発光素子
【課題】 発光素子において、高い光取り出し効率を有する発光素子を得る。
【解決手段】 基板上に、微細構造を介して配置された発光層を有する発光素子であって、
微細構造は、第一微細構造と第二微細構造との積層体を備え、第一、第二微細構造は、それぞれ主要部材中に主要部材とは屈折率が異なる部材が基板の面と平行な方向に周期的に配列されており、第一微細構造と第二微細構造とは屈折率が異なる部材の配列周期が異なる。
【解決手段】 基板上に、微細構造を介して配置された発光層を有する発光素子であって、
微細構造は、第一微細構造と第二微細構造との積層体を備え、第一、第二微細構造は、それぞれ主要部材中に主要部材とは屈折率が異なる部材が基板の面と平行な方向に周期的に配列されており、第一微細構造と第二微細構造とは屈折率が異なる部材の配列周期が異なる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い光取り出し効率を有する発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、様々な構成の発光素子が知られている。その一例として、図６に断面図を示す構成のものが知られている。図６に示す発光素子１０００は、前面板１００１と発光層１００２と、発光層を励起するための励起源の一部である透明電極１００３を備えている。前面板１００１は、可視光に対して透明な媒質で形成され、例えばガラスやプラスチックなどで形成される。励起源は、例えば、前面板１００１と対向して配置された電子放出素子１００５と、前面板１００１に設けられた透明電極１００３とで構成される。このような構成において、電子放出素子１００５に電界を加えることで放出された電子が、前面板に配置された透明電極１００３によって加速された後、発光層に入射することで光が生成される。発光層で生成された光は、前面板１００１を透過し、外部に抽出されることで、出力光１００４となる。発光層で生成された光のうち、外部に抽出され、出力光１００４となる光の割合を光取り出し効率と呼ぶ。
【０００３】
発光素子１０００において、光取り出し効率が低下する要因の一つとして、前面板１００１と励起源の透明電極１００３との界面、あるいは発光層１００２と励起源の透明電極１００３との界面における全反射損失がある。高屈折率媒質から低屈折率媒質に向けて光が伝搬すると、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ず、高屈折率媒質中を伝搬し、損失となる。
【０００４】
全反射損失を低減し、光取り出し効率を向上させるため、例えば、特許文献１では、図７に示すように、屈折率が異なる媒質で形成された部材間に、微細構造を設けることが開示されている。図７に示す発光素子１１００は、前面板１１０１、発光層１１０２、透明電極１１０３、電極層１１０４とを有し、前面板１１０１と透明電極１１０３との間に微細構造１１０５が設けられている。微細構造１１０５は、屈折率が異なる複数の媒質で構成され、光の波長程度の周期の屈折率分布を有している。これによって、発光層１１０２の内部で発生した光のうち、臨界角以上の角度で伝播する光を回折によって、臨界角以内の角度で伝搬する光に変換することで、外部に抽出される光１１０６を増大させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２８３７５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし特許文献１に記載されている手法では、光取り出し効率の向上に改善が求められている。図７において、発光層から入射し、微細構造１１０５を透過した光の一部は透過回折光となり、残りの光は０次透過光となる。微細構造１１０５に対して入射角度が小さい光が入射すると、一部の光は回折によって、臨界角よりも大きな角度で伝播する回折光１１０７となり、界面で全反射され、損失となる。また、微細構造１１０５に対して入射角度が大きい光が入射すると、回折されない光、すなわち０次透過光１１０８は、前面板と外部との界面における臨界角よりも大きな角度で伝播する光となり、界面で全反射され、前面板内部に閉じ込められ、損失となる。つまり、従来の手法において、微細構造１１０５の回折効率を向上させると、回折光１１０７が増大し、回折効率を低下させると、透過光１１０８が増大する。このように、微細構造１１０５によって、外部に抽出される光は特定の角度で微細構造に入射する光のみに限定され、光取り出し効率を十分に向上させるには至っていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本願発明は、
基板上に、微細構造を介して配置された発光層を有する発光素子であって、
前記微細構造は、第一微細構造と第二微細構造との積層体を備え、該第一微細構造及び第二微細構造は、それぞれ主要部材中に該主要部材とは屈折率が異なる部材が前記発光層が配置された基板の面と平行な方向に周期的に配列されており、該第一微細構造と第二微細構造とは前記主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期が異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光取り出し効率が高く、高い輝度を有する発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）本発明の実施例１である発光素子のｘｚ断面図。（ｂ）本発明の実施例１である発光素子に含まれる微細構造のｘｙ断面図。
【図２】本発明の実施例１における光取り出し効率が向上する原理を説明する図。
【図３】本発明の実施例１における光取り出し効率が向上する原理を説明する図。
【図４】本発明の実施例１における光取り出し効率を計算した結果を示すグラフ。
【図５】本発明の実施例２における発光素子のｘｚ断面図。
【図６】従来の発光素子のｘｚ断面図。
【図７】従来の発光素子のｘｚ断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
本発明の実施例１にかかる発光素子１００の概略図を図１に示す。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ発光素子１００のｘｚ断面図、微細構造１０４の一部構造（後述の周期構造１０５、１０６のいずれか一方）のｘｙ平面図、微細構造１０４の一部構造（後述の周期構造１０５、１０６のいずれか一方）のｘｚ断面図である。発光素子１００は、前面板１０１と発光層１０２と微細構造１０４を備え、更に好まし形態として励起源の一部である透明電極１０３を有している。励起源は、前面板１０１と対向する部材（例えば基材）上に形成された後述の電子放出素子１１２と、前面板１０１上に設けられた透明電極１０３とを備えている。
【００１２】
前面板１０１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。発光層１０２は、例えば、蛍光体を含む膜となっており、可視波長域である波長３５０ｎｍから８００ｎｍのいずれかの波長を含む光を発生する。本実施形態では、好ましい形態として、発光層１０２の前面板１０１に面する部分に励起源の一部である透明電極１０３が配置されている。尚、透明電極１０３の位置はこれに限らず、発光層１０２の露出面（発光層１０２の、後述の電子放出素子１１２に対面する部分、以下裏面という場合もあり）に設けられていてもかまわない。
【００１３】
微細構造１０４は、前面板１０１と発光層１０２との間に配置されている。換言すると、前面板１０１からなる基板上に、微細構造１０４を介して発光層１０２が配置されている。微細構造１０４は、第一微細構造１０５と第二微細構造１０６とを備えており、これらを積層配置した積層体を有している。そして第一微細構造１０５と第二微細構造１０６は、それぞれ主要部材中（部材１０の部材中）に主要部材１０とは屈折率が異なる部材１１が基板である前面板１０１の発光層１０２が配置された面と平行な方向であるｘｙ平面の面内方向において周期的に配列されている。そして、第一微細構造１０５と第二微細構造１０６とは、部材１１の配列周期が互いに異なっている。尚、以下の説明においては、第一微細構造１０５、第二微細構造１０６を、それぞれ周期構造１０５、周期構造１０６という場合もある。図１（ｂ）は、周期構造１０５、１０６の内の一方のみをＺ方向から見たｘｙ平面における構成の一例を示した図、また図１（ｃ）は、周期構造１０５、１０６の内の一方のみをｙ方向から見たｘｚ平面における構成の一例を示した図（ｘｚ断面図）である。図１（ｂ）に示すように、周期構造１０５、１０６は、第１の媒質で形成された主要部材層１０に、第一の媒質とは屈折率の異なる第２の媒質で形成された部材１１である円柱構造１１が２次元的に周期的に配列されている。図中で示したベクトルＡ１およびＡ２を基本格子ベクトルとし、基本格子ベクトルの和あるいは差で表される位置に第２の媒質で構成された円柱構造１１を配列した、三角格子構造を有している。ベクトルＡ１は、格子周期１２の長さをａとすると、（０．５ａ、√３ａ／２、０）のベクトルであり、ベクトルＡ２は（０．５ａ、−√３ａ／２、０）のベクトルである。周期構造１０５と周期構造１０６は、構造に入射する光の角度に応じた回折特性が互いに異なる構造である。本実施形態においては、格子周期１２の長さａが互いに異なる構造となっている。
