射而到達周期結(jié)構(gòu)的表面，因此周期結(jié)構(gòu)的高度越大，越受其影響。僅觀察圖11，可知高度為100nm左右就足夠，在超過150nm的區(qū)域，峰強度和Q值降低。因此，在光致發(fā)光層的折射率n_wav比周期結(jié)構(gòu)的折射率n_p低的情況下，為了使峰強度和Q值一定程度提高，只要將周期結(jié)構(gòu)的高度設(shè)定為150nm以下就行。

[4-3.偏振方向]

接著，對于偏振方向進行研究。將以與圖9所示的計算相同的條件設(shè)定為光的偏振為具有與y方向垂直的電場成分的TE模式進行計算得到的結(jié)果表示在圖12中。在TE模式時，由于模擬導(dǎo)波模式的電場溢出比TM模式大，因此容易受到由周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。所以，在周期結(jié)構(gòu)的折射率n_p大于光致發(fā)光層的折射率n_wav的區(qū)域，峰強度和Q值的降低比TM模式明顯。

[4-4.光致發(fā)光層的折射率]

接著，對于光致發(fā)光層的折射率進行研究。將以與圖9所示的計算相同的條件將光致發(fā)光層的折射率n_wav變更為1.5時的結(jié)果表示在圖13中?？芍词故枪庵掳l(fā)光層的折射率n_wav為1.5的情況下，也可以得到大致與圖9同樣的效果。但是，可知波長為600nm以上的光沒有向正面方向射出。這是因為，根據(jù)式(10)，λ₀＜n_wav×p/m＝1.5×400nm/1＝600nm。

由以上的分析可知，在將周期結(jié)構(gòu)的折射率設(shè)定為與光致發(fā)光層的折射率同等以下或者周期結(jié)構(gòu)的折射率為光致發(fā)光層的折射率以上的情況下，只要將高度設(shè)定為150nm以下就能夠提高峰強度和Q值。

[5.變形例]

以下，對本實施方式的變形例進行說明。

[5-1.具有基板的構(gòu)成]

如上所述，如圖1C和圖1D所示，發(fā)光器件也可以具有在透明基板140之上形成有光致發(fā)光層110和周期結(jié)構(gòu)120的結(jié)構(gòu)。為了制作這樣的發(fā)光器件100a，可以考慮如下的方法：首先，在透明基板140上由構(gòu)成光致發(fā)光層110的光致發(fā)光材料(根據(jù)需要包含基質(zhì)材料；以下同)形成薄膜，在其之上形成周期結(jié)構(gòu)120。在這樣的構(gòu)成中，為了通過光致發(fā)光層110和周期結(jié)構(gòu)120而使其具有將光向特定方向射出的功能，透明基板140的折射率n_s需要設(shè)定為光致發(fā)光層的折射率n_wav以下。在將透明基板140以與光致發(fā)光層110相接觸的方式設(shè)置的情況下，需要以滿足將式(10)中的出射介質(zhì)的折射率n_out設(shè)定為n_s的式(15)的方式來設(shè)定周期p。

為了確認上述內(nèi)容，進行了在折射率為1.5的透明基板140之上設(shè)置有與圖2所示的計算相同條件的光致發(fā)光層110和周期結(jié)構(gòu)120時的計算。本計算的結(jié)果表示在圖14中。與圖2的結(jié)果同樣地，能夠確認對于每個波長以特定周期出現(xiàn)光強度的峰，但可知峰出現(xiàn)的周期的范圍與圖2的結(jié)果不同。對此，將式(10)的條件設(shè)定為n_out＝n_s得到的式(15)的條件表示在圖15中。圖14中可知在與圖15所示的范圍相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)光強度的峰。

因此，對于在透明基板140上設(shè)置有光致發(fā)光層110和周期結(jié)構(gòu)120的發(fā)光器件100a而言，在滿足式(15)的周期p的范圍可以獲得效果，在滿足式(13)的周期p的范圍可以得到特別顯著的效果。

[5-2.具有激發(fā)光源的發(fā)光裝置]

圖16是表示具備圖1A、1B所示的發(fā)光器件100和使激發(fā)光射入光致發(fā)光層110的光源180的發(fā)光裝置200的構(gòu)成例的圖。如上所述，本申請的構(gòu)成通過使光致發(fā)光層被紫外線或藍色光等激發(fā)光激發(fā)，得到具有指向性的發(fā)光。通過設(shè)置以射出這樣的激發(fā)光的方式構(gòu)成的光源180，能夠?qū)崿F(xiàn) 具有指向性的發(fā)光裝置200。由光源180射出的激發(fā)光的波長典型地為紫外或藍色區(qū)域的波長，但不限于這些，可以根據(jù)構(gòu)成光致發(fā)光層110的光致發(fā)光材料適當(dāng)確定。此外，在圖16中，光源180被配置為由光致發(fā)光層110的下表面射入激發(fā)光，但不限于這樣的例子，例如也可以由光致發(fā)光層110的上表面射入激發(fā)光。

也有通過使激發(fā)光與模擬導(dǎo)波模式結(jié)合來使光高效地射出的方法。圖17是用于說明這樣的方法的圖。在該例子中，與圖1C、1D所示的構(gòu)成同樣地，在透明基板140上形成有光致發(fā)光層110和周期結(jié)構(gòu)120。首先，如圖17(a)所示，為了增強發(fā)光，確定x方向的周期p_x；接著，如圖17(b)所示，為了使激發(fā)光與模擬導(dǎo)波模式結(jié)合，確定y方向的周期p_y。周期p_x以滿足在式(10)中將p置換為p_x后的條件的方式確定。另一方面，周期p_y以將m設(shè)定為1以上的整數(shù)、將激發(fā)光的波長設(shè)定為λ_ex、將與光致發(fā)光層110接觸的介質(zhì)中除了周期結(jié)構(gòu)120以外折射率最高的介質(zhì)的折射率設(shè)定為n_out并滿足以下的式(16)的方式確定。

這里，n_out在圖17的例子中為透明基板140的n_s，但在如圖16所示不設(shè)置透明基板140的構(gòu)成中，為空氣的折射率(約1.0)。

特別是，如果設(shè)定為m＝1以滿足下式(17)的方式確定周期p_y，則能夠進一步提高將激發(fā)光轉(zhuǎn)換為模擬導(dǎo)波模式的效果。

這樣，通過以滿足式(16)的條件(特別是式(17)的條件)的方式設(shè)定周期p_y，能夠?qū)⒓ぐl(fā)光轉(zhuǎn)換為模擬導(dǎo)波模式。其結(jié)果是，能夠使光致發(fā)光層110有效地吸收波長λ_ex的激發(fā)光。

圖17(c)、(d)分別是表示相對于圖17(a)、(b)所示結(jié)構(gòu)射入光時對每個波長計算光被吸收的比例的結(jié)果的圖。在該計算中，設(shè)定為p_x＝365nm、p_y＝265nm，將來自光致發(fā)光層110的發(fā)光波長λ設(shè)定為約600nm，將激發(fā)光的波長λ_ex設(shè)定為約450nm，將光致發(fā)光層110的消光系數(shù)設(shè)定為0.003。如圖17(d)所示，不僅對由光致發(fā)光層110產(chǎn)生的光，而且對于 作為激發(fā)光的約450nm的光也顯示高的吸收率。這是因為，通過將射入的光有效地轉(zhuǎn)換為模擬導(dǎo)波模式，能夠使光致發(fā)光層所吸收的比例增大。另外，雖然即使對作為發(fā)光波長的約600nm，吸收率也增大，但這如果在約600nm的波長的光射入該結(jié)構(gòu)的情況下，則同樣被有效地轉(zhuǎn)換為模擬導(dǎo)波模式。這樣，圖17(b)所示的周期結(jié)構(gòu)120所示的周期結(jié)構(gòu)120為在x方向和y方向分別具有周期不同的結(jié)構(gòu)(周期成分)的二維周期結(jié)構(gòu)。這樣，通過使用具有多個周期成分的二維周期結(jié)構(gòu)，能夠提高激發(fā)效率，并且提高出射強度。此外，圖17中是使激發(fā)光由基板側(cè)射入，但即使由周期結(jié)構(gòu)側(cè)射入也可以得到相同效果。

