JP2005057266A - 光取り出し効率が改善された発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光装置の光取り出し効率の改善を提供する。
【解決手段】 光学部材に結合された発光半導体素子を含む装置。いくつかの実施形態では、光学部材は、活性領域によって放射された光の一部分を半導体発光素子及び光学部材の中心軸線と実質的に垂直な方向に向けるように伸長するか又は成形することができる。いくつかの実施形態においては、半導体発光素子及び光学部材は、反射器内又は光導体に隣接して配置される。光学部材は、光学部材と半導体発光素子との間に配置された境界面での結合部により、第１の半導体発光素子に結合することができる。いくつかの実施形態では、この結合部は、有機ベースの接着剤を実質的に含まない。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、発光装置の光取り出し効率の改善に関する。

発光体の光取り出し効率は、ＬＥＤの内部量子効率に対するＬＥＤの外部量子効率の比率として定められる。通常、パッケージ化されたＬＥＤの光取り出し効率は、１よりも実質的に小さく、すなわち、ＬＥＤの活性領域内で発生した光の多くは、外部環境に到達することはない。

光取り出し効率は、ＬＥＤ及び周囲材料間の境界面での内部全反射と、その後のＬＥＤ内での内部全反射光の再吸収とによって低減される。例えば、エポキシ内に封入された透明サブストレート上の立方体形状のＬＥＤについては、放射波長での屈折率（ｎ）は、例えば、ＬＥＤ半導体内のｎ_semi≒３．５の値からエポキシ内のｎ_epoxy≒１．５まで変化する。この例のＬＥＤ半導体からエポキシ封入材料上に入射する光の内部全反射の対応する臨界角は、θ_C＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_epoxy／ｎ_semi）≒２５°である。散乱及び多重反射を無視すれば、立方体ＬＥＤの活性領域内の１点から４πステラジアンに亘って放射された光は、光が、各境界面について１つで各々が臨界角に等しい半角を有する６つの狭い光円錐の１つの中に放射された場合にのみ、半導体／エポキシ封入材料の境界面を通過する。エポキシ／空気境界面では、内部全反射による付加的な損失が発生する可能性がある。その結果、例えば、エポキシ内に封入された効率的な従来型形状（例えば、直方体）の透明サブストレート「ＡｌＩｎＧａＰ」ＬＥＤは、１００％に近い内部量子効率を有するにもかかわらず、僅か約４０％の外部量子効率を有する場合がある。

ＬＥＤの光取り出し効率に対する内部全反射の影響は、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれる米国特許第５，７７９，９２４号、第５，７９３，０６２号、及び第６，０１５，７１９号に更に説明されている。

光取り出し効率を改善する１つの手法では、ＬＥＤは半球形状に研磨される。半球形状ＬＥＤの活性領域内の１点から放射された光は、垂直に近い入射で半球境界面と交差する。従って、内部全反射は減少する。しかし、この技術は、冗漫かつ材料の浪費である。それに加えて、研磨処理中にもたらされる欠陥は、ＬＥＤの信頼性及び性能を損なう場合がある。

別の手法では、ＬＥＤは、ドーム又は半球形状表面を有する材料内に封入（収納）される。例えば、上述の例のエポキシ封入材料をドーム形状にすることができ、エポキシ封入材料／空気境界面での内部全反射による損失を低減させる。しかし、エポキシのような低屈折率封入材料の表面の成形は、半導体／低屈折率封入材料境界面での内部全反射による損失を低減させない。

更に、エポキシ封入材料は、一般的にＬＥＤ内の半導体材料とは良好に一致しない熱膨張係数を有する。その結果、エポキシ封入材料は、加熱又は冷却時にＬＥＤを械的応力に曝し、ＬＥＤを破損させる場合がある。ＬＥＤはまた、ドーム形状の高屈折率ガラス内に封入され、これは、半導体／封入材料境界面に対する臨界角を増大させる。残念なことに、高屈折率ガラスにおける光吸収と機械的応力とは、一般的に、そのようなガラス内に封入されたＬＥＤの性能を低下させる。

米国特許第５，７７９，９２４号 米国特許第５，７９３，０６２号 米国特許第６，０１５，７１９号 米国特許第５，５０２，３１６号 米国特許第５，３７６，５８０号 米国特許出願一連番号第０９／８２３，８４１号 米国特許出願第１０／２８３，７３７号

従って、光取り出し効率が改善した発光装置の必要性が存在する。

本発明の実施形態によれば、装置は、光学部材に結合された発光半導体素子を含む。いくつかの実施形態では、光学部材は、活性領域によって放射された光の一部分を半導体発光素子及び光学部材の中心軸線と実質的に垂直な方向に向けるように伸長するか又は成形することができる。いくつかの実施形態においては、半導体発光素子及び光学部材は、反射器内又は光導体に隣接して配置される。光学部材は、光学部材と半導体発光素子との間に配置された境界面での結合部により、第１の半導体発光素子に結合することができる。いくつかの実施形態では、この結合部は、有機ベースの接着剤を実質的に含まない。

図１〜図１８には、本発明の様々な実施形態に従って発光体４に結合された実質的に透明な光学部材２を含む発光装置１が示されている。図には、様々な発光体、様々な光学部材、及び光学部材に発光体を結合させる様々な方法が説明されている。図示の発光体、光学部材、及び結合方法の特定の組合せは、限定することを意味しない。一般的に、説明する発光体、光学部材、及び結合方法は、任意に組み合わせることができる。発光体への光学部材の結合は、装置の上面から取り出される光の量及び側面光に対する上面光の比率を増加させることができ、装置と共に使用される何れの光学素子も上面光に対して調整することができ、より効率的かつ小型のシステムをもたらす可能性がある。

図１Ａには、光学部材２及び発光体４が示されており、発光体４は、本発明の実施形態に従って発光体４と光学部材２との間の境界面での結合部によって取り付けられている。本出願全体に亘って、用語「発光体」には、限定はしないが、発光ダイオード及びレーザダイオードが含まれる。更に、本発明の様々な実施形態は、光検出器及び太陽電池として同様に使用することができる。

図１Ｂには、本発明の実施形態に従って実質的に透明な結合層６を含む結合部によって発光体４に取り付けられた光学部材２が示されている。

「透明」という用語は、本明細書においては、「透明光学部材」、「透明結合層」、「透明サブストレート」、又は「透明スーパーストレート」のような「透明」と説明された光学部材が、発光装置の放射波長で、吸収又は散乱のために約５０％よりも少ない単光路損失、好ましくは、約１０％よりも少ない単光路損失で光を透過することを示すために使用される。発光装置４の放射波長は、電磁スペクトルの赤外線、可視光線、又は紫外線領域にあるとすることができる。当業者は、「５０％よりも少ない単光路損失」及び「１０％よりも少ない単光路損失」の条件は、透過経路長及び吸収定数の様々な組合せによって達成することができることを認識するであろう。本明細書で使用される場合、「光学集線装置」は、限定はしないが、内部全反射器を含み、また、反射性金属、誘電体、反射コーティング、又は入射光を反射又は方向変化させる内部全反射器でコーティングした壁を有する光学部材を含む。ここで、反射コーティングの例には、硫酸バリウムを含む、マンセル・カラー・カンパニー製の「ホワイト・リフレクタンス・コーティング」がある。

図１Ａ及び図１Ｂには、発光体４が層のスタックを含む実施形態が示されている。スタックは、半導体層と活性領域とを含み、光を放射することができる。より詳細には、発光体４は、ｎ型電導度（ｎ層）の第１の半導体層８及びｐ型電導度（ｐ層）の第２の半導体層１０を含む。半導体層８及び半導体層１０は、活性領域１２に電気的に結合される。活性領域１２は、例えば、層８と層１０との境界面に付随したｐ−ｎダイオード接合である。代替的に、活性領域１２は、ｎ型又はｐ型にドープされるか又は非ドープの１つ又はそれ以上の半導体層を含む。活性領域１２はまた、量子井戸を含むことができる。ｎ接触１４及びｐ接触１６は、半導体層８及び半導体層１０とそれぞれ電気的に結合される。活性領域１２は、接触１４及び１６間の適切な電圧の印加により光を放射する。代替実施例においては、層８及び層９の電導度の型は、接触１４及び１６と共に逆転される。すなわち、層８がｐ型層であり、接触１４がｐ接触であり、層１０がｎ型層であり、接触１０がｎ接触である。

