特開 2024-114 波長変換装置及び照明装置

(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】P2024000114

(43)【公開日】2024-01-05

(54)【発明の名称】波長変換装置及び照明装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/20 20060101AFI20231225BHJP

   H01L 33/50 20100101ALI20231225BHJP

   F21V 9/32 20180101ALI20231225BHJP

   F21Y 115/30 20160101ALN20231225BHJP

【ＦＩ】

G02B5/20

H01L33/50

F21V9/32

F21Y115:30

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022098681

(22)【出願日】2022-06-20

(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

(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

(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】前村 要介

(72)【発明者】

【氏名】鎌倉 涼介

(72)【発明者】

【氏名】村井 俊介

【テーマコード（参考）】

2H148

5F142

【Ｆターム（参考）】

2H148AA01

2H148AA07

5F142AA02

5F142AA14

5F142BA32

5F142CA11

5F142CD18

5F142CE16

5F142CG05

5F142CG24

5F142CG43

5F142DA02

5F142DA14

5F142DA73

5F142DB16

(57)【要約】

【課題】
ナノアンテナによる蛍光の狭角化を達成しつつ、光取出し効率を向上させることが可能な波長変換装置及び照明装置を提供する。
【解決手段】
励起光が入射される１の面を有し、励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体を含みかつ１の面と反対側の他の面において、各々が他の面に沿った１の方向において蛍光のピーク波長よりも小さい周期で設けられた複数の凸部からなる凹凸構造を有する蛍光体部材と、複数の凸部の上面に配されている金属部材からなる複数のナノアンテナと、を有することを特徴とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

励起光が入射される１の面を有し、前記励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体を含みかつ前記１の面と反対側の他の面において、各々が前記他の面に沿った１の方向において前記蛍光のピーク波長よりも小さい周期で設けられた複数の凸部からなる凹凸構造を有する蛍光体部材と、
前記複数の凸部の上面に配されている金属部材からなる複数のナノアンテナと、
を有することを特徴とする波長変換装置。

【請求項2】

前記凹凸構造は、正方格子状又は三角格子状の配列パターンを形成しており、
前記複数のナノアンテナの各々は、前記複数の凸部の各々の上面にそれぞれ配されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。

【請求項3】

前記凹凸構造は、前記１の方向に配列された縞状のパターンを形成しており、
前記複数のナノアンテナは、前記複数の凸部の各々において前記複数の凸部の伸張方向に沿って複数配列されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。

【請求項4】

前記凹凸構造の凹部を埋め、前記蛍光体部材よりも小さい屈折率を有し、かつ前記励起光及び前記蛍光に対して透光性を有する透光性部材を有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。

【請求項5】

前記蛍光体は、前記励起光によって励起されて５２０～５７０ｎｍの前記ピーク波長を有する前記蛍光を発する性質を有し、
前記複数の凸部の各々は、１２０ｎｍ以下の高さを有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。

【請求項6】

前記蛍光体部材は、単相の蛍光体プレートからなることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。

【請求項7】

前記複数のナノアンテナは、柱状、錐状又は錐台状を有していることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。

【請求項8】

前記複数のナノアンテナは、Ａｌ又はＡｇからなることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。

【請求項9】

請求項１に記載の波長変換装置と、
前記蛍光体部材の前記１の面に向けて前記励起光を出射する光源と、
を有することを特徴とする照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、波長変換装置及び照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ナノサイズの金属粒子からなる金属アンテナ（以下、ナノアンテナと称する）を用いて光の狭角化をなす照明装置が開示されている。例えば、特許文献１には、透明基板と当該透明基板上に配された波長変換体と、当該波長変換体上に形成された複数のナノアンテナとを有する照明装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１４－５０８３７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のような照明装置において、波長変換体内の蛍光体が励起光によって励起されることで生じた蛍光のうち臨界角を超える成分は、波長変換体と空気との界面において全反射される。このとき、全反射した蛍光のうちの一部の蛍光は、外部に取り出されないまま波長変換体内で多重反射を繰り返した後にナノアンテナに吸収され、照明装置全体としての光取出し効率が小さくなってしまうという問題点が挙げられる。