進而，作為具有多個周期成分的二維周期結(jié)構(gòu)，也可以采用如圖18A或圖18B所示的構(gòu)成。通過設(shè)定為如圖18A所示將具有六邊形的平面形狀的多個凸部或凹部周期性地排列而成的構(gòu)成或如圖18B所示將具有三角形的平面形狀的多個凸部或凹部周期性地排列而成的構(gòu)成，能夠確定可視為周期的多個主軸(圖的例子中為軸1～3)。因此，能夠?qū)τ诟鱾€軸向分配不同的周期?？梢詾榱颂岣叨鄠€波長的光的指向性分別設(shè)定這些周期，也可以為了高效地吸收激發(fā)光而分別設(shè)定這些周期。在任何一種情況下，都以滿足相當(dāng)于式(10)的條件的方式設(shè)定各周期。

[5-3.透明基板上的周期結(jié)構(gòu)]

如圖19A和圖19B所示，可以在透明基板140上形成周期結(jié)構(gòu)120a，在其之上設(shè)置光致發(fā)光層110。在圖19A的構(gòu)成例中，以追隨基板140上的由凹凸構(gòu)成的周期結(jié)構(gòu)120a的方式形成光致發(fā)光層110，結(jié)果在光致發(fā)光層110的表面也形成有相同周期的周期結(jié)構(gòu)120b。另一方面，在圖19B的構(gòu)成例中，進行了使光致發(fā)光層110的表面變得平坦的處理。在這些構(gòu)成例中，通過以周期結(jié)構(gòu)120a的周期p滿足式(15)的方式進行設(shè)定，也能夠?qū)崿F(xiàn)指向性發(fā)光。

為了驗證該效果，在圖19A的構(gòu)成中，改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的周期來計算向正面方向輸出的光的增強度。這里，將光致發(fā)光層110的膜厚設(shè)定為1000nm，將光致發(fā)光層110的折射率設(shè)定為n_wav＝1.8，周期結(jié)構(gòu)120a為在y方向均勻的一維周期結(jié)構(gòu)且高度為50nm，折射率n_p＝1.5，周期為400nm，光的偏振為具有與y方向平行的電場成分的TM模式。本計算的結(jié) 果表示在圖19C中。本計算中，也以滿足式(15)的條件的周期觀測到了光強度的峰。

[5-4.粉體]

根據(jù)以上的實施方式，能夠通過調(diào)整周期結(jié)構(gòu)的周期、光致發(fā)光層的膜厚，突出任意波長的發(fā)光。例如，如果使用以寬帶域發(fā)光的光致發(fā)光材料并設(shè)定為如圖1A、1B所示的構(gòu)成，則能夠僅突出某個波長的光。因此，也可以將如圖1A、1B所示那樣的發(fā)光器件100的構(gòu)成設(shè)定為粉末狀，并制成熒光材料進行利用。另外，也可以將如圖1A、1B所示那樣的發(fā)光器件100埋入樹脂、玻璃等進行利用。

在如圖1A、1B所示那樣的單體的構(gòu)成中，制成僅向特定方向射出某個特定波長，因此難以實現(xiàn)例如具有寬波長區(qū)域的光譜的白色等的發(fā)光。因此，通過使用如圖20所示混合了周期結(jié)構(gòu)的周期、光致發(fā)光層的膜厚等條件不同的多個粉末狀發(fā)光器件100的構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)具有寬波長區(qū)域的光譜的發(fā)光裝置。此時，各個發(fā)光器件100的一個方向的尺寸例如為數(shù)μm～數(shù)mm左右；其中，例如可以包含數(shù)周期～數(shù)百周期的一維或二維周期結(jié)構(gòu)。

[5-5.排列周期不同的結(jié)構(gòu)]

圖21是表示在光致發(fā)光層之上將周期不同的多個周期結(jié)構(gòu)以二維排列而成的例子的俯視圖。在該例子中，三種周期結(jié)構(gòu)120a、120b、120c沒有間隙地排列。周期結(jié)構(gòu)120a、120b、120c例如以分別將紅、綠、藍的波長區(qū)域的光向正面射出的方式設(shè)定周期。這樣，也能夠通過在光致發(fā)光層之上排列周期不同的多個結(jié)構(gòu)，對于寬波長區(qū)域的光譜發(fā)揮指向性。此外，多個周期結(jié)構(gòu)的構(gòu)成不限于上述的構(gòu)成，可以任意設(shè)定。

[5-6.層疊結(jié)構(gòu)]

圖22表示具有表面上形成有凹凸結(jié)構(gòu)的多個光致發(fā)光層110層疊而成的結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件的一個例子。多個光致發(fā)光層110之間設(shè)置有透明基板140，形成在各層的光致發(fā)光層110的表面上的凹凸結(jié)構(gòu)相當(dāng)于上述的周期結(jié)構(gòu)或亞微米結(jié)構(gòu)。在圖22所示的例子中，形成了三層的周期不同的周期結(jié)構(gòu)，分別以將紅、藍、綠的波長區(qū)域的光向正面射出的方式設(shè)定周期。另外，以發(fā)出與各周期結(jié)構(gòu)的周期相對應(yīng)的顏色的光的方式選擇各層的光 致發(fā)光層110的材料。這樣，即使通過層疊周期不同的多個周期結(jié)構(gòu)，也能夠?qū)τ趯挷ㄩL區(qū)域的光譜發(fā)揮指向性。

此外，層數(shù)、各層的光致發(fā)光層110和周期結(jié)構(gòu)的構(gòu)成不限于上述的構(gòu)成，可以任意設(shè)定。例如，在兩層的構(gòu)成中，隔著透光性的基板，第一光致發(fā)光層與第二光致發(fā)光層以相對置的方式形成，在第一和第二光致發(fā)光層的表面分別形成第一和第二周期結(jié)構(gòu)。此時，只要第一光致發(fā)光層與第一周期結(jié)構(gòu)這一對和第二光致發(fā)光層與第二周期結(jié)構(gòu)這一對分別滿足相當(dāng)于式(15)的條件就行。在三層以上的構(gòu)成中也同樣地，只要各層中的光致發(fā)光層和周期結(jié)構(gòu)滿足相當(dāng)于式(15)的條件就行。光致發(fā)光層和周期結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系可以與圖22所示的關(guān)系相反。雖然在圖22所示的例子中，各層的周期不同，但也可以將它們?nèi)吭O(shè)定為相同周期。此時，雖然不能使光譜變寬，但能夠增大發(fā)光強度。

[5-7.具有保護層的構(gòu)成]

圖23是表示在光致發(fā)光層110與周期結(jié)構(gòu)120之間設(shè)置有保護層150的構(gòu)成例的剖視圖。這樣，也可以設(shè)置用于保護光致發(fā)光層110的保護層150。但是，在保護層150的折射率低于光致發(fā)光層110的折射率的情況下，在保護層150的內(nèi)部，光的電場只能溢出波長的一半左右。因此，在保護層150比波長厚的情況下，光達不到周期結(jié)構(gòu)120。因此，不存在模擬導(dǎo)波模式，得不到向特定方向放出光的功能。在保護層150的折射率為與光致發(fā)光層110的折射率相同程度或者其以上的情況下，光到達保護層150的內(nèi)部。因此，對保護層150沒有厚度的制約。但是，在這種情況下，由光致發(fā)光材料形成光導(dǎo)波的部分(以下將該部分稱為“導(dǎo)波層”)的大部分可以得到大的光輸出。因此，在這種情況下，也優(yōu)選保護層150較薄者。此外，也可以使用與周期結(jié)構(gòu)(透光層)120相同的材料形成保護層150。此時，具有周期結(jié)構(gòu)的透光層兼為保護層。透光層120的折射率優(yōu)選比光致發(fā)光層110的折射率小。

[6.材料和制造方法]