半導体層８及び１０、及び活性領域１２は、限定はしないがＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体、限定はしないがＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅを含むＩＩ−ＶＩ族半導体、限定はしないがＧｅ、Ｓｉ、ＳｉＣを含むＩＶ族半導体、及び、それらの混合物又は合金から形成される。これらの半導体は、それらが存在する発光装置の放射する典型的な放射波長において約２．４から約４．１に及ぶ屈折率を有する。例えば、ＧａＮのようなＩＩＩ族窒化物半導体は、５００ｎｍで約２．４の屈折率を有し、ＩｎＧａＰのようなＩＩＩ族隣化物半導体は、６００ｎｍで約３．６〜３．７の屈折率を有する。

接触１４及び１６は、１つの実施例においては、以下に限定されるものではないが、金、銀、ニッケル、アルミニウム、チタン、クロム、白金、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウム、タングステン、及びそれらの混合物又は合金を含む金属から形成された金属接触である。別の実施例においては、接触１４及び接触１６の一方又は両方は、酸化インジウム錫のような透明導電体から形成される。

図には特定の発光装置構造が示されているが、本発明は、発光体４内の半導体層の構造及び数量には関係なく、活性領域の細部の構造にも無関係である。また、発光体４は、例えば、図１Ａ及び図１Ｂには示されていない透明なサブストレート及びスーパーストレートを含むことができる。更に、様々な図に示す発光体４の様々な要素の大きさは、一定の縮尺ではない。

いくつかの実施形態では、透明光学部材２は金属化層２０を含む。金属化層２０は、発光体４の接触１４に電気的に結合される。金属化層２０は、以下に限定されるものではないが、金、銀、ニッケル、アルミニウム、チタン、クロム、白金、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウム、タングステン、及びそれらの混合物又は合金を含む金属から形成される。別の実施例においては、金属化層２０は、酸化インジウム錫のような透明導電体から形成される。一実施形態では、金属化層２０は網状であり、他の実施形態では、連続層又はパターン化層である。金属化層２０の厚みは、例えば、約２Åから約５０００Åの範囲である。金属化層２０は、入射光の約１０％よりも多くを透過させ、好ましくは５０％よりも多くを透過させる。金属化層２０は、透明光学部材２の表面２２上に形成される。いくつかの実施形態では、表面２２は、実質的に平坦である。

透明光学部材２は、表面２４によって境界が形成されている。表面２４の形状は、以下で詳細に説明するように、発光体４によって放射された光の反射を低減させる。更に、表面２４での損失は、従来型の反射防止コーティング２５の表面２４への付加によって更に低減することができる。

図１Ｂには、結合材料の層が発光体４の上面１８に付加されて透明結合層６を形成する実施形態が示されている。透明結合層６は、光学部材２と発光体４とを結合する。透明結合層６は、例えば、約１０オングストローム（Å）から約１００ミクロン（μｍ）の厚みである。結合材料は、例えば、以下に限定されるものではないが、スピニング、スパッタリング、蒸発法、化学蒸着（ＣＶＤ）を含む従来型の堆積技術により、又は、例えば有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、気相エピタキシー（ＶＰＥ）、液相エピタキシー（ＬＥＤ）、又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）による材料成長の一部として付加される。透明結合層６は、任意的に、例えば従来型のフォトリソグラフィ又はエッチング技術を用いてパターン化され、結合材料によって覆われていない接触１４を残し、従って、接触１４が光学部材２上の任意的な金属化層２０と電気的に接触することを可能にする。

代替実施形態では、透明結合層６は、光学部材２の実質的に平坦な表面上又は金属化層２０の表面上に形成され、例えば、従来型のフォトリソグラフィ又はエッチング技術を用いて任意的にパターン化され、接触１４と金属化層２０との間の電気的接触を可能にする。別の実施形態では、発光体４の表面１８上と光学部材２の表面２２上の両方に結合層６のような透明結合層が形成される。他の実施形態では、接触１４は別々に形成されず、結合層６がパターン化されて金属化層２０とｎ層８との間の電気的接触を可能にする。

図１Ｃには、接触１４及び結合層６を持たない実施形態が示されている。ここでは、金属化層２０は、発光体４のための接触層として、及び結合層として更に機能する。他の実施形態では、接触１４は表面１８上に設けられず、金属化層２０は使用されない。

更なる実施形態では、結合層６は発光体４上に形成される。しかし、代替実施形態では、結合層６は、光学部材２の表面２２上に形成することが可能であり、又は、発光体４及び表面２２の両方の上に形成することができる。

いくつかの実施例においては、透明結合層６の結合材料は、高屈折率光学ガラス、すなわち、活性領域１２によって放射された波長の範囲において約１．５よりも大きい屈折率を有する光学ガラスである。好ましくは、結合層６の屈折率は、約１．８よりも大きい。

いくつかの実施例においては、結合層６の結合材料は、適度に低い軟化温度を有する。軟化温度の定義は、ガラスが、その自重の下で認知することができるほどの変形を開始する温度である。軟化温度は、ガラス転移温度よりも高い可能性がある。結合材料の軟化温度は、約２５０℃から約５００℃の範囲、例えば、３００℃から４００℃の範囲内とすることができる。結合層６は、後述のように、結合材料を軟化温度Ｔｓ付近の温度に加熱することによって形成される。

いくつかの実施例においては、結合層６の透明度は高い。透明度は、とりわけ結合層６の結合材料のバンドギャップによって制御される。より大きいバンドギャップを有する材料は、多くの場合、より高い透明度を有する。

透明結合層６は、例えば、約６００ナノメートル（ｎｍ）において屈折率（ｎ）約１．９５を有し、ガラス転移温度約３６２℃を有する重フリントガラスである「ＳｃｈｏｔｔガラスＳＦ５９」から形成される。代替的に、透明結合層６は、以下に限定されるものではないが、約６００ｎｍにおいてｎ≒１．８１及びガラス転移温度≒６３０℃を有する「ＳｃｈｏｔｔガラスＬａＳＦ ３」、約６００ｎｍにおいてｎ≒１．９１及びガラス転移温度≒６６０℃を有する「ＳｃｈｏｔｔガラスＬａＳＦ Ｎ１８」、及びそれらの混合物を含む高屈折率光学ガラスから形成される。これらのガラスは、米国ペンシルベニア州ダリエー所在のショット・グラス・テクノロジーズ・インコーポレーテッドから入手可能である。結合層６はまた、例えば、（Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｇａ）（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）カルコゲナイドガラスのような高屈折率カルコゲナイドガラスから形成され、又は、例えば、（Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｇａ）（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）カルコハライドガラスのような高屈折率カルコハライドガラスから形成することができる。

