面発光素子
【課題】 光の取出し効率を向上することのできる有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子等の面発光素子を提供する。
【解決手段】 ガラス基板２上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層５と、屈折率の異なる第１、第２媒質３１、３２を有して第１媒質３１中に第２媒質３２を２次元配列した２次元回折格子３０とを備えた面発光素子１において、２次元回折格子３０は、第１媒質３１の占める面積と第２媒質３２の占める面積の合計に対する第２媒質３２の占める面積の割合を２５％以上６０％以下にした。
【解決手段】 ガラス基板２上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層５と、屈折率の異なる第１、第２媒質３１、３２を有して第１媒質３１中に第２媒質３２を２次元配列した２次元回折格子３０とを備えた面発光素子１において、２次元回折格子３０は、第１媒質３１の占める面積と第２媒質３２の占める面積の合計に対する第２媒質３２の占める面積の割合を２５％以上６０％以下にした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光層を有する有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子等の面発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来各種の面発光素子が提案されている。例えば、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子等のエレクトロルミネッセンスを利用する面発光素子は、ガラス基板に形成されたＩＴＯ等から成る透明電極上に電圧の印加により発光する発光層が形成される。発光層上にはアルミニウム等から成る背面電極が形成される。
【０００３】
発光層は有機化合物等から成り、透明電極から注入された正孔と背面電極から注入された電子が再結合して発光する。発光層で発光した光は透明電極及びガラス基板を透過してガラス基板の出射面から出射される。また、一部の光は背面電極で反射して透明電極に到達し、出射面から出射される。
【０００４】
この面発光素子は、発光層と透明電極との界面、透明電極とガラス基板との界面、及び出射面で入射角が臨界角以下の光が全反射して導波する。このため、出射面から出射される光が少なく、光の取出し効率が低い問題があった。特に有機ＥＬ素子は、寿命等の観点から光取出し効率の一層の向上が求められている。光取出し効率の向上は他の面発光素子（例えば、ＬＥＤも一種の面発光素子である）にも求められる共通の課題である。
【０００５】
上記問題を解決するために、特許文献１には２次元回折格子を有した面発光素子が開示されている。この面発光素子は、透明電極とガラス基板との境界に２次元回折格子が設けられる。発光層で発光した光は２次元回折格子で回折し、ガラス基板の出射面に到達する光の入射角を臨界角よりも大きく可変する。これにより、透明電極とガラス基板との界面及び出射面で全反射する光を低減して光の取出し効率を向上することができる。
【特許文献１】特開平１１−２８３７５１号公報（第５頁−第８頁、第７図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、有機ＥＬ素子等の面発光素子の応用範囲が拡大し、上記特許文献１に開示される面発光素子に対して更に光の取出し効率の高い面発光素子が求められている。本発明は、光の取出し効率を更に向上することのできる面発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明は、基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した２次元回折格子とを備えた面発光素子において、前記２次元回折格子は、第１媒質の占める面積と第２媒質の占める面積との合計に対する第２媒質の占める面積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴としている。
【０００８】
この構成によると、第１媒質中に円形、角形、三角形等の形状から成る第２媒質を周期的に２次元配列して２次元回折格子が構成される。第１媒質中には第２媒質が点在し、第１媒質と第２媒質の合計の面積に対して第２媒質の面積が２５％以上６０％以下になっている。従って、２次元回折格子が第１、第２媒質のみから成る場合は、２次元回折格子の全体の面積の２５％以上６０％以下が第２媒質から成る。尚、第２媒質が占める各領域の径が深さ方向に変化する場合は、径の平均値や径の中央値を示す断面において第１媒質及び第２媒質の面積が上記の関係であればよい。
【０００９】
また本発明は、基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した２次元回折格子から成る回折層とを備えた面発光素子において、前記回折層は、第１媒質の占める体積と第２媒質の占める体積との合計に対する第２媒質の占める体積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴としている。
【００１０】
この構成によると、第１媒質中には円柱、角柱、円錐、角錐、円錐台、角錐台等の形状から成る第２媒質が点在し、第１媒質と第２媒質の合計の体積に対して第２媒質の体積が２５％以上６０％以下になっている。従って、２次元回折格子が第１、第２媒質のみから成る場合は、回折層の全体の体積の２５％以上６０％以下が第２媒質から成る。
【００１１】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、前記２次元回折格子のピッチを０．１μｍ〜４μｍにしたことを特徴としている。
【００１２】
また本発明は、基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した散乱体とを備えた面発光素子において、前記散乱体は、第１媒質の占める面積と第２媒質の占める面積との合計に対する第２媒質の占める面積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴としている。
【００１３】
この構成によると、第１媒質中に第２媒質を非周期的に配列して散乱体が構成される。第１媒質中には第２媒質が点在し、第１媒質中には第２媒質が点在し、第１媒質と第２媒質の合計の面積に対して第２媒質の面積が２５％以上６０％以下になっている。従って、散乱体が第１、第２媒質のみから成る場合は、散乱体の全体の面積の２５％以上６０％以下が第２媒質から成る。尚、第２媒質が占める各領域の径が深さ方向に変化する場合は、径の平均値や径の中央値を示す断面において第１媒質及び第２媒質の面積が上記の関係であればよい。
【００１４】
また本発明は、基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した散乱体から成る散乱層とを備えた面発光素子において、前記散乱層は、第１媒質の占める体積と第２媒質の占める体積との合計に対する第２媒質の占める体積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴としている。
【００１５】
この構成によると、第１媒質中には円柱、角柱、円錐、角錐、円錐台、角錐台等の形状から成る第２媒質が点在し、第１媒質と第２媒質の合計の体積に対して第２媒質の体積が２５％以上６０％以下になっている。従って、散乱層が第１、第２媒質のみから成る場合は、散乱層の全体の体積の２５％以上６０％以下が第２媒質から成る。
