発光素子及びそれを用いた画像表示装置
【課題】 高い光抽出効率を有する発光素子を提供する。
【解決手段】 発光層と、複数の第１の媒質と第１の媒質とは屈折率が異なる第２の媒質とを備え、発光層と対向配置され該発光層で生じた光を透光する構造体層とを有し、構造体層は、構造体層の面内方向において各々が第２の媒質に囲まれた複数の第１の媒質を有し、第１の媒質の形状が、発光層と対向する面と垂直な方向に長軸を有し、長軸を回転軸として回転させた回転楕円体形状であることを特徴とする発光素子
【解決手段】 発光層と、複数の第１の媒質と第１の媒質とは屈折率が異なる第２の媒質とを備え、発光層と対向配置され該発光層で生じた光を透光する構造体層とを有し、構造体層は、構造体層の面内方向において各々が第２の媒質に囲まれた複数の第１の媒質を有し、第１の媒質の形状が、発光層と対向する面と垂直な方向に長軸を有し、長軸を回転軸として回転させた回転楕円体形状であることを特徴とする発光素子
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子、及びそれを用いた画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光素子には、発光層にて生成された光が、外部へ抽出される効率（光抽出効率）を高くすること、そして、大面積の発光素子を低コストに作製することが求められる。
【０００３】
発光素子において、光抽出効率を高める為には、発光層にて生成された光が、外部に抽出される間の損失を低減することが重要である。例えば基板（前面板）上に発光層を設けた発光素子においては、損失の一つとして、発光層と前面板の界面等における全反射損失がある。高屈折率媒質（例えば、発光層や前面板）から低屈折率媒質（例えば、外部領域）に向けて光が伝播すると、臨界角よりも大きな角度で伝搬する光は全反射され、高屈折率媒質に閉じ込められる。このような光は、低屈折率媒質中に抽出されないため、光抽出効率が低減する。
【０００４】
全反射損失を低減し、光抽出効率を増大させるため、屈折率が異なる媒質で形成された層と層の間（例えば、発光層と前面板の間）に、微細構造を設けることが知られている。発光層の内部で発生した光を微細構造により回折させることで、臨界角度以上の角度で伝播する光を低減させ、臨界角以内の角度で伝搬する光を増大させることにより、光抽出効率を高めている。
【０００５】
特許文献１では、図７に示す構成を有する発光部８００を複数配列した画像表示装置が提案されている。図７に示す発光部８００は、一対の電極８０５及び８０３、発光層８０４、発光層より高い屈折率を有する媒質により構成された高屈折率層８０２、及び前面板８０６を有している。さらに前面板８０６と高屈折率層８０２の間に微細構造８０１が配置されている。微細構造８０１は、前面板と平行な面内に、微小球を配列した構造である。微細構造８０１は、発光層８０４の内部で生じた光８０９を回折させることにより、臨界角度以内の光８１０を増大させ、微細構造を配置しない時に比べて高い光抽出効率を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２３００６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら従来の構成では、光抽出効率の更なる向上が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明は、発光層と、複数の第１の媒質と該第１の媒質とは屈折率が異なる第２の媒質とを備え前記発光層と対向して配置され該発光層で生じた光を透光する構造体層とを有する発光素子であって、
前記構造体層は、該構造体層の面内方向において各々が前記第２の媒質に囲まれた複数の前記第１の媒質を有し、前記第１の媒質の形状が、前記発光層と対向する面と垂直な方向に長軸を有し、該長軸を回転軸として回転させた回転楕円体形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の発光素子によれば、高い光抽出効率を有する発光素子得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態の発光素子を示す断面図
【図２】実施の形態の構造体層の一部を示す図
【図３】実施の形態の発光素子の光放出効率と楕円率の関係を示す図
【図４】実施の形態の発光素子を複数備えた画像表示装置の部分断面図
【図５】実施の形態の発光素子の製造工程を示す図
【図６】実施例２の発光素子の製造工程を示す図
【図７】従来の発光素子の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本実施の形態の発光素子１００の概略を示している。発光素子１００は、発光層１０２と構造体層である微細構造１０５とからなり、好ましい形態においては、更に前面板１０１と図示しない励起手段を有する。図１に示す形態において微細構造１０５は、前面板１０１と発光層１０２との間に、発光層１０２と対向して配置されている。発光層１０２は、例えば、蛍光体材料を含む膜で構成され、可視波長域である波長３５０〜８００ｎｍのいずれかの波長を含む光を発生する。構造体層である微細構造１０５は、発光層１０２で生じた光を透光する構造体であり、異なる屈折率を有する２種類以上の媒質から構成され、構造体層の面内方向であるｘｙ面内方向に屈折率分布を有する。構造体層である微細構造１０５の一例を、図２に示す。図２の（ａ）、（ｂ）は、微細構造１０５のｘｙ断面およびｘｚ断面を示す図である。微細構造１０５は、第１の媒質である媒質１で構成された楕円体形状の楕円球構造体１０４と、媒質１とは異なる屈折率を有し、媒質１の周囲を囲むように配置される第２の媒質である媒質２により構成された領域１０３とを備えている。そして、第１の媒質である媒質１で構成された楕円体形状の楕円球構造体１０４は、発光層１０２と対向する面と垂直な方向であるＺ方向に長軸を有するように配置されている。また、媒質１で構成された楕円球構造体１０４は、ｘｙ面内にて、三角格子の格子点上に重心が位置するように配置されている。図２（ａ）に記載のベクトルａ１及びａ２は三角格子の基本ベクトルを表しており、ａ１＝（０．５ａ，√３ａ／２，０）、ａ２＝（０．５ａ，−√３ａ／２，０）のベクトルである。三角格子は基本ベクトルａ１及びａ２の和及び差によって表される位置に格子点を有する。ここで、格子周期１０６の長さをａと表した。
【００１２】
図１の発光層１０２に、図示しない励起手段により電子が供給されることで、発光層１０２にて光が発生する。励起手段は、例えば、基板上に電子放出素子と電極を配置し、発光層１０２の表面に電極を設けることで構成される。発生した光は、微細構造１０５及び前面板１０１を通過し、外部に抽出されることで＋ｚ方向に伝播する。本発明においては、発光層にて発生した光が射出する方向を光射出側と定義する。
【００１３】
外部領域への光抽出効率を高めるためには、発光層１０２にて生じた光１１０を微細構造１０５により回折させ、臨界角度以内で伝播する光１１１を増大させ、臨界角度以上で伝播する光１１２を低減させることが必要となる。
【００１４】
本実施の形態における発光素子１００が、高い光抽出効率を得ることができる理由を次に述べる。
図１に示す発光層１０２にて生じた光１１０が微細構造１０５に入射すると、複数の回折光が生じる。この回折光の中で、０次の次数を有する回折光が、前面板と外部領域界面の臨界角度よりも大きい角度を有する時、０次の回折光は、前面板と外界の界面にて全反射され、損失となる。一方、構造体層である微細構造１０５にて回折された光のうち、０次以外の次数を有し、臨界角度以内の角度を有する回折光は、全反射されることなく外部へ抽出される。その為、外部への光抽出効率を高くするためには、微細構造１０５の０次以外の高次回折光強度を高くすることが望ましい。
