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

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，根據(jù)其用途需要向所需的方向射出光。但是，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。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2010-231941號公報(bào)

技術(shù)實(shí)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(shí)，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)光材料的發(fā)光效率、指向性或偏振特性進(jìn)行控制的具有新型結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件。

用于解決問題的手段

本申請的某個(gè)實(shí)施方式的發(fā)光器件具備：光致發(fā)光層，該光致發(fā)光層接受激發(fā)光而發(fā)出規(guī)定波長的光；以及射入上述光的透光層，其中，表面結(jié)構(gòu)通過上述光致發(fā)光層和上述透光層中的至少一者來形成，上述表面結(jié)構(gòu)包含多個(gè)凸部和多個(gè)凹部中的至少一者，并對光的指向角進(jìn)行限制，上述光致發(fā)光層和上述透光層彎曲。

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(shí)現(xiàn)。

發(fā)明效果

本申請的某些實(shí)施方式的發(fā)光器件具有新型構(gòu)成，能夠根據(jù)新的機(jī)理對亮度、指向性或偏振特性進(jìn)行控制。

附圖說明

圖1A是表示第一實(shí)施方式的發(fā)光器件的構(gòu)成例的立體示意圖。

圖1B是圖1A所示的發(fā)光器件的剖視示意圖。

圖1C是表示第一實(shí)施方式的發(fā)光器件的構(gòu)成例的立體示意圖。

圖1D是圖1C所示的發(fā)光器件的剖視示意圖。

圖2是表示分別改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的周期來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖3是表示在m＝1和m＝3的情況下滿足式(9)的區(qū)域的圖。

圖4是表示分別改變發(fā)光波長和光致發(fā)光層的厚度來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖5A是表示計(jì)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)果的一個(gè)例子的圖。

圖5B是表示計(jì)算向x方向?qū)Рǖ哪Ｊ降碾妶龇植嫉慕Y(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖5C是表示計(jì)算向x方向?qū)Рǖ哪Ｊ降碾妶龇植嫉慕Y(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖6是表示分別改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的周期來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖7A是表示二維周期結(jié)構(gòu)的例子的俯視示意圖。

圖7B是表示分別改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的周期來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖8是表示分別改變發(fā)光波長和透光構(gòu)件的折射率來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖9是表示分別改變發(fā)光波長和透光構(gòu)件的折射率來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖10是表示分別改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的高度來計(jì)算向正面方向射 出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖11是表示分別改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的高度來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖12是表示分別改變發(fā)光波長和透光構(gòu)件的折射率來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖13是表示分別改變發(fā)光波長和透光構(gòu)件的折射率來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖14是表示分別改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的周期來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖15是圖示出在m＝1和m＝3的情況下滿足式(14)的區(qū)域的圖。

圖16是表示第一實(shí)施方式的發(fā)光裝置的構(gòu)成例的剖視示意圖。

圖17A是表示第一實(shí)施方式的具有一維周期結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件的構(gòu)成例的立體示意圖。

圖17B是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有二維周期結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件的構(gòu)成的立體示意圖。

圖17C是表示圖17A所示的發(fā)光器件中的光的吸收光譜的圖。

圖17D是表示圖17B所示的發(fā)光器件中的光的吸收光譜的圖。

圖18A是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的二維周期結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。

圖18B是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的二維周期結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。

圖19A是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的在透明基板上形成了周期結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖19B是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的在透明基板上形成了周期結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖19C是表示分別改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的周期來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖20是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的多個(gè)粉末狀發(fā)光器件的示意圖。

圖21是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的排列了周期不同的多個(gè) 周期結(jié)構(gòu)的構(gòu)成的俯視示意圖。

圖22A是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的排列了凸部延伸方向不同的多個(gè)一維周期結(jié)構(gòu)的構(gòu)成的俯視示意圖。

圖22B是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的排列了周期方向不同的多個(gè)二維周期結(jié)構(gòu)的構(gòu)成的俯視示意圖。

圖23是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的層疊了多個(gè)周期結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖24是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有保護(hù)層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖25是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具備具有周期結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光層的發(fā)光器件的構(gòu)成例的剖視示意圖。

圖26是用于說明在圖25所示的光致發(fā)光層中光的出射方向的剖視示意圖。

圖27是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具備微透鏡的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖28A是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有發(fā)光波長不同的多個(gè)光致發(fā)光層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖28B是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有發(fā)光波長不同的多個(gè)光致發(fā)光層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖29A是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有防擴(kuò)散層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖29B是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有防擴(kuò)散層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖29C是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有防擴(kuò)散層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖29D是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有防擴(kuò)散層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖30A是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有晶體生長層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖30B是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有晶體生長層的發(fā) 光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖30C是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有晶體生長層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖31A是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有表面保護(hù)層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖31B是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有表面保護(hù)層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖32A是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有導(dǎo)熱層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖32B是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有導(dǎo)熱層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖32C是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有導(dǎo)熱層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖32D是表示作為第一實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有導(dǎo)熱層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖33是表示發(fā)光器件的樣品的截面TEM像的一個(gè)例子的圖。

圖34是表示由發(fā)光器件的樣品向正面方向射出的光的光譜的一個(gè)例子的圖。

圖35A是表示TM模式直線偏振光的方向、一維周期結(jié)構(gòu)條紋的朝向與發(fā)光器件的旋轉(zhuǎn)方向之間的關(guān)系的示意圖。

圖35B是表示對TM模式成分的光譜的出射角依賴性進(jìn)行了測定的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖35C是表示對TM模式成分的光譜的出射角依賴性進(jìn)行了計(jì)算的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖35D是表示TE模式直線偏振光的方向、一維周期結(jié)構(gòu)條紋的朝向與發(fā)光器件的旋轉(zhuǎn)方向之間的關(guān)系的示意圖。

圖35E是表示對TE模式成分的光譜的出射角依賴性進(jìn)行了測定的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖35F是表示對TE模式成分的光譜的出射角依賴性進(jìn)行了計(jì)算的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖36A是表示TE模式直線偏振光的方向、一維周期結(jié)構(gòu)條紋的朝向與發(fā)光器件的旋轉(zhuǎn)方向之間的關(guān)系的示意圖。

圖36B是表示對TE模式成分的光譜的出射角依賴性進(jìn)行了測定的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖36C是表示對TE模式成分的光譜的出射角依賴性進(jìn)行了計(jì)算的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖36D是表示TM模式直線偏振光的方向、一維周期結(jié)構(gòu)條紋的朝向與發(fā)光器件的旋轉(zhuǎn)方向之間的關(guān)系的示意圖。

圖36E是表示對TM模式成分的光譜的出射角依賴性進(jìn)行了測定的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖36F是表示對TM模式成分的光譜的出射角依賴性進(jìn)行了計(jì)算的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖37是表示對波長為610nm的TM模式成分的強(qiáng)度的出射角依賴性進(jìn)行了測定的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖38是示意性地表示平板型波導(dǎo)的一個(gè)例子的立體圖。

圖39是表示第二實(shí)施方式的發(fā)光器件的構(gòu)成例的剖視示意圖。

圖40是表示作為第二實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有透光層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖41是表示作為第二實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有透明基板的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖42是表示作為第二實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有保護(hù)層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖43是表示作為第二實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有中間層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖44是表示對彎曲了的光致發(fā)光層的表面的形狀進(jìn)行了測定的結(jié)果的一個(gè)例子的圖。

圖45是表示第三實(shí)施方式的發(fā)光器件的構(gòu)成例的剖視示意圖。

圖46是表示作為第三實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有透光層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖47是將顯示光致發(fā)光層的一部分放大表示的剖視示意圖。

圖48是將顯示光致發(fā)光層的一部分放大表示的剖視示意圖。

圖49是表示作為第三實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有凸形狀的光致發(fā)光層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖。

圖50是表示作為第三實(shí)施方式的一個(gè)變形例的具有光致發(fā)光層的發(fā)光器件的構(gòu)成的剖視示意圖，其中，光致發(fā)光層具有傾斜平面。

圖51是表示具有多個(gè)凸部和多個(gè)凹部中的至少一者的表面結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的剖視示意圖。

符號說明

100、100a、100d、100e、100f、100g、100h、100i 發(fā)光器件

105 導(dǎo)熱層

106、106a、106b 晶體生長層

107 低折射率層

108、108a、108b 防擴(kuò)散層

110、110a、110b、110d、110e、110g、110h、110i、110r、110y 光致發(fā)光層

110t 頂面

120、120’、120d、120e 透光構(gòu)件

120b、120g、120h、120i、120j、120k、120m、120n、120r 周期結(jié)構(gòu)

130 微透鏡

132 表面保護(hù)層

140、140e 基板(透明基板)

150 保護(hù)層

160 中間層

180 光源

200 發(fā)光裝置

具體實(shí)施方式

(實(shí)施方式的概要)

一個(gè)實(shí)施方式的發(fā)光器件具有：光致發(fā)光層，該光致發(fā)光層接受激發(fā) 光而發(fā)出空氣中的波長為λ_a的光；透光層，該透光層以與光致發(fā)光層接近的方式配置；以及表面結(jié)構(gòu)，該表面結(jié)構(gòu)形成在透光層的表面上，并包含多個(gè)凸部和多個(gè)凹部中的至少一者。表面結(jié)構(gòu)對光致發(fā)光層所發(fā)出的空氣中的波長為λ_a的光的指向角進(jìn)行限制。光致發(fā)光層和透光層彎曲。

一個(gè)實(shí)施方式的發(fā)光器件具有：光致發(fā)光層，該光致發(fā)光層接受激發(fā)光而發(fā)出空氣中的波長為λ_a的光；透光層，該透光層具有比光致發(fā)光層高的折射率；以及表面結(jié)構(gòu)，該表面結(jié)構(gòu)形成在透光層的表面上，并包含多個(gè)凸部和多個(gè)凹部中的至少一者。表面結(jié)構(gòu)對光致發(fā)光層所發(fā)出的空氣中的波長為λ_a的光的指向角進(jìn)行限制。光致發(fā)光層和透光層彎曲。

一個(gè)實(shí)施方式的發(fā)光器件具有：光致發(fā)光層，該光致發(fā)光層接受激發(fā)光而發(fā)出空氣中的波長為λ_a的光；以及表面結(jié)構(gòu)，該表面結(jié)構(gòu)形成在光致發(fā)光層的表面上，并包含多個(gè)凸部和多個(gè)凹部中的至少一者。表面結(jié)構(gòu)對光致發(fā)光層所發(fā)出的空氣中的波長為λ_a的光的指向角進(jìn)行限制。光致發(fā)光層彎曲。

一個(gè)實(shí)施方式的發(fā)光器件具有：光致發(fā)光層，該光致發(fā)光層接受激發(fā)光而發(fā)出空氣中的波長為λ_a的光；透光層，該透光層與光致發(fā)光層接觸；以及表面結(jié)構(gòu)，該表面結(jié)構(gòu)形成在光致發(fā)光層與透光層的界面，并包含多個(gè)凸部和多個(gè)凹部中的至少一者。表面結(jié)構(gòu)對光致發(fā)光層所發(fā)出的空氣中的波長為λ_a的光的指向角進(jìn)行限制。光致發(fā)光層和透光層彎曲。

上述任一個(gè)發(fā)光器件還可以具有支撐光致發(fā)光層的基板。進(jìn)而，光致發(fā)光層和基板也可以彎曲。

一個(gè)實(shí)施方式的發(fā)光器件具有：光致發(fā)光層，該光致發(fā)光層接受激發(fā)光而發(fā)出空氣中的波長為λ_a的光；以及表面結(jié)構(gòu)，該表面結(jié)構(gòu)形成在光致發(fā)光層的表面上，并包含多個(gè)凸部和多個(gè)凹部中的至少一者。表面結(jié)構(gòu)對光致發(fā)光層所發(fā)出的空氣中的波長為λ_a的光的指向角進(jìn)行限制。光致發(fā)光層的厚度從光致發(fā)光層的端部朝著中央部減少或增加。

例如，光致發(fā)光層的厚度也可以從光致發(fā)光層上的一個(gè)端部朝著另一個(gè)端部減少或增加。

例如，上述發(fā)光器件還可以具有支撐光致發(fā)光層的基板。表面結(jié)構(gòu)也可以形成在光致發(fā)光層中與基板相對置的面的相反側(cè)。

就上述任一個(gè)發(fā)光器件而言，表面結(jié)構(gòu)也可以將光致發(fā)光層所發(fā)出的空氣中的波長為λ_a的光的指向角限制為小于15°。

就上述任一個(gè)發(fā)光器件而言，當(dāng)將表面結(jié)構(gòu)中相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設(shè)定為D_int、將光致發(fā)光層對空氣中的波長為λ_a的光的折射率設(shè)定為n_wav-a時(shí)，也可以成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關(guān)系。

就上述任一個(gè)發(fā)光器件而言，表面結(jié)構(gòu)也可以具有至少一個(gè)周期結(jié)構(gòu)，當(dāng)將至少一個(gè)周期結(jié)構(gòu)的周期設(shè)定為p_a時(shí)，也可以成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜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)。在利用紅外線的用途中，波長λ_a也可以超過780nm；在利用紫外線的用途中，波長λ_a也可以小于380nm。本申請中，為了方便起見而將包括紅外線和紫外線在內(nèi)的電磁波全部示為“光”。