【００１４】
励起源は、例えば、前述の透明電極１０３と、これに対向配置された電子放出素子１１２とを有しており、電子放出素子１１２に電界を加えると、電子が放出され、放出された電子が透明電極１０３によって加速された後、発光層１０２に照射し、光が発生する。図１（ａ）において、前面板１０１と外部との界面における臨界角をθｃとする。発光層１０２で発生した光が微細構造１０４に入射すると、周期構造１０５によって回折され、０次透過光と複数の回折光が生成される。更に、これらの光が、周期構造１０６に入射し、複数の回折光と０次透過光が生成される。このうち、臨界角θｃ以内の角度で伝播する光は、外部に射出され、出力光１０７となり、臨界角θｃ以上の角度で伝搬する光は、界面で全反射され、外部に射出されず、損失光１０８となる。本実施形態の微細構造１０４によって、発光層内の光が損失光１０８に変換されるのを低減し、出力光１０７に効率良く変換し、光取り出し効率を向上させる。
【００１５】
本実施形態における発光素子１００において、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることができる理由を次に述べる。
【００１６】
図２は本発明における発光素子１０１が高い光取り出し効率を得ることができることを説明する概略図である。図２において、前面板１０１、発光層１０２、励起源の一部である透明電極１０３、周期構造１０５、１０６は図１と同じである。周期構造１０５によって回折された光のうち、臨界角θｃよりも小さい角度で伝搬する光を透過光１１０、大きい角度で伝搬する光を透過光１１１とする。発光層１０２で発生した光は、発光層１０２内を様々な方向に向かって伝搬する。立体角を考慮すると、前面板１０１に対して垂直方向に近い角度で伝搬する光よりも、平行方向に近い角度で伝搬する光の方が多く存在する。発光層１０２内を伝搬する光のうち、θｃよりも大きい角度で周期構造１０５に入射する光を入射光１０９とする。
【００１７】
ここで、入射角度が大きい光１０９に対して回折効率が高くなるように、周期構造１０５を構成すると、透過光１１０を透過光１１１よりも強くすることができる。さらに周期構造１０６を、入射角度が小さい光１１０に対して回折効率が低く、入射角度が大きい光１１１に対しては、少なくとも一部の光を回折する構造とする。
【００１８】
これにより、入射光１１０がθｃよりも大きい角度で伝搬する光１１５に変換されるのを抑制し、損失光１０８を低減することができる。また、入射光１１１の一部は、θｃよりも小さい角度で伝搬する光１１２に変換されるため、出力光１０７を増大することができる。
【００１９】
一方、入射角度が大きい光１０９に対して、回折効率が低くなるように、周期構造１０５を構成すると、透過光１１０よりも透過光１１１を強くすることができる。さらに周期構造１０６を、入射角度が大きい光１１１に対して回折効率が高い構造とし、θｃよりも小さい角度で伝搬する透過回折光１１２を強く発生させる。これにより、透過光１１３を低減し、出力光１０７を増大することができる。さらに、周期構造１０６を、入射角度が小さい光１１０に対して回折効率を低くすると、θｃよりも大きい角度で伝搬する光１１５の発生が抑制され、損失光１０８が低減し、出力光１０７が更に増大する。
【００２０】
このように、周期構造１０５の回折特性が、透過光１１０と透過光１１１のいずれを強く出力するようになっていても、周期構造１０６の回折特性が周期構造１０５とは逆の回折特性を有するようにすることで、出力光１０７を増大させることができる。
【００２１】
具体的には、後述の図４で説明するように、周期構造１０５と周期構造１０６それぞれの、部材１１の配列周期（格子周期）を異ならせることで、上記の作用を生じさせ、表示光１０７を増大させることができる。これにより損失光を低減し、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることができる。
【００２２】
更に本実施形態において、周期が異なる周期構造を積層することで構成された微細構造によって、上記で述べた効果が得られる理由を次に述べる。
【００２３】
微細構造１０４に入射し、周期構造１０５および周期構造１０６によって回折された光の、前面板１０１の発光層１０２が設けられた面に平行な方向（面内）における波数ベクトル成分をＫｏｕｔｘとする。Ｋｏｕｔｘは、一般的な回折の式から、式１で表すことができる。
【００２４】
【数１】
【００２５】
式１において、ｍおよびｎは整数で、周期構造１０５、１０６の回折次数を表している。光が微細構造１０４に入射する直前の媒質を入射側媒質と呼び、本実施形態においては励起源の一部である透明電極１０３を構成する媒質とする。Ｋｉｎｘは入射側媒質中の光の、前面板１０１に平行な面内における波数ベクトル成分を表している。本実施形態においては励起源の透明電極１０３中における光の前面板１０１に平行な面内における波数ベクトル成分を表している。Ｇ１０５およびＧ１０６はそれぞれ周期構造１０５、１０６の逆格子ベクトルを表し、式２および式３で表すことができる。
【００２６】
【数２】
【００２７】
【数３】
【００２８】
式２および式３において、Ｐ１０５およびＰ１０６は、それぞれ周期構造１０５、１０６における部材１１の周期を表している。Ｋｓｕｂは、透過側媒質中の光の波数ベクトルで、本実施例においては前面板１０１中の波数ベクトルとする。式１において、ＫｏｕｔｘがＫｓｕｂよりも小さくなる回折次数では、透過回折光が発生し、Ｋｓｕｂよりも大きくなる回折次数では、透過回折光は発生しない。周期構造に入射する光の角度と、発生する回折光の関係は、各周期構造の部材１１の周期の大きさ（長さ）で制御される。前面板１０１を伝播し、臨界角θｃの角度で伝播する光の前面板１０１に平行な面内における波数ベクトルの長さをＫｃｘとし、式４で表す。
【００２９】
【数４】
【００３０】
式１で示す透過光のうち、ＫｏｕｔｘがＫｃｘより小さい光、すなわち伝搬角度がθｃよりも小さい光は、前面板１０１から外部に射出され、出力光１０７となる。また、Ｋｃｘより大きい光は、前面板１０１と外部との界面で全反射され、損失光１０８となる。
式１は、更に式５および式６のように書くことができる。
【００３１】
【数５】
【００３２】
【数６】
【００３３】
式５および式６の、Ｋ´ｏｕｔｘは、周期構造１０５によって（ｍ＋ｎ）次で回折された光の、前面板１０１に平行な面内における波数ベクトル成分を表している。ΔＧは、周期構造１０５と周期構造１０６の逆格子ベクトルの差を表している。式５より、微細構造１０４の透過光は、周期構造１０５によって回折され、更にΔＧの逆格子ベクトルを有する構造によって回折された光と見なすことができる。
【００３４】
図３は本実施形態において、部材１１（図１（ｂ）参照）の周期が互いに異なる周期構造を積層することで構成された微細構造によって、高い光取り出し効率を得ることができることを説明する概略図である。図３において、前面板１０１、発光層１０２、励起源の一部である透明電極１０３、周期構造１０５は図１と同じである。構造１０６´は、周期構造１０５と周期構造１０６の周期の差で定義される、ΔＧの逆格子ベクトルを有する構造である。周期構造１０５によってｍ＋ｎ次で回折された光のうち、Ｋ´ｏｕｔｘがＫｃｘよりも小さい光を透過光１１０、Ｋｃｘよりも大きい光を透過光１１１とする。入射光１０９に対する周期構造１０５の回折特性によって、透過光１１０あるいは透過光１１１の強度を増大することができる。透過光１１０の強度を透過光１１１よりも大きくした場合、式５より、ΔＧによって、ＫｏｕｔｘがＫｓｕｂよりも大きくなるように構成すると、透過回折光１１５の発生を抑制することができる。また、透過光１１１の一部は、周期構造１０６´によって回折され、透過光１１２に変換される。これにより、損失光１０８を低減し、出力光１０７を増大することができる。また、透過光１１０よりも透過光１１１の強度を大きくした場合、ｎの値が負の整数のとき、ΔＧによって、ＫｏｕｔｘがＫｃｘよりも小さくなるように構成すると、透過回折光１１２が発生し、透過光１１３が低減する。ｎの値が正の整数のとき、ΔＧによって、Ｋｏｕｔｘの値がＫｓｕｂよりも大きくなるように構成すると、前面板１０１と外部との界面で全反射され、損失となる回折光の発生を抑制することができる。これらの効果により、損失光１０８を低減し、出力光１０７を増大することができる。