【００１５】
微細構造１０５に光を入射すると、楕円構造体１０４内を伝播した光と、領域１０３内を伝播した光との間で位相差が生じる。微細構造１０５により生じる回折光は、この位相差により発生し、その位相の変化が急峻なほど、高次の回折光強度が強くなる。そして、微細構造を構成する媒質１が、長軸を回転軸として回転させた回転楕円体形状を有する楕円球構造体で、その楕円率が大きいほど、急峻な構造変化を有しているために、位相変化も急峻となる。ここで楕円率とは、回転楕円体形状を有する楕円球構造体の長軸の長さを短軸の長さで除した値であり、換言するとｚ軸方向の直径（図２（ｂ）符号１０８）を、ｘ軸方向の直径（図２（ｂ）符号１０７）で除した値である。我々の鋭意検討の結果、楕円率が大きくなるにつれ、高次回折光強度の割合が高くなることが判明した。本実施の形態の発光素子において、微細構造１０５に含まれる楕円球構造体の楕円率を大きくすることにより、外部への光抽出効率を高くすることができる。
【００１６】
また、より高い光抽出効率を得るためには、微細構造１０５が、２次以上の高次回折光を有することが望ましい。２次以上の高次回折光は大きい回折角度を有するため、光１１０が大きい角度で微細構造１０５に入射する場合にも、臨界角度以内の角度で伝播する光に回折させることができる。
【００１７】
微細構造に光が入射した時には、以下の式１を満たす回折次数の光が発生する。
【００１８】
【数１】
【００１９】
式１において、λは入射光の波長、Ｎｉｎは入射側媒質の屈折率、Ｎｏｕｔは反射回折光または透過回折光が伝播する領域の屈折率を表している。θｉｎは入射光の入射方向とｚ軸とが成す角度、Λは構造体層である微細構造の、回転楕円体形状を有する媒質１からなる楕円球構造体の周期間隔、ｍは回折次数である。Λを１．０μｍ以上にすることで、可視域において高次の回折光が発生しにくい波長７００ｎｍにおいても、２次以上の回折光を発生させることができ、外部への光抽出効率を高くすることができる。発光層から微細構造１０５へ入射する光の入射角度が、前面板と外部領域界面の臨界角度よりも大きい時、０次の透過回折光は前面板と外部領域の界面で全反射される。外部への光抽出効率を高めるためには、０次の透過回折光よりも小さい角度で伝播する透過回折光を増大させ、逆に大きい角度で伝播する透過回折光を減少させる必要がある。Λを大きくすることにより、０次の透過回折光よりも大きい角度で伝播する透過回折次数が多く発生するようになり、前面板と外部領域界面の全反射損失が増大し、外部への光抽出効率が低下する。望ましくはΛを３．０μｍ以下にすることで、全反射損失を低くすることができ、外部への光抽出効率を高く保つことができる。すなわち、本発明の発光素子において、微細構造１０５の回転楕円体形状を有する媒質１からなる楕円球構造体の周期間隔である格子定数を、１μｍ以上且つ３μｍ以下にすることにより、２次以上の高次回折光を発生させ、且つ全反射損失を低減させることができ、外部への光抽出効率をより高くすることができる。
【００２０】
次に、本実施の形態における発光素子１００に含まれる微細構造１０５の一例を示す。図２に示す、構造体層である微細構造１０５においては、楕円球構造体１０４は、ｚ軸と平行な面内にてｚ軸方向に長軸を有する楕円形の断面形状を有し、さらにｘ軸及びｙ軸と平行な面内にて円形の断面形状を有する。つまり楕円球構造体１０４は、長軸を回転軸として回転させた回転楕円体形状を有している。そして媒質１で構成される楕円球構造体１０４の屈折率は２．２、周囲の領域１０３を構成する媒質２の屈折率は１．４６、前面板１０１の屈折率は１．４６、発光層１０２の屈折率は１．５である。また楕円球構造体１０４は、２．３μｍの長さの格子周期１０６を有する三角格子の格子点上に重心が位置するように配列されている。そして、構造体層である微細構造１０５は発光層１０２に対向して配置されている。また発光層１０２の背面には図示しない励起手段が配置され、その背面の領域は真空となっている。
【００２１】
図３は、このような構造体層である微細構造１０５を用いた発光素子１００の、光抽出効率を示している。図３において、縦軸は、本実施の形態の楕円球構造体を有する微細構造体１０５を備える発光素子の光抽出効率を、球体（つまり楕円率＝１）を有する微細構造体を備える発光素子の光抽出効率で規格化した光抽出効率を示している。また横軸は、微細構造体１０５の楕円球構造体の楕円率を示している。
【００２２】
図３に示すように、微細構造１０５の楕円率が１よりも大きくなるよう、適切に設計することにより、発光素子１００の光抽出効率を高めることができる。そして光効率向上において、楕円率は１．２以上が好ましい。さらに、微細構造１０５の回転楕円体形状を有する媒質１からなる楕円球構造体の周期間隔である格子周期を１．０μｍ以上３．０μｍ以下とすることにより、発光素子１００の光抽出効率をより高めることができる。
【００２３】
本発明に含まれる微細構造１０５を構成する媒質１と媒質２は、楕円球構造体１０４を伝播する光と領域１０３を伝播する光が、位相差を有する限りは、本実施形態で示した媒質とは異なる媒質であっても、本発明の効果は失われない。望ましくは、媒質１と媒質２の屈折率差を大きくすることにより、より急峻な位相変化を得ることができ、外部に抽出される光を増大させることができる。また本実施の形態における前面板１０１は、発光層１０２及び構造体層である微細構造１０５を保護することができ、且つ発光層にて生じた光を透光するものであれば良く、例えば、プラスチックで形成してもよい。また、励起手段は、基板上に電子放出素子と電極を配置し、発光層１０２の表面に電極を配置することで構成してもよい。このような構成においては、電子放出素子に電界を加えると、発光層に向けて電子が放出され、発光層１０２に電子が供給され、発光層１０２の中で光が発生する。あるいは、励起手段を、発光層１０２と前面板１０１の間及び発光層１０２と裏面の間に陽極と陰極を配置して構成してもよい。このような構成においては、両電極間に電流を印加し、電子と正孔を注入することにより、発光層１０２の中で光が発生する。あるいは、励起手段を、基板上に配置した電極と、発光層１０２の前面あるいは背面に配置した電極とで構成するセル構造で形成してもよい。このような構成においては、セルに電流を流すことによってプラズマを発生し、紫外線を発生するガスが封入することで紫外線が発生し、蛍光体粒子に照射されることで、蛍光体粒子が励起される。構造体層である微細構造１０５は、図１及び図２に示した構成に制限されるものではなく、異なる構造パラメータを有する構造であってもよい。尚、本実施の形態に用いた三角格子構造は、構造の対称性がよく、微細構造に入射する光の方位角依存性が少ないため、発光素子１００からの発光強度の方位角依存性を低減することができる。また、構造体層である微細構造１０５は、非周期的な配列を有する格子点上に、媒質１から構成され回転楕円体形状を有する楕円球構造体を配置しても良い。非周期的な格子点配列された楕円球構造体を有する微細構造を通過した光は、輪帯状の配向パターンを有する為、発光素子１００からの発光強度の方位角依存性を低減することができる。また、微細構造１０５の楕円球構造体の配列は、三角格子状でなくてもよく、例えば、正方格子状や長方格子状であってもよい。発光層１０２は、本実施例で示した屈折率を有する媒質以外の媒質でもよい。本実施の形態においては、構造体層である微細構造１０５は、発光層１０２と前面板１０１との間に位置しているが、発光層１０２にて生じた光が微細構造１０５に入射する限りは、この配置に限定されない。例えば、微細構造１０５と前面板１０１との間に発光層１０２が位置する構成でもよい。また他の例では、構造体層である微細構造１０５を前面板１０１と外部領域の間に配置してもよい。いずれの配置においても、発光素子の光抽出効率を高めることができる。