光致發(fā)光層含有光致發(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)光材料包括熒光材料和磷光材料，包括無機(jī)材料和有機(jī)材料(例如色素)，包括塊狀半導(dǎo)體(bulk semiconductor)和量子點(diǎn)(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(jī)材料、樹脂。

透光層是對光致發(fā)光層所發(fā)出的光的透射率高的材料，例如，由無機(jī)材料、樹脂形成。透光層例如可以由電介質(zhì)(特別是，光的吸收少的絕緣體)形成。透光層例如可以是支撐光致發(fā)光層的基板。在光致發(fā)光層的空氣側(cè)的表面具有后述的亞微米結(jié)構(gòu)的情況下，透光層也可以是空氣層。

光致發(fā)光層和透光層中的至少一者的表面形成包含多個(gè)凸部和多個(gè)凹部的至少一者的表面結(jié)構(gòu)。這里，某層的“表面”是指該層與其他物質(zhì)接觸的部分(即界面)。在透光層為氣體層(例如空氣層)的情況下，氣體層與其他物質(zhì)(例如光致發(fā)光層)之間的界面為氣體層的表面。換言之，表面結(jié)構(gòu)以彼此相鄰的折射率不同的多個(gè)介質(zhì)(例如，層或構(gòu)件)的邊界面的形式形成。

表面結(jié)構(gòu)典型地包含周期結(jié)構(gòu)?！爸芷诮Y(jié)構(gòu)”通過以一維或二維周期性排列而成的多個(gè)凸部和/或多個(gè)凹部來形成。橫切屬于周期結(jié)構(gòu)的多個(gè)凸部和/或多個(gè)凹部的規(guī)定方向上的折射率沿該方向周期性地變動(dòng)。

周期結(jié)構(gòu)的例子可以列舉出：俯視時(shí)多個(gè)凸部(或多個(gè)凹部)的各中心以周期性排列的結(jié)構(gòu)；或俯視時(shí)多個(gè)凸部(或多個(gè)凹部)的規(guī)定端邊以周期性排列的結(jié)構(gòu)。

這里，“周期性”不限于嚴(yán)格地周期性的形態(tài)，包括可稱作近似地周期性的形態(tài)。例如，在周期結(jié)構(gòu)內(nèi)多個(gè)凸部(或多個(gè)凹部)的相鄰兩個(gè)中心間的距離均落入0.85p～1.15p的范圍內(nèi)的情況下，該凸部(或凹部)的周期可以視為近似地固定的周期p。例如，周期的基準(zhǔn)也可以用凸部或凹部的規(guī)定側(cè)面來代替凸部或凹部的中心。

本申請中，“凸部”是指相對于某個(gè)基準(zhǔn)面凸出的部分?！鞍疾俊笔侵赶鄬τ谀硞€(gè)基準(zhǔn)面凹下的部分?；鶞?zhǔn)面例如是指將彼此遠(yuǎn)離的多個(gè)凸部或凹部之間連起來的面?；鶞?zhǔn)面既可以是平面也可以是曲面。根據(jù)表面結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、分布，有時(shí)候多個(gè)面可作為基準(zhǔn)面來進(jìn)行選擇。在這種情況下，根據(jù)從這些面之中選擇哪一個(gè)作為基準(zhǔn)面，凸部或凹部相對地確定。該相對性是源于表面結(jié)構(gòu)以多個(gè)介質(zhì)的邊界面的形式形成。

“凸部”和“凹部”嚴(yán)格地以多個(gè)介質(zhì)之間的邊界面的形式形成，但以下有時(shí)會以好像是屬于一個(gè)介質(zhì)那樣的方式來進(jìn)行說明。但是，這僅是為了方便進(jìn)行說明，并不是限定本申請的主旨。例如，圖51所示的剖視圖可以解釋為構(gòu)件610具有凹部、構(gòu)件620具有凸部，但也可以與其相反地進(jìn)行解釋。不管如何解釋，都不改變是通過構(gòu)件610和構(gòu)件620來形成多個(gè)凸部和凹部中的至少一者。

相鄰的兩個(gè)凸部的中心間的距離或相鄰的兩個(gè)凹部的中心間的距離例如比由光致發(fā)光層所發(fā)出的光在空氣中的波長λ_a短。在由光致發(fā)光層所發(fā)出的光為可見光、短波長的近紅外線或紫外線的情況下，該距離比微米量級(即微米級)短。因此，有時(shí)將這種表面結(jié)構(gòu)稱作“亞微米結(jié)構(gòu)”。另外，亞微米結(jié)構(gòu)也可以包含上述中心間的距離超過1微米(μm)的區(qū)域。

下述說明對以光為可見光、表面結(jié)構(gòu)為亞微米結(jié)構(gòu)的例子進(jìn)行說明。但是，下述說明對于除了上述以外的情況也同樣成立。例如，下述說明對于光為紅外線、表面結(jié)構(gòu)為微米級的結(jié)構(gòu)的情況也同樣成立。

對于本申請的各種實(shí)施方式的發(fā)光器件而言，如后面參照計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果所詳述的那樣，在光致發(fā)光層和透光層的內(nèi)部形成獨(dú)特的電場分 布。該電場分布是由于導(dǎo)波光與亞微米結(jié)構(gòu)相互作用而形成的?？梢詫⑿纬蛇@種電場分布的光的模式表示為“模擬導(dǎo)波模式”。具體來說，模擬導(dǎo)波模式是指通過將發(fā)光封閉在光致發(fā)光層和/或透光層的內(nèi)部從而使電場向特定方向被增強(qiáng)的模式，而且該模擬導(dǎo)波模式是通過使發(fā)光射入亞微米結(jié)構(gòu)從而使發(fā)光由光致發(fā)光層和/或透光層射出的模式。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、光的指向性提高和/或偏振光的選擇性提高這樣的效果。另外，下述說明中，有時(shí)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)的新型結(jié)構(gòu)和/或新型的機(jī)理進(jìn)行說明。該說明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)內(nèi)的相鄰的凸部(或凹部)之間的中心間的距離D_int、光在空氣中的波長λ_a和光致發(fā)光層的折射率n_wav-a可以滿足λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關(guān)系。另外，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-a。光致發(fā)光層除了包含含有光致發(fā)光材料的層，還可以包含其他層。在該其他層具有例如比含有光致發(fā)光材料的層還大的折射率的情況下，將這些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-a。

介質(zhì)對模擬導(dǎo)波模式的光的有效折射率n_eff滿足n_a＜n_eff＜n_wav-a。這里，n_a是空氣的折射率。例如，當(dāng)模擬導(dǎo)波模式的光僅在光致發(fā)光層的內(nèi)部一邊以反射角θ全反射一邊傳播時(shí)，有效折射率n_eff為例如n_eff＝n_wav-asinθ。但是，由于有效折射率n_eff根據(jù)模擬導(dǎo)波模式的電場分布的介質(zhì)的折射率而確定，因此例如在透光層上形成了亞微米結(jié)構(gòu)的情況下，有效折射率n_eff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。

模擬導(dǎo)波模式的電場分布根據(jù)偏振方向(即TE模式與TM模式)的不同而不同。因此，就TE模式與TM模式而言，有效折射率n_eff可能不同。

亞微米結(jié)構(gòu)是通過光致發(fā)光層和透光層中的至少一者來形成的。例如，在光致發(fā)光層與透光層互相接觸的情況下，亞微米結(jié)構(gòu)被形成在兩者的界面上。在這種情況下，可以視為光致發(fā)光層和透光層具有亞微米結(jié)構(gòu)。

光致發(fā)光層可以不具有亞微米結(jié)構(gòu)而透光層具有亞微米結(jié)構(gòu)。進(jìn)而，只要是導(dǎo)波模式的電場達(dá)到亞微米結(jié)構(gòu)、形成模擬導(dǎo)波模式，則透光層與 光致發(fā)光層可以遠(yuǎn)離。例如，透光層的折射率也可以大于光致發(fā)光層的折射率?；蛘撸腹鈱右部梢砸耘c光致發(fā)光層接近的方式配置。在任一情況下，導(dǎo)波模式的電場均能夠到達(dá)亞微米結(jié)構(gòu)，形成模擬導(dǎo)波模式。另外，“透光層與光致發(fā)光層接近”是指這些層之間的距離為波長λ_a的一半以下。亞微米結(jié)構(gòu)與光致發(fā)光層之間的距離也可以是波長λ_a的一半以下。

在亞微米結(jié)構(gòu)包含周期結(jié)構(gòu)的情況下，周期結(jié)構(gòu)的周期p_a滿足λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關(guān)系。在這種情況下，介質(zhì)中的光一邊反復(fù)全反射，一邊與周期結(jié)構(gòu)反復(fù)進(jìn)行相互作用。由此，模擬導(dǎo)波模式的光一邊在介質(zhì)中傳播，一邊被周期結(jié)構(gòu)衍射。該現(xiàn)象與在自由空間傳播的光被周期結(jié)構(gòu)衍射的現(xiàn)象不同。模擬導(dǎo)波模式的光即使由周期結(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。

如果電場被模擬導(dǎo)波模式增強(qiáng)，則光致發(fā)光的發(fā)光效率增大，該發(fā)光與模擬導(dǎo)波模式結(jié)合。

模擬導(dǎo)波模式的光的進(jìn)行角度僅彎曲被周期結(jié)構(gòu)規(guī)定的衍射角度。由此，能夠向特定方向射出特定波長的光。即，周期結(jié)構(gòu)與不存在周期結(jié)構(gòu)的情況相比，出射光的指向角被限制為狹窄的角度。進(jìn)而，在TE模式與TM模式中有效折射率n_eff(＝n_wav-asinθ)不同的情況下，能夠提高偏振光的選擇性。例如，能夠得到較強(qiáng)地向正面方向射出特定波長的直線偏振光(例如TM模式)的發(fā)光器件。此時(shí)，向正面方向射出的光的指向角例如小于15°。

這里，“指向角”就射出后的特定波長的直線偏振光定義為強(qiáng)度最大方向與強(qiáng)度是最大強(qiáng)度的50％的方向之間的角度。即，指向角是當(dāng)將射出后的特定波長的直線偏振光的強(qiáng)度最大方向設(shè)定為0°時(shí)強(qiáng)度是最大強(qiáng)度的50％方向的角度。另外，“正面方向”例如是凸部突出的方向或凹部凹下的方向，其是與排列有凸部或凹部的面垂直的方向。

周期結(jié)構(gòu)對波長λ_a的光的指向角進(jìn)行限制，但并不是說波長λ_a的光全部都是以狹角射出。例如，在后述的圖37所示的例中，向偏離了強(qiáng)度最大方向的角度(例如20°～70°)的方向也稍許射出波長λ_a的光。但是，整體上來說，波長λ_a的出射光集中在0°～20°的范圍，指向角被限制。

周期結(jié)構(gòu)與常規(guī)的衍射光柵不同，其具有比光的波長λ_a短的周期。常 規(guī)的衍射光柵使特定波長的光分成0次光(即透射光)、±1次衍射光等多個(gè)衍射光來射出。此時(shí)，高次衍射光向從0次光的出射方向僅偏離了規(guī)定角度的方向射出。該高次衍射光難以實(shí)現(xiàn)向狹角布光。換言之，現(xiàn)有的衍射光柵無法將光的指向角限制為規(guī)定角度(例如15°左右)。

亞微米結(jié)構(gòu)具有越高的周期性，則越能夠提高指向性、發(fā)光效率、偏振度和波長選擇性。周期結(jié)構(gòu)既可以是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)。

亞微米結(jié)構(gòu)可以包含多個(gè)周期結(jié)構(gòu)。多個(gè)周期結(jié)構(gòu)例如周期(間距)互相不同。或者，多個(gè)周期結(jié)構(gòu)例如具有周期性的方向(軸)互相不同。多個(gè)周期結(jié)構(gòu)既可以形成在同一個(gè)面內(nèi)，也可以層疊。發(fā)光器件還可以具有多個(gè)光致發(fā)光層和多個(gè)透光層，這些層也可以具有多個(gè)亞微米結(jié)構(gòu)。

亞微米結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒓ぐl(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)衍射而與將光致發(fā)光層和/或透光層導(dǎo)波的模擬導(dǎo)波模式結(jié)合，由此能夠高效地使得光致發(fā)光層內(nèi)的光致發(fā)光材料激發(fā)。激發(fā)光在空氣中的波長λ_ex和光致發(fā)光層對該激發(fā)光的折射率n_wav-ex例如滿足λ_ex/n_wav-ex＜D_int＜λ_ex的關(guān)系。在亞微米結(jié)構(gòu)包含周期結(jié)構(gòu)的情況下，周期結(jié)構(gòu)的周期p_a也可以滿足λ_ex/n_wav-ex＜p_a＜λ_ex。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。當(dāng)激發(fā)光的波長在可見光的范圍內(nèi)時(shí)，也可以與光致發(fā)光層所發(fā)出的光一起射出激發(fā)光。

(作為本申請的基礎(chǔ)的認(rèn)識)