【００１６】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、隣接する第２媒質の間隔の平均値を０．１μｍ〜４μｍにしたことを特徴としている。
【００１７】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、第１媒質が前記基板から成るとともに、前記基板に設けられた孔に第２媒質が充填されることを特徴としている。この構成によると、基板から成る第１媒質中に第２媒質が配列される。孔に充填される第２媒質が空気から成ってもよい。
【００１８】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、第２媒質が前記基板から成るとともに、前記基板の一部を除去して設けられた柱状部の周囲に第１媒質が充填されることを特徴としている。この構成によると、第１媒質中に基板の柱状部から成る第２媒質が配列される。柱状部の周囲に充填される第１媒質が空気から成ってもよい。
【００１９】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、第１、第２媒質の一方がガラスから成るとともに、他方が空気または透明電極から成ることを特徴としている。この構成によると、面発光素子は、ガラスから成る第１媒質中に空気またはＩＴＯ等の透明電極から成る第２媒質を配列した２次元回折格子または散乱体を有する。また、面発光素子は、空気または透明電極から成る第１媒質中にガラスから成る第２媒質を配列した２次元回折格子または散乱体を有する。
【００２０】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、第１、第２媒質の一方が透明電極から成るとともに、他方が空気または前記発光層を構成する材料から成ることを特徴としている。この構成によると、面発光素子は、透明電極から成る第１媒質中に空気または有機化合物等の発光層を構成する材料から成る第２媒質を配列した２次元回折格子または散乱体を有する。また、面発光素子は、空気または発光層を構成する材料から成る第１媒質中に透明電極から成る第２媒質を配列した２次元回折格子または散乱体を有する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、第１媒質中に第２媒質を２次元配列した２次元回折格子の第１媒質及び第２媒質の占める面積に対する第２媒質の占める面積の割合を２５％以上６０％以下にしたので、基板から出射される光の取出し効率を著しく向上することができる。更に好ましくは、第１媒質及び第２媒質の占める面積に対する第２媒質の占める面積の割合を３０％〜５５％にすることで、更に光取出し効率を向上することができる。
【００２２】
本発明によると、第１媒質中に第２媒質を２次元配列した２次元回折格子を有する回折層の第１媒質及び第２媒質の占める体積に対する第２媒質の占める体積の割合を２５％以上６０％以下にしたので、基板から出射される光の取出し効率を著しく向上することができる。更に好ましくは、第１媒質及び第２媒質の占める体積に対する第２媒質の占める体積の割合を３０％〜５５％にすることで、更に光取出し効率を向上することができる。
【００２３】
また本発明によると、２次元回折格子のピッチを０．１μｍ〜４μｍにしたので、所定方向に光を回折する２次元回折格子を容易に実現することができる。
【００２４】
本発明によると、第１媒質中に第２媒質を配列した散乱体の第１媒質及び第２媒質の占める面積に対する第２媒質の占める面積の割合を２５％以上６０％以下にしたので、基板から出射される光の取出し効率を著しく向上することができる。
【００２５】
本発明によると、第１媒質中に第２媒質を配列した散乱体を有する散乱層の第１媒質及び第２媒質の占める体積に対する第２媒質の占める体積の割合を２５％以上６０％以下にしたので、基板から出射される光の取出し効率を著しく向上することができる。
【００２６】
また本発明によると、隣接する第２媒質の平均間隔を０．１μｍ〜４μｍにしたので、所定方向に光を散乱する散乱体を容易に実現することができる。
【００２７】
また本発明によると、第１媒質が前記基板から成るとともに、該基板に設けられた孔に第２媒質が充填されるので、２次元回折格子または散乱体を容易に形成することができる。
【００２８】
また本発明によると、第２媒質が前記基板から成るとともに、該基板の一部を除去して設けられた柱状部の周囲に第１媒質が充填されるので、２次元回折格子または散乱体を容易に形成することができる。
【００２９】
また本発明によると、第１、第２媒質の一方がガラスから成るとともに、他方が空気または透明電極から成るので、２次元回折格子または散乱体を容易に形成することができる。
【００３０】
また本発明によると、第１、第２媒質の一方が透明電極から成るとともに、他方が空気または発光層を構成する材料から成るので、２次元回折格子または散乱体を容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の面発光素子を示す側面図である。面発光素子１は透明基板であるガラス基板２上に回折層３、透明電極４、発光層５、背面電極６が順に設けられている。ここではガラス基板を用いているが、例えば透明樹脂等の他の材料から成る透明基板にしてもよい。透明電極４はＩＴＯやＩＺＯ等の透明導電性材料から成っている。
【００３２】
発光層５は有機化合物の発光材料から成っている。これにより、面発光素子１は有機ＥＬ素子を構成する。以下、面発光素子１が有機ＥＬ素子の場合について説明するが、これに限らず各種の面発光型の発光素子であってもよい。例えば、面発光素子１が無機ＥＬ素子やＬＥＤであってもよい。
【００３３】
発光層５は機能分離された複数の有機物層を積層して構成されていてもよいし、発光層５と各電極との間に電荷注入層、電荷輸送層、バッファ層等の他の機能層を設けてもよい。また、同図では所謂ボトムエミッションタイプの有機ＥＬ素子を示しているが、トップエミッションタイプの有機ＥＬ素子であってもよい。
【００３４】
背面電極６は光を反射するアルミニウム等の材料から成っている。透明電極４と背面電極６間に電圧を印加することにより、透明電極４から注入された正孔と背面電極６から注入された電子が再結合して発光層５が発光する。
【００３５】
回折層３は屈折率の異なる媒質が周期的に２次元配列された２次元回折格子から成っている。図２、図３は回折層３の２次元回折格子３０を示す平面図及び側面断面図である。２次元回折格子３０はガラス基板２に所定周期で円柱状の孔２ｂをフォトリソ法によるマスクパターンの形成及びドライエッチング等の方法で形成して構成されている。これにより、屈折率が１．５のガラス基板２から成る第１媒質３１中に屈折率が１の空孔から成る第２媒質３２が配列された正方格子になっている。
【００３６】
２次元周期構造のピッチＴは０．１μｍ〜４μｍで形成されている。また、第１媒質３１の占める面積と第２媒質３２の占める面積の合計に対する第２媒質３２の占める面積の割合は２５％以上６０％以下になっている。即ち、２次元回折格子３０が第１、第２媒質３１、３２のみから成る場合は、全面積の２５％以上６０％以下が第２媒質３２から成っている。
【００３７】
上記構成の面発光素子１において、透明電極４と背面電極６との間に電圧が印加されるか、もしくは電流が注入されると発光層５が発光する。発光した光は透明電極４を透過し、回折層３で出射面２ａ（図１参照）の方向に回折する。そして、ガラス基板２を透過して出射面２ａから出射される。また、一部の光は背面電極６で反射して透明電極４に到達し、同様に回折層３で回折して出射面２ａから出射される。
【００３８】
