JP2006523956A - 発光素子 - Google Patents

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Abstract

発光素子、及び関連部品、システム及び方法を開示する。

Description

本発明は発光素子、及び関連部品、システム、及び方法に関する。
発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は多くの場合、白熱光源及び／又は蛍光光源よりも効率良く光を供給することができる。ＬＥＤは非常に高い電力効率を有するので、ＬＥＤを使用して種々の照明用途における従来の光源に置き換えるという考えが注目されている。例えば、或る例では、ＬＥＤは交通信号灯として、そして携帯電話キーパッド及びディスプレイを照らすために使用されている。
通常、ＬＥＤは複数の層により形成され、これらの層の内の少なくとも幾つかの層は異なる材料により形成される。一般的に、これらの層に選択される材料及び厚さによって、ＬＥＤが放出する光の波長（群）が決まる。更に、これらの層の化学組成は、複数の領域（一般的には量子井戸と呼ばれる）に注入される電荷キャリアを絶縁して光電力への変換が非常に高い効率で行われるように選択することができる。一般的に、接合の内、量子井戸が形成される一方の側の層には、高い電子密度を実現するドナー原子が添加され（このような層は一般的にｎ型層と呼ばれる）、そして反対側の層には、かなり高い正孔密度を実現するアクセプタ原子が添加される（このような層は一般的にｐ型層と呼ばれる）。
ＬＥＤを形成するための一般的な手法は次の通りである。複数の材料層をウェハの形で用意する。通常、これらの層は、有機金属気相成長法（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）のようなエピタキシャル成長法を使用して形成され、この場合、初期堆積層が成長基板の上に形成される。次に、これらの層に、種々のエッチング法及び金属配線技術を用いて電流注入を行なうためのコンタクトを形成し、続いてウェハを個々のＬＥＤチップに分割する。普通、これらのＬＥＤチップはパッケージングされる。
使用の間、電気エネルギーが普通にＬＥＤに注入され、続いて電磁放射線（光）に変換され、この電磁放射線の或る部分がＬＥＤから取り出される。
本発明は発光素子システム、及び関連部品、システム、及び方法に関する。
一実施形態では、本発明は複数の材料から成る多層積層体を含む発光素子を備えた発光システムを特徴とする。発光素子は複数の材料から成る多層積層体を備える。複数の材料の多層積層体は、光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含む。第１層の表面は、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができるように構成される。第１層の表面は、パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、そしてパターンは理想的な格子定数及びゼロよりも大きい値の微調整（ｄｅｔｕｎｉｎｇ）パラメータを有する。発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
別の実施形態では、本発明は複数の材料から成る多層積層体を含む発光素子を備えた発光システム特徴とする。発光素子は複数の材料から成る多層積層体を備える。複数の材料から成る多層積層体は、光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含む。第１層の表面は、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができるように構成され、そして表面は非周期パターンに従って空間的に変化する誘電関数
を有する。発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
更に別の実施形態では、本発明は複数の材料から成る多層積層体を含む発光素子を備える発光システムを特徴とする。発光素子は複数の材料から成る多層積層体を備える。複数の材料から成る多層積層体は、光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含む。第１層の表面は、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができるように構成され、そして表面は複素周期パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有する。発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
一の実施形態では、本発明は複数の材料から成る多層積層体を含む発光素子を備えた発光システムを特徴とする。発光素子は複数の材料から成る多層積層体を備える。複数の材料から成る多層積層体は、ｎ型材料層、ｐ型材料層、及び光発生領域を含む。発光素子は反射材料層も含み、この反射材料層は、光発生領域によって生成される光の少なくとも５０％の光であって、反射材料層に衝突する光を反射する機能を備える。ｎ型材料層の表面は、光発生領域が生成する光を発光素子からｎ型材料層の表面を通して放出することができるように構成される。ｎ型材料層の表面はパターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、そしてｐ型材料層と反射材料層との間の距離は、ｎ型材料層と反射材料層との間の距離よりも短い。光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
別の実施形態では、本発明は発光素子を備えた発光システムを特徴とする。発光素子は、複数の材料から成り、かつ光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含む多層積層体を含む。発光素子第１層の表面は、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができるように構成され、そして第１層の表面はパターンに従って空間的に変化する誘電関数を有する。発光素子は反射材料層も含み、この反射材料層は、光発生領域によって生成される光の少なくとも５０％の光であって、反射材料層に衝突する光を反射する機能を備える。光発生領域は反射材料層と第１層との間に位置し、そしてパターンは第１層を超えて延びることがない。光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