在說明本申請的具體實(shí)施方式之前，首先，對作為本申請的基礎(chǔ)的認(rèn)識進(jìn)行說明。

本申請的發(fā)明者們首先認(rèn)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(biāo)的發(fā)光率Γ根據(jù)費(fèi)米的黃金法則，由下述的式(1)表示。

r是表示位置的矢量，λ是光的波長，d是偶極矢量，E是電場矢量，ρ是狀態(tài)密度。在除了一部分結(jié)晶性物質(zhì)以外的多數(shù)物質(zhì)中，多個(gè)偶極矢量d的方向隨機(jī)分布。另外，在光致發(fā)光層的尺寸與厚度足夠大于光的波長的 情況下，電場E的大小也不依賴于方向而大致固定。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(jìn)行使偶極矢量d匯集在特定方向或者增強(qiáng)電場矢量的特定方向的成分中的任意一種。通過花工夫進(jìn)行它們中的任意一種，能夠?qū)崿F(xiàn)指向性發(fā)光。本申請的各種實(shí)施方式的發(fā)光器件通過在光致發(fā)光層內(nèi)激發(fā)模擬導(dǎo)波模式，由此來增強(qiáng)特定方向的電場成分。對于用于此的構(gòu)成進(jìn)行研究，以下對經(jīng)分析后的結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說明。

本申請的發(fā)明者們認(rèn)為要使用電場強(qiáng)的導(dǎo)波模式對發(fā)光進(jìn)行控制。

首先，對含有光致發(fā)光材料的波導(dǎo)進(jìn)行了研究。這里，作為導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的簡便的構(gòu)成，著眼于平板型波導(dǎo)。平板型波導(dǎo)是指平板狀的波導(dǎo)。圖38是示意性地表示平板型波導(dǎo)110S的一個(gè)例子的立體圖。波導(dǎo)110S形成在透明基板140上。在波導(dǎo)110S的折射率高于透明基板140的折射率時(shí)，存在光在波導(dǎo)110S內(nèi)傳播的導(dǎo)波模式。在該平板型波導(dǎo)110S含有光致發(fā)光材料的情況下，由光致發(fā)光材料產(chǎn)生的發(fā)光的電場與導(dǎo)波模式的電場大幅重合，能夠使發(fā)光的大部分與導(dǎo)波模式結(jié)合。進(jìn)而，在將光致發(fā)光層的厚度設(shè)定為發(fā)光的波長程度的情況下，能夠制造出僅存在導(dǎo)波模式的狀況。

但是，如果僅采用這種方式，則由于發(fā)光為導(dǎo)波模式，發(fā)光幾乎無法由波導(dǎo)向正面方向射出。于是，本申請的發(fā)明者們認(rèn)為要將含有光致發(fā)光材料的波導(dǎo)與周期結(jié)構(gòu)組合起來。

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，由于周期結(jié)構(gòu)的作用而產(chǎn)生模擬導(dǎo)波模式。模擬導(dǎo)波模式是被周期結(jié)構(gòu)限制了導(dǎo)波特性(例如電場分布)的導(dǎo)波模式。模擬導(dǎo)波模式是與導(dǎo)波模式同樣地，通過將發(fā)光封閉在波導(dǎo)內(nèi)而增強(qiáng)了向特定方向的電場的模式。但是，模擬導(dǎo)波模式與導(dǎo)波模式不同，由于與周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互作用，能夠通過衍射效果使模擬導(dǎo)波模式的光轉(zhuǎn)換為特定方向的傳播光，向波導(dǎo)的外部射出。在模擬導(dǎo)波模式中，電場振幅的波腹例如以與周期結(jié)構(gòu)的周期相同的周期產(chǎn)生。由于除了將模擬導(dǎo)波模式以外的光封閉在波導(dǎo)內(nèi)的效果小，因此與除了模擬導(dǎo)波模式以外的模式相關(guān)的電場不被增強(qiáng)。因此， 大部分的發(fā)光與具有大電場成分的模擬導(dǎo)波模式結(jié)合。根據(jù)以上的機(jī)理，能夠?qū)崿F(xiàn)具有指向性的光源。

模擬導(dǎo)波模式通過導(dǎo)波模式的電場與周期結(jié)構(gòu)相互作用來形成。例如，即使在光致發(fā)光層包含多個(gè)層的情況下，只要導(dǎo)波模式的電場達(dá)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)光層全部都由光致發(fā)光材料形成，只要光致發(fā)光層的至少一部分區(qū)域含有光致發(fā)光材料就行。

形成周期結(jié)構(gòu)的介質(zhì)例如為吸收少的電介質(zhì)。通過由非金屬形成周期結(jié)構(gòu)，能夠防止阻礙模擬導(dǎo)波模式形成的等離子體共振的發(fā)生。通過由吸收少的介質(zhì)形成周期結(jié)構(gòu)，能夠減少阻礙發(fā)光的增大的吸收。

(第一實(shí)施方式)

以下，參照附圖，對本申請的第一實(shí)施方式的發(fā)光器件進(jìn)行說明。

[1.發(fā)光器件]

圖1A是示意性地表示第一實(shí)施方式的發(fā)光器件100的構(gòu)成例的立體圖。

發(fā)光器件100具有光致發(fā)光層110和多個(gè)透光構(gòu)件120。光致發(fā)光層110是波導(dǎo)的一個(gè)例子，多個(gè)透光構(gòu)件120是透光層的一個(gè)例子。通過排列在光致發(fā)光層110上的透光構(gòu)件120，形成周期結(jié)構(gòu)。

在圖1A所示的例子中，周期結(jié)構(gòu)包含向y方向延伸的條紋狀的多個(gè)凸部，這些凸部等間隔地排列在x方向上。該周期結(jié)構(gòu)在一維方向上具有周期性。圖1B是將該發(fā)光器件100用與xz面平行的平面切斷時(shí)的剖視圖。由透光構(gòu)件120形成的周期結(jié)構(gòu)具有周期p。此時(shí)，面內(nèi)方向的具有波數(shù)k_wav的模擬導(dǎo)波模式被轉(zhuǎn)換為向波導(dǎo)的外部傳播的光，該波數(shù)k_out能夠以下述的式(2)來表示。

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，設(shè)定為在波導(dǎo)的內(nèi)部和外部分別近似地成立下述的式(3)和(4)。

在這些式子中，λ_a是光在空氣中的波長，n_wav-a是波導(dǎo)的折射率，θ_wav是在波導(dǎo)的內(nèi)部傳播的光的傳播角，n_out是出射側(cè)的介質(zhì)(例如，透明基板或空氣)的折射率，θ_out是由波導(dǎo)的外部射出的光的出射角。傳播角θ_wav和出射角θ_out均為相對于正面方向的角度。由式(2)～(4)可導(dǎo)出下述的式(5)的關(guān)系。

n_outsinθ_out＝n_wav-asinθ_wav-mλ_a/p (5)

在式(5)中，n_wav-asinθ_wav＝mλ_a/p成立時(shí)，θ_out＝0，可以使光向正面方向射出。

另外，為了實(shí)現(xiàn)模擬導(dǎo)波模式，除了滿足上述的式(5)以外，還有幾項(xiàng)制約條件。

第一，為了使發(fā)光在波導(dǎo)內(nèi)傳播，需要使發(fā)光全反射。用于此的條件以下述的式(6)來表示。

n_out＜n_wav-asinθ_wav (6)

第二，為了使模擬導(dǎo)波模式的光被周期結(jié)構(gòu)衍射并射出到波導(dǎo)之外，在式(5)中需要使-1＜sinθ_out＜1。因此，需要滿足下述的式(7)。

第三，為了使由波導(dǎo)射出的光的方向?yàn)檎娣较?，在?5)中需要設(shè)定為θ_out＝0。即，需要滿足下述的式(8)。

p＝mλ_a/(n_wav-asinθ_wav) (8)

根據(jù)式(6)和式(8)以及sinθ_wav-a＜1，成立下述的式(9)。

在設(shè)置了如圖1A和圖1B所示的周期結(jié)構(gòu)的情況下，由于m為2以上的高次衍射效率低，因此也可以以m＝1的一次衍射光為重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這種情況下，例如可以將周期p設(shè)計(jì)為滿足通過在式(9)中設(shè)m＝1而得出的下述的式(10)。

如圖1A和圖1B所示，在光致發(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，例如可將周期p設(shè)計(jì)為滿足通過在式(10)中設(shè)n_out＝1而得出的下述的式(11)。

圖1C和圖1D是示意性地表示第一實(shí)施方式的發(fā)光器件100a的構(gòu)成例的立體圖和剖視圖。發(fā)光器件100a具備透明基板140、配置在透明基板140上的光致發(fā)光層110和透光構(gòu)件120。就發(fā)光器件100a而言，在透明基板140的折射率n_s大于空氣的折射率的情況下，可將周期p設(shè)計(jì)為滿足通過在式(10)中設(shè)n_out＝n_s而得出的下述的式(12)。

另外，式(11)、(12)假定了在式(9)中m＝1的情況，但次數(shù)m也可以是2以上。

例如，如圖1A和圖1B所示的發(fā)光器件100那樣，在發(fā)光器件100的兩面與空氣層(即n_out＝1)接觸的情況下，對于作為1以上的任意整數(shù)的m可將周期p設(shè)定為滿足下述的式(13)。

例如，如圖1C和圖1D所示的發(fā)光器件100a那樣，在光致發(fā)光層110形成于透明基板140之上的情況下，對作為1以上的任意整數(shù)的m可將周期p設(shè)定為滿足下述的式(14)。

因此，通過以周期p滿足式(9)～(14)中的至少一個(gè)的方式來設(shè)計(jì)周期結(jié)構(gòu)，可使指向性高的光由光致發(fā)光層向正面方向射出。

[2.通過計(jì)算進(jìn)行的驗(yàn)證]

[2-1.周期和波長依賴性]

本申請的發(fā)明者們利用光學(xué)解析驗(yàn)證了如上那樣向特定方向射出光實(shí)際上是否可能。

光學(xué)解析通過使用了Cybernet公司的DiffractMOD的計(jì)算來進(jìn)行。這里，對光由正面方向射入了發(fā)光器件時(shí)光致發(fā)光層所產(chǎn)生的光的吸收度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)該光的吸收度求出由光致發(fā)光層向正面方向射出的光的增強(qiáng)度。向外部進(jìn)入了光致發(fā)光層內(nèi)的光在光致發(fā)光層內(nèi)與模擬導(dǎo)波模式結(jié)合而被光致發(fā)光層吸收這一過程對應(yīng)于：與光致發(fā)光層發(fā)光、該發(fā)光與模擬導(dǎo)波模式結(jié)合并向外部射出的過程相反的過程。另外，對光由外部進(jìn)入了光致發(fā)光層內(nèi)時(shí)光致發(fā)光層內(nèi)的電場分布進(jìn)行計(jì)算，由此求出模擬導(dǎo)波模式的電場分布。

作為計(jì)算模型，使用了如圖1A所示那樣具有分別向y方向延伸的多個(gè)凸部在x方向上以規(guī)定間隔排列而成的一維周期結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體。周期結(jié)構(gòu)的截面設(shè)定為圖1B所示那樣的矩形。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-a＝1.8，將透光構(gòu)件的高度設(shè)定為50nm，將透光構(gòu)件的折射率設(shè)定為n_p＝1.5。光的偏振設(shè)定為具有與y方向平行的電場成分的TM模式。

圖2示出分別改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的周期來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果。圖2中，光的增強(qiáng)度的大小以顏色的明暗來表示，越暗則光的增強(qiáng)度越大。由圖2的結(jié)果可知：光的增強(qiáng)度的峰存在于波長與周期的某個(gè)特定組合中。

圖3示出在m＝1和m＝3的情況下滿足式(9)的區(qū)域。比較圖2與圖3可知：圖2中的峰位置存在于m＝1和m＝3中的任一區(qū)域內(nèi)。m＝1的峰強(qiáng)度強(qiáng)于m＝3的峰強(qiáng)度。這是因?yàn)?，一次衍射光的衍射效率比三次以上的高次衍射光高。圖2中不存在m＝2的峰是因?yàn)椋芷诮Y(jié)構(gòu)中的二次衍射光的衍射效率低。

圖2中光的增強(qiáng)度的峰以多條線來表示，在圖3所示的m＝1和m＝3的各自區(qū)域之中存在多條線。這可以認(rèn)為是因?yàn)榇嬖诙鄠€(gè)模擬導(dǎo)波模式。

[2-2.厚度依賴性]

圖4示出分別改變發(fā)光波長和光致發(fā)光層(即波導(dǎo))的厚度來計(jì)算向正面方向射出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果。

除了使光致發(fā)光層的厚度變化這一點(diǎn)和將周期結(jié)構(gòu)的周期固定為400nm這一點(diǎn)以外，以與2-1節(jié)中所示出的條件相同的條件進(jìn)行了計(jì)算。

由圖4可知：在光致發(fā)光層的厚度為特定值時(shí)，光的增強(qiáng)度達(dá)到峰值。

圖5A示出對在光的波長為600nm、光致發(fā)光層的厚度為238nm的情況下向x方向?qū)Рǖ哪Ｊ降碾妶龇植歼M(jìn)行了計(jì)算的結(jié)果。圖5B示出對在光的波長為600nm、光致發(fā)光層的厚度為539nm的情況下向x方向?qū)Рǖ哪Ｊ降碾妶龇植歼M(jìn)行了計(jì)算的結(jié)果。上述這些中的任一種情況均相當(dāng)于在圖4中出現(xiàn)了光的增強(qiáng)度的峰的條件。圖5C示出對在光的波長為600nm、光致發(fā)光層的厚度為300nm的情況下向x方向?qū)Рǖ哪Ｊ降碾妶龇植歼M(jìn)行了計(jì)算的結(jié)果。其相當(dāng)于在圖4中未出現(xiàn)光的增強(qiáng)度的峰的條件。各圖中，越暗的區(qū)域則電場強(qiáng)度越高。