図４は本実施形態の面発光素子１の光の伝播状態を示しており、発光層５の一点の光発生源Ｌが発光した場合の典型的なシミュレーション図である。Ａは空気層を示している。また、図５は比較のため、回折層３を設けない場合を示している。尚、理解容易のため、素子の部分拡大図を併せて記載している。これらの図から明らかなように、本実施形態の面発光素子１は出射面２ａから出射される光が増加し、光の取出し効率が向上する。
【００３９】
本実施形態によると、第１媒質３１中に第２媒質３２を配列した２次元回折格子３０の第１媒質３１の占める面積と第２媒質３２の占める面積の合計に対する第２媒質３２の占める面積の割合を２５％以上６０％以下にしたので、ガラス基板２から出射される光の取出し効率を従来よりも向上させることができる。また、２次元回折格子３０のピッチＴを０．１μｍ〜４μｍにしたので、所定方向に光を回折する２次元回折格子３０を容易に実現することができる。
【００４０】
回折層３は透明電極４とガラス基板２との間に設けると製造が比較的容易であり且つ発光層５に近い位置に配置されるため高い効果が得られやすいが、出射面２ａに設けてもよい。また、２次元回折格子３０を正方格子により構成しているが、斜交格子（図６（ａ）参照）、直交格子（図６（ｂ）参照）、面心格子（図６（ｃ）参照）、六方格子（図６（ｄ）参照）でもよい。
【００４１】
第２媒質３２は第１媒質３１と屈折率が異なっていればよく、孔２ｂ（図２参照）にＩＴＯ等の透明導電性材料を充填してもよい。これにより、屈折率が１．５のガラスを第１媒質３１として例えば屈折率が１．９のＩＴＯを第２媒質３２とする２次元回折格子３０が得られる。
【００４２】
また、第２媒質３２を充填する孔２ｂは円柱状になっているが、角柱形状でもよい。また、円錐、角錐、円錐台、角錐台等の深さ方向に断面積が一定しない形状でもよい。このとき、回折層３の第１媒質３１の占める体積と第２媒質３２の占める体積の合計に対する第２媒質３２の占める体積の割合が２５％以上６０％以下になっていればよい。
【００４３】
また、図７に示すように、２次元回折格子３０はガラス基板２の一部を除去して柱状部２ｃを形成し、柱状部２ｃの周囲にガラス基板２と屈折率の異なる空気やＩＴＯ等を充填してもよい。この時、柱状部２ｃの周囲に充填される媒質が第１媒質３１となり、柱状部２ｃが第２媒質３２となる。
【００４４】
尚、回折層３を透明電極４と発光層５との界面に設けることも可能であり、この場合も光取出し効率を向上することができる。この場合、第１媒質３１が透明導電性材料から成り、第２媒質３２が空気或いは有機化合物等の発光層５を構成する材料から成る。また、前述の図７と同様に、柱状部２ｃから成る第２媒質３２を透明導電性材料により形成してもよい。
【００４５】
次に、図８は第２実施形態の面発光素子１０を示す側面図である。本実施形態の面発光素子１０は、前述の図１〜図７に示す形態の回折層３に替えて散乱層７が設けられている。その他の部分は第１実施形態と同様である。
【００４６】
散乱層７は屈折率の異なる媒質が非周期的に配列された散乱体から成っている。図９は散乱層７の散乱体７０の例を示す平面図である。散乱体７０はガラス基板２に円柱状の孔２ｂをランダムに形成して構成されている。孔２ｂはランダムパターンの形成されたマスクを介してＵＶ照射を行うフォトリソ法等によってマスク層を形成し、更にドライエッチングを行うなどの方法により形成される。これにより、屈折率が１．５のガラス基板２から成る第１媒質３１中に屈折率が１の空孔から成る第２媒質３２が配列され、光を散乱する散乱体７０になっている。
【００４７】
隣接する第２媒質３２の間隔（各第２媒質３２領域の中心間距離）Ｄは平均値が０．１μｍ〜４μｍで形成されている。また、第１媒質３１の占める面積と第２媒質３２の占める面積の合計に対する第２媒質３２の占める面積の割合は２５％以上６０％以下になっている。即ち、散乱体７０が第１、第２媒質３１、３２のみから成る場合は散乱体７０の全面積の２５％以上６０％以下が第２媒質３２から成っている。
【００４８】
上記構成の面発光素子１において、透明電極４と背面電極６との間に電圧が印加されると発光層５が発光する。発光した光は透明電極４を透過し、散乱層７で出射面２ａ（図１参照）の方向に散乱する。そして、ガラス基板２を透過して出射面２ａから出射される。また、一部の光は背面電極６で反射して透明電極４に到達し、同様に散乱層７で散乱して出射面２ａから出射される。
【００４９】
本実施形態によると、第１媒質３１中に第２媒質３２を配列した散乱体７０の第１媒質３１の占める面積と第２媒質３２の占める面積の合計に対する第２媒質３２の占める面積の割合を２５％以上６０％以下にしたので、第１実施形態と同様に、ガラス基板２から出射される光の取出し効率を従来よりも向上させることができる。また、隣接する第２媒質３２の間隔Ｄの平均値を０．１μｍ〜４μｍにしたので、所定方向に光を散乱する散乱体７０を容易に実現することができる。
【００５０】
散乱層７は透明電極４とガラス基板２との間に設けているが、透明電極と発光層５との界面に設けてもよく、出射面２ａに設けてもよい。第２媒質３２は第１媒質３１と屈折率が異なっていればよく、孔２ｂ（図９参照）にＩＴＯ等の透明導電性材料を充填してもよい。
【００５１】
また、第２媒質３２を充填する孔２ｂは円柱状になっているが、角柱形状でもよい。また、円錐、角錐、円錐台、角錐台等の深さ方向に断面積が一定しない形状でもよい。このとき、散乱層７の第１媒質３１の占める体積と第２媒質３２の占める体積の合計に対する第２媒質３２の占める体積の割合が２５％以上６０％以下になっていればよい。また、前述の図７と同様に、ガラス基板２の一部を除去して柱状部２ｃを形成し、柱状部２ｃの周囲にガラス基板２と屈折率の異なる空気やＩＴＯ等を充填してもよい。
【００５２】
また、散乱層７を透明電極４と発光層５との界面に設けることも可能であり、この場合も光取出し効率を向上することができる。この場合、第１媒質３１がＩＴＯ等の透明導電性材料から成り、第２媒質３２が空気或いは発光層５を構成する材料から成る。また、前述の図７と同様に、柱状部２ｃから成る第２媒質３２を透明導電性材料により形成してもよい。
【実施例１】
【００５３】
図１０は前述の図２に示す正方格子から成る２次元回折格子３０を用いた第１実施例の面発光素子１の光取出し効率をシミュレーションした結果を示す図である。第１媒質３１はガラスから成り、第２媒質３２は空気から成る。縦軸は回折層３を設けなかった場合を１とし、発光層５として波長が５２０ｎｍにピークを持つ緑色発光材料を用いたときの波長が５２０ｎｍの光の光取出し効率を示している。
【００５４】
横軸は円柱状の孔２ｂの２次元回折格子３０全体に対する占積率を示している（ここでは、占積率は第１媒質３１の占める面積と第２媒質３２の占める面積との合計に対する第２媒質３２の占める面積の割合と等しい。また、回折層３の厚みが一定であるため、第１媒質３１の占める体積と第２媒質３２の占める体積との合計に対する第２媒質３２の占める体積の割合とも等しい。）。また、正方格子のピッチＴは３００ｎｍ、孔２ｂの深さは２００ｎｍであり、孔２ｂの直径を可変している。
【００５５】
同図によると、光取出し効率は第２媒質３２の占積率の全域にわたって向上して約５０％の時に最大となり、５０％付近をピークとしてその前後で非常に高い値を示している。
【００５６】
実際に、孔２ｂの直径を１５０ｎｍ、２２０ｎｍにし、正方格子でピッチＴが３００ｎｍ、深さが２００ｎｍになるように面発光素子１を試作した。製造方法はフォトリソ法及びドライエッチングでガラス基板２に孔２ｂを形成し、孔２ｂに空気が充填されるような条件でＩＴＯを成膜し、更に有機発光層及びアルミニウムを順次成膜した。
【００５７】
孔２ｂの直径が１５０ｎｍの場合は、占積率が１９．６％である（第１媒質３１に対する第２媒質３２の面積の割合で表わすと２４．４％に相当する）。孔２ｂの直径が２２０ｎｍの場合は、占積率が４２．２％である（第１媒質３１に対する第２媒質３２の面積の割合で表わすと７３．０％に相当する）。