更に別の実施形態では、発光素子を備えた発光システムを特徴とする。発光素子は、複数の材料から成る多層積層体を含む。複数の材料から成る多層積層体は、光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含む。第１層の表面は、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができるように構成される。発光素子は、第１層の表面に接触する材料も含み、この材料は約１．５未満の屈折率を有する。発光素子はパッケージングされる。光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
一の実施形態では、本発明は複数の材料から成る多層積層体を含む発光素子を備えた発光システムを特徴とする。複数の材料から成る多層積層体は、光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含む。第１層の表面は、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができるように構成される。第１層の表面はパターンに従って空間的に変化する誘電関数を有する。発光素子は、第１層の表面によって支持されるリン材料も含む。発光素子の側壁はほとんどリン材料を含まない。光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
更に別の実施形態では、本発明は複数の材料から成る多層積層体を含む発光素子を備えた発光システムを特徴とする。複数の材料から成る多層積層体は、光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含む。第１層の表面は、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができるように構成され、そして第１層の表面はパターンに従って空間的に変化する誘電関数を有する。発光素子はリン材料も含み、このリン材料は、光発生領域が生成し、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出される光がリン材料と相互反応して、リン材料から放出される光がほぼ白色光となるように構成される。発光素子の面積に対する発光素子の高さの比は、白色光が全方向に広がることができるように十分に小さい。光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
一の実施形態では、本発明は複数の材料から成る多層積層体を含む発光素子を備えた発光システムを特徴とする。複数の材料から成る多層積層体は、光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含む。第１層の表面は、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができるように構成される。発光素子はまた、発光素子から放出される光をほぼ透過する材料により形成される第１シートと、そしてリン材料を含む第２シートと、を含む。第２シートは第１シートに隣接する。発光素子はパッケージングされ、そして第１及び第２シートは発光素子のパッケージの一部を形成する。光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
別の実施形態では、本発明は、複数の材料から成り、かつ光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含む多層積層体を含む発光素子を備えた発光システムを特徴とする。第１層の表面は、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができるように構成される。第１層の表面はパターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、そしてパターンは、光発生領域が生成し、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出される光が、ランバート分布の場合よりも平行度が高くなるように構成される。光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
一の実施形態では、本発明は複数の材料から成る多層積層体を含む発光素子を備えた発光ステムを特徴とする。複数の材料から成る多層積層体は、光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含むことにより、発光素子を使用している間に、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができる。第１層の表面はパターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、そして光発生領域が生成し、かつ発光素子から放出される光の合計量の少なくとも約４５％（例えば少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％）が発光素子の表面を通して放出される。光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
別の実施形態では、本発明は複数の材料から成る多層積層体を含む発光素子を備えた発光システムを特徴とする。複数の材料から成る多層積層体は、光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含むことにより、発光素子を使用している間に、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができる。発光素子は端面（ｅｄｇｅ）を有し、この端面は少なくとも約１ミリメートル（例えば、少なくとも約１．５ミリメートル、少なくとも約２ミリメートル、少なくとも約２．５ミリメートル）の長さであり、そして発光素子は、発光素子の取り出し効率が端面の長さにほぼ無関係となるように構成される。光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
更に別の実施形態では、本発明は複数の材料から成る多層積層体を含む発光素子を備えた発光システムを特徴とする。複数の材料から成る多層積層体は、光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含むことにより、発光素子を使用している間に、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができる。発光素子は端面を有し、この端面は少なくとも約１ミリメートル（例えば、少なくとも約１．５ミリメートル、少なくとも約２ミリメートル、少なくとも約２．５ミリメートル）の長さであり、そして発光素子は、発光素子の量子効率が端面の長さにほぼ無関係となるように構成される。光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