比較圖5A～5C可知：在t＝238nm、539nm的情況下存在示出了高電場強(qiáng)度的區(qū)域，而在t＝300nm的情況下整體上電場強(qiáng)度低。這是因?yàn)椋趖＝238nm、539nm的情況下存在模擬導(dǎo)波模式，光被較強(qiáng)地封閉。在圖5A和5B中，在每個(gè)透光層120內(nèi)和正下方存在電場強(qiáng)度最大的部分(波腹)，產(chǎn)生了與周期結(jié)構(gòu)相關(guān)的電場。即，產(chǎn)生了根據(jù)周期結(jié)構(gòu)來導(dǎo)波的模式。另外，比較圖5A和5B可知：上述模式是z方向的電場的波節(jié)(白色部分)的數(shù)目僅差一個(gè)的模式。

[2-3.偏振依賴性]

為了確認(rèn)偏振依賴性，除了光的偏振是具有與y方向垂直的電場成分的TE模式這一點(diǎn)以外，以與2-1節(jié)相同的條件對光的增強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。圖6示出該計(jì)算的結(jié)果。圖6所示的峰位置與圖2所示的峰位置相比，雖然稍有不同，但出現(xiàn)在圖3所示的m＝1和m＝3的區(qū)域內(nèi)。因此，能夠確認(rèn)模擬導(dǎo)波模式對于TM模式、TE模式中的任一偏振都可產(chǎn)生。

[2-4.二維周期結(jié)構(gòu)]

對周期結(jié)構(gòu)具有二維方向的周期性的情況進(jìn)行了計(jì)算。

圖7A表示在x方向和y方向上具有周期性的周期結(jié)構(gòu)的一部分。該周期結(jié)構(gòu)是通過在光致發(fā)光層上以方格圖案狀排列多個(gè)透光構(gòu)件120’而形成的。圖中的黑色區(qū)域表示凸部，白色區(qū)域表示凹部。

這樣的二維周期結(jié)構(gòu)在x方向與y方向這兩方向產(chǎn)生衍射。具體來說，對于僅在x方向的衍射和僅在y方向的衍射而言，與一維方向的衍射類似，但也存在具有x方向成分和y方向成分這兩者的方向(例如斜45°方向)的 衍射。因此，預(yù)測通過二維周期結(jié)構(gòu)可得到與一維周期結(jié)構(gòu)不同的結(jié)果。

圖7B示出對與二維周期結(jié)構(gòu)相關(guān)的光的增強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算的結(jié)果。計(jì)算模型除了周期結(jié)構(gòu)的形狀以外是與2-1節(jié)相同的條件。在圖7B中觀測到的光的增強(qiáng)度的峰包含圖2所示的峰和圖6所示的峰。即，在圖7B中出現(xiàn)了光的偏振為TM模式時(shí)產(chǎn)生的光的增強(qiáng)度的峰以及光的偏振為TE模式時(shí)產(chǎn)生的光的增強(qiáng)度的峰。該結(jié)果示出了：二維周期結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)M模式的光，而且還能夠?qū)E模式的光通過衍射轉(zhuǎn)換來進(jìn)行輸出。

在二維周期結(jié)構(gòu)中，就x方向和y方向這兩方向也產(chǎn)生滿足一次衍射條件的衍射。由這樣的衍射產(chǎn)生的衍射光向與周期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，可以認(rèn)為光的增強(qiáng)度除了示出與周期p相對應(yīng)的峰以外，還示出與周期相對應(yīng)的峰。在圖7B中也觀測到了這樣的峰。

作為二維周期結(jié)構(gòu)，不限于圖7A所示那樣的x方向和y方向的周期相等的四方點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)。例如，周期結(jié)構(gòu)也可以是圖18A所示那樣的排列了六邊形的凸部或凹部的結(jié)構(gòu)，還可以是圖18B所示那樣的排列了三角形的凸部或凹部的結(jié)構(gòu)。另外，在周期結(jié)構(gòu)中，周期也可以在每個(gè)方向上都不同，例如周期結(jié)構(gòu)還可以是周期在x方向和y方向上不同的結(jié)構(gòu)。

[3.各種條件]

對改變與光致發(fā)光層、透光構(gòu)件、透明基板有關(guān)的各種條件時(shí)的效果進(jìn)行說明。

[3-1.透光層的折射率]

對形成周期結(jié)構(gòu)的透光構(gòu)件的折射率進(jìn)行了研究。

圖8和9示出改變發(fā)光波長和透光構(gòu)件的折射率來計(jì)算向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果。

圖8中，除了使透光構(gòu)件的折射率n_p變化這一點(diǎn)和使光致發(fā)光層的膜厚為200nm并將周期結(jié)構(gòu)的周期固定為400nm這一點(diǎn)以外，以與2-1節(jié)相同的條件進(jìn)行了計(jì)算。圖9中，除了使透光構(gòu)件的折射率n_p變化這一點(diǎn)和將周期結(jié)構(gòu)的周期固定為400nm這一點(diǎn)以外，以與2-1節(jié)相同的條件進(jìn)行了計(jì)算。

圖8和9中，光的增強(qiáng)度示出峰的波長伴隨著透光構(gòu)件的折射率n_p的 變化，向長波長側(cè)位移。光致發(fā)光層的膜厚為1000nm時(shí)(圖9)的峰值波長的位移量小于膜厚為200nm時(shí)的位移量(圖8)。這是可以認(rèn)為是因?yàn)橄率瞿菢拥睦碛?。模擬導(dǎo)波模式的光所感知的有效折射率n_eff由在該光分布的區(qū)域中的介質(zhì)的折射率分布來確定。模擬導(dǎo)波模式的光分布于光致發(fā)光層和透光構(gòu)件中。因此，光致發(fā)光層的膜厚越厚，則分布在透光構(gòu)件內(nèi)的光的比例相對越低，透光構(gòu)件的折射率n_p的變化對有效折射率n_eff的影響越小。其結(jié)果是，光致發(fā)光層的膜厚越厚，則峰值波長的位移量越小。

圖8和9中，透光構(gòu)件的折射率n_p越高，則光的增強(qiáng)度的峰越寬，其峰值越低。這是因?yàn)椋腹鈽?gòu)件的折射率n_p越高，則封閉光的效果越減少(即Q值越低)，模擬導(dǎo)波模式的光之中向外部散逸的部分的比例越增高。

為了較高地保持光的增強(qiáng)度的峰值，例如可以將透光構(gòu)件的折射率n_p設(shè)定為光致發(fā)光層的折射率n_wav-a以下。由此，Q值增高，光的放大率的峰值增高。在光致發(fā)光層含有除了光致發(fā)光材料以外的其他材料的情況下，也可以通過調(diào)整這次其他材料的折射率來調(diào)整光的放大率的峰值。

圖8和9中，在透光構(gòu)件的折射率n_p與光致發(fā)光層的折射率n_wav-a＝1.8相等的情況下，也觀測到了模擬導(dǎo)波模式。因此，即使在透光構(gòu)件與光致發(fā)光層為相同材料的情況下，換言之，即使在光致發(fā)光層于其主面上具有凸部或凹部的情況下，也能夠得到與本實(shí)施方式中進(jìn)行說明的各種效果相同的效果。

[3-2.周期結(jié)構(gòu)的高度]

對周期結(jié)構(gòu)的高度進(jìn)行了研究。以下的例子中，透光構(gòu)件的高度相當(dāng)于周期結(jié)構(gòu)的高度。

圖10和11示出改變發(fā)光波長和周期結(jié)構(gòu)的高度來計(jì)算向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果。

圖10中，除了使透光構(gòu)件的高度變化這一點(diǎn)和將周期結(jié)構(gòu)的周期固定為400nm這一點(diǎn)以外，以與2-1節(jié)相同的條件進(jìn)行了計(jì)算。圖11中，除了使透光構(gòu)件的高度變化這一點(diǎn)、將透光構(gòu)件的折射率設(shè)定為n_p＝2.0這一點(diǎn)和將周期結(jié)構(gòu)的周期固定為400nm這一點(diǎn)以外，以與2-1節(jié)相同的條件進(jìn)行了計(jì)算。

圖10中，如果周期結(jié)構(gòu)的高度超過某個(gè)程度，則光的增強(qiáng)度的峰值、 峰的拓寬無變化(即Q值被維持)。另一方面，圖11中，周期結(jié)構(gòu)的高度越大，則光的增強(qiáng)度的峰值越降低，峰的拓寬越增大(即Q值越降低)。這可以認(rèn)為是因?yàn)槿缦滤龅睦碛?。在光致發(fā)光層的折射率n_wav-a高于透光構(gòu)件的折射率n_p的情況(圖10)下，光在光致發(fā)光層與透光構(gòu)件的界面處全反射。因此，模擬導(dǎo)波模式的電場之中僅向透光構(gòu)件溢出的部分(即瞬逝場；倏逝場)與周期結(jié)構(gòu)相互作用。瞬逝場在距離光致發(fā)光層與透光構(gòu)件的界面某個(gè)程度的區(qū)域，相對于距界面的距離的變化的電場強(qiáng)度的變化小。因此，在周期結(jié)構(gòu)的高度足夠大的區(qū)域，瞬逝場與周期結(jié)構(gòu)的相互作用的大小不依賴于周期結(jié)構(gòu)的高度的變化，幾乎固定。另一方面，在光致發(fā)光層的折射率n_wav-a低于周期結(jié)構(gòu)的折射率n_p的情況下(圖11)，光在光致發(fā)光層與透光構(gòu)件的界面不發(fā)生全反射而到達(dá)周期結(jié)構(gòu)。因此，周期結(jié)構(gòu)的高度越大，則光與周期結(jié)構(gòu)的相互作用越大。

圖11中，在周期結(jié)構(gòu)的高度為150nm以下的區(qū)域，可得到足夠的Q值。因此，在光致發(fā)光層的折射率n_wav-a低于周期結(jié)構(gòu)的折射率n_p的情況下，周期結(jié)構(gòu)的高度例如可以設(shè)定為150nm以下。

[3-3.偏振方向]

對于偏振方向進(jìn)行了研究。

圖12示出改變發(fā)光波長和透光構(gòu)件的折射率來計(jì)算向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果。圖12中，除了光的偏振是具有與y方向垂直的電場成分的TE模式這一點(diǎn)以外，以與圖9所示的例子相同的條件進(jìn)行了計(jì)算。

在光的偏振為TE模式的情況下(圖12)，與TM模式的情況(圖9)相比，在透光構(gòu)件的折射率n_p大于光致發(fā)光層的折射率n_wav-a的區(qū)域，光的增強(qiáng)度的峰值的降低和峰的拓寬增大(即Q值大幅降低)。這是因?yàn)?，TE模式的電場與TM模式的電場相比，容易從光致發(fā)光層與透光構(gòu)件的界面溢出，因此容易受周期結(jié)構(gòu)影響。

[3-4.光致發(fā)光層的折射率]

對于光致發(fā)光層的折射率進(jìn)行了研究。

圖13示出改變發(fā)光波長和透光構(gòu)件的折射率來計(jì)算向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度的結(jié)果。圖13中，除了將光致發(fā)光層的折射率n_wav-a設(shè)定為1.5這一點(diǎn)以外，以與圖9所示的例子相同的條件進(jìn)行了計(jì)算。

如圖13所示，在光致發(fā)光層的折射率n_wav-a為1.5的情況下，也得到了大致與圖9相同的效果。但是，圖13中，波長為600nm以上的光并未向正面方向射出。這是因?yàn)?，在?sub>a≥600nm時(shí)，mλ_a/n_wav-a≥1×600nm/1.5＝400nm＝p，不滿足式(9)的關(guān)系。

由3-2節(jié)和3-4節(jié)的分析可知：在透光構(gòu)件的折射率為光致發(fā)光層的折射率以下的情況下，或者在透光構(gòu)件的折射率為光致發(fā)光層的折射率以上并且透光構(gòu)件高度為150nm以下的情況下，能夠增大Q值并增大光的放大率的峰值。

[3-5.透明基板]

如圖1C和圖1D所示，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，可將周期p設(shè)定為滿足式(14)。

圖14示出在折射率為1.5的透明基板140上以與2-1節(jié)相同的條件設(shè)置了光致發(fā)光層110和透光構(gòu)件120時(shí)的計(jì)算的結(jié)果。圖14中，與圖2的結(jié)果類似地，在某個(gè)特定波長與周期的某個(gè)特定的組合中，出現(xiàn)了光的增強(qiáng)度的峰。但是，圖14中出現(xiàn)峰的區(qū)域不同于圖2的結(jié)果。

圖15示出在m＝1和m＝3的情況下滿足式(14)的區(qū)域?？芍獔D14中峰的位置出現(xiàn)在圖15所示的m＝1和m＝3中的任一區(qū)域內(nèi)。