【００２４】
図４に、本実施例の発光素子を前面板と平行な面内に複数配列した画像表示装置５００を示す。図４は画像表示装置５００のｘｚ断面図である。画像表示装置５００は、赤色、青色、緑色の各色を表示する画素５１０、５２０、５３０で構成されている。図４には、３つの画素５１０、５２０、５３０を示しており、このような画素を行列状に複数個配列することで、画像表示装置５００が構成されている。
【００２５】
画素５１０、５２０、５３０は、発光層５１２、５２２、５３２と微細構造５０５とで構成され、好ましい形態においては、更に励起手段５０６を有している。構造体層である微細構造５０５は、発光層５１２、５２２、５２３と前面板５０１との間に位置している。また各発光層５１２、５２２、５２３は、光吸収性を有する媒質で形成された隔壁５０３によって区切られている。また励起手段５０６は、前面板５０１、発光層５１２、５２２、５３２と対向して配置されている。前面板５０１は、可視光に対して透明な媒質で形成されており、例えば、ガラスで形成されている。各画素の発光層５１２、５２２、５３２には、赤色、緑色、青色の各波長の光を発生する蛍光体が含まれている。
【００２６】
構造体層である微細構造５０５は、媒質１からなり、長軸を回転軸として回転させた回転楕円体形状を有する楕円球構造体と、媒質１とは屈折率が異なり、媒質１の周囲に配置される媒質２により構成されている。つまり、第１の媒質である楕円球構造体の各々は、構造体層である微細構造５０５の面内方向において第２の媒質である媒質２に囲まれている。さらに、微細構造５０５はｘｙ平面内において周期的な屈折率分布を有し、第１の媒質である楕円球構造体の周期間隔である格子周期は、１．０μｍ以上３．０μｍ以下の長さを有している。各画素５１０、５２０、５３０には、同じ媒質および同じ構造を有する微細構造５０５が配置されている。
【００２７】
励起源５０６は、発光層５１２，５２２，５３２に電子を注入する手段を含む層である。例えば、励起源５０６は、基板上に電子放出素子と電極を配置し、発光層の表面に透明電極５０６を設けることで構成される。このような構成において、電子放出素子に電界を加えると、発光層に向けて電子が放出され、発光層に５１２，５２２，５３２に電子が供給され、発光する。発生した光は、微細構造５０５および前面板５０１を透過し、外部に抽出されることで、表示光となる。
【００２８】
本実施の形態の画像表示装置５００では、格子周期を１．０μｍ以上３．０μｍ以下とする。そして、微細構造５０５を構成する媒質１及び媒質２の屈折率、微細構造５０５に含まれる楕円球構造体の充填率及び形状を適切に設計することにより、各画素における光抽出効率を高めることが可能となる。各画素の光抽出効率を高めることにより、画像表示装置５００の表示光強度を高めることができ、高いコントラストを有する画像表示装置を得ることができる。
【００２９】
尚、本実施形態の画像表示装置５００においては、各画素５１０、５２０、５３０に同じ媒質および構造を有する微細構造５０５を用いても、各画素で表示輝度の変動が小さい画像表示装置を得ることが出来た。微細構造５０５のｘｙ平面内における屈折率分布の周期は１．０μｍ以上の長さを有しており、様々な方向から微細構造５０５に入射した光は多数の回折光に分配される。各回折光の強度は小さく、また入射光の波長の変動による強度の変動も小さくなる。そのため、微細構造５０５に入射する光の波長が変動しても、表示光の輝度の変動は小さく、各画素において表示光の輝度の差が小さい特性を得ることができる。このため、画素によって異なる構造を作製しなくてもよく、画像表示装置の作製が容易となる。
【００３０】
また、本実施の形態の画像表示装置５００においては、各画素毎に微細構造５０５を異なる構造としてもよい。あるいは、赤色、緑色あるいは青色に相当する画素５１０、５２０、５３０の、いずれか一つの画素に設ける微細構造と、他の画素に設ける微細構造とが異なる構成であってもよい。これによって、同じ構造を有する微細構造を各画素に配置した場合と比べて、正反射光、拡散反射光の抑制効果および表示光の増大効果をより向上させ、高いコントラストを有する画像表示装置を得ることができる。また、各画素に設ける微細構造は、互いにｙｚ断面における厚さが異なっていてもよい。あるいは、微細構造の格子周期の長さや楕円球構造体の形状を、画素ごとに異なる構造としてもよい。発光層５１２、５２２、５３２は、蛍光体粒子を、蛍光体粒子と同じ屈折率を有する媒質の中に分散させて配置することで構成してもよい。このような構成にすることで、蛍光体粒子とその周囲との境界で、屈折率の差によって発生する光の散乱を低減することができ、外光の反射を低減することができる。尚、本実施形態のように、発光層と前面板との間に微細構造を配置することで、外部領域から画像表示装置に入射する外光を、複数の光に分散して反射することができ、観察者の瞳に入射する外光反射光の強度を低減することができる。外光反射光の強度を低減し、さらに各画素の表示輝度を高めることにより、周囲が明るい環境下でも高いコントラストを有する画像表示装置を得ることができる。
【００３１】
尚、本実施形態の画像表示装置５００においては、構造体層である微細構造５０５を発光層５１２、５２２、５３２と前面板５０１との間に配置したが、発光層にて生じた光が微細構造５０５に入射する限り、上記配置に限定されない。
【実施例１】
【００３２】
以下、本発明における実施例について説明する。本実施例においては、図１に示す発光素子を作成した。
発光素子１００は、前面板１０１上に微小球を配列した後、配列した微小球を楕円球化する工程を実施して構造体層である微細構造１０５を形成し、その後発光体層１０２を積層形成することによって作製している。以下では、発光素子１００の作製手法を、図５を用いて説明する。尚、図５においては構造体層である微細構造１０５の作成工程を示しており、図５の（ａ）〜（ｅ）は、前面板および微細構造をｘｚ面内の断面図で示している。また、図５の（ｆ）は、図５の（ｃ）をｘｙ面内の上面図で示している。
【００３３】
（微小球配列工程）
図５の（ａ）に示すように、基板６０１上に粒子径が１．０μｍ〜３．０μｍの範囲のいずれかの値を有し、媒質１により構成された微小球６０２を配列する。本実施例において、粒子径は微小球の直径を示している。粒子径を調整することにより、隣接する楕円球構造体１０４同士の間隔を適切に設定することができる。微小球の配列方法は公知の方法を採用することができる。例えば、液体分散媒中に固体分散媒としての微小球６０２が分散した粒子分散液を、図示しない固着層を塗布した基板６０１上に塗布し、固着処理を施した後に、液体分散媒及び余分な微小球６０２を除去する方法を用いることができる。
【００３４】
微粒子を構成する媒質１は特に限定されないが、望ましくは発光層１０２にて生じる光に対して透明な媒質であることが好ましい。例えば、ＳｉＯ２やＴｉＯ２等の金属酸化物や、ＳｉＮなどの金属窒化物により構成される微粒子を用いることができる。
【００３５】
（楕円体化工程）