一の実施形態では、本発明は複数の材料から成る多層積層体を含む発光素子を備えた発光システムを特徴とする。複数の材料から成る多層積層体は、光発生領域、及び光発生領域に支持される第１層を含むことにより、発光素子を使用している間に、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができる。発光素子は端面を有し、この端面は少なくとも約１ミリメートル（例えば、少なくとも約１．５ミリメートル、少なくとも約２ミリメートル、少なくとも約２．５ミリメートル）の長さであり、そして発光素子は、発光素子のウォールプラグ効率が端面の長さにほぼ無関係となるように構成される。光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
いくつかの実施形態は、以下の態様を特徴とする。
或る実施形態では、発光システムは、プロジェクタ、携帯型電子機器、コンピュータモニター、大型電子看板システム、車両照明システム、一般照明装置、高輝度照明装置、カメラフラッシュ、医療機器、電気通信システム、セキュリティ検知システム、統合オプトエレクトロニクスシステム、軍事通信システム、バイオセンシングシステム、光線力学療法装置、暗視ゴーグル、太陽電池駆動走行照明装置、緊急照明システム、空港滑走路照明システム、航空機照明システム、手術ゴーグル、携帯型光源、及びこれらの組合せから選択される。
或る実施形態では、発光システムは、例えばリアプロジェクション方式プロジェクタ（例えばテレビジョン用のリアプロジェクション方式プロジェクタである）、またはフロントプロジェクション方式プロジェクタのようなプロジェクタである。
或る実施形態では、発光システムは車両照明システムである。
或る実施形態では、発光システムは一般照明装置である。
或る実施形態では、発光システムは車両照明システムである。
或る実施形態では、発光システムは複数の発光素子を含み、この場合、複数の発光素子の各々は、複数の材料から成り、かつ光発生領域及び光発生領域に支持される第１層を含む多層積層体を含む。複数の発光素子の各々に関して、第１層の表面は、光発生領域が生成する光を発光素子から第１層の表面を通して放出することができるように構成される。第１層の表面は、パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有する。パターンは理想格子定数及びゼロよりも大きい値の微調整パラメータを有し、そして発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
或る実施形態では、発光システムは、アレイとして構成される複数の発光素子を含む。発光システムは複数の発光素子アレイを含むことができる。
或る実施形態では、表面を有するハウジングを有し、発光素子はこのハウジングの内部
に配置され、そして発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される。
或る実施形態では、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光は、発光システムから放出される前に、少なくとも一つの光学素子を通過する。
或る実施形態では、発光システムは複数の発光素子を含み、これらの発光素子の内の少なくとも幾つかの発光素子は、異なる最大放出波長を有する。
或る実施形態では、発光システムは複数の発光素子を含み、これらの発光素子の各々は、ほぼ同じ最大放出波長を有する。
複数の材料から成る多層積層体は、複数の半導体材料から成る多層積層体により形成することができる。第１層はｎ型半導体材料層とすることができ、そして多層積層体は更に、ｐ型半導体材料層を含むことができる。光発生領域は、ｎ型半導体材料層とｐ型半導体材料層との間に設けることができる。
発光素子は更に、複数の材料から成る多層積層体を支持する支持体を含むことができる。
発光素子は更に、光発生領域によって生成される光の少なくとも５０％の光であって、反射材料層に衝突する光を反射する機能を備える反射材料層を含むことができる。反射材料層は、支持体と、複数の材料から成る多層積層体との間に設けることができる。ｐ型半導体材料層と反射材料層との間の距離は、ｎ型半導体材料層と反射材料層との間の距離よりも短くすることができる。発光素子は更に、ｐ型オーミックコンタクト層をｐ型半導体材料層と反射材料層との間に含むことができる。
発光素子は更に、電流拡散層を第１と光発生領域との間に含むことができる。
複数の材料から成る多層積層体は、例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、有機半導体材料、及び／又はシリコンのような半導体材料により形成することができる。
或る実施形態では、パターンは光発生領域の中にまで延びない。
或る実施形態では、パターンは第１層を超えて延びることがない。
或る実施形態では、パターンは第１層を超えて延びる。
発光素子は更に、電流を発光素子に注入するように構成される複数の電気コンタクトを含むことができる。これらの電気コンタクトは、電流を発光素子に縦方向に注入するように構成することができる。
パターンはその一部を、例えば第１層の表面の複数の穴、第１層の複数のピラー（柱）、第１層の複数の連続する筋（ｖｅｉｎ）、第１層の複数の不連続な筋、及びこれらの組合せの中から選択される部品により形成することができる。
或る実施形態では、パターンは三角形パターン、方形パターン、及び格子パターンから選択することができる。
或る実施形態では、パターンは非周期パターン、準結晶パターン、ロビンソン（Ｒｏｂｉｎｓｏｎ）パターン、及びアムマン（Ａｍｍａｎ）パターンから選択することができる。或る実施形態では、パターンはペンローズ（Ｐｅｎｒｏｓｅ）パターンである。
或る実施形態では、パターンは蜂の巣状パターン及びアルキミディアンパターンから選
択することができる。或る実施形態では、パターン（例えば蜂の巣パターン）は異なる直径の複数の穴を有することができる。
パターンはその一部を、第１層の表面の複数の穴により形成することができる。
微調整パラメータは、例えば理想格子定数の少なくとも約１％、そして／または理想格子定数の最大約２５％とすることができる。或る実施形態では、パターンはほぼランダムに微調整された理想パターンに対応させることができる。
パターンは、第１層の表面から放出される光が放射モードのスペクトルを有し、かつ放射モードのスペクトルが光発生領域の固有放出スペクトルとほぼ同じとなるように構成することができる。
発光素子は、例えば発光ダイオード、レーザ、または光増幅器とすることができる。発光素子の例として、有機発光素子（ＯＬＥＤｓ）、面発光ＬＥＤ、及び高輝度発光素子（ＨＢＬＥＤｓ）が挙げられる。
或る実施形態では、第１層の表面は約λ／５未満のサイズのパターンを有し、この場合、λは第１層が放出することができる光の波長である。
或る実施形態では、発光素子はパッケージングされる（例えば、パッケージチップの形で）。或る実施形態では、パッケージングされた発光素子には封止材料が不要となる。