該結(jié)果證實(shí)了：對于在透明基板140上設(shè)置了光致發(fā)光層110和透光構(gòu)件120的發(fā)光器件100a而言，當(dāng)周期結(jié)構(gòu)的周期p滿足式(14)和/或式(12)時(shí)，可以得到模擬導(dǎo)波模式。

[4.變形例]

以下，對本實(shí)施方式的變形例進(jìn)行說明。另外，本實(shí)施方式也可以包含通過將以下所示的各種變形例組合而得到的方案。

[4-1.具有激發(fā)光源的發(fā)光裝置]

圖16示出具備圖1A、1B所示的發(fā)光器件100和射出激發(fā)光的光源180的發(fā)光裝置200的構(gòu)成例。

由光源180射出的激發(fā)光的波長典型地是紫外或者藍(lán)色區(qū)域的波長，但不限于此，根據(jù)光致發(fā)光層110所含有的光致發(fā)光材料來適當(dāng)確定。

圖16中，光源180配置在光致發(fā)光層110的下側(cè)，激發(fā)光射入光致發(fā)光層110的下表面。但是，光源180的配置和激發(fā)光的入射面不限于該例 子。例如，激發(fā)光也可以射入光致發(fā)光層110的上表面。激發(fā)光還可以由除了與光致發(fā)光層110的主面(例如上表面或下表面)垂直的方向以外的方向射入光致發(fā)光層110。當(dāng)激發(fā)光以在光致發(fā)光層110內(nèi)發(fā)生全反射的角度斜向射入時(shí)，能夠更高效地發(fā)光。

另外，本申請中，“上表面”和“下表面”這些用語被用于區(qū)別層狀構(gòu)件的兩個(gè)主面。這些用語并不限定發(fā)光器件使用時(shí)的朝向。

存在通過使激發(fā)光與模擬導(dǎo)波模式結(jié)合來高效地使光射出的方法。圖17A～圖17D是用于說明那樣的方法的圖。圖17A和17B所示的發(fā)光器件在透明基板140上形成有光致發(fā)光層110和透光構(gòu)件120。圖17A中，與圖1C和1D同樣地，分別向y方向延伸的多個(gè)透光構(gòu)件120在x方向上以周期p_x排列。圖17B中，多個(gè)透光構(gòu)件120在x方向上以周期p_x并且在y方向上以周期p_y被排列為矩陣狀。

周期p_x例如以滿足在上述式(9)中將p置換成了p_x的條件的方式來確定。

周期p_y例如以滿足將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、將出射側(cè)的介質(zhì)的折射率設(shè)定為n_out的下述的式(15)的方式來確定。這里，出射側(cè)的介質(zhì)是指與光致發(fā)光層110接觸的至少一個(gè)介質(zhì)(其中，除掉透光層120)之中折射率最高的介質(zhì)。

圖17B的例子中，n_out為透明基板140的折射率n_s。在如圖16那樣未設(shè)置透明基板140的例子中，n_out為空氣的折射率(約1.0)。在周期p_y以滿足式(15)的方式來確定時(shí)，能夠高效地將激發(fā)光轉(zhuǎn)換為模擬導(dǎo)波模式。

式(15)中，當(dāng)m＝1時(shí)，可得到下述的式(16)。在周期p_y以滿足該式(16)的方式來確定時(shí)，能夠更高效地將激發(fā)光轉(zhuǎn)換為模擬導(dǎo)波模式。

通過將激發(fā)光高效地轉(zhuǎn)換為模擬導(dǎo)波模式，可使激發(fā)光高效地被光致發(fā)光層110吸收。

圖17C和圖17D分別示出當(dāng)對圖17A和圖17B所示的發(fā)光器件射入 光時(shí)按照每個(gè)波長計(jì)算光被吸收的比例的結(jié)果。在該計(jì)算中，假定發(fā)光的波長λ_wav-a為約600nm、激發(fā)光的波長λ_ex為約450nm的情況，并設(shè)計(jì)為p_x＝365nm、p_y＝265nm。光致發(fā)光層110的消光系數(shù)設(shè)定為0.003。

圖17D中，在波長為約450nm的位置和波長為約600nm位置出現(xiàn)了高吸收峰。這些吸收峰表示：射入了的光被有效地轉(zhuǎn)換為模擬導(dǎo)波模式，被光致發(fā)光層高效地吸收。該結(jié)果證實(shí)了：具有這些波長的發(fā)光和激發(fā)光在光致發(fā)光層中被有效地轉(zhuǎn)換為模擬導(dǎo)波模式。

通過在x方向和y方向分別具有不同的周期成分的二維周期結(jié)構(gòu)，能夠提高激發(fā)效率并且提高發(fā)光的出射強(qiáng)度。

另外，圖17A、17B中使激發(fā)光由透明基板140的下側(cè)射入，但也可以是由周期結(jié)構(gòu)側(cè)射入。

具有多個(gè)不同周期成分的二維周期結(jié)構(gòu)例如可以是圖18A或圖18B所示那樣的結(jié)構(gòu)。圖18A和圖18B所示的周期結(jié)構(gòu)在多個(gè)軸方向上具有周期成分(圖中軸1～3)。因此，能夠?qū)Ω鱾€(gè)軸向分配不同的周期。這些各個(gè)周期既可以設(shè)定為用于提高多個(gè)波長的發(fā)光的指向性，也可以設(shè)定為用于使激發(fā)光被高效地吸收。在任一情況下，都以滿足式(9)或式(15)的方式來設(shè)定各周期都。

[4-2.具有周期結(jié)構(gòu)的透明基板]

如圖19A和圖19B所示，可在透明基板140上表面形成周期結(jié)構(gòu)，在其之上設(shè)置光致發(fā)光層110。圖19A中，透明基板140在上表面具有由凹凸形成的周期結(jié)構(gòu)，以追隨該周期結(jié)構(gòu)的方式形成了光致發(fā)光層110。其結(jié)果是，在光致發(fā)光層110的上表面也形成了相同周期的周期結(jié)構(gòu)。圖19B中，以使光致發(fā)光層110的上表面平坦的方式進(jìn)行了處理。就這些構(gòu)成例而言，例如通過將周期結(jié)構(gòu)的周期p設(shè)定為滿足式(14)，也能夠?qū)崿F(xiàn)指向性高的發(fā)光。

為了驗(yàn)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(jì)算向正面方向輸出的光的增強(qiáng)度。這里，將透明基板140的折射率設(shè)定為n_p＝1.5，將透明基板140的上表面的一維周期結(jié)構(gòu)的高度設(shè)定為50nm，將其周期設(shè)定為400nm。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-a＝1.8，將光致發(fā)光層110的上表面的一維 周期結(jié)構(gòu)的高度設(shè)定為50nm，將周期設(shè)定為400nm。透明基板140的上表面的一維周期結(jié)構(gòu)和光致發(fā)光層110的上表面的一維周期結(jié)構(gòu)形狀相同，向y方向延伸的多個(gè)凸部排列在x方向上。光的偏振為具有與y方向平行的電場成分的TM模式。本計(jì)算的結(jié)果示出在圖19C中。在本計(jì)算中，也以滿足式(14)的條件的周期觀測到了光強(qiáng)度的峰。

[4-3.粉體]

根據(jù)上述實(shí)施方式，通過調(diào)整周期結(jié)構(gòu)的周期、光致發(fā)光層的膜厚能夠增強(qiáng)任意波長的發(fā)光。例如，當(dāng)為圖1A、1B所示的發(fā)光器件100時(shí)，即使光致發(fā)光材料在寬帶域發(fā)光的情況下，也能夠僅增強(qiáng)某個(gè)特定波長的光。因此，不要求高指向性的用途中也可利用本實(shí)施方式的發(fā)光器件100。

例如，如圖20所示，可將分別具有圖1A、1B所示的結(jié)構(gòu)的粉末用作熒光材料。進(jìn)而，還可將該粉末埋入樹脂、玻璃等。

當(dāng)粉末都具有形狀相同的周期結(jié)構(gòu)時(shí)，僅能夠增強(qiáng)某個(gè)特定波長。因此，難以實(shí)現(xiàn)具有寬波長區(qū)域的光譜的發(fā)光(例如白色發(fā)光)。于是，通過將周期結(jié)構(gòu)的周期、光致發(fā)光層的膜厚等條件不同的多個(gè)發(fā)光器件100作為粉末來混合，能夠?qū)崿F(xiàn)具有寬波長區(qū)域的光譜的發(fā)光裝置。在這種情況下，例如各發(fā)光器件100的長度方向的尺寸為例如數(shù)μm～數(shù)mm左右，其中例如具有幾個(gè)周期～數(shù)百周期的一維或二維周期結(jié)構(gòu)。

[4-4.周期不同的多個(gè)周期結(jié)構(gòu)的排列]

圖21是表示在光致發(fā)光層之上將周期不同的多個(gè)周期結(jié)構(gòu)以二維排列而成的例子的俯視圖。在圖21中，排列有三種周期結(jié)構(gòu)120r、120g、120b。周期結(jié)構(gòu)120r、120g、120b例如以分別向正面射出紅、綠、藍(lán)的波長區(qū)域的光的方式來設(shè)定周期。這樣，通過在光致發(fā)光層上配列周期不同的多個(gè)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)τ趯挷ㄩL區(qū)域的光譜發(fā)揮高指向性。另外，多個(gè)周期結(jié)構(gòu)的構(gòu)成不限于上述那些，可以任意設(shè)定。

各周期結(jié)構(gòu)120r、120g和120b的尺寸(即，一邊的長度)例如為周期的三倍以上。例如，一邊的長度可以小于1mm。各周期結(jié)構(gòu)的形狀可以是長方形、三角形或六邊形。

可以在周期結(jié)構(gòu)120r、120g和120b之下分別設(shè)置示出紅、綠、藍(lán)的發(fā)光的光致發(fā)光層。或者，也可以在周期結(jié)構(gòu)120r、120g和120b之下設(shè) 置共通的光致發(fā)光層。

[4-5.周期朝向不同的多個(gè)周期結(jié)構(gòu)的排列]

圖22A是表示排列了凸部延伸方向不同的多個(gè)一維周期結(jié)構(gòu)(包含周期結(jié)構(gòu)120h、120i和120j)的例子的俯視圖。在多個(gè)周期結(jié)構(gòu)的周期相同的情況下，可以得到特定波長區(qū)域的非偏振光。在多個(gè)周期結(jié)構(gòu)的周期不同的情況下，可以得到非偏振的白色光。圖22B是表示排列了排列方向不同的多個(gè)二維周期結(jié)構(gòu)(包含周期結(jié)構(gòu)120k、120m和120n)的例子的俯視圖。

[4-6.周期結(jié)構(gòu)的層疊]

圖23示出了發(fā)光器件的一個(gè)例子，該發(fā)光器件具有各自在表面形成了周期結(jié)構(gòu)的多個(gè)光致發(fā)光層110層疊而成的結(jié)構(gòu)。在多個(gè)光致發(fā)光層110之間設(shè)置有透明基板140。圖23所示的例子在三個(gè)光致發(fā)光層110之上分別形成有周期不同的周期結(jié)構(gòu)。這些周期被設(shè)定為分別向正面射出紅、藍(lán)、綠的波長區(qū)域的光。并且，在各光致發(fā)光層110內(nèi)含有與這些波長區(qū)域相對應(yīng)的光致發(fā)光材料。這樣，通過將具有周期不同的周期結(jié)構(gòu)的多個(gè)層進(jìn)行層疊，能夠?qū)τ趯挷ㄩL區(qū)域的光譜發(fā)揮指向性。

另外，光致發(fā)光材料的種類、周期結(jié)構(gòu)和層數(shù)不限于上述那些，可以任意地設(shè)定。例如，也可以以使具有第一周期結(jié)構(gòu)的第一光致發(fā)光層與具有第二周期結(jié)構(gòu)的第二光致發(fā)光層隔著透光性基板相對置的方式來配置。在這種情況下，只要對于各層滿足式(14)就行。在光致發(fā)光層為三層以上的情況下也是同樣的。各層的周期結(jié)構(gòu)也可以形狀相同。在這種情況下，對于特定波長區(qū)域能夠提高發(fā)光強(qiáng)度。

[4-7.保護(hù)層]

圖24是表示在光致發(fā)光層110與透光構(gòu)件120之間設(shè)置了保護(hù)層150的構(gòu)成例的剖視圖。在保護(hù)層150的折射率低于光致發(fā)光層110的折射率時(shí)，保護(hù)層的膜厚例如設(shè)定為發(fā)光的波長的一半以下。由此，向保護(hù)層150溢出的光的電場能夠到達(dá)透光構(gòu)件120，形成模擬導(dǎo)波模式。另一方面，在保護(hù)層150的折射率為光致發(fā)光層110的折射率以上時(shí)，由于光經(jīng)由保護(hù)層150到達(dá)透光構(gòu)件120，因此對保護(hù)層150沒有厚度的制約。但是，在這種情況下，為了提高光的增強(qiáng)效果，也可以將保護(hù)層150設(shè)計(jì)得較薄。這 是因?yàn)椋Ｗo(hù)層150越薄，則模擬導(dǎo)波模式的光的越多部分會分布在光致發(fā)光層110中。

保護(hù)層150與透光構(gòu)件120可以由相同材料形成。此時(shí)，具有周期結(jié)構(gòu)的透光層兼為保護(hù)層。進(jìn)而，透光層120的折射率例如也可以小于光致發(fā)光層110。