【００５８】
その結果、面発光素子１の光取出し効率は回折層３を設けなかった場合に比して、孔２ｂの直径が１５０ｎｍの場合が１．２倍、直径が２２０ｎｍの場合が１．８倍であった。従って、シミュレーションと同様の傾向を示す結果が得られた。
【実施例２】
【００５９】
図１１は前述の図２に示す正方格子から成る２次元回折格子３０を用いた第２実施例の面発光素子１の光取出し効率の典型的なシミュレーション結果を示す図である。第１媒質３１はガラスから成り、第２媒質３２はＩＴＯから成る。その他は第１実施例と同一である。
【００６０】
同図によると、光取出し効率は第２媒質３２の占積率の全域にわたって向上して約５０％の時に最大となり、５０％付近をピークとしてその前後で非常に高い値を示している。
【００６１】
実際に、孔２ｂの直径を１５０ｎｍ（占積率１９．６％）、２２０ｎｍ（占積率４２、２％）とし、正方格子でピッチＴが３００ｎｍ、深さが２００ｎｍの面発光素子１を試作した。製造方法はフォトリソ法及びドライエッチングでガラス基板２に孔２ｂを形成し、孔２ｂにＩＴＯが充填されるような条件でＩＴＯを成膜し、更に有機発光層及びアルミニウムを順次成膜した。
【００６２】
その結果、面発光素子１の光取出し効率は回折層３を設けなかった場合に比して、孔２ｂの直径が１５０ｎｍの場合が１．２倍、直径が２２０ｎｍの場合が１．９倍であった。従って、シミュレーションと同様の傾向を示す結果が得られた。
【実施例３】
【００６３】
図１２は前述の図７に示す正方格子から成る２次元回折格子３０を用いた第３実施例の面発光素子１の光取出し効率の典型的なシミュレーション結果を示す図である。縦軸は回折層３を設けなかった場合を１として、発光層５として波長が５２０ｎｍにピークを持つ緑色発光材料を用いたときの波長が５２０ｎｍの光の光取出し効率を示している。横軸は円柱状の柱状体２ｃの２次元回折格子３０全体に対する占積率を示している。第１媒質３１は空気から成り、第２媒質３２はガラスから成る。正方格子のピッチＴは３００ｎｍ、柱状体２ｃの高さは２００ｎｍであり、柱状体２ｃの直径を可変している。
【００６４】
同図によると、光取出し効率は第２媒質３２の占積率の全域にわたって向上して約４３％の時に最大となり、４３％付近をピークとしてその前後で非常に高い値を示している。
【実施例４】
【００６５】
図１３は前述の図７に示す正方格子から成る２次元回折格子３０を用いた第４実施例の面発光素子１の光取出し効率の典型的なシミュレーション結果を示す図である。第１媒質３１はＩＴＯから成り、第２媒質３２はガラスから成る。その他は第３実施例と同一である。
【００６６】
同図によると、光取出し効率は第２媒質３２の占積率の全域にわたって向上して約４２％の時に最大となり、４２％付近をピークとしてその前後で非常に高い値を示している。
【００６７】
第１〜第４実施例から明らかなように、第１媒質の占める面積と第２媒質の占める面積との合計に対する第２媒質の占める面積の割合を２５％〜６０％の範囲にすると、第１媒質や第２媒質の組合わせや第２媒質の配列等に関わらず、最大の光取出し効率のほぼ８５％以上に相当する極めて高い光取出し効率を得ることができる。更に、上記割合を３０％〜５５％の範囲にすると、より光取出し効率を向上することができ、最大の光取出し効率のほぼ９０％以上に相当する極めて高い光取出し効率が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子等の面発光素子に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１実施形態の面発光素子を示す正面図
【図２】本発明の第１実施形態の面発光素子の２次元回折格子を示す平面図
【図３】本発明の第１実施形態の面発光素子の２次元回折格子を示す正面断面図
【図４】本発明の第１実施形態の面発光素子の光の伝播状態を示す図
【図５】従来の面発光素子の光の伝播状態を示す図
【図６】本発明の第１実施形態の面発光素子の他の２次元回折格子を示す平面図
【図７】本発明の第１実施形態の面発光素子の他の２次元回折格子を示す平面図
【図８】本発明の第２実施形態の面発光素子を示す正面図
【図９】本発明の第２実施形態の面発光素子の散乱体を示す平面図
【図１０】本発明の第１実施例の面発光素子の光取出し効率を示す図
【図１１】本発明の第２実施例の面発光素子の光取出し効率を示す図
【図１２】本発明の第３実施例の面発光素子の光取出し効率を示す図
【図１３】本発明の第４実施例の面発光素子の光取出し効率を示す図
【符号の説明】
【００７０】
１、１０ 面発光素子
２ ガラス基板
２ａ 出射面
２ｂ 孔
２ｃ 柱状部
３ 回折層
４ 透明電極
５ 発光層
６ 背面電極
７ 散乱層
３０ ２次元回折格子
３１ 第１媒質
３２ 第２媒質
７０ 散乱体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光層を有する有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子等の面発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来各種の面発光素子が提案されている。例えば、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子等のエレクトロルミネッセンスを利用する面発光素子は、ガラス基板に形成されたＩＴＯ等から成る透明電極上に電圧の印加により発光する発光層が形成される。発光層上にはアルミニウム等から成る背面電極が形成される。
【０００３】
発光層は有機化合物等から成り、透明電極から注入された正孔と背面電極から注入された電子が再結合して発光する。発光層で発光した光は透明電極及びガラス基板を透過してガラス基板の出射面から出射される。また、一部の光は背面電極で反射して透明電極に到達し、出射面から出射される。
【０００４】
この面発光素子は、発光層と透明電極との界面、透明電極とガラス基板との界面、及び出射面で入射角が臨界角以下の光が全反射して導波する。このため、出射面から出射される光が少なく、光の取出し効率が低い問題があった。特に有機ＥＬ素子は、寿命等の観点から光取出し効率の一層の向上が求められている。光取出し効率の向上は他の面発光素子（例えば、ＬＥＤも一種の面発光素子である）にも求められる共通の課題である。
【０００５】
上記問題を解決するために、特許文献１には２次元回折格子を有した面発光素子が開示されている。この面発光素子は、透明電極とガラス基板との境界に２次元回折格子が設けられる。発光層で発光した光は２次元回折格子で回折し、ガラス基板の出射面に到達する光の入射角を臨界角よりも大きく可変する。これにより、透明電極とガラス基板との界面及び出射面で全反射する光を低減して光の取出し効率を向上することができる。
【特許文献１】特開平１１−２８３７５１号公報（第５頁−第８頁、第７図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、有機ＥＬ素子等の面発光素子の応用範囲が拡大し、上記特許文献１に開示される面発光素子に対して更に光の取出し効率の高い面発光素子が求められている。本発明は、光の取出し効率を更に向上することのできる面発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明は、基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した２次元回折格子とを備えた面発光素子において、前記２次元回折格子は、第１媒質の占める面積と第２媒質の占める面積との合計に対する第２媒質の占める面積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴としている。
【０００８】
この構成によると、第１媒質中に円形、角形、三角形等の形状から成る第２媒質を周期的に２次元配列して２次元回折格子が構成される。第１媒質中には第２媒質が点在し、第１媒質と第２媒質の合計の面積に対して第２媒質の面積が２５％以上６０％以下になっている。従って、２次元回折格子が第１、第２媒質のみから成る場合は、２次元回折格子の全体の面積の２５％以上６０％以下が第２媒質から成る。尚、第２媒質が占める各領域の径が深さ方向に変化する場合は、径の平均値や径の中央値を示す断面において第１媒質及び第２媒質の面積が上記の関係であればよい。
【０００９】
また本発明は、基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した２次元回折格子から成る回折層とを備えた面発光素子において、前記回折層は、第１媒質の占める体積と第２媒質の占める体積との合計に対する第２媒質の占める体積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴としている。
【００１０】
この構成によると、第１媒質中には円柱、角柱、円錐、角錐、円錐台、角錐台等の形状から成る第２媒質が点在し、第１媒質と第２媒質の合計の体積に対して第２媒質の体積が２５％以上６０％以下になっている。従って、２次元回折格子が第１、第２媒質のみから成る場合は、回折層の全体の体積の２５％以上６０％以下が第２媒質から成る。
【００１１】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、前記２次元回折格子のピッチを０．１μｍ〜４μｍにしたことを特徴としている。
【００１２】
また本発明は、基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した散乱体とを備えた面発光素子において、前記散乱体は、第１媒質の占める面積と第２媒質の占める面積との合計に対する第２媒質の占める面積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴としている。
【００１３】
この構成によると、第１媒質中に第２媒質を非周期的に配列して散乱体が構成される。第１媒質中には第２媒質が点在し、第１媒質中には第２媒質が点在し、第１媒質と第２媒質の合計の面積に対して第２媒質の面積が２５％以上６０％以下になっている。従って、散乱体が第１、第２媒質のみから成る場合は、散乱体の全体の面積の２５％以上６０％以下が第２媒質から成る。尚、第２媒質が占める各領域の径が深さ方向に変化する場合は、径の平均値や径の中央値を示す断面において第１媒質及び第２媒質の面積が上記の関係であればよい。
【００１４】
また本発明は、基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した散乱体から成る散乱層とを備えた面発光素子において、前記散乱層は、第１媒質の占める体積と第２媒質の占める体積との合計に対する第２媒質の占める体積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴としている。
【００１５】
この構成によると、第１媒質中には円柱、角柱、円錐、角錐、円錐台、角錐台等の形状から成る第２媒質が点在し、第１媒質と第２媒質の合計の体積に対して第２媒質の体積が２５％以上６０％以下になっている。従って、散乱層が第１、第２媒質のみから成る場合は、散乱層の全体の体積の２５％以上６０％以下が第２媒質から成る。
【００１６】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、隣接する第２媒質の間隔の平均値を０．１μｍ〜４μｍにしたことを特徴としている。
【００１７】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、第１媒質が前記基板から成るとともに、前記基板に設けられた孔に第２媒質が充填されることを特徴としている。この構成によると、基板から成る第１媒質中に第２媒質が配列される。孔に充填される第２媒質が空気から成ってもよい。
【００１８】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、第２媒質が前記基板から成るとともに、前記基板の一部を除去して設けられた柱状部の周囲に第１媒質が充填されることを特徴としている。この構成によると、第１媒質中に基板の柱状部から成る第２媒質が配列される。柱状部の周囲に充填される第１媒質が空気から成ってもよい。
【００１９】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、第１、第２媒質の一方がガラスから成るとともに、他方が空気または透明電極から成ることを特徴としている。この構成によると、面発光素子は、ガラスから成る第１媒質中に空気またはＩＴＯ等の透明電極から成る第２媒質を配列した２次元回折格子または散乱体を有する。また、面発光素子は、空気または透明電極から成る第１媒質中にガラスから成る第２媒質を配列した２次元回折格子または散乱体を有する。
【００２０】
また本発明は、上記構成の面発光素子において、第１、第２媒質の一方が透明電極から成るとともに、他方が空気または前記発光層を構成する材料から成ることを特徴としている。この構成によると、面発光素子は、透明電極から成る第１媒質中に空気または有機化合物等の発光層を構成する材料から成る第２媒質を配列した２次元回折格子または散乱体を有する。また、面発光素子は、空気または発光層を構成する材料から成る第１媒質中に透明電極から成る第２媒質を配列した２次元回折格子または散乱体を有する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、第１媒質中に第２媒質を２次元配列した２次元回折格子の第１媒質及び第２媒質の占める面積に対する第２媒質の占める面積の割合を２５％以上６０％以下にしたので、基板から出射される光の取出し効率を著しく向上することができる。更に好ましくは、第１媒質及び第２媒質の占める面積に対する第２媒質の占める面積の割合を３０％〜５５％にすることで、更に光取出し効率を向上することができる。
【００２２】
本発明によると、第１媒質中に第２媒質を２次元配列した２次元回折格子を有する回折層の第１媒質及び第２媒質の占める体積に対する第２媒質の占める体積の割合を２５％以上６０％以下にしたので、基板から出射される光の取出し効率を著しく向上することができる。更に好ましくは、第１媒質及び第２媒質の占める体積に対する第２媒質の占める体積の割合を３０％〜５５％にすることで、更に光取出し効率を向上することができる。
【００２３】
また本発明によると、２次元回折格子のピッチを０．１μｍ〜４μｍにしたので、所定方向に光を回折する２次元回折格子を容易に実現することができる。
【００２４】
本発明によると、第１媒質中に第２媒質を配列した散乱体の第１媒質及び第２媒質の占める面積に対する第２媒質の占める面積の割合を２５％以上６０％以下にしたので、基板から出射される光の取出し効率を著しく向上することができる。
【００２５】
本発明によると、第１媒質中に第２媒質を配列した散乱体を有する散乱層の第１媒質及び第２媒質の占める体積に対する第２媒質の占める体積の割合を２５％以上６０％以下にしたので、基板から出射される光の取出し効率を著しく向上することができる。
【００２６】
また本発明によると、隣接する第２媒質の平均間隔を０．１μｍ〜４μｍにしたので、所定方向に光を散乱する散乱体を容易に実現することができる。
【００２７】