微小球を配列した後に、図５の（ｂ）に示すように、等方性エッチングにより微小球６０２を縮小させ、さらに媒質１とは異なる媒質による薄膜６０３を微小球６０２上に堆積させる。薄膜６０３を堆積させる手段としては、スパッタリング法や蒸着法等の公知の手段を用いることができる。微小球６０２を縮小させた後のサイズによって、楕円球構造体１０４の長径を制御することができる。
【００３６】
図５の（ｃ）に示すように、エッチング処理により薄膜６０３の一部を除去し、微小球６０１上にキャップ構造６１３を形成する。エッチング手法としては、微小球６０２の一部のみを露出できるエッチング手法であればよい。
【００３７】
次に、図５の（ｄ）に示すように、キャップ構造６１３をマスクにして、再度エッチング処理を施すことにより微小球６０２を楕円球化し、楕円体６１２を形成する。エッチング手法としては、図５の（ｆ）に示す上面図において、微小球６０２が露出する部分を加工できれば良く、例えば、異方性エッチングを用いることができる。キャップ構造６１３のサイズ及び、その後のエッチング条件を適切に制御することにより、楕円球構造体１０４の短径を制御することができる。これにより、第１の媒質を回転楕円体形状に加工した。尚、本実施例においては、図５の（ｃ）及び図５の（ｄ）を別の工程として記載した。しかしこれに限らず薄膜６０３の膜厚及び薄膜６０３を構成する媒質と微小球６０３のエッチングレート比を適切に設定し、等方性エッチングを用いることにより、図５の（ｃ）及び図５の（ｄ）を一工程にまとめて実施することもできる。
【００３８】
微小球６０２を楕円体化した後に、楕円体６１２の周囲を媒質１とは屈折率が異なる媒質２により充填し、層６０４を形成する。層６０４の形成には、スピンコーティング法、バーコート法、スパッタリング法などの公知の方法を用いることができる。層６０４を構成する媒質２は、媒質１とは屈折率が異なる限りは、特に限定されず、望ましくは発光層１０２にて生じる光に対して透明な媒質であることが望ましい。例えば、ＳｉＯ２やＴｉＯ２等の酸化物、ＳｉＮ等の窒化物や、スピンオングラス材料等を用いることができる。
その後、発光層を形成することにより発光素子１００を形成した。
【００３９】
本実施例では、微小球を配列させた後に、楕円体化工程により楕円球構造体を形成している。微小球配列工程を用いることにより、低コストに大面積に渡って均一な微小球配列を得ている。さらに、楕円体化工程により、高い光抽出効率を有する発光素子を作製している。以上から、本実施例の作製手法においては、高い光抽出効率を有し、かつ大面積の発光素子を作製している。
【００４０】
構造体層である微細構造１０５の全回折光強度に含まれる高次回折光強度の割合は、楕円球構造体のｘｙ面内断面積が最も大きくなる断面において、媒質１が占める領域の充填率が０．５にて最大となる。本実施例の作製手法も合わせて考慮すると、高い光抽出効率を有する発光素子を得るためには、楕円率（長径を短径で除した値）を１．４３よりも小さい値に設計することが望ましい。
【実施例２】
【００４１】
本実施例においては、発光素子１００の構造体層である微細構造１０５を、大面積を一括に、かつ低コストで作製する。尚、本実施例においても、発光素子１００は、微小球配列工程を実施した後に、配列した微小球を楕円体化する工程を実施し、その後発光体層１０２を積層形成することにより、図１及び図２に記載の発光素子１００を作製している。
【００４２】
以下では、発光素子１００の作製手法を、図６を用いて説明する。尚、図６においては構造体層である微細構造１０５の作成工程を示しており、図６の（ａ）〜（ｄ）は、前面板および微細構造をｘｚ面内の断面図で示している。
【００４３】
（微小球配列工程）
図６の（ａ）に示すように、基板７０１上に、媒質１からなる微小球７０２を配列する。微小球の配列方法として、実施例１に記載の方法と同様の方法を用いることができる。
【００４４】
（楕円球化工程）
微小球を配列した後に、等方性エッチングにより微小球７０２を縮小させ、図６の（ｂ）に示すように、図示しない固着層を塗布した基板７０３を微小球７０２に接着する。
【００４５】
次に、図６の（ｃ）に示す引き出し工程にて、基板７０３を基板７０１との間隔を大きくする方向に引き、微小球７０２を楕円体形状に変形させ、その後基板７０３を除去することにより微小球７０２を楕円体化する。微小球７０２を楕円体化した後、微小球７０２の周囲を媒質１とは屈折率が異なる媒質２により充填し、領域７０４を形成する。領域７０４を構成する媒質２は、媒質１とは屈折率が異なる限りは、特に限定されず、望ましくは発光層１０２にて生じる光に対して透明な媒質であることが望ましい。例えば、ＳｉＯ２はＴｉＯ２等の金属酸化物、ＳｉＮ等の金属窒化物や、スピンオングラス材料等を用いることができる。引き出し工程による微小球の収縮率を考慮し、微小球７０２のサイズを適切に制御することで、楕円球構造体１０４の短径を制御することができる。
この後、基板上に発光層を形成することにより発光素子１００を形成する。
【００４６】
本実施例では、微小球を配列させた後に、楕円体化工程により楕円球構造体を形成している。微小球配列工程を用いることにより、低コストで大面積に渡って均一な微小球配列を実現している。さらに、楕円体化工程により、高い光抽出効率を有する発光素子を作製している。本実施例の楕円体化工程を用いることにより、高い楕円率を有する楕円球構造体を形成することができる。そして楕円率の高い楕円球構造体を用いることにより、微細構造７０５を通過した光の位相変化を急峻にすることができ、より高い光抽出効率を有する発光素子を構成可能となる。
【００４７】
以上から、本実施例の作製手法においては、高い光抽出効率を有し、かつ大面積の発光素子を低コストに作製している。
【符号の説明】
【００４８】
１００ 発光素子
１０１ 前面板
１０２ 発光層
１０５ 微細構造
１１０、１１１、１１２ 発光層にて生じた光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子、及びそれを用いた画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光素子には、発光層にて生成された光が、外部へ抽出される効率（光抽出効率）を高くすること、そして、大面積の発光素子を低コストに作製することが求められる。
【０００３】
発光素子において、光抽出効率を高める為には、発光層にて生成された光が、外部に抽出される間の損失を低減することが重要である。例えば基板（前面板）上に発光層を設けた発光素子においては、損失の一つとして、発光層と前面板の界面等における全反射損失がある。高屈折率媒質（例えば、発光層や前面板）から低屈折率媒質（例えば、外部領域）に向けて光が伝播すると、臨界角よりも大きな角度で伝搬する光は全反射され、高屈折率媒質に閉じ込められる。このような光は、低屈折率媒質中に抽出されないため、光抽出効率が低減する。
【０００４】
全反射損失を低減し、光抽出効率を増大させるため、屈折率が異なる媒質で形成された層と層の間（例えば、発光層と前面板の間）に、微細構造を設けることが知られている。発光層の内部で発生した光を微細構造により回折させることで、臨界角度以上の角度で伝播する光を低減させ、臨界角以内の角度で伝搬する光を増大させることにより、光抽出効率を高めている。
【０００５】