[4-8.具有周期結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光層]

圖25示出光致發(fā)光層110具有周期結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件。該發(fā)光器件具備或不具備基板140都行。圖26示出圖25所示的光致發(fā)光層110。

例如，假定周期結(jié)構(gòu)為一維周期結(jié)構(gòu)并且滿足上述的式(5)的情況。此時(shí)，根據(jù)上述的式(5)可以得出θ_out＝arcsin[(n_wav-a×sinθ_wav-mλ/p)/n_out]。因此，通常來說，如果波長λ不同，則光的出射角θ_out不同。由此，該發(fā)光器件根據(jù)觀察方向，能夠目測到的光的顏色不同。

為了減少該視場依賴性，例如可以對光致發(fā)光層110的材料和外側(cè)的介質(zhì)進(jìn)行選擇，以使(n_wav-a×sinθ_wav-mλ/p)/n_out與波長λ無關(guān)而固定。此時(shí)，例如可以考慮n_wav-a和n_out的波長分散性。例如，在外部的介質(zhì)為空氣的情況下，折射率n_out與波長無關(guān)而大致為1.0。在這種情況下，例如選擇折射率n_wav-a的波長分散小的材料作為光致發(fā)光層110的材料。光致發(fā)光層110的材料例如也可以具有對更短波長的光折射率變低那樣的逆分散(反頻散)。

[4-9.透鏡和棱鏡]

圖27示出在光的出射側(cè)配置了微透鏡130的陣列的發(fā)光器件。通過微透鏡130的陣列，能夠使向斜向射出的光彎向正面方向。

圖27所示的發(fā)光器件具有區(qū)域R1、R2和R3。區(qū)域R1具有周期結(jié)構(gòu)120r，周期結(jié)構(gòu)120r例如使紅色光R向正面方向射出、使綠色光G向斜向射出。此時(shí)，微透鏡130通過其折射作用使向斜向射出的綠色光G折射向正面方向。其結(jié)果是，在法線方向上，可以觀察到紅色光R與綠色光G的混色。這樣，通過設(shè)置微透鏡130，可以抑制具有不同波長的光的出射角的偏差。

圖27例示出了多個(gè)微透鏡130一體化而成的微透鏡陣列，但不限于此。

光學(xué)器件也可以具備柱狀透鏡(lenticular lens)來代替微透鏡陣列作為 使向斜向射出的光彎曲的光學(xué)器件。這樣的光學(xué)器件既可以是棱鏡也可以是棱鏡陣列。例如，也可以與周期結(jié)構(gòu)相對應(yīng)地分別配置棱鏡。棱鏡的形狀不特別限制。棱鏡也可以是例如三角棱鏡或者金字塔型棱鏡。

[4-10.光致發(fā)光層的層疊]

圖28A示出發(fā)光波長不同的多個(gè)光致發(fā)光層110b、110g、110r層疊而成的發(fā)光器件。由此，可以得到白色光。層疊的順序不限于圖示的例子。如圖28B所示，可以在發(fā)出藍(lán)色光的光致發(fā)光層110b之上配置發(fā)出黃色光的光致發(fā)光層110y。光致發(fā)光層110y也可以含有例如YAG。

單一光致發(fā)光層也可以含有發(fā)光波長不同的多個(gè)光致發(fā)光材料。這些光致發(fā)光材料例如分散在基質(zhì)材料中。由此，例如發(fā)光器件可以發(fā)出白色光。

[4-11.防擴(kuò)散層、低折射率層和晶體生長層]

例如，如圖29A～29D所示，發(fā)光器件也可以在光致發(fā)光層之下具備防擴(kuò)散層108。由此，例如在為了形成光致發(fā)光層110而進(jìn)行熱處理(例如超過1000℃)的情況下，防擴(kuò)散層108能夠阻止雜質(zhì)由基板向光致發(fā)光層110擴(kuò)散。由此，可以防止發(fā)光特性降低。

例如，如圖29A所示，可以在基板140與光致發(fā)光層110之間配置防擴(kuò)散層108。如圖29B所示，也可以在光致發(fā)光層110a之下形成防擴(kuò)散層108a，在光致發(fā)光層110b之下配置防擴(kuò)散層108b。

當(dāng)基板140的折射率為光致發(fā)光層110的折射率以上時(shí)，如圖29C和29D所示，也可以在基板140之上配置低折射率層107。圖29C所示的例子在低折射率層107與光致發(fā)光層110之間，還配置有防擴(kuò)散層108。圖29D所示的例子在光致發(fā)光層110a之下配置防擴(kuò)散層108a，在光致發(fā)光層110b之下配置形成防擴(kuò)散層108b。

低折射率層107的折射率低于光致發(fā)光層110的折射率。低折射率層107例如使用MgF₂、LiF、CaF₂、BaF₂、SrF₂、石英、樹脂、HSQ-SOG等常溫固化玻璃來形成。低折射率層107的厚度例如大于光的波長。作為基板140的材料的例子，可列舉出：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。

防擴(kuò)散層108、108a、108b的材料根據(jù)防止擴(kuò)散的對象的元素來適當(dāng)選擇。防擴(kuò)散層108、108a、108b的材料例如使用共價(jià)鍵合性強(qiáng)的氧化物晶體、氮化物晶體來形成。防擴(kuò)散層108、108a、108b的厚度例如分別為50nm以下。

就使用無機(jī)材料形成的光致發(fā)光層110而言，由于無機(jī)材料的結(jié)晶性低，因此有時(shí)光致發(fā)光層110的發(fā)光特性低。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，圖30A所示的發(fā)光器件在光致發(fā)光層110之下具備晶體生長層(即籽晶層)106。晶體生長層106的材料是與構(gòu)成光致發(fā)光層110的晶體晶格匹配的材料。晶格匹配是例如晶格不匹配度在±5％以內(nèi)。

當(dāng)基板140的折射率大于光致發(fā)光層110的折射率時(shí)，可以將晶體生長層106或106a的折射率設(shè)計(jì)為小于光致發(fā)光層110的折射率。

圖30B所示的發(fā)光器件具備配置在基板140上的低折射率層107和配置在低折射率層107上的晶體生長層106。圖30C所示的發(fā)光器件具備配置在光致發(fā)光層110a之下的晶體生長層106a和配置在光致發(fā)光層110b之下的晶體生長層106b。晶體生長層106、106a和106b的厚度例如分別為50nm以下。

[4-12.表面保護(hù)層]

圖31A和31B所示的發(fā)光器件具備用于保護(hù)周期結(jié)構(gòu)的表面保護(hù)層132。在圖31A和31B所示的例子中，表面保護(hù)層132覆蓋透光構(gòu)件120，表面保護(hù)層132的上表面平坦。圖31A所示的發(fā)光器件不具有基板，圖31B所示的發(fā)光器件具有基板。圖31A所示的發(fā)光器件還可以在光致發(fā)光層110之下具備表面保護(hù)層。在圖31A和31B中，例如透光構(gòu)件120可以是與光致發(fā)光層110相同的材料。換言之，也可以在光致發(fā)光層110形成有周期結(jié)構(gòu)。

作為表面保護(hù)層132的材料的例子，例如可以列舉出：樹脂、硬涂材料、SiO₂、Al₂O₃(氧化鋁)、SiOC、DLC。表面保護(hù)層132的厚度例如為100nm～10μm。

表面保護(hù)層132保護(hù)周期結(jié)構(gòu)不受傷、水分、氧、酸、堿和/或熱的影響。由此，可以抑制發(fā)光器件劣化。

[4-13.導(dǎo)熱層]

圖32A所示的發(fā)光器件在光致發(fā)光層110與基板140之間具備具有透光性的導(dǎo)熱層105。導(dǎo)熱層105使光致發(fā)光層110的熱高效地向外部傳導(dǎo)。由此，能夠抑制發(fā)光器件的溫度上升，能夠抑制發(fā)光器件的劣化。

導(dǎo)熱層105的折射率例如低于光致發(fā)光層110的折射率?；蛘撸?dāng)基板140的折射率低于光致發(fā)光層110的折射率時(shí)，導(dǎo)熱層105的折射率也可以高于光致發(fā)光層110的折射率。在這種情況下，導(dǎo)熱層105的厚度例如為50nm以下。導(dǎo)熱層105的材料可以考慮基板140的折射率來進(jìn)行適當(dāng)選擇。

圖32B所示的發(fā)光器件在光致發(fā)光層110與導(dǎo)熱層105之間具備低折射率層107。在這種情況下，能夠增大導(dǎo)熱層105的膜厚。

圖32C所示的發(fā)光器件具備具有高導(dǎo)熱率的低折射率層107，低折射率層107覆蓋周期結(jié)構(gòu)。圖32D所示的發(fā)光器件具備：圖32C所示的發(fā)光器件中的覆蓋周期結(jié)構(gòu)的低折射率層107；以及覆蓋低折射率層107的具有透光性的導(dǎo)熱層105。

作為導(dǎo)熱層105的材料，例如可以列舉出：Al₂O₃、MgO、Si₃N₄、ZnO、AlN、Y₂O₃、金剛石、石墨烯、CaF₂、BaF₂。在這些材料之中，CaF₂、BaF₂也可以作為低折射率層107來利用。

[5.材料]

形成周期結(jié)構(gòu)的構(gòu)件可以使用任意材料。

在光致發(fā)光層具有除了光致發(fā)光材料以外的介質(zhì)(例如基質(zhì)材料)的情況下，該介質(zhì)的材料例如可以是光的吸收性較低的電介質(zhì)。透光層的材料例如可以是光的吸收性較低的電介質(zhì)。通過這些材料，能夠提高封閉光的效果(即Q值增加)，增大光的放大率的峰值。

作為電介質(zhì)的例子，例如可以列舉出：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(五氧化鉭)、ZrO₂(氧化鋯)、ZnSe(硒化鋅)、ZnS(硫化鋅)等。

例如，透光層的折射率可以是1.3～1.5左右，其材料可以是MgF₂、LiF、CaF₂、SiO₂、玻璃或樹脂。

光致發(fā)光材料包括熒光材料和磷光材料，包括無機(jī)材料和有機(jī)材料(例如色素)，也包括塊狀半導(dǎo)體和量子點(diǎn)(即，半導(dǎo)體微粒)。

作為以藍(lán)色發(fā)光的熒光材料的例子，可以使用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，例如可以列舉出：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)、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)光的熒光材料的例子，可以列舉出：CaAlSiN₃: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⁺、Sm³⁺、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)光的熒光材料的例子，可以列舉出：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)。

作為量子點(diǎn)的例子，可列舉出，CdS量子點(diǎn)、CdSe量子點(diǎn)、核殼型CdSe/ZnS量子點(diǎn)、合金型CdSSe/ZnS量子點(diǎn)。根據(jù)量子點(diǎn)的材質(zhì)和尺寸，可以得到多種發(fā)光波長。作為量子點(diǎn)的矩陣的例子，例如可列舉出玻璃、樹脂。

透明基板由透光性材料構(gòu)成。透明基板的折射率例如低于光致發(fā)光層的折射率。

作為透明基板的材料的例子，例如可以列舉出：MgF₂(氟化鎂)、LiF(氟化鋰)、CaF₂(氟化鈣)、SiO₂(石英)、玻璃、樹脂。

另外，當(dāng)激發(fā)光不經(jīng)由基板射入光致發(fā)光層時(shí)，基板也可以不透明。

[6.制造方法]

對制造方法的各種例子進(jìn)行說明。

圖1C、1D所示的發(fā)光器件100a例如通過如下的方法來制造。首先，在透明基板140上形成光致發(fā)光層110(例如薄膜)。光致發(fā)光層110例如通過蒸鍍、濺射或涂布熒光材料來形成。接著，透光材料(例如電介質(zhì))成膜在光致發(fā)光層110之上，然后通過例如光刻來進(jìn)行圖案化(布圖)。由此，形成多個(gè)透光構(gòu)件120，得到周期結(jié)構(gòu)。

周期結(jié)構(gòu)也可以通過納米壓印代替上述方法來形成。就圖25所示的發(fā)光器件而言，也可以通過加工光致發(fā)光層110的一部分來形成周期結(jié)構(gòu)。在該情況下，周期結(jié)構(gòu)通過光致發(fā)光層110來形成。

圖1A、1B所示的發(fā)光器件100例如通過在制作了發(fā)光器件100a之后從基板剝除由光致發(fā)光層110和透光構(gòu)件20形成的結(jié)構(gòu)體來得到。另外，基板也可以不是透明基板。

圖19A所示的發(fā)光器件例如通過如下的方法來制造。首先，在透明基板140的一部分形成周期結(jié)構(gòu)。周期結(jié)構(gòu)例如通過半導(dǎo)體工藝、納米壓印等來形成。接著，在周期結(jié)構(gòu)之上形成光致發(fā)光層110。光致發(fā)光層110例如通過蒸鍍、濺射來形成。由此，在光致發(fā)光層110的上表面生成周期結(jié)構(gòu)。或者，光致發(fā)光層110例如通過涂布來形成。由此，周期結(jié)構(gòu)的凹部埋入光致發(fā)光層110，得到圖19B所示的發(fā)光器件。

另外，上述制造方法為一個(gè)例子，本申請的發(fā)光器件不限于上述制造方法。

[7.實(shí)驗(yàn)例]