また本発明によると、第１媒質が前記基板から成るとともに、該基板に設けられた孔に第２媒質が充填されるので、２次元回折格子または散乱体を容易に形成することができる。
【００２８】
また本発明によると、第２媒質が前記基板から成るとともに、該基板の一部を除去して設けられた柱状部の周囲に第１媒質が充填されるので、２次元回折格子または散乱体を容易に形成することができる。
【００２９】
また本発明によると、第１、第２媒質の一方がガラスから成るとともに、他方が空気または透明電極から成るので、２次元回折格子または散乱体を容易に形成することができる。
【００３０】
また本発明によると、第１、第２媒質の一方が透明電極から成るとともに、他方が空気または発光層を構成する材料から成るので、２次元回折格子または散乱体を容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の面発光素子を示す側面図である。面発光素子１は透明基板であるガラス基板２上に回折層３、透明電極４、発光層５、背面電極６が順に設けられている。ここではガラス基板を用いているが、例えば透明樹脂等の他の材料から成る透明基板にしてもよい。透明電極４はＩＴＯやＩＺＯ等の透明導電性材料から成っている。
【００３２】
発光層５は有機化合物の発光材料から成っている。これにより、面発光素子１は有機ＥＬ素子を構成する。以下、面発光素子１が有機ＥＬ素子の場合について説明するが、これに限らず各種の面発光型の発光素子であってもよい。例えば、面発光素子１が無機ＥＬ素子やＬＥＤであってもよい。
【００３３】
発光層５は機能分離された複数の有機物層を積層して構成されていてもよいし、発光層５と各電極との間に電荷注入層、電荷輸送層、バッファ層等の他の機能層を設けてもよい。また、同図では所謂ボトムエミッションタイプの有機ＥＬ素子を示しているが、トップエミッションタイプの有機ＥＬ素子であってもよい。
【００３４】
背面電極６は光を反射するアルミニウム等の材料から成っている。透明電極４と背面電極６間に電圧を印加することにより、透明電極４から注入された正孔と背面電極６から注入された電子が再結合して発光層５が発光する。
【００３５】
回折層３は屈折率の異なる媒質が周期的に２次元配列された２次元回折格子から成っている。図２、図３は回折層３の２次元回折格子３０を示す平面図及び側面断面図である。２次元回折格子３０はガラス基板２に所定周期で円柱状の孔２ｂをフォトリソ法によるマスクパターンの形成及びドライエッチング等の方法で形成して構成されている。これにより、屈折率が１．５のガラス基板２から成る第１媒質３１中に屈折率が１の空孔から成る第２媒質３２が配列された正方格子になっている。
【００３６】
２次元周期構造のピッチＴは０．１μｍ〜４μｍで形成されている。また、第１媒質３１の占める面積と第２媒質３２の占める面積の合計に対する第２媒質３２の占める面積の割合は２５％以上６０％以下になっている。即ち、２次元回折格子３０が第１、第２媒質３１、３２のみから成る場合は、全面積の２５％以上６０％以下が第２媒質３２から成っている。
【００３７】
上記構成の面発光素子１において、透明電極４と背面電極６との間に電圧が印加されるか、もしくは電流が注入されると発光層５が発光する。発光した光は透明電極４を透過し、回折層３で出射面２ａ（図１参照）の方向に回折する。そして、ガラス基板２を透過して出射面２ａから出射される。また、一部の光は背面電極６で反射して透明電極４に到達し、同様に回折層３で回折して出射面２ａから出射される。
【００３８】
図４は本実施形態の面発光素子１の光の伝播状態を示しており、発光層５の一点の光発生源Ｌが発光した場合の典型的なシミュレーション図である。Ａは空気層を示している。また、図５は比較のため、回折層３を設けない場合を示している。尚、理解容易のため、素子の部分拡大図を併せて記載している。これらの図から明らかなように、本実施形態の面発光素子１は出射面２ａから出射される光が増加し、光の取出し効率が向上する。
【００３９】
本実施形態によると、第１媒質３１中に第２媒質３２を配列した２次元回折格子３０の第１媒質３１の占める面積と第２媒質３２の占める面積の合計に対する第２媒質３２の占める面積の割合を２５％以上６０％以下にしたので、ガラス基板２から出射される光の取出し効率を従来よりも向上させることができる。また、２次元回折格子３０のピッチＴを０．１μｍ〜４μｍにしたので、所定方向に光を回折する２次元回折格子３０を容易に実現することができる。
【００４０】
回折層３は透明電極４とガラス基板２との間に設けると製造が比較的容易であり且つ発光層５に近い位置に配置されるため高い効果が得られやすいが、出射面２ａに設けてもよい。また、２次元回折格子３０を正方格子により構成しているが、斜交格子（図６（ａ）参照）、直交格子（図６（ｂ）参照）、面心格子（図６（ｃ）参照）、六方格子（図６（ｄ）参照）でもよい。
【００４１】
第２媒質３２は第１媒質３１と屈折率が異なっていればよく、孔２ｂ（図２参照）にＩＴＯ等の透明導電性材料を充填してもよい。これにより、屈折率が１．５のガラスを第１媒質３１として例えば屈折率が１．９のＩＴＯを第２媒質３２とする２次元回折格子３０が得られる。
【００４２】
また、第２媒質３２を充填する孔２ｂは円柱状になっているが、角柱形状でもよい。また、円錐、角錐、円錐台、角錐台等の深さ方向に断面積が一定しない形状でもよい。このとき、回折層３の第１媒質３１の占める体積と第２媒質３２の占める体積の合計に対する第２媒質３２の占める体積の割合が２５％以上６０％以下になっていればよい。
【００４３】
また、図７に示すように、２次元回折格子３０はガラス基板２の一部を除去して柱状部２ｃを形成し、柱状部２ｃの周囲にガラス基板２と屈折率の異なる空気やＩＴＯ等を充填してもよい。この時、柱状部２ｃの周囲に充填される媒質が第１媒質３１となり、柱状部２ｃが第２媒質３２となる。
【００４４】
尚、回折層３を透明電極４と発光層５との界面に設けることも可能であり、この場合も光取出し効率を向上することができる。この場合、第１媒質３１が透明導電性材料から成り、第２媒質３２が空気或いは有機化合物等の発光層５を構成する材料から成る。また、前述の図７と同様に、柱状部２ｃから成る第２媒質３２を透明導電性材料により形成してもよい。
【００４５】
次に、図８は第２実施形態の面発光素子１０を示す側面図である。本実施形態の面発光素子１０は、前述の図１〜図７に示す形態の回折層３に替えて散乱層７が設けられている。その他の部分は第１実施形態と同様である。
【００４６】
散乱層７は屈折率の異なる媒質が非周期的に配列された散乱体から成っている。図９は散乱層７の散乱体７０の例を示す平面図である。散乱体７０はガラス基板２に円柱状の孔２ｂをランダムに形成して構成されている。孔２ｂはランダムパターンの形成されたマスクを介してＵＶ照射を行うフォトリソ法等によってマスク層を形成し、更にドライエッチングを行うなどの方法により形成される。これにより、屈折率が１．５のガラス基板２から成る第１媒質３１中に屈折率が１の空孔から成る第２媒質３２が配列され、光を散乱する散乱体７０になっている。
【００４７】
隣接する第２媒質３２の間隔（各第２媒質３２領域の中心間距離）Ｄは平均値が０．１μｍ〜４μｍで形成されている。また、第１媒質３１の占める面積と第２媒質３２の占める面積の合計に対する第２媒質３２の占める面積の割合は２５％以上６０％以下になっている。即ち、散乱体７０が第１、第２媒質３１、３２のみから成る場合は散乱体７０の全面積の２５％以上６０％以下が第２媒質３２から成っている。
【００４８】
上記構成の面発光素子１において、透明電極４と背面電極６との間に電圧が印加されると発光層５が発光する。発光した光は透明電極４を透過し、散乱層７で出射面２ａ（図１参照）の方向に散乱する。そして、ガラス基板２を透過して出射面２ａから出射される。また、一部の光は背面電極６で反射して透明電極４に到達し、同様に散乱層７で散乱して出射面２ａから出射される。
