JP6286026B2 - 発光ダイオードコンポーネント - Google Patents

Description

本発明は、一般的に発光ダイオードコンポーネントに関する。より特定的には、発光ダイオードコンポーネントのパフォーマンスを改善するために使用される微小光学（ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ）マルチレイヤ構造を有する発光ダイオードコンポーネントに関する。

半導体ベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）は、今日において利用可能な光源のうち最も効率の良いものである。ＬＥＤは、従来の光源と比較して、より長い寿命、より高い光子束（ｐｈｏｔｏｎ ｆｌｕｘ）効果、より低い動作電圧、より狭帯域の発光、および、組立てに関する柔軟性、を提供する。

例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースのＬＥＤが、半導体照明アプリケーションにおいて高出力の光源として成功裡に採用されている。照明、街路灯、インドア／アウトドアディスプレイ、および、電子ディスプレイのバックライト、といったものである。

しかしながら、ＬＥＤからの光を結合することはチャレンジングなものである。エピタキシャルレイヤ（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｙｅｒ）は、一般的に、空気、ｎ_ａｉｒ＝１、または、ガラス、ｎ_{ｇｌａｓｓ}＝１．５、と比較して、より高い屈折率を有する。ＧａＮの屈折率、ｎ_ＧａＮ、は、例えば、可視波長において２．３−２．５の範囲にある。エピタキシャルレイヤと周辺媒体との間における屈折率の大きな不一致は、エピタキシャルレイヤの中で生成される光の多くの部分を、エピタキシャルレイヤとその周辺媒体との間のインターフェイスにおいて散乱または反射させる。インターフェイスに関する比較的に狭いエスケープコーン（ｅｓｃａｐｅ ｃｏｎｅ）の中の角度において移動する光だけが、周辺媒体の中へ屈折されて、エピタキシャルレイヤを逃れることができる。別の言葉で言えば、ＬＥＤの外部量子効率（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は低く、結果としてＬＥＤの輝度が低減している。

ＬＥＤを使用した白色光の生成となると事態はより一層複雑である。白色光は、一般的に、エピタキシャルレイヤの放出エネルギを調整することによっては生成されない。代わりに、青色エピタキシャルレイヤからの光、典型的にはＧａＮベースのものが、エピタキシャルレイヤの周辺の黄リン材料（ｙｅｌｌｏｗ ｐｈｏｓｐｈｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌ）の酸（ａｃｉｄ）を用いて白色光へ変換される。周辺の蛍光材料は、エピタキシャルレイヤの青色光の実質的な部分をダウンコンバート（ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｔ）して、色を黄色く変化させている。従って、ＬＥＤは、青色光と黄色光の両方を発しており、その組合せにおいて白色光を提供する。別のアプローチにおいては、紫色または紫外線を放出しているエピタキシャルレイヤが、マルチカラー（ｍｕｌｔｉｃｏｌｏｒ）の蛍光体を用いてエピタキシャルレイヤを取り囲むことによって白色光へ変換されてきている。

蛍光材料は、エピタキシャルレイヤが成長するサブストレートの上に典型的にはデポジット（ｄｅｐｏｓｉｔ）されるが、サブストレートと蛍光材料との間のインターフェイスにおける散乱のせいで、追加的な光損失を生じてしまう。例えば、空気／蛍光材料のインターフェイスにおける後方散乱（ｂａｃｋ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）も同様である。

ＬＥＤのパフォーマンスを改善するためには、従って、ＬＥＤからの、エピタキシャルレイヤから放出される光をガイドすることにおけるより良い効率に対する必要性が存在している。

本発明の目的は、上記の問題を解決するか、少なくとも低減することである。

特に、本発明の第１の態様に従って、発光ダイオードコンポーネントが提供される。発光ダイオードコンポーネントは、上面を有する光を発する半導体構造と、光を発する半導体構造からの光をガイドするように構成された微小光学マルチレイヤ構造とを含み、微小光学マルチレイヤ構造は、複数のレイヤを含む。ここで、ｉ次レイヤの上にｉ＋１次レイヤが順番に配置されており、半導体構造から見てわかるように、ｉ次レイヤの屈折率、ｎ_ｉ、は、ｉ＋１次レイヤの屈折率、ｎ_ｉ＋１、より大きい。ｉの値は、正の整数のセットから選択されたものであり、従って、ｉは、１、２、３、４、等であり得る。このように、本発明は、発光ダイオードコンポーネントの中の光トラッピングを低減するために局所的なインデックスマッチング技術を利用して、改善された光誘導（ｇｕｉｄａｎｃｅ）と光出力を提供している。別の利点は、例えばドーム形状レンズを使用した、発光ダイオードコンポーネントのかさばったカプセル化に対する必要性が低減されていることである。このことは、次に、コストと同様に、エミッタの容量サイズを削減する。

本発明の一つの実施例に従えば、ｉ＋１次レイヤの厚みは、ｉ次レイヤの厚みより大きい。このことは、全内部反射を低減し、光取り出し効率を増加させる。そして、従って、光出力パフォーマンスを改善する。一つの実施例において、ｉ＋１次レイヤの厚みは、ｉ次レイヤの厚みより１０％以上大きい。一つの実施例において、ｉ次レイヤに関するｉ＋１次レイヤの厚みの増加は、ｉ次レイヤに関するｉ＋１次レイヤの屈折率の相対的な増加に依存する。

