本發(fā)明涉及發(fā)光元件，特別涉及具備光致發(fā)光(Photoluminescence)層的發(fā)光元件。

背景技術(shù)：

在照明器具、顯示器、投影機(jī)等的光學(xué)設(shè)備中，在許多用途中要求向需要的方向射出光。在熒光燈、白色LED等中使用的光致發(fā)光材料各向同性地發(fā)光。由此，這樣的材料為了使光僅向特定的方向射出而與反射器或透鏡等的光學(xué)部件一起使用。例如，專利文獻(xiàn)1公開了一種使用配光板及輔助反射板確保了指向性的照明系統(tǒng)。

專利文獻(xiàn)1：日本特開2010－231941號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的問題

在光學(xué)設(shè)備中，如果配置反射器或透鏡等的光學(xué)部件，則為了確保其空間，需要使光學(xué)設(shè)備自身的尺寸變大。希望將這些光學(xué)部件去掉、或至少將其小型化。

本發(fā)明提供一種具有利用光致發(fā)光材料的新的構(gòu)造的發(fā)光元件。

本發(fā)明的一實(shí)施方式的發(fā)光元件具備：透光層，具有第1表面；光致發(fā)光層，位于上述第1表面上，具有上述透光層側(cè)的第2表面及與上述第2表面相反側(cè)的第3表面，接受激勵(lì)光而從上述第3表面發(fā)出包括空氣中的波長為λ_a的第1光的光。上述光致發(fā)光層具有在上述第3表面上包括多個(gè)凸部的第1表面構(gòu)造。上述透光層具有在上述第1表面上包括與上述多個(gè)凸部對(duì)應(yīng)的多個(gè)凸部的第2表面構(gòu)造。上述第1表面構(gòu)造及上述第2表面構(gòu)造限制從上述第3表面發(fā)出的上述第1光的指向角。上述第1表面構(gòu)造中的上述多個(gè)凸部包括第1凸部。在與上述光致發(fā)光層垂直且與上述第1表面構(gòu)造中的上述多個(gè)凸部的排列方向平行的截面中，上述第1凸部的基部的寬度比頂部的寬度大。

上述包含性或具體的形態(tài)也可以通過元件、裝置、系統(tǒng)、方法或它們的任意的組合來實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，能夠提供一種具有利用光致發(fā)光材料的新的構(gòu)造的發(fā)光元件。

附圖說明

圖1A是表示一實(shí)施方式的發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的立體圖。

圖1B是圖1A所示的發(fā)光元件的局部剖面圖。

圖1C是表示另一實(shí)施方式的發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的立體圖。

圖1D是圖1C所示的發(fā)光元件的局部剖面圖。

圖2是表示將發(fā)光波長及周期構(gòu)造的周期分別改變而計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的圖。

圖3是將式(10)中的m＝1及m＝3的條件圖示的曲線圖。

圖4是表示將發(fā)光波長及光致發(fā)光層的厚度t改變而計(jì)算向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的圖。

圖5A是表示計(jì)算厚度t＝238nm時(shí)在x方向上導(dǎo)波的模的電場分布的結(jié)果的圖。

圖5B是表示計(jì)算厚度t＝539nm時(shí)在x方向上導(dǎo)波的模的電場分布的結(jié)果的圖。

圖5C是表示計(jì)算厚度t＝300nm時(shí)在x方向上導(dǎo)波的模的電場分布的結(jié)果的圖。

圖6是表示在與圖2的計(jì)算相同條件下，對(duì)于光的偏振光是具有與y方向垂直的電場成分的TE模的情況，計(jì)算光的增強(qiáng)度的結(jié)果的圖。

圖7A是表示2維的周期構(gòu)造的例子的平面圖。

圖7B是表示關(guān)于2維周期構(gòu)造進(jìn)行與圖2同樣的計(jì)算的結(jié)果的圖。

圖8是表示改變發(fā)光波長及周期構(gòu)造的折射率而計(jì)算向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的圖。

圖9是表示在與圖8同樣的條件下使光致發(fā)光層的膜厚為1000nm的情況下的結(jié)果的圖。

圖10是表示改變發(fā)光波長及周期構(gòu)造的高度而計(jì)算向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的圖。

圖11是表示在與圖10同樣的條件下使周期構(gòu)造的折射率為n_p＝2.0的情況下的計(jì)算結(jié)果的圖。

圖12是表示假設(shè)光的偏振光是具有與y方向垂直的電場成分的TE模而進(jìn)行與圖9所示的計(jì)算同樣的計(jì)算的結(jié)果的圖。

圖13是表示在與圖9所示的計(jì)算同樣的條件下將光致發(fā)光層的折射率n_wav變更為1.5的情況下的結(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)有與圖2所示的計(jì)算相同條件的光致發(fā)光層及周期構(gòu)造的情況下的計(jì)算結(jié)果的圖。

圖15是圖示了式(15)的條件的曲線圖。

圖16是表示具備圖1A、圖1B所示的發(fā)光元件100和使激勵(lì)光向光致發(fā)光層110入射的光源180的發(fā)光裝置200的結(jié)構(gòu)例的圖。

圖17A是表示具有x方向的周期p_x的1維周期構(gòu)造的圖。

圖17B是表示具有x方向的周期p_x、y方向的周期p_y的2維周期構(gòu)造的圖。

圖17C是表示圖17A的結(jié)構(gòu)的光的吸收率的波長依存性的圖。

圖17D是表示圖17B的結(jié)構(gòu)的吸收率的波長依存性的圖。

圖18A是表示2維周期構(gòu)造的一例的圖。

圖18B是表示2維周期構(gòu)造的另一例的圖。

圖19A是表示在透明基板上形成周期構(gòu)造的變形例的圖。

圖19B是表示在透明基板上形成周期構(gòu)造的另一變形例的圖。

圖19C是表示在圖19A的結(jié)構(gòu)中改變發(fā)光波長及周期構(gòu)造的周期而計(jì)算向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的圖。

圖20是表示使多個(gè)粉末狀的發(fā)光元件混合的結(jié)構(gòu)的圖。

圖21是表示在光致發(fā)光層之上2維地排列有周期不同的多個(gè)周期構(gòu)造的例子的平面圖。

圖22是表示具有將在表面上形成有凹凸構(gòu)造的多個(gè)光致發(fā)光層110層疊的構(gòu)造的發(fā)光元件的一例的圖。

圖23是表示在光致發(fā)光層110與周期構(gòu)造120之間設(shè)有保護(hù)層150的結(jié)構(gòu)例的剖面圖。

圖24是表示通過僅將光致發(fā)光層110的一部分加工而形成了周期構(gòu)造120的例子的圖。

圖25是表示在具有周期構(gòu)造的玻璃基板上形成的光致發(fā)光層的截面TEM像的圖。

圖26是表示測量試制的發(fā)光元件的射出光的向正面方向的波譜的結(jié)果的曲線圖。

圖27A是表示使射出TM模的直線偏振光的發(fā)光元件以與1維周期構(gòu)造120的行方向平行的軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的狀況的圖。

圖27B是表示測量使試制的發(fā)光元件如圖27A所示那樣旋轉(zhuǎn)時(shí)的射出光的角度依存性的結(jié)果的曲線圖。

圖27C是表示計(jì)算使試制的發(fā)光元件如圖27A所示那樣旋轉(zhuǎn)時(shí)的射出光的角度依存性的結(jié)果的曲線圖。

圖27D是表示使射出TE模的直線偏振光的發(fā)光元件以與1維周期構(gòu)造120的行方向平行的軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的狀況的圖。

圖27E是表示測量使試制的發(fā)光元件如圖27D所示那樣旋轉(zhuǎn)時(shí)的射出光的角度依存性的結(jié)果的曲線圖。

圖27F是表示計(jì)算使試制的發(fā)光元件如圖27D所示那樣旋轉(zhuǎn)時(shí)的射出光的角度依存性的結(jié)果的曲線圖。

圖28A是表示使射出TE模的直線偏振光的發(fā)光元件以與1維周期構(gòu)造120的行方向垂直的軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的狀況的圖。

圖28B是表示測量使試制的發(fā)光元件如圖28A所示那樣旋轉(zhuǎn)時(shí)的射出光的角度依存性的結(jié)果的曲線圖。

圖28C是表示計(jì)算使試制的發(fā)光元件如圖28A所示那樣旋轉(zhuǎn)時(shí)的射出光的角度依存性的結(jié)果的曲線圖。

圖28D是表示使射出TM模的直線偏振光的發(fā)光元件以與1維周期構(gòu)造120的行方向平行的軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的狀況的圖。

圖28E是表示測量使試制的發(fā)光元件如圖28D所示那樣旋轉(zhuǎn)時(shí)的射出光的角度依存性的結(jié)果的曲線圖。

圖28F是表示計(jì)算使試制的發(fā)光元件如圖28D所示那樣旋轉(zhuǎn)時(shí)的射出光的角度依存性的結(jié)果的曲線圖。

圖29是表示測量試制的發(fā)光元件的射出光(波長610nm)的角度依存性的結(jié)果的曲線圖。

圖30是示意地表示平板型導(dǎo)波路的一例的立體圖。

圖31是用來說明在光致發(fā)光層110上具有周期構(gòu)造120的發(fā)光元件的受到發(fā)光增強(qiáng)效果的光的波長與射出方向的關(guān)系的示意圖。

圖32A是表示排列有呈現(xiàn)發(fā)光增強(qiáng)效果的波長不同的多個(gè)周期構(gòu)造的結(jié)構(gòu)的例子的示意性的平面圖。

圖32B是表示排列有1維周期構(gòu)造的凸部延伸的方位不同的多個(gè)周期構(gòu)造的結(jié)構(gòu)的例子的示意性的平面圖。

圖32C是表示排列有多個(gè)2維周期構(gòu)造的結(jié)構(gòu)的例子的示意性的平面圖。

圖33是具備微透鏡的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖34A是具備發(fā)光波長不同的多個(gè)光致發(fā)光層的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖34B是具備發(fā)光波長不同的多個(gè)光致發(fā)光層的另一發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖35A是在光致發(fā)光層之下具備防擴(kuò)散層(阻擋層)的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖35B是在光致發(fā)光層之下具備防擴(kuò)散層(阻擋層)的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖35C是在光致發(fā)光層之下具備防擴(kuò)散層(阻擋層)的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖35D是在光致發(fā)光層之下具備防擴(kuò)散層(阻擋層)的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖36A是在光致發(fā)光層之下具備結(jié)晶生長層(種晶層)的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖36B是在光致發(fā)光層之下具備結(jié)晶生長層(種晶層)的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖36C是在光致發(fā)光層之下具備結(jié)晶生長層(種晶層)的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖37A是具備用來保護(hù)周期構(gòu)造的表面保護(hù)層的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖37B是具備用來保護(hù)周期構(gòu)造的表面保護(hù)層的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖38A是具備透明高熱傳導(dǎo)層的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖38B是具備透明高熱傳導(dǎo)層的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖38C是具備透明高熱傳導(dǎo)層的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖38D是具備透明高熱傳導(dǎo)層的發(fā)光元件的示意性的剖面圖。

圖39是表示計(jì)算包括僅1次(正弦波)、3次以內(nèi)、5次以內(nèi)及11次以內(nèi)的項(xiàng)的三角級(jí)數(shù)的結(jié)果的曲線圖。

圖40是表示截面形狀包括矩形狀的多個(gè)凸部的周期構(gòu)造的示意性的剖面圖。

圖41A是表示截面形狀包括三角形狀的多個(gè)凸部的周期構(gòu)造的示意性的剖面圖。

圖41B是表示截面形狀為正弦波狀的周期構(gòu)造的示意性的剖面圖。

圖42是表示本發(fā)明的另一實(shí)施方式的發(fā)光元件的截面的一例的示意性的剖面圖。

圖43是表示包括多個(gè)凸部Pt的周期構(gòu)造的垂直截面的一部分的示意圖。

圖44是表示改變周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部的側(cè)面的傾斜角而計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的曲線圖。

圖45是表示在光致發(fā)光層110上形成有包括具有傾斜的側(cè)面的凸部的周期構(gòu)造的發(fā)光元件的變形例的示意性的剖面圖。

圖46是表示改變光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b及基板140上的周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凸部的側(cè)面的傾斜角而計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的曲線圖。

圖47是表示使光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部的各自的截面形狀為矩形狀、使基板140上的周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凸部的各自的截面形狀為梯形狀時(shí)的計(jì)算結(jié)果的曲線圖。

圖48A是表示周期構(gòu)造的截面形狀的另一例的示意性的剖面圖。

圖48B是表示周期構(gòu)造的截面形狀的又一例的示意性的剖面圖。

圖48C是表示周期構(gòu)造的截面形狀的又一例的示意性的剖面圖。

圖48D是表示周期構(gòu)造的截面形狀的又一例的示意性的剖面圖。

圖49A是示意地表示濺射時(shí)的壓力比較低的情況下的、從靶極釋放的材料粒子與基板140的表面碰撞的狀況的圖。

圖49B是示意地表示濺射時(shí)的壓力比較高的情況下的、從靶極釋放的材料粒子與基板140的表面碰撞的狀況的圖。

圖50A是表示通過在具有包括截面形狀是矩形狀、高度為170nm的多個(gè)凸部的周期構(gòu)造的石英基板上用濺射堆積YAG：Ce而得到的試樣的截面的圖像的圖。

圖50B是表示通過在具有包括截面形狀是矩形狀、高度為170nm的多個(gè)凸部的周期構(gòu)造的石英基板上用濺射堆積YAG：Ce而得到的試樣的截面的圖像的圖。

圖51A是表示在基板140上的周期構(gòu)造120a中的凸部的高度比較小的情況下得到的光致發(fā)光材料的膜的示意性的剖面圖。

圖51B是表示在基板140上的周期構(gòu)造120a中的凸部的高度比較小的情況下得到的光致發(fā)光材料的膜的示意性的剖面圖。

圖51C是表示通過在具有包括截面形狀是矩形狀、高度為60nm的多個(gè)凸部的周期構(gòu)造的石英基板上用濺射堆積YAG：Ce而得到的試樣的截面的圖像的圖。

圖52A是表示在基板140上的周期構(gòu)造120a中的凸部的高度比較大的情況下得到的光致發(fā)光材料的膜的示意性的剖面圖。

圖52B是表示在基板140上的周期構(gòu)造120a中的凸部的高度比較大的情況下得到的光致發(fā)光材料的膜的示意性的剖面圖。

圖52C是表示通過在具有包括截面形狀是矩形狀、高度為200nm的多個(gè)凸部的周期構(gòu)造的石英基板上用濺射堆積YAG：Ce而得到的試樣的截面的圖像的圖。

圖53是用來說明周期構(gòu)造120a與周期構(gòu)造120b之間的偏移量的示意性的剖面圖。

圖54是表示改變以周期構(gòu)造120a為基準(zhǔn)的周期構(gòu)造120b的偏移量、計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的曲線圖。

圖55是表示具備在一方的表面上設(shè)有包括兩個(gè)凸部的表面構(gòu)造的部件601和將部件601覆蓋的部件602的構(gòu)造體的立體圖。

圖56是表示具有包括多個(gè)凸部Pt的表面構(gòu)造的部件603與將部件603覆蓋的部件604的層疊構(gòu)造的一例的示意性的剖面圖。

圖57是表示具有包括多個(gè)凸部Pt的表面構(gòu)造的部件603與將部件603覆蓋的部件604的層疊構(gòu)造的另一例的示意性的剖面圖。

圖58是表示具有多個(gè)凸部及多個(gè)凹部的至少一方的表面構(gòu)造的一例的示意性的剖面圖。

具體實(shí)施方式

[1.本發(fā)明的實(shí)施方式的概要]

本發(fā)明包括以下的項(xiàng)目所記載的發(fā)光元件。

[項(xiàng)目1]

一種發(fā)光元件，具備：透光層；光致發(fā)光層，位于透光層上，接受激勵(lì)光而發(fā)出空氣中的波長為λ_a的光；光致發(fā)光層具有在與透光層相反側(cè)的表面上包括多個(gè)凸部的第1表面構(gòu)造；透光層具有在光致發(fā)光層側(cè)的表面上包括與多個(gè)凸部對(duì)應(yīng)的多個(gè)凸部的第2表面構(gòu)造；第1表面構(gòu)造及第2表面構(gòu)造限制光致發(fā)光層發(fā)出的空氣中的波長為λ_a的光的指向角；第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凸部包括第1凸部；在與光致發(fā)光層垂直且與第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凸部的排列方向平行的截面中，第1凸部的基部的寬度比頂部的寬度大。

[項(xiàng)目2]

如項(xiàng)目1所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凸部分別具有寬度比頂部的寬度大的基部。

[項(xiàng)目3]

如項(xiàng)目1或2所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凸部的側(cè)面的傾斜角比第2表面構(gòu)造中多個(gè)凸部的側(cè)面的傾斜角小。

[項(xiàng)目4]

如項(xiàng)目1～3中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，第2表面構(gòu)造包括與第1凸部對(duì)應(yīng)的第2凸部；在截面中，第1凸部的基部的寬度比第2凸部的頂部的寬度小。

[項(xiàng)目5]

如項(xiàng)目1～3中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，第2表面構(gòu)造包括與第1凸部對(duì)應(yīng)的第2凸部；在截面中，第1凸部的基部的寬度比第2凸部的頂部的寬度大。

[項(xiàng)目6]

如項(xiàng)目1所述的發(fā)光元件，第2表面構(gòu)造中的多個(gè)凸部包括與第1凸部對(duì)應(yīng)的第2凸部；在截面中，第2凸部的基部的寬度比頂部的寬度大。

[項(xiàng)目7]

如項(xiàng)目6所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凸部分別具有寬度比頂部的寬度大的基部。

[項(xiàng)目8]

如項(xiàng)目6或7所述的發(fā)光元件，第2表面構(gòu)造中的多個(gè)凸部分別具有寬度比頂部的寬度大的基部。

[項(xiàng)目9]

如項(xiàng)目6～8中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凸部的側(cè)面的至少一部分相對(duì)于與光致發(fā)光層垂直的方向傾斜；第2表面構(gòu)造中的多個(gè)凸部的側(cè)面的至少一部分相對(duì)于與光致發(fā)光層垂直的方向傾斜。

[項(xiàng)目10]

如項(xiàng)目6～9中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凸部的側(cè)面的至少一部分、以及第2表面構(gòu)造中的多個(gè)凸部的側(cè)面的至少一部分當(dāng)中的至少一方是臺(tái)階狀。