或る実施形態では、第１層の表面に接触する材料はガス（例えば空気）である。このガスは約１００Ｔｏｒｒ未満の圧力を有することができる。
或る実施形態では、第１層の表面に接触する材料は少なくとも約１の屈折率を有する。
或る実施形態では、パッケージングされたＬＥＤはカバーを含む。カバーはリン材料を含むことができる。カバーは、光発生領域が生成し、かつ第１層の表面を通して放出される光がリン材料と相互反応することができ、そして第１層の表面を通して放出され、かつリン材料と相互反応する光がカバーからほぼ白色光として放出されるように構成することができる。
或る実施形態では、発光素子は更に、発光素子から放出される光をほぼ透過する材料を含む第１シート、及びリン材料を含む第２シートを含む。第２シートは第１シートに隣接することができ、そして約１．５未満の屈折率を有する材料を第１シートと第１層の表面との間に設けることができる。第１及び第２シートは、光発生領域が生成し、かつ第１層の表面を通して放出される光がリン材料と相互反応することができ、そして第１層の表面を通して放出され、かつリン材料と相互反応する光が第２シートからほぼ白色光として放出されるように構成することができる。
リン材料は第１層の表面の上に配置することができる。
或る実施形態では、光発生領域が生成する光は発光素子から第１層の表面を通して放出されるとき、第１層の表面を通して放出される光の少なくとも約４０％が、第１層の表面の法線に対して最大約３０°の角度以内で放出される。
或る実施形態では、発光素子の準位占有率が少なくとも約１０％そして／または最大約７５％である。
複数の実施形態は、次の利点の内の一つ以上を特徴とすることができる。
或る実施形態では、発光システムは、ＬＥＤ及び／又は非常に大きなＬＥＤチップを備えることが可能である。ＬＥＤ及び／又は非常に大きなＬＥＤチップは、非常に大きな表
面輝度、非常に大きな平均表面輝度を示し、熱放散の必要性が非常に小さい、または熱放散の速度が非常に大きく、エテンデュー（ｅｔｅｎｄｕｅ：利用できる光源の面積×立体角）を大きく減らすことができ、そして／または電力効率を非常に高くすることができる。
或る実施形態では、発光システムは、ＬＥＤ／ＬＥＤチップが放出する光がほとんどパッケージによって吸収されないように構成することができるＬＥＤ及び／又は非常に大きなＬＥＤチップを設けることが可能である。
或る実施形態では、パッケージＬＥＤ（例えば、非常に大きなパッケージＬＥＤ）を備えた発光システムは、封止材料を使用することなく製造することができる。これによって、或る封止材料を使用することによってもたらされる、経時的な性能低下及び／又は性能ばらつきのような或る問題を回避することができるので、非常に良好な、そして／または高信頼性の性能を非常に長い期間に渡って示すことができるパッケージＬＥＤを提供することができる。
或る実施形態では、発光システムは、リン材料から成る非常に均一なコーティングを含むことができるＬＥＤ（例えば、非常に大きなパッケージＬＥＤとすることができるパッケージＬＥＤ）を備えることができる。
或る実施形態では、発光システムは、特定の角度範囲内（例えば、ＬＥＤ表面の法線に対する特定の角度範囲内）で所望の光出力を実現するＬＥＤ（例えば、非常に大きなパッケージＬＥＤとすることができるパッケージＬＥＤ）を備えることができる。
或る実施形態では、ＬＥＤ及び／又は非常に大きなＬＥＤチップを備えた発光システムは、商業的規模で実行することができ、プロセスを経済的に採算の採れなくしてしまうようなコストを生じることがないプロセスによって製造することができる。
本発明の特徴及び利点は記述、図、及び請求項に示される。
種々の図における同様の参照符号は同様の構成要素を指す。
図１は、複数のＬＥＤ１００から成るアレイ６０を組み込んだ発光システム５０を模式的に示している。アレイ６０は、使用中において、ＬＥＤ１００から放出される光（以下に議論する）がシステム５０から表面５５を通して放出されるように構成される。
発光システムの例として、プロジェクタ（例えばリアプロジェクション方式プロジェクタ、フロントプロジェクション方式プロジェクタ）、携帯型電子機器（例えば携帯電話、携帯情報端末、ラップトップコンピュータ）、コンピュータモニター、大型電子看板（例えば高速道路看板）、車内照明（例えばダッシュボード照明）、車外照明（例えば、色を変えることができるヘッドライトを含む車両ヘッドライト）、一般照明（例えばオフィスのオーバーヘッド照明）、高輝度照明（例えば街路灯）、カメラフラッシュ、医療機器（例えば内視鏡）、電気通信（例えば短距離データ伝送用プラスチックファイバ）、セキュリティ検知（例えば生体認証）、統合オプトエレクトロニクス（例えばチップ間及びチップ内の光相互接続及び光クロッキング）、軍事通信（例えばポイントツーポイント通信）、バイオセンシング（例えば有機物質または無機物質の光検出）、光線力学療法（例えばスキントリートメント）、暗視ゴーグル、太陽電池駆動走行照明、緊急照明、空港滑走路照明、航空機照明、手術ゴーグル、携帯型光源（例えば救命胴衣）が挙げられる。リアプロジェクション方式プロジェクタの例はリアプロジェクション方式テレビジョンである。フロントプロジェクション方式プロジェクタの例は、スクリーンまたは壁のような表面に表示を行なうプロジェクタである。或る実施形態では、ラップトップコンピュータはフロントプロジェクション方式プロジェクタを含むことができる。
通常、表面５５は、複数のＬＥＤ１００から放出され、そして表面５５に衝突する光の少なくとも約２０％（例えば、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％）を透過する材料により形成される。表面５５を形成することができる材料の例として、ガラス、シリカ、石英、プラスチック、及びポリマーが挙げられる。
或る実施形態では、各ＬＥＤ１００から放出される光（例えば、合計光密度、波長の関数としての光密度、及び／又は最大放出波長）がほぼ同じであることが望ましい。一例として、ディスプレイ用途における時間配列したほぼ単色の光源（例えばＬＥＤ）がある（例えば、鮮やかなフルカラー表示を行なうために）。別の例は、光学系において、特定波長の光が光源から導光板に、更に導光板から検出器に伝搬すれば有利となる電気通信に見ることができる。更に別の例は、色で通知を行なう車両照明である。更に別の例は医療用途に見ることができる（例えば、波長応答または色応答が有利となる感光性薬剤の活性またはバイオセンシング用途）。
