特開 2023-166821 光源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023166821

(43)【公開日】2023-11-22

(54)【発明の名称】光源装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/58 20100101AFI20231115BHJP

   H01L 33/50 20100101ALI20231115BHJP

   G02B 5/26 20060101ALI20231115BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20231115BHJP

【ＦＩ】

H01L33/58

H01L33/50

G02B5/26

G02B5/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022077627

(22)【出願日】2022-05-10

(71)【出願人】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(71)【出願人】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001025

【氏名又は名称】弁理士法人レクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村井 俊介

(72)【発明者】

【氏名】秋野 貴志

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼島 啓次郎

(72)【発明者】

【氏名】鎌倉 涼介

【テーマコード（参考）】

2H148

2H249

5F142

【Ｆターム（参考）】

2H148FA01

2H148FA05

2H148FA15

2H148FA24

2H249AA03

2H249AA13

2H249AA46

2H249AA55

2H249AA64

5F142AA22

5F142BA02

5F142BA32

5F142CA03

5F142CA11

5F142CB01

5F142CB03

5F142CD16

5F142CD44

5F142CD48

5F142CE22

5F142CG04

5F142CG05

5F142CG24

5F142DA02

5F142DA14

5F142DB20

5F142DB30

(57)【要約】      （修正有）

【課題】視感度の高い光を効率良く取り出すことを可能とする光源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】光を出射する発光層を含む半導体層を含み、上面を出射面とする発光素子と、前記発光素子上に設けられ、前記光によって励起され第１の波長範囲の蛍光を出射する蛍光体を含む蛍光体層と、前記蛍光体層の上面に設けられ、上面視において、金属又は金属酸化物からなる複数のナノアンテナが前記蛍光のピーク波長よりも短い波長範囲にある第２の波長範囲の波長に応じた所定の周期で配列されたアンテナアレイを含み、前記光及び前記蛍光に対して透光性を有する材料からなる回折光学素子層と、前記回折光学素子層の上面に設けられ、前記第２の波長範囲の光に反射性を有する誘電体多層膜と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を出射する発光層を含む半導体層を含み、上面を出射面とする発光素子と、
前記発光素子上に設けられ、前記光によって励起され第１の波長範囲の蛍光を出射する蛍光体を含む蛍光体層と、
前記蛍光体層の上面に設けられ、上面視において、金属又は金属酸化物からなる複数のナノアンテナが前記蛍光のピーク波長よりも短い波長範囲にある第２の波長範囲の波長に応じた所定の周期で配列されたアンテナアレイを含み、前記光及び前記蛍光に対して透光性を有する材料からなる回折光学素子層と、
前記回折光学素子層の上面に設けられ、前記第２の波長範囲の光に反射性を有する誘電体多層膜と、を有する光源装置。

【請求項2】

前記回折光学素子層は、
前記蛍光体層の上面に形成されかつ前記光及び前記蛍光に対して透光性を有する第１の透光性層と、
前記第１の透光性層の上面に、上面視において前記所定の周期で配列された前記複数のナノアンテナと、
前記第１の透光性層の上面において前記複数のナノアンテナを埋設するように形成され、かつ前記光及び前記蛍光に対して透光性を有する第２の透光性層と、を含む請求項１に記載の光源装置。

【請求項3】

前記第１の透光性層の屈折率は、前記蛍光体層の屈折率よりも高い請求項２に記載の光源装置。

【請求項4】

前記第２の波長範囲の波長λ、前記所定の周期又は前記所定の周期に√３／２を乗じた結果をa、前記回折光学素子層への光の入射角をθ_ｉｎ、前記複数のナノアンテナの周囲の部材の屈折率をｎ、回折の次数をｍ_１及びｍ_２とし、
回折の波数ベクトルの平行成分を以下の式で表し、

【数1】

入射の波数ベクトルの平行成分を以下の式で表すと、

【数2】

前記複数のナノアンテナによって回折が起こる条件は、次式

【数3】

によって表される請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光源装置。

【請求項5】

前記第２の波長範囲は、前記第１の波長範囲の下限を含む波長範囲内にある請求項１に記載の光源装置。

【請求項6】

前記第２の波長範囲は５１０ｎｍ以下の波長範囲を含む波長範囲である請求項１に記載の光源装置。

【請求項7】

前記複数のナノアンテナは、六方格子状又は正方格子状の配列パターンで配列されている請求項１に記載の光源装置。

【請求項8】

前記複数のナノアンテナの各々は、円柱、円錐、角柱、又は角錐の形状を有している請求項１に記載の光源装置。

【請求項9】

前記複数のナノアンテナは、Ａｌ，Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、又はＴｉＯ_２からなる請求項１に記載の光源装置。

【請求項10】

前記第１の透光性層は、ＴｉＯ_２又はＴａ_２Ｏ_５からなる請求項２又は３に記載の光源装置。

【請求項11】

前記第２の透光性層は、ＳｉＯ_２からなる請求項２又は３に記載の光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、波長変換を伴って光を出射する光源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特定の波長域の励起光によって励起されて蛍光を放出する蛍光体を用いて、発光素子から出射された光と、当該光が蛍光体によって波長変換された光との混色によって所望の波長域の光を取り出す光源装置が知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、蛍光体プレートの励起光受光面に、励起光を透過し、かつ、当該蛍光体プレートが発する蛍光を反射する誘電体多層膜が形成されている蛍光光源装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６０５６７２４号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】R. Kamakura, S. Murai, Y. Yokobayashi, K. Takashima, M. Kuramoto, K. Fujita, and K. Tanaka, J. Appl. Phys. 124, 213105(2018), "Enhanced photoluminescence and directional white-light generation by plasmonic array"