本発明の一つの実施例に従えば、ｉ次レイヤの厚み、ｔ_ｉ、は、以下の式によって与えられる。

ここで、Ａは、マルチレイヤ構造の上面の表面積である。

十分に厚い微小光学マルチレイヤの使用は、全反射を低減し、光アウトカップリング（ｏｕｔｃｏｕｐｌｉｎｇ）を高める。

本発明の一つの実施例に従えば、半導体構造から見てわかるように、マルチレイヤ構造の第１レイヤは、半導体構造の上部領域の屈折率と実質的に等しい屈折率を有している。これにより、マルチレイヤ構造への改善された光結合が達成される。第１レイヤと半導体構造との間の屈折率における低減された不連続性が、後方反射を低減するからである。発光ダイオードコンポーネントの中の光トラッピングが、これにより、低減される。一つの実施例において、マルチレイヤ構造の屈折率は、半導体構造の上部領域の屈折率から１０％以下だけ離れている。別の実施例において、マルチレイヤ構造の屈折率は、半導体構造の上部領域の屈折率から５％以下だけ離れている。さらに別の実施例において、マルチレイヤ構造の屈折率は、半導体構造の上部領域の屈折率から１％以下だけ離れている。

本発明の一つの実施例に従えば、発光ダイオードコンポーネントは、さらに、波長変換レイヤを含む。この実施例は、発光ダイオードコンポーネントによって生成された光のスペクトル帯域を調整する手段を提供する。別の言葉で言えば、半導体構造によって生成された第１の波長範囲の直接光が、波長変換レイヤによって第２の波長範囲の光へと変換される。半導体構造および波長変換レイヤは、単一ユニットであり、効率的な照明光源を提供するための、アレイまたは他のコンフィグレーションにおける発光ダイオードの組み立てをさらに簡素化する。

波長変換レイヤは、第１の波長範囲の光を第２の波長範囲の光へと変換することができる材料から成るレイヤを意味するものである。

用語「直接光（ｄｉｒｅｃｔ ｌｉｇｈｔ）」は、あらゆる２次的な光学プロセスを伴わずに半導体構造によって直接的に生成された光として理解されるべきである。

本発明の一つの実施例に従えば、波長変換レイヤは、蛍光材料、量子ドット、及び/又は、蛍光色素、を含む。蛍光材料は、本発明のコンテクストにおいては、発光（ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、蛍光発光（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）、または燐光（ｐｈｏｓｐｈｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）プロセスにおける励起の後で発光を示す材料またはサブストレートとして定められる。

本発明の別の実施例に従えば、蛍光材料は、多結晶プレートを含み、望ましくは、Ｃｅ（ＩＩＩ）ドープされたガドリウムアルミニュームガーネット（Ｙ、ＧｄＡＧ：Ｃｅ）を含む。ＹＡＧ：Ｃｅの多結晶セラミックプレートであることの利点は、非常にコントロールし易い光学的および幾何的特性を有することであり、これにより発光ダイオードコンポーネントのパフォーマンスを改善することができる。セラミックプレートは、材料の中での散乱が小さいような材料構造を有しており、これにより、発光ダイオードコンポーネントの製造を改善することができ、さらに、パッケージ効率を高めることができる。

本発明の別の実施例に従えば、マルチレイヤ構造は、波長変換レイヤの上に配置されている。それにより、波長変換レイヤから出る光を結合する効率的な手段を提供することができる。

本発明の別の実施例に従えば、マルチレイヤ構造は、波長変換レイヤの下に配置されている。それにより、光を発する半導体構造に向かって反射されている波長変換レイヤからの光の量を低減することができる。

本発明の別の実施例に従えば、発光ダイオードコンポーネントは、さらに、追加的な微小光学マルチレイヤ構造を含む。ここで、波長変換レイヤは、微小光学マルチレイヤ構造と追加的な微小光学マルチレイヤ構造との間に配置されている。それにより、波長変換レイヤからの光を結合し、かつ、光を発する半導体構造に向かって後方反射されている波長変換レイヤからの光の量を低減するための効率的な手段を提供することができる。

本発明の別の実施例に従えば、発光ダイオードコンポーネントは、さらに、サブストレートを含み、望ましくは、サファイアサブストレートを含む。光を発する半導体構造が製作された上面にサブストレートが存在する利点は、除去される必要がないことである。このことは、発光ダイオードコンポーネントの製造を簡素化し、それにより、コスト効率のよい生産をすることができる。サファイアサブストレートは、低損失の透明材料であり、例えば、その上で、ＧａＮベースの半導体構造がエピタキシャル成長するのに適している。

本発明の別の実施例に従えば、発光ダイオードコンポーネントは、さらに、半導体構造の側面に隣接して配置されたサイドレイヤを含む。サイドレイヤは、発光ダイオードコンポーネントの光出力を設計する場合に、より良いデザインの柔軟性を提供する。

本発明の別の実施例に従えば、サイドレイヤは、波長変換材料を含み、望ましくは、蛍光材料、量子ドット、及び/又は、蛍光色素、を含む。このことは、サイドエミッションを増強し、これにより、発光ダイオードの光の均一性がより良くなる。これは、バックライトといった照明アプリケーションにおいて有利であり得る。

本発明の別の実施例に従えば、サイドレイヤは、光反射コーティング材料を含み、望ましくは、高反射メタル、または、高拡散反射フルオロポリマ（ｆｌｕｏｒｏｐｏｌｕｍｅｒ）を含む。発光ダイオードコンポーネントの改善された光誘導が、これにより、獲得され得る。

本発明の第２の態様に従って、発光ダイオード（ＬＥＤ）が提供される。ＬＥＤは、サブマウント上に配置された上記の発光ダイオードコンポーネントを含んでいる。

本発明の第３の態様に従って、マルチレイヤ構造が提供される。マルチレイヤ構造は、上面を有する光を発する半導体構造から出る光をガイドするように構成されている。マルチレイヤ構造は複数のレイヤを含み、半導体構造から見てわかるように、ｉ次レイヤの上にｉ＋１次レイヤが順番に配置されている。ここで、ｉ次レイヤの屈折率、ｎ_ｉ、は、ｉ＋１次レイヤの屈折率、ｎ_ｉ＋１、より大きい。