如果用滿足如上所述的條件的材料構(gòu)成光致發(fā)光層(或者導(dǎo)波層)和周期結(jié)構(gòu)，則能夠?qū)崿F(xiàn)指向性發(fā)光。周期結(jié)構(gòu)可以使用任意材料。然而，如果形成光致發(fā)光層(或者導(dǎo)波層)、周期結(jié)構(gòu)的介質(zhì)的光吸收性高，則 封閉光的效果下降，峰強度和Q值降低。因此，作為形成光致發(fā)光層(或者導(dǎo)波層)和周期結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，可以使用光吸收性較低的材料。

作為周期結(jié)構(gòu)的材料，例如可以使用光吸收性低的電介質(zhì)。作為周期結(jié)構(gòu)的材料的候補，例如可以列舉：MgF₂(氟化鎂)、LiF(氟化鋰)、CaF₂(氟化鈣)、SiO₂(石英)、玻璃、樹脂、MgO(氧化鎂)、ITO(氧化銦錫)、TiO₂(氧化鈦)、SiN(氮化硅)、Ta₂O₅(五氧化鉭)、ZrO₂(氧化鋯)、ZnSe(硒化鋅)、ZnS(硫化鋅)等。但是，在如上所述使周期結(jié)構(gòu)的折射率低于光致發(fā)光層的折射率的情況下，可以使用折射率為1.3～1.5左右的MgF₂、LiF、CaF₂、SiO₂、玻璃、樹脂。

光致發(fā)光材料包括狹義的熒光材料和磷光材料，不僅包括無機材料，也包括有機材料(例如色素)，還包括量子點(即，半導(dǎo)體微粒)。通常以無機材料為主體的熒光材料存在折射率高的傾向。作為以藍色發(fā)光的熒光材料，可使用例如M₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺、M₃MgSi₂O₈:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、M₅SiO₄Cl₆:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)。作為以綠色發(fā)光的熒光材料，可以使用例如M₂MgSi₂O₇:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、SrSi₅AlO₂N₇:Eu²⁺、SrSi₂O₂N₂:Eu²⁺、BaAl₂O₄:Eu²⁺、BaZrSi₃O₉:Eu²⁺、M₂SiO₄:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、Ba Si₃O₄N₂:Eu²⁺、Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu²⁺、Ca₃SiO₄Cl₂:Eu²⁺、CaSi_12-(m+n)Al_(m+n)O_nN_16-n:Ce³⁺、β-SiAlON:Eu²⁺。作為以紅色發(fā)光的熒光材料，可以使用例如Ca AlSiN₃:Eu²⁺、SrAlSi₄O₇:Eu²⁺、M₂Si₅N₈:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、MSiN₂:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、MSi₂O₂N₂:Yb²⁺(M＝選自Sr和Ca中的至少一種)、Y₂O₂S:Eu³⁺,Sm³⁺、La₂O₂S:Eu³⁺,S m³⁺、CaWO₄:Li¹⁺,Eu³⁺,Sm³⁺、M₂SiS₄:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、M₃SiO₅:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)。作為以黃色發(fā)光的熒光材料，可以使用例如Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺、CaSi₂O₂N₂:Eu²⁺、Ca₃Sc₂Si₃O₁₂:Ce³⁺、CaSc₂O₄:Ce³⁺、α-SiAlON:Eu²⁺、MSi₂O₂N₂:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、M₇(SiO₃)₆Cl₂:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)。

量子點可以使用例如CdS、CdSe、核殼型CdSe/ZnS、合金型CdSSe/ZnS 等材料，根據(jù)材質(zhì)能夠得到各種發(fā)光波長。作為量子點的基質(zhì)，例如可以使用玻璃、樹脂。

圖1C、1D等所示的透明基板140由比光致發(fā)光層110的折射率低的透光性材料構(gòu)成。作為這樣的材料，例如可以列舉：MgF(氟化鎂)、LiF(氟化鋰)、CaF₂(氟化鈣)、SiO₂(石英)、玻璃、樹脂。

接著，說明制造方法的一個例子。

作為實現(xiàn)圖1C、1D所示的構(gòu)成的方法，例如有如下方法：在透明基板140上通過蒸鍍、濺射、涂布等工序?qū)晒獠牧闲纬晒庵掳l(fā)光層110的薄膜，然后形成電介質(zhì)膜，通過光刻等方法進行圖案化(布圖)來形成周期結(jié)構(gòu)120。也可以代替上述方法，通過納米壓印來形成周期結(jié)構(gòu)120。另外，如圖24所示，也可以通過僅加工光致發(fā)光層110的一部分來形成周期結(jié)構(gòu)120。此時，周期結(jié)構(gòu)120由與光致發(fā)光層110相同的材料形成。

圖1A、1B所示的發(fā)光器件100例如能夠通過在制作圖1C、1D所示的發(fā)光器件100a后，進行從基板140剝除光致發(fā)光層110和周期結(jié)構(gòu)120的部分的工序來實現(xiàn)。

圖19A所示的構(gòu)成例如能夠通過在透明基板140上以半導(dǎo)體工藝或納米壓印等方法形成周期結(jié)構(gòu)120a，然后在其之上通過蒸鍍、濺射等方法將構(gòu)成材料形成光致發(fā)光層110來實現(xiàn)?；蛘撸材軌蛲ㄟ^利用涂布等方法將周期結(jié)構(gòu)120a的凹部嵌入光致發(fā)光層110來實現(xiàn)圖19B所示的構(gòu)成。

此外，上述的制造方法為一個例子，本申請的發(fā)光器件不限于上述的制造方法。

[實驗例]

以下，對制作本申請的實施方式的發(fā)光器件的例子進行說明。

試制具有與圖19A同樣構(gòu)成的發(fā)光器件的樣品，評價特性。發(fā)光器件如下操作來制作。

在玻璃基板上設(shè)置周期為400nm、高度為40nm的一維周期結(jié)構(gòu)(條紋狀的凸部)，從其之上形成210nm光致發(fā)光材料YAG:Ce膜。將其剖視圖的TEM圖像表示在圖25中，通過將其用450nm的LED激發(fā)而使YAG:Ce發(fā)光時，測定其正面方向的光譜，將得到的結(jié)果表示在圖26中。在圖26中示出了測定沒有周期結(jié)構(gòu)時的測定結(jié)果(ref)、具有與一維周期結(jié)構(gòu)平 行的偏振光成分的TM模式和具有與一維周期結(jié)構(gòu)垂直的偏振光成分的TE模式的結(jié)果。在存在周期結(jié)構(gòu)時，與沒有周期結(jié)構(gòu)時相比，可以觀察到特定波長的光顯著增加。另外，可知具有與一維周期結(jié)構(gòu)平行的偏振光成分的TM模式的光的增強效果大。

此外，將在相同的樣品中出射光強度的角度依賴性的測定結(jié)果和計算結(jié)果表示在圖27和圖28中。圖27表示以與一維周期結(jié)構(gòu)(周期結(jié)構(gòu)120)的線方向平行的軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時的測定結(jié)果(上段)和計算結(jié)果(下段)；圖28表示以與一維周期結(jié)構(gòu)(即，周期結(jié)構(gòu)120)的線方向垂直的方向為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時的測定結(jié)果(上段)和計算結(jié)果(下段)。另外，圖27和圖28分別表示與TM模式和TE模式的直線偏振光有關(guān)的結(jié)果；圖27(a)表示與TM模式的直線偏振光有關(guān)的結(jié)果；圖27(b)表示與TE模式的直線偏振光有關(guān)的結(jié)果；圖28(a)表示與TE模式的直線偏振光有關(guān)的結(jié)果；圖28(b)表示與TM模式的直線偏振光有關(guān)的結(jié)果。由圖27和圖28可知：TM模式的增強效果更高，而且被增強的波長隨著角度不同而發(fā)生位移。例如，對于610nm的光而言，由于為TM模式且僅在正面方向存在光，因此可知指向性且偏振發(fā)光。另外，由于各圖的上段和下段一致，因此上述計算的正確性得到了實驗證實。