【0005】

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、ナノアンテナによる蛍光の狭角化を達成しつつ、光取出し効率を向上させることが可能な波長変換装置及び照明装置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】

【0006】

本発明による波長変換装置は、励起光が入射される１の面を有し、前記励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体を含みかつ前記１の面と反対側の他の面において、各々が前記他の面に沿った１の方向において前記蛍光のピーク波長よりも小さい周期で設けられた複数の凸部からなる凹凸構造を有する蛍光体部材と、前記複数の凸部の上面に配されている金属部材からなる複数のナノアンテナと、を有することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施例１に係る波長変換装置の上面図である。

【図2】実施例１に係る波長変換装置の断面図である。

【図3】実施例１に係る波長変換装置における入射角に対する透過強度を示すグラフである。

【図4】実施例１に係る波長変換装置における凹部の深さに対する透過強度を示すグラフである。

【図5】実施例１に係る波長変換装置における凹部の深さに対する透過強度を示すグラフである。

【図6】実施例１に係る波長変換装置における入射角に対するエバネッセント光の染み出し長さ示すグラフである。

【図7】実施例１の変形例に係る波長変換装置の上面図である。

【図8】実施例２に係る波長変換装置の断面図である。

【図9】実施例３に係る照明装置の断面図である。

【図10】実施例３に係る波長変換装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明の実施例について図面を参照して具体的に説明する。なお、図面において同一の構成要素については同一の符号を付け、重複する構成要素の説明は省略する。

【実施例0009】

図１及び図２を参照しつつ、実施例１に係る波長変換装置１００の構成について説明する。図１は、実施例１に係る波長変換装置１００の上面図である。また、図２は、図１に示した波長変換装置１００の２－２線に沿った断面図である。

【0010】

［実装基板］
実装基板１２は、上面形状が矩形を有し、絶縁性を有する平板状の基板である。実装基板１２は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等からなる。以降、説明の簡便化のために、実装基板１２の上面に垂直な方向をＺ軸、実装基板１２の互いに垂直な２つの辺の夫々に沿った方向をＸ軸、Ｙ軸としてＸＹＺ軸を定義する。

【0011】

［発光素子］
発光素子１３は、実装基板１２の上面に実装されており、かつ上面形状が矩形の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emission Diode）である。発光素子１３は、発光層を有する半導体構造層１４と、半導体構造層１４の上面に配された支持基板１５と、半導体構造層１４の下面に配されかつ実装基板１２に接合されたｐ電極１６及びｎ電極１７とを含んで構成されている。すなわち、発光素子１３は、実装基板１２にフリップチップ実装されている。

【0012】

半導体構造層１４は、各々が窒化ガリウム（ＧａＮ）を主材料とするｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層（いずれも図示せず）からなる半導体積層体である。発光素子１３の駆動時には、半導体構造層１４の発光層からピーク波長が４５０ｎｍの青色光が出射される。

【0013】

支持基板１５は、上面形状が矩形の平板状の基板である。支持基板１５は、単結晶のサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）等の、半導体構造層１４から放出される青色光に対して透光性を有する材料からなる。支持基板１５の上面は、発光素子１３から青色光が出射される光出射面である。

【0014】

ｐ電極１６は、半導体構造層１４のｐ型半導体層と電気的に接続されている電極である。ｐ電極１６は、実装基板１２の上面に形成されているｐ側配線（図示せず）に導電性の接合部材（図示せず）を介して接合されている。

【0015】

ｎ電極１７は、半導体構造層１４の発光層及びｐ型半導体層を上下方向に貫通しかつ側面が絶縁体で覆われた貫通電極（図示せず）を介して、ｎ型半導体層と電気的に接続されている電極である。言い換えれば、ｎ電極１７は、ｎ型半導体層にのみ電気的に接続され、発光層及びｐ型半導体層と絶縁されている。ｎ電極１７は、実装基板１２の上面に形成されているｎ側配線（図示せず）に導電性の接合部材（図示せず）を介して接合されている。