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

例えば、上記のような蛍光体を含む蛍光体層上に誘電体多層膜を設けて、蛍光体層からの蛍光のうちの特定の波長域の視感度の低い光を選択的に蛍光体層側へ反射させることによって当該特定の波長の光をより視感度の高い波長に変換して有効利用することが考えられる。この場合、蛍光体層から出射する光は、出射面から等方的に拡散するランバーシアン配光であるため、特定の波長であっても、誘電体多層膜に対する入射角に幅があり、一部が誘電体多層膜を透過する。その場合、視感度が低い光を有効利用できないことが課題となっていた。

【0007】

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、視感度の高い光を効率良く取り出すことを可能とする光源装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明による光源装置は、光を出射する発光層を含む半導体層を含み、上面を出射面とする発光素子と、前記発光素子上に設けられ、前記光によって励起され第１の波長範囲の蛍光を出射する蛍光体を含む蛍光体層と、前記蛍光体層の上面に設けられ、上面視において、金属又は金属酸化物からなる複数のナノアンテナが前記蛍光のピーク波長よりも短い波長範囲にある第２の波長範囲の波長に応じた所定の周期で配列されたアンテナアレイを含み、前記光及び前記蛍光に対して透光性を有する材料からなる回折光学素子層と、前記回折光学素子層の上面に設けられ、前記第２の波長範囲の光に反射性を有する誘電体多層膜と、を有する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例に係る光源装置の上面図である。

【図2】実施例に係る光源装置の断面図である。

【図3】図２の一部を拡大した部分拡大断面図である。

【図4】実施例におけるナノアンテナの平面形状及び配列パターンを示す図である。

【図5】励起光及び白色ＬＥＤのスペクトルと視感度との関係を示す図である。

【図6】実施例に係る回折線を示す図である。

【図7】変形例に係るナノアンテナの配列パターンを示す図である。

【図8】変形例に係る回折線を示す図である。

【図9】ナノアンテナの形状の他の例を示す上面図である。

【図10】ナノアンテナの形状及び配列パターンの他の例を示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。

【実施例0011】

添付図面を参照しつつ、本実施例に係る光源装置１０の構成について説明する。

【0012】

まず、図１及び図２を参照しつつ、光源装置１０の全体の構成について説明する。

【0013】

図１は、光源装置１０の上面図である。図２は、図１に示す光源装置１０を図１中の２－２線に沿って切断した断面図である。

【0014】

光源装置１０は、実装基板１１上に実装された発光素子１３及び発光素子１３の光出射面上に設けられた波長変換部材１５を含んで構成されている。

【0015】

実装基板１１は、上面が矩形の実装面１１Ｓとなっている基板である。言い換えれば、実装基板１１は、実装面１１Ｓとしての上面に垂直な方向から見た上面視において、平面形状が長方形の平板状の基板である。実装基板１１は、例えば、ＡｌＮ、アルミナ等の材料からなる基板である。

【0016】

ｎ側給電パッド１７は、実装面１１Ｓに形成された平面形状が矩形の金属の配線電極パターンである。ｎ側給電パッド１７の１の辺は、実装基板１１の短辺に平行に設けられている。ｎ側給電パッド１７は、例えば実装基板１１を貫通するスルーホール１７Ｈ及び実装基板１１の下面に設けられたｎ側裏面配線１８を介して外部の電源に接続可能に形成されている。

【0017】

ｐ側給電パッド１９は、実装面１１Ｓに、ｎ側給電パッド１７と離間して形成された平面形状が長方形の金属の配線電極パターンである。ｐ側給電パッド１９は、実装面１１Ｓの一方の短辺と、ｎ側給電パッド１７との間に設けられている。ｐ側給電パッド１９の長辺は、近接するｎ側給電パッド１７の辺に対応する長さ、例えば同じ長さである。ｐ側給電パッド１９は、例えば実装基板１１を貫通するスルーホール１９Ｈを及び実装基板１１の下面に設けられたｐ側裏面配線２０を介して外部の電源に接続可能に形成されている。

【0018】

発光素子１３の構成について説明する。

【0019】

支持基板２１は、平面形状がｎ給電パッドの平面形状と同一の矩形の平板状の基板であり、発光素子１３の構成要素である。支持基板２１は、Ｓｉ基板等の導電性を有する基板である。支持基板２１は、実装面１１Ｓ上に、主面が実装面１１Ｓに平行となるように配置されている。支持基板２１は、上面視においてｎ側給電パッド１７と重なるように配置されている。

【0020】

裏面電極２３は、支持基板２１の実装面１１Ｓに面した主面、すなわち支持基板２１の下面に形成された金属膜であり、発光素子１３の構成要素である。裏面電極２３は、例えば導電性の接合材（図示せず）を介して、ｎ側給電パッド１７に接合されている。すなわち、裏面電極２３がｎ側給電パッド１７に接合されることで、支持基板２１と実装基板１１とが接合されている。