本発明は、請求項において列挙された機能の全ての可能な組み合せに関するものであることに留意する。

本発明のこれら又は他の態様について、これから、より詳細に説明される。本発明の実施例を示している添付の図面を参照するものである。

図面において示されるように、レイヤ（ｌａｙｅｒ）および領域（ｒｅｇｉｏｎ）のサイズは、説明目的のために誇張されている。そして、このように、本発明の実施例に係る一般的な構成を説明するために提供されるものである。類似の参照番号は、全体にわたり類似のエレメントを参照するものである。
図１ａは、本発明に従ったＬＥＤの一つの実施例に係る模式的な断面図である。 図１ｂは、本発明に従ったＬＥＤの代替的な実施例に係る模式的な断面図である。 図１ｃは、本発明に従ったＬＥＤのさらに代替的な実施例に係る模式的な断面図である。 図１ｄは、本発明に従ったＬＥＤのさらなる代替的な実施例に係る模式的な断面図である。 図２は、本発明に従ったＬＥＤのさらに代替的な実施例に係る模式的な断面図である。 図３ａは、本発明に従ったＬＥＤのさらなる代替的な実施例に係る模式的な断面図である。 図３ｂは、本発明に従ったＬＥＤの代替的な実施例である。

これから、本発明について、添付の図面を参照してより完全に、これ以降において説明される。ここでは、本発明について現在の望ましい実施例が示される。しかしながら、この発明は、多くの異なる形式において具現化され得るものであり、ここにおいて明確にされる実施例に限定されるものと理解されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、徹底性と完全性のために提供されるものであり、そして、当業者に対して本発明の範囲について完全に伝達するものである。

図１ａは、本発明に従ったＬＥＤ１００の模式的な断面図を示している。ＬＥＤは、発光ダイオードコンポーネント１０１を含んでおり、そこでは、光を発するように半導体構造１０４が配置され、かつ、半導体構造１０４からの光を外側にガイドするように微小光学マルチレイヤ構造１０２が配置されている。発光ダイオードコンポーネントは、さらに、サブマウント１０６に取り付けられている。微小光学マルチレイヤ構造１０２は、複数のレイヤ１０２ａ−１０２ｄを含んでいる。複数のレイヤ１０２ａ−１０２ｄのうちｉ＋１次レイヤは、半導体構造１０４から見てわかるように、１次レイヤの上に順番に配置されている。ｉの値は、正の整数のセットから選択される。従って、ｉは、１、２、３、４、等であり得る。例えば、この実施例においては、２次レイヤが１次レイヤの上に備えられ、３次レイヤが２次レイヤの上に備えられ、かつ、４次レイヤが３次レイヤの上に備えられている。ｉ次レイヤの屈折率、ｎ_ｉ、は、さらに、ｉ＋１次レイヤの屈折率、ｎ_ｉ＋１、より大きい。そのうえに、ｉ＋１次レイヤの厚みは、ｉ次レイヤの厚みより大きい。このことは、全内部反射を低減し、光取り出し効率を増加させる。そして、従って、光出力パフォーマンスを改善する。実施例において、ｉ次レイヤの厚みに関するｉ＋１次レイヤの厚みの増加は、ｉ次レイヤに関するｉ＋１次レイヤの屈折率の相対的な増加に依存する。例えば、ｉ次レイヤに関するｉ＋１次レイヤの屈折率のより大きな増加は、ｉ次レイヤの厚みに関するｉ＋１次レイヤの厚みのより大きな増加を結果として生じる。実際的な実施例において、ｉ＋１次レイヤの屈折率は１．６５であり、ｉ次レイヤの屈折率は１．５５である。そして、その結果、ｉ＋１次レイヤの厚みは約４４０μｍであり、ｉ次レイヤの厚みは約３６０μｍである。増加された厚み、屈折率に応じて最適化されたものは、電界放出角（ａｎｇｕｌａｒ ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）をより広くに変化させ得る。これは、側面放出（ｓｉｄｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を求める多くのアプリケーションにおいて有益である。

さらなる実施例において、ｉ次レイヤの厚み、ｔ_ｉ、は、以下の式で与えられる。

ここで、Ａは、微小光学マルチレイヤ構造１０２の上面の表面積である。微小光学マルチレイヤ構造１０２の表面積は、実質的に、発光半導体構造１０４の上面の表面積と等しい。

図１ａにおいて、半導体構造１０４は、フリップチップ（ＦＣ）構成において示されている。半導体構造１０４は、エピタキシャルレイヤ１０４ａとサブストレート１０４ｂを含んでいる。エピタキシャルレイヤ１０４ａは、さらに、ｐｎ接合（ｐｎ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を含んでおり、少なくとも一つのｎ型ＧａＮレイヤ、一つのＧａＮベースの活性領域、および、一つのｐ型ＧａＮレイヤを有している。ｎ型およびｐ型レイヤのバイアス（ｂｉａｓｉｎｇ）後に活性領域において光が生成される。生成された光は、ＧａＮレイヤ、典型的にはｎ型レイヤ、および、サブストレート１０４ｂの側面から引き出される。サブストレート１０４ｂは、従って、低損失の透明材料であるサファイアからなる。加えて、サファイアは、ＧａＮと類似の光子定数（ｌａｔｔｉｃｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を有しており、ＧａＮのＧａＮエピタキシャルレイヤ１０４ａの良い成長品質を可能にしている。