他の実施例においては、結合層６は、以下に限定しないが、ＧａＰ（６００ｎｍにおいてｎ≒３．３）、ＩｎＧａＰ（６００ｎｍにおいてｎ≒３．４）、ＧａＡｓ（５００ｎｍにおいてｎ≒３．４）、及びＧａＮ（５００ｎｍにおいてｎ≒２．４）を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体、以下に限定しないが、ＺｎＳ（５００ｎｍにおいてｎ≒２．４）、ＺｎＳｅ（５００ｎｍにおいてｎ≒２．６）、ＺｎＴｅ（５００ｎｍにおいてｎ≒３．１）、ＣｄＳ（５００ｎｍにおいてｎ≒２．６）、ＣｄＳｅ（５００ｎｍにおいてｎ≒２．６）、及びＣｄＴｅ（５００ｎｍにおいてｎ≒２．７）を含むＩＩ−ＶＩ族半導体、以下に限定しないが、Ｓｉ（５００ｎｍにおいてｎ≒３．５）、ＳｉＣ、及びＧｅ（５００ｎｍにおいてｎ≒４．１）を含むＩＶ族半導体及び化合物、有機半導体、以下に限定しないが、酸化タングステン、酸化テルル、酸化鉛、酸化チタン（５００ｎｍにおいてｎ≒２．９）、酸化ニッケル（５００ｎｍにおいてｎ≒２．２）、酸化ジルコニウム（５００ｎｍにおいてｎ≒２．２）、酸化インジウム錫、酸化クロム、酸化アンチモン（ｎ≒２．１）、酸化ビスマス（ｎ≒１．９〜２．５）、酸化ガリウム（ｎ≒１．９４）、酸化ゲルマニウム（ｎ≒２．０）、酸化モリブデン（ｎ≒２．４）、酸化カドミウム（ｎ≒２．４７）、酸化コバルト（ｎ≒２．４）、酸化セリウム（ｎ≒２．３）、酸化インジウム（ｎ≒２．０）、酸化ネオジム（ｎ≒２．０）を含む金属及び希土類酸化物、オキシ塩化ビスマス（ｎ≒２．１５）のようなオキシハロゲン化物、限定はしないがフッ化マグネシウム（５００ｎｍにおいてｎ≒１．５）及びフッ化カルシウム（５００ｎｍにおいてｎ≒１．４）を含む金属フッ化物、以下に限定しないが、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｇ、及びＳｎを含む金属、及び、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、隣化物化合物、ヒ化物化合物、アンチモン化物化合物、窒化物化合物、高屈折率有機化合物、及びそれらの混合物又は合金から形成される。

結合層６は、いくつかの実施例においては、活性領域１２によって放射された波長の光を他の波長に変換する蛍光物質を含む。この蛍光物質は、例えば、従来型の燐光体粒子、有機半導体、ＩＩ−ＶＩ族又はＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−ＶＩ族又はＩＩＩ−Ｖ族半導体量子ドット又はナノ結晶、色素、ポリマー、及び欠陥中心からの発光するＧａＮのような材料を含む。結合層６が従来型の燐光体を含む場合、結合層６は、通常約５ミクロンから約５０ミクロンの大きさを有する粒子を収容するのに十分な厚みでなければならない。

１つの実施例においては、結合層６は、発光体の放射波長で高屈折率を有する材料から形成される。いくつかの実施形態では、屈折率は、約１．５よりも大きく、好ましくは約１．８よりも大きい。いくつかの実施形態では、屈折率は、例えば、半導体層８である発光体４の上部層の屈折率よりも小さい。従って、半導体層８／結合層６の境界面上へ発光体４の内側から入射する光の内部全反射に対する臨界角が存在する。しかし、この臨界角は、発光体４とエポキシ又は空気との間の境界面に関する臨界角に比較して増加しており、エポキシ封入材料又は空気内に取り出されるであろうよりも、より多くの光が表面１８を通じて結合層６内に取り出される。別の実施例においては、結合層６（例えば、ＺｎＳ又はＺｎＳｅ）の屈折率は、半導体層８（例えば、ＧａＮ）の屈折率に等しいか又はそれよりも大きく、発光体４内部から結合層６に入射するどの光も内部全反射されない。結合層６の屈折率と発光体４の上部層の屈折率とをほぼ一致させることによって最小限に抑えることができるフレネル反射損失を無視すれば、後者の場合においても、エポキシ封入材料又は空気内に取り出されるであろうよりも、より多くの光が表面１８を通じて結合層６内に取り出される。

いくつかの実施形態では、発光体４と光学部材２との間の結合部は、エポキシのような従来的な有機ベースの接着剤を実質的に持たないが、その理由は、そのような接着剤は、低い屈折率を有する傾向があるからである。

別の実施例においては、透明結合層６は、低屈折率結合材料、すなわち、発光装置の放射波長において約１．５よりも小さい屈折率を有する結合材料から形成される。フッ化マグネシウムは、例えば、１つのそのような結合材料である。低屈折率光学ガラス、エポキシ、及びシリコーンもまた、適切な低屈折率結合材料である。低屈折率材料から形成された透明結合層６を通る発光体４から光学部材２への光の効率的な伝達は、結合層６が十分に薄い場合に達成することができることを当業者は認識するであろう。従って、この実施例においては、発光体４／結合層６の境界面での内部全反射による損失は、結合層６の厚みを約５００Åよりも小さく、好ましくは、１００Åよりも小さくすることによって低減される。表面１８又は表面２２の粗さ、又は、表面１８又は表面２２上の凹凸の代表的な高さが結合層６の厚みを超える場合、光学部材２の発光体４に対する結合が不良になる場合がある。この実施形態では、表面１８及び表面２２は、任意的に、結合層６の厚みに等しいか又はそれ以下のマグニチュードの表面粗度を実現するために研磨される。

発光体４が、活性領域１２によって放射された光を吸収する材料を含む場合、及び、結合層６が、低屈折率材料から形成されるが上述のように薄くはない場合、活性領域によって放射された光の多くの部分は、発光体４内に通常は捕捉され、たとえ結合層６がそれ自体非吸収性であっても、吸収されて失われることになる。対照的に、高屈折率材料から形成された結合層６は、一般的に、たとえ高屈折率結合材料が放射された光の一部分を吸収するカルコゲナイドガラスのような材料であっても、活性領域１２によって放射された光のより大きな部分を発光体４から光学部材２内に結合することになる。

透明結合層６が発光体４に付加された後に、光学部材２の表面２２は、結合層６に向けて配置される。次に、結合層６の温度は、ほぼ室温と約１０００℃との間の温度に高められ、光学部材２及び発光体４は、約１秒から約６時間の期間、約１ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）から約６０００ｐｓｉの圧力で互いに圧縮される。本発明者は、この処理が、光学部材２と結合層６（発光体４上に形成された）との間の境界面における例えば剪断応力、蒸発／凝縮、液化、溶融、又は軟化、それに続く凝固、拡散、又は合金化を通じた物質移動によってもたらされた結合部により、光学部材２を発光体４に結合すると考えている。本発明者は、いくつかの実施例においては、例えば光学部材２及び発光体４の各々の上に形成された結合層の間、又は結合層６（光学部材２上に形成された）と発光体４との間の物質移動によって同様にもたらされた結合部により、光学部材２は発光体４に結合されると考えている。従って、物質移動で特徴付けられた結合境界面を、光学部材２と発光体４との間に配置することができる。いくつかの実施例においては、ｎ層８と結合層６との境界面における表面１８は、そのような結合境界面である。別の実施例においては、光学部材２と発光体４の各々の上に形成された結合層との境界面が結合境界面である。別の実施例においては、光学部材２と結合層６との境界面が結合境界面である。

透明結合層６が、発光体４上に例えば光学ガラスから形成される場合、１つの実施例においては、結合層６の温度は、光学ガラスの歪み点温度の付近にまで高められる。歪み点温度は、光学ガラスが約１０^14.5ポアズの粘性を有する温度である。歪み点温度は、光学ガラスに対する温度と膨張のプロットにおける最初の非線形性に対応し、従って、焼き鈍し範囲の下限を表す。歪み点は、ガラス転移温度に近いがそれよりも低い。ガラス転移温度での粘性は、約１０¹³ポアズである。最後に、軟化温度は、材料がその自重の下で認知することができるほどに変形する温度である。軟化温度での粘性は、約１０^7.65ポアズである。光学ガラスを軟化温度付近又は軟化温度よりも高く加熱することは、その可撓性を高め、表面張力を低下させ、光学ガラスを表面２２と微視的に適合させて、光学部材２と結合層６との間の結合部を達成する。

上述の光学部材２を発光体４に結合させる処理は、本明細書において引用により組み込まれる、米国特許第５，５０２，３１６号及び第５，３７６，５８０号に開示された装置を用いて実行することができる。開示された装置は、半導体ウェーハを高温かつ高圧で互いに結合する。これらの装置は、必要に応じて、発光体及び光学部材に適合するように修正することができる。代替的に、上述の結合処理は、従来型の垂直プレスを用いて実行することができる。

