發光裝置的制造方法

發光裝置的制造方法
【專利摘要】本申請的發光元件具有：光致發光層，該光致發光層接受激發光而發光；透光層，該透光層以與光致發光層接近的方式配置；亞微米結構，該亞微米結構形成在光致發光層和透光層中的至少一者上，并向光致發光層或透光層的面內擴散；以及導光結構，該導光結構以將上述激發光導向光致發光層的方式配置，其中，亞微米結構包含多個凸部或多個凹部，光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為λa的第一光，當將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設定為Dint、將光致發光層(110)對第一光的折射率設定為nwav?a時，成立λa/nwav?a＜Dint＜λa的關系。
【專利說明】
發光裝置
技術領域
[0001] 本申請設及發光裝置，特別設及具有光致發光層的發光裝置。
【背景技術】
[0002] 對于照明器具、顯示器、投影儀之類的光學設備而言，在多種用途中需要向所需的 方向射出光。巧光燈、白色Lm)等所使用的光致發光材料各向同性地發光。因此，為了使光僅 向特定方向射出，運種材料與反射器、透鏡等光學部件一起使用。例如，專利文獻1公開了使 用布光板和輔助反射板來確保指向性的照明系統。
[0003] 現有技術文獻
[0004] 專利文獻
[0005] 專利文獻1:日本特開2010-231941號公報

【發明內容】

[0006] 發明所要解決的問題
[0007] 本申請提供能夠對光致發光層的發光效率、指向性或偏振特性進行控制的具有新 型結構的發光裝置。
[0008] 用于解決問題的手段
[0009] 本申請的某個實施方式的發光裝置具有:光致發光層，該光致發光層接受激發光 而發光;透光層，該透光層W與上述光致發光層接近的方式配置;亞微米結構，該亞微米結 構形成在上述光致發光層和上述透光層中的至少一者上，并向上述光致發光層或上述透光 層的面內擴散；W及導光結構體，該導光結構體W將上述激發光導向上述光致發光層的方 式配置，其中，上述亞微米結構包含多個凸部或多個凹部，上述光致發光層所發出的光包括 空氣中的波長為Aa的第一光，當將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設定為化nt、將上述光 致發光層對上述第一光的折射率設定為rw-a時，成立VrW-a<Dint<Aa的關系。
[0010] 上述總的方案或具體的方案可W通過器件、裝置、系統、方法或它們的任意組合來 實現。
[0011] 發明效果
[0012] 本申請的某些實施方式的發光裝置具有新型構成，能夠根據新的機理對亮度、指 向性或偏振特性進行控制。
【附圖說明】
[0013] 圖IA是表示某個實施方式的發光器件的構成的立體圖。
[0014] 圖IB是圖IA所示的發光器件的局部剖視圖。
[0015] 圖IC是表示另一個實施方式的發光器件的構成的立體圖。
[0016] 圖ID是圖IC所示的發光器件的局部剖視圖。
[0017] 圖2是表示分別改變發光波長和周期結構的高度來計算向正面方向射出的光的增 強度的結果的圖。
[0018] 圖3是圖示式(10)中的m=l和m = 3的條件的圖表。
[0019] 圖4是表示改變發光波長和光致發光層的厚度t來計算向正面方向輸出的光的增 強度的結果的圖。
[0020] 圖5A是表示厚度t = 238皿時計算向X方向導波（引導光(to guide light))的模式 的電場分布的結果的圖。
[0021] 圖5B是表示厚度t = 539nm時計算向X方向導波的模式的電場分布的結果的圖。
[0022] 圖5C是表示厚度t = 300nm時計算向X方向導波的模式的電場分布的結果的圖。
[0023] 圖6是表示W與圖2的計算相同的條件就光的偏振為具有與y方向垂直的電場成分 的TE模式時計算光的增強度的結果的圖。
[0024] 圖7A是表示二維周期結構的例子的俯視圖。
[0025] 圖7B是表示就二維周期結構進行與圖2相同的計算的結果的圖。
[0026] 圖8是表示改變發光波長和周期結構的折射率來計算向正面方向輸出的光的增強 度的結果的圖。
[0027] 圖9是表示W與圖8相同的條件將光致發光層的膜厚設定為1000 nm時的結果的圖。
[0028] 圖10是表示改變發光波長和周期結構的高度來計算向正面方向輸出的光的增強 度的結果的圖。
[0029] 圖11是表示W與圖10相同的條件將周期結構的折射率設定為np = 2.0時的計算結 果的圖。
[0030] 圖12是表示設定為光的偏振為具有與y方向垂直的電場成分的TE模式來進行與圖 9所示的計算相同的計算的結果的圖。
[0031] 圖13是表示W與圖9所示的計算相同的條件將光致發光層的折射率nwav變更為1.5 時的結果的圖。
[0032] 圖14是表示在折射率為1.5的透明基板之上設置有與圖2所示的計算相同的條件 的光致發光層和周期結構時的計算結果的圖。
[0033] 圖15是圖示式(15)的條件的圖表。
[0034] 圖16是表示具備圖1A、1B所示的發光器件100和使激發光射入光致發光層110的光 源180的發光裝置200的構成例的圖。
[0035] 圖17是用于說明通過使激發光與模擬導波模式結合來高效地射出光的構成的圖； (a)表示具有X方向的周期化的一維周期結構；（b)表示具有X方向的周期化、y方向的周期Py 的二維周期結構；（C)表示(a)的構成中的光的吸收率的波長依賴性；（d)表示(b)的構成中 的光的吸收率的波長依賴性。
[0036] 圖18A是表示二維周期結構的一個例子的圖。
[0037] 圖18B是表示二維周期結構的另一個例子的圖。
[0038] 圖19A是在透明基板上形成了周期結構的變形例的圖。
[0039] 圖19B是在透明基板上形成了周期結構的另一個變形例的圖。
[0040] 圖19C是表示在圖19A的構成中改變發光波長和周期結構的周期來計算向正面方 向輸出的光的增強度的結果的圖。
[0041] 圖20是表示混合了多個粉末狀發光器件的構成的圖。
[0042] 圖21是表示在光致發光層之上二維地排列周期不同的多個周期結構的例子的俯 視圖。
[0043] 圖22是表示具有表面上形成有凹凸結構的多個光致發光層110層疊而成的結構的 發光器件的一個例子的圖。
[0044] 圖23是表示在光致發光層110與周期結構120之間設置了保護層150的構成例的剖 視圖。
[0045] 圖24是表示通過僅加工光致發光層110的一部分來形成周期結構120的例子的圖。
[0046] 圖25是表示形成在具有周期結構的玻璃基板上的光致發光層的截面TEM圖像的 圖。
[0047] 圖26是表示測定試制的發光器件的出射光的正面方向的光譜的結果的圖表。
[0048] 圖27(a)和(b)是表示測定試制的發光器件的出射光的角度依賴性的結果(上段） 和計算結果(下段)的圖表。
[0049] 圖28(a)和(b)是表示測定試制的發光器件的出射光的角度依賴性的結果(上段） 和計算結果(下段)的圖表。
[0050] 圖29是表示測定試制的發光器件的出射光(波長為610nm)的角度依賴性的結果的 圖表。
[0051 ]圖30是示意性地表示平板型波導的一個例子的立體圖。
[0052] 圖31是示意性地表示使得激發光的吸收效率提高的第一實施方式的發光裝置的 一部分的局部剖視圖。
[0053] 圖32是示意性地表示使得激發光的吸收效率提高的第一實施方式的發光裝置的 一部分的立體圖。
[0054] 圖33是為了說明用于將激發光通過全反射來封閉的條件的圖。
[0055] 圖34是示意性地表示導光結構體220的另一個例子的局部剖視圖。
[0056] 圖35是示意性地表示導光結構體220的又一個例子的局部剖視圖。
[0057] 圖36是示意性地表示導光結構體220的又一個例子的局部剖視圖。
[0058] 圖37是示意性地表示導光結構體220的又一個例子的局部剖視圖。
[0059] 圖38是示意性地表示導光結構體220的又一個例子的局部剖視圖。
[0060] 圖39是表示由多個透光性構件構成的導光結構體220的例子的立體圖。
[0061] 圖40是表示由多個透光性構件構成的導光結構體220的另一個例子的立體圖。
[0062] 圖41是表示由多個透光性構件構成的導光結構體220的又一個例子的立體圖。
[0063] 圖42是用于說明導光結構體220的配置的第一例的圖。
[0064] 圖43是用于說明導光結構體220的配置的第二例的圖。
[0065] 圖44是用于說明導光結構體220的配置的第S例的圖。
[0066] 圖45是示意性地表示具有導光結構體220的發光裝置的第二實施方式的局部剖視 圖。
[0067] 圖46是用于說明激發光的入射角度的圖。
[0068] 圖47是用于對來自光源180的激發光的出射方向進行更詳細說明的圖。
[0069] 圖48是示意性地表示在光致發光層110內產生的光與模擬導波模式結合并向外部 射出的狀況的剖視圖。
[0070] 圖49是示意性地表示使得激發光的吸收效率提高的第=實施方式的發光裝置的 一部分的剖視圖。
[0071] 圖50是表示通過計算設定的發光器件的構成的局部剖視圖。
[0072] 圖51是表示入射光的吸收率的波長和角度依賴性的圖。
[0073] 圖52是表示具備光纖230作為導光結構體的發光裝置的構成例的圖。
[0074] 圖53是表示在透明基板140內封閉激發光并將對光致發光層110的入射角度設定 為引起共振吸收的角度來提高吸收效率的構成的圖。
[0075] 圖54是示意性地表示將與周期結構120的線方向平行的軸作為旋轉軸旋轉時的旋 轉角設定為入射角0的構成的剖視圖。
[0076] 圖55是表示在圖54的構成中就激發光的吸收率對入射角度0和空氣中的波長入的 依賴性進行計算得到的結果的圖。
[0077] 圖56是表示在圖53的構成中入射光的吸收率的波長和角度依賴性的圖。
[0078] 圖57是表示具有向與周期結構120的線方向垂直的方向延伸的導光結構體220的 發光裝置的例子的圖。
[0079] 圖58是表示通過周期結構的作用使具有指向性的光向包含光致發光層的發光器 件的兩側射出的情況的剖視圖。
[0080] 圖59是表示在包含光致發光層的發光器件設置反射層的方案的剖視圖。
[0081] 圖60是表示光在構成設置于光致發光層的背面側的反射層的凸部分全反射的狀 況的剖視圖。
[0082] 圖61(a)~（d)分別是表示反射層的構成不同的各種實施方式的發光裝置的剖視 圖。
[0083] 圖62是表示不同波長的光由發光器件射出時的出射光的角度的圖；（a)是表示不 同波長的光向不同方向射出的狀況的剖視圖；（b)和(C)是表示通過在發光器件的背面側設 置反射層而使得不同波長的光的出射方向匯集(一致)的方案的剖視圖。
[0084] 圖63是表示具備反射層的另一個實施方式的發光裝置的剖視圖。
[0085] 圖64是表示對多個發光器件進行敷設(tiling)的方案的圖；（a)是俯視圖；（b)是 剖視圖。
【具體實施方式】
[0086] 在光學設備中，當配置反射器、透鏡等光學部件時，需要增大光學設備自身的尺寸 來確保它們的空間，優選不用運些光學部件，或者至少使它們小型化。
[0087] 本申請包括W下的項目所述的發光器件W及發光裝置。
[008引[項目1]
[0089] -種發光器件，其具有：
[0090] 光致發光層；
[0091] 透光層，該透光層W與上述光致發光層接近的方式配置；W及
[0092] 亞微米結構，該亞微米結構形成在上述光致發光層和上述透光層中的至少一者 上，并向上述光致發光層或上述透光層的面內擴散，
[0093] 其中，上述亞微米結構包含多個凸部或多個凹部，
[0094] 上述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為Aa的第一光，
[0095] 當將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設定為Dint、將上述光致發光層對上述第 一光的折射率設定為rw-a時，成立Aa/rw-a<^nt < Aa的關系。
[0096] [項目 2]
[0097] 根據項目1所述的發光器件，其中，上述亞微米結構包含由上述多個凸部或上述多 個凹部形成的至少一個周期結構，上述至少一個周期結構包含當將周期設定為Pa時成立入a/ nwav-a<Pa<^a的關系的第一周期結構。
[009引[項目3]
[0099] 根據項目1或2所述的發光器件，其中，上述透光層對上述第一光的折射率m-a比上 述光致發光層對上述第一光的折射率nwav-a小。
[0100] [項目 4]
[0101] 根據項目1~3中任一項所述的發光器件，其中，上述第一光在由上述亞微米結構 預先確定的第一方向上強度最大。
[0102] [項目 5]
[0103] 根據項目4所述的發光器件，其中，上述第一個方向為上述光致發光層的法線方 向。
[0104] [項目 6]
[0105] 根據項目4或5所述的發光器件，其中，向上述第一個方向射出的上述第一光為直 線偏振光。
[0106] [項目 7]
[0107] 根據項目4~6中任一項所述的發光器件，其中，W上述第一光的上述第一個方向 為基準時的指向角小于15°。
[010引[項目8]
[0109] 根據項目4~7中任一項所述的發光器件，其中，具有與上述第一光的波長Aa不同 的波長Ab的第二光在與上述第一個方向不同的第二方向上強度最大。
[0110] [項目 9]
[0111] 根據項目1~8中任一項所述的發光器件，其中，上述透光層具有上述亞微米結構。 [0…][項目10]
[0113] 根據項目1~9中任一項所述的發光器件，其中，上述光致發光層具有上述亞微米 結構。
[0114] [項目 11]
[0115] 根據項目1~8中任一項所述的發光器件，其中，上述光致發光層具有平坦的主面，
[0116] 上述透光層形成在上述光致發光層的上述平坦的主面上，并具有上述亞微米結 構。
[0117] [項目 12]
[0118] 根據項目11所述的發光器件，其中，上述光致發光層被透明基板支撐。
[0119] [項目 13]
[0120] 根據項目1~8中任一項所述的發光器件，其中，上述透光層為在一個主面上具有 上述亞微米結構的透明基板，
[0121 ]上述光致發光層被形成在上述亞微米結構之上。
[0122] [項目 14]
[0123] 根據項目1或2所述的發光器件，其中，上述透光層對上述第一光的折射率m-a為上 述光致發光層對上述第一光的折射率rwv-aW上，上述亞微米結構所具有的上述多個凸部的 高度或上述多個凹部的深度為ISOnmW下。
[0124] [項目 15]
[0125] 根據項目1和3~14中任一項所述的發光器件，其中，上述亞微米結構包含由上述 多個凸部或上述多個凹部形成的至少一個周期結構，上述至少一個周期結構包含當將周期 設定為Pa時成立Aa/nwav-a<Pa<Aa的關系的第一周期結構，
[01%]上述第一周期結構為一維周期結構。