半導体構造１０４は、サブマウント１０６に取り付けられている。エピタキシャルレイヤ１０４ａのｎ型およびｐ型領域は、メタルレイヤ（図示なし）を介して、サブマウント１０６におけるメタル接点（図示なし）に電気的に接続され得る。半導体構造１０４のサブマウント１０６への取り付けは、例えば、スタッドバンプ（ｓｔｕｄ−ｂｕｍｐ）によって行われてよい。しかし、当業者によって知られた他の取り付け方法も、また、使用に適切なものであり得る。

サブマウント１０６は、非常に反射的である。半導体構造によって生成されて、サブマウント１０６に向かう方向に発せられた光を反射するためである。このことは、半導体構造１０４の上面を通じた発光を改善する。サブマウントは、例えば、非常に反射的なプリント回路基板（ＰＣＢ）であってよい。例えば、ＳＭＤのようなジオメトリを有するものである。

以下に説明されるように、半導体構造の他の構成も可能であることが留意されるべきである。

発光ダイオードコンポーネント１０１は、さらに、波長変換レイヤ１０５を含んでいる。波長変換レイヤ１０５の使用は、発光ダイオードコンポーネント１０１によって生成された光のスペクトル帯域を調整する手段を提供する。

この実施例に従って、発光ダイオードコンポーネント１０１は、白色光を発するように構成される。青色スペクトル帯域における光がＧａＮベースのエピタキシャルレイヤ１０４ａによって生成され、ダイレクトブルー（ｄｉｒｅｃｔ ｂｌｕｅ）の光を発している。そして、波長変換レイヤ１０５は、蛍光体を含んでおり、ここではＣｅ（ＩＩＩ）ドープされたガドリウムアルミニュームガーネット（Ｙ、ＧｄＡＧ：Ｃｅ）を含む多結晶質プレート、黄色スペクトル帯域における光を生成している。このように、発光ダイオードコンポーネント１０１は、青色光と黄色光の両方を発し、その組み合せにおいて白色光を提供する。このセットアップの利点は、ＹＡＧ：Ｇｅの多結晶質セラミックプレートが非常にコントロールし易い光学的および機械的な特性を有することであり、これにより発光ダイオードコンポーネント１０１のパフォーマンスを改善することができる。セラミックプレートは、例えば、波長スペクトルの可視帯域において約１．８の屈折率を有しており、これはサファイアの屈折率に非常に一致している。これによって、サブストレート１０４ｂと波長変換レイヤ１０５との間のインターフェイスにおけう散乱を低減することができる。波長変換レイヤ１０５は、さらに、材料の中での散乱が小さい材料構造を有しており、発光効率を改善することができる。

微小光学マルチレイヤ構造１０２は、上述のように配置された透明レイヤ１０２ａ−１０２ｄを含んでいる。レイヤの屈折率を引き続いてグレーディング（ｇｒａｄｉｎｇ）することによって、半導体構造１０４から見てわかるように、半導体構造１０４の中で生成された光の大部分が、発光ダイオードコンポーネント１０１から放出され得る。別の言葉で言えば、レイヤのインターフェイスにおける光の散乱が低減され、そして、発光ダイオードコンポーネント１０１からの光出力の全体的な増加が達成される。レイヤの厚さについて対応するグレーディングを追加的に適用することによって、発光ダイオードコンポーネント１０１の発光効率は、さらに改善される。

微小光学マルチレイヤ構造１０２は、半導体構造１０４の上部にある波長変換レイヤ１０５の上に配置されている。微小光学マルチレイヤ構造１０２の中への改善された光結合（ｌｉｇｈｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）が、微小光学マルチレイヤ構造１０２の第１レイヤ１０２ａの、半導体構造１０４から見てわかるように、屈折率を調整することによって達成され得る。そして、半導体構造１０４の上部は、それら２つのインターフェイスにおいて低減された光散乱を結果として生じている。半導体構造１０４の中の光トラッピングは、これによって低減される。

微小光学マルチレイヤ構造１０２の第１レイヤ１０２ａと、半導体構造１０４から見てわかるように、半導体構造１０４の上部とのインターフェイスにおける光散乱を低減するために、微小光学マルチレイヤ構造１０２の第１レイヤ１０２ａは、半導体構造１０４の上部領域の屈折率と実質的に等しい屈折率を有している。一つの実施例において、微小光学マルチレイヤ構造１０２の第１レイヤ１０２ａの屈折率は、半導体構造１０４の上部領域の屈折率から１０％以下だけ離れている。別の実施例において、微小光学マルチレイヤ構造１０２の第１レイヤ１０２ａの屈折率は、半導体構造１０４の上部領域の屈折率から５％以下だけ離れている。さらに別の実施例において、微小光学マルチレイヤ構造１０２の第１レイヤ１０２ａの屈折率は、半導体構造１０４の上部領域の屈折率から１％以下だけ離れている。さらなる別の実施例において、微小光学マルチレイヤ構造１０２の第１レイヤ１０２ａの屈折率は、半導体構造１０４の上部領域の屈折率と等しい。

図１ｂは、本発明の代替的な実施例に従ったＬＥＤ１１０の模式的な断面図を示している。ＬＥＤは、発光ダイオードコンポーネント１０１を含んでおり、そこでは、光を発するように半導体構造１０４が配置され、図１ａに関して説明されたように、半導体構造１０４からの光を外側にガイドするように微小光学マルチレイヤ構造１０２が配置されている。波長変換レイヤ１０５が、さらに、微小光学マルチレイヤ構造１０２の上に配置されている。この実施例の利点は、微小光学マルチレイヤ構造１０２が、波長変換レイヤから発せられ発光半導体構造に向かって後方反射されている光の量を低減することができることである。このように、改善されたＬＥＤパフォーマンスを得ることができる。