或る実施形態では、複数のＬＥＤ１００の内の少なくとも幾つかのＬＥＤから放出される光（例えば、合計光密度、波長の関数としての光密度、及び／又は最大放出波長）が、異なるＬＥＤ１００から放出される光（例えば、合計光密度、波長の関数としての光密度、及び／又は最大放出波長）と異なることが望ましい。一例は一般照明に見ることができる（例えば、複数の波長によってカラーレンダリングインデックス（ｃｏｌｏｒ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｉｎｄｅｘ：ＣＲＩ）を改善することができる場合）。ＣＲＩは被写体を発光システムが照明すると被写体に生じるカラーシフト量を、同程度の相関温度の基準照明システム（例えば昼光）の下で観察したときの同じ被写体のカラーと比較した場合の測定値である。別の例はカメラフラッシュに見ることができる（例えば、昼時の太陽光のＣＲＩにほぼ近いような非常に大きいＣＲＩが撮影対象の被写体または被験者をありのままに表現するために望ましい場合）。更に別の例は医療機器に見ることができる（例えば、ほぼ一定のＣＲＩが、組織、臓器、体液などの判別及び／又は識別に有利となる場合）。更に別の例はバックライトディスプレイに見ることができる（例えば、或るＣＲＩの白色光が、ヒトの目にとってより好ましい、またはより自然になることが多くなる場合）。
図１にアレイの構成で示されているが、これらのＬＥＤ１００は異なる構成とすることができる。一例として、或る実施形態では、システム５０は単一のＬＥＤ１００を含む。別の例として、或る実施形態では、アレイを曲線状にして光を種々の光源から同じポイント（例えばレンズのような光学部品）に角度を付けて振り向け易くする。更に別の例として、或る実施形態では、素子群から成るアレイを六角形状に分布させてぎっしり詰め込むことができ、かつ非常に実効的な表面輝度を実現することができる。更に別の例として、或る実施形態では、素子群を、アレイの複数のＬＥＤからの光を結合させる、または反射するミラー（例えばダイクロイックミラー）の周りに分散配置する。
図１では、複数のＬＥＤ１００から放出される光が、これらのＬＥＤ１００から表面５５に直接伝搬するように示されている。しかしながら、或る実施形態では、複数のＬＥＤ１００から放出される光は、これらのＬＥＤ１００から表面５５に至る間接的な経路に沿って伝搬することができる。一例として、或る実施形態では、システム５０は単一のＬＥＤ１００を含む。別の例として、或る実施形態では、複数のＬＥＤ１００からの光は、マイクロディスプレイ（例えばデジタル光プロセッサ（ＤＬＰ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のようなライトバルブ）に集光する。更に別の例として、或る実施形態では、光は種々の光学系、ミラー、または偏光板（例えばＬＣＤ用の）を通過するように振り向けられる。更に別の例として、或る実施形態では、光は、例えばレンズまたは一組のレンズ
のような１次光学系または２次光学系を通過するように振り向けられる。
図２は、パッケージチップ構成のＬＥＤ１００の側面図を示している。ＬＥＤ１００は、サブマウント１２０上に配置される多層積層体１２２を含む。多層積層体１２２は３２０ｎｍ厚さのシリコン添加（ｎ型）ＧａＮ層１３４を含み、このＧａＮ層は複数の開口１５０から成るパターンをその上側表面１１０に有する。多層積層体１２２はまた、接着層１２４、１００ｎｍ厚さの銀層１２６、４０ｎｍ厚さのマグネシウム添加（ｐ型）ＧａＮ層１２８、複数のＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸により形成される１２０ｎｍ厚さの光発生領域１３０、及びＡｌＧａＮ層１３２を含む。ｎ側コンタクトパッド１３６は層１３４の上に配置され、そしてｐ側コンタクトパッド１３８は層１２６の上に配置される。封止材（屈折率が１．５のエポキシ）１４４は層１３４とカバースリップ１４０と支持体１４２との間に設けられる。層１４４は複数の開口１５０の内部には延在しない。
光はＬＥＤ１００によって次のように生成される。ｐ側コンタクトパッド１３８はｎ側コンタクトパッド１３６に対して正の電位に保持され、これによって電流がＬＥＤ１００に注入される。電流が光発生領域１３０を通過すると、ｎ型層１３４からの電子が領域１３０の内部でｐ型層１２８からの正孔と結合し、これによって領域１３０が光を生成する。光発生領域１３０は、領域１３０内で光発生領域１３０を形成するために使用される材料の波長スペクトル特性を有する光を放出する（例えば等方的に）多くの点双極子放射源を含む。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸の場合、領域１３０によって生成される光の波長スペクトルは約４４５ナノメートル（ｎｍ）にピーク波長を、そして約３０ｎｍの半値幅（ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ：ＦＷＭＨ）を有する。
ここで、ｐ型層１２６の電荷キャリアは、ｎ型半導体層１３４の電荷キャリアに比べて非常に低い移動度を有することに注目されたい。その結果、銀層１２６（導体である）をｐ型層１２８の表面に沿って配置することにより、コンタクトパッド１３８からｐ型層１２８及び光発生領域１３０への電荷注入の均一性を高めることができる。これによってまた、素子１００の電気抵抗を下げ、そして／または素子１００の注入効率を高めることができる。ｎ型層１３４の電荷移動度が非常に高いので、電子はｎ側コンタクトパッド１３６から層１３２及び１３４を通過して非常に大きな速度で拡散することができ、光発生領域１３０内の電流密度は領域１３０全体に渡ってほぼ均一となる。ここでまた、銀層１２６は非常に高い熱伝導率を有するので、層１２６がＬＥＤ１００のヒートシンクとして機能する（多層積層体１２２からサブマウント１２０に向かって縦方向に熱を移動させる）ことができることに注目されたい。
領域１３０によって生成される光の少なくとも或る部分は銀層１２６に振り向けられる。この光は層１２６によって反射され、そしてＬＥＤ１００から表面１１０を通って放出される、または層１２６によって反射され、次にＬＥＤ１００の半導体材料内部で吸収されると領域１３０内で結合する電子−正孔ペアを生じさせるので、領域１３０は光を生成する。同様に、領域１３０によって生成される光の少なくとも或る部分はパッド１３６に振り向けられる。パッド１３６の下側は、光発生領域１３０によって生成される光の少なくとも或る部分を反射する材料（例えばＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ合金）により形成される。従って、パッド１３６に振り向けられる光はパッド１３６によって反射され、続いてＬＥＤ１００から表面１１０を通って放出される（例えば、銀層１２６によって反射されることにより）、またはパッド１３６に振り向けられる光はパッド１３６によって反射され、次にＬＥＤ１００の半導体材料内部で吸収されると領域１３０内で結合する電子−正孔ペアを生じさせるので、領域１３０は光を生成する（例えば、銀層１２６によって反射されることにより、または反射されることなく）。
図２，３に示すように、ＬＥＤ１００の表面１１０は平坦ではないが、複数の開口１５
０を変形三角形状に配列したパターンを有する。一般的に、開口１５０の深さは種々の値に選択することができ、開口１５０の直径及び開口１５０の最近接開口（ｎｅａｒｅｓｔ