[0127] [項目 16]
[0128] 根據項目15所述的發光器件，其中，上述光致發光層所發出的光包括空氣中的波 長為與Aa不同的Ab的第二光，
[0129] 在將上述光致發光層對上述第二光上述第二光的折射率設定為nwav-b的情況下，上 述至少一個周期結構還包含當將周期設定為Pb時成立Ab/nwav-b<pb<Ab的關系的第二周期 結構，
[0130] 上述第二周期結構為一維周期結構。
[0131] [項目 17]
[0132] 根據項目1和3~14中任一項所述的發光器件，其中，上述亞微米結構包含由上述 多個凸部或上述多個凹部形成的至少兩個周期結構，上述至少兩個周期結構包含在互相不 同的方向具有周期性的二維周期結構。
[0133] [項目 18]
[0134] 根據項目1和3~14中任一項所述的發光器件，其中，上述亞微米結構包含由上述 多個凸部或上述多個凹部形成的多個周期結構，
[0135] 上述多個周期結構包含W矩陣狀排列而成的多個周期結構。
[0136] [項目 19]
[0137] 根據項目1和3~14中任一項所述的發光器件，其中，上述亞微米結構包含由上述 多個凸部或上述多個凹部形成的多個周期結構，
[0138] 當將上述光致發光層所具有的光致發光材料的激發光在空氣中的波長設定為入ex、 將上述光致發光層對上述激發光的折射率設定為nwav-ex時，上述多個周期結構包含周期Pex 成立Aex/rW-ex < Pex <入郎的關系的周期結構。
[0139] [項目 20]
[0140] -種發光器件，其具有多個光致發光層和多個透光層，
[0141] 其中，上述多個光致發光層中的至少兩個和上述多個透光層中的至少兩個各自獨 立地分別相當于項目1~19中任一項所述的上述光致發光層和上述透光層。
[0142] [項目 2U
[0143] 根據項目20所述的發光器件，其中，上述多個光致發光層與上述多個透光層層疊。
[0144] [項目 22]
[0145] 一種發光器件，其具有：
[0146] 光致發光層；
[0147] 透光層，該透光層W與上述光致發光層接近的方式配置；W及
[0148] 亞微米結構，該亞微米結構形成在上述光致發光層和上述透光層中的至少一者 上，并向上述光致發光層或上述透光層的面內擴散，
[0149] 上述發光器件射出在上述光致發光層和上述透光層的內部形成模擬導波模式的 光。
[01加][項目測
[0151] -種發光器件，其具備：
[0152] 光能夠導波的導波層；W及
[0153] 周期結構，該周期結構W與上述導波層接近的方式配置，
[0154] 其中，上述導波層具有光致發光材料，
[0155] 在上述導波層中，由上述光致發光材料發出的光存在一邊與上述周期結構作用一 邊導波的模擬導波模式。
[0156] [項目 24]
[0157] -種發光器件，其具有：
[0158] 光致發光層；
[0159] 透光層，該透光層W與上述光致發光層接近的方式配置；W及
[0160] 亞微米結構，該亞微米結構形成在上述光致發光層和上述透光層中的至少一者 上，并向上述光致發光層或上述透光層的面內擴散，
[0161] 其中，上述亞微米結構包含多個凸部或多個凹部，
[0162] 當將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設定為Dint、將上述光致發光層所具有的 光致發光材料的激發光在空氣中的波長設定為Aex、將在到達上述光致發光層或上述透光層 的光路中所存在的介質之中折射率最大的介質對上述激發光的折射率設定為nwav-ex時，成 AL 火 ex/Owav-ex <Dint<心的關系。
[016；3][項目2引
[0164]根據項目24所述的發光器件，其中，上述亞微米結構包含由上述多個凸部或上述 多個凹部形成的至少一個周期結構，上述至少一個周期結構包含當將周期設定為Pex時成立 入ex/riwav-ex < Pex < 的關系的第一周期結構。
[01化][項目26]
[0166] -種發光器件，其具有：
[0167] 透光層；
[0168] 亞微米結構，該亞微米結構形成在上述透光層上，并向上述透光層的面內擴散；W 及
[0169] 光致發光層，該光致發光層W與上述亞微米結構接近的方式配置，
[0170] 其中，上述亞微米結構包含多個凸部或多個凹部，
[0171] 上述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為Aa的第一光，
[0172] 上述亞微米結構包含由上述多個凸部或上述多個凹部形成的至少一個周期結構，
[0173] 當將上述光致發光層對上述第一光的折射率設定為nwav-a、將上述至少一個周期結 構的周期設定為Pa時，成立Aa/nwav-a < Pa < Aa的關系。
[0174][項目 27]
[01巧]一種發光器件，其具有：
[0176] 光致發光層；
[0177] 透光層，該透光層具有比上述光致發光層高的折射率;W及
[0178] 亞微米結構，該亞微米結構形成在上述透光層上，并向上述透光層的面內擴散，
[0179] 其中，上述亞微米結構包含多個凸部或多個凹部，
[0180] 上述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為Aa的第一光，
[0181] 上述亞微米結構包含由上述多個凸部或上述多個凹部形成的至少一個周期結構，
[0182] 當將上述光致發光層對上述第一光的折射率設定為nwav-a、將上述至少一個周期結 構的周期設定為Pa時，成立Aa/nwav-a < Pa < Aa的關系。
[0183] [項目 28]
[0184] -種發光器件，其具有：
[0185] 光致發光層；W及
[0186] 亞微米結構，該亞微米結構形成在上述光致發光層上，并向上述光致發光層的面 內擴散，
[0187] 其中，上述亞微米結構包含多個凸部或多個凹部，
[0188] 上述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為Aa的第一光，
[0189] 上述亞微米結構包含由上述多個凸部或上述多個凹部形成的至少一個周期結構，
[0190] 當將上述光致發光層對上述第一光的折射率設定為nwav-a、將上述至少一個周期結 構的周期設定為Pa時，成立Aa/nwav-a < Pa < Aa的關系。
[0191] [項目 29]
[0192] 根據項目1~21和24~28中任一項所述的發光器件，其中，上述亞微米結構包含上 述多個凸部和上述多個凹部運兩者。
[019；3][項目 30]
[0194]根據項目1~22和24~27中任一項所述的發光器件，其中，上述光致發光層與上述 透光層互相接觸。
[019引[項目3U
[0196] 根據項目23所述的發光器件，其中，上述導波層與上述周期結構互相接觸。
[0197] [項目 32]
[0198] 一種發光裝置，其具備項目1~31中任一項所述的發光器件和向上述光致發光層 照射激發光的激發光源。
[0199] [項目 33]
[0200] 一種發光裝置，其具有：
[0201] 光致發光層，該光致發光層接受激發光而發光；
[0202] 透光層，該透光層W與上述光致發光層接近的方式配置；
[0203] 亞微米結構，該亞微米結構形成在上述光致發光層和上述透光層中的至少一者 上，并向上述光致發光層或上述透光層的面內擴散；W及
[0204] 導光結構體，該導光結構體W將上述激發光導向上述光致發光層的方式配置，
[0205] 其中，上述亞微米結構包含多個凸部或多個凹部，
[0206] 上述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為Aa的第一光，
[0207] 當將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設定為Dint、將上述光致發光層對上述第 一光的折射率設定為rw-a時，成立Aa/rw-a<^nt < Aa的關系。
[020引[項目34]
[0209] 根據項目33所述的發光裝置，其中，上述導光結構體形成在上述光致發光層中存 在上述亞微米結構一側的面。
[0210] [項目 35]
[0211] 根據項目33所述的發光裝置，其中，上述導光結構體形成在上述光致發光層中與 存在上述亞微米結構一側相反一側的面。
[0別^ [項目36]
[0213] 根據項目34或35所述的發光裝置，其還具有使上述激發光向上述導光結構體射出 的光源，
[0214] 其中，當將上述激發光由上述導光結構體到上述光致發光層的入射角設定為0st、 將上述導光結構體的折射率設定為rist時，成立nstsin(目st)>l。
[0215] [項目 37]
[0216] 根據項目33所述的發光裝置，其還具備支撐上述光致發光層的透明基板，
[0217] 其中，上述導光結構體形成在上述透明基板中與上述光致發光層一側相反一側的 面。
[0別引[項目3引
[0219] 根據項目37所述的發光裝置，其還具備使上述激發光向上述導光結構體射出的光 源，
[0220] 其中，當將上述激發光由上述導光結構體到上述透明基板的入射角設定為0st、將 上述導光結構體的折射率設定為rist時，成立nstsin(目st)>l。
[02別][項目39]
[0222] 根據項目1~6中任一項所述的發光裝置，其中，上述導光結構體由至少一個棱柱 形狀的透光性構件構成。
[0223] [項目 40]
[0224] 根據項目33~38中任一項所述的發光裝置，其中，上述導光結構體由至少一個半 球形狀的透光性構件構成。
[02巧][項目41]
[0226] 根據項目33~38中任一項所述的發光裝置，其中，上述導光結構體由至少一個金 字塔形狀的透光性構件構成。
[0227] [項目 42]
[0228] 根據項目33~41中任一項所述的發光裝置，其中，當將上述激發光在空氣中的波 長設定為Aex時，上述亞微米結構W上述第一光向上述光致發光層的法線方向最強地射出、 在波長為Aex的第二光在上述光致發光層的內部傳播的情況下上述第二光向與上述光致發 光層的法線方向成角度0DUt的方向最強地射出的方式構成，
[0229] 上述導光結構體使上述激發光W入射角0Dut射入上述光致發光層。
[0230] [項目 43]
[0231] 根據項目33~42中任一項所述的發光裝置，其中，上述亞微米結構具有一維周期 結構，
[0232] 上述導光結構體具有向與上述一維周期結構的線方向和上述光致發光層的厚度 方向運兩者垂直的方向延伸的結構。
[0233] [項目 44]
[0234] -種發光裝置，其具有：
[0235] 光致發光層，該光致發光層接受空氣中的波長為Asx的激發光而發光；
[0236] 透光層，該透光層W與上述光致發光層接近的方式配置；
[0237] 亞微米結構，該亞微米結構形成在上述光致發光層和上述透光層中的至少一者 上，并向上述光致發光層或上述透光層的面內擴散；W及
[0238] 光源，該光源射出上述激發光，
[0239] 其中，上述亞微米結構包含多個凸部或多個凹部，
[0240] 上述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為Aa的第一光，
[0241] 當將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設定為Dint、將上述光致發光層對上述第 一光的折射率設定為rW-a時，成立Aa/rW-a<^nt<Aa的關系，
[0242] 上述亞微米結構W上述第一光向上述光致發光層的法線方向最強地射出、在波長 為入ex的第二光在上述光致發光層的內部傳播的情況下上述第二光向與上述光致發光層的 法線方向成角度0DUt的方向最強地射出的方式構成，
[0243] 上述光源使上述激發光W入射角0Dut射入上述光致發光層。
[0244] [項目4引
[0245] 一種發光裝置，其具有：
[0246] 透光層；
[0247] 亞微米結構，該亞微米結構形成在上述透光層上，并向上述透光層的面內擴散；
[0248] 光致發光層，該光致發光層W與上述亞微米結構接近的方式配置，并接受激發光 而發光；W及
[0249] 導光結構體，該導光結構體W將上述激發光導向上述光致發光層的方式配置，
[0250] 其中，上述亞微米結構至少包含多個凸部或多個凹部，
[0251] 上述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為Aa的第一光，
[0252] 上述亞微米結構至少包含由上述多個凸部或者上述多個凹部形成的至少一個周 期結構，
[0253] 當將上述光致發光層對上述第一光的折射率設定為nwav-a、將上述至少一個周期結 構的周期設定為Pa時，成立Aa/nwav-a < Pa < Aa的關系。
[0254][項目 4S]
[02W] -種發光裝置，其具有：
[0256] 光致發光層，該光致發光層接受激發光而發光；
[0257] 透光層，該透光層具有比上述光致發光層高的折射率；
[0258] 亞微米結構，該亞微米結構形成在上述透光層上，并向上述透光層的面內擴散；W 及
[0259] 導光結構體，該導光結構體W將上述激發光導向上述光致發光層的方式配置，
[0260] 其中，上述亞微米結構至少包含多個凸部或多個凹部，
[0%1]上述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為Aa的第一光，
[0262] 上述亞微米結構至少包含由上述多個凸部或者上述多個凹部形成的至少一個周 期結構，
[0263] 當將上述光致發光層對上述第一光的折射率設定為nwav-a、將上述至少一個周期結 構的周期設定為Pa時，成立Aa/nwav-a < Pa < Aa的關系。
[0264] [項目 47]
[0265] 根據項目33~46中任一項所述的發光裝置，其中，上述光致發光層與上述透光層 互相接觸。
[0266] [項目 48]
[0267] -種發光裝置，其具有：
[0268] 光致發光層，該光致發光層接受激發光而發光；
[0269] 亞微米結構，該亞微米結構形成在上述光致發光層上，并向上述光致發光層的面 內擴散;W及
[0270] 導光結構體，該導光結構體W將上述激發光導向上述光致發光層的方式配置，
[0271 ]其中，上述亞微米結構至少包含多個凸部或多個凹部，
[0272] 上述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為Aa的第一光，
[0273] 上述亞微米結構至少包含由上述多個凸部或者上述多個凹部形成的至少一個周 期結構，
[0274] 當將上述光致發光層對上述第一光的折射率設定為rw-a、將上述至少一個周期結 構的周期設定為Pa時，成立Aa/nwav-a < Pa < Aa的關系。
[02巧][項目49]
[0276] 根據項目33~48中任一項所述的發光裝置，其中，上述亞微米結構包含上述多個 凸部和上述多個凹部運兩者。