作為本實(shí)施方式的發(fā)光器件，試制具有與圖19A相同的構(gòu)成的發(fā)光器件的樣品，對特性進(jìn)行評價(jià)。

樣品按照下述那樣制作。在玻璃基板的表面形成周期為400nm、高度為40nm的條紋狀的凸部(即一維周期結(jié)構(gòu))。在玻璃基板之上，形成210nm的光致發(fā)光材料YAG:Ce膜。圖33示出樣品的截面TEM像。

以LED的光(波長為450nm)來激發(fā)該樣品，對由樣品向正面方向射出的發(fā)光的光譜進(jìn)行了測定。具體來說，對出射光之中與條紋狀的凸部延伸的方向平行的直線偏振光成分(TM模式成分)的光譜以及出射光之中與條紋狀的凸部排列的方向垂直的直線偏振光成分(TE模式成分)的光譜進(jìn) 行了測定。為了比較，使用以除了不具有周期結(jié)構(gòu)以外都相同的條件制作而成的樣品，對測定了出射光的光譜進(jìn)行了測定。

圖34示出這些光譜。在發(fā)光器件具有周期結(jié)構(gòu)的情況下，與不具有周期結(jié)構(gòu)的情況相比，特定波長的光的強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。TM模式成分與TE模式成分相比，光的增強(qiáng)效果大。

圖35A是表示TM模式直線偏振光的方向、發(fā)光器件所具有的一維周期結(jié)構(gòu)的條紋朝向和發(fā)光器件的旋轉(zhuǎn)方向的示意圖。在該測定中，以一維周期結(jié)構(gòu)的凸部延伸方向作為旋轉(zhuǎn)軸來使發(fā)光器件旋轉(zhuǎn)。角度θ相當(dāng)于：檢測出射光的方向與發(fā)光器件的正面方向所成的角。圖35B和圖35C分別示出了與TM模式成分的光譜的出射角依賴性有關(guān)的測定結(jié)果和計(jì)算結(jié)果。

圖35D是表示TE模式直線偏振光的方向、發(fā)光器件所具有的一維周期結(jié)構(gòu)的條紋朝向和發(fā)光器件的旋轉(zhuǎn)方向的示意圖。旋轉(zhuǎn)方向和角度θ與圖35A同樣地確定。圖35E和圖35F分別示出了與TE模式成分的光譜的出射角依賴性有關(guān)的測定結(jié)果和計(jì)算結(jié)果。

圖36A是表示TE模式直線偏振光的方向、發(fā)光器件所具有的一維周期結(jié)構(gòu)的條紋朝向和發(fā)光器件的旋轉(zhuǎn)方向的示意圖。在該測定中，以與一維周期結(jié)構(gòu)的凸部排列的方向平行的方向作為旋轉(zhuǎn)軸來使發(fā)光器件旋轉(zhuǎn)。角度θ相當(dāng)于：檢測出射光的方向與發(fā)光器件的正面方向所成的角。圖36B和圖36C分別示出了與TE模式成分的光譜的出射角依賴性有關(guān)的測定結(jié)果和計(jì)算結(jié)果。

圖36D是表示TM模式直線偏振光的方向、發(fā)光器件所具有的一維周期結(jié)構(gòu)的條紋朝向和發(fā)光器件的旋轉(zhuǎn)方向的示意圖。旋轉(zhuǎn)方向和角度θ與圖36A同樣地確定。圖36E和圖36F分別示出了與TM模式成分的光譜的出射角依賴性有關(guān)的測定結(jié)果和計(jì)算結(jié)果。

由圖35A～35F和圖36A～36F可知：TM模式成分與TE模式成分相比，被增強(qiáng)的效果更高。即，射出了以TM模式偏振的光。另外，被增強(qiáng)的光的波長根據(jù)出射角而位移。例如，對于波長為610nm的光，向正面方向指向性高地發(fā)光。另外，圖35B與圖35C、圖35E與圖35F、圖36B與圖36C、圖36E與圖36F各自的測定結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致。由此，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了上述計(jì)算的正確性。

圖37示出了圖36D所示的配置和旋轉(zhuǎn)方向波長為610nm的TM模式成分的強(qiáng)度的角度依賴性。如圖37所示，在正面方向(θ＝0°)的附近，產(chǎn)生強(qiáng)的光的增強(qiáng)；在其他角度中，光幾乎未被增強(qiáng)。在圖37中，向正面方向射出的光的指向角小于15°。進(jìn)而，由于所射出的光的主要成分為TM模式成分，因此實(shí)現(xiàn)了偏振發(fā)光。

以上的實(shí)驗(yàn)中，光致發(fā)光材料是在廣范圍的波段發(fā)光的YAG:Ce，但就算是發(fā)出窄范圍的光的材料，也能夠?qū)υ摬ㄩL的光實(shí)現(xiàn)高指向性和偏振發(fā)光。進(jìn)而，在使用了那樣的光致發(fā)光材料的情況下，能夠防止其他波長成分的光向除了正面方向以外的方向射出，能夠避免產(chǎn)生其他偏振狀態(tài)的光。

(第二實(shí)施方式)

以下，參照附圖，對本申請的第二實(shí)施方式的發(fā)光器件進(jìn)行說明。以下，以第二實(shí)施方式與第一實(shí)施方式的區(qū)別點(diǎn)為主來進(jìn)行說明，有時(shí)會省略與第一實(shí)施方式重復(fù)的說明。第二實(shí)施的方式不僅包含以下所說明的構(gòu)成，還可以包含由以下所說明的構(gòu)成與在第一實(shí)施方式中進(jìn)行了說明的構(gòu)成組合而得到的構(gòu)成。

[1.發(fā)光器件]

圖39是表示發(fā)光器件100d的構(gòu)成例的剖視示意圖。

發(fā)光器件100d具備具有周期結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光層110d。換言之，周期結(jié)構(gòu)通過光致發(fā)光層110d與空氣層的界面來形成?？諝鈱邮峭腹鈱拥囊粋€(gè)例子。

光致發(fā)光層110d具有整體上彎曲了的形狀。光致發(fā)光層110d的上表面為凹面，光致發(fā)光層110d下表面為凸面。

這里，“凹面”是指忽略由于周期結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的凹凸而得到的實(shí)質(zhì)凹面。例如，當(dāng)將形成在光致發(fā)光層主面的多個(gè)凸部之間連接的區(qū)域包含在一個(gè)虛擬凹面內(nèi)時(shí)，該光致發(fā)光層的主面被視為是實(shí)質(zhì)凹面。例如，當(dāng)形成在光致發(fā)光層主面的多個(gè)凸部的頂面包含在一個(gè)虛擬凹面內(nèi)時(shí)，該光致發(fā)光層的主面被視為是實(shí)質(zhì)凹面。

凹面例如也可以是通過使圓弧狀或橢圓弧狀的平面曲線旋轉(zhuǎn)而得到的曲面。或者，凹面例如還可以是拋物面。

周期結(jié)構(gòu)沿著光致發(fā)光層110d的凹面來形成。該周期結(jié)構(gòu)包含多個(gè)凸 部。多個(gè)凸部各自的頂面110t既可以是平面狀也可以是曲面狀。當(dāng)多個(gè)凸部的頂面110t為曲面時(shí)，這些頂面110t例如也可以包含在虛擬上的凹面內(nèi)。

光致發(fā)光層110d的周期結(jié)構(gòu)與在第一實(shí)施方式中進(jìn)行了說明的周期結(jié)構(gòu)同樣地，能夠限制光致發(fā)光層110d所發(fā)出的光的指向角。例如，波長為λ_a的光向凸部的頂面110t的法線方向射出。

在圖39中，周期結(jié)構(gòu)所包含的多個(gè)凸部沿著光致發(fā)光層110d的凹面配置，由此，多個(gè)頂面110t以向光致發(fā)光層110d的凹面的中央部變低的方式傾斜。換言之，與光致發(fā)光層110d的凸面中的中央部接觸的切面Lg和凸部的頂面110t上的某個(gè)點(diǎn)Pt之間的距離H會隨著點(diǎn)Pt靠近光致發(fā)光層110d的凹面的中央部而減少。

根據(jù)該構(gòu)成，向凸部的頂面110t的法線方向射出的光線從光致發(fā)光層110d的凸面與切面Lg的切點(diǎn)通過，并且以靠近與切面Lg垂直的法線N的方式前進(jìn)。即，通過使光致發(fā)光層110d具有彎曲了的形狀，能夠?qū)⑻囟úㄩL的光集中。

由光致發(fā)光層110d射出的光以相對于凸部的頂面110t的法線方向?yàn)橹行?，具有微小的指向角。因此，出射光包含向偏離了凸部的頂面110t的法線方向的方向射出的成分。但是，這些成分也可以通過彎曲了的光致發(fā)光層110d向靠近法線N的方向前進(jìn)。其結(jié)果是，可以提高發(fā)光的指向性。

通過提高發(fā)光的指向性，例如能夠使得接受由發(fā)光器件射出的光的光學(xué)部件小型化。

[2.變形例]

以下，對本實(shí)施方式的變形例進(jìn)行說明。另外，本實(shí)施方式還可以包括通過將以下所示的各種變形例組合而得到的方式。

[2-1.透光層]

圖40示出具有彎曲了的光致發(fā)光層110d和排列在光致發(fā)光層110d上的多個(gè)透光構(gòu)件120d的發(fā)光器件。多個(gè)透光構(gòu)件120d是透光層的一個(gè)例子。多個(gè)透光構(gòu)件120d例如由光的吸收性低的電介質(zhì)形成。

圖40中，周期結(jié)構(gòu)通過由透光構(gòu)件120d的上表面和側(cè)面以及光致發(fā)光層110d的上表面之中從透光構(gòu)件120d露出了的區(qū)域來形成。作為其他例子，發(fā)光器件也可以具有彎曲了的光致發(fā)光層和具有周期結(jié)構(gòu)的透光層。

另外，就圖40的發(fā)光器件而言，當(dāng)透光構(gòu)件120d與光致發(fā)光層110d由相同材料形成時(shí)，該發(fā)光器件相當(dāng)于圖39的發(fā)光器件100d。

圖40所示的透光構(gòu)件120d與光致發(fā)光層110d接觸，但透光構(gòu)件120d也可以遠(yuǎn)離光致發(fā)光層110d。當(dāng)透光構(gòu)件120d的折射率大于光致發(fā)光層110d的折射率時(shí)，透光構(gòu)件120d與光致發(fā)光層110d之間的距離可以任意設(shè)計(jì)。當(dāng)透光構(gòu)件120d的折射率小于光致發(fā)光層110d的折射率時(shí)，周期結(jié)構(gòu)與光致發(fā)光層110d之間的距離可以設(shè)計(jì)為光的波長λ_a的一半以內(nèi)。

[2-2.透明基板]

圖41示出具有光致發(fā)光層110d和支撐光致發(fā)光層110d的透明基板140e的發(fā)光器件。圖41中，光致發(fā)光層110d與透明基板140e共同彎曲。即，發(fā)光器件100e的截面形狀與參照圖39進(jìn)行了說明的例子同樣地，整體上為圓弧狀。透明基板140e的材料和特性例如可以與在第一實(shí)施方式中進(jìn)行了說明的那些相同。

就圖41所示的例而言，光致發(fā)光層110d具有周期結(jié)構(gòu)，但也可以將參照圖40進(jìn)行了說明的發(fā)光器件100d配置在透明基板140e上。

如圖19A和19B所示，透明基板140也可以例如具有周期結(jié)構(gòu)。

[2-3.中間層]

圖42示出在光致發(fā)光層110d與透光構(gòu)件120d之間配置了中間層的發(fā)光器件。中間層例如可以是參照圖24進(jìn)行了說明的保護(hù)層。中間層也可以包含材料不同的多個(gè)層。

圖43示出在光致發(fā)光層110d與透明基板140e之間配置了中間層160的發(fā)光器件100f，該中間層160形成了周期結(jié)構(gòu)。圖43中，中間層160具有周期結(jié)構(gòu)，在中間層160之上形成有光致發(fā)光層110d。其結(jié)果是，在光致發(fā)光層110d的表面，以追隨中間層160的周期結(jié)構(gòu)的方式形成有周期結(jié)構(gòu)。另外，光致發(fā)光層110d的表面也可以與圖19B所示的例子同樣地被平滑化。

中間層160也可以由與構(gòu)成透明基板140e的材料不同的材料形成。例如，可以是透明基板140e由藍(lán)寶石形成，中間層160由石英(SiO₂)形成。

另外，圖43中的中間層160是具有多個(gè)凸部的連續(xù)了的一個(gè)層，但中間層例如也可以由遠(yuǎn)離地排列的多個(gè)構(gòu)件構(gòu)成。

[2-4.其他變形例]

通過使第一實(shí)施方式和其變形例中進(jìn)行了說明的各種發(fā)光器件彎曲，從而能夠得到本實(shí)施方式的發(fā)光器件。

發(fā)光器件既可以具備例如圖29A～29D所示那樣的防擴(kuò)散層，也可以具備圖32A和32B所示那樣的具有透光性的導(dǎo)熱層。發(fā)光器件也可以具備例如圖31A和31B所示那樣的表面保護(hù)層。

[3.制造方法]