【0016】

上述のように、発光素子１３は、実装基板１２を介してｐ電極１６及びｎ電極１７に電圧が印加されて半導体構造層１４内に電流が流れることで生じる青色光を、支持基板１５の上面から出射させる構造を有している。

【0017】

［蛍光体部材］
蛍光体部材１８は、発光素子１３の上面、すなわち支持基板１５の上面に透光性の接合部材（図示せず）を介して接着されている、厚み５０～２５０μｍの上面形状が矩形の蛍光体プレートである。蛍光体部材１８は、上面視において発光素子１３の支持基板１５と同一形状を有している。

【0018】

蛍光体部材１８は、発光素子１３から出射される青色光によって励起されて黄色蛍光を発する蛍光体からなる。具体的には、蛍光体部材１８は、例えば、セリウム（Ｃｅ）を賦活剤としたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）蛍光体からなる単相の透明なセラミックス蛍光体プレートである。

【0019】

上記した蛍光体部材１８に、発光素子１３の光出射面から出射された励起光が入射すると、その一部はそのまま蛍光体部材１８を透過し、一部は蛍光体を励起し当該励起された蛍光体から黄色蛍光が発せられる。蛍光体から生じる黄色蛍光は、５２０～５７０ｎｍにピーク波長を有し、４８０ｎｍ～７００ｎｍに亘るブロードなピークからなる黄色発光スペクトルを有する。

【0020】

従って、蛍光体部材１８の上面からは、蛍光の発生に寄与せずに蛍光体部材１８を通過した励起光（青色光）と、蛍光体から放出された蛍光（黄色光）とが出射される。これにより、波長変換装置１００からは、蛍光体部材１８の上面から出射する青色光と黄色蛍光とが混じり合った白色光が取り出される。

【0021】

以後、図１に示すように、蛍光体部材１８の図中Ｘ方向に伸長する１対の辺を辺１８Ｘ、蛍光体部材１８の図中Ｙ方向に伸長する１対の辺を辺１８Ｙとして説明を進める。

【0022】

蛍光体部材１８の上面には、Ｘ方向及びＹ方向の夫々に沿って周期Ｐでマトリクス状に配列されており各々が円錐台状を有する凸部１８Ｃと、当該凸部１８Ｃの間に形成される正方格子状の凹部１８Ｇと、を有する凹凸構造を有している。

【0023】

凹凸構造の凹部１８Ｇは、縦横に複数列に配列された複数の溝を合わせた構造であって、凸部１８Ｃの各々を個別に区画する格子状の構造を形成している。周期Ｐは、蛍光体部材１８から放出される蛍光のピーク波長よりも小さい周期である。周期Ｐは、５００ｎｍ以下であることが好ましい。

【0024】

［ナノアンテナ］
ナノアンテナ２１は、各々が蛍光体部材１８の凹凸構造における凸部１８Ｃの各々の上面に形成されている円錐台状の複数の金属部材である。ナノアンテナ２１の各々は、正方格子状に配列された凸部１８Ｃの各々の上面に形成されているために、結果として凸部１８Ｃと同様に上面視において、周期Ｐで正方格子状に配列されている。

【0025】

ナノアンテナ２１の各々の下面は、蛍光体部材１８の凸部１８Ｃの各々の上面と同じ大きさを有している。言い換えれば、ナノアンテナ２１の下面及び蛍光体部材１８の凸部１８Ｃの上面は、互いに同じ径Ｗを有しており、凸部１８Ｃと凸部１８Ｃの上面に形成されたナノアンテナ２１とが合わさって全体として円錐台形状を呈している。