特許文献１では、図７に示す構成を有する発光部８００を複数配列した画像表示装置が提案されている。図７に示す発光部８００は、一対の電極８０５及び８０３、発光層８０４、発光層より高い屈折率を有する媒質により構成された高屈折率層８０２、及び前面板８０６を有している。さらに前面板８０６と高屈折率層８０２の間に微細構造８０１が配置されている。微細構造８０１は、前面板と平行な面内に、微小球を配列した構造である。微細構造８０１は、発光層８０４の内部で生じた光８０９を回折させることにより、臨界角度以内の光８１０を増大させ、微細構造を配置しない時に比べて高い光抽出効率を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２３００６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら従来の構成では、光抽出効率の更なる向上が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明は、発光層と、複数の第１の媒質と該第１の媒質とは屈折率が異なる第２の媒質とを備え前記発光層と対向して配置され該発光層で生じた光を透光する構造体層とを有する発光素子であって、
前記構造体層は、該構造体層の面内方向において各々が前記第２の媒質に囲まれた複数の前記第１の媒質を有し、前記第１の媒質の形状が、前記発光層と対向する面と垂直な方向に長軸を有し、該長軸を回転軸として回転させた回転楕円体形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の発光素子によれば、高い光抽出効率を有する発光素子得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態の発光素子を示す断面図
【図２】実施の形態の構造体層の一部を示す図
【図３】実施の形態の発光素子の光放出効率と楕円率の関係を示す図
【図４】実施の形態の発光素子を複数備えた画像表示装置の部分断面図
【図５】実施の形態の発光素子の製造工程を示す図
【図６】実施例２の発光素子の製造工程を示す図
【図７】従来の発光素子の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本実施の形態の発光素子１００の概略を示している。発光素子１００は、発光層１０２と構造体層である微細構造１０５とからなり、好ましい形態においては、更に前面板１０１と図示しない励起手段を有する。図１に示す形態において微細構造１０５は、前面板１０１と発光層１０２との間に、発光層１０２と対向して配置されている。発光層１０２は、例えば、蛍光体材料を含む膜で構成され、可視波長域である波長３５０〜８００ｎｍのいずれかの波長を含む光を発生する。構造体層である微細構造１０５は、発光層１０２で生じた光を透光する構造体であり、異なる屈折率を有する２種類以上の媒質から構成され、構造体層の面内方向であるｘｙ面内方向に屈折率分布を有する。構造体層である微細構造１０５の一例を、図２に示す。図２の（ａ）、（ｂ）は、微細構造１０５のｘｙ断面およびｘｚ断面を示す図である。微細構造１０５は、第１の媒質である媒質１で構成された楕円体形状の楕円球構造体１０４と、媒質１とは異なる屈折率を有し、媒質１の周囲を囲むように配置される第２の媒質である媒質２により構成された領域１０３とを備えている。そして、第１の媒質である媒質１で構成された楕円体形状の楕円球構造体１０４は、発光層１０２と対向する面と垂直な方向であるＺ方向に長軸を有するように配置されている。また、媒質１で構成された楕円球構造体１０４は、ｘｙ面内にて、三角格子の格子点上に重心が位置するように配置されている。図２（ａ）に記載のベクトルａ１及びａ２は三角格子の基本ベクトルを表しており、ａ１＝（０．５ａ，√３ａ／２，０）、ａ２＝（０．５ａ，−√３ａ／２，０）のベクトルである。三角格子は基本ベクトルａ１及びａ２の和及び差によって表される位置に格子点を有する。ここで、格子周期１０６の長さをａと表した。
【００１２】
図１の発光層１０２に、図示しない励起手段により電子が供給されることで、発光層１０２にて光が発生する。励起手段は、例えば、基板上に電子放出素子と電極を配置し、発光層１０２の表面に電極を設けることで構成される。発生した光は、微細構造１０５及び前面板１０１を通過し、外部に抽出されることで＋ｚ方向に伝播する。本発明においては、発光層にて発生した光が射出する方向を光射出側と定義する。
【００１３】
外部領域への光抽出効率を高めるためには、発光層１０２にて生じた光１１０を微細構造１０５により回折させ、臨界角度以内で伝播する光１１１を増大させ、臨界角度以上で伝播する光１１２を低減させることが必要となる。
【００１４】
本実施の形態における発光素子１００が、高い光抽出効率を得ることができる理由を次に述べる。
図１に示す発光層１０２にて生じた光１１０が微細構造１０５に入射すると、複数の回折光が生じる。この回折光の中で、０次の次数を有する回折光が、前面板と外部領域界面の臨界角度よりも大きい角度を有する時、０次の回折光は、前面板と外界の界面にて全反射され、損失となる。一方、構造体層である微細構造１０５にて回折された光のうち、０次以外の次数を有し、臨界角度以内の角度を有する回折光は、全反射されることなく外部へ抽出される。その為、外部への光抽出効率を高くするためには、微細構造１０５の０次以外の高次回折光強度を高くすることが望ましい。
【００１５】
微細構造１０５に光を入射すると、楕円構造体１０４内を伝播した光と、領域１０３内を伝播した光との間で位相差が生じる。微細構造１０５により生じる回折光は、この位相差により発生し、その位相の変化が急峻なほど、高次の回折光強度が強くなる。そして、微細構造を構成する媒質１が、長軸を回転軸として回転させた回転楕円体形状を有する楕円球構造体で、その楕円率が大きいほど、急峻な構造変化を有しているために、位相変化も急峻となる。ここで楕円率とは、回転楕円体形状を有する楕円球構造体の長軸の長さを短軸の長さで除した値であり、換言するとｚ軸方向の直径（図２（ｂ）符号１０８）を、ｘ軸方向の直径（図２（ｂ）符号１０７）で除した値である。我々の鋭意検討の結果、楕円率が大きくなるにつれ、高次回折光強度の割合が高くなることが判明した。本実施の形態の発光素子において、微細構造１０５に含まれる楕円球構造体の楕円率を大きくすることにより、外部への光抽出効率を高くすることができる。
【００１６】
また、より高い光抽出効率を得るためには、微細構造１０５が、２次以上の高次回折光を有することが望ましい。２次以上の高次回折光は大きい回折角度を有するため、光１１０が大きい角度で微細構造１０５に入射する場合にも、臨界角度以内の角度で伝播する光に回折させることができる。
【００１７】
微細構造に光が入射した時には、以下の式１を満たす回折次数の光が発生する。
【００１８】
【数１】
【００１９】
式１において、λは入射光の波長、Ｎｉｎは入射側媒質の屈折率、Ｎｏｕｔは反射回折光または透過回折光が伝播する領域の屈折率を表している。θｉｎは入射光の入射方向とｚ軸とが成す角度、Λは構造体層である微細構造の、回転楕円体形状を有する媒質１からなる楕円球構造体の周期間隔、ｍは回折次数である。Λを１．０μｍ以上にすることで、可視域において高次の回折光が発生しにくい波長７００ｎｍにおいても、２次以上の回折光を発生させることができ、外部への光抽出効率を高くすることができる。発光層から微細構造１０５へ入射する光の入射角度が、前面板と外部領域界面の臨界角度よりも大きい時、０次の透過回折光は前面板と外部領域の界面で全反射される。外部への光抽出効率を高めるためには、０次の透過回折光よりも小さい角度で伝播する透過回折光を増大させ、逆に大きい角度で伝播する透過回折光を減少させる必要がある。Λを大きくすることにより、０次の透過回折光よりも大きい角度で伝播する透過回折次数が多く発生するようになり、前面板と外部領域界面の全反射損失が増大し、外部への光抽出効率が低下する。望ましくはΛを３．０μｍ以下にすることで、全反射損失を低くすることができ、外部への光抽出効率を高く保つことができる。すなわち、本発明の発光素子において、微細構造１０５の回転楕円体形状を有する媒質１からなる楕円球構造体の周期間隔である格子定数を、１μｍ以上且つ３μｍ以下にすることにより、２次以上の高次回折光を発生させ、且つ全反射損失を低減させることができ、外部への光抽出効率をより高くすることができる。