[項(xiàng)目11]

如項(xiàng)目1～10中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，如果設(shè)第1表面構(gòu)造中的相鄰的兩個(gè)凸部間的距離為D1_int、設(shè)第2表面構(gòu)造中的相鄰的兩個(gè)凸部間的距離為D2_int、設(shè)光致發(fā)光層對(duì)于空氣中的波長是λ_a的光的折射率為n_wav－a，則λ_a/n_wav－a<D1_int<λ_a及λ_a/n_wav－a<D2_int<λ_a的關(guān)系成立。

[項(xiàng)目12]

一種發(fā)光元件，具備：透光層；光致發(fā)光層，位于透光層上，接受激勵(lì)光而發(fā)出空氣中的波長為λ_a的光；光致發(fā)光層具有在與透光層相反側(cè)的表面上包括多個(gè)凹部的第1表面構(gòu)造；透光層具有在光致發(fā)光層側(cè)的表面上包括與多個(gè)凹部對(duì)應(yīng)的多個(gè)凹部的第2表面構(gòu)造；第1表面構(gòu)造及第2表面構(gòu)造限制光致發(fā)光層發(fā)出的空氣中的波長為λ_a的光的指向角；第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部包括第1凹部；在與光致發(fā)光層垂直且與第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部的排列方向平行的截面中，第1凹部的開口部的寬度比底部的寬度大。

[項(xiàng)目13]

如項(xiàng)目12所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部分別具有寬度比底部的寬度大的開口部。

[項(xiàng)目14]

如項(xiàng)目12或13所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部的側(cè)面的傾斜角比第2表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部的側(cè)面的傾斜角小。

[項(xiàng)目15]

如項(xiàng)目12～14中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，第2表面構(gòu)造包括與第1凹部對(duì)應(yīng)的第2凹部；在截面中，第1凹部的底部的寬度比第2凹部的開口部的寬度小。

[項(xiàng)目16]

如項(xiàng)目12～14中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，第2表面構(gòu)造包括與第1凹部對(duì)應(yīng)的第2凹部；在截面中，第1凹部的底部的寬度比第2凹部的開口部的寬度大。

[項(xiàng)目17]

如項(xiàng)目12所述的發(fā)光元件，第2表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部包括與第1凹部對(duì)應(yīng)的第2凹部；在截面中，第2凹部的開口部的寬度比底部的寬度大。

[項(xiàng)目18]

如項(xiàng)目17所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部分別具有寬度比底部的寬度大的開口部。

[項(xiàng)目19]

如項(xiàng)目17或18所述的發(fā)光元件，第2表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部分別具有寬度比底部的寬度大的開口部。

[項(xiàng)目20]

如項(xiàng)目17～19中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部的側(cè)面的至少一部分相對(duì)于與光致發(fā)光層垂直的方向傾斜；第2表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部的側(cè)面的至少一部分相對(duì)于與光致發(fā)光層垂直的方向傾斜。

[項(xiàng)目21]

如項(xiàng)目17～20中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部的側(cè)面的至少一部分及第2表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部的側(cè)面的至少一部分當(dāng)中的至少一方是臺(tái)階狀。

[項(xiàng)目22]

如項(xiàng)目12～21中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，如果設(shè)第1表面構(gòu)造中的相鄰的兩個(gè)凹部間的距離為D1_int、設(shè)第2表面構(gòu)造中的相鄰的兩個(gè)凹部間的距離為D2_int、設(shè)光致發(fā)光層對(duì)于空氣中的波長是λ_a的光的折射率為n_wav－a，則λ_a/n_wav－a<D1_int<λ_a及λ_a/n_wav－a<D2_int<λ_a的關(guān)系成立。

[項(xiàng)目23]

如項(xiàng)目11或22所述的發(fā)光元件，D1_int與D2_int相等。

[項(xiàng)目24]

如項(xiàng)目1～23中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造具有至少1個(gè)第1周期構(gòu)造；第2表面構(gòu)造具有至少1個(gè)第2周期構(gòu)造；如果設(shè)至少1個(gè)第1周期構(gòu)造的周期為p1_a、設(shè)至少1個(gè)第2周期構(gòu)造的周期為p2_a、設(shè)光致發(fā)光層對(duì)于空氣中的波長是λ_a的光的折射率為n_wav－a，則λ_a/n_wav－a<p1_a<λ_a及λ_a/n_wav－a<p2_a<λ_a的關(guān)系成立。

[項(xiàng)目25]

如項(xiàng)目1～24中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造及第2表面構(gòu)造在光致發(fā)光層的內(nèi)部形成使從光致發(fā)光層射出的空氣中的波長是λ_a的光的強(qiáng)度在由第1表面構(gòu)造及第2表面構(gòu)造預(yù)先決定的第1方向上為最大的模擬導(dǎo)波模。

[項(xiàng)目26]

如項(xiàng)目1～24中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，空氣中的波長是λ_a的光在由第1表面構(gòu)造及第2表面構(gòu)造預(yù)先決定的第1方向上強(qiáng)度為最大。

[項(xiàng)目27]

如項(xiàng)目25或26所述的發(fā)光元件，向第1方向射出的空氣中的波長為λ_a的光是直線偏振光。

[項(xiàng)目28]

如項(xiàng)目1～27中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，第1表面構(gòu)造及第2表面構(gòu)造將光致發(fā)光層發(fā)出的空氣中的波長是λ_a的光的指向角限制為不到15°。

[項(xiàng)目29]

如項(xiàng)目1～27中任一項(xiàng)所述的發(fā)光元件，以空氣中的波長是λ_a的光的第1方向?yàn)榛鶞?zhǔn)時(shí)的指向角是不到15°。

本發(fā)明的實(shí)施方式的發(fā)光元件具備透光層和透光層上的光致發(fā)光層。光致發(fā)光層接受激勵(lì)光而發(fā)出空氣中的波長是λ_a的光。光致發(fā)光層在與透光層相反側(cè)的表面上具有第1表面構(gòu)造，透光層在光致發(fā)光層側(cè)的表面上具有第2表面構(gòu)造。第1表面構(gòu)造包括多個(gè)凸部，第2表面構(gòu)造包括與第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凸部對(duì)應(yīng)的多個(gè)凸部?；蛘撸?表面構(gòu)造包括多個(gè)凹部，第2表面構(gòu)造包括與第1表面構(gòu)造中的多個(gè)凹部對(duì)應(yīng)的多個(gè)凹部。第1表面構(gòu)造及第2表面構(gòu)造限制光致發(fā)光層發(fā)出的空氣中的波長是λ_a的光的指向角。

波長λ_a例如處于可視光的波長范圍內(nèi)(例如，380nm以上780nm以下)。在利用紅外線的用途中，波長λ_a也可能有超過780nm的情況。另一方面，在利用紫外線的用途中，波長λ_a也可能有不到380nm的情況。在本發(fā)明中，為了方便而將包括紅外線及紫外線的全部電磁波表現(xiàn)為“光”。

光致發(fā)光層包括光致發(fā)光材料。光致發(fā)光材料是指接受激勵(lì)光而發(fā)光的材料。光致發(fā)光材料包含狹義的熒光材料及磷光材料，不僅包含無機(jī)材料，還包含有機(jī)材料(例如色素)，還包含量子點(diǎn)(即半導(dǎo)體微粒子)。光致發(fā)光層也可以除了光致發(fā)光材料以外還包含基質(zhì)(matrix)材料(即基質(zhì)(host)材料)?；|(zhì)材料例如是玻璃或氧化物等的無機(jī)材料或樹脂。

透光層可以是支承光致發(fā)光層的基板。透光層例如接近于光致發(fā)光層而配置，由對(duì)于光致發(fā)光層發(fā)出的光透射率較高的材料例如無機(jī)材料或樹脂形成。透光層例如可以由電介體(特別是光的吸收較少的絕緣體)形成。在光致發(fā)光層的空氣側(cè)的表面具有后述的亞微米構(gòu)造的情況下，空氣層也可以作為透光層。

在光致發(fā)光層及透光層的至少一方的表面上，形成包括多個(gè)凸部及多個(gè)凹部中的至少一方的表面構(gòu)造。這里所謂“表面”，是指與其他物質(zhì)接觸的部分(即界面)。在透光層是空氣等的氣體的層的情況下，該氣體的層與其他物質(zhì)(例如光致發(fā)光層)之間的界面是透光層的表面。該表面構(gòu)造也可以稱作“凹凸構(gòu)造”。表面構(gòu)造典型地包括將多個(gè)凸部或多個(gè)凹部一維或二維地周期排列的部分。這樣的表面構(gòu)造可以稱作“周期構(gòu)造”。多個(gè)凸部及多個(gè)凹部形成在相互接觸的兩個(gè)折射率不同的部件(或介質(zhì))的邊界處。因而，“周期構(gòu)造”可以說是包括在某個(gè)方向上折射率周期性地偏移的部分的構(gòu)造。這里所謂“周期性”，并不限于嚴(yán)格是周期性的形態(tài)，也包括近似是周期性的形態(tài)。在本說明書中，當(dāng)連續(xù)的多個(gè)凸部或凹部中的相鄰的兩個(gè)的中心間距離(以下有時(shí)稱作“中心間隔”)關(guān)于任意兩個(gè)相鄰的凸部或凹部都包含在某個(gè)值p的±15％以內(nèi)的范圍中時(shí)，可以認(rèn)為該部分是具有周期p的周期構(gòu)造。

在本說明書中，“凸部”是指相對(duì)于基準(zhǔn)高度的部分隆起的部分?！鞍疾俊笔侵赶鄬?duì)于基準(zhǔn)高度的部分凹陷的部分。圖55表示具有在一方的表面上設(shè)有包括兩個(gè)凸部的表面構(gòu)造的部件601和將部件601覆蓋的部件602的構(gòu)造體。在圖55中，為了參考，表示了相互正交的x軸、y軸及z軸。另外，為了說明的方便，在其他圖面中有時(shí)也表示相互正交的x軸、y軸及z軸。

部件601及602是大致平面狀，并且在與xy平面平行的面內(nèi)展開。在圖55所示的例子中，z方向與部件601及602的層疊的方向一致，在圖55中也示意地表示了部件601及602的層疊構(gòu)造的xz截面。

在圖55所示的例子中，部件601的表面構(gòu)造包括兩個(gè)凸部Pr1及Pr2，可以定義這些凸部的“排列方向”。在表面構(gòu)造包括兩個(gè)以上的凹部的情況下也同樣，可以定義這些凹部的“排列方向”。在本說明書中，“排列方向”是指在表面構(gòu)造中排列兩個(gè)以上的凸部的方向或排列兩個(gè)以上的凹部的方向。如圖55所例示那樣，在沿著y方向延伸的條帶狀的兩個(gè)凸部沿著x方向排列的情況下，x方向是這些凸部的“排列方向”。以下，當(dāng)在至少一方為平面狀的兩個(gè)部件的界面上形成有表面構(gòu)造時(shí)，有時(shí)將與平面狀的部件垂直且與表面構(gòu)造中的排列方向平行的截面(這里是xz截面)稱作“垂直截面”。在本說明書中，有時(shí)將在表面構(gòu)造中沿著排列方向測量的長度稱作“寬度”。

在圖55所示的例子中，凸部Pr1及Pr2相對(duì)于部件601及602的界面在z方向上隆起。即，該例中的凸部的高度基準(zhǔn)可以說是部件601及602的界面。在本說明書中，在上述垂直截面中，將凸部中的處于基準(zhǔn)高度的部分稱作凸部的“基部”。如在圖55中示意地表示的那樣，例如凸部Pr1的基部B1是凸部Pr1中的與隆起的基準(zhǔn)面(這里是部件601及602的界面)的連接部分，也可以說是凸部Pr1中的與部件601及602的界面最近的部分。相對(duì)于此，在垂直截面中，將凸部中的從基準(zhǔn)高度測量的距離最大的部分稱作凸部的“頂部”。在圖示的例子中，凸部Pr1的基部B1的寬度Bs與頂部T1的寬度Tp相等。以下，有時(shí)將連結(jié)頂部與基部的面稱作凸部的“側(cè)面”。垂直截面中的側(cè)面的形狀并不限定于直線狀。垂直截面中的側(cè)面的形狀也可以是曲線狀，也可以是臺(tái)階狀。

如后面詳細(xì)說明那樣，本發(fā)明的實(shí)施方式中的、構(gòu)成表面構(gòu)造的凸部(或凹部)的垂直截面的形狀(以下有時(shí)僅稱作“截面形狀”)并不限定于圖55所示那樣的矩形狀。圖56及圖57表示具有包括多個(gè)凸部Pt的表面構(gòu)造的部件603與將部件603覆蓋的部件604的層疊構(gòu)造的截面的例子。在圖56所示的例子中，構(gòu)成表面構(gòu)造的各凸部Pt的截面形狀是三角形狀。在該例中，表面構(gòu)造中的凸部Pt的頂部的寬度也可以說是0。另外，如圖57所示，在構(gòu)成表面構(gòu)造的各凸部Pt的截面形狀是向上凸的拋物線狀的情況下也同樣，凸部的頂部的寬度可以說是0。這樣，凸部的頂部的寬度可以是0。

在圖56及圖57所例示的表面構(gòu)造的垂直截面中，在將各凸部Pt的頂部的位置考慮為基準(zhǔn)高度的情況下，也可以解釋為表面構(gòu)造包括多個(gè)凹部。即，在圖56及圖57所例示的結(jié)構(gòu)中，也可以解釋為部件603具有包括多個(gè)凹部Rs的表面構(gòu)造。此時(shí)，可以說在給出基準(zhǔn)高度的部分(在該例中是各凸部Pt的頂部)中的相鄰的兩個(gè)之間形成有凹部Rs。

在本說明書中，在上述垂直截面中，將構(gòu)成表面構(gòu)造的凹部中的從基準(zhǔn)高度測量的距離最大的部分稱作凹部的“底部”?！暗撞俊笨梢哉f是在凹部中相對(duì)于基準(zhǔn)高度最低的部分。另外，在圖56及圖57所示的例子中，各凹部Rs的底部Vm的寬度也可以說是0。如上述那樣，表面構(gòu)造中的凹部由給出基準(zhǔn)高度的部分中的相鄰的兩個(gè)來規(guī)定。在本說明書中，在垂直截面中，將規(guī)定出凹部的這兩個(gè)部分之間稱作凹部的“開口部”。圖56及圖57中的箭頭Op示意地表示凹部Rs的開口部的寬度。開口部可以說將在表面構(gòu)造中從基準(zhǔn)高度朝向凹部的底部而高度開始減少的部分彼此連結(jié)。以下，有時(shí)連結(jié)開口部與底部的面稱作凹部的“側(cè)面”。與凸部同樣，垂直截面中的凹部的側(cè)面的形狀是直線狀、曲線狀、臺(tái)階狀或不定形狀的哪種都可以。

另外，根據(jù)凸部及凹部的形狀、尺寸、分布，有時(shí)不能容易地判斷哪個(gè)是凸部、哪個(gè)是凹部。例如，在圖58所示的剖面圖中，既可以解釋為部件610具有凹部、部件620具有凸部，也可以進(jìn)行其相反的解釋。不論怎樣解釋，在可以說部件610及部件620的各自具有多個(gè)凸部及凹部的至少一方這一點(diǎn)上沒有變化。在圖55所例示的構(gòu)造中，也可以解釋為部件602具有包括兩個(gè)凹部的表面構(gòu)造，在此情況下，在部件602中與上述頂部T1接觸的部分相當(dāng)于圖55中的左側(cè)的凹部的底部。此時(shí)，底部的寬度是Tp，該凹部的開口部的寬度是Bs。

表面構(gòu)造中的鄰接的兩個(gè)凸部或鄰接的兩個(gè)凹部的中心間的距離(在周期構(gòu)造中是周期p)典型地比光致發(fā)光層發(fā)出的光在空氣中的波長λ_a短。在從光致發(fā)光層發(fā)出的光是可視光、短波長的近紅外線或紫外線的情況下，其距離比微米的量級(jí)(即微米級(jí))短。由此，有時(shí)將這樣的表面構(gòu)造稱作“亞微米構(gòu)造”?！皝單⒚讟?gòu)造”也可以在一部分中包括具有超過1微米(μm)的中心間隔或周期的部分。在以下的說明中，主要設(shè)想發(fā)出可視光的光致發(fā)光層，作為意味著表面構(gòu)造的用語而主要使用“亞微米構(gòu)造”的用語。但是，關(guān)于具有超過亞微米量級(jí)的微細(xì)構(gòu)造(例如在利用紅外線的用途中使用的微米級(jí)的微細(xì)構(gòu)造)的表面構(gòu)造，以下的論述也全部同樣成立。

在本發(fā)明的實(shí)施方式的發(fā)光元件中，如后面參照計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳述那樣，至少在光致發(fā)光層的內(nèi)部形成獨(dú)特的電場分布。這是導(dǎo)波光與亞微米構(gòu)造(即表面構(gòu)造)相互作用而形成的。可以將形成這樣的電場分布的光的模(mode)表現(xiàn)為“模擬導(dǎo)波?！?。通過利用該模擬導(dǎo)波模，如以下說明那樣，能夠得到光致發(fā)光的發(fā)光效率的增大、指向性的提高、偏振光具有選擇性的效果。另外，在以下的說明中，有時(shí)使用模擬導(dǎo)波模這樣的用語說明本發(fā)明的發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)的新的結(jié)構(gòu)及/或新的機(jī)理。該說明不過是1個(gè)例示性的說明，并不將本發(fā)明在任何意義上限定。