【0026】

ナノアンテナ２１の各々は、凸部１８Ｃの各々の上面において互いに同一の高さＨを有している。また、ナノアンテナ２１の各々は、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（プラチナ）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｌ（アルミニウム）及びＮｉ（ニッケル）等の可視光領域にプラズマ周波数を有する材料、並びにこれらを含む合金又は積層体から構成される。特に、ナノアンテナ２１の各々は、アルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）等の可視光域で吸収の小さい金属から構成されるのが望ましい。

【0027】

なお、図１及び図２に示した蛍光体部材１８の凹凸構造及びナノアンテナ２１の配列態様は、凹凸構造及びナノアンテナ２１を説明するために模式的に示したに過ぎない。実際、発光素子１３は例えば１ｍｍ角であり、その場合、凸部１８Ｃやナノアンテナ２１は、図１及び図２に示しているものよりも多く形成されている。

【0028】

ここで、ナノアンテナ２１において生ずる蛍光増大効果について説明する。

【0029】

蛍光体部材１８の上面に臨界角以上の角度で蛍光が到達すると、当該上面で全反射される。この全反射が起きた際には、蛍光体部材１８の上面から低屈折率媒質側へしみ出すエバネッセント波が生ずる。このエバネッセント波は、蛍光体部材１８の上面に沿って、言い換えれば蛍光体部材１８と空気と界面に沿って伝播する。

【0030】

この蛍光体部材１８の上面に沿って伝播したエバネッセント波は、ナノアンテナ２１に達すると、ナノアンテナ２１の配置周期によって決まる回折条件に適合した方向に上記蛍光と同波長の可視光の形で放射される。この現象により、回折条件に適合した狭い角度範囲に蛍光が発せられ、蛍光体部材１８の上面から出射される蛍光の狭角化が促される。

【0031】

また、蛍光体部材１８から出射された蛍光がナノアンテナ２１に照射されると、ナノアンテナ２１の表面で局在表面プラズモン共鳴が生じ、ナノアンテナ２１の近傍の電場の強度が増大する。そして、上述のような蛍光のピーク波長よりも小さい周期Ｐで配列されているナノアンテナ２１群においては、個々のナノアンテナ２１の表面の隣り合うナノアンテナ２１に近い部分、言い換えれば隣り合うナノアンテナ２１に面した部分で電場の強度がさらに増大される。

【0032】

この電場増強の結果による非常に局在化したプラズモン共鳴によって、ナノアンテナ２１の近傍において蛍光は著しく増幅され、当該増幅された蛍光は狭角な配光特性（低エタンデュ）を有することとなる。すなわち、ナノアンテナ２１は、蛍光体部材１８から出射される蛍光を増強し、蛍光の出射方向を絞る機能を有する。

【0033】

［光反射部材］
光反射部材２２は、発光素子１３の半導体構造層１４及び支持基板１５と蛍光体部材１８の各々の外側面を覆うように連続的に延在している光反射性を有する部材である。光反射部材２２は、光散乱性の粒子を含有する透光性の樹脂から構成され、例えば、シリコーン樹脂に酸化チタン（ＴｉＯ_２）粒子を含有させた樹脂材からなる。

【0034】

光反射部材２２は、例えば発光素子１３から出射されて外側面に達した励起光（青色光）を上方へと反射させる。また、光反射部材２２は、例えば蛍光体部材１８内に生じて外側面に達した蛍光を上方へと反射させる。

【0035】

上記したように、蛍光体部材１８の上面に形成された複数の凹凸は、蛍光体部材１８から放出される蛍光のピーク波長よりも小さい周期Ｐで配列されている。言い換えれば、蛍光体部材１８は、上面において蛍光のピーク波長よりも小さい周期で設けられた複数の凸部からなる凹凸構造を有している。

【0036】

本実施例によれば、蛍光体部材１８の表面の凹凸構造における周期Ｐが蛍光のピーク波長よりも小さいために、蛍光が凹凸構造に至った際に凹凸構造部分の高さ方向において媒質の屈折率が徐々に変化している、具体的には、上に行くほど屈折率が低くなり空気の屈折率に近づくように変化しているのと同様の振る舞いをする。