透明光学部材２は、例えば、ＳｉＣ（５００ｎｍにおいてｎ≒２．７）、酸化アルミニウム（サファイア、５００ｎｍにおいてｎ≒１．８）、ダイヤモンド（５００ｎｍにおいてｎ≒２．４）、キュービックジルコニア（ＺｒＯ₂）、ジーナ・テクノロジーズ・インコーポレーテッドによる酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、多結晶酸化アルミニウム（透明アルミナ）、スピネル、米国ニューヨーク州オンタリオ所在のオプティマックス・システムズ・インコーポレーテッドから入手可能な「ＳｃｈｏｔｔガラスＬａＦＮ２１」、「ＳｃｈｏｔｔガラスＬａＳＦＮ３５」、「ＬａＦ２」、「ＬａＦ３」、及び「ＬＦ１０」、又は、金属の厚い層を除いて透明結合層６内の結合材料として用いる上述の材料の何れかで形成することができる。光学部材２の熱膨張係数と光学部材２が結合される発光体４の熱膨張係数との間の不一致は、加熱又は冷却によって発光体４から光学部材２を引離す原因になる可能性がある。また、ほぼ一致した熱膨張係数は、結合層６及び光学部材２によって発光体４内に誘起される応力を低減させる。従って、１つの実施例においては、光学部材２は、光学部材２が結合される発光体４の熱膨張係数にほぼ一致する熱膨張係数を有する材料から形成される。スピネルの熱膨張係数は、全ての結晶方向について同じであるので、スピネルは、光学部材材料として望ましい。

一実施形態では、透明光学部材２は、発光体４から光学部材２に入る光が垂直入射に近い入射角で光学部材２の表面２４に交差することになる形状及び大きさを有する。表面２４と通常空気である周囲媒体との境界面での内部全反射は、それによって低減される。更に、入射角度の範囲が狭いので、表面２４に従来型の反射防止コーティング２５を置くことにより、表面２４でのフレネル反射損失を低減することができる。光学部材２の形状は、例えば、半球のような球の一部分、ワイヤシュトラス球（切頭された球）、又は、半球よりも小さい球の一部分である。代替的に、光学部材２の形状は、切頭楕円体のような楕円体の一部分である。発光体４から光学部材２に入る光に対する表面２４での入射角度は、光学部材２の大きさが増大する時、より近く垂直入射に接近する。従って、発光体４の表面１８の長さに対する透明光学部材２の基部の長さの最小比率は、好ましくは約１よりも大きく、より好ましくは約２よりも大きい。例えば、様々な実施形態において、長さ１ｍｍの発光体は、直径２．５ｍｍ及び中心部での高さ１．２５ｍｍの半球形光学部材に結合することができ、長さ２ｍｍの発光体は、直径５ｍｍ及び中心部での高さ２．５ｍｍの半球形光学部材に結合することができ、長さ３ｍｍの発光体は、直径７．５ｍｍ及び中心部での高さ３．７５ｍｍの半球形光学部材に結合することができる。通常、光学部材は、発光体よりもかなり厚い。例えば、上述の大きさのＩＩＩ族窒化物発光体は、１００ミクロンの厚みとすることができ、上述の大きさのＩＩＩ族隣化物発光体は、２５０ミクロンの厚みとすることができる。

当業者は、特定材料の光学部材２が上述で定めたように透明であり続けるための最大寸法は、発光装置の放射波長での光学部材の材料の光吸収係数によって判断されることを認識するであろう。１つの実施例においては、光学部材２は、平面又は曲面上に形成されたフレネルレンズである。フレネルレンズは、同等の焦点距離の例えば球面光学部材よりも通常薄く、従って光吸収性が低い。フレネルレンズ又は溝付き表面はまた、発光体又は光学部材のドーム又は円筒形表面のような曲面上に形成することができる。フレネルレンズを用いた発光体は、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれる、Ｄｏｕｇｌａｓ Ｗ．Ｐｏｃｉｕｓ、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｄ．Ｃａｍｒａｓ、及びＧｌｏｒｉａ Ｅ．Ｈｏｆｌｅｒによる「光取り出しの改善のための発光装置表面上への光学部材の形成」という名称の米国特許出願一連番号第０９／８２３，８４１号に説明されている。

１つの実施例においては、光学部材２は、活性領域１２によって放射された波長の光を他の波長に変換する蛍光物質を含む。別の実施例においては、例えば、表面２２上のコーティングは、蛍光物質を含む。蛍光物質は、例えば、従来型の燐光体粒子、有機半導体、ＩＩ−ＶＩ族又はＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−ＶＩ族又はＩＩＩ−Ｖ族半導体量子ドット又はナノ結晶、色素、ポリマー、又は欠陥中心からの発光するＧａＮのような材料を含む。代替的に、例えば、表面２２に近い光学部材２の領域は、蛍光物質でドープされる。

光学部材２の屈折率（ｎ_{optical element}）、結合層６の屈折率（ｎ_bond），及び発光体４の上部層の屈折率（ｎ_LED）のマグニチュードは、６通りの並べ替えで順序付けることができる。ｎ_LED≦ｎ_bond≦ｎ_{optical element}又はｎ_LED≦ｎ_{optical element}≦ｎ_bondの場合、内部全反射による損失は除去されるが、フレネル損失が発生する場合がある。特に、ｎ_LED＝ｎ_bond＝ｎ_{optical element}の場合、フレネル又は内部全反射による損失なしに発光体４から光学部材２に光が入る。代替的に、ｎ_bond≦ｎ_LED≦ｎ_{optical element}であるが、ｎ_bond＞ｎ_epoxy又は上述のように結合層６が薄いかのいずれかの場合、フレネル反射損失が無視され、エポキシ封入材料又は空気内に取り出されるであろうよりも多くの光が光学部材２内に取り出される。同様に、ｎ_bond≦ｎ_{optical element}≦ｎ_LEDであるが、ｎ_bond＞ｎ_epoxy又は上述のように結合層６が薄くてｎ_{optical element}＞ｎ_epoxyであるかのいずれかの場合、フレネル反射損失が無視され、エポキシ封入材料又は空気内に取り出されるであろうよりも多くの光が光学部材２内に取り出される。ｎ_{optical element}≦ｎ_bond≦ｎ_LED又はｎ_{optical element}≦ｎ_LED≦ｎ_bondであるが、ｎ_{optical element}＞ｎ_epoxyの場合、フレネル反射損失が無視され、エポキシ封入材料又は空気内に取り出されるであろうよりも多くの光が光学部材２内に取り出される。すなわち、透明光学部材２は、発光体４の放射波長において、好ましくは約１．５よりも大きく、より好ましくは約１．８よりも大きい屈折率を有する。周囲媒体がエポキシ封入材料ではなく空気（ｎ_air≒１）の場合は、エポキシの代わりにｎ_airを用い、同様な解析が適用される。

結合層６が燐光体粒子を含み、好ましくは高屈折率のカルコゲナイドガラスである結合材料の屈折率が燐光体の屈折率にほぼ一致する場合、活性領域又は燐光体によって放射された光の燐光体粒子による散乱は、無視できるほど小さいことになる。好ましくは、燐光体粒子、結合材料、発光体４の上部層（例えばｎ層８）、及び光学部材の屈折率は、全てほぼ等しい。発光体４の上部層がＩｎＧａＮであり、燐光体粒子がＳｒＳ：Ｅｕ及び／又はＳｒＧａＳ：Ｅｕであり、光学部材がＺｎＳである時が、このような場合である。