圖29表示了由上述測定結(jié)果例如使610nm的光以與線方向垂直的方向為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時的強度的角度依賴性?？梢杂^察出：在正面方向上產(chǎn)生了強的發(fā)光增強，對于其他角度而言，光幾乎沒有被增強的情況。可知向正面方向射出的光的指向角小于15°。此外，指向角是強度為最大強度的50％的角度，用以最大強度的方向為中心的單側(cè)的角度表示。即，可知實現(xiàn)了指向性發(fā)光。此外，由于所射出的光全都為TM模式的成分，因此可知同時也實現(xiàn)了偏振發(fā)光。

用于以上的驗證的實驗使用在廣帶域的波長帶發(fā)光的YAG:Ce來進行。即使使用發(fā)光為窄帶域的光致發(fā)光材料以同樣的構(gòu)成進行實驗，對于該波長的光也能夠?qū)崿F(xiàn)指向性和偏振發(fā)光。此外，在這樣的情況下，由于不產(chǎn)生其他波長的光，因此能夠?qū)崿F(xiàn)不產(chǎn)生其他方向和偏振狀態(tài)的光的光源。

[7.提高發(fā)光效率的構(gòu)成]

以下，對用于進一步提高指向性和發(fā)光效率的實施方式進行說明。附 圖中對實質(zhì)上具有相同功能的構(gòu)成要素以共通的參照符號表示，有時省略其說明。

(實施方式1)

對實施方式1進行說明。實施方式1的發(fā)光器件在光致發(fā)光層和透光層中的至少一者之上還具有多個第二凸部，該多個第二凸部中的相鄰的第二凸部之間的距離小于相鄰的第一凸部或第一凹部之間的距離。以下，有時將具有亞微米結(jié)構(gòu)的多個凸部或多個凹部稱為多個第一凸部或多個第一凹部。實施方式1的發(fā)光器件除了還具有第二凸部這一點以外，既可以與上述實施方式的結(jié)構(gòu)中的任意一種相同，也可以是將本申請的實施方式的發(fā)光器件中的任意多個組合而成的構(gòu)成。

參照圖31(a)，對實施方式1的發(fā)光器件1100進行說明。圖31(a)是發(fā)光器件1100的剖視示意圖。

發(fā)光器件1100具有：光致發(fā)光層110；透光層120，該透光層120以與光致發(fā)光層110接近的方式配置；亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在光致發(fā)光層110和透光層120中的至少一者上，并向光致發(fā)光層110或透光層120的面內(nèi)擴散；以及多個第二凸部160，該多個第二凸部160在光致發(fā)光層110之上。亞微米結(jié)構(gòu)包含多個第一凸部121a或多個第一凹部121b。將相鄰的第一凸部121a之間或相鄰的第一凹部121b之間的距離設(shè)定為D_int。光致發(fā)光層110所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光。將光致發(fā)光層110對第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a。在它們之間，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關(guān)系。相鄰的第二凸部160之間的距離小于D_int。

在發(fā)光器件1100中，光致發(fā)光層110例如設(shè)置在透光層120之上。多個第二凸部160例如設(shè)置在光致發(fā)光層110的表面。第二凸部160可以不與光致發(fā)光層110直接接觸。例如，可以在光致發(fā)光層110與第二凸部160之間設(shè)置其他層。

通過在光致發(fā)光層110的表面設(shè)置多個第二凸部160，發(fā)光器件1100的指向性和發(fā)光效率能夠進一步提高，以下就這一點進行說明。

多個第二凸部160例如構(gòu)成所謂的蛾眼結(jié)構(gòu)(蛾子眼睛的結(jié)構(gòu))。通過在光致發(fā)光層110的表面形成多個第二凸部160，對光致發(fā)光層110所發(fā)出的光的實效折射率沿著光致發(fā)光層110的法線方向由光致發(fā)光層110的折 射率連續(xù)變化為發(fā)光器件1100外部的折射率。由此，光致發(fā)光層110所發(fā)出的光在光致發(fā)光層110與發(fā)光器件1100外部(例如空氣)的界面的反射率降低。

在發(fā)光器件1100不具有多個第二凸部160的情況下，光致發(fā)光層110所發(fā)出的光在光致發(fā)光層110與發(fā)光器件1100外部(這里例如設(shè)定為空氣)的界面上，其一部分會被反射。這是由于光致發(fā)光層110與空氣的折射率的不同而造成的。如果由光致發(fā)光層110射出的光中反射光的比例減少，則損失降低，因此能夠使發(fā)光器件1100的指向性和發(fā)光效率提高。特別是，只要能夠減少向光致發(fā)光層110的法線方向射出的光的反射率，則能夠提高光致發(fā)光層110所發(fā)出的光中向光致發(fā)光層110的法線方向射出的光的指向性和發(fā)光效率。通常來說，根據(jù)菲涅爾反射公式，當(dāng)從折射率n₁的介質(zhì)向折射率n₂的介質(zhì)以與兩介質(zhì)的界面垂直的方式射入強度I₀的光時，反射光的強度由I₀((n₁-n₂)/(n₁+n₂))²求得。例如，在發(fā)光器件1100中，當(dāng)光致發(fā)光層110的折射率為1.5時，反射率為0.04；當(dāng)光致發(fā)光層110的折射率為1.8時，反射率為0.08。如果光致發(fā)光層110的折射率高，則反射率增大。在光致發(fā)光層110的折射率高的發(fā)光器件1100中，通過具有多個第二凸部160，能夠更有效地提高指向性和發(fā)光效率。

第二凸部160的形狀例如為大致圓錐。第二凸部160為大致圓錐形時，實效折射率沿著光致發(fā)光層110的法線方向連續(xù)地變化。因此，能夠有效地降低光的反射率。第二凸部160的形狀例如可以為大致棱錐(包括多棱錐)。

第二凸部160的形狀不限于大致錐體。第二凸部160的形狀例如可以為圓錐或棱錐的前端(頂點)帶有圓度的形狀。第二凸部160的形狀可以為例如大致圓柱或大致棱柱(包括多棱柱)。當(dāng)?shù)诙共?60為棱柱形狀時，第二凸部160在包括光致發(fā)光層110的法線在內(nèi)的截面的形狀為矩形(例如參照圖33(c))。第二凸部160的形狀例如可以為由圓錐或棱錐切去前端部分(即，包括頂點在內(nèi)的部分)而成的形狀(即，圓錐臺或棱錐臺)。如作為下述實施方式2的發(fā)光器件的第一凸部的形狀進行說明的那樣，第二凸部160的形狀可以為錐形狀。就算通過具有這些形狀的第二凸部160，也能夠降低反射率。

第二凸部160既可以周期性地配置，也可以不規(guī)則地配置。多個第二凸部160的一部分可以構(gòu)成周期結(jié)構(gòu)。

可以認為多個第二凸部160能夠在不對形成于發(fā)光器件1100內(nèi)的模擬導(dǎo)波模式施加影響的情況下提高發(fā)光器件1100的指向性和發(fā)光效率。這是因為，就算在光致發(fā)光層110的表面具有多個第二凸部160，光致發(fā)光層110所發(fā)出的光由光致發(fā)光層110射出到發(fā)光器件1100外部(例如空氣中)時的臨界角也不會變化。

多個第二凸部160具有比光致發(fā)光層110所發(fā)出的光在空氣中的波長小的周期D_int2。這里，多個第二凸部160的周期D_int2在與光致發(fā)光層110和透光層120的面平行的面內(nèi)稱為相鄰的第二凸部160之間的距離。第二凸部160的尺寸A可以與第二凸部160的周期D_int2相同(例如參照圖33(a)或圖33(b))。第二凸部160的尺寸A也可以小于第二凸部160的周期D_int2(例如參照圖33(c))。第二凸部160的尺寸A為與光致發(fā)光層110和透光層120的面平行的面內(nèi)的第二凸部160的尺寸(例如，第二凸部160的底面為大致圓時為其直徑；在第二凸部160的底面為矩形時為其一邊的長度)。