【0037】

そのため、蛍光体部材１８の上面における蛍光体部材１８と空気との界面に対する蛍光の臨界角は凹凸構造を備えない場合と比較して大きくなり、全反射が起こりにくくなる。よって、蛍光体部材１８における蛍光の臨界角以上の成分を減らすことができ、蛍光体部材１８と空気との界面において全反射される成分を減らすことができる。

【0038】

従って、本実施例によれば、蛍光体部材１８の凸部１８Ｃの各々の上面から取り出される蛍光の割合を増やすことができる。すなわち、ナノアンテナ２１による蛍光の狭角化を達成しつつ、光取出し効率を向上させることができる。

【0039】

［蛍光体部材の作製方法］
以下に、凹凸構造を有しかつ当該凹凸構造の凸部１８Ｃの上面に形成されたナノアンテナ２１を有する蛍光体部材１８の作製方法について説明する。

【0040】

まず、蛍光体部材１８となる平板状の基材の上面に、ナノアンテナ２１の基材となるＡｌまたはＡｇからなる金属膜を電子ビーム蒸着やスパッタリング成膜によって成膜する（ステップ１）。

【0041】

次に、ステップ１において成膜した金属膜にレジストを塗布し、ナノインプリント装置又はイオンビーム描画装置を用いて正方格子状の凹凸を形成するようにパターニングを施す（ステップ２）。

【0042】

次に、ステップ２においてパターニングした凹凸の凸部となる部分に塗布されているレジストをエッチングマスクとして、凹部となる部分のドライエッチングを実施する（ステップ３）。このとき、凹部の深さが深さＤとなるまでエッチングを行うことにより、深さＤの凹部１８Ｇを有する凹凸構造が得られる。

【0043】

最後に、凸部となる部分のエッチングマスク（レジスト）をアッシングにより除去する（ステップ４）。これにより、上面に凹凸構造を有し、凹凸構造の凸部１８Ｃの各々の上面に形成されたナノアンテナ２１を有する蛍光体部材１８を得ることができる。

【0044】

なお、上記したエッチングによって蛍光体部材１８の凹凸構造及びナノアンテナ２１を形成する際には、エッチングを行う対象に応じてエッチングガスの種類を適宜選択できる。例えば、Ａｌからなるナノアンテナ２１を形成する際には、塩素（Ｃｌ_２）ガス及びアルゴン（Ａｒ）ガスを用いてエッチングを実施する。また、例えば、ＹＡＧ：ＣＥe蛍光体からなる蛍光体プレートに凹凸構造を形成する際には、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）ガスや四フッ化メタン（ＣＦ_４）ガス等を用いてエッチングを実施する。

【0045】

［検証］
以下に、図３～６を用いて、本発明の波長変換装置１００に対して行った検証及びその検証結果について説明する。本検証においては、主に蛍光体部材１８の凹凸構造の凹部１８Ｇの深さＤについての検討を行った。

【0046】

本検証にて用いたモデルについて説明する。蛍光体部材１８はＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体単相の単結晶のセラミックスプレートであり、ナノアンテナ２１はＡｌからなる。蛍光体部材１８の凹凸構造は、上記した凹凸の周期Ｐが３５０ｎｍであり、配置態様が正方格子配列である。ナノアンテナ２１は、高さＨが１５０ｎｍであり、下面の径Ｗ（凸部１８Ｃの上面の径）が２００ｎｍである。なお、蛍光体部材１８からナノアンテナ２１に入射される入射光の波長は５５０ｎｍ（黄色蛍光のピーク波長）としている。

【0047】

図３は、蛍光体部材１８と空気との界面に対する蛍光の入射角を変化させた際に、ナノアンテナ２１を介して（ナノアンテナ２１の形成面を透過して）空気中に取り出される蛍光の強度を、ＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）法を用いて算出した結果を示すグラフである。