図２には、代替実施形態が示されており、透明光学部材２は、発光体４の上面１８に、分離した結合層の使用なしに直接に結合される。本発明者は、例えば、剪断応力、蒸発／凝縮、溶解／凝縮、液化（又は溶融、又は軟化）、それに続く固化、拡散、又は合金化を通じた物質移動によって光学部材２と発光体４との間の結合部が得られると考えている。金属化層２０が存在する時は、この層はパターン化され、光学部材２の表面２２が表面１８に直接に接触することを可能にする。表面２２もまた、任意的に、エッチングによってパターン化される。この実施形態の一実施例においては、透明光学部材２は、分離した結合層を形成するために使用することができる上述のような材料から形成される。別の実施例においては、発光体４の上部層が形成される材料（例えば、図２のｎ層８）は、結合材料として好適である。従って、光学部材２又は発光体４の上部層の何れかは、結合層として更に機能し、分離された結合層を必要としない。１つの実施例においては、例えば、表面１８での光学部材２と発光体４との境界面は、光学部材２と発光体４との間の物質移動で特徴付けられた結合境界面である。

発光体４に直接に結合された光学部材２について、ｎ_LED≦ｎ_{optical element}又はｎ_{optical element}＜ｎ_LEDであるが、ｎ_{optical element}＞ｎ_epoxyの場合、フレネル反射損失が無視され、エポキシ封入材料内に取り出されるであろうよりも多くの光が光学部材２内に取り出される。周囲媒体がエポキシ封入材料ではなく空気（ｎ_air≒１）の場合は、ｎ_epoxyの代わりにｎ_airを用い、同様な解析が適用される。

透明光学部材２は、結合層６を利用する結合処理のために、上述の温度及び圧力で発光体４に直接に結合される。１つの実施例においては、発光体４の表面１８又は光学部材２の表面２２は、例えば、Ｚｎ又はＳｉのような高拡散率を示す材料でドープされる。そのようなドーピングは、例えば、ＭＯＣＶＤ、ＶＰＥ、ＬＰＥ、又はＭＢＥによる材料成長の間に行うことができ、又は、材料成長後に例えばイオン注入によって行うことができる。別の実施例においては、高拡散率材料の薄膜が、光学部材２と発光体４との間に表面１８及び表面２２の少なくとも一方への堆積によって配置される。本発明者は、高拡散率材料は、結合処理の間に光学部材２及び発光体４間の境界面を超えて拡散し、光学部材２と発光体４との間の物質移動を高めると考えている。使用される高拡散率材料の量は、光学部材２及び発光体４の上部層の例えば透明度を維持するのに十分なほど少なくなければならない。

結合方法の適用は、予め作られた光学部材に限定されない。むしろ、透明光学部材２は、上述の方法で発光体４に結合され、次に光学部材２に形成される透明光学部材材料のブロックとすることができる。光学部材２は、恐らくはフォトリソグラフィ又は他のリソグラフィ技術、電子ビームリソグラフィ、イオンビームリソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、又はホログラフィック・リソグラフィと共に、エッチングを用いて形成することができる。プラズマエッチング、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）、及び化学的補助イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）のような湿式又は乾式化学エッチング技術も同様に使用することができる。また、イオンビームミリング又は集束イオンビームミリング（ＦＩＢ）を用いて、光学部材２を圧延して透明光学部材材料の表面にすることができ、走査電子又はレーザビームを用いて、削磨して透明光学部材材料の表面にことができ、又は、ソーイング、ミリング、又はスクライビングを用いて、機械加工して透明光学部材材料の表面にことができる。更に、光学部材２は、米国特許出願一連番号第０９／８２３，８４１号に開示された方法を用いて、圧断して透明光学部材材料のブロックにすることができる。

光学部材２に発光体４を結合することは、封入材料内に発光体４を従来的に収納することよりもむしろ有利である。例えば、上述のように光学部材２に結合層６を用いるか又は用いずに結合された発光体４の表面１８を通過する光取り出し効率は、従来型のエポキシ封入された発光体に比較して改善される。更に、発光体４は、エポキシ封入された（収納された）発光体が受ける不利な応力に曝されない。その上、比較的低温で劣化するエポキシ封入材料がない場合は、発光体４はより高い温度で作動することができる。その結果、より高い電流密度での発光体の作動により、発光体４の光出力を増大させることができる。

しかし、必要に応じて、光学部材２に結合された発光体４は、例えばエポキシ又はシリコーン内に更に封入することができる。光学部材２に結合された発光体４のそのような封入は、発光体４の表面１８を通過して光学部材２に入る光取り出し効率に影響しないであろう。表面２４と封入材料との境界面での内部全反射は、光学部材２の形状及び大きさにより、上述のように最小化することができると考えられる。

いくつかの実施例において、発光体４は、例えば、高温で劣化する電気的接触に対する金属化を含む。他の実施例においては、発光体４は、ハンダ又は高温で劣化する銀含有ダイ付着エポキシを用いて、図示しないサブマウントに結合される。（ダイ付着エポキシは、エポキシ封入材料から区別されることに注意すべきである。）その結果、１つの実施例においては、光学部材２に結合層６を使用するか又は使用しないで結合する処理は、例えば、金属化又はダイ付着エポキシの劣化を回避するために約５００℃よりも低い温度で行われる。別の実施例においては、光学部材２は、例えば、一部又は全ての金属化のない発光装置である未完成の発光装置に結合される。後者の実施例においては、発光装置の製作は、光学部材結合処理の後に完了する。

図３には、発光体４の側面２６及び２８が、９０°よりも小さいそれぞれα及びβの角度で結合層６に交差し、９０°を超えるそれぞれγ及びδの角度で活性領域１２に交差するように斜角を付けられた実施形態が示されている。図３には、２つの傾斜側面が示されているが、他の実施形態では、発光体４は、２つよりも多いか又は小さい傾斜側面を有し、例えば、実質的に円錐状又はピラミッド形の形状である。

傾斜側面２６及び２８は、活性領域１２から放射された光を結合層６に向けて反射する。発光体４内にそうでなければ捕捉されるか又は発光体の側面から損失したであろう光は、これによって、結合層６及び光学部材２を通して有利に取り出される。一実施形態では、発光体４は、空気のような低屈折率媒体に取り囲まれ、傾斜側面２６及び２８上への活性領域１２からの入射光の一部分は、結合層６に向けて内部全反射される。別の実施形態では、傾斜側面２６及び２８は、一実施例では金属層であり、別の実施例では結合層６に向けて光を反射する誘電体層である反射コーティングを用いて被覆される。

一実施形態では、接触１６は高度に反射性である。従って、この実施形態では、接触１６に入射した光は、直接か又は側面２６又は２８からの更なる反射の後で結合層６及び光学部材２に向けて反射される。その結果、発光体４の光取り出し効率が高められる。

図４及び図５には、発光体４が、金属化層２０と電気的に結合してｎ層８と電気的に結合した電導性透明スーパーストレート３０と、ｐ層１０及び接触１６と電気的に結合した電導性で任意的に透明なサブストレート３２とを含む実施形態が示されている。スーパーストレート３０及び（任意的な）サブストレート３２は、例えば、発光体４によって放射された光子のエネルギよりも大きいバンドギャップエネルギを有する半導体から形成される。スーパーストレート３０及び（任意的な）サブストレート３２は、サファイア、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ジーナ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド製の酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、ＧａＮ、ＡｌＮ、スピネル、及び多結晶酸化アルミニウム（透明アルミナ）からも形成することができる。

スーパーストレート３０は、活性領域１２の放射波長において、好ましくは約１．５を超え、より好ましくは約１．８を超える屈折率を有する材料から形成される。他の実施例においては、上述のように、発光体４の側面２６及び２８は、傾斜して高度に反射性であり、接触１６も高度に反射性である。図４に示す実施形態では、透明光学部材２は、結合層６を用いてスーパーストレート３０に結合され、ｎ層８は、ｎ接触１４によって金属化層２０に電気的に結合される。

図５には、透明光学部材２がスーパーストレート３０に直接に結合され、ｎ接触１４が別々に形成されない実施形態が示されている。

図６及び図７に示す「フリップチップ」実施形態では、接触１４及び接触１６は、発光体４の同じ側面に配置される。光学部材２が接触１４及び接触１６から発光体４の反対側に結合されているので、これらの実施形態では、光学部材２上に金属化層を必要としない。光学部材２内への光取り出し効率は、金属化層がないことによって改善される。他の実施例においては、上述のように、発光体４の側面２６及び２８は、傾斜して高度に反射性であり、接触１６も高度に反射性である。透明スーパーストレート３４は、活性領域１２の放射波長において、好ましくは約１．５よりも大きく、より好ましくは約１．８よりも大きい屈折率を有する、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、又はＧａＰのような材料から形成される。透明スーパーストレート３４は、ジーナ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド製の酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、スピネル、テルルの酸化物、鉛の酸化物、及び多結晶酸化アルミニウム（透明アルミナ）から形成することができる。