亞微米構(gòu)造例如包括多個(gè)凸部，如果設(shè)鄰接的凸部間的中心間距離為D_int，則可以滿足λ_a/n_wav－a<D_int<λ_a的關(guān)系。光致發(fā)光層中的第1表面構(gòu)造及透光層中的第2表面構(gòu)造也可以分別滿足λ_a/n_wav－a<D_int<λ_a的關(guān)系。亞微米構(gòu)造也可以代替多個(gè)凸部而包括多個(gè)凹部。即，也可以是，第1表面構(gòu)造及第2表面構(gòu)造分別包括多個(gè)凹部，關(guān)于鄰接的凹部間的中心間距離D_int，在第1表面構(gòu)造及第2表面構(gòu)造的各自中λ_a/n_wav－a<D_int<λ_a的關(guān)系成立。以下，為了簡單，假設(shè)亞微米構(gòu)造具有多個(gè)凸部而進(jìn)行說明。λ表示光的波長，λ_a表示是空氣中的光的波長。n_wav是光致發(fā)光層的折射率。在光致發(fā)光層是將多個(gè)材料混合的介質(zhì)的情況下，設(shè)將各材料的折射率用各自的體積比率加權(quán)的平均折射率為n_wav。通常折射率n依存于波長，所以優(yōu)選的是將是相對(duì)于λ_a的光的折射率的情況明示為n_wav－a，但為了簡單，有時(shí)也省略。n_wav基本上是光致發(fā)光層的折射率，但在與光致發(fā)光層鄰接的層的折射率比光致發(fā)光層的折射率大的情況下，設(shè)將該折射率較大的層的折射率及光致發(fā)光層的折射率用各自的體積比率加權(quán)后的平均折射率為n_wav。這是因?yàn)?，在此情況下，在光學(xué)上與光致發(fā)光層由多個(gè)不同材料的層構(gòu)成的情況是等價(jià)的。

如果設(shè)對(duì)于模擬導(dǎo)波模的光的介質(zhì)的有效折射率為n_eff，則滿足n_a<n_eff<n_wav。這里，n_a是空氣的折射率。如果將模擬導(dǎo)波模的光考慮是在光致發(fā)光層的內(nèi)部一邊以入射角θ全反射一邊傳輸?shù)墓?，則有效折射率n_eff可記作n_eff＝n_wavsinθ。此外，由于有效折射率n_eff由存在于模擬導(dǎo)波模的電場所分布的區(qū)域中的介質(zhì)的折射率決定，所以例如在透光層中形成有亞微米構(gòu)造的情況下，不僅依存于光致發(fā)光層的折射率，還依存于透光層的折射率。此外，由于根據(jù)模擬導(dǎo)波模的偏振光方向(TE模和TM模)而電場的分布不同，所以在TE模和TM模中有效折射率n_eff可能不同。

亞微米構(gòu)造形成在光致發(fā)光層及透光層的至少一方中。當(dāng)光致發(fā)光層與透光層相互接觸時(shí)，也可以在光致發(fā)光層與透光層的界面上形成亞微米構(gòu)造。此時(shí)，光致發(fā)光層及透光層也可以說具有亞微米構(gòu)造。具有亞微米構(gòu)造的透光層也可以與光致發(fā)光層接近配置。這里，所謂透光層(或其亞微米構(gòu)造)與光致發(fā)光層接近，典型的是指它們之間的距離是波長λ_a的一半以下。由此，導(dǎo)波模的電場達(dá)到亞微米構(gòu)造，形成模擬導(dǎo)波模。但是，當(dāng)透光層的折射率比光致發(fā)光層的折射率大時(shí)，即使不滿足上述關(guān)系，光也到達(dá)透光層，所以透光層的亞微米構(gòu)造與光致發(fā)光層之間的距離也可以超過波長λ_a的一半。在本說明書中，當(dāng)光致發(fā)光層和透光層處于導(dǎo)波模的電場達(dá)到亞微米構(gòu)造而形成模擬導(dǎo)波模那樣的配置關(guān)系時(shí)，有時(shí)表現(xiàn)為兩者相互建立關(guān)聯(lián)。

當(dāng)亞微米構(gòu)造如上述那樣滿足λ_a/n_wav－a<D_int<λ_a的關(guān)系時(shí)，在利用可視光的用途中，用亞微米量級(jí)的大小賦予特征。亞微米構(gòu)造例如如以下詳細(xì)說明的實(shí)施方式的發(fā)光元件中那樣，可以包括至少1個(gè)周期構(gòu)造。至少1個(gè)周期構(gòu)造如果設(shè)周期為p_a，則λ_a/n_wav－a<p_a<λ_a的關(guān)系成立。即，亞微米構(gòu)造可以包括鄰接的凸部間的距離D_int是p_a為一定的周期構(gòu)造。λ_a/n_wav－a<p_a<λ_a的關(guān)系也可以在光致發(fā)光層的第1表面構(gòu)造及透光層的第2表面構(gòu)造的各自中成立。也可以是，第1表面構(gòu)造及第2表面構(gòu)造分別包括多個(gè)凹部，關(guān)于鄰接的凹部間的中心間距離的周期p_a，在第1表面構(gòu)造及第2表面構(gòu)造的各自中，λ_a/n_wav－a<p_a<λ_a的關(guān)系成立。如果亞微米構(gòu)造包括這樣的周期構(gòu)造，則模擬導(dǎo)波模的光通過一邊傳輸一邊與周期構(gòu)造反復(fù)相互作用，通過亞微米構(gòu)造而衍射。這與在自由空間中傳播的光通過周期構(gòu)造衍射的現(xiàn)象不同，是光一邊導(dǎo)波(即，一邊反復(fù)全反射)一邊與周期構(gòu)造作用的現(xiàn)象。因而，即使由周期構(gòu)造帶來的相位偏移較小(即，周期構(gòu)造的高度較小)，也能夠效率良好地引起光的衍射。

如果利用以上這樣的機(jī)理，則通過由模擬導(dǎo)波模將電場增強(qiáng)的效果，光致發(fā)光的發(fā)光效率會(huì)增大，并且，所產(chǎn)生的光與模擬導(dǎo)波模耦合。模擬導(dǎo)波模的光其行進(jìn)角度將被彎曲由周期構(gòu)造規(guī)定的衍射角度的量。利用該性質(zhì)，能夠?qū)⑻囟ǖ牟ㄩL的光向特定的方向射出。即，與不存在周期構(gòu)造的情況相比，指向性顯著地提高。進(jìn)而，由于在TE模和TM模中有效折射率n_eff(＝n_wavsinθ)不同，所以還能夠同時(shí)得到較高的偏振光的選擇性。例如，如后面表示實(shí)驗(yàn)例那樣，能夠得到將特定的波長(例如610nm)的直線偏振光(例如TM模)向正面方向較強(qiáng)地射出的發(fā)光元件。此時(shí)，向正面方向射出的光的指向角例如不到15°。這里，所謂“指向角”，定義為關(guān)于射出的特定的波長的直線偏振光，強(qiáng)度為最大的方向、和強(qiáng)度為最大強(qiáng)度的50％的方向之間的角度。即，指向角是設(shè)強(qiáng)度是最大的方向?yàn)?°的情況下的單側(cè)的角度。這樣，本發(fā)明的實(shí)施方式的周期構(gòu)造(即表面構(gòu)造)限制特定的波長λ_a的光的指向角。換言之，使該波長λ_a的光的配光相比沒有周期構(gòu)造的情況而成為更窄的角度。有時(shí)將這樣的相比不存在周期構(gòu)造的情況減小了指向角的配光稱作“窄角配光”。本發(fā)明的實(shí)施方式的周期構(gòu)造限制波長λ_a的光的指向角，但不是將波長λ_a的光的全部以窄角射出。例如在后述圖29所示的例子中，在從強(qiáng)度為最大的方向偏離的角度(例如20°～70°)的方向上也有波長λ_a的光稍稍射出。但是，整體上波長λ_a的射出光集中在0°～20°的范圍，指向角被限制。

另外，本發(fā)明的典型的實(shí)施方式的周期構(gòu)造與通常的衍射柵格不同，具有比光的波長λ_a短的周期。通常的衍射柵格具有相比光的波長足夠長的周期，結(jié)果，使特定的波長的光分為0次光(即透射光)、±1次衍射光等的多個(gè)衍射光而射出。這樣的衍射柵格在0次光的兩側(cè)發(fā)生高次的衍射光。衍射柵格的在0次光的兩側(cè)發(fā)生的高次的衍射光使窄角配光的實(shí)現(xiàn)變得困難。換言之，以往的衍射柵格起不到將光的指向角限制為規(guī)定的角度(例如15°左右)這樣的本發(fā)明的實(shí)施方式所特有的效果。在這一點(diǎn)上，本發(fā)明的實(shí)施方式的周期構(gòu)造具有與以往的衍射柵格顯著不同的性質(zhì)。

如果亞微米構(gòu)造的周期性變低，則指向性、發(fā)光效率、偏光度及波長選擇性變?nèi)?。只要根?jù)需要來調(diào)整亞微米構(gòu)造的周期性就可以。周期構(gòu)造既可以是偏振光的選擇性較高的1維周期構(gòu)造，也可以是能夠使偏光度變小的2維周期構(gòu)造。

亞微米構(gòu)造可以包括多個(gè)周期構(gòu)造。多個(gè)周期構(gòu)造例如周期(間距)相互不同?；蛘?，多個(gè)周期構(gòu)造中，例如具有周期性的方向(軸)相互不同。多個(gè)周期構(gòu)造既可以形成在同一面內(nèi)，也可以層疊。當(dāng)然，發(fā)光元件也可以具有多個(gè)光致發(fā)光層和多個(gè)透光層，它們具有多個(gè)亞微米構(gòu)造。

亞微米構(gòu)造不僅是為了控制光致發(fā)光層發(fā)出的光，也能夠用于將激勵(lì)光效率良好地向光致發(fā)光層引導(dǎo)。即，通過激勵(lì)光被亞微米構(gòu)造衍射并與在光致發(fā)光層及透光層中導(dǎo)波的模擬導(dǎo)波模耦合，能夠效率良好地激勵(lì)光致發(fā)光層。如果設(shè)激勵(lì)光致發(fā)光材料的光在空氣中的波長為λ_ex，設(shè)對(duì)于該激勵(lì)光的光致發(fā)光層的折射率為n_wav－ex，則只要使用λ_ex/n_wav－ex<D_int<λ_ex的關(guān)系成立的亞微米構(gòu)造就可以。n_wav－ex是光致發(fā)光材料的激勵(lì)波長下的折射率。如果設(shè)周期為p_ex，則也可以使用具有λ_ex/n_wav－ex<p_ex<λ_ex的關(guān)系成立的周期構(gòu)造的亞微米構(gòu)造。激勵(lì)光的波長λ_ex例如是450nm，但也可以是比可視光短的短波長。在激勵(lì)光的波長處于可視光的范圍內(nèi)的情況下，也可以將激勵(lì)光與光致發(fā)光層發(fā)出的光一起射出。

[2.作為本發(fā)明的基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)]

在說明本發(fā)明的具體的實(shí)施方式之前，首先說明作為本發(fā)明的基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)。如上述那樣，在熒光燈、白色LED等中使用的光致發(fā)光材料進(jìn)行各向同性的發(fā)光。為了將特定的方向用光照射，需要反射器或透鏡等的光學(xué)部件。但是，如果光致發(fā)光層自身具有指向性而發(fā)光，則不再需要上述那樣的光學(xué)部件(或能夠使其變小)。由此，能夠使光學(xué)設(shè)備及器具的大小大幅變小。本發(fā)明的發(fā)明者們基于這樣的設(shè)想，為了得到指向性發(fā)光，詳細(xì)地研究了光致發(fā)光層的結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的發(fā)明者們首先為了使來自光致發(fā)光層的光偏向特定的方向，考慮了使發(fā)光自身具有特定的方向性。作為將發(fā)光賦予特征的指標(biāo)的發(fā)光比率(rate)Γ，根據(jù)費(fèi)米的黃金法則，用以下的式(1)表示。

[數(shù)式1]

在式(1)中，r是表示位置的向量，λ是光的波長，d是偶極向量(dipole vector)，E是電場向量，ρ是狀態(tài)密度。除了一部分的結(jié)晶性物質(zhì)以外，在多數(shù)物質(zhì)中，偶極向量d具有隨機(jī)的方向性。此外，在光致發(fā)光層的尺寸和厚度相比光的波長充分大的情況下，電場E的大小也不取決于朝向而大致為一定。由此，在幾乎全部的情況下，<(d·E(r))>²的值不取決于方向。即，發(fā)光比率Γ不取決于方向而為一定。因此，在幾乎全部情況下，光致發(fā)光層各向同性地發(fā)光。

另一方面，根據(jù)式(1)，為了得到各向異性的發(fā)光，需要要么使偶極向量d與特定的方向?qū)R、要么將電場向量的特定方向的成分增強(qiáng)這樣的精心設(shè)計(jì)。通過進(jìn)行以上兩者中的某個(gè)的精心設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)指向性發(fā)光。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，通過將光向光致發(fā)光層封閉的效果，利用特定方向的電場成分被增強(qiáng)的模擬導(dǎo)波模。以下說明對(duì)用于此的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究并詳細(xì)分析的結(jié)果。

[3.僅使特定的方向的電場變強(qiáng)的結(jié)構(gòu)]

本發(fā)明的發(fā)明者們考慮了使用電場較強(qiáng)的導(dǎo)波模進(jìn)行發(fā)光的控制。通過做成導(dǎo)波構(gòu)造自身包含光致發(fā)光材料的結(jié)構(gòu)，能夠使產(chǎn)生的光與導(dǎo)波模耦合。但是，單單僅使用光致發(fā)光材料形成導(dǎo)波構(gòu)造時(shí)，由于發(fā)出的光為導(dǎo)波模，所以光幾乎不向正面方向出來。所以，本發(fā)明的發(fā)明者們考慮了將包含光致發(fā)光材料的導(dǎo)波路與周期構(gòu)造組合。在周期構(gòu)造與導(dǎo)波路接近、光的電場一邊與周期構(gòu)造重疊一邊導(dǎo)波的情況下，通過周期構(gòu)造的作用而存在模擬導(dǎo)波模。即，該模擬導(dǎo)波模是被周期構(gòu)造限制的導(dǎo)波模，將電場振幅的波腹以與周期構(gòu)造的周期相同的周期發(fā)生作為特征。該模是通過光被封閉到導(dǎo)波構(gòu)造中而加強(qiáng)了向特定方向的電場的模。進(jìn)而，該模通過與周期構(gòu)造相互作用，通過衍射效果而向特定方向的傳播光變換，所以能夠?qū)⒐庀驅(qū)Р吠獠可涑?。進(jìn)而，模擬導(dǎo)波模以外的光由于被封閉到導(dǎo)波路內(nèi)的效果較小，所以電場不被增強(qiáng)。由此，發(fā)光的幾乎全部向具有較大的電場成分的模擬導(dǎo)波模耦合。

即，本發(fā)明的發(fā)明者們考慮通過將周期構(gòu)造接近設(shè)置的導(dǎo)波路用包含光致發(fā)光材料的光致發(fā)光層(或具備光致發(fā)光層的導(dǎo)波層)構(gòu)成，使產(chǎn)生的光與變換為特定方向的傳播光的模擬導(dǎo)波模耦合，來實(shí)現(xiàn)有指向性的光源。

作為導(dǎo)波構(gòu)造的簡便的結(jié)構(gòu)，著眼于平板型導(dǎo)波路。所謂平板(slab)型導(dǎo)波路，是光的導(dǎo)波部分具有平板構(gòu)造的導(dǎo)波路。圖30是示意地表示平板型導(dǎo)波路110S的一例的立體圖。當(dāng)導(dǎo)波路110S的折射率比支承導(dǎo)波路110S的透明基板140的折射率高時(shí)，存在在導(dǎo)波路110S內(nèi)傳播的光的模。通過將這樣的平板型導(dǎo)波路做成包括光致發(fā)光層的結(jié)構(gòu)，由于從發(fā)光點(diǎn)產(chǎn)生的光的電場與導(dǎo)波模的電場較大地重疊，所以能夠使在光致發(fā)光層中產(chǎn)生的光的大部分與導(dǎo)波模耦合。進(jìn)而，通過使光致發(fā)光層的厚度為光的波長的程度，能夠形成僅存在電場振幅較大的導(dǎo)波模的狀況。

進(jìn)而，在周期構(gòu)造接近于光致發(fā)光層的情況下，通過導(dǎo)波模的電場與周期構(gòu)造相互作用而形成模擬導(dǎo)波模。在光致發(fā)光層由多個(gè)層構(gòu)成的情況下，也只要導(dǎo)波模的電場達(dá)到周期構(gòu)造，就形成模擬導(dǎo)波模。不需要光致發(fā)光層的全部是光致發(fā)光材料，只要其至少一部分的區(qū)域具有發(fā)光的功能就可以。

在將周期構(gòu)造用金屬形成的情況下，形成導(dǎo)波模和基于等離子共振(Plasmon Resonance)的效果的模。該模具有與以上敘述的模擬導(dǎo)波模不同的性質(zhì)。此外，該模由于由金屬進(jìn)行的吸收較大，所以損失變大，發(fā)光增強(qiáng)的效果變小。因而，作為周期構(gòu)造，優(yōu)選的是使用吸收較少的電介體。

本發(fā)明的發(fā)明者們首先對(duì)通過在這樣的導(dǎo)波路的表面上形成周期構(gòu)造、使產(chǎn)生的光與能夠作為特定的角度方向的傳播光射出的模擬導(dǎo)波模耦合進(jìn)行了研究。圖1A是示意地表示具備這樣的導(dǎo)波路(例如光致發(fā)光層)110和周期構(gòu)造(例如透光層的一部分)120的發(fā)光元件100的一例的立體圖。以下，在透光層具有周期構(gòu)造的情況下(即，在透光層中形成有周期性的亞微米構(gòu)造的情況下)，有時(shí)將周期構(gòu)造120稱作透光層120。在該例中，周期構(gòu)造120是分別在y方向上延伸的條帶狀的多個(gè)凸部在x方向上等間隔地排列的1維周期構(gòu)造。圖1B是將該發(fā)光元件100用與xz面平行的平面切斷時(shí)的剖面圖。如果以與導(dǎo)波路110接觸的方式設(shè)置周期p的周期構(gòu)造120，則具有面內(nèi)方向的波數(shù)k_wav的模擬導(dǎo)波模被向?qū)Р吠獾膫鞑ス庾儞Q，其波數(shù)k_out可以用以下的式(2)表示。

[數(shù)式2]

式(2)中的m是整數(shù)，表示衍射的次數(shù)。

這里，為了簡單，近似地將在導(dǎo)波路內(nèi)導(dǎo)波的光考慮是以角度θ_wav傳播的光線，設(shè)以下的式(3)及(4)成立。

[數(shù)式3]

[數(shù)式4]

在這些式子中，λ₀是光的空氣中的波長，n_wav是導(dǎo)波路的折射率，n_out是射出側(cè)的介質(zhì)的折射率，θ_out是光向?qū)Р吠獾幕寤蚩諝馍涑鰰r(shí)的射出角度。根據(jù)式(2)～式(4)，射出角度θ_out可以用以下的式(5)表示。