【００３５】
互いに部材１１の配列周期が異なる周期構造１０５と周期構造１０６を積層した微細構造１０４を設け、以上の効果が得られるように、適切なΔＧを有する構成にする。これにより損失光を低減し、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることができる。
【００３６】
なお、周期構造１０５および周期構造１０６の、入射光の角度に対する回折特性は、周期構造の周期の長さだけでなく、周期構造を構成する媒質や形状によって制御することができる。
【００３７】
周期構造１０５と周期構造１０６を構成する媒質、形状を互いに異なる構成とすることで、異なる回折特性を得ることができる。周期構造１０５を、適切な回折特性が得られるように構成し、発光層１０２から周期構造１０５に大きな角度で入射する光を、透過光１１０あるいは透過光１１１に効率良く変換する。次に、透過光１１０あるいは透過光１１１の伝搬角度に対する周期構造１０６の回折特性を適切に制御し、損失光１０８の発生を抑制し、出力光１０７を増大する。これにより、高い光取り出し効率を有する発光素子１００を得ることができる。
【００３８】
なお、周期構造１０５、１０６の格子周期（部材１１の配列周期）は、発光層１０２が発する光の波長が波長３５０ｎｍ以上且つ８００ｎｍ以下の場合、０．２μｍ以上かつ５μｍ以内であることが好ましい。格子周期が０．２μｍ未満の構造にすると、周期構造の逆格子ベクトルが大きくなり、可視光に対して回折光が発生しなくなる。また格子周期が５μｍよりも大きい構造にすると、回折効率が大幅に低下する。上記の範囲を満たす周期構造を用いることで、各周期構造が回折格子として機能し、これらの構造を積層することで、高い回折効率を有する微細構造を得ることができ、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることができる。特に、周期構造１０５または周期構造１０６の少なくとも一方の格子周期（部材１１の配列周期）は１μｍ以上且つ３μｍ以下にすることが望ましく、更に望ましくは１．５μｍ以上且つ２．５μｍ以下にすることが望ましい。周期が１μｍ以上且つ３μｍ以下の構造にすると、広い入射角度の光に対して、複数の回折光を発生することができ、回折効率を高くすることができる。周期が１．５μｍ以上且つ２．５μｍ以下の構造にすると、回折効率を更に高くすることができる。このような格子周期を有する周期構造を用いることで、微細構造の回折効率を高くすることができ、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることができる。
【００３９】
また、本実施形態の構成において、周期構造１０５と周期構造１０６の格子周期（部材１１の配列周期）のと差は、０．６μｍ以上であることが望ましい。
【００４０】
格子周期の差が小さいと、逆格子ベクトルの差ΔＧが小さい値となる。式５より、ｎが小さい整数のとき、ＫｏｕｔｘはＫｓｕｂよりも大きく、Ｋｃｘより小さくなり、損失光１０８となる回折光が発生する。そのため、ΔＧは大きな値であることが望ましく、格子周期の差を０．６μｍ以上とすることで、損失光１０８を抑制し、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることができる。
【００４１】
また、本実施形態の構成において、第一微細構造である周期構造１０５が第二微細構造である周期構造１０６よりも発光層１０２に近接して配置され、周期構造１０５における部材１１の配列周期が周期構造１０６における部材１１の配列周期よりも大きいことが好ましい。格子周期（部材１１の配列周期）が長い（大きい）周期構造は、広い角度や波長帯域の入射光に対して、複数の回折光が発生し、高い透過回折効率を得ることができる。よって発光層１０２で生じた光が周期構造１０５によって反射されるのを低減し、透過光１１０または透過光１１１に効率良く変換することができる。これにより、発光層１０２から前面板１０１に射出される光が増大し、光取り出し効率を向上することができる。
【００４２】
なお、本実施形態を構成する媒質、微細構造１０４に含まれる周期構造１０５、１０６の格子周期１２、円柱の直径１３および高さ１４は、本実施形態で示した媒質および長さとは異なっていてもよい。
【００４３】
なお、図１で示すように、部材１１が三角格子状に配列されている構造（以下、三角格子構造ともいう）は、構造の対称性がよく、微細構造に入射する光の角度依存性が少ないため、発光素子１００からの出力光の強度の角度依存性を低減することができるため好ましい。しかし、本実施形態に含まれる微細構造１０４は、図１で示した構造に制限されるものではない。尚、微細構造１０４は、微粒子を前面板１０１に平行な面内において三角格子状に配列し、積層した構造でもよい。溶媒中に微粒子を分散させ、その溶液を前面板１０１に塗布して、溶媒を除去することで、微粒子が配列した構造を作製することができる。このとき、各工程の条件を適切に設定することで、微粒子が三角格子状に分布し、最近傍の微粒子が互いに接する状態で配置された最密充填構造を簡単に作製することができる。また、微粒子の径を適切に選択することで、周期構造の周期を制御することができ、本実施形態の構造を簡単に作製することができる。あるいは、周期構造１０５、１０６は、部材１１の配列として、正方格子状（正方格子構造）や他の周期的な配列を有していても良い。周期構造１０５と周期構造１０６は互いに異なる基本格子ベクトルを有する構造でも良い。
【００４４】
本実施形態に含まれる前面板１０１は、可視光に対して透明な材料であればよく、プラスチックで形成してもよい。また、励起源は、発光層１０２の裏面（電子放出素子に対向する面）に電極を備え、更にその後方に電子放出素子を設けた構成であってもよい。あるいは励起源は、前面板１０１と発光層１０２との間および発光層１０２の裏面に、陽極と陰極を設けた構成であってもよい。両電極間に電流を印加し、電子と正孔を注入することで、発光層１０２で光を発生させることができる。あるいは、励起源は、前面板上に電極を配置し、発光層１０２の裏面に、セルと電極を配列し、セル内にプラズマによって紫外線を発生するガスを封入した構成としてもよい。このような構成とし、セルに含まれるガスに電流を流すと、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、光を発生することが出来る。また、発光層１０２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散乱反射を低減することができ、発光層１０２で発生する拡散反射を抑制することができる。発光層１０２は、本実施形態で示した屈折率を有する媒質以外の媒質でもよい。
【実施例１】
【００４５】
以下、図面を用いて、本実施例を説明する。図１は、本実施例における発光素子１００に含まれる微細構造１０４の一例を示す。図１の微細構造１０４において、周期構造１０５の部材１１である円柱構造１１の配列周期（格子周期）１２は１８００ｎｍ、円柱の直径１３および高さ１４はそれぞれ１５００ｎｍの長さを有している。周期構造１０６の部材１１である円柱構造１１の直径１３と配列周期（格子周期）１２との比（直径１３を配列周期１２で除した値）を０．８３とし、円柱の高さ１４は直径１３と同じ長さを有している。円柱を構成する媒質の屈折率を２．２、円柱構造１１の周りの主要部材１０を構成する媒質の屈折率は１．５となっている。前面板１０１および発光層１０２は屈折率が１．５の媒質で形成されている。また、励起源の一部である透明電極１０３は、発光層１０２と微細構造１０４の間に屈折率１．８の媒質で形成され、発光層１０２の裏面側には励起源の一部である電子放出素子１１２が配置されている。尚、発光層１０２の裏面の領域は真空となっている。また発光層１０２の発光波長は５５０ｎｍとしている。図４は、このような発光素子において、周期構造１０６の周期を２００ｎｍから１８００ｎｍまで変化させたときの光取り出し効率を計算した結果を示す図である。図４の横軸は、周期構造１０５における部材１１（円柱構造１１）と周期構造１０６における部材１１（円柱構造１１）の配列周期（格子周期）の長さの差を表しており、縦軸は光取り出し効率を示している。さらに、図４には、従来の構成における微細構造を含む発光素子の光取り出し効率を示した。図４において、破線１１７は、従来の構成の特性を示しており、実線１１６は、本実施例における構成の特性を示している。従来の構成における微細構造は、図７の微細構造１１０５において、格子周期の長さを１８００ｎｍとし、円柱の直径および高さは１５００ｎｍの長さを有している。つまり、本実施例における周期構造１０５のみを備えている。また、前面板１１０１、発光層１１０２、透明電極１１０３を構成する媒質の屈折率は、本実施例と同じ屈折率を有している。なお、前面板１０１と外部領域との界面における反射率は、本実施例と従来の構成とで同じ構成であるため、無視している。光取り出し効率の計算は、電磁場解析で行った。