多個第二凸部160的周期D_int2例如優(yōu)選小于光致發(fā)光層110所發(fā)出的光中的第一光在空氣中的波長λ_a。具有與和光在空氣中的波長相同程度相比更大的周期的多個第二凸部160能夠產(chǎn)生衍射光。進而，為了抑制衍射光的產(chǎn)生，多個第二凸部160的周期D_int2例如更優(yōu)選設(shè)定為λ_a/2以下。具體來說，當(dāng)?shù)谝还庠诳諝庵械牟ㄩLλ_a例如為610nm時，多個第二凸部160的周期D_int2例如可以設(shè)定為50nm以上且305nm以下。如果周期D_int2低于50nm，則有時多個第二凸部160的加工并不容易。

多個第二凸部160的高度h2例如可以設(shè)定為50nm以上且300nm以下。第二凸部160的高度h2為光致發(fā)光層110的法線方向上的高度。多個第二凸部160的高度h2優(yōu)選當(dāng)將多個第一凸部的高度或多個第一凹部的深度設(shè)定為1時設(shè)定為例如1以上且2以下。多個第二凸部160的高度h2越大，則越能夠使實效折射率沿著光致發(fā)光層110的法線方向越緩慢地變化。因此，多個第二凸部160的高度h2越大，則越能夠降低光致發(fā)光層110的表面上的反射率。多個第二凸部160的高度h2例如為50nm以上。不過，在多個第二凸部160的高度h2大的情況下，有時多個第二凸部160的加工并 不容易和/或第二凸部160的強度變小(即，難以維持形狀)。另外，后述的納米壓印等方法難以適用。因此，優(yōu)選第二凸部160的高度h2例如為300nm以下。

多個第二凸部160例如能夠通過使用了半導(dǎo)體工藝、納米壓印等的轉(zhuǎn)印工藝來制作。多個第二凸部160的制作方法不限于特定方法，可以使用公知的任何方法。

發(fā)光器件1100例如還可以具備支撐光致發(fā)光層110和透光層120的透明基板140。圖31表示將透光層120和透明基板140設(shè)置為一體的構(gòu)成。在該構(gòu)成例中，透光層120和透明基板140由相同材料一體性地形成。但是，透光層120和透明基板140當(dāng)然也可以分別設(shè)置。其他實施方式中也同樣。透明基板140例如由石英形成。透明基板140可以省略。

為了有效地利用由第一凸部121a(和/或第一凹部121b)形成的周期結(jié)構(gòu)所帶來的指向性、發(fā)光效率、偏振度和波長選擇性的效果，優(yōu)選第二凸部160不僅構(gòu)成一個周期結(jié)構(gòu)。例如，第二凸部160可以具有多個周期結(jié)構(gòu)，該多個周期結(jié)構(gòu)具有互相不同的周期?；蛘撸诙共?60也可以不規(guī)則地配置。

另外，第二凸部160和第一凸部121a(和/或第一凸部121b)不需要使由光致發(fā)光層110的法線方向觀察時的位置一致。圖31(a)中的虛線表示第二凸部160、第一凸部121a和第一凸部121b各自在由光致發(fā)光層110的法線方向觀察時的中心線。第二凸部160的中心線和第一凸部121a(和/或第一凸部121b)的中心線不需要使由光致發(fā)光層110的法線方向觀察時的位置一致。例如，對于多個第二凸部160中的至少一部分而言，只要第一凸部121a(和/或第一凸部121b)與中心線的位置錯開就行。

本申請的發(fā)明者們對第二凸部的效果進行了計算并驗證。即，驗證出：如果發(fā)光器件具有第二凸部，則由發(fā)光器件的正面方向射出的光的透射率增加，從而發(fā)光器件的發(fā)光效率提高。

圖31(b)是表示計算使波長λ(μm)的激發(fā)光由正面的出射方向射入時的光致發(fā)光層110內(nèi)的電場強度、計算向正面方向射出的光的增強度的結(jié)果的圖。所計算出的光的增強度越大，則發(fā)光器件具有越優(yōu)異的發(fā)光效率。計算中使用與發(fā)光器件1100(參照圖31(a))對應(yīng)的模型。在實施例 的模型中，將光致發(fā)光層110的厚度設(shè)定為163nm，將第二凸部160的高度設(shè)定為100nm。光致發(fā)光層110的厚度和第二凸部160的高度為光致發(fā)光層110的法線方向上的長度。作為比較例，在沒有設(shè)置第二凸部的模型中也進行同樣的計算。在比較例的模型中，光致發(fā)光層110的厚度為200nm。該厚度是以光的增強度達到最大的波長在實施例與比較例之間一致的方式確定的值。由圖31(b)的計算結(jié)果可知：在存在第二凸部時，與比較例相比，光的增強度增加。即，可知：通過使發(fā)光器件具有第二凸部，發(fā)光器件的發(fā)光效率提高。

接著，參照圖32，對實施方式1的另一個發(fā)光器件1200進行說明。圖32是示意地表示發(fā)光器件1200的剖視圖。

如圖32所示，在發(fā)光器件1200中，透光層120設(shè)置在光致發(fā)光層110上，在光致發(fā)光層110和透光層120之上設(shè)置有多個第二凸部160。發(fā)光器件1200除了上述幾點以外可以與發(fā)光器件1100相同。圖32表示將透光層120和光致發(fā)光層110設(shè)置為一體的構(gòu)成。在該構(gòu)成例中，透光層120和光致發(fā)光層110由同一材料一體性地形成。但是，透光層120和光致發(fā)光層110當(dāng)然也可以分別設(shè)置。其他實施方式中也同樣。

例如，如圖32所例示那樣，多個第二凸部160設(shè)置在光致發(fā)光層110和透光層120的表面。多個第二凸部160可以不與光致發(fā)光層110和透光層120直接接觸。例如，在多個第二凸部160與光致發(fā)光層110和透光層120之間可以設(shè)置其他層。

發(fā)光器件1200在光致發(fā)光層110和透光層120的表面具有多個第二凸部160。因此，光致發(fā)光層110所發(fā)出的光對光致發(fā)光層110和透光層120的透射率增加。就發(fā)光器件1200而言，指向性和發(fā)光效率能夠進一步提高。

圖33(a)～(c)分別是示意性地表示發(fā)光器件1200截面的放大圖的一個例子的圖。圖33(a)表示亞微米結(jié)構(gòu)所具有的第一凸部121a以及第一凹部121b和第二凸部160。如圖33(a)所示，亞微米結(jié)構(gòu)具有第一凸部121a和第一凹部121b。第一凸部121a的高度或第一凹部121b的深度為h。這些為光致發(fā)光層110的法線方向上的距離。在第一凸部121a和第一凹部121b的表面設(shè)置有第二凸部160。第二凸部160具有尺寸A和高度h2。第二凸部160構(gòu)成周期結(jié)構(gòu)，其周期D_int2可以與第二凸部160的尺寸A一 致。如圖33(b)所示，可以代替第二凸部160，將具有尺寸A和深度h2的第二凹部160b設(shè)置在第一凸部121a和第一凹部121b的表面。另外，第二凸部160在包括光致發(fā)光層110的法線在內(nèi)的截面中，如圖33(a)或(b)所示可以為三角形狀，也可以如圖33(c)所示為矩形狀。第二凸部160可以僅設(shè)置在第一凸部121a的表面，也可以僅設(shè)置在第一凹部121b的表面。第二凸部160為了使發(fā)光器件的指向性和發(fā)光效率進一步提高，優(yōu)選設(shè)置在第一凸部121a和第一凹部121b這兩者的表面。

實施方式1的發(fā)光器件不限于上述的例子。參照圖34(a)和(b)，對實施方式1的其他發(fā)光器件1300和發(fā)光器件1400進行說明。圖34(a)和(b)分別是示意性地表示發(fā)光器件1300和發(fā)光器件1400的剖視圖。