[數(shù)式5]

n_outsinθ_out＝n_wavsinθ_wav-mλ₀/p (5)

根據(jù)式(5)可知，當(dāng)n_wavsinθ_wav＝mλ₀/p成立時(shí)，為θ_out＝0，能夠使光向與導(dǎo)波路的面垂直的方向(即正面)射出。

基于以上這樣的原理，可以認(rèn)為，通過使產(chǎn)生的光與特定的模擬導(dǎo)波模耦合，再利用周期構(gòu)造變換為特定的射出角度的光，從而能夠在該方向上使較強(qiáng)的光射出。

為了實(shí)現(xiàn)上述那樣的狀況，有一些制約條件。首先，為了存在模擬導(dǎo)波模，在導(dǎo)波路內(nèi)傳播的光需要全反射。用于此的條件用以下的式(6)表示。

[數(shù)式6]

n_out＜n_wavsinθ_wav (6)

為了使該模擬導(dǎo)波模用周期構(gòu)造衍射而使光向?qū)Р吠馍涑?，在?5)中需要是－1<sinθ_out<1。由此，需要滿足以下的式(7)。

[數(shù)式7]

對(duì)此，可知，如果考慮式(6)，則只要以下的式(8)成立就可以。

[數(shù)式8]

進(jìn)而，為了使從導(dǎo)波路110射出的光的方向?yàn)檎娣较?θ_out＝0)，根據(jù)式(5)可知，需要以下的式(9)。

[數(shù)式9]

p＝mλ₀/(n_wavsinθ_wav) (9)

根據(jù)式(9)及式(6)可知，需要的條件是以下的式(10)。

[數(shù)式10]

另外，在設(shè)有圖1A及圖1B所示那樣的周期構(gòu)造的情況下，由于m為2以上的高次的衍射效率較低，所以可以主要著眼于m＝1的1次的衍射光來設(shè)計(jì)。因此，在本實(shí)施方式的周期構(gòu)造中，設(shè)為m＝1，決定周期p以滿足將式(10)變形的以下的式(11)。

[數(shù)式11]

如圖1A及圖1B所示，在導(dǎo)波路(光致發(fā)光層)110沒有與透明基板接觸的情況下，由于n_out為空氣的折射率(約1.0)，所以只要決定周期p以滿足以下的式(12)就可以。

[數(shù)式12]

另一方面，也可以采用圖1C及圖1D中例示那樣的在透明基板140上形成有光致發(fā)光層110及周期構(gòu)造120的構(gòu)造。在此情況下，由于透明基板140的折射率n_s比空氣的折射率大，所以只要決定周期p以滿足在式(11)中設(shè)為n_out＝n_s的下式(13)就可以。

[數(shù)式13]

另外，在式(12)、(13)中，設(shè)想了在式(10)中m＝1的情況，但也可以是m≧2。即，在圖1A及圖1B所示那樣發(fā)光元件100的兩面與空氣層接觸的情況下，只要將m設(shè)為1以上的整數(shù)、設(shè)定周期p以滿足以下的式(14)就可以。

[數(shù)式14]

同樣，在如圖1C及圖1D所示的發(fā)光元件100a那樣在透明基板140上形成有光致發(fā)光層110的情況下，只要設(shè)定周期p以滿足以下的式(15)就可以。

[數(shù)式15]

通過決定周期構(gòu)造的周期p以滿足以上的不等式，能夠使從光致發(fā)光層110產(chǎn)生的光向正面方向射出，所以能夠?qū)崿F(xiàn)具有指向性的發(fā)光裝置。

[4.基于計(jì)算的驗(yàn)證]

[4－1.周期、波長依存性]

本發(fā)明的發(fā)明者們通過光學(xué)解析驗(yàn)證了以上那樣的光向特定方向射出實(shí)際能夠?qū)崿F(xiàn)。光學(xué)解析通過使用“サイバネット”公司的DiffractMOD的計(jì)算來進(jìn)行。在這些計(jì)算中，當(dāng)將光從外部對(duì)發(fā)光元件垂直地入射時(shí)，通過計(jì)算光致發(fā)光層中的光的吸收的增減，求出了向外部垂直射出的光的增強(qiáng)度。從外部入射的光與模擬導(dǎo)波模耦合而被光致發(fā)光層吸收的過程，對(duì)應(yīng)于計(jì)算光致發(fā)光層中的發(fā)光向模擬導(dǎo)波模耦合、并變換為垂直向外部射出的傳播光的過程相反的過程。此外，在模擬導(dǎo)波模的電場分布的計(jì)算中，也同樣計(jì)算了光從外部入射的情況下的電場。

在圖2中表示設(shè)光致發(fā)光層的膜厚為1μm、光致發(fā)光層的折射率為n_wav＝1.8、周期構(gòu)造的高度為50nm、周期構(gòu)造的折射率為1.5、將發(fā)光波長及周期構(gòu)造的周期分別改變而計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果。計(jì)算模型如圖1A所示，設(shè)在y方向上為均勻的1維周期構(gòu)造、光的偏振光是具有與y方向平行的電場成分的TM模而進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)圖2的結(jié)果可知，增強(qiáng)度的峰值在某個(gè)特定的波長與周期的組合中存在。另外，在圖2中，增強(qiáng)度的大小用顏色的濃淡表示，較濃(即較黑)者增強(qiáng)度較大，較淡(即較白)者增強(qiáng)度較小。

在上述計(jì)算中，設(shè)周期構(gòu)造的截面是圖1B所示那樣的矩形。在圖3中表示將式(10)中的m＝1及m＝3的條件圖示的曲線圖。將圖2和圖3比較可知，圖2中的峰值位置存在于與m＝1和m＝3對(duì)應(yīng)的地方。m＝1時(shí)強(qiáng)度較強(qiáng)是因?yàn)椋?次的衍射光的衍射效率比3次以上的高次的衍射光高。不存在m＝2的峰值是因?yàn)橹芷跇?gòu)造的衍射效率較低。

可以確認(rèn)，在與圖3中表示的m＝1及m＝3分別對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，在圖2中存在多個(gè)行(line)。考慮這是因?yàn)榇嬖诙鄠€(gè)模擬導(dǎo)波模。

[4－2.厚度依存性]

圖4是表示設(shè)光致發(fā)光層的折射率為n_wav＝1.8、周期構(gòu)造的周期為400nm、高度為50nm、折射率為1.5、改變發(fā)光波長及光致發(fā)光層的厚度t而計(jì)算向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的圖?？芍?dāng)光致發(fā)光層的厚度t是特定的值時(shí)光的增強(qiáng)度達(dá)到峰值。

在圖5A及圖5B中分別表示在圖4中峰值存在的波長600nm、厚度t＝238nm、539nm時(shí)計(jì)算向x方向?qū)Рǖ哪５碾妶龇植嫉慕Y(jié)果。為了比較，在圖5C中表示關(guān)于不存在峰值的t＝300nm的情況進(jìn)行了同樣的計(jì)算的結(jié)果。計(jì)算模型與上述同樣，假設(shè)是在y方向上均勻的1維周期構(gòu)造。在各圖中，越黑的區(qū)域表示電場強(qiáng)度越高，越白的區(qū)域表示電場強(qiáng)度越低。在t＝238nm、539nm的情況下有較高的電場強(qiáng)度的分布，相對(duì)于此，在t＝300nm時(shí)整體上電場強(qiáng)度較低。這是因?yàn)椋趖＝238nm、539nm的情況下，存在導(dǎo)波模，光被較強(qiáng)地封閉。進(jìn)而，在凸部或凸部的正下方必定存在電場最強(qiáng)的部分(波腹)，可以看到發(fā)生了與周期構(gòu)造120有相關(guān)性的電場的特征。即，可知按照周期構(gòu)造120的配置而得到了導(dǎo)波的模。此外，將t＝238nm的情況與t＝539nm的情況比較可知，是z方向的電場的波節(jié)(較白的部分)的數(shù)量僅相差1個(gè)的模。

[4－3.偏振光依存性]

接著，為了確認(rèn)偏振光依存性，以與圖2的計(jì)算相同的條件，對(duì)光的偏振光是具有與y方向垂直的電場成分的TE模的情況進(jìn)行了光的增強(qiáng)度的計(jì)算。將該計(jì)算的結(jié)果表示在圖6中。與TM模時(shí)(圖2)相比，雖然峰值位置稍稍變化，但峰值位置包含在圖3所示的區(qū)域內(nèi)。由此，可以確認(rèn)本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)對(duì)于TM模、TE模的任意一種偏振光都是有效的。

[4－4.2維周期構(gòu)造]

進(jìn)而，進(jìn)行基于2維的周期構(gòu)造的效果的研究。圖7A是表示在x方向及y方向的兩方向上排列有凹部及凸部的2維的周期構(gòu)造120’的一部分的平面圖。圖中的較黑的區(qū)域表示凸部，較白的區(qū)域表示凹部。在這樣的2維周期構(gòu)造中，需要考慮x方向和y方向的兩方的衍射。關(guān)于僅x方向或僅y方向的衍射與1維的情況是同樣的，但由于也存在具有x、y兩者的成分的方向(例如，斜45°方向)的衍射，所以可以期待能夠得到與1維的情況不同的結(jié)果。將關(guān)于這樣的2維周期構(gòu)造計(jì)算光的增強(qiáng)度的結(jié)果表示在圖7B中。周期構(gòu)造以外的計(jì)算條件與圖2的條件相同。如圖7B所示，除了圖2所示的TM模的峰值位置以外，還觀測到了與圖6所示的TE模的峰值位置一致的峰值位置。該結(jié)果表示，通過2維周期構(gòu)造將TE模也通過衍射來變換而輸出。此外，關(guān)于2維周期構(gòu)造，對(duì)x方向及y方向雙方，需要也考慮同時(shí)滿足1次的衍射條件的衍射。這樣的衍射光向與周期p的√2倍(即，2^1/2倍)的周期對(duì)應(yīng)的角度的方向射出。由此可以想到，除了1維周期構(gòu)造的情況下的峰值以外，關(guān)于周期p的√2倍的周期也發(fā)生峰值。在圖7B中，也能夠確認(rèn)這樣的峰值。

作為2維周期構(gòu)造，并不限于圖7A所示那樣的x方向及y方向的周期相等的正方柵格的構(gòu)造，也可以是圖18A及圖18B那樣的將六邊形或三角形排列的柵格構(gòu)造。此外，也可以是根據(jù)方位方向(例如在正方柵格的情況下是x方向及y方向)的周期不同的構(gòu)造。

如以上這樣，在本實(shí)施方式中，可以確認(rèn)能夠?qū)⒂芍芷跇?gòu)造和光致發(fā)光層形成的特征性的模擬導(dǎo)波模的光利用周期構(gòu)造的衍射現(xiàn)象而有選擇地僅向正面方向射出。在這樣的結(jié)構(gòu)中，通過使光致發(fā)光層用紫外線或藍(lán)色光等的激勵(lì)光激勵(lì)，能夠得到具有指向性的發(fā)光。

[5.周期構(gòu)造及光致發(fā)光層的結(jié)構(gòu)的研究]

接著，對(duì)改變了周期構(gòu)造及光致發(fā)光層的結(jié)構(gòu)、或折射率等的各種條件時(shí)的效果進(jìn)行說明。

[5－1.周期構(gòu)造的折射率]

首先，關(guān)于周期構(gòu)造的折射率進(jìn)行了研究。使光致發(fā)光層的膜厚為200nm、光致發(fā)光層的折射率為n_wav＝1.8、周期構(gòu)造為圖1A所示那樣的在y方向上均勻的1維周期構(gòu)造、高度為50nm、周期為400nm，假設(shè)光的偏振光是具有平行于y方向的電場成分的TM模而進(jìn)行了計(jì)算。在圖8中表示改變發(fā)光波長及周期構(gòu)造的折射率而計(jì)算向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果。此外，在圖9中表示在同樣的條件下使光致發(fā)光層的膜厚為1000nm的情況下的結(jié)果。

首先，著眼于光致發(fā)光層的膜厚可知，與膜厚為200nm的情況(圖8)相比，在膜厚為1000nm的情況(圖9)下，相對(duì)于周期構(gòu)造的折射率的變化的光強(qiáng)度為峰值的波長(稱作峰值波長)的偏移較小。這是因?yàn)?，光致發(fā)光層的膜厚越小，模擬導(dǎo)波模越容易受到周期構(gòu)造的折射率的影響。即，周期構(gòu)造的折射率越高，有效折射率越大，相應(yīng)地峰值波長越向長波長側(cè)偏移，而膜厚越小則該影響越顯著。另外，有效折射率由存在于模擬導(dǎo)波模的電場分布的區(qū)域中的介質(zhì)的折射率決定。

接著，著眼于相對(duì)于周期構(gòu)造的折射率的變化的峰值的變化可知，折射率越高則尖峰越展開而強(qiáng)度越下降。這是因?yàn)?，周期?gòu)造的折射率越高，將模擬導(dǎo)波模的光向外部釋放的比率(rate)越高，所以將光封閉的效果越減小，即Q值越低。為了將峰值強(qiáng)度保持得較高，只要做成利用將光封閉的效果較高(即Q值較高)的模擬導(dǎo)波模適當(dāng)?shù)貙⒐庀蛲獠糠懦龅慕Y(jié)構(gòu)就可以。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可知將折射率相比光致發(fā)光層的折射率大過多的材料用于周期構(gòu)造并不好。因而，為了使峰值強(qiáng)度及Q值某種程度變高，只要使構(gòu)成周期構(gòu)造的電介體(即透光層)的折射率為與光致發(fā)光層的折射率同等以下就可以。當(dāng)光致發(fā)光層包含光致發(fā)光材料以外的材料時(shí)也是同樣的。

[5－2.周期構(gòu)造的高度]

接著，關(guān)于周期構(gòu)造的高度進(jìn)行了研究。使光致發(fā)光層的膜厚為1000nm、光致發(fā)光層的折射率為n_wav＝1.8，周期構(gòu)造為圖1A所示那樣的在y方向上均勻的1維周期構(gòu)造、使折射率為n_p＝1.5、周期為400nm，假設(shè)光的偏振光是具有平行于y方向的電場成分的TM模而進(jìn)行了計(jì)算。在圖10中表示改變發(fā)光波長及周期構(gòu)造的高度而計(jì)算向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果。在圖11中表示在同樣的條件下使周期構(gòu)造的折射率為n_p＝2.0的情況下的計(jì)算結(jié)果。在圖10所示的結(jié)果中，在某種程度以上的高度下峰值強(qiáng)度及Q值(即，峰值的線寬)不變化，相對(duì)于此，在圖11所示的結(jié)果中，可知周期構(gòu)造的高度越大則峰值強(qiáng)度及Q值越下降。這是因?yàn)?，在光致發(fā)光層的折射率n_wav比周期構(gòu)造的折射率n_p高的情況下(圖10)，光發(fā)生全反射，所以僅模擬導(dǎo)波模的電場的滲出(迅衰：evanescent)部分與周期構(gòu)造相互作用。電場的迅衰部分與周期構(gòu)造的相互作用的影響在周期構(gòu)造的高度足夠大的情況下，即使高度進(jìn)一步變化也為一定。另一方面，在光致發(fā)光層的折射率n_wav比周期構(gòu)造的折射率n_p低的情況下(圖11)，由于光不發(fā)生全反射地到達(dá)周期構(gòu)造的表面，所以周期構(gòu)造的高度越大越受到其影響。只要觀察圖11就能知道，高度如果是100nm左右就足夠，在超過150nm的區(qū)域中峰值強(qiáng)度及Q值下降。因而，在光致發(fā)光層的折射率n_wav比周期構(gòu)造的折射率n_p低的情況下，為了使峰值強(qiáng)度及Q值某種程度變高，只要將周期構(gòu)造的高度設(shè)定為150nm以下就可以。

[5－3.偏振光方向]

接著，關(guān)于偏振光方向進(jìn)行了研究。在圖12中表示在與圖9所示的計(jì)算相同的條件下、假設(shè)光的偏振光是具有與y方向垂直的電場成分的TE模而計(jì)算的結(jié)果。在TE模下，模擬導(dǎo)波模的電場的滲出比TM模大，所以容易受到由周期構(gòu)造帶來的影響。由此，在周期構(gòu)造的折射率n_p比光致發(fā)光層的折射率n_wav大的區(qū)域中，峰值強(qiáng)度及Q值的下降比TM模顯著。

[5－4.光致發(fā)光層的折射率]

接著，關(guān)于光致發(fā)光層的折射率進(jìn)行了研究。在圖13中表示在與圖9所示的計(jì)算同樣的條件下將光致發(fā)光層的折射率n_wav變更為1.5的情況下的結(jié)果?？芍诠庵掳l(fā)光層的折射率n_wav為1.5的情況也得到了大致與圖9同樣的效果。但是，可知波長為600nm以上的光不向正面方向射出。這是因?yàn)?，根?jù)式(10)，為λ₀<n_wav×p/m＝1.5×400nm/1＝600nm。

根據(jù)以上的分析可知，在周期構(gòu)造的折射率為與光致發(fā)光層的折射率同等以下、或周期構(gòu)造的折射率為光致發(fā)光層的折射率以上的情況下，如果使高度為150nm以下，則能夠使峰值強(qiáng)度及Q值變高。

[6.變形例]

以下，說明本實(shí)施方式的變形例。

[6－1.具備基板的結(jié)構(gòu)]

如上述那樣，發(fā)光元件如圖1C及圖1D所示，也可以具有在透明基板140之上形成有光致發(fā)光層110及周期構(gòu)造120的構(gòu)造。為了制作這樣的發(fā)光元件100a，首先可以考慮在透明基板140上用構(gòu)成光致發(fā)光層110的光致發(fā)光材料(根據(jù)需要而包含基質(zhì)材料，以下相同)形成薄膜、在其上形成周期構(gòu)造120的方法。在這樣的結(jié)構(gòu)中，為了由光致發(fā)光層110和周期構(gòu)造120帶來將光向特定的方向射出的功能，透明基板140的折射率n_s需要為光致發(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接觸的方式設(shè)置的情況下，需要設(shè)定周期p以滿足將式(10)中的射出介質(zhì)的折射率n_out設(shè)為n_s的式(15)。