ｎｅｉｇｈｂｏｒｓ）間の間隔は変えることができる。特に断らない限り、以下の図を用いて数値計算の結果を示すために、開口１５０は約２８０ｎｍに等しい深さ１４６を有し、約１６０ｂｎｍの非ゼロ直径を有し、約２２０ｎｍの最近接開口間隔を有し、そして約１．０に等しい屈折率を有する。三角形状配列パターンを微調整して、パターン１５０の最近接開口の中心から中心の距離が（ａ−Δａ）と（ａ＋Δａ）との間の値を有するようにし、この場合「ａ」は理想的な三角形状配列パターンの格子定数であり、「Δａ」は長さの次元を有する微調整パラメータであり、この微調整はランダムな方向に行なうことができる。ＬＥＤ１００からの光取り出し効率を高めるために（以下の議論を参照のこと）、微調整パラメータΔａは通常、理想格子定数ａの少なくとも約１％（例えば、少なくとも約２％、少なくとも約３％、少なくとも約４％、少なくとも約５％）であり、そして／または理想格子定数ａの最大約２５％（例えば、最大約２０％、最大約１５％、最大約１０％）である。或る実施形態では、最近接開口間隔は、（ａ−Δａ）と（ａ＋Δａ）との間でほぼランダムに変化して、パターン１５０をほぼランダムに微調整することができるようにする。
複数の開口１５０が変形三角形状に配列されるパターンの場合、微調整パラメータを非ゼロにすることによって、ＬＥＤ１００からの取り出し効率を高めることができることが判明している。上述のＬＥＤ１００の場合、微調整パラメータΔａがゼロから約０．１５ａにまで増えると、ＬＥＤ１００における電磁界の数値モデル化（以下に記載する）によれば、図４に示すように、素子からの取り出し効率が約０．６０から約０．７０にまで増大することが判明している。
図４に示す取り出し効率データは、３次元有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法を使用してＬＥＤ１００の内部及び外部の光に関するマクスウェル方程式の近似解を求めることによって計算される。これについては、例えばＫ．Ｓ． Ｋｕｎｚ ａｎｄ Ｒ．Ｊ． Ｌｕｅｂｂｅｒｓによる「有限差分時間領域法」と題する非特許文献１（ＣＲＣ， Ｂｏｃａ
Ｒａｔｏｎ， ＦＬ， １９９３）、Ａ． Ｔａｆｌｏｖｅによる「計算電気力学：有限差分時間領域法」と題する非特許文献２（Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ， Ｌｏｎｄｏｎ， １９９５）を参照されたく、これらの文献の両方を本明細書において参照することにより、これらの文献の内容が本発明の開示に含まれる。特定パターン１５０を有するＬＥＤ１００の光動作を説明するために、ＦＤＴＤ計算の入力パラメータは、光発生領域１３０の点双極子放射源が放出する光の中心周波数及び帯域幅、多層積層体１２２内の各層の寸法及び誘電特性、及びパターン１５０の開口の直径、深さ、及び最近接開口間距離（ＮＮＤ）を含む。
或る実施形態では、ＬＥＤ１００に関する取り出し効率データはＦＤＴＤ法を使用して次のように計算される。ＦＤＴＤ法を使用して完全ベクトルの、時間に依存する（ｆｕｌｌ−ｖｅｃｔｏｒ ｔｉｍｅ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）マクスウェル方程式を解く。
Figure 2006523956
上の式において、分極率
Figure 2006523956
は量子井戸光発生領域１３０、ｐコンタクト層１２６、及びＬＥＤ１００内の他の層の周波数応答を表わす。個々のベクトルＰ
Figure 2006523956
項は、材料の全分極率に対する異なる寄与度を示す実験的に得られる値である（例えば、束縛電子の振動の分極応答、自由電子の振動の分極応答）。特に、次の等式が成り立ち、
Figure 2006523956
上の式において分極は次式により表わされる誘電率に対応する。
Figure 2006523956
数値計算を行なうために、考察対象の層は封止材１４４、銀層１２６、及び封止材１４４と銀層１２６との間の層だけである。この近似は、封止材１４４及び層１２６が十分に厚いのでこれらを取り囲む層はＬＥＤ１００の光学特性に影響を与えないという仮定に基づいている。周波数に依存する誘電率を有すると推定されるＬＥＤ１００内の関連構造は、銀層１２６及び光発生領域１３０である。ＬＥＤ１００内の他の関連層は、周波数に依存する誘電率を持たないと推定される。ここで、ＬＥＤ１００が追加の金属層を封止材１４４と銀層１２６との間に含む実施形態では、これらの追加の金属層の各層が該当する周波数に依存する誘電率を有することに注目されたい。銀層１２６（及びＬＥＤ１００内の他の全ての金属層）は、束縛電子及び自由電子の両方に関して周波数に依存する項を有し、他方、光発生領域１３０は束縛電子に関して周波数に依存する項を有するが、自由電子に関しては周波数に依存する項を持たないことにも注目されたい。或る実施形態では、他の項を、誘電率の周波数依存をモデル化する場合には含むことができる。このような項は、例えば電子−光子相互作用、原子分極、イオン分極、及び／又は分子分極を含むことができる。
光発生領域１３０の量子井戸領域からの光放出は、ランダムに配置された多くの定電流双極子放射源を光発生領域１３０内に組み込むことによりモデル化することができ、これらの定電流双極放射源の各々は、実際の量子井戸のスペクトル幅に等しいスペクトル幅の短いガウスパルスを放出し、これらのパルスの各々はランダムな初期位相及び開始時間を有する。
ＬＥＤ１００の表面１１０の開口群１５０から成るパターンに対応するために、横方向に大きなスーパーセルを周期境界条件と一緒に使用する。これによって、非常に大きな（例えば、端面が０．０１ｍｍ超）素子サイズのシミュレーションを行ない易くなる。全ての発展方程式を、全ての双極子放射源がエネルギーを放出した後、長時間経過し、系に残
留するエネルギーが無くなるまでの時間に関して解く。シミュレーションの間、合計放出エネルギー、上面１１０から放射されるエネルギー束、及び量子井戸及びｎ型層が吸収するエネルギーをモニターする。時間領域及び空間領域の両方におけるフーリェ変換を使用して、放射束の周波数分解及び角度分解データが得られるので、角度分解及び周波数分解による取り出し効率を計算することができる。合計放出エネルギーを実験により判明する光発生領域１３０の発光（ルミネセンス）と照合することにより、所与の電気入力に対する、ルーメン／単位立体角／単位チップ面積で表わした角度分解による取り出し効率の絶対値が得られる。
理論にこだわらないとすると、微調整パターン１５０によって領域１３０において生成される光がＬＥＤ１００から表面１１０を通して放出される効率を高くすることができると考えられる、というのは、開口群１５０によって、パターン１５０に従って層１３４において空間的に変化する誘電関数が生じるからである。これによって、ＬＥＤ１００内の放射モード（すなわち、表面１１０から放出される光モード）及びガイドモード（すなわち、多層積層体１２２内に閉じ込められる光モード）の密度が変化し、かつＬＥＤ１００内の放射モード及びガイドモードの密度のこの変化によって、この変化が無い場合にパターン１５０が無い状態でガイドモードの方向に放出される光の或る部分が、放射モードの方向にリークすることができるモードの方向に散乱される（例えばブラッグ散乱）と考えられる。或る実施形態では、パターン１５０（例えば、上に議論したパターン、または以下に議論する複数のパターンの内の一つのパターン）によってＬＥＤ１００内のガイドモードの全てを無くすことができると考えられる。