[0277] [項目 50]
[0278] -種發光裝置，其具有：
[0279] 發光器件；W及
[0280] 反射層，該反射層W與上述發光器件所具有的光出射面相對置的方式配置，
[0281 ]其中，上述發光器件具有:光致發光層;透光層，該透光層W與上述光致發光層接 近的方式配置；W及亞微米結構，該亞微米結構形成在上述光致發光層和上述透光層中的 至少一者上，并向上述光致發光層或上述透光層的面內擴散，
[0282] 上述亞微米結構包含多個凸部或多個凹部，當將相鄰的凸部之間或凹部之間的距 離設定為化nt、上述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為Aa的第一光、將光致發光層 110對上述第一光的折射率設定為rW-a時，成立Aa/rW-a<^nt<Aa的關系。
[0283] [項目 5U
[0284] 根據項目50所述的發光裝置，其中，上述反射層包含透光性的凹凸結構，并W在上 述凹凸結構的表面產生全反射的方式構成。
[0285] [項目 52]
[0286] 根據項目51所述的發光裝置，其中，上述凹凸結構包含棱鏡狀結構體、金字塔狀結 構體、微透鏡陣列、柱狀透鏡（lenticular lens)和角錐棱鏡陣列（corner cube array)中 的任一種。
[0287] [項目 53]
[0288] 根據項目50所述的發光裝置，其中，上述反射層包含金屬反射膜或電介質多層膜。 [02例[項目54]
[0290] 根據項目53所述的發光裝置，其中，上述電介質多層膜構成分色鏡（dichroic mirror)。
[0291] [項目5引
[0292] 根據項目50所述的發光裝置，其中，上述反射層包含漫反射膜。
[0293] [項目 56]
[0294] 根據項目50~55中任一項所述的發光裝置，其中，上述反射層具備相對于上述光 致發光層的層面僅傾斜了超過0°的角度0的反射面。
[02巧][項目57]
[0296] 根據項目56所述的發光裝置，其中，由上述光致發光層射出的光包括:具有第一波 長的光，該具有第一波長的光通過上述周期結構的衍射作用向上述光致發光層的層面法線 方向射出；W及具有第二波長的光，該具有第二波長的光通過上述周期結構的衍射作用向 與上述光致發光層的層面法線方向不同的方向射出，
[0297] 上述具有第二波長的光沿著從上述光致發光層的層面法線方向僅偏移了角度20 的方向到達上述反射面，
[0298] 上述反射面的上述角度0是上述角度20的1/2的角度。
[0299] [項目5引
[0300] 根據項目56或57所述的發光裝置，其中，上述反射層包含配置在上述僅傾斜了角 度0的反射面與上述發光器件之間的空氣層。
[0301] [項目 59]
[0302] 根據項目50~58中任一項所述的發光裝置，其包含W在面內互相相鄰的方式配置 的多個上述發光器件，
[0303] 其中，上述多個發光器件至少包含第一發光器件和第二發光器件，
[0304] 上述第一發光器件的亞微米結構所具有的周期結構的周期與上述第二發光器件 的亞微米結構所具有的周期結構的周期不同。
[0305] 本申請的實施方式的發光器件具備:光致發光層;透光層，該透光層W與上述光致 發光層接近的方式配置；W及亞微米結構，該亞微米結構形成在上述光致發光層和上述透 光層中的至少一者上，并向上述光致發光層或上述透光層的面內擴散，其中，上述亞微米結 構包含多個凸部或多個凹部，當將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設定為化nt、上述光致 發光層所發出的光包括空氣中的波長為Aa的第一光、將上述光致發光層對上述第一光的折 射率設定為rw-a時，成立VrW-a<Dint<Aa的關系。波長Aa例如在可見光的波長范圍內（例 如380nm W 上且780nm W 下）。
[0306] 光致發光層包含光致發光材料。光致發光材料是指接受激發光而發光的材料。光 致發光材料包括狹義的巧光材料和憐光材料，不僅包括無機材料，也包括有機材料(例如色 素），還包括量子點（即，半導體微粒）。光致發光層除了光致發光材料W外，還可W包含基質 材料(即，主體材料）。基質材料例如為玻璃、氧化物等無機材料、樹脂。
[0307] W與光致發光層接近的方式配置的透光層由對于光致發光層所發出的光透射率 高的材料形成，例如由無機材料、樹脂形成。透光層例如優選由電介質(特別是光的吸收少 的絕緣體)形成。透光層例如可W為支撐光致發光層的基板。另外，在光致發光層的空氣側 的表面具有亞微米結構的情況下，空氣層可W為透光層。
[0308] 對于本申請的實施方式的發光器件而言，如后面參照計算結果和實驗結果所詳述 的那樣，由于形成在光致發光層和透光層中的至少一者上的亞微米結構(例如周期結構）， 在光致發光層和透光層的內部形成獨特的電場分布。運是導波光與亞微米結構相互作用形 成的，可W將其表示為模擬導波模式。通過利用該模擬導波模式，如W下所說明的那樣，能 夠得到光致發光的發光效率增大、指向性提高、偏振光的選擇性效果。另外，W下的說明中， 有時使用模擬導波模式運一用語來對本申請的
【發明人】們發現的新型構成和/或新的機理進 行說明，但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。
[0309] 亞微米結構例如包含多個凸部，當將相鄰的凸部之間的距離（即，中屯、間距離）設 定為Dint時，滿足Aa/rWv-a<Dint<Aa的關系。亞微米結構也可W包含多個凹部來代替多個凸 部。W下，為了簡化起見，W亞微米結構具有多個凸部的情況進行說明。A表示光的波長，入a 表示空氣中的光的波長。rwv是光致發光層的折射率。在光致發光層為混合有多種材料的介 質的情況下，將各材料的折射率W各自的體積比率加權而得到的平均折射率設定為nwav。通 常折射率n依賴于波長，因此優選將對Aa的光的折射率表示為rwv-a，但有時為了簡化起見會 省略。rwv基本上是光致發光層的折射率，但在與光致發光層相鄰的層的折射率大于光致發 光層的折射率的情況下，將該折射率大的層的折射率和光致發光層的折射率W各自的體積 比率加權而得到的平均折射率設定為nwav。運是因為，運種情況光學上與光致發光層由多個 不同材料的層構成的情況等價。
[0310]當將介質對模擬導波模式的光的有效折射率設定為neff時，滿足na<neff<rw。運 里，na是空氣的折射率。如果認為模擬導波模式的光為在光致發光層的內部一邊W入射角0 全反射一邊傳播的光，則有效折射率rief f可寫作nef f = rwvS i n 0。另外，有效折射率nef f由存在 于模擬導波模式的電場分布的區域中的介質的折射率確定，因此例如在透光層形成了亞微 米結構的情況下，不僅依賴于光致發光層的折射率，還依賴于透光層的折射率。另外，由于 根據模擬導波模式的偏振方向（TE模式和TM模式）的不同，電場的分布不同，因此在TE模式 和TM模式中，有效折射率neff可W不同。
[0311] 亞微米結構形成在光致發光層和透光層中的至少一者上。在光致發光層與透光層 互相接觸時，也可W在光致發光層與透光層的界面上形成亞微米結構。此時，光致發光層和 透光層具有亞微米結構。光致發光層也可W不具有亞微米結構。此時，具有亞微米結構的透 光層W與光致發光層接近的方式配置。運里，透光層(或其亞微米結構）與光致發光層接近 典型而言是指:它們之間的距離為波長Aa的一半W下。由此，導波模式的電場達到亞微米結 構，形成模擬導波模式。但是，在透光層的折射率比光致發光層的折射率大時，即使不滿足 上述的關系，光也到達透光層，因此透光層的亞微米結構與光致發光層之間的距離可W超 過波長Aa的一半。本說明書中，在光致發光層與透光層處于導波模式的電場到達亞微米結 構、形成模擬導波模式那樣的配置關系的情況下，有時表示兩者互相關聯。
[0312] 亞微米結構如上所述滿足Aa/rWv-a<Dint<Aa的關系，因此具有大小為亞微米量級 的特征。亞微米結構例如如W下詳細說明的實施方式的發光器件中那樣，可W包含至少一 個周期結構。當將周期設定為Pa時，至少一個周期結構成立Aa/nwav-a<Pa<Aa的關系。即，亞 微米結構具有相鄰的凸部之間的距離化nt為Pa且固定的周期結構。如果亞微米結構包含周 期結構，則模擬導波模式的光通過一邊傳播一邊與周期結構反復相互作用，被亞微米結構 衍射。運與在自由空間傳播的光通過周期結構而衍射的現象不同，而是光一邊導波（即，一 邊反復全反射)一邊與周期結構作用的現象。因此，即使由周期結構引起的相移小（即，即使 周期結構的高度小），也能夠高效地引起光的衍射。
[0313] 如果利用如上所述的機理，則通過由模擬導波模式增強電場的效果，光致發光的 發光效率增大，并且產生的光與模擬導波模式結合。模擬導波模式的光的前進角度僅彎曲 被周期結構規定的衍射角度。通過利用該現象，能夠向特定方向射出特定波長的光(指向性 顯著提高）。進而，在TE和TM模式中，有效折射率neff(=rwsin0)不同，因此還能夠同時得到 高偏振光的選擇性。例如，如后面實驗例所示，能夠得到向正面方向射出強的特定波長(例 如61 Onm)的直線偏振光(例如TM模式）的發光器件。此時，向正面方向射出的光的指向角例 如低于15°。另外，指向角設定為將正面方向設成0°的單側的角度。
[0314] 相反，如果亞微米結構的周期性降低，則指向性、發光效率、偏振度和波長選擇性 變弱。只要根據需要調整亞微米結構的周期性就行。周期結構既可W為偏振光的選擇性高 的一維周期結構，也可W是能夠減小偏振度的二維周期結構。
[0315] 另外，亞微米結構可W包含多個周期結構。多個周期結構例如周期（間距)互相不 同。或者，多個周期結構例如具有周期性的方向巧由)互相不同。多個周期結構既可W形成在 同一個面內，也可W層疊。當然，發光器件可W具有多個光致發光層和多個透光層，它們也 可W具有多個亞微米結構。
[0316] 亞微米結構不僅能夠用于控制光致發光層所發出的光，而且還能夠用于將激發光 高效地導向光致發光層。即，激發光被亞微米結構衍射，與將光致發光層和透光層導波的模 擬導波模式結合，由此能夠高效地激發光致發光層。只要使用當將激發光致發光材料的光 在空氣中的波長設定為Aex、將光致發光層對該激發光的折射率設定為nwav-ex時成立Aex/ rW-ex<Dint < Aex的關系的亞微米結構就行。rW-ex是光致發光材料對激發波長的折射率。可 W使用具有當將周期設定為Pex時成立Aex/rW-ex<Pex<Aex的關系的周期結構的亞微米結 構。激發光的波長Aex例如是45化m，但也可W為比可見光短的波長。在激發光的波長處于可 見光的范圍內的情況下，也可W設定為與光致發光層所發出的光一起射出激發光。
[0317] [1.作為本申請的基礎的認識]
[0318] 在說明本申請的【具體實施方式】之前，首先，對作為本申請的基礎的認識進行說明。 如上所述，巧光燈、白色Lm)等所使用的光致發光材料各向同性地發光，因此為了用光照射 特定方向，需要反射器、透鏡等光學部件。然而，如果光致發光層自身W指向性地發光，就不 需要(或者能夠減小）如上所述的光學部件，由此能夠大幅縮小光學設備或器具的大小。本 申請的
【發明人】們根據運樣的設想，為了得到指向性發光，詳細研究了光致發光層的構成。
[0319] 本申請的
【發明人】們首先認為:為了使來自光致發光層的光偏向特定方向，要使發 光本身具有特定方向性。作為表征發光的指標的發光率r根據費米的黃金法則，由W下的 式(1)表示。
[0320]
[0321 ] 式（I)中，r是表示位置的矢量，A是光的波長，d是偶極矢量，E是電場矢量，P是狀態 密度。就除了一部分結晶性物質W外的多種物質而言，偶極矢量d具有隨機的方向性。另外， 在光致發光層的尺寸和厚度比光的波長足夠大的情況下，電場E的大小也不依賴于朝向而 基本固定。因此，在絕大多數情況下，<(d-E(r))〉2的值不依賴于方向。即，發光率r不依賴 于方向而固定。因此，在絕大多數情況下，光致發光層各向同性地發光。
[0322] 另一方面，為了由式（1)得到各向異性的發光，需要花工夫進行使偶極矢量d匯集 在特定方向或者增強電場矢量的特定方向的成分中的任意一種。通過花工夫進行它們中的 任意一種，能夠實現指向性發光。在本申請中，利用通過將光封閉在光致發光層中的效果將 特定方向的電場成分增強的模擬導波模式，對于用于此的構成進行了研究，W下說明詳細 分析的結果。
[0323] [2.僅增強特定方向的電場的構成]
[0324] 本申請的
【發明人】們認為要使用電場強的導波模式對發光進行控制。通過設定為導 波結構本身含有光致發光材料的構成，能夠使得發光與導波模式結合。但是，如果僅使用光 致發光材料形成導波結構，則由于發出的光成為導波模式，因此向正面方向幾乎出不來光。 于是，本申請的
【發明人】們認為要對包含光致發光材料的波導和周期結構（由多個凸部和多 個凹部中的至少一者來形成)進行組合。在周期結構與波導接近、光的電場一邊與周期結構 重疊一邊導波的情況下，通過周期結構的作用，存在模擬導波模式。即，該模擬導波模式是 被周期結構所限制的導波模式，其特征在于，電場振幅的波腹W與周期結構的周期相同的 周期產生。該模式是通過光被封閉在導波結構中從而電場向特定方向被增強的模式。進而， 由于通過該模式與周期結構進行相互作用，通過衍射效果轉換為特定方向的傳播光，因此 能夠向波導外部射出光。進而，由于除了模擬導波模式W外的光被封閉在波導內的效果小， 因此電場不被增強。所W，大多數發光與具有大的電場成分的模擬導波模式結合。
[0325] 目P，本申請的
【發明人】們認為通過將包含光致發光材料的光致發光層(或者具有光 致發光層的導波層)設定為W與周期結構接近的方式設置的波導，使發光與轉換為特定方 向的傳播光的模擬導波模式結合，實現具有指向性的光源。
[0326] 作為導波結構的簡便構成，著眼于平板型波導。平板型波導是指光的導波部分具 有平板結構的波導。圖30是示意性地表示平板型波導IlOS的一個例子的立體圖。在波導 IlOS的折射率比支撐波導IlOS的透明基板140的折射率高時，存在在波導IlOS內傳播的光 的模式。通過將運樣的平板型波導設定為包含光致發光層的構成，由于由發光點產生的光 的電場與導波模式的電場大幅重合，因此能夠使光致發光層中產生的光的大部分與導波模 式結合。進而，通過將光致發光層的厚度設定為光的波長程度，能夠作出僅存在電場振幅大 的導波模式的狀況。
[0327] 進而，在周期結構與光致發光層接近的情況下，通過導波模式的電場與周期結構 相互作用而形成模擬導波模式。即使在光致發光層由多個層構成的情況下，只要導波模式 的電場達到周期結構，就會形成模擬導波模式。不需要光致發光層全部都為光致發光材料， 只要其至少一部分區域具有發光的功能就行。
[0328] 另外，在由金屬形成周期結構的情況下，形成導波模式和基于等離子體共振效應 的模式，該模式具有與上面所述的模擬導波模式不同的性質。另外，該模式由于由金屬導致 的吸收多，因此損失變大，發光增強的效果變小。因此，作為周期結構，優選使用吸收少的電 介質。