図１ｃは、本発明の別の実施例に従ったＬＥＤ１２０の模式的な断面図を示している。発光ダイオードコンポーネントは、図１ａと図１ｂに関して説明されたものと同一のコンポーネントを含んでおり、加えて、追加的な微小光学マルチレイヤ構造１０２’を含んでいる。微小光学マルチレイヤ構造１０２と追加的な微小光学マルチレイヤ構造１０２’は、波長変換レイヤ１０５の相対する側に配置されている。それによって、波長変換レイヤからの光を結合し、かつ、発光半導体構造に向かって後方反射されている波長変換レイヤからの光の量を低減するための効率的な手段を提供することができる。

この実施例に従えば、微小光学マルチレイヤ構造１０２の第１レイヤ１０２ａ、１０２ａ’および追加的な微小光学マルチレイヤ構造１０２’の屈折率は、等しいか、または、半導体構造１０４の屈折率と波長変換レイヤ１０５の屈折率よりそれぞれにわずかに小さい、ことに留意すべきである。上記の記述に従えば、レイヤ１０２ｂ、１０２ｂ’の屈折率は、第１レイヤ１０２ａ、１０２ａ’の屈折率より小さい。

さらに、本発明の一つの実施例に従えば、発光ダイオードコンポーネント１０１の上から見てわかるように、波長変換レイヤ１０５の下に配置されている微小光学マルチレイヤ構造１０２の最終レイヤ１０２ｄの屈折率は、波長変換レイヤ１０５の屈折率より小さく、エピタキシャルレイヤ１０４ａまたはサブストレート１０４ｂの屈折率に類似した屈折率を有し得る。

微小光学マルチレイヤ構造１０２および追加的な微小光学マルチレイヤ構造１０２’は同様のものであってよく、従って、同様なレイヤ構造を含んでおり、かつ、同一の物理的特性を有していることにも留意すべきである。

微小光学マルチレイヤ構造１０２は、例えばＳＦ１１タイプの標準ガラスから成ってよい。代替的に、微小光学マルチレイヤ構造１０２は、エポキシまたはシリコン材料から成ってよい。この種の非常に透明性にある材料は、少なくとも１．４８と２の間の屈折率を伴い直ちに利用可能である。マルチレイヤスタックを形成するための屈折率整合接着剤も、また、必要であり、一般的に市場で入手可能である（米国特許第７４２３２９７Ｂ２号参照のこと）。代替的に、シリコンベースのレイヤは、米国特許第７４５２７３７Ｂ２号において提案されるようなオーバーモールド（ｏｖｅｒ ｍｏｌｄｉｎｇ）工程によって固着されてよい。

一つの実施例に従って、微小光学マルチレイヤ構造の頂上レイヤは、微小光学マルチレイヤ構造の上に存在している媒体の屈折率より大きいか等しい屈折率を有している。微小光学マルチレイヤ構造の頂上レイヤと周辺媒体、例えば空気またはシリコン、との間の屈折率の違いを調整することが、改善された誘導（ｇｕｉｄａｎｃｅ）と光出力を提供する。

本発明の別の実施例に従えば、発光ダイオードコンポーネント１０１は、図１ｄに示されるように、ドーム形状レンズ構造１０８の中に封入されている。レンズ構造は、光出力を増加し、かつ、半導体構造からの光を方向付けるために配置されている。ドーム形状レンズ構造は、例えば、シリコンから成ってよい。

微小光学マルチレイヤ構造１０２の頂上レイヤ１０２ｄは、頂上レイヤ１０２ｄの上に存在している媒体の屈折率より大きいか等しい屈折率を有している。微小光学マルチレイヤ構造の頂上レイヤ１０２ｄと周辺媒体、つまり空気またはレンズ構造１０８、との間の屈折率の違いを調整することが、改善された光の誘導と光出力を提供する。

エピタキシャルレイヤによって生成された光、パターン化サファイア基盤（ＰＳＳ）ベースの発光ダイオードといったアートＦＣ（ａｒｔ ＦＣ）構成の状態のものは、空気中、または、ドーム状封入材料を介してから空気中のいずれかへ、サファイア基盤を介して外に結合（ｃｏｕｐｌｅｄ ｏｕｔ）される。従って、生成された光の大部分は、発光ダイオードコンポーネントにおける全内部反射によって捕えられる。サファイアサブストレートは、さらに、典型的には１００から８００マイクロメートルの厚みであり、発せられる光の大部分をサブストレートの側面に向かう方向に導いている。この光は、インターフェイスにおける大きな屈折率の不一致のために、そのほとんどが、サブストレートとその周辺媒体のインターフェイスにおいて反射される。この後方反射された光の少なくとも一部が発光ダイオードコンポーネントを出て行けることを保証するために、一般的に、非常に反射的なサブマウントがＦＣベースの発光ダイオードコンポーネントにおいて使用される。

本発明の一つの実施例に従えば、この問題を軽減することが目的である。

それに応じて、図２は、本発明に従ったＬＥＤ２００の模式的な断面図を示している。ＬＥＤ２００は、図１ａから図１ｄに関して説明されたように、半導体構造１０４と微小光学マルチレイヤ構造１０２を含んでいる発光ダイオードコンポーネント１０１を含む。発光ダイオードコンポーネント１０１は、さらに、半導体構造１０４の側面に隣接して配置されたサイドレイヤ（ｓｉｄｅ ｌａｙｅｒ）１０４ｄを含んでいる。サイドレイヤ１０４ｄは、半導体構造１０４の一つまたはそれ以上の側面をカバーする。サイドレイヤは、発光ダイオードコンポーネント１０１の光出力を設計する場合に、より良いデザインの柔軟性を提供する。サイドレイヤ１０４ｄは、波長変換材料から成っており、望ましくは蛍光材料である。サイドレイヤ１０４ｄと波長変換レイヤ１０５は、共通のレイヤを形成してよい。サイドレイヤ１０４ｄと波長変換レイヤ１０５は、同一のカラーポイント（ｃｏｌｏｕｒ ｐｏｉｎｔ）を有している発光を提供するように構成され得る。