【0021】

半導体積層体２５は発光素子１３の構成要素であり、支持基板２１の上面に設けられており、かつ活性層を含む複数の半導体層からなる。半導体積層体２５は矩形の平面形状を有し、各辺が支持基板２１の各辺に平行となるように配置されている。

【0022】

半導体積層体２５は、金属の接合層（図示せず）を介して支持基板２１の上面に貼り合わせられている。例えば、当該金属の接合層は、支持基板２１の上面において互いに離間しており、電気的に絶縁されている２つの層からなっている。２つの層の一方は支持基板２１と電気的に接続されており、他方は支持基板２１と、例えば、支持基板２１の上面に形成された絶縁層によって電気的に絶縁されている。

【0023】

より詳細には、半導体積層体２５は、支持基板２１側から、ｐ型半導体層、活性層及びｎ型半導体層がこの順に積層されて構成されている。活性層から出射される出射光の波長は、半導体積層体２５の材料及び組成に応じた波長となる。半導体積層体２５の上面が光出射面となる。

【0024】

本実施例において、例えば、半導体積層体２５のｐ型半導体層は、ＭｇドープＧａＮ層である。半導体積層体２５の活性層（発光層）は、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層からなる多重量子井戸構造を有する半導体層である。半導体積層体２５のｎ型半導体層は、例えばＳｉドープＧａＮ層である。また、半導体積層体２５の活性層からは、約４５０ｎｍの波長の青色光が出射される。

【0025】

半導体積層体２５のｐ型半導体層は、上記した接合層のうち支持基板２１と絶縁されている接合層と電気的に接続されている。半導体積層体２５のｎ型半導体層は、支持基板２１と電気的に接続されている接合層と電気的に接続されている。

【0026】

給電部２７は、発光素子１３の構成要素であり、支持基板２１上に設けられた金属の電極である。給電部２７は、長方形の形状を有し、長辺が半導体積層体２５の一辺と平行になるように配置されている。

【0027】

例えば、給電部２７は、例えば支持基板２１の上面に形成された絶縁層（図示せず）によって支持基板２１と絶縁されている。また、給電部２７は、上述した支持基板２１の前記支持基板２１と絶縁されている方の接合層（図示せず）と電気的に接続されている。従って、給電部２７は、半導体積層体２５のｐ型半導体層に電気的に接続されている。

【0028】

給電部２７は、ボンディングワイヤ２９を介して実装面１１Ｓ上に設けられたｐ側給電パッド１９に電気的に接続されている。

【0029】

このように、発光素子１３は、支持基板２１、裏面電極２３、半導体積層体２５、及び給電部２７を含んで構成されている。半導体積層体２５は、成長基板（図示せず）上に成長された活性層を含む複数の半導体層が接合層を介して支持基板２１に接合され、例えばレーザーリフトオフ等により成長基板が除去されたものである。

【0030】

つまり、発光素子１３は、いわゆるシンフィルム（Thin-film）型の貼り合わせ構造を有する上面発光タイプのＬＥＤ素子である。半導体積層体２５の上面は、発光素子１３の光出射面となる。

【0031】

波長変換部材１５は、発光素子１３の半導体積層体２５上に配置されており、発光素子１３の活性層から出射される光の波長を変換する部材である。波長変換部材１５は、直方体の形状を有している。図１及び図２に示すように、波長変換部材１５の下面は、半導体積層体２５の上面よりも僅かに大きく、半導体積層体２５の上面の外側まで広がっている。

【0032】

波長変換部材１５の下面は、透光性の接着材３１によって、発光素子１３の半導体積層体２５の上面に接着されている。すなわち、波長変換部材１５は、透光性の接着材３１を介して、発光素子１３に接着されている。

【0033】

以下、波長変換部材１５の構造について詳細に説明する。

【0034】

蛍光体層３５は、発光素子１３からの出射光によって励起されて蛍光を発する蛍光体等の波長変換材を含む層である。本実施例において、蛍光体層３５は、セリウムを発光中心としたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）の単相からなるセラミックス蛍光体プレートである。なお、蛍光体層３５は、例えばガラス製の支持体の表面に蛍光体を含む薄膜が形成されたプレートであってもよい。また、蛍光体層３５は、例えばＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体等の蛍光体粒子を含有する樹脂層であってもよい。

【0035】

上記のような蛍光体は、約４５０ｎｍの波長の青色光によって励起されて約４６０～７５０ｎｍの波長の黄色蛍光を発する。従って、本実施例において、発光素子１３の光出射面から出射された青色光が蛍光体層３５に導入されると、青色光の一部は波長変換されて黄色蛍光となり、残りは波長変換されずに蛍光体層３５を通過する。従って、蛍光体層３５を通過した青色光と、蛍光体層３５に含まれる蛍光体からの黄色蛍光とが蛍光体層３５の上面から出射される。

【0036】

蛍光体層３５の上面から出射する青色光と黄色蛍光との混色によって、光源装置１０から白色光が取り出される。安定した白色化を行うことを考慮すると、蛍光体層３５は４０～２００μｍの範囲内の厚さを有することが好ましい。本実施例において、蛍光体層３５の層厚は１００μｍである。