對發(fā)光器件的制造方法的各種例子進(jìn)行說明。

首先，準(zhǔn)備透明基板。接著，例如通過濺射、溶膠凝膠法、CVD法，在透明基板上形成含有光致發(fā)光材料的膜。之后，在還原氣氛下或者在空氣中對該膜進(jìn)行燒成。在光致發(fā)光材料為無機(jī)材料的情況下，能夠通過燒成來提高其結(jié)晶性。在透明基板為石英基板的情況下，燒成溫度例如為950℃～1200℃左右。另外，在透明基板為堿石灰玻璃基板的情況下，膜的燒成也可以使用激光、等離子體等來進(jìn)行。

在燒成的過程中，膜的體積收縮。此時(shí)，膜不僅在膜的厚度方向上收縮，也在沿著與基板的接觸面的方向上收縮。由此，透明基板和膜以使透明基板的一對主面之中形成有膜的主面為凹面的方式彎曲。其結(jié)果是，能夠得到彎曲了的光致發(fā)光層和彎曲了的透明基板的層疊體。

之后，對光致發(fā)光層的表面進(jìn)行加工，由此形成周期結(jié)構(gòu)。通過以上的方法，可以得到圖42所示那樣的具有透明基板的發(fā)光器件。

也可以在光致發(fā)光層上形成電介質(zhì)膜、對電介質(zhì)膜進(jìn)行圖案化來代替對光致發(fā)光層的表面進(jìn)行加工。由此，例如能夠形成包含周期結(jié)構(gòu)的透光層。

周期結(jié)構(gòu)例如也可以通過納米壓印來形成。

還可以將光致發(fā)光層或由光致發(fā)光層與透光層形成的層疊體從透明基板剝離。由此，能夠得到如圖39或圖40所示那樣的不具有基板的發(fā)光器件。

在透明基板上形成層之前，也可以例如使用半導(dǎo)體工藝、納米壓印等在透明基板上形成周期結(jié)構(gòu)。周期結(jié)構(gòu)還可以通過對透明基板的表面進(jìn)行加工來形成。或者，也可以在透明基板的表面形成材料與透明基板不同的 膜，通過對該膜進(jìn)行圖案化或納米壓印來形成周期結(jié)構(gòu)。由此，能夠得到例如圖43所示那樣的具有中間層的發(fā)光器件。

也可以使光致發(fā)光層的表面平滑化。

[4.彎曲的測定例]

制作具有彎曲了的光致發(fā)光層的發(fā)光器件的樣品，對其表面的形狀進(jìn)行了測定。

樣品在透明基板上具有光致發(fā)光層，但在光致發(fā)光層未形成周期結(jié)構(gòu)。該樣品的表面的形狀例如相當(dāng)于在圖41所示的發(fā)光器件100e之中忽略由于周期結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的凹凸而得到的實(shí)質(zhì)凹面的形狀。

樣品如以下那樣制作。首先，準(zhǔn)備15mm見方大小的石英基板。石英基板的厚度為0.5mm。接著，在石英基板上形成光致發(fā)光材料YAG:Ce的膜(厚度：大約300nm)。之后，在還原氣氛下，以燒成溫度為大約1000℃、燒成時(shí)間為4小時(shí)的條件，對YAG:Ce膜進(jìn)行燒成。其結(jié)果是，得到具有石英基板和光致發(fā)光層的層疊結(jié)構(gòu)的樣品。

接著，使用布魯克公司制的臺階儀(Stylus Profiler)DEKTAK XT(“DEKTAK”是布魯克納米股份有限公司的注冊商標(biāo))對所得到的樣品的光致發(fā)光層的表面形狀進(jìn)行了測定。測定時(shí)使用前端的半徑為12.5μm的觸針。

圖44示出樣品上的表面形狀的測定結(jié)果。圖44的縱軸以負(fù)值來表示當(dāng)將與光致發(fā)光層的上表面的外輪郭接觸的虛擬切面作為基準(zhǔn)時(shí)切面到光致發(fā)光層的上表面的深度。

如圖44所示，就該樣品而言，上表面的中央附近比上面的端部低1.1μm左右。

就具有與該樣品相同程度的彎曲的發(fā)光器件而言，發(fā)光器件的表面為圓弧，并且當(dāng)假定所關(guān)注的波長的光是由發(fā)光器件的表面各點(diǎn)垂直地射出時(shí)，由發(fā)光器件射出的光匯聚于距發(fā)光器件的表面大約25.6m的點(diǎn)。即，可知：根據(jù)本申請的實(shí)施方式，能夠提高發(fā)光中的指向性。

(第三實(shí)施方式)

以下，參照附圖，對本申請的第三實(shí)施方式的發(fā)光器件進(jìn)行說明。以下，有時(shí)會以第三實(shí)施方式與第一實(shí)施方式或第二實(shí)施方式的區(qū)別點(diǎn)為主 來進(jìn)行說明。

[1.發(fā)光器件]

圖45示出對發(fā)光器件100g的構(gòu)成例進(jìn)行表示的示意截面。

發(fā)光器件100g具有透明基板和光致發(fā)光層。在光致發(fā)光層形成有周期結(jié)構(gòu)。發(fā)光器件100g中的光致發(fā)光層110e的下表面為平坦面，光致發(fā)光層110e的上表面為凹面。換言之，發(fā)光器件100g的光致發(fā)光層110e根據(jù)位置而具有不同厚度。在圖45所例示的構(gòu)成中，光致發(fā)光層110e的厚度從光致發(fā)光層110e的端部朝著中央部減少。

圖46示出在光致發(fā)光層110e之上配列有多個(gè)透光構(gòu)件120e的發(fā)光器件。透光構(gòu)件120e為透光層的一個(gè)例子。透光構(gòu)件120e例如由光的吸收性低的電介質(zhì)形成。

圖45和46中，透明基板140不彎曲，透明基板140的上表面和下面為平坦面。因此，與透明基板140的上表面相對置的光致發(fā)光層110e的下表面也為平坦面。圖45和46所示的發(fā)光器件也可以不具備透明基板140。

[2.基于光致發(fā)光層的厚度分布的效果]

如在第一實(shí)施方式的2-2節(jié)中進(jìn)行了說明的那樣，就具有周期結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件而言，通過對光致發(fā)光層的厚度進(jìn)行調(diào)整，能夠增強(qiáng)任意特定波長的光。因此，如果光致發(fā)光層的厚度每個(gè)位置均不同，則由光致發(fā)光層射出的光的波長也每個(gè)位置均不同。

圖47和圖48將發(fā)光器件100g的光致發(fā)光層110e的一部分放大表示。圖47和圖48示出了周期結(jié)構(gòu)所包含的多個(gè)凸部之中的兩個(gè)。圖47和圖48中，左側(cè)為靠近光致發(fā)光層110e的上表面的中央部的一側(cè)，右側(cè)為靠近光致發(fā)光層110e的上表面的端部的一側(cè)。

圖47中，由右側(cè)的凸部的頂面110t向相對于透明基板140的法線方向較強(qiáng)地射出波長λ_a1的光。另一方面，由左側(cè)的凸部的頂面110t向相對于透明基板140的法線方向較強(qiáng)地射出與波長λ_a1不同的波長λ_a2的光。即，光致發(fā)光層110e的厚度從端部朝著中央部減少，由此能夠擴(kuò)大向特定方向(例如，發(fā)光器件的正面方向)射出的光的波長范圍。

圖47中，波長λ_a1的光由左側(cè)的凸部的頂面110t向從透明基板140的法線方向朝著光致發(fā)光層110e的上表面的中央部傾斜的方向射出。因此， 通過使光致發(fā)光層110e的上表面為凹面，能夠使波長λ_a1的光的至少一部分以靠近從光致發(fā)光層110e的上表面中心通過并且與光致發(fā)光層110e的下表面垂直的法線的方式前進(jìn)。

圖48中，由左側(cè)的凸部的頂面110t向頂面110t的法線方向較強(qiáng)地射出波長λ_a1的光。另一方面，由圖的右側(cè)的凸部的頂面110t向頂面110t的法線方向較強(qiáng)地射出與波長λ_a1不同的波長λ_a3的光。因此，通過使光致發(fā)光層110e的上表面為凹面，能夠使波長不同的光線以靠近從光致發(fā)光層110e的上表面中心通過并且與光致發(fā)光層110e的下表面垂直的法線的方式前進(jìn)。由此，多個(gè)波長的光被混色，由此可以降低由發(fā)光器件射出的光中的顏色不均。

[3.變形例]

以下，對本實(shí)施方式的變形例進(jìn)行說明。另外，本實(shí)施方式還可以包含通過組合以下所示的各種變形例而得到的方式。

[3-1.凸形狀的光致發(fā)光層]

圖49示出具有厚度從端部朝著中央部而增加的光致發(fā)光層110h的發(fā)光器件100h。就圖49所例示的構(gòu)成而言，光致發(fā)光層110h的上表面為實(shí)質(zhì)凸面。圖49中，光致發(fā)光層110h在其上表面具有周期結(jié)構(gòu)。

圖48可視為將發(fā)光器件100h的光致發(fā)光層110h的一部分?jǐn)U大了的圖。此時(shí)，圖48中，左側(cè)為靠近光致發(fā)光層110h的上表面的端部的一側(cè)，右側(cè)為靠近光致發(fā)光層110h的上表面的中央部的一側(cè)。

在圖48中，由左側(cè)的凸部的頂面110t向頂面110t的法線方向較強(qiáng)地射出波長λ_a1的光。如圖48所示，從頂面110t也射出波長與波長λ_a1不同的例如波長λ_a3的光。例如，在光致發(fā)光層110h的周期結(jié)構(gòu)為一維周期結(jié)構(gòu)的情況下，波長λ_a3的光相對于頂面110t的法線方向?qū)ΨQ地向兩個(gè)方向射出。向該兩個(gè)方向射出的光分別對應(yīng)于衍射次數(shù)m為正的光和m為負(fù)的光。例如，m為正的光以靠近從光致發(fā)光層110h的上表面的中心通過并且與光致發(fā)光層110h的下表面垂直的法線的方式前進(jìn)。另一方面，m為負(fù)的光向離開該法線的方向前行。

通過周期結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對由周期結(jié)構(gòu)射出的衍射光的次數(shù)和正負(fù)進(jìn)行控制。因此，通過選擇性地使特定次數(shù)m的衍射光由光致發(fā)光層射出，即 使是根據(jù)圖49所例示那樣的構(gòu)成，也能夠使光匯聚。例如，通過將凸部的各個(gè)截面形狀設(shè)定為梯形狀或三角形狀等，能夠選擇出射光的衍射次數(shù)。

進(jìn)而，由圖47可知：即使在使用含有示出特定波長的發(fā)光的光致發(fā)光材料的光致發(fā)光層110e的情況下，也能夠通過周期結(jié)構(gòu)對所射出的衍射光的次數(shù)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)高指向性。另外，雖然也可以使用濾色器來切割除了特定波長以外的波長的光，但使用適當(dāng)?shù)墓庵掳l(fā)光材料對波長進(jìn)行限制的損失小、因此有利。

圖49所示的光致發(fā)光層110h例如可以使用濺射來制作。在這種情況下，通過對目標(biāo)中心與透明基板140的旋轉(zhuǎn)中心的相對位置進(jìn)行調(diào)整，能夠?qū)庵掳l(fā)光層110h的厚度施予規(guī)定的分布。

[3-2.具有傾斜平面的光致發(fā)光層]

圖50示出具有厚度從一個(gè)端部朝著另一個(gè)端部單調(diào)遞減或單調(diào)遞增的光致發(fā)光層110i的發(fā)光器件100i。發(fā)光器件100i具有支撐光致發(fā)光層110i的透明基板140，但也可以不具有透明基板140。圖50中，與透明基板140接觸的光致發(fā)光層110i的下表面為平坦面。光致發(fā)光層110i在其上表面具有周期結(jié)構(gòu)120i。

圖50所示的發(fā)光器件100i與上述各種發(fā)光器件同樣地，能夠使得特定波長的光線向特定方向射出，能夠使這些光線集中。

就圖50所示的例子而言，光致發(fā)光層110i的厚度從一個(gè)端部朝著另一個(gè)端部呈直線狀地變化。然而，光致發(fā)光層110i的上表面既可以是平面狀也可以是曲面狀。發(fā)光器件100i既可以通過對例如圖45所示的發(fā)光器件100g進(jìn)行分割來制造，也可以通過對圖49所示的發(fā)光器件100h進(jìn)行分割來制造。

[3-3.其他變形例]

通過將在第一實(shí)施方式和其變形例以及第二實(shí)施方式和其變形例中進(jìn)行了說明的各種發(fā)光器件的光致發(fā)光層的上表面變更為凹面、凸面、傾斜面，由此能夠得到本實(shí)施方式的發(fā)光器件。

在圖45、圖46和圖49所示的例子中，光致發(fā)光層的上表面為曲面，但光致發(fā)光層的上表面例如也可以由多個(gè)平面區(qū)域構(gòu)成。

當(dāng)然，就光致發(fā)光層為大致平板狀類型的發(fā)光器件進(jìn)行了說明的各種 變更也可以適用于具有根據(jù)面內(nèi)位置而厚度不同的光致發(fā)光層類型的發(fā)光器件。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本申請的發(fā)光器件例如可以適用于照明器具、顯示器、投影儀。