【００４６】
図４に示すように、本実施例の構成において、従来よりも高い光取り出し効率が得ることができる。特に本発明の構成において、周期構造１０５における部材１１の配列周期（格子周期）と周期構造１０６における部材１１の配列周期（格子周期）との差が０．６μｍ以上のところで、従来の構成よりも高い光取り出し効率を得ることができた。尚これは、本実施例の周期構造１０４における周期構造１０５と比較例の微細構造１１０５とで微細構造を構成する媒質や円柱構造の形状を同じにした場合の比較であり、構成部材の媒質や形状を互いに異ならせた場合にはこの限りではない。上述の実施形態で説明した通り、第一微細構造における主要部材１０とは異なる屈折率を有する部材１１の配列周期と第二微細構造における主要部材１０とは異なる屈折率を有する部材１１の配列周期とが異なることによって、小さい角度で伝搬する透過光１１０、大きい角度で伝搬する透過光１１１の双方に作用して、損失光１０８を低減し、出力光１０７を増大させることが出来ることが重要である。
【００４７】
以上のように、本実施例にかかる発光素子１００において、周期構造１０５と周期構造１０６で構成された微細構造１０４を前面板１０１と発光層１０２の間に設け、格子周期の差が適切な長さとなるように構成する。これによって周期構造１０５および周期構造１０６の入射角度特性は互いに異なり、これにより、高い光取り出し効率を有する発光素子が得られることができる。
【実施例２】
【００４８】
図５に本実施例の発光素子２００の概略構成を示す。発光素子図５は本実施例の発光素子２００のｘｚ断面図である。発光素子２００は、前面板２０１と、前面板２０１上に設けられた微細構造２０９，２１０，２１１と、微細構造を介して前面板２０１上に配置された赤色、緑色、青色の光を発生する発光層２０５，２０６，２０７とを備える。尚、微細構造と発光層との間には、好ましい形態として励起源の一部である透明電極２０８が配置されている。また、各発光層は光吸収性を有する媒質で形成された隔壁２１８によって区切られている。図５には、３つの発光層２０５，２０６，２０７２０２、２０３、２０４を示しており、このような発光層を複数個配列することで、カラー画像を表示することが可能となる。前面板２０１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。
【００４９】
各発光層２０５、２０６、２０７には、赤色、緑色、青色の各波長の光を発生する蛍光体を含んでいる。
【００５０】
微細構造２０９、２１０，２１１は、それぞれ図１に示す微細構造１０４と同様の構造を有している。つまり、微細構造（周期構造）２１２，２１３，２１４は図１における周期構造１０６と同様の構造を有し、微細構造（周期構造）２１５，２１６，２１７は図１にける周期構造１０５と同様の構造を有している。
【００５１】
各微細構造２０９、２１０、２１１は、異なる構造あるいは異なる媒質で構成されている。
【００５２】
また、励起源の一部である電子放出素子２２２が発光層に対向して配置されている。このような構成において、電子放出素子２２２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２０５，２０６、２０７に電子が供給され、発光する。発生した光は、微細構造２０９、２１０、２１１および前面板２０１を透過し、外部に抽出されることで、出力光となる。
【００５３】
本実施例２にかかる発光素子２００においても、上述の実施例１同様、微細構造２０９、２１０、２１１の格子周期、円柱の直径、高さ、各媒質の屈折率を適切に設定する。これにより、光取り出し効率が向上させることができ、輝度が高い画像を表示することが出来る。
【００５４】
なお、本実施例２にかかる発光素子２００においては、各色に対応する微細構造２０９，２１０，２１１で互いに異なる構造（構成部材の媒質や形状を異ならせた）を採用したが、これに限るものではない。例えば、赤色、緑色あるいは青色に対応する微細構造の、いずれか一つの微細構造と、他の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配置した場合と比べて、光取り出し効率が向上し、出力光の輝度が高い画像を表示することができる。また、各発光層に設ける微細構造は、同じ構造であってもよい。同じ構造を用いることで、上記の効果が低減する代わりに、発光層ごとに作製方法や条件を変える必要がなく、作製が容易となる。
【符号の説明】
【００５５】
１００，２００，１０００，１１００ 発光素子
１０１，２０１，１００１，１１０１ 前面板
１０２，２０５，２０６，２０７，１００２，１１０２ 発光層
１０４，２０９，２１０，２１１，１１０５ 微細構造
１０５，１０６，２１２，２１３，２１４，２１５，２１６，２１７ 第一または第二微細構造（周期構造）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い光取り出し効率を有する発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、様々な構成の発光素子が知られている。その一例として、図６に断面図を示す構成のものが知られている。図６に示す発光素子１０００は、前面板１００１と発光層１００２と、発光層を励起するための励起源の一部である透明電極１００３を備えている。前面板１００１は、可視光に対して透明な媒質で形成され、例えばガラスやプラスチックなどで形成される。励起源は、例えば、前面板１００１と対向して配置された電子放出素子１００５と、前面板１００１に設けられた透明電極１００３とで構成される。このような構成において、電子放出素子１００５に電界を加えることで放出された電子が、前面板に配置された透明電極１００３によって加速された後、発光層に入射することで光が生成される。発光層で生成された光は、前面板１００１を透過し、外部に抽出されることで、出力光１００４となる。発光層で生成された光のうち、外部に抽出され、出力光１００４となる光の割合を光取り出し効率と呼ぶ。
【０００３】
発光素子１０００において、光取り出し効率が低下する要因の一つとして、前面板１００１と励起源の透明電極１００３との界面、あるいは発光層１００２と励起源の透明電極１００３との界面における全反射損失がある。高屈折率媒質から低屈折率媒質に向けて光が伝搬すると、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ず、高屈折率媒質中を伝搬し、損失となる。
【０００４】
全反射損失を低減し、光取り出し効率を向上させるため、例えば、特許文献１では、図７に示すように、屈折率が異なる媒質で形成された部材間に、微細構造を設けることが開示されている。図７に示す発光素子１１００は、前面板１１０１、発光層１１０２、透明電極１１０３、電極層１１０４とを有し、前面板１１０１と透明電極１１０３との間に微細構造１１０５が設けられている。微細構造１１０５は、屈折率が異なる複数の媒質で構成され、光の波長程度の周期の屈折率分布を有している。これによって、発光層１１０２の内部で発生した光のうち、臨界角以上の角度で伝播する光を回折によって、臨界角以内の角度で伝搬する光に変換することで、外部に抽出される光１１０６を増大させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２８３７５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし特許文献１に記載されている手法では、光取り出し効率の向上に改善が求められている。図７において、発光層から入射し、微細構造１１０５を透過した光の一部は透過回折光となり、残りの光は０次透過光となる。微細構造１１０５に対して入射角度が小さい光が入射すると、一部の光は回折によって、臨界角よりも大きな角度で伝播する回折光１１０７となり、界面で全反射され、損失となる。また、微細構造１１０５に対して入射角度が大きい光が入射すると、回折されない光、すなわち０次透過光１１０８は、前面板と外部との界面における臨界角よりも大きな角度で伝播する光となり、界面で全反射され、前面板内部に閉じ込められ、損失となる。つまり、従来の手法において、微細構造１１０５の回折効率を向上させると、回折光１１０７が増大し、回折効率を低下させると、透過光１１０８が増大する。このように、微細構造１１０５によって、外部に抽出される光は特定の角度で微細構造に入射する光のみに限定され、光取り出し効率を十分に向上させるには至っていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本願発明は、