如圖34(a)所示的發(fā)光器件1300那樣，透光層120也可以具有亞微米結(jié)構(gòu)。如圖34(b)所示的發(fā)光器件1400那樣，在光致發(fā)光層110的兩側(cè)可以具有透光層120。發(fā)光器件1300和發(fā)光器件1400分別除了上述幾點以外，可以與發(fā)光器件1100或發(fā)光器件1200相同。

發(fā)光器件1300和發(fā)光器件1400在光致發(fā)光層110和透光層120的至少一者的表面上具有多個第二凸部160。因此，光致發(fā)光層110所發(fā)出的光對光致發(fā)光層110和透光層120的透射率增加。就發(fā)光器件1300和發(fā)光器件1400而言，能夠提高指向性和發(fā)光效率。

(實施方式2)

接著，對實施方式2進行說明。就實施方式2的發(fā)光器件而言，多個第一凸部或多個第一凹部的側(cè)面的至少一部分相對于光致發(fā)光層的法線方向傾斜。多個第一凸部的與光致發(fā)光層的法線方向垂直的截面的面積在距離光致發(fā)光層最近的截面中最大。實施方式2的發(fā)光器件除了上述幾點以外可以與上述實施方式的結(jié)構(gòu)中的任意一個相同，也可以為將本申請的實施方式的發(fā)光器件中的任意多個組合而成的構(gòu)成。

參照圖35(a)，對實施方式2的發(fā)光器件1500進行說明。圖35(a)是發(fā)光器件1500的剖視示意圖。

發(fā)光器件1500具有：光致發(fā)光層110；透光層120，該透光層120以與光致發(fā)光層110接近的方式配置；以及亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)形成在光致發(fā)光層110和透光層120中的至少一者上，并向光致發(fā)光層110或 透光層120的面內(nèi)擴散。亞微米結(jié)構(gòu)包含多個第一凸部121a或多個第一凹部121b。將相鄰的第一凸部121a之間或相鄰的第一凹部121b之間的距離設(shè)定為D_int。光致發(fā)光層110所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光。將光致發(fā)光層110對第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a。它們之間成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關(guān)系。

發(fā)光器件1500的第一凸部121a或第一凹部121b具有所謂的錐形狀。這里，就第一凸部121a而言，錐形狀是指：第一凸部121a的側(cè)面的至少一部分相對于光致發(fā)光層110的法線方向傾斜，第一凸部121a的與光致發(fā)光層110的法線方向垂直的截面的面積在距離光致發(fā)光層110最近的截面中最大。就第一凹部121b而言，錐形狀是指：第一凹部121b的側(cè)面的至少一部分相對于光致發(fā)光層110的法線方向傾斜，第一凹部121b的與光致發(fā)光層110的法線方向垂直的截面的面積在距離光致發(fā)光層110最近的截面中最小。通過這樣的第一凸部121a或第一凹部121b，能夠得到使對光致發(fā)光層110所發(fā)出的光的實效折射率沿著光致發(fā)光層110的法線方向緩慢變化的效果。這是基于與上述實施方式1的發(fā)光器件所具有的多個第二凸部同樣的原理。為了實現(xiàn)上述效果，第一凸部121a的折射率例如設(shè)定得高于第一凹部121b的折射率。

例如，發(fā)光器件1500還具有支撐光致發(fā)光層110和透光層120的透明基板140。在發(fā)光器件1500中，在透明基板140與光致發(fā)光層110之間設(shè)置有透光層120。激發(fā)光例如由發(fā)光器件1500的透明基板側(cè)射入。

發(fā)光器件1500在光致發(fā)光層110與透明基板140(在發(fā)光器件1500不具有透明基板的情況下，例如為空氣等發(fā)光器件1500外部)之間，對光致發(fā)光層110所發(fā)出的光的實效折射率沿著光致發(fā)光層110的法線方向的變化變得緩慢。因此，能夠使由透明基板140側(cè)射入的激發(fā)光的反射率降低。在發(fā)光器件1500中，由于激發(fā)光被高效地導(dǎo)向光致發(fā)光層110，所以能夠提高指向性和發(fā)光效率。

例如，發(fā)光器件1500如下制造。準備透明基板(例如石英基板)，通過對透明基板實施蝕刻，形成規(guī)定的形狀(圖案)，然后在透明基板上沉積發(fā)光材料，由此進行制造。此時，第一凸部121a由與光致發(fā)光層110相同的材料形成，第一凹部121b由與透明基板140相同的材料形成。第一凸部 121a可以由與光致發(fā)光層110不同的材料形成。第一凹部121b也可以由與透明基板140不同的材料形成。在省略透明基板140的情況下，第一凹部121b可以為空氣層。

實施方式2的發(fā)光器件不限于發(fā)光器件1500。參照圖35(b)，對實施方式2的又一個發(fā)光器件1600進行說明。圖35(b)為發(fā)光器件1600的剖視圖。發(fā)光器件1600在光致發(fā)光層110上設(shè)置有透光層120這一點上與發(fā)光器件1500不同。發(fā)光器件1600除了上述這點以外可以與發(fā)光器件1500相同。就發(fā)光器件1600而言，例如可以由透光層120側(cè)射入激發(fā)光。

發(fā)光器件1600具有錐形狀的第一凸部121a，從而由發(fā)光器件1600之上(由透光層120側(cè))射入的激發(fā)光的反射率降低。在發(fā)光器件1600中，激發(fā)光被高效地導(dǎo)向光致發(fā)光層110，因此能夠提高指向性和發(fā)光效率。進而，發(fā)光器件1600的第一凸部121a也具有使光致發(fā)光層110所發(fā)出的光的出射效率提高的效果。

圖36(b)～(e)是表示亞微米結(jié)構(gòu)在包括光致發(fā)光層110的法線在內(nèi)的面內(nèi)的截面形狀的例子的圖。為了比較，圖36(a)表示了具有不是錐形狀的第一凸部121a的亞微米結(jié)構(gòu)。在圖36(a)～(e)中，亞微米結(jié)構(gòu)具有第一凸部121a和第一凹部121b交替設(shè)置而成的周期結(jié)構(gòu)。在圖示的例子中，亞微米結(jié)構(gòu)在包括光致發(fā)光層110的法線在內(nèi)的截面中為第一凸部121a的面積和第一凹部121b的面積相等的形狀。為了簡化起見，以下對第一凸部121a的形狀進行說明，但對于第一凹部121b的形狀也同樣。

如圖36(b)所示，在包括光致發(fā)光層110的法線在內(nèi)的面內(nèi)，第一凸部121a的形狀例如為等腰梯形。第一凸部121a的側(cè)面相對于光致發(fā)光層110的面傾斜角度θ。角度θ低于90°。第一凸部121a的高度h為光致發(fā)光層110的法線方向上的高度。如圖36(c)～(e)所示，第一凸部121a的側(cè)面的至少一部分可以具有曲線。圖36(c)表示第一凸部121a的側(cè)面的下部彎曲而成的結(jié)構(gòu)。圖36(d)表示第一凸部121a的側(cè)面的上部彎曲而成的結(jié)構(gòu)。圖36(e)表示第一凸部121a的側(cè)面的上部和下部這兩者彎曲而成的結(jié)構(gòu)。這里，“上部”是指在光致發(fā)光層110的法線方向上遠離光致發(fā)光層110的部分；“下部”是指在光致發(fā)光層110的法線方向上接近光致發(fā)光層110的部分。

圖36(f)表示發(fā)光器件1600的立體示意圖的一個例子。亞微米結(jié)構(gòu)不限于圖35(b)中所例示的包含第一凸部121a和第一凹部121b的結(jié)構(gòu)。如圖36(f)所例示的那樣，亞微米結(jié)構(gòu)可以由散落在透光層120內(nèi)的多個第一凹部121b形成。

本申請的發(fā)明者們對第一凸部具有錐形狀的效果進行了計算并驗證。

首先，驗證出：通過使第一凸部為錐形狀，光致發(fā)光層所發(fā)出的光高效地射出。將結(jié)果表示在圖37中并進行說明。

圖37(a)和(c)是用于說明進行計算的模型的圖。圖37(b)和(d)分別是表示對圖37(a)和(c)的模型計算由正面方向(即，以與光致發(fā)光層110和透光層120垂直的方式)射入波長λ(μm)的激發(fā)光時在光致發(fā)光層110內(nèi)的電場強度、計算向正面方向射出的光的增強度的結(jié)果的圖。計算出的光的增強度越大，則發(fā)光器件具有越優(yōu)異的發(fā)光效率。