為了確認(rèn)這一點(diǎn)，進(jìn)行了在折射率為1.5的透明基板140之上設(shè)置了與圖2所示的計(jì)算相同條件的光致發(fā)光層110及周期構(gòu)造120的情況下的計(jì)算。將該計(jì)算的結(jié)果表示在圖14中?？芍?，雖然與圖2的結(jié)果同樣按照每個(gè)波長能夠確認(rèn)在特定的周期中出現(xiàn)光強(qiáng)度的峰值，但峰值出現(xiàn)的周期的范圍與圖2的結(jié)果不同。相對(duì)于此，在圖15中表示將式(10)的條件設(shè)為n_out＝n_s的式(15)的條件?？芍趫D14中，在與圖15所示的范圍對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了光強(qiáng)度的峰值。

因而，在透明基板140上設(shè)有光致發(fā)光層110和周期構(gòu)造120的發(fā)光元件100a中，在滿足式(15)的周期p的范圍中能得到效果，在滿足式(13)的周期p的范圍中能得到特別顯著的效果。

[6－2.具備激勵(lì)光源的發(fā)光裝置]

圖16是表示具備圖1A、圖1B所示的發(fā)光元件100和使激勵(lì)光向光致發(fā)光層110入射的光源180的發(fā)光裝置200的結(jié)構(gòu)例的圖。如上述那樣，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，通過用紫外線或藍(lán)色光等的激勵(lì)光來對(duì)光致發(fā)光層進(jìn)行激勵(lì)，能得到具有指向性的發(fā)光。通過設(shè)置構(gòu)成為射出這樣的激勵(lì)光的光源180，能夠?qū)崿F(xiàn)具有指向性的發(fā)光裝置200。從光源180射出的激勵(lì)光的波長典型地是紫外或藍(lán)色區(qū)域的波長，但并不限于這些，而根據(jù)構(gòu)成光致發(fā)光層110的光致發(fā)光材料適當(dāng)決定。另外，在圖16中配置為，光源180使激勵(lì)光從光致發(fā)光層110的下表面入射，但并不限定于這樣的例子，例如也可以使激勵(lì)光從光致發(fā)光層110的上表面入射。激勵(lì)光也可以從相對(duì)于與光致發(fā)光層110的主面(即，上表面或下表面)垂直的方向傾斜的方向(即斜向)入射。通過使激勵(lì)光以在光致發(fā)光層110內(nèi)發(fā)生全反射的角度斜向入射，能夠更有效率地發(fā)光。

還有通過使激勵(lì)光與模擬導(dǎo)波模耦合來效率良好地使光射出的方法。圖17A至圖17D是用來說明這樣的方法的圖。在該例中，與圖1C、圖1D所示的結(jié)構(gòu)同樣，在透明基板140上形成有光致發(fā)光層110及周期構(gòu)造120。首先，如圖17A所示，為了發(fā)光增強(qiáng)而決定x方向的周期p_x，接著，如圖17B所示，為了使激勵(lì)光與模擬導(dǎo)波模耦合而決定y方向的周期p_y。決定周期p_x，以使其滿足在式(10)中將p替換為p_x的條件。另一方面，設(shè)m為1以上的整數(shù)、激勵(lì)光的波長為λ_ex、與光致發(fā)光層110接觸的介質(zhì)中的除了周期構(gòu)造120以外的折射率最高的介質(zhì)的折射率為n_out，決定周期p_y以使其滿足以下的式(16)。

[數(shù)式16]

這里，n_out在圖17B的例子中是透明基板140的n_s，但在如圖16那樣沒有設(shè)置透明基板140的結(jié)構(gòu)中，是空氣的折射率(約1.0)。

特別是，設(shè)m＝1，如果決定周期p_y以滿足以下的式(17)，則能夠進(jìn)一步提高將激勵(lì)光變換為模擬導(dǎo)波模的效果。

[數(shù)式17]

這樣，通過設(shè)定周期p_y以滿足式(16)的條件(特別是式(17)的條件)，能夠?qū)⒓?lì)光變換為模擬導(dǎo)波模。結(jié)果，能夠使光致發(fā)光層110有效地吸收波長λ_ex的激勵(lì)光。

圖17C及圖17D是分別表示按照每個(gè)波長計(jì)算當(dāng)將光對(duì)圖17A及圖17B所示的構(gòu)造入射時(shí)光被吸收的比例的結(jié)果的圖。在該計(jì)算中，設(shè)p_x＝365nm，p_y＝265nm，設(shè)來自光致發(fā)光層110的發(fā)光波長λ為約600nm、激勵(lì)光的波長λ_ex為約450nm、光致發(fā)光層110的衰減系數(shù)為0.003。如圖17D所示，不僅是從光致發(fā)光層110產(chǎn)生的光，對(duì)于作為激勵(lì)光的約450nm的光也顯現(xiàn)較高的吸收率。這是因?yàn)?，通過入射的光被有效地變換為模擬導(dǎo)波模，能夠使被光致發(fā)光層吸收的比例增大。此外，對(duì)作為發(fā)光波長的約600nm也吸收率增大，這意味著，在將約600nm的波長的光向該構(gòu)造入射的情況下，同樣被有效地變換為模擬導(dǎo)波模。這樣，圖17B所示的周期構(gòu)造120是在x方向及y方向上分別具有周期不同的構(gòu)造(稱作周期成分)的2維周期構(gòu)造。這樣，通過使用具有多個(gè)周期成分的2維周期構(gòu)造，能夠在提高激勵(lì)效率的同時(shí)提高射出強(qiáng)度。另外，在圖17A、圖17B中，使激勵(lì)光從基板140側(cè)入射，但如果從周期構(gòu)造120側(cè)入射也能夠得到相同的效果。

進(jìn)而，作為具有多個(gè)周期成分的2維周期構(gòu)造，也可以采用圖18A或圖18B所示那樣的結(jié)構(gòu)。通過做成如圖18A所示那樣將具有六角形的平面形狀的多個(gè)凸部或凹部周期性排列的結(jié)構(gòu)、或圖18B所示那樣將具有三角形的平面形狀的多個(gè)凸部或凹部周期性排列的結(jié)構(gòu)，能夠決定可以看作周期的多個(gè)主軸(在圖例中是軸1～3)。因此，能夠?qū)Ω鱾€(gè)軸向分配不同的周期。既可以將這些周期分別為了提高多個(gè)波長的光的指向性而設(shè)定，也可以為了使激勵(lì)光效率良好地吸收而設(shè)定。在哪種情況下，都設(shè)定各周期以滿足相當(dāng)于式(10)的條件。

[6－3.透明基板上的周期構(gòu)造]

如圖19A及圖19B所示，也可以在透明基板140上形成周期構(gòu)造120a，在其上設(shè)置光致發(fā)光層110。在圖19A的結(jié)構(gòu)例中，以追隨于由基板140上的凹凸構(gòu)成的周期構(gòu)造120a的方式形成光致發(fā)光層110。結(jié)果，在光致發(fā)光層110的表面上也形成了相同周期的周期構(gòu)造120b。另一方面，在圖19B的結(jié)構(gòu)例中，光致發(fā)光層110的表面被處理為平坦。在這些結(jié)構(gòu)例中，也通過設(shè)定周期構(gòu)造120a的周期p以滿足式(15)，能夠?qū)崿F(xiàn)指向性發(fā)光。

為了驗(yàn)證該效果，在圖19A的結(jié)構(gòu)中，改變發(fā)光波長及周期構(gòu)造的周期而計(jì)算出向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度。這里，設(shè)光致發(fā)光層110的膜厚為1000nm、光致發(fā)光層110的折射率為n_wav＝1.8，設(shè)周期構(gòu)造120a為在y方向上均勻的1維周期構(gòu)造、高度為50nm、折射率為n_p＝1.5、周期為400nm，假設(shè)光的偏振光是具有平行于y方向的電場成分的TM模。將該計(jì)算的結(jié)果表示在圖19C中。在該計(jì)算中，也以滿足式(15)的條件的周期觀測了光強(qiáng)度的峰值。

[6－4.粉體]

根據(jù)以上的實(shí)施方式，通過調(diào)整周期構(gòu)造的周期或光致發(fā)光層的膜厚，能夠強(qiáng)調(diào)任意的波長的發(fā)光。例如，如果使用以較寬的頻帶發(fā)光的光致發(fā)光材料做成圖1A、圖1B那樣的結(jié)構(gòu)，則能夠僅將某個(gè)波長的光強(qiáng)調(diào)。由此，也可以使圖1A、圖1B那樣的發(fā)光元件100的結(jié)構(gòu)成為粉末狀，作為熒光材料利用。此外，也可以將圖1A、圖1B那樣的發(fā)光元件100埋入到樹脂或玻璃等中而利用。

在圖1A、圖1B那樣的單體的結(jié)構(gòu)中，由于僅某個(gè)特定的波長能夠向特定的方向射出，所以難以實(shí)現(xiàn)例如具有較寬的波長域的波譜的白色等的發(fā)光。所以，通過使用混合了圖20所示那樣周期構(gòu)造的周期或光致發(fā)光層的膜厚等的條件不同的多個(gè)粉末狀的發(fā)光元件100的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)具有較寬的波長域的波譜的發(fā)光裝置。在此情況下，各個(gè)發(fā)光元件100的一個(gè)方向的尺寸例如是幾μm～幾mm左右，其中可以包括例如幾周期～幾百周期的1維或2維的周期構(gòu)造。

[6－5.將周期不同的構(gòu)造排列]

圖21是表示在光致發(fā)光層之上2維地排列了周期不同的多個(gè)周期構(gòu)造的例子的平面圖。在該例中，3種周期構(gòu)造120a、120b、120c被無間隙地排列。周期構(gòu)造120a、120b、120c例如設(shè)定周期，以分別向正面射出紅、綠、藍(lán)的波長域的光。這樣，通過在光致發(fā)光層之上排列周期不同的多個(gè)構(gòu)造，也能夠?qū)^寬的波長域的波譜發(fā)揮指向性。另外，多個(gè)周期構(gòu)造的結(jié)構(gòu)并不限定于上述結(jié)構(gòu)，也可以任意地設(shè)定。

[6－6.層疊構(gòu)造]

圖22表示具有層疊了在表面上形成有凹凸構(gòu)造的多個(gè)光致發(fā)光層110的構(gòu)造的發(fā)光元件的一例。在多個(gè)光致發(fā)光層110之間設(shè)有透明基板140，形成在各層的光致發(fā)光層110的表面上的凹凸構(gòu)造相當(dāng)于上述周期構(gòu)造或亞微米構(gòu)造。在圖22所示的例子中，形成有3層的周期不同的周期構(gòu)造，分別設(shè)定了周期以向正面射出紅、藍(lán)、綠的波長域的光。此外，選擇各層的光致發(fā)光層110的材料，以發(fā)出與各周期構(gòu)造的周期對(duì)應(yīng)的顏色的光。這樣，通過將周期不同的多個(gè)周期構(gòu)造層疊，也能夠?qū)^寬的波長域的波譜發(fā)揮指向性。

另外，層數(shù)、各層的光致發(fā)光層110及周期構(gòu)造的結(jié)構(gòu)并不限定于上述，也可以任意設(shè)定。例如在2層的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)由透光性的基板而對(duì)應(yīng)形成第1光致發(fā)光層和第2光致發(fā)光層，在第1及第2光致發(fā)光層的表面上分別形成第1及第2周期構(gòu)造。在此情況下，關(guān)于第1光致發(fā)光層及第1周期構(gòu)造的對(duì)和第2光致發(fā)光層及第2周期構(gòu)造的對(duì)，只要分別滿足相當(dāng)于式(15)的條件就可以。在3層以上的結(jié)構(gòu)中也同樣，關(guān)于各層中的光致發(fā)光層及周期構(gòu)造，只要滿足相當(dāng)于式(15)的條件就可以。光致發(fā)光層和周期構(gòu)造的位置關(guān)系也可以與圖22所示的結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)。在圖22所示的例子中，各層的周期不同，但也可以使它們?nèi)繛橄嗤闹芷?。在此情況下，雖然不能使波譜變寬，但能夠使發(fā)光強(qiáng)度變大。

[6－7.具備保護(hù)層的結(jié)構(gòu)]

圖23是表示在光致發(fā)光層110與周期構(gòu)造120之間設(shè)有保護(hù)層150的結(jié)構(gòu)例的剖面圖。這樣，也可以設(shè)置用來保護(hù)光致發(fā)光層110的保護(hù)層150。但是，在保護(hù)層150的折射率比光致發(fā)光層110的折射率低的情況下，光的電場僅以波長的一半左右滲出到保護(hù)層150的內(nèi)部。由此，在保護(hù)層150比波長厚的情況下，光達(dá)不到周期構(gòu)造120。因此，不存在模擬導(dǎo)波模，不能得到將光向特定方向釋放的功能。在保護(hù)層150的折射率為與光致發(fā)光層110的折射率相同程度或其以上的情況下，光到達(dá)保護(hù)層150的內(nèi)部。由此，對(duì)于保護(hù)層150沒有厚度的制約。但是，在此情況下，也是將光導(dǎo)波的部分(以下，將該部分稱作“導(dǎo)波層”)的大部分用光致發(fā)光材料形成能夠得到較大的光的輸出。由此，在此情況下也優(yōu)選的是保護(hù)層150較薄。另外，也可以將保護(hù)層150使用與周期構(gòu)造(透光層)120相同的材料形成。此時(shí)，具備周期構(gòu)造的透光層兼作為保護(hù)層。透光層120的折射率優(yōu)選的是比光致發(fā)光層110小。

[7.材料]

如果將用滿足以上那樣的條件的材料構(gòu)成光致發(fā)光層(或?qū)Р▽?及周期構(gòu)造，則能夠?qū)崿F(xiàn)指向性發(fā)光。在周期構(gòu)造中可以使用任意的材料。但是，如果形成光致發(fā)光層(或?qū)Р▽?或周期構(gòu)造的介質(zhì)的光吸收性較高，則將光封閉的效果下降，峰值強(qiáng)度及Q值下降。由此，作為形成光致發(fā)光層(或?qū)Р▽?及周期構(gòu)造的介質(zhì)，可以使用光吸收性比較低的介質(zhì)。

作為周期構(gòu)造的材料，例如可以使用光吸收性較低的電介體。作為周期構(gòu)造的材料的候選，例如可以舉出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(五氧化二鉭)、ZrO₂(氧化鋯)、ZnSe(硒化鋅)、ZnS(硫化鋅)等。但是，在如上述那樣使周期構(gòu)造的折射率比光致發(fā)光層的折射率低的情況下，可以使用折射率是1.3～1.5左右的MgF₂、LiF、CaF₂、SiO₂、玻璃、樹脂。

光致發(fā)光材料包含狹義的熒光材料及磷光材料，不僅是無機(jī)材料，也包含有機(jī)材料(例如色素)，還包含量子點(diǎn)(即，半導(dǎo)體微粒子)。通常，以無機(jī)材料為基質(zhì)的熒光材料有折射率較高的傾向。作為以藍(lán)色發(fā)光的熒光材料，例如可以使用M₁₀(PO₄)₆Cl₂：Eu²⁺(M＝從Ba、Sr及Ca中選擇的至少1種)，BaMgAl₁₀O₁₇：Eu²⁺，M₃MgSi₂O₈：Eu²⁺(M＝從Ba、Sr及Ca中選擇的至少1種)，M₅SiO₄Cl₆：Eu²⁺(M＝從Ba、Sr及Ca中選擇的至少1種)。作為以綠色發(fā)光的熒光材料，例如可以使用M₂MgSi₂O₇：Eu²⁺(M＝從Ba、Sr及Ca中選擇的至少1種)，SrSi₅AlO₂N₇：Eu²⁺，SrSi₂O₂N₂：Eu²⁺，BaAl₂O₄：Eu²⁺，BaZrSi₃O₉：Eu²⁺，M₂SiO₄：Eu²⁺(M＝從Ba、Sr及Ca中選擇的至少1種)，BaSi₃O₄N₂：Eu²⁺，Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂：Eu²⁺，Ca₃SiO₄Cl₂：Eu²⁺，CaSi_12－(m+n)Al_(m+n)O_nN_16－n：Ce³⁺，β－SiAlON：Eu²⁺。作為以紅色發(fā)光的熒光材料，例如可以使用CaAlSiN₃：Eu²⁺，SrAlSi₄O₇：Eu²⁺，M₂Si₅N₈：Eu²⁺(M＝從Ba、Sr及Ca中選擇的至少1種)，MSiN₂：Eu²⁺(M＝從Ba、Sr及Ca中選擇的至少1種)，MSi₂O₂N₂：Yb²⁺(M＝從Sr及Ca中選擇的至少1種)，Y₂O₂S：Eu³⁺，Sm³⁺，La₂O₂S：Eu³⁺，Sm³⁺，CaWO₄：Li¹⁺，Eu³⁺，Sm³⁺，M₂SiS₄：Eu²⁺(M＝從Ba、Sr及Ca中選擇的至少1種)，M₃SiO₅：Eu²⁺(M＝從Ba、Sr及Ca中選擇的至少1種)。作為以黃色發(fā)光的熒光材料，例如可以使用Y₃Al₅O₁₂：Ce³⁺，CaSi₂O₂N₂：Eu²⁺，Ca₃Sc₂Si₃O₁₂：Ce³⁺，CaSc₂O₄：Ce³⁺，α－SiAlON：Eu²⁺，MSi₂O₂N₂：Eu²⁺(M＝從Ba、Sr及Ca中選擇的至少1種)，M₇(SiO₃)₆Cl₂：Eu²⁺(M＝從Ba、Sr及Ca中選擇的至少1種)。

關(guān)于量子點(diǎn)，例如可以使用CdS、CdSe、核－殼型CdSe/ZnS、合金型CdSSe/ZnS等的材料，根據(jù)材質(zhì)，能夠得到各種各樣的發(fā)光波長。作為量子點(diǎn)的基質(zhì)，例如可以使用玻璃或樹脂。

圖1C、圖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，例如可以舉出MgF₂(氟化鎂)、LiF(氟化鋰)、CaF₂(氟化鈣)、SiO₂(石英)、玻璃、樹脂。另外，在不經(jīng)由基板140而使激勵(lì)光向光致發(fā)光層110入射那樣的結(jié)構(gòu)中，并不必須基板140是透明的。

[8.制造方法]