【００４９】
本実施形態によると、第１媒質３１中に第２媒質３２を配列した散乱体７０の第１媒質３１の占める面積と第２媒質３２の占める面積の合計に対する第２媒質３２の占める面積の割合を２５％以上６０％以下にしたので、第１実施形態と同様に、ガラス基板２から出射される光の取出し効率を従来よりも向上させることができる。また、隣接する第２媒質３２の間隔Ｄの平均値を０．１μｍ〜４μｍにしたので、所定方向に光を散乱する散乱体７０を容易に実現することができる。
【００５０】
散乱層７は透明電極４とガラス基板２との間に設けているが、透明電極と発光層５との界面に設けてもよく、出射面２ａに設けてもよい。第２媒質３２は第１媒質３１と屈折率が異なっていればよく、孔２ｂ（図９参照）にＩＴＯ等の透明導電性材料を充填してもよい。
【００５１】
また、第２媒質３２を充填する孔２ｂは円柱状になっているが、角柱形状でもよい。また、円錐、角錐、円錐台、角錐台等の深さ方向に断面積が一定しない形状でもよい。このとき、散乱層７の第１媒質３１の占める体積と第２媒質３２の占める体積の合計に対する第２媒質３２の占める体積の割合が２５％以上６０％以下になっていればよい。また、前述の図７と同様に、ガラス基板２の一部を除去して柱状部２ｃを形成し、柱状部２ｃの周囲にガラス基板２と屈折率の異なる空気やＩＴＯ等を充填してもよい。
【００５２】
また、散乱層７を透明電極４と発光層５との界面に設けることも可能であり、この場合も光取出し効率を向上することができる。この場合、第１媒質３１がＩＴＯ等の透明導電性材料から成り、第２媒質３２が空気或いは発光層５を構成する材料から成る。また、前述の図７と同様に、柱状部２ｃから成る第２媒質３２を透明導電性材料により形成してもよい。
【実施例１】
【００５３】
図１０は前述の図２に示す正方格子から成る２次元回折格子３０を用いた第１実施例の面発光素子１の光取出し効率をシミュレーションした結果を示す図である。第１媒質３１はガラスから成り、第２媒質３２は空気から成る。縦軸は回折層３を設けなかった場合を１とし、発光層５として波長が５２０ｎｍにピークを持つ緑色発光材料を用いたときの波長が５２０ｎｍの光の光取出し効率を示している。
【００５４】
横軸は円柱状の孔２ｂの２次元回折格子３０全体に対する占積率を示している（ここでは、占積率は第１媒質３１の占める面積と第２媒質３２の占める面積との合計に対する第２媒質３２の占める面積の割合と等しい。また、回折層３の厚みが一定であるため、第１媒質３１の占める体積と第２媒質３２の占める体積との合計に対する第２媒質３２の占める体積の割合とも等しい。）。また、正方格子のピッチＴは３００ｎｍ、孔２ｂの深さは２００ｎｍであり、孔２ｂの直径を可変している。
【００５５】
同図によると、光取出し効率は第２媒質３２の占積率の全域にわたって向上して約５０％の時に最大となり、５０％付近をピークとしてその前後で非常に高い値を示している。
【００５６】
実際に、孔２ｂの直径を１５０ｎｍ、２２０ｎｍにし、正方格子でピッチＴが３００ｎｍ、深さが２００ｎｍになるように面発光素子１を試作した。製造方法はフォトリソ法及びドライエッチングでガラス基板２に孔２ｂを形成し、孔２ｂに空気が充填されるような条件でＩＴＯを成膜し、更に有機発光層及びアルミニウムを順次成膜した。
【００５７】
孔２ｂの直径が１５０ｎｍの場合は、占積率が１９．６％である（第１媒質３１に対する第２媒質３２の面積の割合で表わすと２４．４％に相当する）。孔２ｂの直径が２２０ｎｍの場合は、占積率が４２．２％である（第１媒質３１に対する第２媒質３２の面積の割合で表わすと７３．０％に相当する）。
【００５８】
その結果、面発光素子１の光取出し効率は回折層３を設けなかった場合に比して、孔２ｂの直径が１５０ｎｍの場合が１．２倍、直径が２２０ｎｍの場合が１．８倍であった。従って、シミュレーションと同様の傾向を示す結果が得られた。
【実施例２】
【００５９】
図１１は前述の図２に示す正方格子から成る２次元回折格子３０を用いた第２実施例の面発光素子１の光取出し効率の典型的なシミュレーション結果を示す図である。第１媒質３１はガラスから成り、第２媒質３２はＩＴＯから成る。その他は第１実施例と同一である。
【００６０】
同図によると、光取出し効率は第２媒質３２の占積率の全域にわたって向上して約５０％の時に最大となり、５０％付近をピークとしてその前後で非常に高い値を示している。
【００６１】
実際に、孔２ｂの直径を１５０ｎｍ（占積率１９．６％）、２２０ｎｍ（占積率４２、２％）とし、正方格子でピッチＴが３００ｎｍ、深さが２００ｎｍの面発光素子１を試作した。製造方法はフォトリソ法及びドライエッチングでガラス基板２に孔２ｂを形成し、孔２ｂにＩＴＯが充填されるような条件でＩＴＯを成膜し、更に有機発光層及びアルミニウムを順次成膜した。
【００６２】
その結果、面発光素子１の光取出し効率は回折層３を設けなかった場合に比して、孔２ｂの直径が１５０ｎｍの場合が１．２倍、直径が２２０ｎｍの場合が１．９倍であった。従って、シミュレーションと同様の傾向を示す結果が得られた。
【実施例３】
【００６３】
図１２は前述の図７に示す正方格子から成る２次元回折格子３０を用いた第３実施例の面発光素子１の光取出し効率の典型的なシミュレーション結果を示す図である。縦軸は回折層３を設けなかった場合を１として、発光層５として波長が５２０ｎｍにピークを持つ緑色発光材料を用いたときの波長が５２０ｎｍの光の光取出し効率を示している。横軸は円柱状の柱状体２ｃの２次元回折格子３０全体に対する占積率を示している。第１媒質３１は空気から成り、第２媒質３２はガラスから成る。正方格子のピッチＴは３００ｎｍ、柱状体２ｃの高さは２００ｎｍであり、柱状体２ｃの直径を可変している。
【００６４】
同図によると、光取出し効率は第２媒質３２の占積率の全域にわたって向上して約４３％の時に最大となり、４３％付近をピークとしてその前後で非常に高い値を示している。
【実施例４】
【００６５】
図１３は前述の図７に示す正方格子から成る２次元回折格子３０を用いた第４実施例の面発光素子１の光取出し効率の典型的なシミュレーション結果を示す図である。第１媒質３１はＩＴＯから成り、第２媒質３２はガラスから成る。その他は第３実施例と同一である。
【００６６】
同図によると、光取出し効率は第２媒質３２の占積率の全域にわたって向上して約４２％の時に最大となり、４２％付近をピークとしてその前後で非常に高い値を示している。
【００６７】
第１〜第４実施例から明らかなように、第１媒質の占める面積と第２媒質の占める面積との合計に対する第２媒質の占める面積の割合を２５％〜６０％の範囲にすると、第１媒質や第２媒質の組合わせや第２媒質の配列等に関わらず、最大の光取出し効率のほぼ８５％以上に相当する極めて高い光取出し効率を得ることができる。更に、上記割合を３０％〜５５％の範囲にすると、より光取出し効率を向上することができ、最大の光取出し効率のほぼ９０％以上に相当する極めて高い光取出し効率が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子等の面発光素子に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１実施形態の面発光素子を示す正面図
【図２】本発明の第１実施形態の面発光素子の２次元回折格子を示す平面図
【図３】本発明の第１実施形態の面発光素子の２次元回折格子を示す正面断面図
【図４】本発明の第１実施形態の面発光素子の光の伝播状態を示す図
【図５】従来の面発光素子の光の伝播状態を示す図
【図６】本発明の第１実施形態の面発光素子の他の２次元回折格子を示す平面図
【図７】本発明の第１実施形態の面発光素子の他の２次元回折格子を示す平面図