[0329] 本申請的
【發明人】們首先研究了使發光與通過在運樣的波導（例如光致發光層）的 表面形成周期結構而能夠作為特定角度方向的傳播光射出的模擬導波模式結合。圖IA是示 意性地表示具有運樣的波導（例如光致發光層HlO和周期結構(例如透光層）120的發光器 件100的一個例子的立體圖。W下，在透光層120形成有周期結構的情況下（即，在透光層120 形成有周期性的亞微米結構的情況下），有時將透光層120稱為周期結構120。在該例子中， 周期結構120是分別在y方向延伸的條紋狀的多個凸部在X方向上等間隔排列的一維周期結 構。圖IB是將該發光器件100用與XZ面平行的平面切斷時的剖視圖。如果W與波導110接觸 的方式設置周期P的周期結構120,則面內方向的具有波數kwav的模擬導波模式被轉換為波 導外的傳播光，該波數kDut能夠用W下的式(2)表示。
[0330]
[0331 ]式(2)中的m為整數，表示衍射的次數。
[0332] 運里，為了簡化起見，近似地將在波導內導波的光看作是W角度0W3V傳播的光線， 成立W下的式(3)和(4)。
[0333]
[0334]
[0335] 在運些式子中，Ao是光在空氣中的波長，IWv是波導的折射率，n〇ut是出射側的介質 的折射率，0Dut是光射出到波導外的基板或空氣時的出射角度。由式(2)~(4)可知，出射角 度0DUt能夠用W下的式(5)表示。
[0336] Houtsin 白 OUt = HwavSin 白 wav-m 入 o/p (5) 惦37] 由式（5)可知，在n^ravsin目^rav = mA日/p成立時，目。ut = 0，能夠使光向與波導的面垂直 的方向（即，正面)射出。
[0338] 根據如上的原理，可W認為通過使發光與特定模擬導波模式結合，進而利用周期 結構轉換為特定出射角度的光，能夠使強的光向該方向射出。
[0339] 為了實現如上所述的狀況，有幾個制約條件。首先，為了使模擬導波模式存在，需 要在波導內傳播的光全反射。用于此的條件用W下的式(6)表示。
[0340] n〇ut<nwavsin0wav (6)
[0341] 為了使該模擬導波模式通過周期結構衍射并使光射出到波導外，式(5)中需要-1 <sin0〇ut<l。因此，需要滿足W下的式(7)。
[0；342]
[0343] 對此，如果考慮式(6)，則可知只要成立W下的式(8)就行。
[0344]
[0345] i的光的方向為正面方向（9cmt = 0)，由式（5)可知需 要W下 [0；346]
[0：347] 牛為W下的式(10)。
[0；34 引
[0349] 示的周期結構的情況下，由于m為2 W上的高次的衍 射效率 化為重點進行設計就行。因此，在本實施方式的周期 結構中 i形得到的W下的式(11)的方式，確定周期P。
[0350]
[0351] 6致發光層HlO不與透明基板接觸的情況下，n〇ut為 空氣的 下的式(12)的方式確定周期P就行。
[0352]
[0353] 圖ID所例示的那樣在透明基板140上形成有光致發 光層1] 青況下，透明基板140的折射率ns比空氣的折射率 大，因心 t = ns得到的下式(13)的方式確定周期P就行。
[0354]
[0巧5] LO)中m=l的情況，但也可隊11>2。即，在如圖IA和圖 IB所示 觸的情況下，只要將m設定為IW上的整數并W滿足 W下的
[0356]
[0357] 的發光器件IOOa那樣將光致發光層110形成在透明 基板14 I式(15)的方式設定周期P就行。
[035引
[0359] 通過W滿足W上的不等式的方式確定周期結構的周期P，能夠使由光致發光層110 產生的光向正面方向射出，因此能夠實現具有指向性的發光裝置。
[0360] [3.通過計算進行的驗證]
[0361] [3-1.周期、波長依賴性]
[0362] 本申請的
【發明人】們利用光學解析驗證了如上那樣向特定方向射出光實際上是否 可能。光學解析通過使用了切bernet公司的DiffractMOD的計算來進行。運些計算中，在對 發光器件由外部垂直地射入光時，通過計算光致發光層中的光吸收的增減，求出向外部垂 直地射出的光的增強度。由外部射入的光與模擬導波模式結合而被光致發光層吸收的過程 對應于:對與光致發光層中的發光和模擬導波模式結合而轉換為向外部垂直地射出的傳播 光的過程相反的過程進行計算。另外，在模擬導波模式的電場分布的計算中，也同樣計算由 外部射入光時的電場。
[0363] 將光致發光層的膜厚設定為Iwn，將光致發光層的折射率設定為rwv=l.8,將周期 結構的高度設定為50nm，將周期結構的折射率設定為1.5,分別改變發光波長和周期結構的 周期，計算向正面方向射出的光的增強度，將其結果表示在圖2中。計算模型如圖IA所示，設 定為在y方向上為均勻的一維周期結構、光的偏振為具有與y方向平行的電場成分的TM模 式，由此進行計算。由圖2的結果可知，增強度的峰在某個特定波長和周期的組合中存在。另 夕h在圖2中，增強度的大小用顏色的深淺來表示，深（即黑）的增強度大，淺（即白）的增強度 小。
[0364] 在上述的計算中，周期結構的截面設定為如圖IB所示的矩形。圖3表示圖示式（10) 中的m=l和m = 3的條件的圖表。比較圖2和圖3可知，圖2中的峰位置存在于與m=l和m=3相 對應的地方。m=l的強度強是因為，相比于=次W上的高次衍射光，一次衍射光的衍射效率 高。不存在m = 2的峰是因為，周期結構中的衍射效率低。
[0365] 在圖3所示的分別與m=l和m = 3相對應的區域內，圖2中能夠確認存在多個線。可 W認為運是因為存在多個模擬導波模式。
[0366] [3-2.厚度依賴性]
[0367] 圖4是表示將光致發光層的折射率設定為nwav= 1.8、將周期結構的周期設定為 4(K)nm、將高度設定為50nm、將折射率設定為1.5并改變發光波長和光致發光層的厚度t來計 算向正面方向輸出的光的增強度的結果的圖。可知當光致發光層的厚度t為特定值時，光的 增強度達到峰值。
[0368] 將在圖4中存在峰的波長為600nm、厚度t = 238nm、53化m時對向X方向導波的模式 的電場分布進行計算的結果分別表示在圖5A和圖5B中。為了比較，對于不存在峰的t = SOOnm的情況進行了相同的計算，將其結果表示在圖5C中。計算模型與上述同樣，設定為在y 方向為均勻的一維周期結構。在各圖中，越黑的區域，表示電場強度越高;越白的區域，表示 電場強度越低。在t = 238皿、539皿時有高的電場強度分布，而在t = 30化m時整體上電場強 度低。運是因為，在t = 238nm、539皿的情況下，存在導波模式，光被較強地封閉。進而，可W 觀察出如下特征:在凸部或凸部的正下方，必然存在電場最強的部分(波腹），產生與周期結 構120相關的電場。即，可知根據周期結構120的配置，可W得到導波的模式。另外，比較t = 238nm的情況和t = 539nm的情況，可知是Z方向的電場的波節（白色部分）的數目僅差一個的 模式。
[0369] [3-3.偏振光依賴性]
[0370] 接著，為了確認偏振光依賴性，W與圖2的計算相同的條件，對于光的偏振為具有 與y方向垂直的電場成分的TE模式時進行了光的增強度的計算。本計算的結果表示在圖6 中。與TM模式時（圖2)相比，盡管峰位置多少有變化，但峰位置仍舊處于圖3所示的區域內。 因此，確認了本實施方式的構成對于TM模式、TE模式中的任意一種偏振光都有效。
[0371] [3-4.二維周期結構]
[0372] 進而，進行了基于二維周期結構的效果的研究。圖7A是表示凹部和凸部在X方向和 y方向運兩方向排列而成的二維周期結構120'的一部分的俯視圖。圖中的黑色區域表示凸 部，白色區域表示凹部。在運樣的二維周期結構中，需要考慮X方向和y方向運兩方向的衍 射。就僅X方向或者僅y方向的衍射而言，與一維時相同但也存在具有x、y兩方向的成分的方 向（例如傾斜45°方向）的衍射，因此能夠期待得到與一維時不同的結果。將對于運樣的二維 周期結構計算光的增強度得到的結果表示在圖7B中。除了周期結構W外的計算條件與圖2 的條件相同。如圖7B所示，除了圖2所示的TM模式的峰位置W外，還觀測到了與圖6所示的TE 模式中的峰位置一致的峰位置。該結果表示:基于二維周期結構，TE模式也通過衍射被轉換 而輸出。另外，對于二維周期結構而言，還需要考慮X方向和y方向運兩方向同時滿足一次衍 射條件的衍射。運樣的衍射光向與周期P的?x/J倍（即，倍)的周期相對應的角度的方向射 出。因此，除了一維周期結構時的峰W外，還可W考慮在周期P的倍的周期也產生峰。圖 7B中，也能夠確認到運樣的峰。
[0373] 作為二維周期結構，不限于如圖7A所示的X方向和y方向的周期相等的四方點陣的 結構，也可W是如圖18A和圖18B所示的排列六邊形或=角形的點陣結構。另外，根據方位方 向也可W為(例如四方點陣時X方向和y方向）的周期不同的結構。
[0374] 如上所述，本實施方式確認了：利用基于周期結構的衍射現象，能夠將通過周期結 構和光致發光層所形成的特征性的模擬導波模式的光僅向正面方向選擇性地射出。通過運 樣的構成，用紫外線或藍色光等激發光使光致發光層激發，可W得到具有指向性的發光。
[0375] [4.周期結構和光致發光層的構成的研究]
[0376] 接著，對于改變周期結構和光致發光層的構成、折射率等各種條件時的效果進行 說明。
[0377] [4-1.周期結構的折射率]
[0378] 首先，對于周期結構的折射率進行研究。將光致發光層的膜厚設定為200nm，將光 致發光層的折射率設定為nwav=l.8,將周期結構設定為如圖IA所示那樣的在y方向上均勻 的一維周期結構，將高度設定為50nm，將周期設定為400nm，光的偏振為具有與y方向平行的 電場成分的TM模式，由此進行計算。將改變發光波長和周期結構的折射率計算向正面方向 輸出的光的增強度得到的結果表示在圖8中。另外，將W相同的條件將光致發光層的膜厚設 定為1000 nm時的結果表示在圖9中。
[0379] 首先，著眼于光致發光層的膜厚，可知與膜厚為200nm時（圖8)相比，膜厚為1000 nm 時（圖9)相對于周期結構的折射率變化的光強度達到峰值的波長(稱為峰值波長)的位移更 小。運是因為，光致發光層的膜厚越小，模擬導波模式越容易受到周期結構的折射率的影 響。即，周期結構的折射率越高，有效折射率越大，相應地峰值波長越向長波長側位移，但該 影響在膜厚越小時越明顯。另外，有效折射率由存在于模擬導波模式的電場分布的區域中 的介質的折射率決定。
[0380] 接著，著眼于相對于周期結構的折射率變化的峰的變化，可知折射率越高，則峰越 寬，強度越降低。運是因為周期結構的折射率越高，則模擬導波模式的光放出到外部的速率 越高，因此封閉光的效果減少，即，Q值變低。為了保持高的峰強度，只要設定為利用封閉光 的效果高（即Q值高）的模擬導波模式適度地將光放出到外部的構成就行。可知為了實現該 構成，不優選將折射率與光致發光層的折射率相比過大的材料用于周期結構。因此，為了將 峰強度和Q值提高一定程度，只要將構成周期結構的電介質（即，透光層)的折射率設定為光 致發光層的折射率的同等W下就行。光致發光層包含除了光致發光材料W外的材料時也是 同樣的。
[0381] [4-2.周期結構的高度]
[0382] 接著，對于周期結構的高度進行研究。將光致發光層的膜厚設定為lOOOnm，將光致 發光層的折射率設定為nwav=l.8,周期結構為如圖IA所示的那樣的在y方向上均勻的一維 周期結構，并且將折射率設定為np = l. 5,將周期設定為400nm，光的偏振為具有與y方向平 行的電場成分的TM模式，由此進行計算。將改變發光波長和周期結構的高度計算向正面方 向輸出的光的增強度的結果表示在圖10中。將W相同的條件將周期結構的折射率設定為np = 2.0時的計算結果表示在圖11中。可知在圖10所示的結果中，在一定程度W上的高度，峰 強度、Q值(即，峰的線寬)不變化，而在圖11所示的結果中，周期結構的高度越大，峰強度和Q 值越低。運是因為，在光致發光層的折射率nwav比周期結構的折射率np高的情況（圖10)下， 光進行全反射，因此僅模擬導波模式的電場的溢出（瞬逝)部分與周期結構相互作用。在周 期結構的高度足夠大的情況下，即使高度變化到更高，電場的瞬逝部分與周期結構的相互 作用的影響也是固定的。另一方面，在光致發光層的折射率nwav比周期結構的折射率np低的 情況(圖11)下，由于光不全反射而到達周期結構的表面，因此周期結構的高度越大，越受其 影響。僅觀察圖11，可知高度為IOOnm左右就足夠，在超過15化m的區域，峰強度和Q值降低。 因此，在光致發光層的折射率nwav比周期結構的折射率np低的情況下，為了使峰強度和Q值 一定程度提高，只要將周期結構的高度設定為ISOnmW下就行。
[0383] [4-3.偏振方向]
[0384] 接著，對于偏振方向進行研究。將W與圖9所示的計算相同的條件設定為光的偏振 為具有與y方向垂直的電場成分的TE模式進行計算得到的結果表示在圖12中。在TE模式時， 由于模擬導波模式的電場溢出比TM模式的電場溢出大，因此容易受到由周期結構產生的影 響。所W，在周期結構的折射率np大于光致發光層的折射率nwav的區域，峰強度和Q值的降低 比TM模式明顯。
[0385] [4-4.光致發光層的折射率]
[0386] 接著，對于光致發光層的折射率進行研究。將W與圖9所示的計算相同的條件將光 致發光層的折射率rwv變更為1.5時的結果表示在圖13中。可知即使是光致發光層的折射率 rwv為1.5的情況下，也可W得到大致與圖9同樣的效果。但是，可知波長為eOOnmW上的光沒 有向正面方向射出。運是因為，根據式(10)，^<nwavXp/m= 1.5 X400nm/l = 600nm。
[0387] 由W上的分析可知，在將周期結構的折射率設定為與光致發光層的折射率同等W 下或者周期結構的折射率為光致發光層的折射率W上的情況下，只要將高度設定為150nm W下就能夠提高峰強度和Q值。
[038引 [5.變形例]
[0389] W下，對本實施方式的變形例進行說明。
[0390] [5-1.具有基板的構成]
[0391] 如上所述，如圖IC和圖ID所示，發光器件也可W具有在透明基板140之上形成有光 致發光層110和周期結構120的結構。為了制作運樣的發光器件100a，可W考慮如下的方法： 首先，在透明基板140上由構成光致發光層110的光致發光材料(根據需要包含基質材料；W 下同）形成薄膜，在其之上形成周期結構120。在運樣的構成中，為了通過光致發光層110和 周期結構120而使其具有將光向特定方向射出的功能，透明基板140的折射率ns需要設定為 光致發光層的折射率nwavW下。在將透明基板140W與光致發光層110相接觸的方式設置的 情況下，需要W滿足式(10)中的出射介質的折射率n〇ut設定為ns的式(15)來設定周期P。