格子を微調整した効果は、点散乱サイトを有する結晶によるブラッグ散乱を考察することにより理解することができると思われる。距離ｄだけ離れた複数の格子平面に配列された完全格子の場合、波長λの単色光は、ｎが散乱次数を与える整数である場合のブラッグ条件ｎλ＝２ｄｓｉｎθに従った角度θで散乱される。しかしながら、スペクトル帯域幅Δλ／λを有し、立体角ΔΘで光を放出する光源の場合、ブラッグ条件は、格子サイトの間隔を微調整パラメータΔａだけ微調整することにより緩和することができると考えられる。格子を微調整することによりパターンによる散乱効率及び角度精度が光源のスペクトル帯域及び空間放出分布に渡って高くなる。
非ゼロの微調整パラメータΔａを有する変形三角形状配列パターン１５０によってＬＥＤ１００からの光取り出し効率を高くすることができるという風に変形三角形状配列パターン１５０について記載してきたが、他のパターンを使用してＬＥＤ１００からの光取り出し効率を高くすることもできる。所与のパターンによってＬＥＤ１００からの光取り出し効率を高くすることができるかどうか、そして／またはどの開口パターンを使用してＬＥＤ１００からの光取り出し効率を高くすることができるかについて決定すると、このような数値計算を行なう前に、物理的考察をまず使用して光取り出し効率を高くすることができる基本パターンを近似することができる。
ＬＥＤ１００からの取り出し効率については、パターン１５０に従って空間的に変化する誘電関数のフーリエ変換を考察することによって更に深く理解することができる（例えば、弱散乱領域において）。図５は理想的な三角形状配列格子に関するフーリエ変換を表わしている。面内波数ベクトルｋで表わされる特定の方向への光の取り出しは、逆格子ベクトルＧを加算する、または減算することによってｋとほぼ等しくなる、すなわちｋ＝ｋ'±Ｇとなる面内波数ベクトルｋ'（すなわち、パターン１５０に平行な）を持つ全てのモードの方向に放出される光源放出Ｓｋ'に関連する。取り出し効率は、次式により与えら
れる誘電関数εＧの該当するフーリエ成分（Ｆｋ）の絶対値に比例する。
Figure 2006523956
材料中の光の伝搬は通常、等式ｋ２（面内成分）＋ｋ２（法線成分）＝ε（ω／ｃ）２を満たすので、考察対象の最大のＧは光発生領域から放出される周波数（ω）及び光発生領域の誘電率によって決まる。図５に示すように、これによって光ラインと呼ばれることが多いリングが逆空間において定義される。光ラインは、光発生領域の有限帯域により環状となるが、説明を明瞭にするために単色光源の光ラインを示している。同様に、封止材の内部を伝搬する光は光ラインによって限界が画定される（図５の内側の円）。従って、取り出し効率はＦｋを封止材の光ラインの内側に含まれる全ての方向ｋに関して大きくすることによって高くなり、その結果、封止材の光ラインの内側に含まれるＧ（逆格子ベクトル）点の数が増え、かつ材料の光ラインの内側に含まれるＧ点に関する散乱強度εＧが大きくなる。この物理的考察は、取り出し効率を高くすることができるパターンを選択する際に使用することができる。
一例として、図６は理想的な三角形状配列パターンの格子定数を大きくする場合の効果を示している。図６に示すデータは、図２に示すＬＥＤ１００に与えられるパラメータを使用して計算されるが、パラメータの中では、放出光が４５０ｎｍのピーク波長を有し、そして穴の深さ、穴の直径、及びｎ型層１３４は最近接開口間距離ａによってスケーリングされてそれぞれ１．２７ａ，０．７２ａ，及び１．２７ａ＋４０ｎｍとなる点が異なる。格子定数を大きくすると、封止材の光ラインの内側に含まれるＧ（逆格子ベクトル）点の密度が高くなる。取り出し効率における明らかな傾向が最近接開口間距離（ＮＮＤ）に関して観察される。最大取り出し効率は、真空中での光の波長にほぼ等しい最近接開口間距離（ＮＮＤ）において生じると考えられる。最大になる理由は、ＮＮＤが光の波長よりもずっと長くなると、材料が更に均一になることによって散乱効果が小さくなるからである。
別の例として、図７は穴サイズまたは充填率が大きくなるときの効果を示している。三角形状配列パターンの充填率は
Figure 2006523956
により与えられ、ｒは穴の半径である。図７に示すデータは、図２に示すＬＥＤ１００に与えられるパラメータを使用して計算されるが、パラメータの中では、開口の直径がグラフのｘ軸の充填率の値に従って変化する点が異なる。取り出し効率は充填率とともに増大するが、これは散乱強度（εＧ）が大きくなるからである。最大値はこの特定の系では約４８％の充填率で生じる。或る実施形態では、ＬＥＤ１００は少なくとも約１０％（例えば少なくとも約１５％、少なくとも約２０％）及び／又は最大約９０％（例えば最大約８０％、最大約７０％、最大約６０％）の充填率を有する。
変形三角形状配列パターンを、微調整パラメータが理想の三角形状配列格子の位置を基にしたパターンの開口の位置に関連する形で記載してきたが、変形（微調整）三角形状配列パターンは、理想の三角形状配列パターンの穴を、中心を理想の三角形状配列パターンの位置に維持しながら変更することによって実現することもできる。図８はこのようなパターンの一の実施形態を示している。光取り出し効率を高くする方法、該当する数値計算
を行なう方法、及び図８に示すパターンを有する発光素子の光取り出し効率を高めることに関する物理的説明は概して上述の説明と同じである。或る実施形態では、変形（微調整）パターンは、理想の位置から変位した開口及び理想の位置であるが変化する直径を有する開口を有することができる。
他の実施形態では、発光素子からの光取り出し効率を高くする操作は、例えば複素周期パターン及び非周期性パターンを含む異なるタイプのパターンを使用することにより実行することができる。本明細書において記載する場合、複素周期パターンとは、周期的に繰り返す各ユニットセルに一つよりも多くのパターンを有するパターンである。複素周期パターンの例として、蜂の巣パターン、蜂の巣状パターン、（２×２）基本パターン、リングパターン、及びアルキミディアンパターンが挙げられる。以下に議論するように、或る実施形態では、複素周期パターンは一の直径を有する或る開口群及びそれよりも短い直径を有する開口群を有することができる。本明細書において記載する場合、非周期性パターンとは、領域１３０が生成する光のピーク波長の少なくとも５０倍の長さを有する各ユニットセルに対して並進対称を示さないパターンである。非周期性パターンの例として、非周期（ａｐｅｒｉｏｄｉｃ）パターン、準結晶パターン、ロビンソンパターン、及びアムマンパターンが挙げられる。