【図８】本発明の第２実施形態の面発光素子を示す正面図
【図９】本発明の第２実施形態の面発光素子の散乱体を示す平面図
【図１０】本発明の第１実施例の面発光素子の光取出し効率を示す図
【図１１】本発明の第２実施例の面発光素子の光取出し効率を示す図
【図１２】本発明の第３実施例の面発光素子の光取出し効率を示す図
【図１３】本発明の第４実施例の面発光素子の光取出し効率を示す図
【符号の説明】
【００７０】
１、１０ 面発光素子
２ ガラス基板
２ａ 出射面
２ｂ 孔
２ｃ 柱状部
３ 回折層
４ 透明電極
５ 発光層
６ 背面電極
７ 散乱層
３０ ２次元回折格子
３１ 第１媒質
３２ 第２媒質
７０ 散乱体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した２次元回折格子とを備えた面発光素子において、前記２次元回折格子は、第１媒質の占める面積と第２媒質の占める面積との合計に対する第２媒質の占める面積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴とする面発光素子。
【請求項２】
基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した２次元回折格子から成る回折層とを備えた面発光素子において、前記回折層は、第１媒質の占める体積と第２媒質の占める体積との合計に対する第２媒質の占める体積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴とする面発光素子。
【請求項３】
前記２次元回折格子のピッチを０．１μｍ〜４μｍにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光素子。
【請求項４】
基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した散乱体とを備えた面発光素子において、前記散乱体は、第１媒質の占める面積と第２媒質の占める面積との合計に対する第２媒質の占める面積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴とする面発光素子。
【請求項５】
基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した散乱体から成る散乱層とを備えた面発光素子において、前記散乱層は、第１媒質の占める体積と第２媒質の占める体積との合計に対する第２媒質の占める体積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴とする面発光素子。
【請求項６】
隣接する第２媒質の間隔の平均値を０．１μｍ〜４μｍにしたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の面発光素子。
【請求項７】
第１媒質が前記基板から成るとともに、前記基板に設けられた孔に第２媒質が充填されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項８】
第２媒質が前記基板から成るとともに、前記基板の一部を除去して設けられた柱状部の周囲に第１媒質が充填されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項９】
第１、第２媒質の一方がガラスから成るとともに、他方が空気または透明電極から成ることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項１０】
第１、第２媒質の一方が透明電極から成るとともに、他方が空気または前記発光層を構成する材料から成ることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項１】
基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した２次元回折格子とを備えた面発光素子において、前記２次元回折格子は、第１媒質の占める面積と第２媒質の占める面積との合計に対する第２媒質の占める面積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴とする面発光素子。
【請求項２】
基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した２次元回折格子から成る回折層とを備えた面発光素子において、前記回折層は、第１媒質の占める体積と第２媒質の占める体積との合計に対する第２媒質の占める体積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴とする面発光素子。
【請求項３】
前記２次元回折格子のピッチを０．１μｍ〜４μｍにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光素子。
【請求項４】
基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した散乱体とを備えた面発光素子において、前記散乱体は、第１媒質の占める面積と第２媒質の占める面積との合計に対する第２媒質の占める面積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴とする面発光素子。
【請求項５】
基板上に形成されるとともに電圧の印加もしくは電流の注入により発光する発光層と、屈折率の異なる第１、第２媒質を有して第１媒質中に第２媒質を２次元的に配列した散乱体から成る散乱層とを備えた面発光素子において、前記散乱層は、第１媒質の占める体積と第２媒質の占める体積との合計に対する第２媒質の占める体積の割合が２５％以上６０％以下であることを特徴とする面発光素子。
【請求項６】
隣接する第２媒質の間隔の平均値を０．１μｍ〜４μｍにしたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の面発光素子。
【請求項７】
第１媒質が前記基板から成るとともに、前記基板に設けられた孔に第２媒質が充填されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項８】
第２媒質が前記基板から成るとともに、前記基板の一部を除去して設けられた柱状部の周囲に第１媒質が充填されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項９】
第１、第２媒質の一方がガラスから成るとともに、他方が空気または透明電極から成ることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項１０】
第１、第２媒質の一方が透明電極から成るとともに、他方が空気または前記発光層を構成する材料から成ることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の面発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−１１４４３２（Ｐ２００６−１１４４３２Ａ）
【公開日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３０２９４７（Ｐ２００４−３０２９４７）
【出願日】平成１６年１０月１８日（２００４．１０．１８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１８日（２００４．１０．１８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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