[0392] 為了確認上述內容，進行了在折射率為1.5的透明基板140之上設置有與圖2所示 的計算相同條件的光致發光層110和周期結構120時的計算。本計算的結果表示在圖14中。 與圖2的結果同樣地，能夠確認對于每個波長W特定周期出現光強度的峰，但可知峰出現的 周期的范圍與圖2的結果不同。對此，將式（10)的條件設定為n〇ut = ns得到的式（15)的條件 表示在圖15中。圖14中可知在與圖15所示的范圍相對應的區域內，出現光強度的峰。
[0393] 因此，對于在透明基板140上設置有光致發光層110和周期結構120的發光器件 IOOa而言，在滿足式（15)的周期P的范圍可W獲得效果，在滿足式（13)的周期P的范圍可W 得到特別顯著的效果。
[0394] [ 5-2.具有激發光源的發光裝置]
[03M]圖16是表示具備圖1A、1B所示的發光器件100和使激發光射入光致發光層110的光 源180的發光裝置200的構成例的圖。如上所述，本申請的構成通過使光致發光層被紫外線 或藍色光等激發光激發，得到具有指向性的發光。通過設置W射出運樣的激發光的方式構 成的光源180,能夠實現具有指向性的發光裝置200。由光源180射出的激發光的波長典型地 為紫外或藍色區域的波長，但不限于運些，可W根據構成光致發光層110的光致發光材料適 當確定。另外，在圖16中，光源180被配置為由光致發光層110的下表面射入激發光，但不限 于運樣的例子，例如也可W由光致發光層110的上表面射入激發光。
[0396] 也有通過使激發光與模擬導波模式結合來使光高效地射出的方法。圖17是用于說 明運樣的方法的圖。在該例子中，與圖1C、1D所示的構成同樣地，在透明基板140上形成有光 致發光層110和周期結構120。首先，如圖17(a)所示，為了增強發光，確定X方向的周期Px;接 著，如圖17(b)所示，為了使激發光與模擬導波模式結合，確定y方向的周期py。周期PxW滿足 在式（10)中將P置換為Px后的條件的方式確定。另一方面，周期PyW將m設定為IW上的整數、 將激發光的波長設定為Aex、將與光致發光層110接觸的介質中除了周期結構120W外折射率 最高的介質的折射率設定為并滿足W下的式(16)的方式確定。
[0397]
[039引運里，n0ut在圖17的例子中為透明基板140的ns，但在如圖16所示不設置透明基板 140的構成中，為空氣的折射率(約1.0)。
[0399] 特別是，如果設定為m= 1W滿足下式（17)的方式確定周期Py，則能夠進一步提高 將激發光掉換為橫擬骨妮橫式的效果。
[0400]
[0401] 運樣，通過W滿足式（16)的條件(特別是式（17)的條件）的方式設定周期Py,能夠 將激發光轉換為模擬導波模式。其結果是，能夠使光致發光層110有效地吸收波長Aex的激發 光。
[0402] 圖17(c)、（d)分別是表示相對于圖17(a)、（b)所示的結構射入光時對每個波長計 算光被吸收的比例的結果的圖。在該計算中，設定為Px=365nm、py = 265nm，將來自光致發光 層110的發光波長W受定為約600nm，將激發光的波長Aex設定為約450nm，將光致發光層110的 消光系數設定為0.003。如圖17(d)所示，不僅對由光致發光層110產生的光，而且對于作為 激發光的約450皿的光也顯示高的吸收率。運是因為，通過將射入的光有效地轉換為模擬導 波模式，能夠使光致發光層所吸收的比例增大。另外，雖然即使對作為發光波長的約600nm， 吸收率也增大，但運如果在約600nm的波長的光射入該結構的情況下，則同樣被有效地轉換 為模擬導波模式。運樣，圖17(b)所示的周期結構120為在X方向和y方向分別具有周期不同 的結構(周期成分)的二維周期結構。運樣，通過使用具有多個周期成分的二維周期結構，能 夠提高激發效率，并且提高出射強度。另外，圖17中是使激發光由基板側射入，但即使由周 期結構側射入也可W得到相同效果。
[0403] 進而，作為具有多個周期成分的二維周期結構，也可W采用如圖18A或圖18B所示 的構成。通過設定為如圖18A所示將具有六邊形的平面形狀的多個凸部或凹部周期性地排 列而成的構成或如圖18B所示將具有S角形的平面形狀的多個凸部或凹部周期性地排列而 成的構成，能夠確定可視為周期的多個主軸（圖的例子中為軸1~3)。因此，能夠對于各個軸 向分配不同的周期。可W為了提高多個波長的光的指向性分別設定運些周期，也可W為了 高效地吸收激發光而分別設定運些周期。在任何一種情況下，都W滿足相當于式（10)的條 件的方式設定各周期。
[0404] [5-3.透明基板上的周期結構]
[0405] 如圖19A和圖19B所示，可W在透明基板140上形成周期結構120a，在其之上設置光 致發光層110。在圖19A的構成例中，W追隨基板140上的由凹凸構成的周期結構120a的方式 形成光致發光層110,結果在光致發光層110的表面也形成有相同周期的周期結構120b。另 一方面，在圖19B的構成例中，進行了使光致發光層110的表面變得平坦的處理。在運些構成 例中，通過W周期結構120a的周期P滿足式(15)的方式進行設定，也能夠實現指向性發光。
[0406] 為了驗證該效果，在圖19A的構成中，改變發光波長和周期結構的周期來計算向正 面方向輸出的光的增強度。運里，將光致發光層110的膜厚設定為lOOOnm，將光致發光層110 的折射率設定為IWv=I.8,周期結構120a為在y方向均勻的一維周期結構且高度為50nm，折 射率np=l.5,周期為4(K)nm，光的偏振為具有與y方向平行的電場成分的TM模式。本計算的 結果表示在圖19C中。本計算中，也W滿足式(15)的條件的周期觀測到了光強度的峰。
[0407] [5-4.粉體]
[0408] 根據W上的實施方式，能夠通過調整周期結構的周期、光致發光層的膜厚，突出任 意波長的發光。例如，如果使用W寬帶域發光的光致發光材料并設定為如圖1A、1B所示的構 成，則能夠僅突出某個波長的光。因此，也可W將如圖1A、1B所示那樣的發光器件100的構成 設定為粉末狀，并制成巧光材料進行利用。另外，也可W將如圖1A、1B所示那樣的發光器件 100埋入樹脂、玻璃等進行利用。
[0409] 在如圖1A、1B所示那樣的單體的構成中，制成僅向特定方向射出某個特定波長，因 此難W實現例如具有寬波長區域的光譜的白色等的發光。于是，通過使用如圖20所示混合 了周期結構的周期、光致發光層的膜厚等條件不同的多個粉末狀發光器件100的構成，能夠 實現具有寬波長區域的光譜的發光裝置。此時，各個發光器件100的一個方向的尺寸例如為 數WIi~數mm左右;其中，例如可W包含數周期~數百周期的一維或二維周期結構。
[0410] [5-5.排列周期不同的結構]
[0411] 圖21是表示在光致發光層之上將周期不同的多個周期結構W二維排列而成的例 子的俯視圖。在該例子中，S種周期結構120a、120b、120c沒有間隙地排列。周期結構120曰、 120b、120c例如W分別將紅、綠、藍的波長區域的光向正面射出的方式設定周期。運樣，也能 夠通過在光致發光層之上排列周期不同的多個結構，對于寬波長區域的光譜發揮指向性。 另外，多個周期結構的構成不限于上述的構成，可W任意設定。
[0412] [5-6.層疊結構]
[0413] 圖22表示具有表面上形成有凹凸結構的多個光致發光層110層疊而成的結構的發 光器件的一個例子。多個光致發光層110之間設置有透明基板140,形成在各層的光致發光 層110的表面上的凹凸結構相當于上述的周期結構或亞微米結構。在圖22所示的例子中，形 成了=層的周期不同的周期結構，分別W將紅、藍、綠的波長區域的光向正面射出的方式設 定周期。另外，W發出與各周期結構的周期相對應的顏色的光的方式選擇各層的光致發光 層110的材料。運樣，即使通過層疊周期不同的多個周期結構，也能夠對于寬波長區域的光 譜發揮指向性。
[0414] 另外，層數、各層的光致發光層110和周期結構的構成不限于上述的構成，可W任 意設定。例如，在兩層的構成中，隔著透光性的基板，第一光致發光層與第二光致發光層W 相對置的方式形成，在第一和第二光致發光層的表面分別形成第一和第二周期結構。此時， 只要第一光致發光層與第一周期結構運一對和第二光致發光層與第二周期結構運一對分 別滿足相當于式（15)的條件就行。在=層W上的構成中也同樣地，只要各層中的光致發光 層和周期結構滿足相當于式（15)的條件就行。光致發光層和周期結構的位置關系可W與圖 22所示的關系相反。雖然在圖22所示的例子中，各層的周期不同，但也可W將它們全部設定 為相同周期。此時，雖然不能使光譜變寬，但能夠增大發光強度。
[0415] [5-7.具有保護層的構成]
[0416] 圖23是表示在光致發光層110與周期結構120之間設置有保護層150的構成例的剖 視圖。運樣，也可W設置用于保護光致發光層110的保護層150。但是，在保護層150的折射率 低于光致發光層110的折射率的情況下，在保護層150的內部，光的電場只能溢出波長的一 半左右。因此，在保護層150比波長厚的情況下，光達不到周期結構120。因此，不存在模擬導 波模式，得不到向特定方向放出光的功能。在保護層150的折射率為與光致發光層110的折 射率相同程度或者其W上的情況下，光到達保護層150的內部。因此，對保護層150沒有厚度 的制約。但是，在運種情況下，由光致發光材料形成光導波的部分（W下將該部分稱為"導波 層"）的大部分可W得到大的光輸出。因此，在運種情況下，也優選保護層150較薄者。另外， 也可W使用與周期結構(透光層）120相同的材料形成保護層150。此時，具有周期結構的透 光層兼為保護層。透光層120的折射率優選比光致發光層110的折射率小。
[0417] [6.材料和制造方法]
[0418] 如果用滿足如上所述的條件的材料構成光致發光層(或者導波層)和周期結構，貝U 能夠實現指向性發光。周期結構可W使用任意材料。然而，如果形成光致發光層(或者導波 層）、周期結構的介質的光吸收性高，則封閉光的效果下降，峰強度和Q值降低。因此，作為形 成光致發光層(或者導波層)和周期結構的介質，可W使用光吸收性較低的材料。
[0419] 作為周期結構的材料，例如可W使用光吸收性低的電介質。作為周期結構的材料 的候補，例如可W列舉:M評2(氣化儀）、LiF(氣化裡）、CaF2(氣化巧）、Si〇2(石英）、玻璃、樹 月旨、Mg0(氧化儀）、IT0(氧化銅錫）、Ti〇2(氧化鐵）、SiN(氮化娃）、化2〇5(五氧化粗）、化〇2(氧 化錯）、ZnSe(砸化鋒）、ZnS(硫化鋒)等。但是，在如上所述使周期結構的折射率低于光致發 光層的折射率的情況下，可W使用折射率為1.3~1.5左右的1旨。2、^。、〔曰。2、51化、玻璃、樹 脂。
[0420] 光致發光材料包括狹義的巧光材料和憐光材料，不僅包括無機材料，也包括有機 材料(例如色素），還包括量子點（即，半導體微粒）。通常，W無機材料為主體的巧光材料存 在折射率高的傾向。作為W藍色發光的巧光材料，可W使用例如Mio(P〇4)6Cl2:Eu2+(M =選自 Ba、Sr 和 Ca 中的至少一種）、BaMgAh〇Oi7:化 2+、M3MgSi2〇8:Eu2+(M=選自 Ba、Sr 和 Ca 中的至少一 種）、MsSi化Cl6:Eu2+(M=選自Ba、Sr和化中的至少一種）。作為W綠色發光的巧光材料，可使 用例如M2MgSi2〇7:Eu2+ (M=選自 Ba、Sr和Ca中的至少一種）、SrSisAl〇2N7:Eu2+、SrSi2〇2化:Eu2+、BaAl2〇4:化 2+、8曰2'513〇9:6112+、]\1251〇4:6112+(]\1 =選自6曰、5巧0(：曰中的至少一種）、8曰513〇4化： Eu2+、C^isMg ( Si〇4)4Cl2 :Eu2+、(^l3Si〇4Cl2 :Eu2+、C^lSil2-(m+n)Al(m+n)0n化6-n:Ce3+、0-SiAlON:Eu2+。 作為W紅色發光的巧光材料，可使用例如CaAlSiNs :Eu2\SrAlSi4〇7:Eu2+、M2Si5N8:Eu2+(M = 選自Ba、Sr和Ca中的至少一種）、MSi化：Eu2+(M =選自Ba、Sr和Ca中的至少一種）、MSi2〇2化： 孔(M=選自 Sr和Ca中的至少一種）、Y2O2S:化，Sm3+、La2〇2S: Eu3+，Sm3+、CaW〇4: Lib，Eu3+，Sm3 +、M2SiS4:Eu2+(M=選自 Ba、Sr 和 Ca 中的至少一種）、M3Si〇5:Eu2+(M=選自 Ba、Sr 和 Ca 中的至少 一種）。作為W黃色發光的巧光材料，可使用例如Y3Al5〇i2:Ce3\CaSi2〇2N2:Eu2+、 Ca3Sc2Si30l2:Ce3+、CaSc204:Ce3+、a-SiA10N:Eu 2+、MSi202化：Eu2+(M=選自Ba、Sr和Ca中的至少 一種）、M7(Si〇3)6Cl2:Eu2+(M=選自 Ba、Sr 和 Ca 中的至少一種）。
[0421] 量子點可W使用例如CdS、CdSe、核殼型CdSe/ZnS、合金型CdSSe/ZnS等材料，根據 材質能夠得到各種發光波長。作為量子點的基質，例如可W使用玻璃、樹脂。
[0422] 圖ICUD等所示的透明基板140由比光致發光層110的折射率低的透光性材料構 成。作為運樣的材料，例如可W列舉:M評(氣化儀）、LiF(氣化裡）、CaF2(氣化巧）、Si化（石 英）、玻璃、樹脂。
[0423] 接著，對制造方法的一個例子進行說明。
[0424] 作為實現圖1C、ID所示的構成的方法，例如有如下方法:在透明基板140上通過蒸 鍛、瓣射、涂布等工序將巧光材料形成光致發光層110的薄膜，然后形成電介質膜，通過光刻 等方法進行圖案化(布圖）來形成周期結構120。也可W代替上述方法，通過納米壓印來形成 周期結構120。另外，如圖24所示，也可W通過僅加工光致發光層110的一部分來形成周期結 構120。此時，周期結構120就由與光致發光層110相同的材料形成。
[0425] 圖1A、IB所示的發光器件100例如能夠通過在制作圖1C、ID所示的發光器件IOOa之 后進行從基板140剝除光致發光層110和周期結構120的部分的工序來實現。
[04%]圖19A所示的構成例如能夠通過在透明基板140上W半導體工藝或納米壓印等方 法形成周期結構120a，然后在其之上通過蒸鍛、瓣射等方法將構成材料形成光致發光層110 來實現。或者，也能夠通過利用涂布等方法將周期結構120a的凹部嵌入光致發光層110來實 現圖19B所示的構成。
[0427] 另外，上述的制造方法為一個例子，本申請的發光器件不限于上述的制造方法。
[0428] [實驗例]
[0429] W下，對制作本申請的實施方式的發光器件的例子進行說明。
[0430] 試制具有與圖19A同樣構成的發光器件的樣品，評價特性。發光器件如下操作來制 作。
[0431] 在玻璃基板上設置周期為400nm、高度為40nm的一維周期結構(條紋狀的凸部），從 其之上形成210nm光致發光材料YAG:Ce膜。將其剖視圖的TEM圖像表示在圖25中，通過將其 用450nm的Lm)激發而使YAG:Ce發光時，測定其正面方向的光譜，將得到的結果表示在圖26 中。在圖26中示出了測定沒有周期結構時的測定結果(ref)、具有與一維周期結構平行的偏 振光成分的TM模式和具有與一維周期結構垂直的偏振光成分的TE模式的結果。在存在周期 結構時，與沒有周期結構時相比，可W觀察到特定波長的光顯著增加。另外，可知具有與一 維周期結構平行的偏振光成分的TM模式的光的增強效果大。