図６には、光学部材２が結合層６を用いて透明スーパーストレート３４に結合されている実施形態が示されている。図７には、光学部材２が透明スーパーストレート３４に直接結合されている実施形態が示されている。

図６及び図７に示す実施形態の一実施例においては、光学部材２は、ＺｎＳから形成され、スーパーストレート３４は、ＳｉＣ又はＧａＮから形成され、ｎ層８は、ＧａＮのようなＩＩＩ族窒化物半導体から形成される。別の実施例においては、光学部材２は、ＧａＰから形成され、スーパーストレート３４は、ＧａＰから形成され、ｎ層８は、ＡｌＩｎＧａＰ合金のようなＩＩＩ族隣化物半導体から形成される。透明結合層６は、存在する場合は、例えばＺｎＳから形成される。

図８及び図９には、ｎ層８、ｐ層１０、及び活性領域１２が実質的に光学部材２に対して垂直である実施形態が示されている。図６及び図７に示す実施形態のように、光学部材２上には金属化層を必要としない。図８に示す実施形態では、光学部材２は、結合層６を用いて発光体４に結合される。図９に示す実施形態では、光学部材２は、発光体４に直接結合される。１つの実施例においては、発光体４は、ウェーハから切断（ダイスカット）され、層８及び層１０に対して、及び活性領域１２に対して実質的に垂直な方向に作製された切断面を有する。この実施例においては、光学部材２に結合される発光体４の表面は、その粗さを減ずるために任意的に研磨される。他の実施例においては、発光体４の側面２６及び２８は、斜めに切られ、接触１４及び接触１６は、高度に反射性であり、光学部材２内に光を反射させるために、反射層３６が設けられる。

図１０及び図１１には、発光体４が、発光体が結合される光学部材２の表面２２内の凹部３８内に位置する実施形態が示されている。図１０に示す実施形態では、光学部材２は、発光体４に直接結合される。図１１の実施形態では、光学部材２は、結合層６を用いて発光体４に結合される。

図１２Ａ〜図１３には、発光体４の上面区域を通って発生光を誘導するようになった上面発光体の実施形態が示されている。図１２Ａ〜図１２Ｃには、円筒形の実施形態が示されている。これらの実施形態では、発光体４の半導体層と平行な平面を有する光学部材２の横断面は、実質的に円である。円筒形の実施形態は、この円の平面と実質的に垂直な軸線３９を有する。いくつかの実施形態では、軸線３９は、この円の平面に垂直でなくてもよい。

図１２Ａには、ドーム形光学部材２が表面２２で発光体４に結合されている基本的な実施形態が示されている。

図１２Ｂには、上面発光体の実施形態が示されており、この実施形態の上面区域を通って放射光を誘導するようになっている。いくつかの実施形態では、光学部材２の表面２４のかなりの部分にミラー層４０が形成され、本実施形態の軸線３９の近くにより小さな開口４１を残す。この実施形態は、いくつかの用途において好ましいように発光表面を狭くする。開口４１に到達した発光体４の光は、開口４１を通って本実施形態から出る。ミラー層４０で被覆した表面２４に到達した発光体４の光は、光学部材２内に反射されて戻ることができる。反射光の一部分は、発光体４に再び入り、そこで反射光は電子及び正孔を励起し、これらは、後で再結合して光子を放射することができる。この過程は、時に光子再利用と呼ばれる。この再利用された光は、開口４１を通過して本実施形態から出ることができる。いくつかの実施形態では、開口４１は、光学部材２の表面上の任意の場所とすることができる。光学部材２は、表面２２で発光体４に結合部によって取り付けられる。いくつかの実施形態では、発光体４の上面への電気的接触を容易にするために、表面２２上に金属化層２０が存在し、他の実施形態では、他の接触ソリューションが用いられる。図１２Ｂの装置は、本明細書において引用により組み込まれる、２００２年１０月２９日出願の「強化輝度発光装置スポットエミッタ」という名称の米国特許出願第１０／２８３，７３７号に更に詳細に説明されている。

ミラー層４０は、光学部材２の屈折率と十分に異なる屈折率を有する金属層、誘電体、反射コーティング、又は、一般的に任意の実質的に反射性の層から形成することができる。

図１２Ａ〜Ｂの両方の実施形態では、光学部材２は、その中にエッチングされたフレネルパターンを有することができる。フレネルパターンは、多くの場合、同心パターンに配置された一組の溝を含む。フレネルパターンは、表面２４全体にエッチングすることができ、又は、表面２４の上面領域のみ又は側面領域のみにエッチングすることができる。

図１２Ｃには、別の上面発光体の実施形態が示されている。ここでは、光学部材２は、側面上に形成された任意的なミラー層４０を有する光学集線装置である。いくつかの実施形態では、光学集線装置の形状は放物線に類似する。図１２Ｃには、光学集線装置は、放物線形状を有するように表現されているが、表面２４は、円錐形状又は斜面形状のような光を集中させるように設計された任意の形状を有することができる。本明細書に説明する光学集線装置は、非結像光学の分野においても公知である。

図１３Ａ〜Ｂは、伸長した実施形態を示す。図１３Ａには、発光体４が伸長し、光学部材がそれに対応して伸長した実施形態が示されている。光学部材２は、光学集線装置である。光学集線装置の断面は、実質的に放物線である。断面の放物線は軸線３９を有する。いくつかの実施形態では、軸線３９は、表面２２と実質的に垂直である。伸長した放物線光学集線装置を有する実施形態では、発光体４によって放射された光は、ミラー層４０から反射された後に、軸線３９と実質的に平行に向けられる。

図１３Ａ〜Ｂには、光学集線装置が放物線断面を有するように表されているが、表面２４は、伸長した円錐形状又は斜面形状のような光を集中するように設計された任意の形状を有することができる。

図１３Ｂには伸長した実施形態が示されている。この実施形態では、複数の発光体４が光学部材２に結合される。発光体４は、共通の光学部材の底面に結合することができる。発光体４は、同様又は異なる特性を有することができる。いくつかの実施形態は、異なる色を含む光を放射する発光体４を有する。

図１４Ａには、発光体４が光学部材２に結合され、このアセンブリが反射器４２内に配置されている実施形態が示されている。反射器４２は、光学部材の上面の方向に光を向けるようになった構造体である。

いくつかの実施形態では、発光装置１は、更にヒートシンク４６に結合することができる。発光装置１とヒートシンク４６との間には、付加的な構造体が存在することができる。また、ヒートシンク４６は、図１４Ａの配置と異なる多くの方法で反射器４２に対して配置することができる。ヒートシンク４６は、良好な熱電導を有する材料から形成することができ、例えば、金属又は特定のセラミックから形成することができる。いくつかの実施形態は、発光体４の熱の発生を制御するための異なる方法を利用する。

図１４Ｂには、側面発光の実施形態が示されている。この側面発光の実施形態では、光学部材２は、放射光を軸線３９に対して大きい角度に向けるようになっている。大きい角度で放射されたこの光は、次に反射器４２によって反射される。この側面発光の実施形態では、発光体４は、ここでもまた光学部材２に結合される。いくつかの実施形態では、発光体４は、ヒートシンク４６にも結合される。