【００２０】
次に、本実施の形態における発光素子１００に含まれる微細構造１０５の一例を示す。図２に示す、構造体層である微細構造１０５においては、楕円球構造体１０４は、ｚ軸と平行な面内にてｚ軸方向に長軸を有する楕円形の断面形状を有し、さらにｘ軸及びｙ軸と平行な面内にて円形の断面形状を有する。つまり楕円球構造体１０４は、長軸を回転軸として回転させた回転楕円体形状を有している。そして媒質１で構成される楕円球構造体１０４の屈折率は２．２、周囲の領域１０３を構成する媒質２の屈折率は１．４６、前面板１０１の屈折率は１．４６、発光層１０２の屈折率は１．５である。また楕円球構造体１０４は、２．３μｍの長さの格子周期１０６を有する三角格子の格子点上に重心が位置するように配列されている。そして、構造体層である微細構造１０５は発光層１０２に対向して配置されている。また発光層１０２の背面には図示しない励起手段が配置され、その背面の領域は真空となっている。
【００２１】
図３は、このような構造体層である微細構造１０５を用いた発光素子１００の、光抽出効率を示している。図３において、縦軸は、本実施の形態の楕円球構造体を有する微細構造体１０５を備える発光素子の光抽出効率を、球体（つまり楕円率＝１）を有する微細構造体を備える発光素子の光抽出効率で規格化した光抽出効率を示している。また横軸は、微細構造体１０５の楕円球構造体の楕円率を示している。
【００２２】
図３に示すように、微細構造１０５の楕円率が１よりも大きくなるよう、適切に設計することにより、発光素子１００の光抽出効率を高めることができる。そして光効率向上において、楕円率は１．２以上が好ましい。さらに、微細構造１０５の回転楕円体形状を有する媒質１からなる楕円球構造体の周期間隔である格子周期を１．０μｍ以上３．０μｍ以下とすることにより、発光素子１００の光抽出効率をより高めることができる。
【００２３】
本発明に含まれる微細構造１０５を構成する媒質１と媒質２は、楕円球構造体１０４を伝播する光と領域１０３を伝播する光が、位相差を有する限りは、本実施形態で示した媒質とは異なる媒質であっても、本発明の効果は失われない。望ましくは、媒質１と媒質２の屈折率差を大きくすることにより、より急峻な位相変化を得ることができ、外部に抽出される光を増大させることができる。また本実施の形態における前面板１０１は、発光層１０２及び構造体層である微細構造１０５を保護することができ、且つ発光層にて生じた光を透光するものであれば良く、例えば、プラスチックで形成してもよい。また、励起手段は、基板上に電子放出素子と電極を配置し、発光層１０２の表面に電極を配置することで構成してもよい。このような構成においては、電子放出素子に電界を加えると、発光層に向けて電子が放出され、発光層１０２に電子が供給され、発光層１０２の中で光が発生する。あるいは、励起手段を、発光層１０２と前面板１０１の間及び発光層１０２と裏面の間に陽極と陰極を配置して構成してもよい。このような構成においては、両電極間に電流を印加し、電子と正孔を注入することにより、発光層１０２の中で光が発生する。あるいは、励起手段を、基板上に配置した電極と、発光層１０２の前面あるいは背面に配置した電極とで構成するセル構造で形成してもよい。このような構成においては、セルに電流を流すことによってプラズマを発生し、紫外線を発生するガスが封入することで紫外線が発生し、蛍光体粒子に照射されることで、蛍光体粒子が励起される。構造体層である微細構造１０５は、図１及び図２に示した構成に制限されるものではなく、異なる構造パラメータを有する構造であってもよい。尚、本実施の形態に用いた三角格子構造は、構造の対称性がよく、微細構造に入射する光の方位角依存性が少ないため、発光素子１００からの発光強度の方位角依存性を低減することができる。また、構造体層である微細構造１０５は、非周期的な配列を有する格子点上に、媒質１から構成され回転楕円体形状を有する楕円球構造体を配置しても良い。非周期的な格子点配列された楕円球構造体を有する微細構造を通過した光は、輪帯状の配向パターンを有する為、発光素子１００からの発光強度の方位角依存性を低減することができる。また、微細構造１０５の楕円球構造体の配列は、三角格子状でなくてもよく、例えば、正方格子状や長方格子状であってもよい。発光層１０２は、本実施例で示した屈折率を有する媒質以外の媒質でもよい。本実施の形態においては、構造体層である微細構造１０５は、発光層１０２と前面板１０１との間に位置しているが、発光層１０２にて生じた光が微細構造１０５に入射する限りは、この配置に限定されない。例えば、微細構造１０５と前面板１０１との間に発光層１０２が位置する構成でもよい。また他の例では、構造体層である微細構造１０５を前面板１０１と外部領域の間に配置してもよい。いずれの配置においても、発光素子の光抽出効率を高めることができる。
【００２４】
図４に、本実施例の発光素子を前面板と平行な面内に複数配列した画像表示装置５００を示す。図４は画像表示装置５００のｘｚ断面図である。画像表示装置５００は、赤色、青色、緑色の各色を表示する画素５１０、５２０、５３０で構成されている。図４には、３つの画素５１０、５２０、５３０を示しており、このような画素を行列状に複数個配列することで、画像表示装置５００が構成されている。
【００２５】
画素５１０、５２０、５３０は、発光層５１２、５２２、５３２と微細構造５０５とで構成され、好ましい形態においては、更に励起手段５０６を有している。構造体層である微細構造５０５は、発光層５１２、５２２、５２３と前面板５０１との間に位置している。また各発光層５１２、５２２、５２３は、光吸収性を有する媒質で形成された隔壁５０３によって区切られている。また励起手段５０６は、前面板５０１、発光層５１２、５２２、５３２と対向して配置されている。前面板５０１は、可視光に対して透明な媒質で形成されており、例えば、ガラスで形成されている。各画素の発光層５１２、５２２、５３２には、赤色、緑色、青色の各波長の光を発生する蛍光体が含まれている。
【００２６】
構造体層である微細構造５０５は、媒質１からなり、長軸を回転軸として回転させた回転楕円体形状を有する楕円球構造体と、媒質１とは屈折率が異なり、媒質１の周囲に配置される媒質２により構成されている。つまり、第１の媒質である楕円球構造体の各々は、構造体層である微細構造５０５の面内方向において第２の媒質である媒質２に囲まれている。さらに、微細構造５０５はｘｙ平面内において周期的な屈折率分布を有し、第１の媒質である楕円球構造体の周期間隔である格子周期は、１．０μｍ以上３．０μｍ以下の長さを有している。各画素５１０、５２０、５３０には、同じ媒質および同じ構造を有する微細構造５０５が配置されている。
【００２７】
励起源５０６は、発光層５１２，５２２，５３２に電子を注入する手段を含む層である。例えば、励起源５０６は、基板上に電子放出素子と電極を配置し、発光層の表面に透明電極５０６を設けることで構成される。このような構成において、電子放出素子に電界を加えると、発光層に向けて電子が放出され、発光層に５１２，５２２，５３２に電子が供給され、発光する。発生した光は、微細構造５０５および前面板５０１を透過し、外部に抽出されることで、表示光となる。