基板上に、微細構造を介して配置された発光層を有する発光素子であって、
前記微細構造は、第一微細構造と第二微細構造との積層体を備え、該第一微細構造及び第二微細構造は、それぞれ主要部材中に該主要部材とは屈折率が異なる部材が前記発光層が配置された基板の面と平行な方向に周期的に配列されており、該第一微細構造と第二微細構造とは前記主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期が異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光取り出し効率が高く、高い輝度を有する発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）本発明の実施例１である発光素子のｘｚ断面図。（ｂ）本発明の実施例１である発光素子に含まれる微細構造のｘｙ断面図。
【図２】本発明の実施例１における光取り出し効率が向上する原理を説明する図。
【図３】本発明の実施例１における光取り出し効率が向上する原理を説明する図。
【図４】本発明の実施例１における光取り出し効率を計算した結果を示すグラフ。
【図５】本発明の実施例２における発光素子のｘｚ断面図。
【図６】従来の発光素子のｘｚ断面図。
【図７】従来の発光素子のｘｚ断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
本発明の実施例１にかかる発光素子１００の概略図を図１に示す。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ発光素子１００のｘｚ断面図、微細構造１０４の一部構造（後述の周期構造１０５、１０６のいずれか一方）のｘｙ平面図、微細構造１０４の一部構造（後述の周期構造１０５、１０６のいずれか一方）のｘｚ断面図である。発光素子１００は、前面板１０１と発光層１０２と微細構造１０４を備え、更に好まし形態として励起源の一部である透明電極１０３を有している。励起源は、前面板１０１と対向する部材（例えば基材）上に形成された後述の電子放出素子１１２と、前面板１０１上に設けられた透明電極１０３とを備えている。
【００１２】
前面板１０１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。発光層１０２は、例えば、蛍光体を含む膜となっており、可視波長域である波長３５０ｎｍから８００ｎｍのいずれかの波長を含む光を発生する。本実施形態では、好ましい形態として、発光層１０２の前面板１０１に面する部分に励起源の一部である透明電極１０３が配置されている。尚、透明電極１０３の位置はこれに限らず、発光層１０２の露出面（発光層１０２の、後述の電子放出素子１１２に対面する部分、以下裏面という場合もあり）に設けられていてもかまわない。
【００１３】
微細構造１０４は、前面板１０１と発光層１０２との間に配置されている。換言すると、前面板１０１からなる基板上に、微細構造１０４を介して発光層１０２が配置されている。微細構造１０４は、第一微細構造１０５と第二微細構造１０６とを備えており、これらを積層配置した積層体を有している。そして第一微細構造１０５と第二微細構造１０６は、それぞれ主要部材中（部材１０の部材中）に主要部材１０とは屈折率が異なる部材１１が基板である前面板１０１の発光層１０２が配置された面と平行な方向であるｘｙ平面の面内方向において周期的に配列されている。そして、第一微細構造１０５と第二微細構造１０６とは、部材１１の配列周期が互いに異なっている。尚、以下の説明においては、第一微細構造１０５、第二微細構造１０６を、それぞれ周期構造１０５、周期構造１０６という場合もある。図１（ｂ）は、周期構造１０５、１０６の内の一方のみをＺ方向から見たｘｙ平面における構成の一例を示した図、また図１（ｃ）は、周期構造１０５、１０６の内の一方のみをｙ方向から見たｘｚ平面における構成の一例を示した図（ｘｚ断面図）である。図１（ｂ）に示すように、周期構造１０５、１０６は、第１の媒質で形成された主要部材層１０に、第一の媒質とは屈折率の異なる第２の媒質で形成された部材１１である円柱構造１１が２次元的に周期的に配列されている。図中で示したベクトルＡ１およびＡ２を基本格子ベクトルとし、基本格子ベクトルの和あるいは差で表される位置に第２の媒質で構成された円柱構造１１を配列した、三角格子構造を有している。ベクトルＡ１は、格子周期１２の長さをａとすると、（０．５ａ、√３ａ／２、０）のベクトルであり、ベクトルＡ２は（０．５ａ、−√３ａ／２、０）のベクトルである。周期構造１０５と周期構造１０６は、構造に入射する光の角度に応じた回折特性が互いに異なる構造である。本実施形態においては、格子周期１２の長さａが互いに異なる構造となっている。
【００１４】
励起源は、例えば、前述の透明電極１０３と、これに対向配置された電子放出素子１１２とを有しており、電子放出素子１１２に電界を加えると、電子が放出され、放出された電子が透明電極１０３によって加速された後、発光層１０２に照射し、光が発生する。図１（ａ）において、前面板１０１と外部との界面における臨界角をθｃとする。発光層１０２で発生した光が微細構造１０４に入射すると、周期構造１０５によって回折され、０次透過光と複数の回折光が生成される。更に、これらの光が、周期構造１０６に入射し、複数の回折光と０次透過光が生成される。このうち、臨界角θｃ以内の角度で伝播する光は、外部に射出され、出力光１０７となり、臨界角θｃ以上の角度で伝搬する光は、界面で全反射され、外部に射出されず、損失光１０８となる。本実施形態の微細構造１０４によって、発光層内の光が損失光１０８に変換されるのを低減し、出力光１０７に効率良く変換し、光取り出し効率を向上させる。
【００１５】
本実施形態における発光素子１００において、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることができる理由を次に述べる。
【００１６】
図２は本発明における発光素子１０１が高い光取り出し効率を得ることができることを説明する概略図である。図２において、前面板１０１、発光層１０２、励起源の一部である透明電極１０３、周期構造１０５、１０６は図１と同じである。周期構造１０５によって回折された光のうち、臨界角θｃよりも小さい角度で伝搬する光を透過光１１０、大きい角度で伝搬する光を透過光１１１とする。発光層１０２で発生した光は、発光層１０２内を様々な方向に向かって伝搬する。立体角を考慮すると、前面板１０１に対して垂直方向に近い角度で伝搬する光よりも、平行方向に近い角度で伝搬する光の方が多く存在する。発光層１０２内を伝搬する光のうち、θｃよりも大きい角度で周期構造１０５に入射する光を入射光１０９とする。
【００１７】
ここで、入射角度が大きい光１０９に対して回折効率が高くなるように、周期構造１０５を構成すると、透過光１１０を透過光１１１よりも強くすることができる。さらに周期構造１０６を、入射角度が小さい光１１０に対して回折効率が低く、入射角度が大きい光１１１に対しては、少なくとも一部の光を回折する構造とする。
【００１８】
これにより、入射光１１０がθｃよりも大きい角度で伝搬する光１１５に変換されるのを抑制し、損失光１０８を低減することができる。また、入射光１１１の一部は、θｃよりも小さい角度で伝搬する光１１２に変換されるため、出力光１０７を増大することができる。
【００１９】
一方、入射角度が大きい光１０９に対して、回折効率が低くなるように、周期構造１０５を構成すると、透過光１１０よりも透過光１１１を強くすることができる。さらに周期構造１０６を、入射角度が大きい光１１１に対して回折効率が高い構造とし、θｃよりも小さい角度で伝搬する透過回折光１１２を強く発生させる。これにより、透過光１１３を低減し、出力光１０７を増大することができる。さらに、周期構造１０６を、入射角度が小さい光１１０に対して回折効率を低くすると、θｃよりも大きい角度で伝搬する光１１５の発生が抑制され、損失光１０８が低減し、出力光１０７が更に増大する。
【００２０】
このように、周期構造１０５の回折特性が、透過光１１０と透過光１１１のいずれを強く出力するようになっていても、周期構造１０６の回折特性が周期構造１０５とは逆の回折特性を有するようにすることで、出力光１０７を増大させることができる。
【００２１】