【0037】

蛍光は、励起された蛍光体から全方位に出射されるため、蛍光体層３５の上面から出射する蛍光は、蛍光体層３５の上面から等方的に拡散する。

【0038】

回折光学素子層３７は、層内に、言い換えれば実装面１１Ｓと平行な面内において配列された金属片からなる回折素子構造（図１及び２では図示せず）を有する回折機能層である。回折光学素子層３７は、蛍光体層３５の上面から回折光学素子層３７に入射した光を回折させることで、当該光の進行方向を実装面１１Ｓに垂直な軸である軸ＡＸに沿う方向に傾ける。言い換えれば、回折光学素子層３７は、回折光学素子層３７を経て誘電体多層膜３９に入射する光について、当該光の回折光学素子層３７への入射角よりも誘電体多層膜３９への入射角を小さくする機能を有する。

【0039】

誘電体多層膜３９は、蛍光体層３５からの蛍光のうちの特定の波長域の光を反射する機能を有する多層膜反射鏡である。具体的には、誘電体多層膜３９には、蛍光のうち、視感性の低い、蛍光の中で比較的短い波長域の光を反射するように構成されている。蛍光体から発せられた蛍光のうち、短い波長域の光は、再度蛍光体に入射することで蛍光体を励起することができる。

【0040】

誘電体多層膜３９の反射特性は、ブラッグ反射を用いるため、設計時に想定した範囲から外れた大きな入射角で入射する光に対しては、所望の反射特性が得られない。そこで、本実施例の光源装置１０は、回折光学素子層３７によって誘電体多層膜３９への入射角を小さくすることで、誘電体多層膜３９によって上記特定の波長の光に対する反射率を高めるように構成している。

【0041】

以上のように、波長変換部材１５は、蛍光体層３５と、蛍光体層３５上に形成された回折光学素子層３７と、回折光学素子層３７上に形成された誘電体多層膜３９とを含んで構成されている。

【0042】

波長変換部材１５に入射した励起光は、波長変換部材１５の上面１５Ｔに向かう。その際に、励起光の一部は蛍光体層３５において蛍光体を励起して黄色蛍光を発し、当該黄色蛍光の一部は、回折光学素子層３７及び誘電体多層膜３９からなる機能層によって狭角化及び反射されて蛍光体層３５に戻される。波長変換部材１５の上面１５Ｔは、光源装置１０の光取り出し面となる。

【0043】

反射部材４１（図１には図示せず）は、波長変換部材１５の側面を覆うように設けられている。反射部材４１は、光反射性の粒子を含む部材である。反射部材４１は、例えば、樹脂に光反射性の粒子を混合したものである。例えば、反射部材４１の光反射性の材料として、酸化チタン、酸化亜鉛、アルミナ等の粒子が用いられる。また、反射部材４１には、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。

【0044】

発光素子１３の光出射面から出射されて波長変換部材１５に入射した光のうち、波長変換部材１５の側面に進行した光は、波長変換部材１５と反射部材４１との界面で反射される。

【0045】

例えば、反射部材４１の上面と、波長変換部材１５の上面１５Ｔとは、発光素子１３の光出射面からの高さが同等となるように形成されている。

【0046】

反射部材４１は、発光素子１３及び波長変換部材１５の側面からの出射を防いで光取り出し効率を高める機能を有する。

【0047】

また、反射部材４１によって、発光素子１３、ｐ側給電パッド１９及びボンディングワイヤ２９が、実装基板１１上において埋設されている。反射部材４１は、光源装置１０の封止材としても機能し得る。

【0048】

続いて、図３を参照しつつ、回折光学素子層３７及び誘電体多層膜３９の構成及び機能について詳細に説明する。図３は、図２中の破線に囲まれた部分Ａを拡大して示す部分拡大断面図である。

【0049】

第１の透光性層４３は、蛍光体層３５上に形成されている。第１の透光性層４３は、発光素子１３からの励起光及び当該励起光が蛍光体によって波長変換された蛍光に対して透光性を有する材料からなる層である。また、第１の透光性層４３は、蛍光体層３５からの蛍光を効率良く導入する観点から、蛍光体層３５の屈折率よりも屈折率が高い材料からなる層である。

【0050】

本実施例で蛍光体層３５に使用しているＹＡＧ：Ｃｅの蛍光体プレートの屈折率は１．８２であり、第１の透光性層４３には、励起光及び蛍光に対して透光性を有し、かつ蛍光体層３５よりも屈折率が高いＴｉＯ_２（屈折率２．３３）を用いている。第１の透光性層４３の層厚は、例えば２００ｎｍである。

【0051】

第１の透光性層４３は、発光素子１３からの励起光及び蛍光体からの蛍光に対して透光性を有し、かつ、蛍光体層３５よりも屈折率が高い屈折率を有していれば、他の材料から構成されていてもよい。例えば、第１の透光性層４３には、励起光及び蛍光に対して透光性を有し、かつ蛍光体層３５よりも屈折率が高いＴａ_２Ｏ_５（屈折率２．１６５）を用いてもよい。

【0052】

第１の透光性層４３は、蛍光体層３５の上面に、例えばＥＢ蒸着等によって成膜することで形成される。

【0053】

ナノアンテナ４５は、上述した回折光学素子層３７内の回折格子構造を形成する構造体である。第１の透光性層４３上面に、層内方向において、言い換えれば実装面１１Ｓと平行な面内において互いに離間して複数配列された金属からなる柱状の構造体である。また、本実施例において、ナノアンテナ４５は、Ａｌ（アルミニウム）からなる。ナノアンテナ４５は、実装面１１Ｓと平行な面内において、言い換えれば上面視において、一定の周期及び一定の配列パターンで配列されてアンテナアレイを形成している。