サイドレイヤ１０４ｄは、半導体構造１０４のエピタキシャルレイヤ１０４ａから少なくとも波長変換レイヤ１０５まで広がっていることに留意すべきである。従って、サブストレートの側面に向かう方向において発せられている光の大部分は、それにより、サイドレイヤ１０４ｄに入ることができ、そこでは、サイドレイヤ１０４ｄの波長変換材料によって光の少なくとも一部のスペクトル帯域が変更され得る。これによって、全体的に改善された発光が得られる。さらに、発光ダイオードコンポーネント１０１によって発せられた光は、増加された角分布（ａｎｇｕｌａｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を有することができ、例えば、バックライトアプリケーションにおいて有利であり得る。そこでは、発光ダイオードの知覚される光の斑点が低減される。

代替的に、サイドレイヤ１０４ｄは、半導体構造１０４、つまりエピタキシャルレイヤ１０４ａと波長変換レイヤ１０５、から発せられた光を反射するように構成されている光反射材料を含み得る。発せられた光の大部分が、発光ダイオードコンポーネント１０１の頂上レイヤ１０２ｄから外に結合されるようにである。

本発明の別の実施例に従えば、サブストレートが、少なくとも部分的に除去される。サブストレートの少なくとも一部分の除去は、例えば、レーザー支援リフトオフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）、グライディング、ケミカル−メカニカルポリッシュ、またはウェットエッチィング、もしくは、あらゆる他の適切な処理技術によって行われてよい。サブストレートの少なくとも一部分の除去は、おそらく半導体構造が少なくとも部分的に露出するように行われる。結果として生じるデバイス構造は、たいてい、薄膜フリップチップ（ＴＦＦＣ）ジオメトリを有する発光ダイオードとして参照される。ＴＦＦＣジオメトリを使用することで、透明サブストレートにおける吸収損失を避けることができ、発光ダイオードコンポーネントの改善された輝き（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）を提供している。半導体構造の露出されたラフニング（ｒｏｕｇｈｅｎｉｎｇ）またはパターニングによって、発光ダイオードの光出力におけるさらなる増加が達成され得る。それにより、半導体構造から外へ結合された一部分の光が改善される。結果として、発光ダイオードコンポーネントの外部量子効率が改善され得る。さらなる利点は、エピタキシャル成長の最中に、シリコンまたはＳｉＣを含む、他のサブストレートが使用されてよいことである。

図３ａは、発光ダイオード（ＬＥＤ）３００を開示しており、ＴＦＦＣジオメトリを有している発光ダイオードコンポーネント１０１を含んでいる。発光ダイオードコンポーネント１０１は、上述のように、エピタキシャルレイヤ１０４ａと波長変換レイヤ１０５を含む半導体構造１０４を含んでいる。エピタキシャルレイヤ１０４ａは、サブマウント１０６の上に取り付けられ、波長変換レイヤ１０５は、エピタキシャルレイヤ１０４ａの上に置かれている。複数のレイヤ１０２ａ−１０２ｄを含む微小光学マルチレイヤ構造１０２が、波長変換レイヤ１０５の上に配置されている。

発光ダイオードコンポーネント１０１は、さらに、半導体構造１０４の側面に隣接して配置されたサイドレイヤ１０４ｄを含んでいる。サイドレイヤ１０４ｄは、半導体構造１０４の一つまたはそれ以上の側面をカバーする。サイドレイヤ１０４ｄは、半導体構造１０４、つまりエピタキシャルレイヤ１０４ａと波長変換レイヤ１０５、から発せられた光を反射するように構成されている光反射材料を含んでいる。発せられた光の大部分が、発光ダイオードコンポーネント１０１の頂上レイヤ１０２ｄから外に結合されるようにである。

加えて、サイドレイヤ１０４ｄは、波長変換材料から成っており、望ましくは蛍光材料である。変換材料を使用することの機能と利点は、上述のとおりである。

図３ｂは、ＬＥＤ３１０に係る別の実施例を開示しており、ＴＦＦＣジオメトリを有している発光ダイオードコンポーネント１０１を含んでいる。発光ダイオードコンポーネント１０１は、上述のように、エピタキシャルレイヤ１０４ａ、サイドレイヤ１０４ｄ、および波長変換レイヤ１０５を含む半導体構造１０４を含んでいる。発光ダイオードは、さらに、微小光学マルチレイヤ構造１０２と波長変換レイヤ１０５の相対する側に配置された追加的な微小光学マルチレイヤ構造１０２’を含んでいる。

本実施例の利点は、図１ｃに関して説明されたものと同一である。サイドレイヤ１０４ｄは、エピタキシャルレイヤ１０４ａから少なくとも波長変換レイヤ１０５まで広がっており、エピタキシャルレイヤ１０４ａから発せられた直接光が微小光学マルチレイヤ構造１０２の側面から出て行くのを妨げている

サイドレイヤ１０４ｄが反射材料から成る場合、このことは、マルチレイヤ構造１０２の側面に向かう方向において発せられている光の大部分を、波長変換レイヤ１０５に向かって反射させることができる。

サイドレイヤ１０４ｄが波長変換部材から成る場合、マルチレイヤ構造の側面に向かう方向において発せられている光の大部分が、サイドレイヤ１０４ｄに入り得る。ここで、光の少なくとも一部分のスペクトル帯域は、サイドレイヤ１０４ｄの波長変換材料によって変更され得る。こうして、全体的に改善された発光が得られる。さらに、発光ダイオードコンポーネント１０１によって発せられた光は、増加された角分布を有することができ、例えば、バックライトアプリケーションにおいて有利であり得る。そこでは、発光ダイオードの知覚される光の斑点が低減される。