具体的には、後述の図４で説明するように、周期構造１０５と周期構造１０６それぞれの、部材１１の配列周期（格子周期）を異ならせることで、上記の作用を生じさせ、表示光１０７を増大させることができる。これにより損失光を低減し、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることができる。
【００２２】
更に本実施形態において、周期が異なる周期構造を積層することで構成された微細構造によって、上記で述べた効果が得られる理由を次に述べる。
【００２３】
微細構造１０４に入射し、周期構造１０５および周期構造１０６によって回折された光の、前面板１０１の発光層１０２が設けられた面に平行な方向（面内）における波数ベクトル成分をＫｏｕｔｘとする。Ｋｏｕｔｘは、一般的な回折の式から、式１で表すことができる。
【００２４】
【数１】
【００２５】
式１において、ｍおよびｎは整数で、周期構造１０５、１０６の回折次数を表している。光が微細構造１０４に入射する直前の媒質を入射側媒質と呼び、本実施形態においては励起源の一部である透明電極１０３を構成する媒質とする。Ｋｉｎｘは入射側媒質中の光の、前面板１０１に平行な面内における波数ベクトル成分を表している。本実施形態においては励起源の透明電極１０３中における光の前面板１０１に平行な面内における波数ベクトル成分を表している。Ｇ１０５およびＧ１０６はそれぞれ周期構造１０５、１０６の逆格子ベクトルを表し、式２および式３で表すことができる。
【００２６】
【数２】
【００２７】
【数３】
【００２８】
式２および式３において、Ｐ１０５およびＰ１０６は、それぞれ周期構造１０５、１０６における部材１１の周期を表している。Ｋｓｕｂは、透過側媒質中の光の波数ベクトルで、本実施例においては前面板１０１中の波数ベクトルとする。式１において、ＫｏｕｔｘがＫｓｕｂよりも小さくなる回折次数では、透過回折光が発生し、Ｋｓｕｂよりも大きくなる回折次数では、透過回折光は発生しない。周期構造に入射する光の角度と、発生する回折光の関係は、各周期構造の部材１１の周期の大きさ（長さ）で制御される。前面板１０１を伝播し、臨界角θｃの角度で伝播する光の前面板１０１に平行な面内における波数ベクトルの長さをＫｃｘとし、式４で表す。
【００２９】
【数４】
【００３０】
式１で示す透過光のうち、ＫｏｕｔｘがＫｃｘより小さい光、すなわち伝搬角度がθｃよりも小さい光は、前面板１０１から外部に射出され、出力光１０７となる。また、Ｋｃｘより大きい光は、前面板１０１と外部との界面で全反射され、損失光１０８となる。
式１は、更に式５および式６のように書くことができる。
【００３１】
【数５】
【００３２】
【数６】
【００３３】
式５および式６の、Ｋ´ｏｕｔｘは、周期構造１０５によって（ｍ＋ｎ）次で回折された光の、前面板１０１に平行な面内における波数ベクトル成分を表している。ΔＧは、周期構造１０５と周期構造１０６の逆格子ベクトルの差を表している。式５より、微細構造１０４の透過光は、周期構造１０５によって回折され、更にΔＧの逆格子ベクトルを有する構造によって回折された光と見なすことができる。
【００３４】
図３は本実施形態において、部材１１（図１（ｂ）参照）の周期が互いに異なる周期構造を積層することで構成された微細構造によって、高い光取り出し効率を得ることができることを説明する概略図である。図３において、前面板１０１、発光層１０２、励起源の一部である透明電極１０３、周期構造１０５は図１と同じである。構造１０６´は、周期構造１０５と周期構造１０６の周期の差で定義される、ΔＧの逆格子ベクトルを有する構造である。周期構造１０５によってｍ＋ｎ次で回折された光のうち、Ｋ´ｏｕｔｘがＫｃｘよりも小さい光を透過光１１０、Ｋｃｘよりも大きい光を透過光１１１とする。入射光１０９に対する周期構造１０５の回折特性によって、透過光１１０あるいは透過光１１１の強度を増大することができる。透過光１１０の強度を透過光１１１よりも大きくした場合、式５より、ΔＧによって、ＫｏｕｔｘがＫｓｕｂよりも大きくなるように構成すると、透過回折光１１５の発生を抑制することができる。また、透過光１１１の一部は、周期構造１０６´によって回折され、透過光１１２に変換される。これにより、損失光１０８を低減し、出力光１０７を増大することができる。また、透過光１１０よりも透過光１１１の強度を大きくした場合、ｎの値が負の整数のとき、ΔＧによって、ＫｏｕｔｘがＫｃｘよりも小さくなるように構成すると、透過回折光１１２が発生し、透過光１１３が低減する。ｎの値が正の整数のとき、ΔＧによって、Ｋｏｕｔｘの値がＫｓｕｂよりも大きくなるように構成すると、前面板１０１と外部との界面で全反射され、損失となる回折光の発生を抑制することができる。これらの効果により、損失光１０８を低減し、出力光１０７を増大することができる。
【００３５】
互いに部材１１の配列周期が異なる周期構造１０５と周期構造１０６を積層した微細構造１０４を設け、以上の効果が得られるように、適切なΔＧを有する構成にする。これにより損失光を低減し、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることができる。
【００３６】
なお、周期構造１０５および周期構造１０６の、入射光の角度に対する回折特性は、周期構造の周期の長さだけでなく、周期構造を構成する媒質や形状によって制御することができる。
【００３７】
周期構造１０５と周期構造１０６を構成する媒質、形状を互いに異なる構成とすることで、異なる回折特性を得ることができる。周期構造１０５を、適切な回折特性が得られるように構成し、発光層１０２から周期構造１０５に大きな角度で入射する光を、透過光１１０あるいは透過光１１１に効率良く変換する。次に、透過光１１０あるいは透過光１１１の伝搬角度に対する周期構造１０６の回折特性を適切に制御し、損失光１０８の発生を抑制し、出力光１０７を増大する。これにより、高い光取り出し効率を有する発光素子１００を得ることができる。
【００３８】
なお、周期構造１０５、１０６の格子周期（部材１１の配列周期）は、発光層１０２が発する光の波長が波長３５０ｎｍ以上且つ８００ｎｍ以下の場合、０．２μｍ以上かつ５μｍ以内であることが好ましい。格子周期が０．２μｍ未満の構造にすると、周期構造の逆格子ベクトルが大きくなり、可視光に対して回折光が発生しなくなる。また格子周期が５μｍよりも大きい構造にすると、回折効率が大幅に低下する。上記の範囲を満たす周期構造を用いることで、各周期構造が回折格子として機能し、これらの構造を積層することで、高い回折効率を有する微細構造を得ることができ、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることができる。特に、周期構造１０５または周期構造１０６の少なくとも一方の格子周期（部材１１の配列周期）は１μｍ以上且つ３μｍ以下にすることが望ましく、更に望ましくは１．５μｍ以上且つ２．５μｍ以下にすることが望ましい。周期が１μｍ以上且つ３μｍ以下の構造にすると、広い入射角度の光に対して、複数の回折光を発生することができ、回折効率を高くすることができる。周期が１．５μｍ以上且つ２．５μｍ以下の構造にすると、回折効率を更に高くすることができる。このような格子周期を有する周期構造を用いることで、微細構造の回折効率を高くすることができ、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることができる。
【００３９】
また、本実施形態の構成において、周期構造１０５と周期構造１０６の格子周期（部材１１の配列周期）のと差は、０．６μｍ以上であることが望ましい。
【００４０】
格子周期の差が小さいと、逆格子ベクトルの差ΔＧが小さい値となる。式５より、ｎが小さい整数のとき、ＫｏｕｔｘはＫｓｕｂよりも大きく、Ｋｃｘより小さくなり、損失光１０８となる回折光が発生する。そのため、ΔＧは大きな値であることが望ましく、格子周期の差を０．６μｍ以上とすることで、損失光１０８を抑制し、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることができる。
【００４１】
また、本実施形態の構成において、第一微細構造である周期構造１０５が第二微細構造である周期構造１０６よりも発光層１０２に近接して配置され、周期構造１０５における部材１１の配列周期が周期構造１０６における部材１１の配列周期よりも大きいことが好ましい。格子周期（部材１１の配列周期）が長い（大きい）周期構造は、広い角度や波長帯域の入射光に対して、複数の回折光が発生し、高い透過回折効率を得ることができる。よって発光層１０２で生じた光が周期構造１０５によって反射されるのを低減し、透過光１１０または透過光１１１に効率良く変換することができる。これにより、発光層１０２から前面板１０１に射出される光が増大し、光取り出し効率を向上することができる。
【００４２】