接著，說明制造方法的一例。

作為實(shí)現(xiàn)圖1C、圖1D所示的結(jié)構(gòu)的方法，例如有在透明基板140上將熒光材料通過蒸鍍、濺射(sputtering)、涂敷等的工序形成光致發(fā)光層110的薄膜、然后成膜電介體、并用光刻等的方法布圖(patterning)來形成周期構(gòu)造120的方法。也可以代替上述方法而用納米刻印來形成周期構(gòu)造120。此外，如圖24所示，也可以通過僅將光致發(fā)光層110的一部分加工來形成周期構(gòu)造120。在此情況下，周期構(gòu)造120用與光致發(fā)光層110相同的材料形成。

圖1A、圖1B所示的發(fā)光元件100例如可以通過在制作圖1C、圖1D所示的發(fā)光元件100a后、進(jìn)行從基板140將光致發(fā)光層110及周期構(gòu)造120的部分剝離的工序來實(shí)現(xiàn)。

圖19A所示的結(jié)構(gòu)例如可以通過在透明基板140上用半導(dǎo)體工藝或納米刻印等的方法形成周期構(gòu)造120a后、在其上用蒸鍍或?yàn)R射等的方法形成構(gòu)成光致發(fā)光層110的材料來實(shí)現(xiàn)。或者，也可以通過使用涂敷等的方法將周期構(gòu)造120a的凹部用光致發(fā)光層110埋入來實(shí)現(xiàn)圖19B所示的結(jié)構(gòu)。

另外，上述制造方法是一例，本發(fā)明的發(fā)光元件并不限定于上述制造方法。

[9.實(shí)驗(yàn)例]

以下，說明本發(fā)明的實(shí)施方式的制作發(fā)光元件的例子。

試制具備與圖19A同樣的結(jié)構(gòu)的發(fā)光元件的試樣并評(píng)價(jià)特性。發(fā)光元件如以下這樣制作。

在玻璃基板上，設(shè)置周期400nm、高度40nm的1維周期構(gòu)造(條帶狀的凸部)，從其上方將作為光致發(fā)光材料的YAG：Ce成膜210nm。在圖25中表示該剖面圖的TEM像，在圖26中表示測量通過將其用450nm的LED激勵(lì)而使YAG：Ce發(fā)光時(shí)的正面方向的波譜的結(jié)果。在圖26中，表示沒有周期構(gòu)造的情況下的測量結(jié)果(ref)、以及測量具有相對(duì)于1維周期構(gòu)造平行的偏振光成分的TM模和具有垂直的偏振光成分的TE模的結(jié)果。在有周期構(gòu)造的情況下，相對(duì)于沒有周期構(gòu)造的情況，可以看到特定的波長的光顯著地增加了。此外，可知具有相對(duì)于1維周期構(gòu)造平行的偏振光成分的TM模的光的增強(qiáng)效果更大。

進(jìn)而，在圖27A～圖27F及圖28A～圖28F中，表示對(duì)相同的試樣測量射出光強(qiáng)度的角度依存性的結(jié)果及計(jì)算結(jié)果。圖27A表示使射出TM模的直線偏振光的發(fā)光元件以與1維周期構(gòu)造120的行方向平行的軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的狀況。圖27B及圖27C分別表示關(guān)于這樣旋轉(zhuǎn)的情況的測量結(jié)果及計(jì)算結(jié)果。另一方面，圖27D表示使射出TE模的直線偏振光的發(fā)光元件以與1維周期構(gòu)造120的行方向平行的軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的狀況。圖27E及圖27F分別表示該情況下的測量結(jié)果及計(jì)算結(jié)果。圖28A表示使射出TE模的直線偏振光的發(fā)光元件以與1維周期構(gòu)造120的行方向垂直的軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的狀況。圖28B及圖28C分別表示該情況下的測量結(jié)果及計(jì)算結(jié)果。另一方面，圖28D表示使射出TM模的直線偏振光的發(fā)光元件以與1維周期構(gòu)造120的行方向垂直的軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的狀況。圖28E及圖28F分別表示該情況下的測量結(jié)果及計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)圖27A～圖27F及圖28A～圖28F可知，TM模被增強(qiáng)的效果更高。此外，可知被增強(qiáng)的光的波長隨著角度而偏移。例如，關(guān)于波長610nm的光，由于是TM模且僅在正面方向存在光，所以可知指向性較高且偏振發(fā)光。此外，由于圖27B和圖27C、圖27E和圖27F、圖28B和圖28C、圖28E和圖28F各自的測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果匹配，所以通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了上述計(jì)算的妥當(dāng)性。

圖29表示關(guān)于波長610nm的光、如圖28D所示那樣使其以相對(duì)于行方向垂直的方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的情況下的強(qiáng)度的角度依存性。可以看到在正面方向上發(fā)生較強(qiáng)的發(fā)光增強(qiáng)、相對(duì)于其以外的角度則幾乎全部的光沒有被增強(qiáng)的狀況?？芍幌蛘娣较蛏涑龅墓獾闹赶蚪遣坏?5°。另外，指向角如上述那樣，是強(qiáng)度為最大強(qiáng)度的50％的角度，以最大強(qiáng)度的方向?yàn)橹行挠脝蝹?cè)的角度表示。根據(jù)圖29所示的結(jié)果可知實(shí)現(xiàn)了指向性發(fā)光。進(jìn)而，由于被射出的光全部是TM模的成分，所以可知同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了偏振發(fā)光。

以上的用于驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)使用以寬帶域的波長帶發(fā)光的YAG：Ce進(jìn)行。即使使用發(fā)出窄帶域的光的光致發(fā)光材料用同樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也能夠?qū)υ摬ㄩL的光實(shí)現(xiàn)較高的指向性及偏振發(fā)光。進(jìn)而，在使用這樣的光致發(fā)光材料的情況下，由于不發(fā)生其他波長的光，所以能夠?qū)崿F(xiàn)不發(fā)生其他的方向或其他的偏振光狀態(tài)的光的光源。

[10.其他變形例]

接著，說明本發(fā)明的發(fā)光元件及發(fā)光裝置的其他變形例。

如上述那樣，通過本發(fā)明的發(fā)光元件具有的亞微米構(gòu)造，受到發(fā)光增強(qiáng)效果的光的波長及射出方向依存于亞微米構(gòu)造的結(jié)構(gòu)。可以考慮圖31所示的在光致發(fā)光層110上具有周期構(gòu)造120的發(fā)光元件。這里，例示周期構(gòu)造120由與光致發(fā)光層110相同的材料形成、具有圖1A所示的1維周期構(gòu)造120的情況。通過1維周期構(gòu)造120受到發(fā)光增強(qiáng)的光如果設(shè)1維周期構(gòu)造120的周期p(nm)、光致發(fā)光層110的折射率n_wav、光被射出的外部的介質(zhì)的折射率n_out、向1維周期構(gòu)造120的入射角為θ_wav、從1維周期構(gòu)造120向外部的介質(zhì)的射出角為θ_out，則滿足p×n_wav×sinθ_wav－p×n_out×sinθ_out＝mλ的關(guān)系(參照上述式(5))。這里，λ是空氣中的光的波長，m是整數(shù)。

根據(jù)上述式子，可得到θ_out＝arcsin[(n_wav×sinθ_wav－mλ/p)/n_out]。因而，通常如果波長λ不同，則受到發(fā)光增強(qiáng)的光的射出角θ_out不同。結(jié)果，如在圖31中示意地表示那樣，可看到的顏色根據(jù)觀察的方向而不同。

為了降低該視角依存性，只要選擇n_wav及n_out以使(n_wav×sinθ_wav－mλ/p)/n_out不取決于波長λ而為一定就可以。由于物質(zhì)的折射率具有波長分散(波長依存性)，所以只要選擇具有(n_wav×sinθ_wav－mλ/p)/n_out不依存于波長λ那樣的n_wav及n_out的波長分散性的材料就可以。例如，在外部的介質(zhì)是空氣的情況下，n_out不取決于波長而大致為1.0，所以作為形成光致發(fā)光層110及1維周期構(gòu)造120的材料，優(yōu)選的是選擇折射率n_wav的波長分散較小的材料。進(jìn)而，優(yōu)選的是對(duì)于折射率n_wav更短的波長的光折射率變低那樣的逆分散的材料。

此外，如圖32A所示，通過將呈現(xiàn)相互發(fā)光增強(qiáng)效果的波長不同的多個(gè)周期構(gòu)造排列，能夠射出白色光。在圖32A所示的例子中，能夠?qū)⒓t色光(R)增強(qiáng)的周期構(gòu)造120r、能夠?qū)⒕G色光(G)增強(qiáng)的周期構(gòu)造120g和能夠?qū)⑺{(lán)色光(B)增強(qiáng)的周期構(gòu)造120b以矩陣狀排列。周期構(gòu)造120r、120g及120b例如是1維周期構(gòu)造，各自的凸部相互平行地排列。因而，偏振光特性關(guān)于紅、綠、藍(lán)的全部顏色的光是相同的。通過周期構(gòu)造120r、120g及120b，射出受到發(fā)光增強(qiáng)的三原色的光，混色的結(jié)果，能得到白色光且直線偏振光。

如果將以矩陣狀排列的各周期構(gòu)造120r、120g及120b稱作單位周期構(gòu)造(或像素)，則單位周期構(gòu)造的大小(即，一邊的長度)例如是周期的3倍以上。此外，優(yōu)選的是為了得到混色的效果，由人的眼睛不能識(shí)別單位周期構(gòu)造，例如優(yōu)選的是一邊的長度比1mm小。這里，將各單位周期構(gòu)造描繪為正方形，但并不限于此，例如相互鄰接的周期構(gòu)造120r、120g及120b也可以是長方形、三角形、六邊形等的正方形以外的形狀。

此外，設(shè)在周期構(gòu)造120r、120g及120b的下方的光致發(fā)光層既可以在周期構(gòu)造120r、120g及120b中是共用的，也可以設(shè)置對(duì)應(yīng)于各自的顏色的光而包含不同的光致發(fā)光材料的光致發(fā)光層。

如圖32B所示，也可以將1維周期構(gòu)造的凸部延伸的方位不同的多個(gè)周期構(gòu)造(包括周期構(gòu)造120h、120i及120j)排列。多個(gè)周期構(gòu)造發(fā)光增強(qiáng)的光的波長既可以相同也可以不同。例如，如果將相同的周期構(gòu)造如圖32B那樣排列，則能夠得到不偏振的光。此外，如果對(duì)圖32A中的周期構(gòu)造120r、120g及120b分別應(yīng)用圖32B的排列，則作為整體能夠得到非偏振光的白色光。

當(dāng)然，周期構(gòu)造并不限于1維周期構(gòu)造，如圖32C所示，也可以排列有多個(gè)2維周期構(gòu)造(包括周期構(gòu)造120k、120m及120n)。此時(shí)，周期構(gòu)造120k、120m及120n的周期及方位如上述那樣既可以相同也可以不同，可以根據(jù)需要而適當(dāng)設(shè)定。

如圖33所示，例如也可以在發(fā)光元件的光的射出側(cè)配置微透鏡130的陣列。通過由微透鏡130的陣列將向斜向射出的光向法線方向彎曲，能夠得到混色的效果。

圖33所示的發(fā)光元件具有分別具有圖32A中的周期構(gòu)造120r、120g及120b的區(qū)域R1、R2及R3。在區(qū)域R1中，通過周期構(gòu)造120r，使紅色光R向法線方向射出，例如使綠色光G向斜向射出。通過微透鏡130的折射作用，使被向斜向射出的綠色光G向法線方向彎曲。結(jié)果，在法線方向上，混色觀察到紅色光R和綠色光G。這樣，通過設(shè)置微透鏡130，能抑制射出的光的波長根據(jù)角度而不同的現(xiàn)象。這里，例示了將與多個(gè)周期構(gòu)造對(duì)應(yīng)的多個(gè)微透鏡一體化的微透鏡陣列，但并不限于此。當(dāng)然，鋪貼(tiling)的周期構(gòu)造并不限于上述例子，在將相同的周期構(gòu)造鋪貼的情況下也能夠應(yīng)用，對(duì)于圖32B或圖32C所示的結(jié)構(gòu)也能夠應(yīng)用。

具有將向斜向射出的光彎曲的作用的光學(xué)元件也可以代替微透鏡陣列而是雙凸透鏡(lenticular)。此外，不僅是透鏡，也可以使用棱鏡。也可以使用棱鏡的陣列。也可以對(duì)應(yīng)于周期構(gòu)造而分別配置棱鏡。棱鏡的形狀沒有被特別限制。例如可以使用三角棱鏡或金字塔型棱鏡。

得到白色光(或具有較寬的波譜寬度的光)的方法除了基于上述周期構(gòu)造的方法以外，例如如圖34A及圖34B所示，也有基于光致發(fā)光層的方法。如圖34A所示，通過將發(fā)光波長不同的多個(gè)光致發(fā)光層110b、110g、110r層疊，能夠得到白色光。層疊順序并不限于圖示的例子。此外，如圖34B所示，也可以在發(fā)出藍(lán)色的光的光致發(fā)光層110b之上層疊發(fā)出黃色的光的光致發(fā)光層110y。光致發(fā)光層110y例如可以使用YAG形成。

除此以外，在使用將熒光色素等混合到基質(zhì)(host)材料中而使用的光致發(fā)光材料的情況下，能夠?qū)l(fā)光波長不同的多個(gè)光致發(fā)光材料混合到基質(zhì)材料中，以單一的光致發(fā)光層發(fā)光白色光。能夠發(fā)光這樣的白色光的光致發(fā)光層可以在參照?qǐng)D32A～圖32C說明的、將單位周期構(gòu)造鋪貼的結(jié)構(gòu)中使用。

在作為形成光致發(fā)光層110的材料而使用無機(jī)材料(例如YAG)的情況下，有時(shí)在其制造過程中要經(jīng)過超過1000℃的熱處理。此時(shí)，有雜質(zhì)從基底(典型地是基板)擴(kuò)散、使光致發(fā)光層110的發(fā)光特性下降的情況。為了防止雜質(zhì)向光致發(fā)光層擴(kuò)散，例如如圖35A～圖35D所示，也可以在光致發(fā)光層的下方設(shè)置防擴(kuò)散層(阻擋層)108。如圖35A～圖35D所示，防擴(kuò)散層108在到此為止例示的各種各樣的結(jié)構(gòu)中形成在光致發(fā)光層110的下層。

例如，如圖35A所示，在基板140與光致發(fā)光層110之間形成防擴(kuò)散層108。此外，如圖35B所示，在具備多個(gè)光致發(fā)光層110a及110b的情況下，在光致發(fā)光層110a及110b的各自的下層形成防擴(kuò)散層108a或108b。

在基板140的折射率比光致發(fā)光層110的折射率大的情況下，如圖35C、圖35D所示，如果在基板140上形成低折射率層107則是有益的。如圖35C所示，在基板140之上設(shè)有低折射率層107的情況下，在低折射率層107與光致發(fā)光層110之間形成防擴(kuò)散層108。進(jìn)而，如圖35D所示，在具備多個(gè)光致發(fā)光層110a及110b的情況下，在光致發(fā)光層110a及110b的下層分別形成防擴(kuò)散層108a及108b。

另外，低折射率層107只要在基板140的折射率與光致發(fā)光層110的折射率相同或比其大的情況下形成就可以。低折射率層107的折射率比光致發(fā)光層110的折射率低。低折射率層107例如使用MgF₂、LiF、CaF₂、BaF₂、SrF₂、石英、樹脂、HSQ·SOG等的常溫硬化玻璃形成。低折射率層107的厚度優(yōu)選的是比光的波長大?；?40例如使用MgF₂、LiF、CaF₂、BaF₂、SrF₂、玻璃(例如堿石灰玻璃)、樹脂、MgO、MgAl₂O₄、藍(lán)寶石(Al₂O₃)、SrTiO₃、LaAlO₃、TiO₂、Gd₃Ga₅O₁₂、LaSrAlO₄、LaSrGaO₄、LaTaO₃、SrO、YSZ(ZrO₂·Y₂O₃)、YAG、Tb₃Ga₅O₁₂形成。

防擴(kuò)散層108、108a、108b根據(jù)防止擴(kuò)散的對(duì)象的元素適當(dāng)選擇就可以，例如可以使用共價(jià)鍵結(jié)合性較強(qiáng)的氧化物結(jié)晶或氮化物結(jié)晶形成。防擴(kuò)散層108、108a、108b的厚度分別例如是50nm以下。

另外，在防擴(kuò)散層108或后述的結(jié)晶生長層106那樣的具備與光致發(fā)光層110鄰接的層的結(jié)構(gòu)中，在鄰接的層的折射率比光致發(fā)光層的折射率大的情況下，設(shè)將該折射率較大的層的折射率及光致發(fā)光層的折射率用各自的體積比率加權(quán)后的平均折射率為n_wav。這是因?yàn)椋诖饲闆r下，在光學(xué)上與光致發(fā)光層由多個(gè)不同材料的層構(gòu)成的情況是等價(jià)的。

在使用無機(jī)材料形成的光致發(fā)光層110中，由于無機(jī)材料的結(jié)晶性較低，所以有時(shí)光致發(fā)光層110的發(fā)光特性較低。為了提高構(gòu)成光致發(fā)光層110的無機(jī)材料的結(jié)晶性，如圖36A所示，也可以在光致發(fā)光層110的基底上形成結(jié)晶生長層(有時(shí)也稱作“種晶(seed)層”)106。結(jié)晶生長層106使用與形成在其上的光致發(fā)光層110的結(jié)晶晶格匹配的材料形成。晶格匹配優(yōu)選的是例如±5％以內(nèi)。在基板140的折射率比光致發(fā)光層110的折射率大的情況下，如果結(jié)晶生長層106或106a的折射率比光致發(fā)光層110的折射率小則是有益的。

在基板140的折射率比光致發(fā)光層110的折射率大的情況下，如圖36B所示，只要在基板140上形成低折射率層107就可以。結(jié)晶生長層106與光致發(fā)光層110接觸，所以在基板140上形成低折射率層107的情況下，在低折射率層107上形成結(jié)晶生長層106。此外，如圖36C所示，在具備多個(gè)光致發(fā)光層110a及110b的結(jié)構(gòu)中，如果形成與多個(gè)光致發(fā)光層110a及110b分別對(duì)應(yīng)的結(jié)晶生長層106a或106b則是有益的。結(jié)晶生長層106、106a及106b的厚度分別例如是50nm以下。