コンピュータシミュレーションは、本発明に従った微小光学マルチレイヤ構造を使用することが、発光ダイオードコンポーネントからの改善された光出力を結果として生じることを明らかにしている。２つの異なる発光ダイオードコンポーネントからの光出力が、最先端のＰＳＳチップスケールパッケージ（ＣＰＳ）ＬＥＤと比較された。ＰＳＳ −ＣＰＳ ＬＥＤは、屈折率が１．８のサブストレートレイヤと、屈折率が１．５のトップおよびサイドレイヤを有している半導体構造から成っている。

波長変換レイヤの屈折率をサブストレートレイヤの屈折率と実質的に同一（約１．８）に増加することによって、例えば、Ｃｅ（ＩＩＩ）ドープされたガドリウムアルミニュームガーネット（Ｙ、ＧｄＡＧ：Ｃｅ）を含む波長変換レイヤといった高屈折率材料を使用することによる、光出力における相対ゲインは、３．４％であるとシミュレーションされた。高屈折率材料の上に屈折率１．７を有する透明レイヤを配置することによってマルチレイヤ層が形成される場合、約７．６％の光出力における相対ゲインが達成され得る。さらに、高屈折率材料の上に第１レイヤと第２レイヤを含むマルチレイヤ層が使用される場合、１２．１％の光出力における相対ゲインが達成され得る。第１および第２レイヤは、それぞれに、１．７および１．４６の屈折率を有するように設定された。

簡素化のために、それぞれのレイヤは４００マイクロメートルの厚みを有するものと仮定された。さらなる発光効率の改善が、後に続くレイヤの屈折率のグレーディング（ｇｒａｄｉｎｇ）に応じて後に続くレイヤの厚みをグレーディングすることによって獲得され得る。このように、後続のレイヤ間の屈折率の増加は、後続のレイヤ間の厚みの増加に対応している。同様に、後続のレイヤ間の屈折率の減少は、後続のレイヤ間の厚みの減少に対応している。

シミュレーションは、また、カプセル化された発光ダイオードが、マルチレイヤ構造を含む場合に、増加された光出力を有し得ることも示している。シミュレーションにおいては、屈折率１．５を有する（例えば、シリコン）３ｍｍのレンズ構造が使用された。第１および第２レイヤは、それぞれに、１．７５および１．６の屈折率を有するように設定された。開示された構成と異なるものに対して達成されるゲインは、カプセル化された発光ダイオードについて、それぞれに、７．０％、８．３％、および８．５％であった。

このように、シミュレーションに従えば、マルチ構造を含むがカプセル化を伴っていない発光ダイオードコンポーネントは、レンズ構造を伴う参照のＰＳＳ−ＣＳＰ ＬＥＤ構造よりも性能が優れていることに留意すべきである。この洞察は、非常に効率的な発光ダイオード製作する場合に有利であり、かつ、さらに、発光ダイオードのパッケージ効率を改善することができる。

当業者であれば、本発明が、上記の望ましい実施例に決して限定されるものではないと理解する。反対に、添付の特許請求の範囲内において、多くの変更および変形が可能である。

例えば、波長変換レイヤ１０５は、量子ドット（ｑｕａｎｔｕｍｅ ｄｏｔ、ＱＤ）から成ってよい。ＱＤは、一般的に、わずか数十ナノメートルの幅および直径を有している半導体材料の小さな結晶である。それらは、入射光によって励起された場合に、ＱＤのサイズと材料によって決定される波長の光を発光するという利点を有している。さらに、それらは、非常に狭い発光帯域を示し、従って、飽和したカラーを提供する。ここで、所定のカラーの光出力は、使用されるＱＤの材料とサイズを調整することによって生成され得る。例えば、赤色励起（ｒｅｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）に際しての遠赤（ｆａｒ−ｒｅｄ）における発行を伴うＱＤが、達成されうる。これらに限定されるわけではないが、以下のものを含むグループから選択された材料から成るＱＤを使用することによるものである。ＩＩ−ＶＩ族およびＩＩＩ−Ｖ族ＱＤ、望ましくはＩｎＰ、ＣｄＴｅ、ＣｄＴｅ／ＣｄＳｅのコアシェル構造、ＣｄＳｅ_ｘＴｅ_ｙといった成分混合物理的、もしくは、Ｃｕ_ｘＩｎ_ｙＳｅ_２またはＣｕ_ｘＩｎ_ｙＳ_２といったキャルコパライト（ｃｈａｌｃｏｐｙｒｉｔｅ）ＱＤ、である。ＱＤは、拡張された発光特性のために、ＣｄＳおよびＺｎＳといった高バンドギャップ材料を用いてオーバーコートされてよい。

波長変換レイヤ１０５は、無機リン（ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｐｈｏｓｐｈｏｒ）から成ってよい。ここで、無機リンは、Ｃｒ^３＋を用いてドープされた材料を含む。望ましくは、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｒ^３＋を含むグループから選択されたものである。

波長変換レイヤ１０５は、蛍光色素（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｄｙｅ）から成ってよい。

波長変換レイヤ１０５は、Ｌｕｍｉｒａｍｉｃ^ＴＭを含み得る。

例えば、エピタキシャルレイヤ１０４ａの活性領域は、さらに、例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを含むヘテロ構造レイヤを含み得る。バンドギャップを調整し、かつ、それにより、発光ダイオードコンポーネントの発光波長を調整するためである。量子ウエル（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ、ＱＷ）またはマルチ量子ウエル（ＭＱＷ）構造であり、例えば、ＧａＩｎ／Ｉｎ_ｘＧ_１−ｘＮのレイヤを封じ込める量子を使用して獲得されたものが、さらに、正孔（ｈｏｌｅ）と電子を局所的に増加させるために、活性領域の中に配置され得る。増加された再結合率（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｒａｔｅ）により、発光ダイオードコンポーネントから発せられる光子の数量の増加を導くものである。