図１５Ａ〜Ｃには、軸線３９に対して大きい角度に光を向けるようになった様々な側面発光の実施形態が示されている。

図１５Ａには、光学部材２が中心領域において周辺領域におけるよりも薄い断面を有する実施形態が示されている。表面２４の実質的な部分は、ミラー層４０によって覆うことができる。発光体４によって放射された光は、ミラー層４０に向けて伝播し、そこで、光は斜めに反射することができる。この反射光は、側面４８を通過して光学部材２から出る。異なる形状の表面２４を有する実施形態は、反射光を異なる方向に誘導する。表面２４が２つの半放物様断面を有する実施形態は、光を実質的に水平に向ける。いくつかの実施形態では、光学部材２は円筒形であり、すなわち、その水平面での断面は実質的に円である。

図１５Ｂには、非対称光学部材２を有する実施形態が示されている。表面２４上のミラー層４０は、光を右に向けて反射し、従って、光は、右側面４８を通過して光学部材２から出ることができる。表面２４は曲げることができる。表面２４の断面は、例えば、放物線とすることができる。

図１５Ｃには、非対称光学部材２を有する実施形態が示されている。表面２４上のミラー層４０は、光を右に向けて反射し、従って、光は、右側面４８を通過して光学部材２から出ることができる。表面２４は、基本的に平坦とすることができる。

図１６には、非対称の伸長した実施形態が示されている。光学部材２は、円柱又はスラブのように成形される。いくつかの実施形態では、ミラー層４０は、円柱の上面に形成される。いくつかの実施形態では、ミラー層４０は、円柱の側面２４の１つに形成される。いくつかの他の実施形態では、側面にはミラー層が形成されない。いくつかの実施形態では、散乱層が柱体の上面に形成される。光線は、表面２２を通過して光学部材２に入る。上昇光線５５及び下降光線６５は、側面上及び上面上のミラー層４０によって繰り返し反射される。光線５５及び光線６５の一部分は、右表面４８に到達し、出射光線７５として出射し、他の部分は反射される。光学部材２の側面上のどれにもミラー層がない実施形態では、光線５５及び光線６５は、円柱状光学部材２のどの側面上でも出射することができる。円柱の上面のミラー層がない実施形態では、同様に、光線５５及び光線６５は、円柱の上面を通過して出射することができる。従って、これらの実施形態は、「光のスラブ」、「光の円柱」、又は「光のシート」の光源として使用することができる。このような光源は、広範囲の用途に使用することができる。

図１７Ａ〜Ｃには、発光装置１が光導体の近くに配置されている実施形態が示されている。いくつかの光導体は、低屈折率を有し、例えば、テフロン（登録商標）、アクリル、又は「ＰＭＭＡ」から作製することができる。光導体５０は、発光装置１と接触していてもよく、又は、例えば、空気、シリコーン、エポキシ、１つ又はそれ以上のフィルタ、又は発光装置１及び光導体５０間の反射防止コーティングのようなコーティングによって発光装置１から離して間隔を置くことができる。光導体は、遠方の目標又は適用区域に光を誘導することができる。光導体は、指示器及び液晶ディスプレイのようなディスプレイ内に組み込むことができる。以下の図１７及び図１８の光導体設計の全てにおいて、図１〜図１６の発光装置の何れも利用することができる。

図１７Ａには、図１４Ａ〜図１４Ｂの設計が光導体５０の近くに、例えば、空気、シリコーン、又はエポキシによって離されて配置された実施形態が示されている。反射器４２は、光導体５０に向けて光を誘導する。

図１７Ｂには、光学部材２が図１２Ｃの実施形態のような光学集線装置である実施形態が示されている。この実施形態では、光学集線装置は、光導体５０に向けて光を誘導する。

図１７Ｃには、光学部材２が図１３Ａ〜図１３Ｂの実施形態のような伸長した光学集線装置である実施形態が示されている。この実施形態では、伸長した光学集線装置は、伸長した光導体５０に向けて光を誘導する。

図１８には、光導体５０が発光装置１から離れて広がるテーパ付き側面を有する実施形態が示されている。いくつかの実施形態では、光導体５０の端部にミラー層４０が形成される。いくつかの実施形態では、光導体５０の側面２４の１つにミラー層４０が形成される。いくつかの実施形態では、光導体５０の側面上にはミラー層が形成されない。いくつかの実施形態では、光導体の端部に散乱面が形成される。上昇光線５５は、上部ミラー層４０又は散乱面で反射又は散乱され、下降光線６５となる。

テーパ角度は、小さいとすることができる。上昇光線５５は、広がるテーパのために側面２４で内部全反射（ＴＩＲ）を受け、光導体５０内部に留まることができる。この余分な経路長は、異なる色の光を混合することができる。帰還光線６５は、狭くなるテーパに直面するために、それらは「ＴＩＲ」を受けない。従って、帰還光線６５は、全ての反射で出射光線７５として部分的に光導体から出る。これらの実施形態では、繰り返し反射された光は、出射光線７５が光導体５０に沿って実質的に均一な強度を有するのに十分なほど均等に分布することができ、光のシートをもたらす。いくつかの実施形態では、１つの側面のみにテーパを付けることができる。

いくつかの実施形態では、光導体５０は、２つ又はそれ以上の発光装置４を有する図１３Ｂの設計に結合される。様々な実施形態では、異なる色を有する発光装置を利用することができる。いくつかの実施形態では、２つ又はそれ以上の放射された色は、それらを組み合わせて白色に近い色にすることができるように選択される。いくつかの実施形態は、琥珀色と青色を組み合わせ、ある実施形態は、青緑色と赤色を組み合わせ、ある実施形態は、赤色、青色、及び緑色を組み合わせる。光導体５０の表面４８からの繰り返し反射の後、異なる色の光線は十分に混合され、白色光に近いものとして見えるようになる。そのような光導体を有する実施形態は、白色光シートの光源として利用することができる。そのような白色シート光源は、例えば、液晶ディスプレイのバックライト用として利用することができる。

本発明は特定の実施形態を用いて説明されたが、本発明は、特許請求の範囲に該当する全ての変形及び修正を含むものとする。

本発明の実施形態に従って相互に結合される光学部材及び発光体の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合層を用いて結合された光学部材の概略図である。 本発明の別の実施形態に従って発光体に結合された光学部材の概略図である。 本発明の別の実施形態に従って発光体に結合された光学集線装置の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に直接結合された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って傾斜側面を有する発光体に結合層を用いて結合された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従ってサブストレート及びスーパーストレートを有する発光体に結合層を用いて結合された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従ってサブストレート及びスーパーストレートを有する発光体に直接結合された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って「フリップチップ」形状を有する発光体に結合層を用いて結合された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って「フリップチップ」形状を有する発光体に直接結合された光学部材の概略図である。 光学部材と実質的に垂直な活性領域を有する発光体に結合層を用いて結合された光学部材の概略図である。 光学部材と実質的に垂直な活性領域を有する発光体に直接結合された光学部材の概略図である。 発光体が直接結合される光学部材の表面の凹部に位置する発光体の概略図である。 発光体が結合層を用いて結合される光学部材の表面の凹部に位置する発光体の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って上面発光装置を形成する、発光体に結合された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って上面発光装置を形成する、発光体に結合された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合された伸長した光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合された伸長した光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合され、反射器内に配置された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合され、反射器内に配置された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合された非対称光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合された非対称光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合された非対称光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合された円柱状光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合され、光導体に結合された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合され、光導体に結合された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態に従って発光体に結合され、光導体に結合された光学部材の概略図である。 本発明の実施形態によるテーパ付光導体内の光線の経路を示す概略図である。

符号の説明

２ 光学部材
４ 発光体
８、１０ 半導体層
１２ 活性領域
１４ ｎ接触
１６ ｐ接触
２５ 反射防止コーティング

Claims (57)