[0432] 進而，將在相同的樣品中出射光強度的角度依賴性的測定結果和計算結果表示在 圖27和圖28中。圖27表示W與一維周期結構（周期結構120)的線方向平行的軸為旋轉軸旋 轉時的測定結果(上段)和計算結果(下段）；圖28表示W與一維周期結構（即，周期結構120) 的線方向垂直的方向為旋轉軸旋轉時的測定結果(上段)和計算結果(下段）。
[0433] 另外，圖27和圖28分別表示與TM模式和TE模式的直線偏振光有關的結果；圖27(a) 表示與TM模式的直線偏振光有關的結果；圖27(b)表示與TE模式的直線偏振光有關的結果； 圖28(a)表示與TE模式的直線偏振光有關的結果；圖28(b)表示與TM模式的直線偏振光有關 的結果。由圖27和圖28可知:TM模式的增強效果更高，而且被增強的波長隨著角度不同而發 生位移。例如，對于610皿的光而言，由于為TM模式且僅在正面方向存在光，因此可知指向性 且偏振發光。此外，由于各圖的上段和下段一致，因此上述計算的正確性得到了實驗證實。
[0434] 圖29表示了由上述測定結果例如使61化m的光W與線方向垂直的方向為旋轉軸旋 轉時的強度的角度依賴性。可W觀察出：在正面方向上產生了強的發光增強，對于其他角度 而言，光幾乎沒有被增強的情況。可知向正面方向射出的光的指向角小于15°。此外，指向角 是強度為最大強度的50%的角度，用W最大強度的方向為中屯、的單側的角度表示。即，可知 實現了指向性發光。此外，由于所射出的光全都為TM模式的成分，因此可知同時也實現了偏 振發光。
[0435] W上的驗證使用在廣帶域的波長帶發光的YAG:Ce來進行實驗，但即使使用發光為 窄帶域的光致發光材料W同樣的構成進行實驗，對于該波長的光也能夠實現指向性和偏振 發光。此外，在運樣的情況下，由于不產生其他波長的光，因此能夠實現不產生其他方向和 偏振狀態的光的光源。
[0436] [7.使激發光的吸收效率提高的實施方式]
[0437] 接著，對用于使光致發光層110高效地吸收激發光的實施方式進行說明。
[0438] 作為使激發光射入光致發光層110的構成，例如可W考慮上述的圖16所示的構成。 在圖16的構成中，激發光大致垂直地射入光致發光層110。由此，導致激發光的大部分從光 致發光層110透過，有可能無法提高吸收效率。如果是將激發光的一部分取出到外部來利用 的方案(例如，從藍色的激發光和黃色的巧光取出白色光的方案）則沒有問題，但是對于不 是運樣的方案而言，要求使光致發光材料吸收盡可能多的激發光。因此，W下對使得激發光 的吸收效率提高的實施方式進行說明。
[0439] (實施方式1)
[0440] 圖31是示意性地表示第一實施方式的發光裝置的一部分的局部剖視圖。圖32是示 意性地表示該發光裝置的一部分的立體圖。該發光裝置除了具備透明基板140、光致發光層 110、周期結構120W外，還具備導光結構體220。導光結構體220作為將由光源180射出的激 發光導向光致發光層110的激發光導入導向件起作用。由光源180射出的激發光如圖31中箭 頭所示，從導光結構體220透過而射入光致發光層110，在光致發光層110內傳播。在光侵入 透明基板140的情況下，如圖31中虛線所示，光還能在透明基板140內傳播。
[0441] 導光結構體220形成在光致發光層110中周期結構120-側的表面。由此，能夠使激 發光由存在周期結構120-側的面射入光致發光層110,在光致發光層110封閉激發光。導光 結構體220由=棱柱狀的透光性構件(=棱鏡)構成。該例子中的導光結構體220具有向與周 期結構120的線方向（即，各凸部的長度方向）平行的方向延伸的形狀。對于構成導光結構體 220的材料而言，例如可W使用例示過的上述材料中的任意材料作為周期結構120的材料。
[0442] 圖31和圖32沒有反映各構成要素的現實尺寸。例如，導光結構體220可W具有周期 結構120周期的10倍W上的寬度。運里，導光結構體220的寬度是指圖31所示的導光結構體 220的截面=角形中的一邊長度。導光結構體220的寬度可W設定在例如數WIi~數mm的范圍 內。
[0443] 導光結構體220使由光源180射出的激發光W規定的入射角度射入光致發光層 110。該入射角度W在光致發光層110與透明基板140的界面或在透明基板140與外部的空氣 層的界面產生全反射的方式進行設定。由此，能夠將激發光封閉在光致發光層110的內部或 光致發光層110和透明基板140的內部中。其結果是，能夠使得光致發光層110的發光效率提 局。
[0444] 圖33是為了說明用于將激發光通過全反射來封閉的條件的圖。將導光結構體220 的折射率設定為nst，將光致發光層110的折射率設定為rm，將透明基板140的折射率設定為 nsub，將從導光結構體220到光致發光層110的激發光的入射角設定為0st，將出射角設定為 0fi。另外，將激發光侵入透明基板140內時從光致發光層110到透明基板140的入射角設定為 Sfl，將出射角設走為9sub。
[0445] 將激發光封閉在光致發光層110內的條件由W下的式(18)表示。
[0446] ristsin(目 St) =Dfisin(目 fi) >nsub (18)
[0447] 將激發光封閉在光致發光層110和透明基板140內的條件由W下的式(19)表示。
[044引 ristsin(目 st)=nfisin(目 fi)=nsubsin(目 sub)>l (19)
[0449] 因此，如果W滿足式（19)的方式來確定來自光源180的激發光的出射角度W及導 光結構體220的折射率和形狀，則能夠將激發光通過全反射封閉在包括光致發光層110在內 的區域內。由此，來自光致發光層110的發光得到促進，出射效率提高。
[0450] 導光結構體220的結構和配置不限于上述例子，可W考慮各種構成。例如，導光結 構體220不限于一個，還可W由包含多個棱鏡的棱鏡陣列構成。在運種情況下，各棱鏡不限 于=棱柱形狀，還可W具有除了=棱柱W外的棱柱、半球或錐體等其他形狀。導光結構體 220不限于設置在光致發光層110中存在周期結構120-側的面，還可W設置在與其相反一 側的面。在運種情況下，能夠使激發光從與存在周期結構120-側相反一側的面射入光致發 光層110,將激發光封閉在光致發光層110中。
[0451] 圖34~圖38是示意性地表示導光結構體220的另一個例子的局部剖視圖。圖34示 出從圖31所示的構成中除去透明基板140后的構成。就算在該例子中，如果W成立nstsin (0st)>l的方式來確定導光結構體220的折射率nst和激發光的入射方向，則也能夠將激發 光封閉在光致發光層110內。
[0452] 圖35示出導光結構體220由半球狀透光性構件構成的例子。在該例子中，如果使激 發光向球的中屯、射出，則不受折射的影響，因此容易調整角度。
[0453] 圖36示出導光結構體220由衍射光柵構成的例子。該衍射光柵具有多個凹凸形狀 的透光性構件在周期結構120的排列方向（即，圖的橫向）上排列而成的結構。在該例子中， 激發光W由衍射產生的光在光致發光層110內傳播的方式射入衍射光柵。在圖示的例子中， 激發光垂直地射入光致發光層110,但是入射角度不限于該例子。另外，衍射光柵的周期優 選設定成與激發光共振的周期。
[0454] 圖37示出導光結構體220由閃耀衍射光柵構成的例子。在閃耀衍射光柵中，能夠增 強某個次數的衍射光強度。該閃耀衍射光柵具有多個=棱柱狀的透光性構件在周期結構 120的排列方向（即，圖的橫向）上排列而成的結構。在該例子中，激發光W由衍射產生的光 在光致發光層110內存在周期結構120的方向上較強地傳播的方式射入閃耀衍射光柵。在圖 示的例子中，激發光垂直地射入光致發光層110,但是入射角度不限于該例子。
[0455] 圖38示出將由閃耀衍射光柵構成的導光結構體220設置在光致發光層110的背面 (即，與存在周期結構120-側相反一側的面)的構成例。在該例子中，光致發光層110形成在 透明基板140上。導光結構體220設置在透明基板140的內部。就算在該例子中，激發光也W 由衍射產生的光在光致發光層11〇(或者透明基板140)內傳播的方式射入閃耀衍射光柵。激 發光的入射方向不限于與光致發光層110垂直的方向，還可W是傾斜的方向。另外，不限于 閃耀衍射光柵，還可W將圖36所示的衍射光柵設置在光致發光層110的背面。
[0456] 圖39~圖41是表示由多個透光性構件構成的導光結構體220的另一個例子的立體 圖。圖39示出由棱鏡陣列構成的導光結構體220的例子，該棱鏡陣列由在與周期結構120的 排列方向相同的方向上排列的多個=棱鏡形成。圖40示出由二維排列的多個半球棱鏡的陣 列構成的導光結構體220的例子。圖41示出由在周期結構120的各凸部延伸的方向上排列的 多個金字塔形狀棱鏡的陣列構成的導光結構體220的例子。在任一個例子中，均能夠將激發 光高效地導入光致發光層110。
[0457] 構成導光結構體220的透光性構件的個數不限于圖示的個數，還可W由多個透光 性構件構成導光結構體220。另外，各構件的排列方向不限于圖示的方向。但是，如果在與周 期結構120的排列方向相同或者垂直的方向沒有遺漏地均勻排列透光性構件，則使得作為 薄膜巧光體的光致發光層110整體容易吸收激發光。
[0458] 圖42~圖44是用于說明導光結構體220的配置的例子的圖。導光結構體220可W如 圖42所示位于光致發光層110的一端，還可W如圖43所示位于周期結構120之間（例如光致 發光層110的中央附近）。如圖44所示，多個導光結構體220還可W配置在光致發光層110的 兩端。在任一個配置中，均能夠將激發光封閉在光致發光層110中。
[0459] (實施方式2)
[0460] 圖45是示意性地表示具有導光結構體220的發光裝置的第二實施方式的局部剖視 圖。在該發光裝置與實施方式I不同點在于:導光結構體220形成在透明基板140中與光致發 光層110-側相反一側。運樣，導光結構體220設置在透明基板140與外部的介質(例如空氣） 的界面的一部分。由此，能夠使由光源180射出的激發光從與存在周期結構120-側相反一 側經由透明基板140射入光致發光層110,封閉在光致發光層110中。
[0461] 在圖45所示的例子中，導光結構體220是具有=棱柱形狀的=棱鏡，但是如實施方 式1中進行了說明那樣，還可W具有半球、金字塔、衍射光柵、閃耀衍射光柵等其他結構。導 光結構體220還可W由多個透光性構件構成。
[0462] 圖46是用于說明本實施方式的激發光的入射角度的圖。將導光結構體220與透明 基板140的界面處的激發光的入射角設定為0st，將出射角設定為0sub，將透明基板140與光致 發光層110的界面處的激發光的出射角設定為0fi。與實施方式1同樣地，將導光結構體220的 折射率設定為nst，將透明基板140的折射率設定為nsub，將光致發光層110的折射率設定為 Mi。于是，光在光致發光層110內傳播的條件由W下的式(20)表示。
[0463] ristsin(目 st)=nsubsin(目 sub)=nfisin(目 fi)>l (20)
[0464] 因此，光源180被構成為W滿足式(20)的方式使激發光向導光結構體220射出。
[0465] 圖47是用于對來自光源180的激發光的出射方向進行更詳細說明的圖。在圖47中， 為了簡單起見，省略除了透明基板140和導光結構體220W外的構成要素的記載內容。將折 射率riDut的外氣(例如空氣)與導光結構體220的界面處的激發光的入射角設定為01，將出射 角設定為0。，將激發光向導光結構體220的入射方向與透明基板140的面方向所成的角度設 定為0in，將導光結構體220截面形狀的=角形的頂角設定為0t。
[0466] 在該構成例中，成立W下的關系式。
[0467] 0in = 9〇-(0t+0i)
[0468] Bst =白 t+白。
[0469] Houtsin(目 i) =Dstsin(白 0)
[0470] 根據運些關系式和式(20)的條件，能夠求出角度0i和0in的條件。例如，在nst= 1.5、 9t = 60°的情況下，得到0in<56.8運一條件。
[0471] 在導光結構體220為半球狀的透光性構件的情況下，如果向球的中屯、射出激發光 則理想來說不會產生折射，因此只要在W上的式中設定為0in=0。就行。
[0472] (實施方式3)
[0473] 接著，對使得激發光的吸收效率提高的第=實施方式進行說明。本實施方式的發 光裝置通過高效地使激發光與模擬導波模式結合，由此使得發光效率提高。
[0474] 圖48是示意性地表示在光致發光層110內產生的光與模擬導波模式結合并向外部 射出的狀況的剖視圖。衍射現象依賴于波長，因此在特定波長的光向光致發光層110的法線 方向最強地射出的情況下，其他波長的光向從光致發光層110的法線方向傾斜的方向（斜 向）最強地射出。圖48示出紅色光(R)向與光致發光層110垂直的方向最強地射出、綠色光 (G)和藍色光(B)向與紅色光(R)不同的方向射出的例子。在該例子中，相對于在光致發光層 110內傳播的光的入射角0in，藍色光(B)向出射角0Dut的方向最強地射出。
[0475] 運是指：當使波長與藍色光(B)相同的激發光W入射角度0Dut射入光致發光層110 時，激發光被構成光致發光層110的薄膜巧光體共振吸收。如果利用該效果，則就算在沒有 導光結構體220的情況下，也能夠提高激發光的吸收效率。就共振條件而言，將周期結構120 的周期設定為P，將空氣中的激發光的波長設定為Aex，由W下的式(21)表示。
[0476] priinsin(目 in)-pn〇utsin(目。ut)=mAex(m 為整數）（21)
[0477] 因此，本實施方式的發光裝置的激發光源180如圖49所示W使空氣中的波長Aex的 激發光W入射角fUt射入光致發光層110的方式構成。激發光源180不限于光致發光層110中 存在周期結構120-側，還可W使激發光W入射角0Dut射入與其相反一側。
[0478] 為了確認上述的共振吸收效果，本申請者們對激發光的吸收率的入射角度依賴性 進行了計算。圖50是表示本計算設定的發光器件的構成的局部剖視圖。該發光器件具備在 表面具有一維周期結構的透明基板140W及形成在其上的包含巧光體的光致發光層110。光 致發光層110在表面具有一維周期結構120。