【００２８】
本実施の形態の画像表示装置５００では、格子周期を１．０μｍ以上３．０μｍ以下とする。そして、微細構造５０５を構成する媒質１及び媒質２の屈折率、微細構造５０５に含まれる楕円球構造体の充填率及び形状を適切に設計することにより、各画素における光抽出効率を高めることが可能となる。各画素の光抽出効率を高めることにより、画像表示装置５００の表示光強度を高めることができ、高いコントラストを有する画像表示装置を得ることができる。
【００２９】
尚、本実施形態の画像表示装置５００においては、各画素５１０、５２０、５３０に同じ媒質および構造を有する微細構造５０５を用いても、各画素で表示輝度の変動が小さい画像表示装置を得ることが出来た。微細構造５０５のｘｙ平面内における屈折率分布の周期は１．０μｍ以上の長さを有しており、様々な方向から微細構造５０５に入射した光は多数の回折光に分配される。各回折光の強度は小さく、また入射光の波長の変動による強度の変動も小さくなる。そのため、微細構造５０５に入射する光の波長が変動しても、表示光の輝度の変動は小さく、各画素において表示光の輝度の差が小さい特性を得ることができる。このため、画素によって異なる構造を作製しなくてもよく、画像表示装置の作製が容易となる。
【００３０】
また、本実施の形態の画像表示装置５００においては、各画素毎に微細構造５０５を異なる構造としてもよい。あるいは、赤色、緑色あるいは青色に相当する画素５１０、５２０、５３０の、いずれか一つの画素に設ける微細構造と、他の画素に設ける微細構造とが異なる構成であってもよい。これによって、同じ構造を有する微細構造を各画素に配置した場合と比べて、正反射光、拡散反射光の抑制効果および表示光の増大効果をより向上させ、高いコントラストを有する画像表示装置を得ることができる。また、各画素に設ける微細構造は、互いにｙｚ断面における厚さが異なっていてもよい。あるいは、微細構造の格子周期の長さや楕円球構造体の形状を、画素ごとに異なる構造としてもよい。発光層５１２、５２２、５３２は、蛍光体粒子を、蛍光体粒子と同じ屈折率を有する媒質の中に分散させて配置することで構成してもよい。このような構成にすることで、蛍光体粒子とその周囲との境界で、屈折率の差によって発生する光の散乱を低減することができ、外光の反射を低減することができる。尚、本実施形態のように、発光層と前面板との間に微細構造を配置することで、外部領域から画像表示装置に入射する外光を、複数の光に分散して反射することができ、観察者の瞳に入射する外光反射光の強度を低減することができる。外光反射光の強度を低減し、さらに各画素の表示輝度を高めることにより、周囲が明るい環境下でも高いコントラストを有する画像表示装置を得ることができる。
【００３１】
尚、本実施形態の画像表示装置５００においては、構造体層である微細構造５０５を発光層５１２、５２２、５３２と前面板５０１との間に配置したが、発光層にて生じた光が微細構造５０５に入射する限り、上記配置に限定されない。
【実施例１】
【００３２】
以下、本発明における実施例について説明する。本実施例においては、図１に示す発光素子を作成した。
発光素子１００は、前面板１０１上に微小球を配列した後、配列した微小球を楕円球化する工程を実施して構造体層である微細構造１０５を形成し、その後発光体層１０２を積層形成することによって作製している。以下では、発光素子１００の作製手法を、図５を用いて説明する。尚、図５においては構造体層である微細構造１０５の作成工程を示しており、図５の（ａ）〜（ｅ）は、前面板および微細構造をｘｚ面内の断面図で示している。また、図５の（ｆ）は、図５の（ｃ）をｘｙ面内の上面図で示している。
【００３３】
（微小球配列工程）
図５の（ａ）に示すように、基板６０１上に粒子径が１．０μｍ〜３．０μｍの範囲のいずれかの値を有し、媒質１により構成された微小球６０２を配列する。本実施例において、粒子径は微小球の直径を示している。粒子径を調整することにより、隣接する楕円球構造体１０４同士の間隔を適切に設定することができる。微小球の配列方法は公知の方法を採用することができる。例えば、液体分散媒中に固体分散媒としての微小球６０２が分散した粒子分散液を、図示しない固着層を塗布した基板６０１上に塗布し、固着処理を施した後に、液体分散媒及び余分な微小球６０２を除去する方法を用いることができる。
【００３４】
微粒子を構成する媒質１は特に限定されないが、望ましくは発光層１０２にて生じる光に対して透明な媒質であることが好ましい。例えば、ＳｉＯ２やＴｉＯ２等の金属酸化物や、ＳｉＮなどの金属窒化物により構成される微粒子を用いることができる。
【００３５】
（楕円体化工程）
微小球を配列した後に、図５の（ｂ）に示すように、等方性エッチングにより微小球６０２を縮小させ、さらに媒質１とは異なる媒質による薄膜６０３を微小球６０２上に堆積させる。薄膜６０３を堆積させる手段としては、スパッタリング法や蒸着法等の公知の手段を用いることができる。微小球６０２を縮小させた後のサイズによって、楕円球構造体１０４の長径を制御することができる。
【００３６】
図５の（ｃ）に示すように、エッチング処理により薄膜６０３の一部を除去し、微小球６０１上にキャップ構造６１３を形成する。エッチング手法としては、微小球６０２の一部のみを露出できるエッチング手法であればよい。
【００３７】
次に、図５の（ｄ）に示すように、キャップ構造６１３をマスクにして、再度エッチング処理を施すことにより微小球６０２を楕円球化し、楕円体６１２を形成する。エッチング手法としては、図５の（ｆ）に示す上面図において、微小球６０２が露出する部分を加工できれば良く、例えば、異方性エッチングを用いることができる。キャップ構造６１３のサイズ及び、その後のエッチング条件を適切に制御することにより、楕円球構造体１０４の短径を制御することができる。これにより、第１の媒質を回転楕円体形状に加工した。尚、本実施例においては、図５の（ｃ）及び図５の（ｄ）を別の工程として記載した。しかしこれに限らず薄膜６０３の膜厚及び薄膜６０３を構成する媒質と微小球６０３のエッチングレート比を適切に設定し、等方性エッチングを用いることにより、図５の（ｃ）及び図５の（ｄ）を一工程にまとめて実施することもできる。
【００３８】
微小球６０２を楕円体化した後に、楕円体６１２の周囲を媒質１とは屈折率が異なる媒質２により充填し、層６０４を形成する。層６０４の形成には、スピンコーティング法、バーコート法、スパッタリング法などの公知の方法を用いることができる。層６０４を構成する媒質２は、媒質１とは屈折率が異なる限りは、特に限定されず、望ましくは発光層１０２にて生じる光に対して透明な媒質であることが望ましい。例えば、ＳｉＯ２やＴｉＯ２等の酸化物、ＳｉＮ等の窒化物や、スピンオングラス材料等を用いることができる。
その後、発光層を形成することにより発光素子１００を形成した。
【００３９】
本実施例では、微小球を配列させた後に、楕円体化工程により楕円球構造体を形成している。微小球配列工程を用いることにより、低コストに大面積に渡って均一な微小球配列を得ている。さらに、楕円体化工程により、高い光抽出効率を有する発光素子を作製している。以上から、本実施例の作製手法においては、高い光抽出効率を有し、かつ大面積の発光素子を作製している。
【００４０】