【0054】

本実施例において、ナノアンテナ４５からなるアンテナアレイは、第１の透光性層４３の上面の全面に形成されている。

【0055】

図４は、本実施例におけるナノアンテナ４５の平面形状及び上面視における配列パターンを示す上面図である。図４に示すように、ナノアンテナ４５は、正方形の平面形状を有している。また、複数のナノアンテナ４５は、所定の周期Ｐで六方格子状の配列パターンで配列されてアンテナアレイを形成している。

【0056】

なお、アンテナアレイは、第１の透光性層４３の上面の任意の領域に形成され得る。例えば、アンテナアレイは、上面視において、発光素子１３の半導体積層体２５が形成されている領域に対応する領域に形成され得る。

【0057】

本実施例において、ナノアンテナ４５の配列周期Ｐは３４０ｎｍである。複数のナノアンテナ４５の各々の上面視における一辺の長さＷは、例えば２００ｎｍである。また、複数のナノアンテナ４５の各々の高さＨ（図４）は、例えば１３０ｎｍである。

【0058】

なお、ナノアンテナ４５の形状は、柱状又は錐状とすることができ、四角柱形状以外に、例えば、円柱形状、円錐形状、角錐形状等の形状とすることができる。

【0059】

また、ナノアンテナ４５は、Ａｌのほか、Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ等の金属又はＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の金属酸化物によって形成してもよい。

【0060】

複数のナノアンテナ４５は、例えば、ＥＢ蒸着等によって第１の透光性層４３上に成膜したＡｌ表面に、ナノインプリント等によりレジストパターンを形成し、ＲＩＥエッチングを行うことによって形成することができる。

【0061】

複数のナノアンテナ４５は、回折光学素子層３７に入射した光のうち、特定の波長域の光について強く回折を生じさせる。言い換えれば、複数のナノアンテナ４５は、回折光学素子として機能する。具体的には、複数のナノアンテナ４５は、蛍光体層３５から回折光学素子層３７への入射角θ_ｉｎ１よりも、回折光学素子層３７から誘電体多層膜３９への入射角θ_ｉｎ２が小さくなるように、当該特定の波長域の光の進行方向を変化させる。

【0062】

第２の透光性層４７は、図３に示すように、第１の透光性層４３上に、複数のナノアンテナ４５を埋設するように形成されている。第２の透光性層４７は、発光素子１３からの励起光及び当該励起光が蛍光体によって波長変換された蛍光に対して透光性を有する材料からなる層である。

【0063】

第２の透光性層４７は、例えば、ＳｉＯ_２層である。例えば、第２の透光性層４７は、複数のナノアンテナ４５の形成後、スパッタ装置等を用いて成膜することによって形成される。第２の透光性層４７の上面は例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）等によって平坦化されている。

【0064】

第１の透光性層４３と、複数のナノアンテナ４５と、第２の透光性層４７と、を含んで構成されている回折光学素子層３７は、全体として、回折光学素子層３７に入射した光の特定の波長域の光を一部について回折させて、当該一部の光の配光を挟角化する。

【0065】

誘電体多層膜３９は、第２の透光性層４７上に形成されており、屈折率が互いに異なる２種類の誘電体膜が交互に積層されて構成されている。本実施例において、誘電体多層膜３９は、蒸着等によりＳｉＯ_２膜とＴａ_２Ｏ_５膜とが交互に積層されて構成されている。

【0066】

誘電体多層膜３９は、その積層面に対して、例えば０°を中心とする所定の入射角範囲内で入射する、特定の波長の光を反射するように設計された光学部材である。誘電体多層膜３９は、発光素子１３からの励起光を透過し、蛍光体層３５からの蛍光のピーク波長よりも短波長側の特定の波長範囲の光を反射し、蛍光体層３５からの蛍光のピーク波長付近及びそれより長い波長の光を透過するように設計されている。具体的には、誘電体多層膜３９は、青色の励起光のスペクトルと黄色蛍光のスペクトルとが重なる波長域である４７５ｎｍ～５１０ｎｍの波長の光を反射し、青色の励起光の大部分を含む波長領域である４２５ｎｍ～４７５ｎｍの光、および、黄色蛍光の大部分を含む５１０ｎｍより長波長の光は透過するように設計されている。

【0067】

ここで、図５を参照しつつ、本実施例における各光の波長と視感度との関係について説明する。

【0068】

図５は、発光素子１３からの励起光のスペクトルを示す励起スペクトル、白色光を出射するＬＥＤ素子からの出射光のスペクトルの一例である白色ＬＥＤスペクトル及び人間の目が最も強く感じる波長約５５５ｎｍの光を１とする視感度を示すスペクトルを併せて示す図である。図５中、４７５－５１０ｎｍの波長域を矢印で示している。

【0069】

図５に示すように、視感度のピークとなる波長は約５５５ｎｍであり、例えば、明るい場所に順応したときに、ヒトの目が最大感度となる波長である。白色ＬＥＤスペクトルは、青色光の約４５０ｎｍのピーク及び黄色光の約５５０ｎｍを中心とするピークを含んでいる。

【0070】

図５から明らかなように、４７５－５１０ｎｍの波長域の光は５５５ｎｍの光と比べて視感度が低い。従って、４７５－５１０ｎｍの波長域の光が光源装置１０の出射光として出射されても、人間の目によって明るい光として認識され難く、光源装置１０の出射光として有効利用できない。