【0048】

図３においては、凹部１８Ｇの深さＤを、０ｎｍ（凹凸構造無し）、１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、７０ｎｍ及び１００ｎｍとした際の蛍光の透過強度を示している。また、図３においては、ナノアンテナと凹凸構造を備えない場合（深さＤが０ｎｍの場合）の蛍光体部材１８と空気との界面で入射する臨界角を一点二鎖線で示している。本実施例において、当該臨界角は３４度である。

【0049】

図３より、蛍光の入射角が２０°～６５°の範囲において、凹部１８Ｇの深さＤが１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、７０ｎｍ及び１００ｎｍであるときの透過強度は、凹部を設けていないとき（Ｄ＝０ｎｍ）と比べて大きくなることがわかる。特に、蛍光の入射角が２０°からナノアンテナと凹凸構造を備えない場合の臨界角（図中一点二鎖線）までの範囲においては、蛍光体部材１８に凹部１８Ｇが設けられている方が、凹部を設けていないときと比べて透過強度が大きくなることが顕著に表れている。

【0050】

また、蛍光の入射角が２０°～６５°の範囲においては、凹部１８Ｇの深さＤが大きくなるほど透過強度が大きくなることがわかる。このように、蛍光体部材１８に深さＤを有する凹部１８Ｇからなる複数の凹凸を設けることにより、蛍光の入射角の広い範囲において高い光取出し効率を得ることができる。

【0051】

図４は、凹部１８Ｇの深さＤを変化させた際の透過強度を、ＲＣＷＡ法を用いて算出した結果を示すグラフである。図４においては、蛍光の入射角を、全ての角度範囲としたときと、ナノアンテナと凹凸構造を備えない場合の臨界角未満までとしたときと、ナノアンテナと凹凸構造を備えない場合の臨界角以上としたときとに分けて、それぞれの透過強度を算出した。図４においては、凹部１８Ｇを設けていないときの透過強度を１．０として示している。

【0052】

図４より、凹部１８Ｇの深さＤが１０～１００ｎｍまでの範囲においては、蛍光の入射角がいずれの範囲においても、凹部１８Ｇを設けていないときと比べて透過強度が１０～２０％程度増加している。

【0053】

また、ナノアンテナと凹凸構造を備えない場合の臨界角以上における蛍光の透過強度は、凹部１８Ｇの深さＤが１２０ｎｍを超えると、凹部１８Ｇを設けていないときよりも低くなっている。すなわち、蛍光のナノアンテナと凹凸構造を備えない場合の臨界角以上の範囲における透過強度を、凹部１８Ｇを設けていないときよりも高く保つためには、凹部１８Ｇの深さＤを１２０ｎｍ以下とするのが好ましいことがわかる。

【0054】

図５は、凹部１８Ｇの深さＤを変化させた際の蛍光の入射角が全ての角度範囲での透過強度を、ＲＣＷＡ法を用いて算出した結果を示すグラフである。図５においては、波長変換装置１００と比較対象としてナノアンテナを設けていない構成の波長変換装置とを用いて、ナノアンテナの有無における透過強度の変化を検証した。図５においては、ナノアンテナ有り／無しのモデルのそれぞれにおいて凹部１８Ｇを設けていないときの透過強度を１．０として示している。

【0055】

図５より、「ナノアンテナなし」の場合における透過強度は、凹部１８Ｇの深さＤが大きくなるほど増加している。すなわち、凹凸構造を有する蛍光体部材１８から出射される蛍光の透過強度を増加させるためには、凹部１８Ｇの深さＤを大きくすることが好ましい。

【0056】

しかしながら、上述したように、凸部１８Ｃの上面にナノアンテナ２１を形成した（ナノアンテナあり）場合には、凹部１８Ｇの深さＤが１２０ｎｍを超えると蛍光の入射角がナノアンテナと凹凸構造を備えない場合の臨界角以上の範囲における透過強度が凹凸構造を設けない場合と比べて低下する。

【0057】

そのため、ナノアンテナと凹凸構造を備えない場合の臨界角以上の入射角の蛍光を利用しつつ蛍光体部材１８からの光取出し効率を向上させるためには、凹部１８Ｇの深さＤを１２０ｎｍ以下とするのが好ましい。