なお、本実施形態を構成する媒質、微細構造１０４に含まれる周期構造１０５、１０６の格子周期１２、円柱の直径１３および高さ１４は、本実施形態で示した媒質および長さとは異なっていてもよい。
【００４３】
なお、図１で示すように、部材１１が三角格子状に配列されている構造（以下、三角格子構造ともいう）は、構造の対称性がよく、微細構造に入射する光の角度依存性が少ないため、発光素子１００からの出力光の強度の角度依存性を低減することができるため好ましい。しかし、本実施形態に含まれる微細構造１０４は、図１で示した構造に制限されるものではない。尚、微細構造１０４は、微粒子を前面板１０１に平行な面内において三角格子状に配列し、積層した構造でもよい。溶媒中に微粒子を分散させ、その溶液を前面板１０１に塗布して、溶媒を除去することで、微粒子が配列した構造を作製することができる。このとき、各工程の条件を適切に設定することで、微粒子が三角格子状に分布し、最近傍の微粒子が互いに接する状態で配置された最密充填構造を簡単に作製することができる。また、微粒子の径を適切に選択することで、周期構造の周期を制御することができ、本実施形態の構造を簡単に作製することができる。あるいは、周期構造１０５、１０６は、部材１１の配列として、正方格子状（正方格子構造）や他の周期的な配列を有していても良い。周期構造１０５と周期構造１０６は互いに異なる基本格子ベクトルを有する構造でも良い。
【００４４】
本実施形態に含まれる前面板１０１は、可視光に対して透明な材料であればよく、プラスチックで形成してもよい。また、励起源は、発光層１０２の裏面（電子放出素子に対向する面）に電極を備え、更にその後方に電子放出素子を設けた構成であってもよい。あるいは励起源は、前面板１０１と発光層１０２との間および発光層１０２の裏面に、陽極と陰極を設けた構成であってもよい。両電極間に電流を印加し、電子と正孔を注入することで、発光層１０２で光を発生させることができる。あるいは、励起源は、前面板上に電極を配置し、発光層１０２の裏面に、セルと電極を配列し、セル内にプラズマによって紫外線を発生するガスを封入した構成としてもよい。このような構成とし、セルに含まれるガスに電流を流すと、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、光を発生することが出来る。また、発光層１０２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散乱反射を低減することができ、発光層１０２で発生する拡散反射を抑制することができる。発光層１０２は、本実施形態で示した屈折率を有する媒質以外の媒質でもよい。
【実施例１】
【００４５】
以下、図面を用いて、本実施例を説明する。図１は、本実施例における発光素子１００に含まれる微細構造１０４の一例を示す。図１の微細構造１０４において、周期構造１０５の部材１１である円柱構造１１の配列周期（格子周期）１２は１８００ｎｍ、円柱の直径１３および高さ１４はそれぞれ１５００ｎｍの長さを有している。周期構造１０６の部材１１である円柱構造１１の直径１３と配列周期（格子周期）１２との比（直径１３を配列周期１２で除した値）を０．８３とし、円柱の高さ１４は直径１３と同じ長さを有している。円柱を構成する媒質の屈折率を２．２、円柱構造１１の周りの主要部材１０を構成する媒質の屈折率は１．５となっている。前面板１０１および発光層１０２は屈折率が１．５の媒質で形成されている。また、励起源の一部である透明電極１０３は、発光層１０２と微細構造１０４の間に屈折率１．８の媒質で形成され、発光層１０２の裏面側には励起源の一部である電子放出素子１１２が配置されている。尚、発光層１０２の裏面の領域は真空となっている。また発光層１０２の発光波長は５５０ｎｍとしている。図４は、このような発光素子において、周期構造１０６の周期を２００ｎｍから１８００ｎｍまで変化させたときの光取り出し効率を計算した結果を示す図である。図４の横軸は、周期構造１０５における部材１１（円柱構造１１）と周期構造１０６における部材１１（円柱構造１１）の配列周期（格子周期）の長さの差を表しており、縦軸は光取り出し効率を示している。さらに、図４には、従来の構成における微細構造を含む発光素子の光取り出し効率を示した。図４において、破線１１７は、従来の構成の特性を示しており、実線１１６は、本実施例における構成の特性を示している。従来の構成における微細構造は、図７の微細構造１１０５において、格子周期の長さを１８００ｎｍとし、円柱の直径および高さは１５００ｎｍの長さを有している。つまり、本実施例における周期構造１０５のみを備えている。また、前面板１１０１、発光層１１０２、透明電極１１０３を構成する媒質の屈折率は、本実施例と同じ屈折率を有している。なお、前面板１０１と外部領域との界面における反射率は、本実施例と従来の構成とで同じ構成であるため、無視している。光取り出し効率の計算は、電磁場解析で行った。
【００４６】
図４に示すように、本実施例の構成において、従来よりも高い光取り出し効率が得ることができる。特に本発明の構成において、周期構造１０５における部材１１の配列周期（格子周期）と周期構造１０６における部材１１の配列周期（格子周期）との差が０．６μｍ以上のところで、従来の構成よりも高い光取り出し効率を得ることができた。尚これは、本実施例の周期構造１０４における周期構造１０５と比較例の微細構造１１０５とで微細構造を構成する媒質や円柱構造の形状を同じにした場合の比較であり、構成部材の媒質や形状を互いに異ならせた場合にはこの限りではない。上述の実施形態で説明した通り、第一微細構造における主要部材１０とは異なる屈折率を有する部材１１の配列周期と第二微細構造における主要部材１０とは異なる屈折率を有する部材１１の配列周期とが異なることによって、小さい角度で伝搬する透過光１１０、大きい角度で伝搬する透過光１１１の双方に作用して、損失光１０８を低減し、出力光１０７を増大させることが出来ることが重要である。
【００４７】
以上のように、本実施例にかかる発光素子１００において、周期構造１０５と周期構造１０６で構成された微細構造１０４を前面板１０１と発光層１０２の間に設け、格子周期の差が適切な長さとなるように構成する。これによって周期構造１０５および周期構造１０６の入射角度特性は互いに異なり、これにより、高い光取り出し効率を有する発光素子が得られることができる。
【実施例２】
【００４８】
図５に本実施例の発光素子２００の概略構成を示す。発光素子図５は本実施例の発光素子２００のｘｚ断面図である。発光素子２００は、前面板２０１と、前面板２０１上に設けられた微細構造２０９，２１０，２１１と、微細構造を介して前面板２０１上に配置された赤色、緑色、青色の光を発生する発光層２０５，２０６，２０７とを備える。尚、微細構造と発光層との間には、好ましい形態として励起源の一部である透明電極２０８が配置されている。また、各発光層は光吸収性を有する媒質で形成された隔壁２１８によって区切られている。図５には、３つの発光層２０５，２０６，２０７２０２、２０３、２０４を示しており、このような発光層を複数個配列することで、カラー画像を表示することが可能となる。前面板２０１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。
【００４９】
各発光層２０５、２０６、２０７には、赤色、緑色、青色の各波長の光を発生する蛍光体を含んでいる。
【００５０】
微細構造２０９、２１０，２１１は、それぞれ図１に示す微細構造１０４と同様の構造を有している。つまり、微細構造（周期構造）２１２，２１３，２１４は図１における周期構造１０６と同様の構造を有し、微細構造（周期構造）２１５，２１６，２１７は図１にける周期構造１０５と同様の構造を有している。
【００５１】
各微細構造２０９、２１０、２１１は、異なる構造あるいは異なる媒質で構成されている。
【００５２】
また、励起源の一部である電子放出素子２２２が発光層に対向して配置されている。このような構成において、電子放出素子２２２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２０５，２０６、２０７に電子が供給され、発光する。発生した光は、微細構造２０９、２１０、２１１および前面板２０１を透過し、外部に抽出されることで、出力光となる。
【００５３】
本実施例２にかかる発光素子２００においても、上述の実施例１同様、微細構造２０９、２１０、２１１の格子周期、円柱の直径、高さ、各媒質の屈折率を適切に設定する。これにより、光取り出し効率が向上させることができ、輝度が高い画像を表示することが出来る。
【００５４】