1. 活性領域を含む半導体層のスタックを備えた第１の半導体発光素子と、
   前記第１の半導体発光素子に結合された光学部材と、
   を含み、
   前記光学部材は、第１の方向に伸長される、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記第１の半導体発光素子は、前記第１の方向に伸長されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の半導体発光素子に隣接して前記光学部材に結合された、活性領域を含む層のスタックを備えた第２の半導体発光素子を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の半導体発光素子の前記活性領域及び前記第２の半導体発光素子の前記活性領域は、異なる色の光を放射することを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記光学部材は、前記第１の半導体発光素子に、該光学部材と該第１の半導体発光素子との間に配置された境界面での結合部によって結合され、
   前記結合部は、有機ベースの接着剤を実質的に含まない、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記光学部材は、光学集線装置であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記光学部材は、該光学部材を前記第１の半導体発光素子に結合する前記結合部に隣接する第１の表面、該第１の表面と実質的に平行な第２の表面、及び実質的に放物線の断面を有し、
   前記第１の表面の面積は、前記第２の表面の面積よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記光学部材は、側面を有することを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記側面は、前記第１の表面を前記第２の表面に接続することを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記側面上の少なくとも一部分にミラーを更に含むことを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 前記光学部材に隣接する光導体を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記光導体は、前記光学部材に接触していることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記光導体は、前記光学部材から間隔を空けて配置されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
14. 活性領域を含む半導体層のスタックを備えた半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子に結合された光学部材と、
    を含み、
    前記半導体発光素子及び前記光学部材は、反射器内に配置される、
    ことを特徴とする装置。
15. 前記半導体発光素子に取り付けられたヒートシンクを更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記光学部材は、前記活性領域によって放射された光の一部分を前記半導体発光素子と該光学部材との中心軸線に実質的に垂直な方向に向けるように成形されることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
17. 前記反射器は、前記光学部材から出射する光の一部分を前記中心軸線と実質的に平行な方向に向けるように成形されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記光学部材は、前記半導体発光素子に、該光学部材と該半導体発光素子との間に配置された境界面での結合部によって結合され、
    前記結合部は、有機ベースの接着剤を実質的に含まない、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
19. 前記反射器に隣接する光導体を更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
20. 前記光導体は、前記反射器に接触していることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. 前記光導体は、前記反射器から間隔を空けて配置されることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
22. 活性領域を含む半導体層のスタックを備えた第１の半導体発光素子と、
    前記発光装置に結合された光学部材と、
    を含み、
    前記光学部材は、前記活性領域から放射された光の一部分を前記半導体発光素子と該光学部材との中心軸線に実質的に垂直な方向に向けるように成形される、
    ことを特徴とする装置。
23. 前記光学部材は、
    前記光学部材を前記第１の半導体発光素子に接続する結合部に隣接する第１の表面と、
    前記第１の表面に実質的に垂直で、実質的に平坦な第２の表面と、
    前記第１及び第２の表面を接続する実質的に平坦な第３の表面と、
    を備えた楔を含む、
    ことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
24. 前記第３の表面の少なくとも一部分に隣接したミラーを更に含むことを特徴とする請求項２３に記載の装置。
25. 前記光学部材は、
    前記光学部材を前記第１の半導体発光素子に接続する結合部に隣接する第１の表面と、
    前記第１の表面と実質的に垂直で、実質的に平坦な第２の表面と、
    湾曲した第３の表面と、
    を含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
26. 前記第３の表面の少なくとも一部分に隣接するミラーを更に含むことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
27. 前記湾曲した第３の表面は、前記第１及び第２の表面を接続することを特徴とする請求項２５に記載の装置。
28. 前記湾曲した第３の表面は、前記光学部材及び半導体発光素子の中心軸線上の一点に向けて前記第２の表面から下方に湾曲することを特徴とする請求項２５に記載の装置。
29. 前記光学部材の断面は、中心領域において周辺領域よりも薄いことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
30. 前記光学部材の表面は、反射器を含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
31. 前記反射器は、金属化層、誘電体層、反射コーティング、及び内部全反射器の群から選択されることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
32. 前記光学部材は、前記半導体発光素子に、該光学部材と該半導体発光素子との間に配置された境界面での結合部によって結合され、
    前記結合部は、有機ベースの接着剤を実質的に含まない、
    ことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
33. 前記光学部材は、伸長されることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
34. 前記光学部材は、矩形スラブを含むことを特徴とする請求項３３に記載の装置。
35. 活性領域を含む半導体層のスタックを備えた第１の半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子に結合された光学部材と、
    前記光学部材に隣接する光導体と、
    を含むことを特徴とする装置。
36. 前記光導体は、前記光学部材に接触していることを特徴とする請求項３５に記載の装置。
37. 前記光導体は、前記光学部材に接触しないことを特徴とする請求項３５に記載の装置。
38. 前記光導体は、
    前記光学部材に隣接する第１の表面と、
    第２の傾斜表面と、
    を含み、
    前記第１及び第２の表面間の角度は、９０度よりも大きい、
    ことを特徴とする請求項３５に記載の装置。
39. 活性領域を含む半導体層のスタックを備えた半導体発光素子と、
    前記第１の半導体発光素子に結合された光学部材と、
    を含み、
    前記光学部材は、テルルの酸化物、酸窒化アルミニウム、キュービックジルコニア、透明アルミナ、及びスピネルの群から選択された材料を含む、
    ことを特徴とする装置。
40. 前記光学部材は、前記半導体発光素子に、該光学部材と該半導体発光素子との間に配置された境界面での結合部によって結合され、
    前記結合部は、有機ベースの接着剤を実質的に含まない、
    ことを特徴とする請求項３９に記載の装置。
41. 活性領域を含む半導体層のスタックを備えた半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子に結合された光学部材と、
    前記光学部材と前記半導体発光素子との間に配置された結合層と、
    を含み、
    前記結合層は、テルルの酸化物を含む、
    ことを特徴とする装置。
42. 前記半導体発光素子は、サブストレート及びスーパーストレートのうちの一方を含むことを特徴とする請求項４１に記載の装置。
43. 前記サブストレート及びスーパーストレートのうちの一方は、サファイア、ＳｉＣ、酸窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、ＧａＮ、ＡｌＮ、スピネル、ＧａＰ、ＺｎＳ、テルルの酸化物、鉛の酸化物、タングステンの酸化物、及び透明アルミナの群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項４２に記載の装置。
44. 前記光学部材上に形成された複数の溝を更に含むことを特徴とする請求項４１に記載の装置。
45. 前記光学部材は、フレネルレンズを含むことを特徴とする請求項４１に記載の装置。
46. 前記光学部材上に形成されたフレネルレンズを更に含むことを特徴とする請求項４１に記載の装置。
47. 前記光学部材上の少なくとも一部分に形成された反射性材料を更に含むことを特徴とする請求項４１に記載の装置。
48. 前記結合層は、約２５０℃と約５００℃との間の軟化温度を有することを特徴とする請求項４１に記載の装置。
49. 前記光学部材の形状は、ドーム、放物面、円錐形状、及び斜角付き形状のうちの１つであることを特徴とする請求項４１に記載の装置。
50. 前記光学部材は、前記層のスタックによって放射された光の波長を少なくとも別の波長に変換することができる１つ又はそれ以上の蛍光物質を含むことを特徴とする請求項４１に記載の装置。
51. 前記光学部材の一部分は、前記層のスタックによって放射された光の波長を少なくとも別の波長に変換することができる１つ又はそれ以上の蛍光物質で被覆されることを特徴とする請求項４１に記載の装置。
52. 前記結合層は、前記層のスタックによって放射された光の波長を少なくとも別の波長に変換することができる１つ又はそれ以上の蛍光物質を含むことを特徴とする請求項４１に記載の装置。
53. 前記層のスタックの少なくとも１つの表面は、斜角が付いていることを特徴とする請求項４１に記載の装置。
54. 前記光学部材の底面は、前記層のスタックの成長方向と実質的に平行であることを特徴とする請求項４１に記載の装置。
55. 前記光学部材の底面は、前記層のスタックの成長方向と実質的に垂直であることを特徴とする請求項４１に記載の装置。
56. 前記半導体発光素子は、前記光学部材にフリップチップ配置で結合されることを特徴とする請求項４１に記載の装置。
57. 前記光学部材は、サファイア、ＳｉＣ、酸窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、ＧａＮ、ＡｌＮ、スピネル、ＧａＰ、ＺｎＳ、テルルの酸化物、鉛の酸化物、タングステンの酸化物、及び透明アルミナの群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項４１に記載の装置。

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