圖37(a)的模型相當(dāng)于發(fā)光器件1500。在光致發(fā)光層110和透明基板140之間設(shè)置有透光層120。光致發(fā)光層110的折射率為1.8，透明基板140的折射率為1.46。第一凸部121a由與光致發(fā)光層110相同的材料形成，第一凹部121b由與透明基板140相同的材料形成。因此，第一凸部121a的折射率為1.8，第一凹部121b的折射率為1.46。第一凸部121a和第一凹部121b構(gòu)成周期p為380nm的周期結(jié)構(gòu)。第一凸部121a的高度(第一凹部121b的深度)h為80nm。光致發(fā)光層110的厚度h_L為150nm。

圖37(b)表示改變第一凸部121a(或第一凹部121b)的側(cè)面的傾斜角θ(°)計算光的增強度得到的結(jié)果。在計算中，就算傾斜角θ變化，包括光致發(fā)光層110的法線在內(nèi)的截面中的第一凸部121a的面積也固定。如果傾斜角θ小于90°，則第一凸部121a具有錐形狀。如果傾斜角θ變小，則光的增強度變大，可知光致發(fā)光層110的發(fā)光效率提高。

就圖37(c)的模型而言，第一凸部121a(或第一凹部121b)不是錐形狀，具有兩層的層疊結(jié)構(gòu)的形狀。即，多個第一凸部121a(或多個第一凹部121b)的側(cè)面為臺階狀。第一凸部121a的與光致發(fā)光層110的法線方向垂直的截面的面積在距離光致發(fā)光層110最近的截面中最大，在最遠的截面中最小。第一凹部121b的與光致發(fā)光層110的法線方向垂直的截面的面積在距離光致發(fā)光層110最近的截面中最小，在最遠的截面中最大。第 一凸部121a和/或第一凹部121b的與光致發(fā)光層110的法線方向垂直的截面的面積沿著光致發(fā)光層110的法線方向以臺階狀變化。

構(gòu)成第一凸部121a(或第一凹部121b)的形狀的兩層在與光致發(fā)光層110平行的面內(nèi)的大小不同，如果使兩層的中心一致來重疊，就會產(chǎn)生Δw(nm)的偏差(高低差)。圖37(d)表示改變高低差Δw(nm)計算光的增強度得到的結(jié)果。就算高低差Δw變化，也設(shè)定為第一凸部121a在包括光致發(fā)光層110的法線在內(nèi)的截面中的面積是固定的。在沒有高低差的情況下，與圖37(a)中的傾斜角θ＝90°的情況相同。如果高低差Δw變大，則光的增強度變大，可知光致發(fā)光層110的發(fā)光效率提高。就第一凸部121a發(fā)現(xiàn)了：就算其具有兩層的層疊結(jié)構(gòu)的形狀來代替錐形狀，也能夠得到與錐形狀同樣的效果。第一凸部121a就算為三層以上的層疊結(jié)構(gòu)的形狀，也能夠得到同樣的效果。

進而，還對通過使第一凸部為錐形狀而光致發(fā)光層所發(fā)出的光被高效射出的范圍進行了驗證。將結(jié)果表示在圖38中并進行說明。

圖38表示在相當(dāng)于發(fā)光器件1600(參照圖35(b))的模型中對由透光層120側(cè)以與光致發(fā)光層110和透光層120垂直的方式射入波長為612nm的光時的透射率進行了測定的結(jié)果。對由發(fā)光器件1600外部從透光層120透過并射入光致發(fā)光層110的光的比例進行了計算。該計算是對與光致發(fā)光層110所發(fā)出的光從透光層120透過并向發(fā)光器件1600外部射出的過程相反的過程進行了計算。即，計算出的透射率越大，則發(fā)光器件1600具有越優(yōu)異的發(fā)光效率。與圖37(a)的模型同樣地，第一凸部121a具有周期p＝380nm的周期結(jié)構(gòu)，改變傾斜角θ和高度h進行了計算。第一凸部121a由與光致發(fā)光層110相同的材料(折射率為1.8)形成。

圖38以等高線的形式對計算出的透射率進行繪制。例如在，傾斜角θ＝90°時，對于高度h小于0.14μm的區(qū)域而言，透射率會隨著高度h的增加而減少，透射率在高度h＝0.14μm和h＝0.22μm之間取極小值；對于高度h大于0.22μm的區(qū)域而言，透射率會隨著高度h的增加而增加。圖38的斜線部分為不成立第一凸部121a的形狀的區(qū)域，得不到有效的結(jié)果。

如果傾斜角θ從90°變小，則存在透射率增加的傾向。即，可知通過使第一凸部121a具有錐形狀，光致發(fā)光層110所發(fā)出的光高效地射出。特別 是，在第一凸部121a的高度h為約100nm以上的情況下，通過傾斜角θ的減少，透射率顯著增加。即，在第一凸部121a的高度h為約100nm以上的情況下，通過使第一凸部121a具有錐形狀，光致發(fā)光層110所發(fā)出的光的發(fā)光效率能夠大幅提高。與此相對，在第一凸部121a的高度h為約100nm以下的情況下，相對于傾斜角θ的變化，透射率幾乎不變化。

通過上述驗證，確認出：通過使第一凸部具有錐形狀，光致發(fā)光層所發(fā)出的光高效地射出，發(fā)光器件的發(fā)光效率和指向性提高。第一凸部的側(cè)面的傾斜角θ由于其制造工序中的誤差，有時小于90°。另外，在通過納米壓印形成第一凸部的情況下，為了順利進行脫模，有時對模具設(shè)置拔模斜度。在這些情況下，可以認為：由于第一凸部具有錐形狀，因此發(fā)光器件有時具有上述效果。

(實施方式3)

對實施方式3的發(fā)光器件進行說明。就實施方式3的發(fā)光器件而言，多個第一凸部或多個第一凹部的接受由光致發(fā)光層的法線方向射入發(fā)光器件的光的面從與光致發(fā)光層110平行的面傾斜。實施方式3的發(fā)光器件除了上述這點以外可以與上述實施方式的結(jié)構(gòu)中的任意一種相同。實施方式3的發(fā)光器件除了上述這點以外也可以為將本申請的實施方式的發(fā)光器件中的任意多個組合而成的構(gòu)成。

參照圖39(a)，對實施方式3的發(fā)光器件1700進行說明。圖39(a)是發(fā)光器件1700的剖視示意圖。

發(fā)光器件1700具有：光致發(fā)光層110；透光層120，該透光層120以與光致發(fā)光層110接近的方式配置；以及亞微米結(jié)構(gòu)，該亞微米結(jié)構(gòu)設(shè)置在光致發(fā)光層110和透光層120中的至少一者上，并向光致發(fā)光層110或透光層120的面內(nèi)擴散。亞微米結(jié)構(gòu)包含多個第一凸部121a或多個第一凹部121b。將相鄰的第一凸部121a之間的距離或相鄰的第一凹部121b之間的距離設(shè)定為D_int。光致發(fā)光層110所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光。將光致發(fā)光層110對第一光的折射率設(shè)定為n_wav-a。它們之間成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關(guān)系。多個第一凸部121a或多個第一凹部121b的接受由光致發(fā)光層110的法線方向射入發(fā)光器件1700的光的面從與光致發(fā)光層110平行的面傾斜θ_B。傾斜角θ_B例如對各個第一凸部121a或第一凹部121b 而言是相同的。