【0071】

本実施例では、４７５－５１０ｎｍの波長域の光を有効利用するために、より視感度の高い光に変換する。すなわち、４７５－５１０ｎｍの光の波長をより長波長の約５５０ｎｍに近づける。

【0072】

４７５－５１０ｎｍの波長域は励起光の波長域に含まれるため、４７５－５１０ｎｍの波長域の光を再度蛍光体層３５に入射させることで、蛍光体によって波長変換させてより長波長の黄色光とすることができ、視感度の高い光とすることができる。

【0073】

以上のことから、本実施例の光源装置１０は、４７５ｎｍ～５１０ｎｍの波長の光を誘電体多層膜３９によって反射させ、蛍光体層３５に入射させるように構成されている。

【0074】

一方、上記したように、誘電体多層膜３９は、光の入射角によって反射率が異なる。本実施例において、誘電体多層膜３９は、入射する光の入射角が０°を中心とする所定の範囲内の場合に４７５ｎｍ～５１０ｎｍの波長域の光を反射するように設計されており、例えば、入射角が３０°、６０°と大きくなると、高い反射率が得られる波長域が低波長側にシフトする。従って、４７５ｎｍ～５１０ｎｍの波長域の光は、入射角が大きくなると誘電体多層膜３９によって反射されにくくなる。

【0075】

従って、設計通りの４７５ｎｍ～５１０ｎｍの波長域の光を誘電体多層膜３９によって反射させるためには、設計通りの波長域の光の誘電体多層膜３９への入射角を小さくすることが必要となる。

【0076】

再び図３を参照し、回折光学素子層３７及び誘電体多層膜３９における４７５ｎｍ～５１０ｎｍの波長域の光の挙動について説明する。

【0077】

上記したように、蛍光体層３５からの蛍光は、入射角θ_ｉｎ１が大きい光を含む。本実施例においては、回折光学素子層３７に入射角θ_ｉｎ１で入射した４７５ｎｍ～５１０ｎｍの波長の光は、回折光学素子層３７を通過すると、ナノアンテナ４５の作用により回折されて回折光学素子層３７から誘電体多層膜３９に入射する際の入射角θ_ｉｎ２が、入射角θ_ｉｎ１よりも小さい光となる。従って、当該４７５ｎｍ～５１０ｎｍの波長の光の誘電体多層膜３９への入射角が、当該誘電体多層膜３９の０°を中心とする所定の設計値の角度範囲に入りやすくなり、当該４７５ｎｍ～５１０ｎｍの波長の光が誘電体多層膜３９に反射され易くなる。

【0078】

このように、回折光学素子層３７に含まれるナノアンテナ４５の作用により誘電体多層膜３９への入射角が小さい光が多くなるので、蛍光体層３５からの蛍光のうちより多くの光を誘電体多層膜３９によって反射させて蛍光体層３５に戻すことができる。

【0079】

蛍光体層３５に戻った光は、蛍光体を励起して４７５ｎｍ～５１０ｎｍよりも長波長の黄色蛍光が当該励起された蛍光体から出射される。４７５ｎｍ～５１０ｎｍよりも長波長側の黄色蛍光は、蛍光体層３５を通過した青色光とともに誘電体多層膜３９を透過して、波長変換部材１５の上面１５Ｔから出射される。

【0080】

これによって、波長変換部材１５の上面１５Ｔから視感度の高い光がより多く出射されて光束が高くなる。より詳細には、蛍光体層３５に戻って波長変換された黄色蛍光は、青色光と混色されて光源装置１０から出射される白色光の光束の増加に寄与する。

【0081】

従って、光源装置１０は波長変換効率が高く、視感度の高い光を効率良く出射することができる。

【0082】

例えば、本実施例において、ナノアンテナ４５を設けない場合は、４７５ｎｍ～５１０ｎｍの波長の光であっても、誘電体多層膜３９への入射角が大きい光は反射されずに誘電体多層膜３９を透過して、光出射面１５Ｔから取り出される。上記したように、４７５ｎｍ～５１０ｎｍの波長の光は視感度が低いので、光源装置１０の出射光として有効利用することができない。

【0083】

上記のようなナノアンテナ４５によるアンテナ作用は、上記したように、回折光学素子層３７内に形成された複数のナノアンテナ４５によって光回折が起こることによって生じる。回折が起こる条件は、以下のレイリーアノマリーの式（１）によって表される。

【0084】

【数1】

ここで、

は回折の波数ベクトルの平行成分であり、以下の式（２）で表される。

【0085】

【数2】

また、

は入射の波数ベクトルの平行成分であり、以下の式（３）で表される。

【0086】

【数3】

【0087】

λは光の波長、aは回折光学素子（ナノアンテナ４５）の周期Ｐに√３／２を乗じた値、θ_ｉｎは回折光学素子層３７への光の入射角、ｎはナノアンテナ４５の周囲の部材の屈折率、ｍ_１及びｍ_２は回折の次数を表している。