ＧａＮレイヤは、約５マイクロメートルの全体的な厚みを有し得る。この厚みは、決定的なものではなく、ＬＥＤパフォーマンスの妨げとなるであろう欠陥の高い集中が避けられ得る限りにおいて、変動し得る。サファイアサブストレートは、典型的には２００マイクロメートルの厚さであるが、他の実施例において、厚さは、１０から８００マイクロメートルまで変動してよい。

発光ダイオードコンポーネントは、さらに、マルチレイヤ構造における複数のレイヤを結合するために配置されるボンディングレイヤ（ｂｏｎｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を含み得る。ボンディングレイヤは、インターフェイスにおける光散乱を低減するために、周辺レイヤと一致している屈折率を有することが望ましい。

ボンディングレイヤは、シリコンを含み得る。

レンズ構造は、球形、または楕円形といった、種々の幾何的な形状を有してよい。レンズ構造の上部は、さらに、任意的に、フレネルレンズ（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓ）形状へとテクスチャされてよく、または、フォトニック結晶（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）構造を伴うものでよい。

加えて、図面、明細書、および特許請求の範囲を研究すれば、開示された実施例に対する変形が、当業者によって、特許請求された発明の実施において理解され、かつ、遂行され得る。請求項において、用語「含む（”ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”）」は、他のエレメントまたはステップを排除するものではなく、かつ、不定冠詞「一つの（”ａ”または”ａｎ”）」は、複数を排除するものではない。特定の手段が、お互いに異なる従属請求項の中で引用されているという事実だけでは、これらの手段の組合せが有利に使用され得ないことを示すものではない。

Claims (14)

1. 上面を有する光を発する半導体構造と、
   光を発する前記半導体構造の前記上面からの光をガイドするように構成された微小光学マルチレイヤ構造と、を含み、
   前記微小光学マルチレイヤ構造は、複数のレイヤを含み、
   ｉ次レイヤの上にｉ＋１次レイヤが順番に配置されており、
   前記ｉ次レイヤの屈折率、ｎ_ｉ、は、前記ｉ＋１次レイヤの屈折率、ｎ_ｉ＋１、より大きく、
   ここで、ｉの値は、正の整数のセットから選択されたものであり、かつ、
   前記ｉ＋１次レイヤの厚みは、前記ｉ次レイヤの厚みより大きく、
   前記微小光学マルチレイヤ構造の表面積は、実質的に、光を発する前記半導体構造の前記上面の表面積と等しい、
   発光ダイオードコンポーネント。
2. 前記ｉ次レイヤの厚み、ｔ_ｉ、は、以下の式によって与えられ、
   

   

   ここで、Ａは、前記微小光学マルチレイヤ構造の上面の表面積である、
   請求項１に記載の発光ダイオードコンポーネント。
3. 前記微小光学マルチレイヤ構造の１次レイヤは、前記半導体構造の上部領域の屈折率と等しい屈折率を有している、
   請求項１に記載の発光ダイオードコンポーネント。
4. 前記発光ダイオードコンポーネントは、さらに、
   波長変換レイヤ、を含む、
   請求項１乃至３いずれか一項に記載の発光ダイオードコンポーネント。
5. 前記微小光学マルチレイヤ構造は、前記波長変換レイヤの上に配置されている、
   請求項４に記載の発光ダイオードコンポーネント。
6. 前記微小光学マルチレイヤ構造は、前記波長変換レイヤの下に配置されている、
   請求項４に記載の発光ダイオードコンポーネント。
7. 前記発光ダイオードコンポーネントは、さらに、
   追加的な微小光学マルチレイヤ構造、を含み、
   前記波長変換レイヤは、前記微小光学マルチレイヤ構造と前記追加的な微小光学マルチレイヤ構造との間に配置されている、
   請求項４に記載の発光ダイオードコンポーネント。
8. 前記波長変換レイヤは、蛍光材料、量子ドット、及び/又は、蛍光色素、を含む、
   請求項５乃至７いずれか一項に記載の発光ダイオードコンポーネント。
9. 前記蛍光材料は、多結晶プレートを含み、
   望ましくは、Ｃｅ（ＩＩＩ）ドープされたガドリウムアルミニュームガーネット（Ｙ、ＧｄＡＧ：Ｃｅ）を含む、
   請求項８に記載の発光ダイオードコンポーネント。
10. 前記発光ダイオードコンポーネントは、さらに、
    サブストレートを含み、
    望ましくは、サファイアサブストレートを含む、
    請求項１乃至９いずれか一項に記載の発光ダイオードコンポーネント。
11. 前記発光ダイオードコンポーネントは、さらに、
    前記半導体構造の側面に隣接して配置されたサイドレイヤを含む、
    請求項１乃至１０いずれか一項に記載の発光ダイオードコンポーネント。
12. 前記サイドレイヤ１０４は、波長変換材料を含み、
    望ましくは、蛍光材料、量子ドット、及び/又は、蛍光色素、を含む、
    請求項１１に記載の発光ダイオードコンポーネント。
13. 前記サイドレイヤは、光反射コーティング材料を含み、
    望ましくは、高反射メタル、または、高拡散反射フルオロポリマ（ｆｌｕｏｒｏｐｏｌｕｍｅｒ）を含む、
    請求項１１または１２に記載の発光ダイオードコンポーネント。
14. 請求項１乃至１３いずれか一項に記載の発光ダイオードコンポーネントを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、
    前記発光ダイオードコンポーネントは、サブマウント上に配置されている、
    発光ダイオード。

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