[0479] 在本計算中，將光致發光層110的折射率設定為1.77,將吸收系數設定為0.03,將 透明基板140的折射率設定為1.5,將吸收系數設定為0。周期結構120的高度h設定為40nm， 光致發光層110的厚度設定為185nm。周期結構120的周期P設定為400nm。該條件W使具有約 620nm的波長的紅色光向光致發光層110的法線方向射出的方式來確定。激發光的電場設定 為與周期結構120中各凸部延伸的方向（線方向）平行地振動的TM模式。入射角度0如圖50 (a)所示相當于W與周期結構120中的線方向平行的軸作為旋轉軸旋轉時的旋轉角。運是因 為，如圖28所示可知，在W與線方向垂直的軸作為旋轉軸旋轉時，在激發光的波長（例如 45化m或405nm)不產生共振。將入射角度目和波長A設定為變量，對使光由空氣射入周期結構 120時光致發光層110中的光的吸收率進行計算。
[0480] 圖51是表示本計算的結果的圖。在該圖中，顏色越淡表示吸收率越高。W使約 620nm的紅色光向與光致發光層110垂直的方向射出的方式進行設計，因此吸收率也在 620nm附近共振地變高。當關注于波長為450nm的位置時，在入射角度為約28.5度的情況下 產生共振吸收。也就是說，在激發光的波長為45化m的情況下，只要W約28.5度的入射角使 激發光射入就行。在激發光的波長為405nm的情況下，只要W約37度的入射角使激發光射入 就行。
[0481] 作為W特定的入射角使激發光射入光致發光層110的方法，例如有使用如 F.V丄aereetal.，I邸EJ.li曲twaveTechnol.25，151(2007)所公開的光纖的方法。圖52 是表示具備那樣的光纖230作為導光結構體的發光裝置的構成例的圖。在該例子中，端被斜 著切割而成的光纖230配置在發光器件的端。通過使激發光在忍232的內部傳播，由此能夠 使光相對于光致發光層110傾斜地射入。光纖230不限于設置在光致發光層110的端，還可W 設置在其他位置。
[0482] 就算在采取了上述構成的情況下，激發光的大部分依然也會從光致發光層110和 透明基板140透過。因此，對在透明基板140內封閉激發光并且將向光致發光層110的入射角 度設定成引起共振吸收的角度來提高吸收效率的構成進行了研究。
[0483] 圖53是表示那樣的構成的例子的局部剖視圖。圖53示出圖50中的A-A'線截面。在 該例子中，光源180由透明基板140-側射出激發光。就運樣的構成，對激發光的吸收率的入 射角度依賴性進行計算。即使在本計算中，入射光的電場也設定為向周期結構120的線方向 平行地振動的TM模式。在該例子中，向光致發光層110與透明基板140的界面的入射角度0如 圖53(a)所示是W與周期結構120中的線方向垂直的軸作為旋轉軸旋轉時的旋轉角。運是因 為，在W與線方向平行的軸作為旋轉軸旋轉時，在激發光的波長(例如450nm或405nm)，共振 的角度比全反射角低，沒有封閉激發光。
[0484] 圖54是示意性地表示將W與周期結構120的線方向平行的軸作為旋轉軸旋轉時的 旋轉角設定為入射角0的構成的剖視圖。圖55是表示就激發光的吸收率對入射角度0和空氣 中的波長A的依賴性進行計算得到的結果的圖。圖55的計算條件除了入射光為TE模式運一 點W外，與圖50和圖51中的計算條件相同。由圖55的結果可知:產生共振吸收的角度比全反 射角（該例子中為約42度)小。
[0485] 因此，在圖53所示的例子中，將W與一維周期結構120的線方向垂直的軸作為旋轉 軸旋轉時的旋轉角設定為入射角度0。在圖53的構成中，將入射角度0和空氣中的波長A設定 為變量，對激發光的吸收率進行計算。計算條件設定為與圖50和圖51中的計算條件相同。
[0486] 圖56是表示本計算的結果的圖。當關注于波長450nm時，在入射角度0為約52度的 情況下引起共振吸收。因此，激發光源的波長為45化m的情況下，只要使激發光與周期結構 120的線方向平行地向入射角度0為約52度的方向射出就行。在激發光源的波長為405nm的 情況下，只要使激發光與周期結構120的線方向平行地向入射角度0為約61.6度的方向射出 就行。如圖56的結果所示，本構成例能夠使激發光的吸收效率進一步提高。
[0487] 本實施方式還可W使用如實施方式1或實施方式2那樣的導光結構體220來使激發 光射入透明基板140。在圖53的構成中，為了使產生共振吸收的入射角度化k全反射角度大， 設置如實施方式2那樣的導光結構體220是有效的。即，如圖57所示，還可W設置導光結構體 220,該導光結構體220W使激發光不具有在與周期結構120的線方向和光致發光層110的厚 度方向運兩者垂直的方向（圖57的紙面垂直方向）傳播的成分的方式使激發光射入透明基 板140。那樣的導光結構體220具有向與周期結構120的線方向和層110的厚度方向運兩者垂 直的方向延伸的結構。由此，能夠使得光致發光層110中的激發光的吸收率提高，并且將激 發光封閉在光致發光層110和透明基板140中。運樣的導光結構體220不限于=棱鏡，還可W 具有其他形狀。另外，就算在實施方式1和2的各構成例中，也可W具有導光結構體220向與 周期結構120的線方向和層110的厚度方向運兩者垂直的方向延伸的結構。
[048引如W上所示，在本實施方式中，周期結構(亞微米結構）120 W空氣中的波長為Aa的 第一光向光致發光層110的法線方向最強地射出、波長構成Aex的第二光在光致發光層110的 內部傳播的情況下由光致發光層110的法線方向向角度為0DUt的方向最強地射出的方式構 成。光源180和/或導光結構體220W使激發光W入射角0Dut射入光致發光層110的方式構成。 通過運樣的構成，能夠使激發光被光致發光層110共振吸收，因此能夠使得發光效率進一步 提局。
[0489] [8.在發光器件的單側設置反射層的實施方式]
[0490] 圖58是表示具有光致發光層32的發光裝置3900的剖視圖。如圖58所示，在發光裝 置3900中，在光致發光層32的表面和光致發光層32與透明基材38的界面設置有周期結構 35。通過該周期結構35的作用，向特定方向（例如光致發光層32的法線方向）射出具有高指 向性的光。該指向性高的光由發光裝置3900的表面側和背面側運兩者射出。
[0491] 但是，就通常的用途而言，大多期望使光僅由包含光致發光層32的發光器件的光 出射面一側射出。于是，如圖59所示，本實施方式的發光裝置3000在光致發光層32的單側 (背面側)設置了用于反射來自光致發光層32的光的反射層50。
[0492] 在發光裝置3000中，反射層50由透光性的材料形成，例如，可W包含圖中示出立角 形截面的橫向=棱柱狀的棱鏡50P。=棱柱狀的棱鏡50P例如可W與形成為條紋狀的周期結 構35平行地延伸，但也可W沿著其他方向（例如正交的方向）延伸。另外，在本說明書中，將 設置了反射層50-側稱為發光器件(或者光致發光層32)的背面側，將與其相反一側稱為發 光器件(或者光致發光層32)的前面側。
[0493] 另外，圖59示出在光致發光層32的前面側的表面和光致發光層32與反射層50的界 面設置周期結構35的方案，但是不限于此，可W在上述的各種形態中設置周期結構35。例 如，也可W僅在光致發光層32的前面側設置周期結構35。另外，為了適當地形成模擬導波模 式，反射層50的折射率還可W設定為比光致發光層32的折射率小。在本實施方式中，反射層 50還可W兼具作為用于支撐光致發光層32的基材的功能。
[0494] =棱柱狀的棱鏡50P具有相對于外側的介質(例如空氣)55露出的兩個帶狀的傾斜 面50S。運些傾斜面50SW相互相對不同的角度配置，并在棱鏡前端的棱線處連接。=棱柱狀 棱鏡50P的折射率nl比外側的介質55的折射率n2大。由此，由光致發光層32射出到其背面側 并且在=棱柱狀的棱鏡50P內傳播的光可W在兩個傾斜面50S全反射。
[04%]在該構成中，向光致發光層32的背面側射出的光的至少一部分被反射層50反射并 朝向光致發光層32。由此，能夠使由包含光致發光層32的發光器件的前面側射出的光的量 增加。
[0496] 在圖59所示的構成中，還可W使激發光由反射層50的背面側經由反射層50射入光 致發光層32。即，如在上述的[7.使得激發光的吸收效率提高的實施方式]中進行了說明那 樣，通過使激發光相對于光致發光層32的層面W適當的入射角度由斜向照射棱鏡50P，也能 夠使得激發光的吸收效率提高。在運樣的構成中，反射層50還作為"導光結構體"起作用。
[0497] 反射層50不限于上述的=棱柱狀的棱鏡50P，還可W具有柱狀透鏡。另外，反射層 50還可W具有棱錐(金字塔)狀或圓錐狀的多個凸部、微透鏡陣列、角錐棱鏡陣列（W包括互 相正交的=個平面的凸部和凹部為單位結構的回歸反射結構)等細微的凸部和/或凹部。另 夕h在反射層50中排列成條紋狀或點狀的上述各種凹凸結構的間距與周期結構的間距相比 還可W足夠大，例如可W為10皿~1000皿左右。設置在反射層50的凹凸結構例如可W由丙 締酸樹脂、聚酷亞胺樹脂、環氧樹脂等有機材料或Si化，Ti〇2等無機材料形成。但是，并不限 于運些材料。
[0498] 另外，上述的凹凸結構還可W直接形成在作為反射層50來使用的透明基材的背 面。作為透明基材，例如可W使用玻璃基板、塑料基板等。作為玻璃基板的材料，例如可W使 用石英玻璃、鋼巧玻璃、無堿玻璃等。作為塑料板的材料，例如可W使用聚對苯二甲酸乙二 醇醋、聚糞二甲酸乙二醇醋、聚酸諷、聚碳酸醋等。在使用塑料板的情況下，還可W使用在塑 料基板的表面形成了 SiON膜、SiN膜等的塑料板。在運種情況下，能夠高效地抑制水分透過。 另外，透明基材可W是剛性的，也可W是柔性的。在運些透明基材的背面，可W通過公知的 表面加工法來形成棱鏡、透鏡等凹凸結構。
[0499] 另外，在圖59所示的方案中，反射層50包含支撐=棱柱狀棱鏡50P的基部(厚度部 分），但不限于此。反射層50也可W由實質上不具有基部而W與光致發光層32接觸的方式設 置的多個凸結構構成。另外，在反射層50與光致發光層32之間，還可W夾著透明緩沖層等。
[0500] 圖60是用于對反射層50的S棱柱狀棱鏡的傾斜面(反射面)50S的傾斜角度0進行 說明的圖。傾斜面50S的傾斜角度0如圖所示被規定為傾斜面50S相對于棱鏡的底面50B(或 者發光層的層面)所成的角度。運里，作為例示，對兩個傾斜面50S的傾斜角度0相同的情況 進行說明。在兩個傾斜面50S的傾斜角度為相同的情況下，=棱柱狀棱鏡的截面形成等腰= 角形。
[0501] 根據棱鏡的傾斜角度0，射出到光致發光層32的背面側的光LT的反射率不同。為了 得到高反射率，傾斜角度e優選滿足使用反射層50的折射率nl和反射層50外側的介質55(例 如空氣）的折射率n2由斯涅耳定律導出的0>arcsin(n2/nl)。該式示出了由光致發光層32 向與棱鏡的底面50B垂直的方向射入的光LTW臨界角W上的角度射入傾斜面50S并且在傾 斜面50S與外側的介質55的界面全反射的條件。
[0502] 另外，如圖60所示，將在一個傾斜面50S全反射后的光LT在另一個傾斜面50S全反 射時的入射角度設定為9'。此時，如圖所示，由光LT的路線和示出底面50B的水平線包圍而 成的四邊形的內角之和成立90° +2目+2目' + (目+b) =360°，因此可知3目+2目' +b = 270°。另外，由 于b+目'=90°，因此由上述式導出3目+目'=180°，即，目'=180°-3白。
[0503] 為了在另一個傾斜面50S產生全反射，需要入射角0'比臨界角大，即，滿足0'> a;rcsin(n2/nl)。運里，可知：如果代入上述的目' =180° -3目。則在滿足180° -a;rcsin(n2/nl) >30的情況下，在另一個傾斜面50S也會全反射。由W上內容可知：為了使得來自發光器件 的光LT在棱鏡的兩個傾斜面50S均全反射并返回入射側。0的范圍優選滿足arcsin(n2/nl) <目<60°-(l/3)Xarcsin(n2/nl)。也就是說，如果與形成棱鏡的材料的折射率nl和外側介 質的折射率n2相對應地W滿足上述的式的方式來適當地選擇棱鏡的傾斜面的傾斜角度0， 則能夠使得由發光器件射出的尤其向垂直方向具有高指向性的光LT被反射層50向發光器 件側反射。例如，在棱鏡的折射率nl為1.5、外側介質的折射率n2為1.0時，由上述式導出只 要滿足約41° <0<約46°就行。也就是說，在形成于玻璃基板背面的棱鏡曝露于空氣中那樣 的情況下，通過將棱鏡的傾斜角度0設定為超過41°且小于46%能夠高效地反射垂直方向的 光。尤其是，還可W將傾斜角度0設定為45°附近。
[0504] W下，參照圖61(a)~(d)，對反射層50具有其他構成的各種實施方式進行說明。
[0505] 圖61(a)示出在光致發光層32的背面側隔著透明基材48設置作為反射層的金屬反 射膜50a的方案。金屬反射膜50aW反射由光致發光層32的背面側射出的光的方式起作用。 由此，能夠增加由光致發光層32的前面側射出的光的量。另外，金屬反射膜50a例如可W使 用銀、侶等金屬材料通過真空制膜法或濕式制膜法等各種成膜方法來形成，但是不限于此。 另外，在設置金屬反射膜50a的情況下，還可W使激發光由光致發光層32和透明基材48的側 面或由光致發光層32的前面側射入。
[0506] 圖61(b)示出在光致發光層32的背面側隔著透明基材48設置作為反射層的電介質 多層膜50b。電介質多層膜50b W反射由光致發光層32的背面側射出的光的方式起作用。由 此，能夠增加由光致發光層32的前面側射出的光的量。
[0507] 電介質多層膜50b通過交互層疊高折射率的電介質層和低折射率的電介質層來形 成。射入電介質多層膜50b的光在上述的電介質層的各界面被反射。另外，通過將電介質層 的厚度設定為入射光或者反射光的波長的1/4,能夠調整在各界面反射的光的相位，能夠得 到更強的反射光。
[0508] 此外，作為構成電介質多層膜50b的材料，優選選擇對于想要反射的光的波長區域 吸收小的材料。通常來說，可W使用氧化鐵、氧化娃、氣化儀、妮、氧化侶之類的無機材料、丙 締酸樹脂、環氧樹脂、聚酷亞胺樹脂W及在它們之中混合折射率調整材料而成的材料之類 的有機材料等，但是不限于運些。另外，電介質多層構膜50b例如可W使用真空蒸鍛法、分子 線蒸鍛法(MBE)、離子鍛法、瓣射法、熱CV的去、等離子體CVD法等真空制膜法或旋轉涂布法、 狹縫模具涂布法、刮棒涂布法等濕式制膜法等形成。但是，并不限于運些制造方法。
[0509] 圖61(c)示出在光致發光層32的背面側隔著透明基材48設置作為反射層的分色鏡 50c的方案。分色鏡50cW反射由光致發光層32的背面側射出的光的方式起作用。由此，能夠 增加由光致發光層32的前面側射出的光的量。
[0510] 就圖61(c)所示的構成而言，能夠經由分色鏡50c由背面側使激發光射入光致發光 層32。分色鏡50c能夠使具有特定波長的光透過，并使除其W外的波長的光反射。由此，在經 由分色鏡50c使激發光射入光致發光層32的情況下，只要W選擇性地使激發光透過并使除 其W外的波長的光反射的方式設置分色鏡50c就行。運樣，能夠不妨礙向光致發光層32射入 激發光，并且使得在光致發光層32發光并向背面側射出的光適當地反射。
[0511 ]分色鏡50c可W與上述的電介質多層膜50b同樣地由電介質多層膜構成。分色鏡 50c可W通過交互層疊具有兩種折射率的薄膜而形成。作為形成高折射率膜和低折射率膜 的材料，可W列舉氧化鐵、氧化娃、氣化儀、妮、氧化侶等，但不限于運些。