【0088】

上記の式（２）及び式（３）を（１）に代入する。まず、以下のように、α、β、γを設定する。

【0089】

【数4】

【0090】

【数5】

【0091】

【数6】

【0092】

式（４）～（６）を用いて式（２）及び式（３）を（１）に代入してλについて求めると、以下の式（７）ようになる。

【0093】

【数7】

【0094】

式（７）を用いて、波長を回折光学素子層３７への入射角θ_ｉｎの関数としてプロットすると、回折線が引ける。アンテナの周囲の屈折率毎に、かつ、回折の次数毎に回折線を引くと、アンテナの作用によって光が減衰する度合いを示すＬＳＰＲ（局在表面プラズモン共鳴）バンドが回折線に沿って変調する。

【0095】

当該入射角θ_ｉｎに代えて、回折光学素子層３７からの出射角θ_ｅｍの関数として同様に回折線を引くと、回折線を境界として区切られる領域と、実際に光がアンテナ作用を受けて挟角化されて増強される度合いの違いによって生じる領域とがよく一致することがわかっている（非特許文献１）。そこで、上記の式を用いて、ナノアンテナ４５の作用を受ける光の波長を出射角θ_ｅｍの関数としてプロットした回折線によって、どの波長域の光が強く回折されるかを見積もることができる。なお、回折光学素子層３７からの出射角θ_ｅｍは、図３において説明した誘電体多層膜３９への入射角θ_ｉｎ２となる。

【0096】

図６は、波長λを回折光学素子層３７からの出射角θ_ｅｍの関数として表した回折線を示す図である。図６中のグラフは、横軸を回折光学素子層３７からの出射角θ_ｅｍとし、縦軸を回折光学素子層３７から出射する光の波長を示している。

【0097】

図６のグラフ中、実線は、第１の透光性層４３を構成するＴｉＯ_２の屈折率ｎ＝２．３３を用いて、θ_ｅｍ毎に式（７）によって回折次数（ｍ_１, ｍ_２）=（１，０）として算出した波長λをプロットした回折線である（ＴｉＯ_２（１，０））。

【0098】

同様に、図６のグラフ中の一点鎖線は、ＴｉＯ_２について回折次数（ｍ_１, ｍ_２）=（１，－１）とし（ＴｉＯ_２（１，－１））、図６のグラフ中の二点鎖線は、回折次数（ｍ_１, ｍ_２）=（－１，０）として（ＴｉＯ_２（－１，０））算出した波長λをプロットした回折線である。

【0099】

図６のグラフ中、破線は、第２の透光性層４７を構成するＳｉＯ_２の屈折率ｎ＝１．４５７を用いて、θ_ｅｍ毎に式（７）によって回折次数（ｍ_１, ｍ_２）=（－１，０）として算出した波長λをプロットした回折線である（ＳｉＯ_２（－１，０））。

【0100】

図６に示すように、出射角θ_ｅｍの低角度側において、実線ＴｉＯ_２（１，０）と破線（ＳｉＯ_２（－１，０）とで囲まれた領域Ｂが生じている。当該領域Ｂ内の波長域の光がナノアンテナ４５によって強く回折されて、領域Ｂ内の小さい出射角θ_ｅｍとなる。図６に示すように、領域Ｂ内の光には、４７５－５１０ｎｍの波長域の光が含まれる。

【0101】

上記したように、レイリーアノマリーの式（１）～（３）は、光の波長λ、ナノアンテナ４５の周囲の屈折率ｎ及びナノアンテナ４５の周期Ｐをパラメータとして含んでいるので、屈折率ｎ及びナノアンテナ４５の周期Ｐを変更すると、回折線が変化し、ナノアンテナ４５が作用する光の波長域及び出射角の範囲が変化する。従って、本実施例において、アンテナ作用が強くなる領域に所望の波長域が含まれるように、屈折率ｎ及びナノアンテナ４５の周期Ｐを調整することによって、所望の波長域の光について、出射角θ_ｅｍ、すなわち誘電体多層膜３９への入射角θ_ｉｎ２を小さくすることができる。言い換えれば、上記の回折線を用いて、所望の波長域に応じたナノアンテナ４５の周期Ｐ及びナノアンテナ４５の周囲の屈折率ｎを求めることができる。

【0102】

例えば、第１の透光性層４３及び第２の透光性層４７の材料を固定することで屈折率ｎを一定とし、ナノアンテナ４５の周期Ｐを変化させて回折線を引くことによってナノアンテナ４５が作用する光の波長域を最適化してもよい。また、例えば、ナノアンテナ４５の周期Ｐを一定として、第１の透光性層４３の複数の候補材料の屈折率を用いて回折線を引き、最適な材料を選定してもよい。

【0103】

以上、詳細に説明したように、本実施例の光源装置は、光を出射する発光層を含む半導体層を含み、上面を出射面とする発光素子と、発光素子上に設けられ、発光素子からの出射光である励起光によって励起され第１の波長範囲の蛍光を出射する蛍光体を含む蛍光体層と、蛍光体層の上面に設けられ、上面視において、金属又は金属酸化物からなる複数のナノアンテナが蛍光のピーク波長よりも短い波長範囲にある第２の波長範囲の波長に応じた所定の周期で配列されたアンテナアレイを含み、励起光及び蛍光に対して透光性を有する材料からなる回折光学素子層と、回折光学素子層の上面に設けられ、第２の波長範囲の光に反射性を有する誘電体多層膜と、を有する。