【0058】

図６は、蛍光の入射角を変化させた際に、蛍光体部材１８の上面から染み出すエバネッセント波が最大強度から所定の強度となるときの染み出し長さを示すグラフである。

【0059】

図６においては、蛍光体部材の表面で生じたエバネッセント波が最大強度から１／ｅ^２の強度になるまでの染み出し長さを蛍光の波長（５００ｎｍ、５５０ｎｍ、６００ｎｍ、６５０ｎｍ）ごとに示している。エバネッセント波の染み出し長さｄは、以下の式によって求められる。

【0060】

【数1】

【0061】

ここで、波長λは蛍光の波長であり、屈折率ｎ_１は蛍光体部材１８の屈折率であり、屈折率ｎ_２は空気の屈折率である。また、入射角θは、蛍光体部材１８と空気中との界面に対する蛍光の入射角度である。

【0062】

図６より、蛍光の入射角が４０°までの範囲においては、入射角に対する染み出し長さｄの変化が大きく、蛍光の入射角が４０～８９°までの範囲においては、入射角に対する染み出し長さｄの変化が小さくなっている。

【0063】

例えば、蛍光の波長が５５０ｎｍであるとき、１５０ｎｍの染み出し長さｄを有するエバネッセント波を得るためには、蛍光の入射角θが４０°よりも小さい成分の蛍光が必要となる。言い換えれば、蛍光の入射角θが４０°を超える場合には、１５０ｎｍの染み出し長さｄを有するエバネッセント波は得られにくくなる。

【0064】

すなわち、凹部１８Ｇの深さＤを深くするほど、当該深さに応じた染み出し長さｄを有するエバネッセント波が必要となるため、当該染み出し長さｄを満たす蛍光の入射角の範囲が限られてしまう。

【0065】

そのため、図５においては、凹部１８Ｇの深さＤが深くなるとエバネッセント波の染み出しがナノアンテナ２１まで届きにくくなり、電場増強が起こりにくくなったために、蛍光の透過強度が低下していると考えられる。

【0066】

従って、図３～６に示した結果より、広い角度範囲の蛍光の入射角を利用しつつ、光取出し効率を向上させるためには、蛍光体部材１８の凹凸構造の凹部１８Ｇの深さＤを１２０ｎｍ以下とするのが好ましい。言い換えれば、凹部１８Ｇの底面からの凸部１８Ｃの高さは、１２０ｎｍ以下であることが好ましい。

【0067】

［変形例］
以下に、図７を用いて実施例１に係る波長変換装置１００の変形例について説明する。図７は、変形例に係る波長変換装置１１０の上面図である。変形例に係る波長変換装置１１０は、蛍光体部材１８の凹凸構造の形成態様が実施例１と異なっており、それ以外の点、例えば発光素子１３の構成やナノアンテナ２１の配置周期等は実施例１と同様である。

【0068】

本変形例において、蛍光体部材１８は、上面視において一方の辺１８Ｘから他方の１８Ｘにかけて辺１８Ｙに沿った方向に伸張する複数の凹凸からなる凹凸構造を有している。すなわち、蛍光体部材１８の凹凸構造は、凸部１８Ｃと凹部１８Ｇとが辺１８Ｙに沿った方向に複数配列されることで縞状のパターンを形成している。

【0069】

本変形例において、ナノアンテナ２１の各々は、凸部１８Ｃの各々の上面において、凸部１８Ｃの伸張方向に沿って互いに同一の周期Ｐで配列されている。すなわち、本変形例において、ナノアンテナ２１の各々の形成領域以外の領域においては、凸部１８Ｃの上面が露出している。

【0070】

このような構成を有する波長変換装置１１０においても、実施例１と同様の効果を発揮させることができる。すなわち、蛍光体部材１８における蛍光の臨界角以上の成分を減らすことができ、蛍光体部材１８と空気との界面において全反射される成分を減らすことができる。