[0512]圖61(d)示出在光致發光層32的背面側隔著透明基材48設置作為反射層的漫反射 層50d的方案。漫反射層50dW反射由光致發光層32的背面側射出的光的方式起作用。由此， 能夠增加由光致發光層32的前面側射出的光的量。作為漫反射層50d，可W使用通過將由二 氧化娃、氧化鐵等無機材料形成的微粒、由丙締酸樹脂、甲基丙締酸樹脂、聚苯乙締等有機 材料形成的微粒與用于保持運些微粒的由各種樹脂等形成的粘結劑混合而得到的膜。另 夕h可W使用鐵酸領、氧化鋒等的蒸鍛膜來構成，但不限于運些。
[051；3] 而且，上述的圖61(a)~（d)示出了隔著透明基材4則尋各反射層50a、50b、50c、50d 設置在光致發光層32的背面側的方案，但也可W具有其他形態。反射層50a、50b、50c、50cU^ 透明基材48還可W被一體地形成。另外，還可W按照不設置透明基材48而使反射層50a、 5化、50c、50d與光致發光層32的背面相接觸的方式來設置。
[0514] 此外，在上述的圖61(a)~(d)所示的方案中，如在[7.使得激發光的吸收效率提高 的實施方式]中進行了說明那樣，還可W采用在上述的透明基材48的側方或者內部設置棱 鏡、透鏡等、使激發光相對于光致發光層32由背面側斜向射入的構成。
[0515] W下，參照圖62(a)~(C)，對設置適合于反射多色光的反射層的方案進行說明。
[0516] 圖62(a)是表示在發光器件中色（即波長)不同的光L1、L2射出時出射角度的不同 的圖。在光致發光層32的表面設置有周期結構35,由光致發光層32射出至少兩種色不同的 光Ll、L2。不同顏色的光Ll、L2還可W是巧光與激發光的組合。
[0517] 如圖62(a)所示，將光致發光層32的折射率設定為ni，將光出射側的介質的折射率 設定為no,將周期結構的周期設定為d(nm)。另外，當將在光致發光層32的內部按照周期d的 周期結構導波的光Li到界面的入射角(衍射角)設定為0i、將向外側介質側射出的光的出射 角設定為目O時，dXni Xsin0i-dXnoXsin0o = mA為共振條件。運里，m是指次數，A是指由光 致發光層32射出的光的波長。由該式可知:在周期結構的周期dW與出射光的波長A相適應 的方式設定時（例如在dXniXsin0i=mA時），波長A的光Ll向法線方向（0o = O)選擇性地射 出。但是，在如上述那樣設定了周期d的情況下，就其他波長A'的光L2而言，W向從法線方向 偏移后的方向具有指向性的方式射出。
[0518] 在運種情況下，向法線方向射出的光包括大量特定波長A的光LI,向從正面方向偏 移后的規定方向射出的光包括大量不同波長的光L2。其結果是，根據來自發光器件的出 射角度，著色有可能會不同。
[0519] 于是，在發出多色光的情況下，如圖62(b)所示，在透明基材64的背面，形成具有傾 斜面66S的斜面部66,該傾斜面66S相對于光致發光層32的層面成規定的傾斜角度0。另外， W設定為與傾斜面66S相接觸的方式來設置反射構件(例如金屬膜、電介質多層膜等)等，從 而使傾斜面66S作為反射面起作用。
[0520] 運里，傾斜面66S的傾斜角度目被設定為圖62(b)和（C)所示的角度2目的一半。如果 進行更具體說明，則角度20是不同波長A'的光L2通過具有周期d的周期結構向除了法線方 向W外的方向射出、該波長的向背面方向的光在光致發光層32與透明基材64的界面處折 射時的出射角（向透明基材64側的出射角）。
[0521] 在該構成中，通過周期結構35的作用向法線方向射出的波長A的光Ll之中向光致 發光層32的背面側射出并向法線方向前進的光Llb被傾斜面66S反射。此時，傾斜面66S的傾 斜角被設定為角度20的1/2的角度0(即，光Llb相對于傾斜面66SW入射角0射入），因此被傾 斜面66S反射到方向僅進一步偏移了角度0的方向。
[0522] 另一方面，向從法線方向偏移后的方向射出的其他波長A'的光L2之中向光致發光 層32的背面側射出并被透明基材64的界面折射而朝向傾斜面66S的光L2b沿著從法線方向 僅偏移角度20后的方向前進并被傾斜面66S反射。此時，傾斜面66S僅傾斜傾斜角度0，因此 相對于傾斜面66SW入射角0射入。另外，進過反射后的光的方向僅進一步偏移角度0，因此 沿著法線方向前進。其結果是，波長互相不同的光L1、L2作為具有相同的指向性的光射出。 因此，根據出射角度會突出特定顏色的光的現象減少。
[0523] 另外，傾斜面66S不限于如圖62(b)所示那樣形成銀齒截面的方案，即，不限于有互 相平行的關系的相鄰的傾斜面66S介由垂直面連接的方案。例如，如圖63(c)所示，互相對稱 配置的相鄰的傾斜面66S(其中，傾斜角度相同）還可W連續地設置成屋頂型。此外，還可W 組合圖63(b)所示的截面銀齒的方案與圖63(b)所示的屋頂型的方案來使用。
[0524] 運樣，W具有與由周期結構35的排列間距、發光波長確定的角度相對應地被適當 設定出的傾斜角度的方式來設置反射面，由此能夠使不同波長的出射光的指向性匯集。由 此，在通過發出多個顏色的光來射出白色光那樣的情況下，對于任意的角度均能夠射出不 易突出特定顏色的均質白色光。
[0525] W下，參照圖63,對設置另一個形態的反射層的方案進行說明。另外，在W下的方 案中，有時對與圖59所示的方案相同的構成要素賦予相同的附圖標記，并省略說明。
[0526] 圖63所示的發光裝置具有在反射層50的基部50T與棱鏡50P之間夾著低折射率層 70的構成。運里，低折射率層70具有比反射層50的折射率nl小的折射率n3,例如可W是空氣 層。
[0527] 通過設置低折射率層(空氣層)70,能夠使在基部50T傳播的光之中向當W光致發 光層32的法線方向為基準時角度大的方向行進的光在基部50T與低折射率層70的界面處反 射。由此，能夠將沒有被例如W傾斜角度45°設置的棱鏡50P的傾斜面50S反射的光（即，相對 于傾斜面50S的入射角較小的光)也在低折射率層70的界面反射，并導向光致發光層32的前 面側。
[0528] 基部50T與低折射率層70的界面典型地設置為與光致發光層32的層面平行的平 面。但是，不限于此，例如基部50T與低折射率層70的界面還可W被形成為包含W比棱鏡的 傾斜面50S的傾斜角度0小的角度與光致發光層32的層面相交的各種傾斜面。另外，還可W 在光致發光層32與棱鏡50P之間設置多個低折射率層70。此外，如果低折射率層70具有對激 發光的透光性，則能夠使激發光經由反射層50和低折射率層70由反射層50的背面側射入光 致發光層32。
[0529] W下，參照圖64(a)和(b)，對敷設RGB發光器件的方案進行說明。如圖64(a)所示， 將射出紅色R、綠色G和藍色B各顏色的光的發光器件沒有間隙地在橫豎向排列，即進行所謂 的敷設，由此能夠射出白色光。另外，通過W如上述所示設置周期結構并形成模擬導波模式 的方式來構成各色的發光器件，能夠向規定的方向W高指向性射出白色光。另外，在圖示的 方案中，紅色R、綠色G和藍色B的發光器件W相同顏色分別位于斜向的方式排列，但是也可 W是其他形態的排列。
[0530] 如圖64(b)所示，與各色相對應地，發光器件的周期結構的間距可W不同。由此，能 夠使所期望的顏色的光W高指向性高效地射出。另外，在發光器件的背面側還可W設置反 射層803、806、808。與各發光器件相對應的反射層801?、806、808可^被一體地形成，也可^ 分開設置。反射層80R、80G、80B還可W是相同形狀的凸部結構。
[0531] 產業上的可利用性
[0532] 本申請的發光裝置能夠適用于W照明器具、顯示器、投影儀為代表的各種光學設 備。
[0533] 符號說明
[0534] 100、IOOa 發光器件
[化巧]110 光致發光層(波導）
[化36] 120、120'、120曰、12化、120〇透光層(周期結構、亞微米結構）
[0537] 140 透明基板
[053引150 保護層
[0539] 180 光源
[0540] 200 發光裝置
[0541] 220 激發光導入結構
[0542] 230 光纖
[0543] 232 光纖的忍
【主權項】
1. 一種發光裝置，其具有： 光致發光層，該光致發光層接受激發光而發光； 透光層，該透光層以與所述光致發光層接近的方式配置； 亞微米結構，該亞微米結構形成在所述光致發光層和所述透光層中的至少一者上，并 向所述光致發光層或所述透光層的面內擴散;以及 導光結構體，該導光結構體以將所述激發光導向所述光致發光層的方式配置， 其中，所述亞微米結構包含多個凸部或多個凹部， 所述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為的第一光， 當將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設定為Dint、將所述光致發光層對所述第一光 的折射率設定為nwav-3時，成立Aa/nwav- a<Dint<Aa的關系。2. 根據權利要求1所述的發光裝置，其中，所述導光結構體形成在所述光致發光層中存 在所述亞微米結構一側的面。3. 根據權利要求1所述的發光裝置，其中，所述導光結構體形成在所述光致發光層中與 存在所述亞微米結構一側相反一側的面。4. 根據權利要求2或3所述的發光裝置，其還具有使所述激發光向所述導光結構體射出 的光源， 其中，當將所述激發光由所述導光結構體到所述光致發光層的入射角設定為9st、將所 述導光結構體的折射率設定為nst時，成立nstsin(0st)>l。5. 根據權利要求1所述的發光裝置，其還具有支撐所述光致發光層的透明基板， 其中，所述導光結構體形成在所述透明基板中與所述光致發光層一側相反一側的面。6. 根據權利要求5所述的發光裝置，其還具備使所述激發光向所述導光結構體射出的 光源， 其中，當將所述激發光由所述導光結構體到所述透明基板的入射角設定為9st、將所述 導光結構體的折射率設定為nst時，成立nstsin(0st)>l。7. 根據權利要求1~6中任一項所述的發光裝置，其中，所述導光結構體由至少一個棱 柱形狀的透光性構件構成。8. 根據權利要求1~6中任一項所述的發光裝置，其中，所述導光結構體由至少一個半 球形狀的透光性構件構成。9. 根據權利要求1~6中任一項所述的發光裝置，其中，所述導光結構體由至少一個金 字塔形狀的透光性構件構成。10. 根據權利要求1~9中任一項所述的發光裝置，其中，當將所述激發光在空氣中的波 長設定為時，所述亞微米結構以所述第一光向所述光致發光層的法線方向最強地射出、 在波長為的第二光在所述光致發光層的內部傳播的情況下所述第二光向與所述光致發 光層的法線方向成角度的方向最強地射出的方式構成， 所述導光結構體使所述激發光以入射角9_射入所述光致發光層。11. 根據權利要求1~10中任一項所述的發光裝置，其中，所述亞微米結構具有一維周 期結構， 所述導光結構體具有向與所述一維周期結構的線方向和所述光致發光層的厚度方向 這兩者垂直的方向延伸的結構。12. -種發光裝置，其具有： 光致發光層，該光致發光層接受空氣中的波長為kx的激發光而發光； 透光層，該透光層以與所述光致發光層接近的方式配置； 亞微米結構，該亞微米結構形成在所述光致發光層和所述透光層中的至少一者上，并 向所述光致發光層或所述透光層的面內擴散;以及 光源，該光源射出所述激發光， 其中，所述亞微米結構包含多個凸部或多個凹部， 所述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為的第一光， 當將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設定為Dint、將所述光致發光層對所述第一光 的折射率設定為nwav-3時，成立Aa/nwav- a<Dint<Aa的關系， 所述亞微米結構以所述第一光向所述光致發光層的法線方向最強地射出、在波長為 的第二光在所述光致發光層的內部傳播的情況下所述第二光向與所述光致發光層的法線 方向成角度的方向最強地射出的方式構成， 所述光源使所述激發光以入射角9_射入所述光致發光層。13. -種發光裝置，其具有： 透光層； 亞微米結構，該亞微米結構形成在所述透光層上，并向所述透光層的面內擴散； 光致發光層，該光致發光層以與所述亞微米結構接近的方式配置，并接受激發光而發 光；以及 導光結構體，該導光結構體以將所述激發光導向所述光致發光層的方式配置， 其中，所述亞微米結構至少包含多個凸部或多個凹部， 所述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為的第一光， 所述亞微米結構至少包含由所述多個凸部或者所述多個凹部形成的至少一個周期結 構， 當將所述光致發光層對所述第一光的折射率設定為nwav-a、將所述至少一個周期結構的 周期設定為Pa時，成立Xa/nwaV-a<Pa<Xa的關系。14. 一種發光裝置，其具有： 光致發光層，該光致發光層接受激發光而發光； 透光層，該透光層具有比所述光致發光層高的折射率； 亞微米結構，該亞微米結構形成在所述透光層上，并向所述透光層的面內擴散；以及 導光結構體，該導光結構體以將所述激發光導向所述光致發光層的方式配置， 其中，所述亞微米結構至少包含多個凸部或多個凹部， 所述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為的第一光， 所述亞微米結構至少包含由所述多個凸部或者所述多個凹部形成的至少一個周期結 構， 當將所述光致發光層對所述第一光的折射率設定為nwav-a、將所述至少一個周期結構的 周期設定為Pa時，成立Xa/nwaV-a<Pa<Xa的關系。15. 根據權利要求1~14中任一項所述的發光裝置，其中，所述光致發光層與所述透光 層互相接觸。16. -種發光裝置，其具有： 光致發光層，該光致發光層接受激發光而發光； 亞微米結構，該亞微米結構形成在所述光致發光層上，并向所述光致發光層的面內擴 散；以及 導光結構體，該導光結構體以將所述激發光導向所述光致發光層的方式配置， 其中，所述亞微米結構至少包含多個凸部或多個凹部， 所述光致發光層所發出的光包括空氣中的波長為的第一光， 所述亞微米結構至少包含由所述多個凸部或者所述多個凹部形成的至少一個周期結 構， 當將所述光致發光層對所述第一光的折射率設定為nwav-a、將所述至少一個周期結構的 周期設定為Pa，成立Xa/nwav-a<Pa<Xa的關系。17. 根據權利要求1~16中任一項所述的發光裝置，其中，所述亞微米結構包含所述多 個凸部和所述多個凹部這兩者。
【文檔編號】G02B5/18GK105940509SQ201580006448
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年2月20日
【發明人】橋谷享, 平澤拓, 稻田安壽, 中村嘉孝, 新田充, 山木健之, 中村將啟
【申請人】松下知識產權經營株式會社