構造体層である微細構造１０５の全回折光強度に含まれる高次回折光強度の割合は、楕円球構造体のｘｙ面内断面積が最も大きくなる断面において、媒質１が占める領域の充填率が０．５にて最大となる。本実施例の作製手法も合わせて考慮すると、高い光抽出効率を有する発光素子を得るためには、楕円率（長径を短径で除した値）を１．４３よりも小さい値に設計することが望ましい。
【実施例２】
【００４１】
本実施例においては、発光素子１００の構造体層である微細構造１０５を、大面積を一括に、かつ低コストで作製する。尚、本実施例においても、発光素子１００は、微小球配列工程を実施した後に、配列した微小球を楕円体化する工程を実施し、その後発光体層１０２を積層形成することにより、図１及び図２に記載の発光素子１００を作製している。
【００４２】
以下では、発光素子１００の作製手法を、図６を用いて説明する。尚、図６においては構造体層である微細構造１０５の作成工程を示しており、図６の（ａ）〜（ｄ）は、前面板および微細構造をｘｚ面内の断面図で示している。
【００４３】
（微小球配列工程）
図６の（ａ）に示すように、基板７０１上に、媒質１からなる微小球７０２を配列する。微小球の配列方法として、実施例１に記載の方法と同様の方法を用いることができる。
【００４４】
（楕円球化工程）
微小球を配列した後に、等方性エッチングにより微小球７０２を縮小させ、図６の（ｂ）に示すように、図示しない固着層を塗布した基板７０３を微小球７０２に接着する。
【００４５】
次に、図６の（ｃ）に示す引き出し工程にて、基板７０３を基板７０１との間隔を大きくする方向に引き、微小球７０２を楕円体形状に変形させ、その後基板７０３を除去することにより微小球７０２を楕円体化する。微小球７０２を楕円体化した後、微小球７０２の周囲を媒質１とは屈折率が異なる媒質２により充填し、領域７０４を形成する。領域７０４を構成する媒質２は、媒質１とは屈折率が異なる限りは、特に限定されず、望ましくは発光層１０２にて生じる光に対して透明な媒質であることが望ましい。例えば、ＳｉＯ２はＴｉＯ２等の金属酸化物、ＳｉＮ等の金属窒化物や、スピンオングラス材料等を用いることができる。引き出し工程による微小球の収縮率を考慮し、微小球７０２のサイズを適切に制御することで、楕円球構造体１０４の短径を制御することができる。
この後、基板上に発光層を形成することにより発光素子１００を形成する。
【００４６】
本実施例では、微小球を配列させた後に、楕円体化工程により楕円球構造体を形成している。微小球配列工程を用いることにより、低コストで大面積に渡って均一な微小球配列を実現している。さらに、楕円体化工程により、高い光抽出効率を有する発光素子を作製している。本実施例の楕円体化工程を用いることにより、高い楕円率を有する楕円球構造体を形成することができる。そして楕円率の高い楕円球構造体を用いることにより、微細構造７０５を通過した光の位相変化を急峻にすることができ、より高い光抽出効率を有する発光素子を構成可能となる。
【００４７】
以上から、本実施例の作製手法においては、高い光抽出効率を有し、かつ大面積の発光素子を低コストに作製している。
【符号の説明】
【００４８】
１００ 発光素子
１０１ 前面板
１０２ 発光層
１０５ 微細構造
１１０、１１１、１１２ 発光層にて生じた光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層と、複数の第１の媒質と該第１の媒質とは屈折率が異なる第２の媒質とを備え前記発光層と対向して配置され該発光層で生じた光を透光する構造体層とを有する発光素子であって、
前記構造体層は、該構造体層の面内方向において各々が前記第２の媒質に囲まれた複数の前記第１の媒質を有し、前記第１の媒質の形状が、前記発光層と対向する面と垂直な方向に長軸を有し、該長軸を回転軸として回転させた回転楕円体形状であることを特徴とする発光素子
【請求項２】
前記複数の第１の媒質は、前記面内において三角格子状に配列されており、前記三角格子の格子定数が１μｍ以上且つ３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子
【請求項３】
前記複数の第１の媒質の各々は、前記三角格子の格子点上に重心が位置するように配列されていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記複数の第１の媒質の各々は、前記面内において非周期的に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子
【請求項５】
前記回転楕円体形状の楕円率が１．４３よりも小さいことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の発光素子
【請求項６】
前記発光層で生じた光を透光する前面板を更に備え、前記構造体層は、前記発光層と前記前面板との間に位置していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の発光素子。
【請求項７】
行列状に配列された複数の発光素子を備える画像表示装置であって、前記発光素子が請求項１〜６のいずれかに記載の発光素子であることを特徴とする画像表示装置
【請求項１】
発光層と、複数の第１の媒質と該第１の媒質とは屈折率が異なる第２の媒質とを備え前記発光層と対向して配置され該発光層で生じた光を透光する構造体層とを有する発光素子であって、
前記構造体層は、該構造体層の面内方向において各々が前記第２の媒質に囲まれた複数の前記第１の媒質を有し、前記第１の媒質の形状が、前記発光層と対向する面と垂直な方向に長軸を有し、該長軸を回転軸として回転させた回転楕円体形状であることを特徴とする発光素子
【請求項２】
前記複数の第１の媒質は、前記面内において三角格子状に配列されており、前記三角格子の格子定数が１μｍ以上且つ３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子
【請求項３】
前記複数の第１の媒質の各々は、前記三角格子の格子点上に重心が位置するように配列されていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記複数の第１の媒質の各々は、前記面内において非周期的に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子
【請求項５】
前記回転楕円体形状の楕円率が１．４３よりも小さいことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の発光素子
【請求項６】
前記発光層で生じた光を透光する前面板を更に備え、前記構造体層は、前記発光層と前記前面板との間に位置していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の発光素子。
【請求項７】
行列状に配列された複数の発光素子を備える画像表示装置であって、前記発光素子が請求項１〜６のいずれかに記載の発光素子であることを特徴とする画像表示装置
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−６９２７７（Ｐ２０１２−６９２７７Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１０９０４（Ｐ２０１０−２１０９０４）
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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