在發(fā)光器件1700中，具有多個第一凸部121a和多個第一凹部121b的亞微米結(jié)構(gòu)在包括光致發(fā)光層110的法線在內(nèi)的截面中相對于光致發(fā)光層110的法線方向是非對稱的。在發(fā)光器件1700中，光致發(fā)光層110所發(fā)出的光的指向強度強的方向會從光致發(fā)光層110的法線方向傾斜。發(fā)光器件1700通過以與想要增強光的指向強度的方向或光致發(fā)光層110所發(fā)出的光的波長相對應(yīng)的方式對θ_B進行調(diào)整，能夠控制指向性和發(fā)光效率。傾斜角θ_B例如為10°～60°。

如圖39(a)所示，發(fā)光器件1700所具有的第一凸部的形狀在包括光致發(fā)光層110的法線在內(nèi)的截面中例如為鋸齒狀。這樣的形狀例如被用于閃耀衍射光柵中。

如參照圖40所說明的那樣，透射型閃耀衍射光柵通過使射入的光的經(jīng)過衍射光柵折射后的進行方向與任意次數(shù)的衍射光的方向一致，能夠增強想要取出的次數(shù)的衍射光的強度。

圖40表示透射型閃耀衍射光柵的剖視示意圖。衍射光柵的槽為鋸齒狀，接受由衍射光柵法線的方向射入的光的面傾斜θ_B。當(dāng)向折射率n_i的衍射光柵內(nèi)射入平行光線(空氣中的波長為λ)并向衍射光柵的外部(折射率n_o)射出時，得到衍射光的條件如下。

D_int×n_i×sinθ_i-D_int×n_o×sinθ_o＝mλ (18)

這里，D_int為衍射光柵的周期(相鄰的槽之間的間隔)，θ_i為入射角，θ_o為出射角，m為表示衍射次數(shù)的整數(shù)。入射角θ_i為入射光相對于衍射光柵法線的角度，出射角θ_o為出射光相對于衍射光柵法線的角度。另一方面，衍射光柵的傾斜θ_B的面上的折射條件根據(jù)斯涅爾法則如下。

n_i×sinθ’_i＝n_o×sinθ’_o (19)

這里，θ’_i和θ’_o是相對于從衍射光柵法線傾斜θ_B的線的角度。通過使式(19)所示的折射光與式(18)的衍射光之中想要增強的次數(shù)m的衍射光一致，能夠僅增強某個特定方向的光。

根據(jù)與閃耀衍射光柵相同的原理，發(fā)光器件1700增強向任意方向射出的光，能夠增強指向性。根據(jù)光致發(fā)光層110所發(fā)出的光的波長，對多個第一凸部的形狀進行調(diào)節(jié)，由此能夠增強指向性。由于能夠減少向除了增 強了指向性的方向以外的方向射出的光的比例，因此能夠提高發(fā)光效率。發(fā)光器件1700能夠提高和/或控制指向性和發(fā)光效率。

接著，參照圖39(b)，對能夠得到與發(fā)光器件1700相同效果的發(fā)光器件1800進行說明。圖39(b)是發(fā)光器件1800的剖視示意圖。

如圖39(b)所示，發(fā)光器件1800的第一凸部121a在包括光致發(fā)光層110的法線在內(nèi)的截面中為包括多個階的臺階狀。就構(gòu)成第一凸部121a的多個階各自而言，在與光致發(fā)光層110的法線方向垂直的截面中，距離光致發(fā)光層110最近的階的面積最大，距離光致發(fā)光層110最遠的階的面積最小。第一凸部121a在與光致發(fā)光層110的法線方向垂直的截面中，距離光致發(fā)光層110最近的截面的面積最大。

根據(jù)這樣形狀的第一凸部121a，就算臺階的階數(shù)變多，也能夠得到與具有鋸齒狀的第一凸部121a的發(fā)光器件1700同樣的效果。發(fā)光器件1800的第一凸部121a與發(fā)光器件1700的第一凸部121a相比，制造工藝容易。發(fā)光器件1800的第一凸部121a例如通過包括光刻工藝在內(nèi)的公知半導(dǎo)體工藝形成。發(fā)光器件1800的第一凸部121a例如如后所述，可以通過使用了模具(壓模)的轉(zhuǎn)印法來形成。

圖39(b)例示階數(shù)為四的情況，但階的數(shù)量N不限于此。各階的高度可以相同也可以不同。例如，各個階的高度Δh為將第一凸部121a的高度h進行N-1等分后的高度(h/(N-1))。相鄰的階的面積差例如可以相同。理論上來說，可以認為：階數(shù)無限大，與發(fā)光器件1700的第一凸部121a等同，隨著階數(shù)的增加而接近發(fā)光器件1700的第一凸部121a的光學(xué)效果。另一方面，如果階數(shù)增加，則制造工序和制造成本增加。階數(shù)例如為四階～八階。在適用使用了以下說明的模具的轉(zhuǎn)印法的情況下，階數(shù)例如為偶數(shù)。

參照圖41(a)～圖41(e)，對用于形成發(fā)光器件1800的第一凸部121a的模具10的制造方法進行說明。圖41(a)～圖41(e)分別是為了說明用于形成發(fā)光器件1800的第一凸部121a的模具10的制造方法的一個例子的剖視圖。

首先，如圖41(a)所示，在基板11之上形成抗蝕劑層12。抗蝕劑層12例如通過在基板11的整個面上涂布公知的抗蝕劑材料來形成。

接著，如圖41(b)所示，通過公知的光刻工藝，將抗蝕劑層12加工 成規(guī)定的形狀(圖案)。也可以使用電子束刻蝕(EB刻蝕；electron beam lithography)?？刮g劑層12例如以具有周期結(jié)構(gòu)的方式進行加工。例如，在與基板11平行的面中，存在抗蝕劑層12的區(qū)域和不存在抗蝕劑層12的區(qū)域具有相同的面積，兩區(qū)域交替形成。

接下來，如圖41(c)所示，以圖案化后的抗蝕劑層12作為掩模，進行基板11的蝕刻。典型來說，進行各向異性干式蝕刻。例如，對基板11之中的圖41(b)中不存在抗蝕劑層12的區(qū)域進行蝕刻。將蝕刻的深度設(shè)定為Δd。蝕刻后，將抗蝕劑層12除去。

接著，再次在基板11的整個面形成抗蝕劑層12。如圖41(d)所示，將抗蝕劑層12加工成規(guī)定的形狀(圖案)。與圖41(b)的工序同樣地，使用光刻或電子束刻蝕。典型來說，圖41(d)的工序中所形成的抗蝕劑層12的圖案(周期結(jié)構(gòu))的周期為圖41(b)的工序中的周期的兩倍。

接下來，如圖41(e)所示，以圖案化后的抗蝕劑層12為掩模，進行基板11的蝕刻。與圖41(c)的工序同樣地，典型來說，進行各向異性干式蝕刻。例如，對基板11之中的圖41(d)中的不存在抗蝕劑層12的區(qū)域進行蝕刻。典型來說，蝕刻的深度為圖41(c)的工序中所蝕刻的深度的兩倍(2Δd)。蝕刻后，將抗蝕劑層12除去。

通過以上的制造工序，制造用于形成發(fā)光器件1800的第一凸部121a的模具10。就由使用了圖41(e)的模具10的轉(zhuǎn)印法形成的第一凸部而言，其如圖39(b)所例示的發(fā)光器件1800的第一凸部121a那樣具有四階。模具10中的蝕刻的深度Δd例如能夠相當(dāng)于第一凸部121a的各個階的高度Δh。根據(jù)上述的模具的制造工序，能夠制作具有數(shù)量比蝕刻的次數(shù)多的階的模具。典型來說，階的數(shù)量為蝕刻的次數(shù)的兩倍。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

根據(jù)本申請的發(fā)光器件，能夠?qū)崿F(xiàn)具有指向性的發(fā)光裝置，因此能夠適用于例如照明、顯示器、投影儀之類的光學(xué)設(shè)備。

符號說明

100、100a、1100～1800 發(fā)光器件

110 光致發(fā)光層(波導(dǎo))

120、120’、120a、120b、120c 透光層(周期結(jié)構(gòu)、亞微米結(jié)構(gòu))

121a 第一凸部

140 透明基板

150 保護層

160 第二凸部

180 光源

200 發(fā)光裝置