如圖37A及圖37B所示，為了保護(hù)周期構(gòu)造120，也可以設(shè)置表面保護(hù)層132。在圖37A及37B所示的例子中，表面保護(hù)層132將周期構(gòu)造120覆蓋，表面保護(hù)層132的光致發(fā)光層110的表面是平坦的。

表面保護(hù)層132既可以是如圖37A所示那樣不具有基板的類型，也可以如圖37B所示那樣設(shè)為具備基板140的類型。在圖37A所示的不具有基板的類型的發(fā)光元件中，也可以在光致發(fā)光層110的下層也設(shè)置表面保護(hù)層。這樣，表面保護(hù)層132設(shè)在上述哪個(gè)發(fā)光元件的表面上都可以。周期構(gòu)造120并不限于在圖37A及圖37B中例示的結(jié)構(gòu)，是上述哪種類型都可以。例如，周期構(gòu)造120可以是由與光致發(fā)光層110相同的材料形成的構(gòu)造(參照?qǐng)D24)。在此情況下，空氣層也可以說是透光層。

表面保護(hù)層132可以使用例如樹脂、硬涂層(hard coat)材料、SiO₂、Al₂O₃(氧化鋁)、SiOC、DLC形成。表面保護(hù)層132的厚度例如是100nm～10μm。

通過設(shè)置表面保護(hù)層132，能夠保護(hù)發(fā)光元件免受外部環(huán)境侵害，抑制發(fā)光元件的劣化。表面保護(hù)層132保護(hù)發(fā)光元件的表面免受劃傷、水分、氧、酸、堿或熱的侵害。表面保護(hù)層132的材料及厚度可以根據(jù)用途適當(dāng)設(shè)定。

此外，基板140的材料有時(shí)會(huì)受熱而劣化。熱主要由光致發(fā)光層110的非輻射損失或斯托克斯損失發(fā)生。例如，石英的熱傳導(dǎo)率(1.6W/m·K)比YAG的熱傳導(dǎo)率(11.4W/m·K)小約1位。因而，由光致發(fā)光層(例如YAG層)110產(chǎn)生的熱不易穿過基板(例如石英基板)140向外部熱傳導(dǎo)而被散熱，有時(shí)光致發(fā)光層110的溫度上升而引起熱劣化。

所以，如圖38A所示，通過在光致發(fā)光層110與基板140之間形成透明高熱傳導(dǎo)層105，能夠使光致發(fā)光層110的熱向外部效率良好地傳導(dǎo)，防止溫度上升。此時(shí)，透明高熱傳導(dǎo)層105的折射率優(yōu)選的是比光致發(fā)光層110的折射率低。另外，在基板140的折射率比光致發(fā)光層110的折射率低的情況下，透明高熱傳導(dǎo)層105的折射率也可以比光致發(fā)光層110的折射率高。但是，在此情況下，由于透明高熱傳導(dǎo)層105與光致發(fā)光層110一起形成導(dǎo)波層，所以如果是50nm以下則是有益的。在作為基板140的材料而使用例如堿石灰玻璃的情況下，只要考慮基板140的折射率來決定用來形成透明高熱傳導(dǎo)層105的材料就可以。如圖38B所示，如果在光致發(fā)光層110與透明高熱傳導(dǎo)層105之間形成低折射率層107，則能夠利用較厚的透明高熱傳導(dǎo)層105。

此外，如圖38C所示，也可以用具有較高的熱傳導(dǎo)率的低折射率層107將周期構(gòu)造120覆蓋。進(jìn)而，如圖38D所示，也可以在將周期構(gòu)造120用低折射率層107覆蓋后形成透明高熱傳導(dǎo)層105。在該結(jié)構(gòu)中，低折射率層107不需要具有較高的熱傳導(dǎo)率。

作為透明高熱傳導(dǎo)層105的材料，例如可以舉出Al₂O₃、MgO、Si₃N₄、ZnO、AlN、Y₂O₃、金剛石、石墨、CaF₂、BaF₂。在它們之中，CaF₂、BaF₂由于折射率較低，所以能夠作為低折射率層107利用。

[11.發(fā)光元件的其他實(shí)施方式]

[11－1.向外部射出的光量的提高]

根據(jù)到此為止說明的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)不取決于反射器、透鏡等的光學(xué)部件的窄角配光。根據(jù)上述至少某種方式，例如關(guān)于特定的波長能夠?qū)⑾蛘娣较蛏涑龅墓獾闹赶蚪墙档偷?5°左右，上述各種各樣的方式對(duì)于被要求比較小的指向角的光設(shè)備特別有用。另一方面，在光設(shè)備中，也存在一般照明用的器具、車輛的頭燈或尾燈等不被要求較高的指向性的用途。在這樣的用途中，如果從發(fā)光元件輸出更多的光則是有益的。

本發(fā)明的發(fā)光元件的關(guān)于特定的波長的指向性可以推測是通過在光致發(fā)光層的內(nèi)部形成模擬導(dǎo)波模、將模擬導(dǎo)波模的光基于模擬導(dǎo)波模與周期構(gòu)造之間的相互作用向發(fā)光元件的外部取出來實(shí)現(xiàn)的。因此，如果使發(fā)光元件向外部放出模擬導(dǎo)波模的光的比率，則可以期待能夠使從發(fā)光元件向外部出來的光的量提高。

發(fā)光元件將模擬導(dǎo)波模的光向外部放出的比率，如參照?qǐng)D8～圖11說明那樣，根據(jù)構(gòu)成周期構(gòu)造的材料的折射率和周期構(gòu)造的高度而變化。如參照?qǐng)D8及圖9說明那樣，如果周期構(gòu)造的折射率變大，則將光封閉的效果減小(也可以說Q值下降)。因而，如果使周期構(gòu)造的折射率變大，則可以期待能夠?qū)⒏嗟墓庀虬l(fā)光元件的外部取出。此外，在使周期構(gòu)造的高度增大的情況下也同樣，能夠使發(fā)光元件將模擬導(dǎo)波模的光向外部放出的比率提高。此時(shí)，如果能夠降低向發(fā)光元件的外部射出的光中的高次的光的比例則是有益的。

[11－2.表面形狀的截面形狀與指向性的關(guān)系]

本發(fā)明的發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將周期構(gòu)造的截面形狀使用傅立葉級(jí)數(shù)表現(xiàn)時(shí)，根據(jù)在該級(jí)數(shù)中包含怎樣的高次的項(xiàng)，能夠估計(jì)從發(fā)光元件射出的高次的光的比例。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明者們的研究結(jié)果，當(dāng)著眼于某個(gè)波長時(shí)，從發(fā)光元件射出的光的次數(shù)與在周期構(gòu)造的截面形狀的傅立葉級(jí)數(shù)展開中包含的頻率成分的次數(shù)關(guān)聯(lián)。即，如果周期構(gòu)造的截面形狀的傅立葉級(jí)數(shù)展開包含高次的頻率成分，則從發(fā)光元件射出與傅立葉級(jí)數(shù)的項(xiàng)數(shù)對(duì)應(yīng)的高次的光。

圖39是表示計(jì)算包含僅1次(正弦波)、3次以內(nèi)、5次以內(nèi)及11次以內(nèi)的項(xiàng)的三角級(jí)數(shù)的結(jié)果的曲線圖。在圖39中，也一起顯示了表示矩形波的曲線圖。如圖示那樣，隨著高頻成分增加，三角級(jí)數(shù)的曲線圖的形狀接近于矩形波。因而，如圖40所示，從形成有包含截面形狀為矩形狀的多個(gè)凸部(或凹部)的周期構(gòu)造的發(fā)光元件，較多射出次數(shù)不同的高次的光。即，從這樣的發(fā)光元件發(fā)出的光中的1次的光的比例可以說比較低。

從使1次的光的比例增加的觀點(diǎn)看，周期構(gòu)造的截面形狀的傅立葉級(jí)數(shù)展開不包含更高次的項(xiàng)是有利的。從使1次的光的比例增加的觀點(diǎn)看，與包含截面形狀為矩形狀的多個(gè)凸部的周期構(gòu)造(圖40)相比，在傅立葉級(jí)數(shù)展開中包含的高次的項(xiàng)更少的、包含截面形狀為三角形狀的多個(gè)凸部的周期構(gòu)造(圖41A)是有利的。由于正弦波僅由1次的頻率成分構(gòu)成(參照?qǐng)D39)，所以周期構(gòu)造的截面形狀越是接近于正弦波(圖41B)，越能夠使朝向特定的方向射出的1次的光的比例增加。

[11－3.發(fā)光元件]

圖42示意地表示本發(fā)明的另一實(shí)施方式的發(fā)光元件的例示性的截面。圖42所示的發(fā)光元件100b具備基板140和支承在基板140上的光致發(fā)光層110。在圖42所例示的結(jié)構(gòu)中，在光致發(fā)光層110的與基板140相反側(cè)的表面上形成有周期構(gòu)造120b。另外，在該例中，與參照?qǐng)D19A說明的構(gòu)造同樣，在基板140的光致發(fā)光層110側(cè)的表面上形成有周期構(gòu)造120a。周期構(gòu)造120a及周期構(gòu)造120b限制光致發(fā)光層110發(fā)出的光中的特定的波長的光的指向角。

另外，在這里說明的例子中，基板140大致是平面狀。基板140的與光致發(fā)光層110相反側(cè)的主面PS典型地是平坦面，這里，主面PS與xy面平行?；?40及光致發(fā)光層110被沿著z方向?qū)盈B。圖42示意地表示發(fā)光元件100b的與光致發(fā)光層110垂直且與周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部的排列方向平行的截面(即垂直截面)。

光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b包括多個(gè)凸部。周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部包括具有當(dāng)從垂直截面觀察時(shí)寬度比頂部大的基部的至少1個(gè)凸部。周期構(gòu)造120b也可以局部地包括具有基部相比頂部寬度較大的截面形狀的1個(gè)以上的凸部?；蛘撸部梢远鄠€(gè)凸部分別具有寬度比頂部大的基部。

在圖示的例子中，沿著x方向排列的4個(gè)凸部的各自的截面形狀是梯形狀，例如，如果著眼于處于圖中最右側(cè)的凸部122b，則凸部122b的基部的寬度Bs比頂部的寬度Tp大。

通過使得周期構(gòu)造120b包括具有當(dāng)觀察垂直截面時(shí)寬度比頂部大的基部的至少1個(gè)凸部，能夠抑制周期構(gòu)造120b的截面形狀中的、沿著排列方向的高度的急劇的變化。因而，通過使得周期構(gòu)造120b包括具有當(dāng)觀察垂直截面時(shí)寬度比頂部大的基部的至少1個(gè)凸部，能夠使周期構(gòu)造的截面形狀接近于正弦波，使朝向特定的方向射出的1次的光的比例增加。

如圖示那樣，凸部122b也可以具有相對(duì)于與光致發(fā)光層110垂直的方向(這里平行于z方向)傾斜的側(cè)面。換言之，周期構(gòu)造120b也可以包括當(dāng)用與光致發(fā)光層110平行的平面(這里是xy面)切斷時(shí)、隨著該平面靠近基板140而截面積增大的至少1個(gè)凸部。在該例中，與光致發(fā)光層110平行的平面中的凸部122b的截面積在距光致發(fā)光層110最近的部分處最大。與光致發(fā)光層110平行的平面中的凸部的截面積既可以隨著從頂部朝向基部而單調(diào)地增加，也可以在從頂部到基部之間的一部分中增加。

在周期構(gòu)造120b包括多個(gè)凹部的情況下，多個(gè)凹部只要包括具有當(dāng)觀察垂直截面時(shí)寬度比底部大的開口部的至少1個(gè)凹部就可以。周期構(gòu)造120b既可以局部地包括具有這樣的截面形狀的1個(gè)以上的凹部，也可以是多個(gè)凹部分別具有寬度比底部大的開口部。在圖42所例示的結(jié)構(gòu)中，在解釋為周期構(gòu)造120b包括凹部124b的情況下，可以說凹部124b的側(cè)面相對(duì)于與光致發(fā)光層110垂直的方向傾斜。或者，當(dāng)用與光致發(fā)光層110平行的平面將周期構(gòu)造120b切斷時(shí)，也可以是，凹部124b的開口面積隨著該平面向基板140靠近而減小。在該例中，與光致發(fā)光層110平行的平面中的凹部124b的開口面積在距基板140最近的部分處最小。通過使得周期構(gòu)造120b包括具有當(dāng)觀察垂直截面時(shí)寬度比底部大的開口部的至少1個(gè)凹部，能夠得到周期構(gòu)造120b包括具有當(dāng)觀察垂直截面時(shí)寬度比頂部大的基部的至少1個(gè)凸部的情況同樣的效果。周期構(gòu)造120b既可以使用與光致發(fā)光層110相同的材料形成，也可以使用與光致發(fā)光層110不同的材料形成。

如上述那樣，在基板140上形成有周期構(gòu)造120a。周期構(gòu)造120a包括多個(gè)凸部。周期構(gòu)造120a既可以使用與基板140相同的材料形成，也可以使用與基板140不同的材料形成。上述光致發(fā)光層110以將這些多個(gè)凸部覆蓋的方式形成在基板140上。在圖42所例示的結(jié)構(gòu)中，光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部分別位于基板140上的周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凸部的各自之上。

在圖42所例示的結(jié)構(gòu)中，基板140典型地是透明基板，可以作為與光致發(fā)光層110接近配置的透光層發(fā)揮功能。在該例中，作為透光層的基板140與光致發(fā)光層110接觸，周期構(gòu)造120a可以說形成在透光層與光致發(fā)光層110的邊界處。在圖示的例子中，由于在光致發(fā)光層110上形成有周期構(gòu)造120b，所以發(fā)光元件100b也可以在與光致發(fā)光層110的基板140相反側(cè)還具有其他的透光層。

另外，如參照?qǐng)D35A～圖35D、圖36A～圖36C、圖38A及圖38B說明那樣，在光致發(fā)光層110與基板140之間，可以配置防擴(kuò)散層108、低折射率層107、結(jié)晶生長層106及透明高熱傳導(dǎo)層105等的中間層。此時(shí)，周期構(gòu)造120a設(shè)在透光層與光致發(fā)光層110的邊界處。在中間層的折射率比光致發(fā)光層的折射率大的情況下，只要設(shè)將中間層的折射率及光致發(fā)光層的折射率用各自的體積比率加權(quán)后的平均折射率為n_wav就可以。在中間層的折射率比光致發(fā)光層的折射率小的情況下，由于中間層幾乎不給導(dǎo)波模帶來影響，所以不需要考慮中間層的折射率。

在圖42中，粗實(shí)線的箭頭示意地表示通過與基板140上的周期構(gòu)造120a之間的相互作用向發(fā)光元件100b的外部取出的光，粗虛線的箭頭示意地表示通過與光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b之間的相互作用向發(fā)光元件100b的外部取出的光。在這里說明的實(shí)施方式中，在透光層(這里是基板140)的光致發(fā)光層110側(cè)的表面及光致發(fā)光層110的與透光層相反側(cè)的表面上，分別設(shè)有周期構(gòu)造120a及120b。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，如在圖42中示意地表示那樣，行進(jìn)方向通過與周期構(gòu)造120a的相互作用而被變更為特定的方向的光、和行進(jìn)方向通過與周期構(gòu)造120b的相互作用而被變更為特定的方向的光被向發(fā)光元件100b的外部取出。換言之，能夠得到在實(shí)效上與使周期構(gòu)造120a的高度或折射率、或者周期構(gòu)造120b的高度或折射率增大的情況同樣的效果。通過在透光層的光致發(fā)光層110側(cè)的表面及光致發(fā)光層110的與透光層相反側(cè)的表面上分別設(shè)置周期構(gòu)造，能夠使向發(fā)光元件100b的外部取出的光的量整體上增大。因而，能夠進(jìn)一步擴(kuò)大發(fā)光元件的適用范圍。

另外，周期構(gòu)造120a的周期p1(這里等于鄰接的兩個(gè)凸部之間的中心間距離)和周期構(gòu)造120b的周期p2(這里等于鄰接的兩個(gè)凸部之間的中心間距離)既可以相同也可以不同。如果p1與p2相等，則能夠使特定的波長的發(fā)光強(qiáng)度變大，如果p1與p2不同，則能夠擴(kuò)寬波譜。周期p1及p2只要基于上述式(15)決定就可以。

通過在作為透光層的基板140的表面及光致發(fā)光層110的表面上分別設(shè)置周期構(gòu)造120a及120b，能夠得到與光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b的截面形狀的疊加效果。結(jié)果，關(guān)于向特定的方向射出的特定的波長的光能夠得到更高的發(fā)光增強(qiáng)的效果。當(dāng)然，也可以將使周期構(gòu)造120a的高度或折射率、及/或周期構(gòu)造120b的高度或折射率增大的方法組合。

另外，關(guān)于構(gòu)成周期構(gòu)造的多個(gè)凸部或凹部，可以定義側(cè)面的“傾斜角”。圖43示意地表示包括多個(gè)凸部Pt的周期構(gòu)造的垂直截面的一部分。關(guān)于周期構(gòu)造中包括的多個(gè)凸部Pt中的包含在關(guān)注的范圍中的凸部Pt的各側(cè)面Ls，求出表示垂直于光致發(fā)光層110的方向的軸N1與側(cè)面Ls的法線Np所成的角θ(0°≦θ≦90°)的大小，將它們的算術(shù)平均值定義為側(cè)面的“傾斜角”。其中，θ為從軸N1朝向法線Np測量的角度。例如在側(cè)面Ls的截面形狀是臺(tái)階狀等、側(cè)面Ls包括多個(gè)面的情況下，只要關(guān)于各面求出上述角θ、使用它們的平均值就可以。上述角θ例如可以利用將發(fā)光元件的截面攝影得到的圖像的擬合(fitting)等來測量。

在側(cè)面Ls的垂直截面的輪廓包括曲線部分的情況下，關(guān)于其曲線部分，只要采用從其曲線部分的起點(diǎn)到終點(diǎn)之間的上述角θ的平均的值就可以。在由多個(gè)凹部構(gòu)成周期構(gòu)造的情況下，也能夠與由多個(gè)凸部構(gòu)成周期構(gòu)造的情況同樣地定義上述“傾斜角”。