【0071】

よって、蛍光体部材１８から取り出される蛍光の割合を増加させることができる。従って、ナノアンテナ２１による蛍光の狭角化を達成しつつ、光取出し効率を向上させることができる。

【実施例0072】

次に、図８を用いて実施例２について説明する。図８は、実施例２に係る波長変換装置２００の断面図である。波長変換装置２００は、透光性部材２４を備える点で実施例１と異なっており、それ以外の点、例えば発光素子１３の構成や蛍光体部材１８の凹凸構造の形成態様等は実施例１と同様である。

【0073】

透光性部材２４は、図８に示すように、蛍光体部材１８の凹凸構造の凸部１８Ｃの上面と略均一な高さまで凹部１８Ｇに充填されている部材である。言い換えれば、透光性部材２４は、凹凸構造の凸部１８Ｃの各々の上面を露出させるように凹部１８Ｇを埋めている。

【0074】

透光性部材２４は、上記した発光素子１３からの出射光（青色光）及び蛍光体部材１８に生じる蛍光（黄色光）に対して透光性を有し、かつ蛍光体部材１８よりも小さい屈折率を有している材料からなる。透光性部材２４は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２（屈折率ｎ＝１．４６））やＡｌ_２Ｏ_３（屈折率ｎ＝１．６３）からなる。

【0075】

本実施例によれば、蛍光体部材１８の凹部１８Ｇに蛍光体部材１８よりも屈折率が小さい透光性部材２４が充填されていることにより、蛍光が凹凸構造に至った際の屈折率の変化の振る舞いがより緩やかになる。

【0076】

すなわち、蛍光体部材１８の凹部１８Ｇに透光性部材２４を充填することによって、蛍光体部材１８の上面における蛍光体部材１８と空気との界面に対する蛍光の臨界角が実施例１よりも大きくなり、全反射がより起こりにくくなる。よって、蛍光体部材１８における蛍光の臨界角以上の成分を実施例１よりも減らすことができ、蛍光体部材１８と空気との界面において全反射される成分を減らすことができる。

【0077】

従って、本実施例によれば、蛍光体部材１８の凸部１８Ｃの各々の上面から取り出される蛍光の割合を増やすことができる。すなわち、ナノアンテナ２１による蛍光の狭角化を達成しつつ、光取出し効率を向上させることができる。

【0078】

なお、透光性部材２４は、凹部１８Ｇにおいて、ナノアンテナ２１に直接接しない高さまで充填されていることが好ましい。これは、透光性部材２４がナノアンテナ２１に接してしまうと、ナノアンテナ２１によるエバネッセント波に対する感受性が低下し、蛍光を増強させる作用が低下してしまうためである。そのため、透光性部材２４は、例えば、凹部１８Ｇにおいて凸部１８Ｃの上面よりも所定の高さだけ低く充填されていることが好ましい。

【0079】

［蛍光体部材の製造方法］
ここで、実施例２に係る透光性部材２４が形成された蛍光体部材１８の製造方法について説明する。なお、蛍光体部材に対してエッチングにより凹部を形成する工程（ステップ３）までは実施例１と同様であるため説明を省略する。

【0080】

まず、実施例１と同様にパターニングによって形成した蛍光体部材の凹凸構造に対して、電子ビーム蒸着やスパッタリング成膜により、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３からなる透明誘電体膜を成膜する（ステップ４Ａ）。これにより、蛍光体部材の上面に亘って透光性部材が形成される。

【0081】

次に、凸部１８Ｃの各々のエッチングマスク（レジスト）上に成膜されている透光性部材をエッチングマスクごとリフトオフして取り除く（ステップ５）。これにより、凹部１８Ｇに透光性部材２４が充填された蛍光体部材１８を得ることができる。

【0082】

なお、上記した凹部１８Ｇに透光性部材２４が充填されている構成は、上記した変形例の構成に適用してもよい。すなわち、縞状にパターン形成された複数の凹部１８Ｇの１つ１つに透光性部材２４が充填されている構成としてもよい。