なお、本実施例２にかかる発光素子２００においては、各色に対応する微細構造２０９，２１０，２１１で互いに異なる構造（構成部材の媒質や形状を異ならせた）を採用したが、これに限るものではない。例えば、赤色、緑色あるいは青色に対応する微細構造の、いずれか一つの微細構造と、他の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配置した場合と比べて、光取り出し効率が向上し、出力光の輝度が高い画像を表示することができる。また、各発光層に設ける微細構造は、同じ構造であってもよい。同じ構造を用いることで、上記の効果が低減する代わりに、発光層ごとに作製方法や条件を変える必要がなく、作製が容易となる。
【符号の説明】
【００５５】
１００，２００，１０００，１１００ 発光素子
１０１，２０１，１００１，１１０１ 前面板
１０２，２０５，２０６，２０７，１００２，１１０２ 発光層
１０４，２０９，２１０，２１１，１１０５ 微細構造
１０５，１０６，２１２，２１３，２１４，２１５，２１６，２１７ 第一または第二微細構造（周期構造）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、微細構造を介して配置された発光層を有する発光素子であって、
前記微細構造は、第一微細構造と第二微細構造との積層体を備え、該第一微細構造及び第二微細構造は、それぞれ主要部材中に該主要部材とは屈折率が異なる部材が前記発光層が配置された基板の面と平行な方向に周期的に配列されており、該第一微細構造と第二微細構造とは前記主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期が異なることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光層は、波長３５０ｎｍ以上且つ８００ｎｍ以下の光を発する媒質で形成され、
前記第一微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期および前記第二微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期が、０．２μｍ以上且つ５μｍ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】
前記第一微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期または前記第二微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期の少なくとも一方が、１μｍ以上且つ３μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第一微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期または前記第二微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期の少なくとも一方が、１．５μｍ以上且つ２．５μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第一微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期と前記第二微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期との差が、０．６μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記微細構造は、前記第一微細構造が前記第二微細構造よりも前記発光層に近接して配置され、前記第一微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期が前記第二微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記第一微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材および前記第二微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材が、三角格子状に配列されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記発光素子は、赤色、青色、または緑色の光を発生する複数の発光層を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１】
基板上に、微細構造を介して配置された発光層を有する発光素子であって、
前記微細構造は、第一微細構造と第二微細構造との積層体を備え、該第一微細構造及び第二微細構造は、それぞれ主要部材中に該主要部材とは屈折率が異なる部材が前記発光層が配置された基板の面と平行な方向に周期的に配列されており、該第一微細構造と第二微細構造とは前記主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期が異なることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光層は、波長３５０ｎｍ以上且つ８００ｎｍ以下の光を発する媒質で形成され、
前記第一微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期および前記第二微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期が、０．２μｍ以上且つ５μｍ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】
前記第一微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期または前記第二微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期の少なくとも一方が、１μｍ以上且つ３μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第一微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期または前記第二微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期の少なくとも一方が、１．５μｍ以上且つ２．５μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第一微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期と前記第二微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期との差が、０．６μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記微細構造は、前記第一微細構造が前記第二微細構造よりも前記発光層に近接して配置され、前記第一微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期が前記第二微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材の配列周期よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記第一微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材および前記第二微細構造における主要部材とは屈折率が異なる部材が、三角格子状に配列されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記発光素子は、赤色、青色、または緑色の光を発生する複数の発光層を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子。
【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２０１２−１３３９４５（Ｐ２０１２−１３３９４５Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８３７７４（Ｐ２０１０−２８３７７４）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【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７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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