【0104】

回折光学素子層３７は、例えば、蛍光体層の上面に形成されかつ励起光及び前記蛍光に対して透光性を有する第１の透光性層と、第１の透光性層の上面に、上面視において所定の周期で配列された複数のナノアンテナと、第１の透光性層の上面において複数のナノアンテナを埋設するように形成され、かつ励起光及び蛍光に対して透光性を有する第２の透光性層と、を含んで構成されている。

【0105】

このように、本実施例の光源装置は、視感度の低い光を蛍光体層側に反射する誘電体多層膜を設けている。当該誘電体多層膜には角度依存性があり、反射性を有する波長域の光であっても入射角が大きい光は透過する。蛍光体層からの蛍光は等方的に拡散するため、誘電体多層膜への入射角が大きいことによって反射されない成分も多い。そこで、本実施例では、蛍光体層と誘電体多層膜との間に回折光学素子層を設け、回折光学素子層に含まれるナノアンテナの作用によって蛍光体層からの蛍光のうち視感度の低い光について誘電体多層膜への入射角が小さい光を増加させている。これによって、蛍光体層から出射した視感度の低い光のうちのより多くの光が蛍光体層に戻されて視感度の高い光に変換される。従って、視感度の高い光を効率良く取り出すことができる。

【0106】

上記のようなナノアンテナの作用は、上記したレイリーアノマリーの式を用いて、目的の波長域の光が回折されるように、第１の透光性層及び第２の透光性層の屈折率及びアンテナが配列されている周期を最適化することによって実現できる。

【0107】

なお、本実施例においては、ナノアンテナ４５が六方格子状に配列されている例について説明したが、これに限定されない。ナノアンテナ４５は、一定の周期で配列されていればよく、例えば、正方格子状、長方格子状に配列されていてもよい。

【0108】

［変形例］
図７は、上記の実施例の変形例に係るナノアンテナ５１の配列を示す図である。図７に示すように、ナノアンテナ５１は、正方格子状に配列されている。アンテナ５１は、図３に示したナノアンテナ４５とは配列の態様のみが異なる。

【0109】

図８は、ナノアンテナ５１を有し、その他の点については実施例の光源装置１０と同様に構成されている変形例の光源装置について、波長λを回折光学素子層３７からの出射角θ_ｅｍの関数として表した回折線を示す図である。

【0110】

図８に示す回折線は、図６に示した場合と同様に作成可能であるが、周期に関するパラメータａについては、図６の場合のように√３／２を乗じることなく、ａをナノアンテナ５１の周期（ｎｍ）とする。

【0111】

図８に示す回折線は、ナノアンテナ５１によって回折される領域に４７５－５１０ｎｍの波長域が含まれるように最適化を行って、ナノアンテナ５１の周期を２９０ｎｍとした場合の回折線である。

【0112】

図８に示すように、出射角θ_ｅｍの低角度側において、実線ＴｉＯ_２（１，０）と破線ＳｉＯ_２（－１，０）とで囲まれた領域Ｃが生じている。当該領域Ｃ内の光がナノアンテナ５１によって回折される。図８に示すように、領域Ｃ内の光には、４７５－５１０ｎｍの波長域の光が含まれる。

【0113】

また、上記したように、ナノアンテナ４５の形状は、柱状又は錐状とすることができ、四角柱形状以外に、例えば、円柱形状、円錐形状、角錐形状等の形状とすることができる。

【0114】

図９は、実施例においてナノアンテナ４５の形状を円柱形状又は円錐形状としたナノアンテナ６１が六方格子状に配列されている例を示す上面図である。

【0115】

図１０は、実施例においてナノアンテナ４５の形状を円柱形状又は円錐形状としたナノアンテナ７１が正方格子状に配列されている例を示す上面図である。

【0116】

上述した実施例における構成は例示に過ぎず、用途等に応じて適宜変更可能である。

【0117】

例えば、上記の実施例において、回折光学素子層３７は、第１の透光性層４３を有し、第１の透光性層４３上にナノアンテナ４５が形成されている例について説明したが、これに限られない。例えば、ナノアンテナ４５は、蛍光体層３５上に形成されていてもよく、蛍光体層３５上に形成されたナノアンテナ４５が第２の透光性層４７によって埋設されていてもよい。なお、第１の透光性層４３は蛍光体層３５よりも屈折率が高く、蛍光体層３５からの光（蛍光体層３５を通過する励起光及び蛍光体から放出された蛍光）を効率良く回折光学素子層に導入できること、蛍光体層３５からの光がナノアンテナ４５によって反射されて蛍光体層３５側に戻ることを第１の透光性層４３によって抑制できることから、第１の透光性層４３を設けることが好ましい。

【0118】

上記の実施例において、光源装置に含まれる発光素子１３がシンフィルム型のＬＥＤ素子である場合について説明したが、これに限られない。例えば、発光素子１３に代えて、フリップチップ型の発光素子を用いてもよい。

【0119】

上記の実施例において、波長変換部材１５が発光素子１３上に接着されている例について説明したが、これに限られない。波長変換部材１５は、発光素子１３からの励起光が入射するようになっていれば、発光素子１３からから離れた位置に配置されてもよい。

【符号の説明】

【0120】

１０ 光源装置
１１ 実装基板
１３ 発光素子
１５ 波長変換部材
２５ 半導体積層体
３５ 蛍光体層
３７ 回折光学素子層
３９ 誘電体多層膜
４１ 反射部材
４３ 第１の透光性層
４５ ナノアンテナ
４７ 第２の透光性層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】