在圖43所例示的結(jié)構(gòu)中，在光致發(fā)光層110上沿著x方向排列的4個(gè)凸部各自的截面形狀是梯形狀，在基板140上沿著x方向排列的4個(gè)凸部的各自的截面形狀是矩形狀。在該例中，光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部的側(cè)面的傾斜角比基板140上的周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凸部的側(cè)面的傾斜角(這里是90°)小。在周期構(gòu)造120b及周期構(gòu)造120a分別由多個(gè)凹部構(gòu)成的情況下，也可以是周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凹部的側(cè)面的傾斜角比周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凹部的側(cè)面的傾斜角小。

[11－4.側(cè)面的傾斜角與光的增強(qiáng)度之間的關(guān)系]

本發(fā)明的發(fā)明者們使用サイバネット公司的DiffractMOD進(jìn)行光學(xué)解析，驗(yàn)證了周期構(gòu)造的截面形狀給光的增強(qiáng)度帶來的影響。這里，與參照?qǐng)D2等說明的計(jì)算同樣，通過計(jì)算從外部相對(duì)于發(fā)光元件垂直地入射了光時(shí)的光致發(fā)光層中的光的吸收的增減，求出了向外部垂直射出的光的增強(qiáng)度。作為計(jì)算的模型，設(shè)想了圖43所示那樣的截面形狀。

在以下的計(jì)算中，假設(shè)光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部的各自的截面形狀(這里是梯形狀)在它們之間是共用的。此外，假設(shè)基板140上的周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凸部的各自的截面形狀(這里是矩形狀)也在它們之間是共用的。即，這里作為計(jì)算的模型而設(shè)想了在y方向上均勻的1維周期構(gòu)造。

在以下的計(jì)算中，設(shè)基板140的折射率為1.5，設(shè)光致發(fā)光層110的折射率為1.8。在計(jì)算中，設(shè)構(gòu)成周期構(gòu)造120b的材料與構(gòu)成光致發(fā)光層110的材料是共用的，此外，設(shè)構(gòu)成周期構(gòu)造120a的材料與構(gòu)成基板140的材料是共用的。設(shè)從周期構(gòu)造120a的凸部的基部到周期構(gòu)造120b的凸部的基部的距離h3為240nm，設(shè)周期構(gòu)造120a的凸部的高度h1及周期構(gòu)造120b的凸部的高度h2為100nm。設(shè)周期構(gòu)造120a的周期p1及周期構(gòu)造120b的周期p2都為400nm。

圖44表示改變周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部的側(cè)面的傾斜角、計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果。另外，設(shè)光的偏振光是具有與y方向平行的電場成分的TM模而進(jìn)行計(jì)算，調(diào)整頂部及基部的面積，以使得當(dāng)改變凸部的側(cè)面的傾斜角時(shí)凸部的垂直截面的面積為一定。

根據(jù)圖44可知，通過使配置在光致發(fā)光層110上的多個(gè)凸部的側(cè)面的傾斜角降低到40°左右，能夠使關(guān)于特定的波長的發(fā)光增強(qiáng)的效果提高?？紤]這是因?yàn)?，周期?gòu)造的截面形狀接近于正弦波，朝向特定的方向射出的1次的光的比例增加了。這樣可知，通過例如使周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部的側(cè)面的傾斜角比周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凸部的側(cè)面的傾斜角小，關(guān)于特定的波長能夠期待更高的發(fā)光增強(qiáng)的效果。

[11－5.發(fā)光元件的變形例]

圖45表示在光致發(fā)光層110上形成有包括具有傾斜的側(cè)面的凸部的周期構(gòu)造的發(fā)光元件的另一例。圖45所示的發(fā)光元件100c與圖43所示的發(fā)光元件100b之間的不同點(diǎn)是，在發(fā)光元件100c中，形成在基板140上的周期構(gòu)造120a包括具有傾斜的側(cè)面的多個(gè)凸部。

在圖45所例示的結(jié)構(gòu)中，在周期構(gòu)造120a中，沿著x方向排列的4個(gè)凸部的各自的截面形狀是梯形狀。例如，如果關(guān)注處于圖中的最右側(cè)的凸部122a，則與對(duì)應(yīng)的凸部122b同樣，凸部122a的基部的寬度Bs比頂部的寬度Tp大。這樣，基板140上的周期構(gòu)造120a也可以包括具有寬度比頂部大的基部的1個(gè)以上的凸部。在該例中，凸部122a的側(cè)面相對(duì)于與光致發(fā)光層110垂直的方向傾斜。

另外，在該例中，也可以解釋為基板140上的周期構(gòu)造120a包括多個(gè)凹部。在此情況下，例如周期構(gòu)造120a中的凹部124a具有當(dāng)觀察垂直截面時(shí)寬度比底部大的開口部。周期構(gòu)造120a也可以包括具有這樣的截面形狀的1個(gè)以上的凹部。凹部124a的側(cè)面相對(duì)于與光致發(fā)光層110垂直的方向傾斜，當(dāng)用與光致發(fā)光層110平行的平面將周期構(gòu)造120a切斷時(shí)，隨著該平面從周期構(gòu)造120b離開，凹部124a的開口面積減小。在該例中，與光致發(fā)光層110平行的平面中的凹部124a的開口面積在距基板140最近的部分處最小。

圖46表示改變光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b及基板140上的周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凸部的側(cè)面的傾斜角、計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果。這里，假設(shè)光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部各自的截面形狀與基板140上的周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凸部各自的截面形狀是共用的(這里是梯形狀)，進(jìn)行與參照?qǐng)D44說明的光學(xué)解析同樣的計(jì)算。根據(jù)圖46可知，通過使多個(gè)凸部的側(cè)面的傾斜角降低到40°左右，能夠使關(guān)于特定的波長的發(fā)光增強(qiáng)的效果提高。

另外，圖47表示使光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部的各自的截面形狀為矩形狀、使基板140上的周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凸部的各自的截面形狀為梯形狀時(shí)的計(jì)算結(jié)果。如圖47所示，如果基板140上的周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凸部的側(cè)面相對(duì)于與光致發(fā)光層110垂直的方向傾斜，則隨著傾斜角變小，關(guān)于特定的波長的光的增強(qiáng)度有增大的傾向。

[11－6.周期構(gòu)造的其他例示的截面形狀]

周期構(gòu)造120a及周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部的各自的截面形狀并不限定于矩形狀或梯形狀，可以是各種各樣的形狀。

圖48A～圖48D表示周期構(gòu)造的截面形狀的另一例。圖48A所示的周期構(gòu)造120d、圖48B所示的周期構(gòu)造120e及圖48C所示的周期構(gòu)造120f分別包括多個(gè)凸部122d、多個(gè)凸部122e及多個(gè)凸部122f。圖48A表示凸部122d的側(cè)面中的距凸部122d的基部較近的部分彎曲的構(gòu)造。圖48B表示凸部122e的側(cè)面中的距凸部122e的頂部較近的部分彎曲的構(gòu)造。圖48C表示凸部122f的側(cè)面中的距凸部122f的頂部較近的部分彎曲的構(gòu)造。這樣，構(gòu)成周期構(gòu)造的凸部(或凹部)的垂直截面的輪廓也可以包括曲線部分。如果光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部(或凹部)的側(cè)面的至少一部分、及/或基板140上的周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凸部(或凹部)的側(cè)面的至少一部分相對(duì)于與光致發(fā)光層110垂直的方向傾斜，則能夠降低向特定的方向射出的特定的波長的光中的高次的光的比例。另外，在圖示所示的例子中，凸部122d、凸部122e及凸部122f都是基部的寬度Bs比頂部的寬度Tp大。

圖48D所示的周期構(gòu)造120g其垂直截面的側(cè)面的輪廓包括臺(tái)階狀的多個(gè)凸部122g。這樣，構(gòu)成周期構(gòu)造120a的凸部(或凹部)的側(cè)面及/或構(gòu)成周期構(gòu)造120b的凸部(或凹部)的側(cè)面也可以在其一部分中包括臺(tái)階狀的部分。在該例中，凸部的右側(cè)的側(cè)面的形狀與凸部的左側(cè)的側(cè)面的形狀對(duì)稱，但凸部的截面形狀并不限定于該例。也可以是在凸部的左右側(cè)面的形狀不同。

在圖48D所例示的結(jié)構(gòu)中，凸部122g也可以說是將截面形狀為矩形狀的兩個(gè)凸部層疊的構(gòu)造。這樣的截面形狀包括當(dāng)沿著排列方向觀察時(shí)高度急劇地變化的部分。但是，如果排列方向上的兩個(gè)矩形的錯(cuò)位w較大，則能夠得到與使側(cè)面的傾斜角變小時(shí)同樣的效果。即，能夠?qū)陌l(fā)光元件向特定的方向射出的特定的波長的光中的高次的光的比例降低。此外，臺(tái)階狀的側(cè)面中的級(jí)數(shù)也能夠任意地設(shè)定。如果將臺(tái)階狀的側(cè)面中的級(jí)數(shù)增加，則凸部的截面形狀接近于三角形，所以同樣能夠降低高次的光的比例。

[11－7.表面構(gòu)造的截面形狀的控制方法]

如已經(jīng)說明那樣，通過應(yīng)用半導(dǎo)體工藝、納米刻印等的方法，能夠在基板140上形成周期構(gòu)造120a。然后，通過例如使用濺射在基板140上再形成熒光材料的膜，能夠形成光致發(fā)光層110、和包括與構(gòu)成周期構(gòu)造120a的多個(gè)凸部(或凹部)對(duì)應(yīng)的多個(gè)凸部(或凹部)的周期構(gòu)造120b。

在周期構(gòu)造120b的形成時(shí)，通過調(diào)整濺射中的環(huán)境氣體(例如氬氣)的壓力，能夠控制構(gòu)成周期構(gòu)造120b的多個(gè)凸部(或凹部)的截面形狀。如果濺射時(shí)的壓力比較低，則彈道性的輸送占主導(dǎo)，如在圖49A中示意地表示那樣，從靶極放出的材料粒子相對(duì)于基板140的表面大致垂直地碰撞。因此，基板140上的構(gòu)成周期構(gòu)造120a的多個(gè)凸部的截面形狀容易被反映到周期構(gòu)造120b的多個(gè)凸部的截面形狀中。此外，構(gòu)成環(huán)境氣體的分子的碰撞容易與干式蝕刻同樣地作用，角部有更尖的傾向。相對(duì)于此，如果濺射時(shí)的壓力比較高，則擴(kuò)散性的輸送占主導(dǎo)，如在圖49B中示意地表示那樣，從相對(duì)于基板140的表面傾斜的方向與基板140碰撞的材料粒子的比例增加。結(jié)果，容易形成更平滑的表面。

圖50A及圖50B表示通過在具有包括截面形狀是矩形狀且高度為170nm的多個(gè)凸部的周期構(gòu)造(周期：400nm)的石英基板上用濺射堆積YAG：Ce得到的試樣的垂直截面。圖50A及圖50B分別表示在環(huán)境氣體的壓力為0.3Pa及0.5Pa的條件下進(jìn)行成膜的試樣的截面。關(guān)于圖50A及圖50B所示的哪個(gè)試樣，都在靶極的燒蝕區(qū)域(從靶極彈出材料粒子的范圍)的正下方配置有石英基板的狀態(tài)下進(jìn)行成膜。

此外，通過調(diào)整基板140上的構(gòu)成周期構(gòu)造120a的多個(gè)凸部的高度(或凹部的深度)，能夠控制周期構(gòu)造120a的凸部的頂部的寬度(或凹部的開口部的寬度)與光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b的凸部的基部的寬度(或凹部的底部的寬度)的大小關(guān)系。

圖51A及圖51B示意地表示在基板140上的周期構(gòu)造120a中的凸部的高度比較小的情況下得到的光致發(fā)光材料的膜的截面形狀。圖51B表示從圖51A所示的狀態(tài)進(jìn)一步堆積了光致發(fā)光材料的狀態(tài)。在圖51中，著眼于周期構(gòu)造120a中的某個(gè)凸部、和對(duì)應(yīng)于該凸部的周期構(gòu)造120b中的凸部。在周期構(gòu)造120a中的凸部的高度比較小的情況下，有周期構(gòu)造120b的凸部的基部的寬度Bs相比周期構(gòu)造120a的凸部的頂部的寬度Tp變小的傾向。如果考慮在周期構(gòu)造120a中的鄰接的兩個(gè)凸部之間形成有凹部，并且在周期構(gòu)造120b中的鄰接的兩個(gè)凸部之間形成有與該凹部對(duì)應(yīng)的凹部，則周期構(gòu)造120b的凹部的底部的寬度Bm比周期構(gòu)造120a的凹部的開口部的寬度Op大。

圖51C表示通過在具有包括截面形狀是矩形狀、高度為60nm的多個(gè)凸部的周期構(gòu)造(周期：400nm)的石英基板上用濺射堆積YAG：Ce得到的試樣的垂直截面。在濺射中，設(shè)環(huán)境氣體的壓力為0.5Pa，在靶極的燒蝕區(qū)域的正下方配置有石英基板。

圖52A及圖52B示意地表示在基板140上的周期構(gòu)造120a中的凸部的高度比較大的情況下得到的光致發(fā)光材料的膜的截面形狀。圖52B表示從圖52A所示的狀態(tài)將光致發(fā)光材料進(jìn)一步堆積的狀態(tài)。在圖52B中，著眼于周期構(gòu)造120a中的某個(gè)凸部、和與該凸部對(duì)應(yīng)的周期構(gòu)造120b中的凸部。在周期構(gòu)造120a中的凸部的高度比較大的情況下，有周期構(gòu)造120b的凸部的基部的寬度Bs與周期構(gòu)造120a的凸部的頂部的寬度Tp相比變大的傾向。如果考慮在周期構(gòu)造120a中的鄰接的兩個(gè)凸部之間形成有凹部，并且在周期構(gòu)造120b中的鄰接的兩個(gè)凸部之間形成有與該凹部對(duì)應(yīng)的凹部，則周期構(gòu)造120b的凹部的底部的寬度Bm比周期構(gòu)造120a的凹部的開口部的寬度Op小。

圖52C表示通過在具有包括截面形狀是矩形狀、高度為200nm的多個(gè)凸部的周期構(gòu)造(周期：400nm)的石英基板上用濺射堆積YAG：Ce得到的試樣的垂直截面。濺射中的環(huán)境氣體的壓力為0.5Pa。另外，在該例中，在將石英基板配置在從靶極的燒蝕區(qū)域的正下方稍稍錯(cuò)開的地方的狀態(tài)下進(jìn)行堆積。因此可知，下側(cè)的凸部(形成在石英基板上的凸部)的重心位置和上側(cè)(形成在YAG層上的凸部)的凸部的重心位置沿著排列方向稍稍錯(cuò)開。

[11－8.周期構(gòu)造120b相對(duì)于周期構(gòu)造120a的偏移]

在圖43及圖45所例示的結(jié)構(gòu)中，周期構(gòu)造120b的多個(gè)凸部分別位于周期構(gòu)造120a的多個(gè)凸部的各自的正上方。但是，如在圖52C中例示那樣，在基板140上的凸部(或凹部)與光致發(fā)光層110上的對(duì)應(yīng)的凸部(或凹部)之間，它們的中心不需要完全一致。如以下說明那樣，在基板140上的周期構(gòu)造120a及光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b中，也有以它們的一方為基準(zhǔn)、另一方沿著排列方向偏移了一定量能得到更高的發(fā)光增強(qiáng)的效果的情況。

本發(fā)明的發(fā)明者們通過光學(xué)解析，驗(yàn)證了相對(duì)于基板140上的周期構(gòu)造120a的、光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b的沿著排列方向的偏移量給光的增強(qiáng)度帶來的影響。在光學(xué)解析中，使用サイバネット公司的Diffract MOD。作為計(jì)算的模型，使用與參照?qǐng)D44等說明的例子同樣的、在基板140上及光致發(fā)光層110上形成有在y方向上均勻的1維周期構(gòu)造的構(gòu)造。但是，這里如圖53所示，假設(shè)周期構(gòu)造120a中及周期構(gòu)造120b中的各凸部的截面形狀是矩形狀(側(cè)面的傾斜角為90°)而進(jìn)行了計(jì)算。

圖53是用來說明周期構(gòu)造120a與周期構(gòu)造120b之間的偏移量的示意性的剖面圖。周期構(gòu)造間的偏移量可以用相對(duì)于周期構(gòu)造的周期的、沿著排列方向的錯(cuò)開的大小來表示。沿著排列方向的錯(cuò)開的大小如圖示那樣，例如定義為周期構(gòu)造120a中的凸部的基部的右端的位置與周期構(gòu)造120b中的對(duì)應(yīng)的凸部的基部的右端的位置之間的沿著排列方向的距離St。在圖53中，最上方的截面是偏移量St為0的狀態(tài)，最下方的截面是偏移量St為周期的50％的狀態(tài)。另外，在本說明書中，將周期構(gòu)造120a中的某個(gè)凸部(或凹部)與周期構(gòu)造120b中的某個(gè)凸部(或凹部)在不超過周期的50％的范圍中沿著排列方向錯(cuò)開的狀態(tài)表現(xiàn)為“對(duì)應(yīng)”。

圖54表示改變以周期構(gòu)造120a為基準(zhǔn)的周期構(gòu)造120b的偏移量、計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果。如圖54所示，隨著偏移量增大，發(fā)光的峰值變高。但是，如果偏移量達(dá)到周期構(gòu)造的周期的50％，則與偏移量為40％的情況相比峰值下降。這里，在偏移量是周期的30％及40％的情況下，得到了較高的發(fā)光增強(qiáng)的效果。

根據(jù)圖54可知，通過使基板140上的周期構(gòu)造120a和光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b以周期的50％為上限沿著排列方向偏移，關(guān)于特定的波長有可能能得到更高的發(fā)光增強(qiáng)的效果。這樣，在基板140上的周期構(gòu)造120a中的多個(gè)凸部(或凹部)與光致發(fā)光層110上的周期構(gòu)造120b中的多個(gè)凸部(或凹部)之間，不需要它們的中心完全一致，而容許某種程度的偏移。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本發(fā)明的發(fā)光元件及發(fā)光裝置以照明器具、顯示器、投影機(jī)為代表，能夠應(yīng)用到各種各樣的光學(xué)設(shè)備中。

標(biāo)號(hào)說明

100、100a～100c 發(fā)光元件

110 光致發(fā)光層(導(dǎo)波層)

120、120’、120a～120g 透光層(周期構(gòu)造，亞微米構(gòu)造)

140 基板

150 保護(hù)層

180 光源

200 發(fā)光裝置