図９は、ＬＥＤ１００に関する数値計算を２つの異なる複素周期パターンに関して行った結果を示しており、この場合、パターンの或る開口群は特定の直径を有し、そしてパターンの他の開口群はそれよりも短い直径を有する。図９に示す数値計算によって、取り出し効率（直径が８０ｎｍの相対的に大きな穴の場合の）がそれよりも小さい穴の直径（ｄＲ）が０ｎｍから９５ｎｍに変化するとともにどのように変化するかが分かる。図７に示すデータは、図２に示すＬＥＤ１００に与えられるパラメータを使用して計算されるが、パラメータの中では、開口の直径がグラフのｘ軸の充填率の値に従って変化する点が異なる。理論にこだわらないとすると、複数の穴サイズによって、パターン内の複数の周期的構造による散乱が可能になるので、パターンの角度アクセプタンス及びスペクトル効率が大きくなる。光取り出し効率を高くする方法、該当する数値計算を行なう方法、及び図９に示すパターンを有する発光素子の光取り出し効率を高めることに関する物理的説明は概して上述の説明と同じである。
図１０は、異なるリングパターン（複素周期パターン）を有するＬＥＤ１００に関する数値計算を示している。中央の穴を取り囲む第１リングの穴の数は、異なるリングパターンに関して異なる（６，８，または１０）。図１０に示すデータは、図２に示すＬＥＤ１００に与えられるパラメータを使用して計算されるが、パラメータの中では、放出光が４５０ｎｍのピーク波長を有する点が異なる。図１０に示す数値計算によって、ＬＥＤ１００の取り出し効率が、ユニットセルに渡って繰り返されるユニットセル当たりのリングパターン数が２から４に変化するとともにどのように変化するかが分かる。光取り出し効率を高くする方法、該当する数値計算を行なう方法、及び図１０に示すパターンを有する発光素子の光取り出し効率を高めることに関する物理的説明は概して上述の説明と同じである。
図１１は、アルキミディアンパターンを有するＬＥＤ１００に関する数値計算を示している。アルキミディアンパターンＡ７は、最近接開口間距離がａの７つの等間隔穴を有する六角形ユニットセル２３０から成る。ユニットセル２３０内では、６個の穴が正六角形状に配列され、そして７個目の穴が六角形の中心に配置される。従って、六角形状配列ユニットセル２３０は、ユニットセル間の中心間の間隔が
Figure 2006523956
で与えられ、セルエッジが互いに沿って丁度ぴったりと並ぶように配列されるので、ＬＥＤの全表面をパターニングすることができる。これはＡ７タイル貼りとして知られ、これは７個の穴がユニットセルを構成するからである。同様に、アルキミディアンタイル貼りＡ１９は、ＮＮＤ（最近接開口間距離）がａの１９個の等間隔の穴から成る。これらの穴は、７個の穴を内側六角形の形に、そして１２個の穴を外側六角形の形に並べ、更に内側六角形の内部に１個の中心穴を置くことによって配列される。従って、六角形状配列ユニットセル２３０は、ユニットセル間の中心間の間隔が
Figure 2006523956
で与えられ、セルエッジが互いに沿って丁度ぴったりと並ぶように配列されるので、ＬＥＤの全表面をパターニングすることができる。光取り出し効率を高くする方法、該当する数値計算を行なう方法、及び図１１に示すパターンを有する発光素子の光取り出し効率を高めることに関する物理的説明は概して上述の説明と同じである。図１１に示すように、Ａ７及びＡ１９に関する取り出し効率は約７７％である。図１１に示すデータは、図２に示すＬＥＤ１００に与えられるパラメータを使用して計算されるが、これらのパラメータの中で、放出光が４５０ｎｍのピーク波長を有し、かつＮＮＤ（最近接開口間距離）が個々のセル内部の開口の間の距離として定義される点が異なる。
図１２は、準結晶パターンを有するＬＥＤ１００に関する数値計算を示している。準結晶パターンは、例えばＭ．Ｓｅｎｅｃｈａｌによる「準結晶及び構造（Ｑｕａｓｉｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ Ｇｅｏｍｅｔｏｒｙ）」と題する非特許文献３（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ， Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ， Ｅｎｇｌａｎｄ １９９６）に記載されており、この文献を本明細書において参照することによりこの文献の内容が本発明の開示に含まれる。数値計算によって、取り出し効率が８重準周期構造（ｃｌａｓｓ ｏｆ ８−ｆｏｌｄ ｂａｓｅｄ ｑｕａｓｉ−ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が変化するとともにどのように変化するかが分かる。準結晶パターンは、このような構造によって可能になる面内回転対称性が高いので高い取り出し効率を示すと考えられる。光取り出し効率を高くする方法、該当する数値計算を行なう方法、及び図１２に示すパターンを有する発光素子の光取り出し効率を高めることに関する物理的説明は概して上述の説明と同じである。図１２に示すＦＤＴＤ計算による結果は、準結晶構造の取り出し効率が約８２％に達することを示している。図１２に示すデータは、図２に示すＬＥＤ１００に与えられるパラメータを使用して計算されるが、これらのパラメータの中で、放出光が４５０ｎｍのピーク波長を有し、かつＮＮＤ（最近接開口間距離）が個々のセル内部の開口の間の距離として定義される点が異なる。
パターンの或る例について本明細書において記載してきたが、パターンが上に議論した基本原理を満たす場合には、他のパターンによってもＬＥＤ１００からの取り出し効率を高くすることができると考えられる。例えば、準結晶構造または複素周期構造に微調整を加えることによって、取り出し効率を高くすることができると考えられる。
或る実施形態では、光発生領域１３０によって生成され、かつＬＥＤ１００から放出される光の合計量の少なくとも約４５％（例えば、少なくとも約５０％、少なくとも約５５
％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％）の光が表面１１０を通して放出される。
或る実施形態では、ＬＥＤ１００の断面積は、ＬＥＤ１００からの光取り出し効率を高く維持しつつも非常に大きくすることができる。例えば、ＬＥＤ１００の一つ以上の端面は少なくとも約１ミリメートル（例えば、少なくとも約１．５ミリメートル、少なくとも約２ミリメートル、少なくとも約２．５ミリメートル、少なくとも約３ミリメートル）とすることができ、そして光発生領域１３０によって生成され、かつＬＥＤ１００から放出される光の合計量の少なくとも約４５％（例えば、少なくとも約５０％、少なくとも約５５％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％）の光が表面１１０を通して放出される。これによってＬＥＤは、良好な電力変換効率を示しつつ、非常に大きな断面（例えば、（少なくとも約１ミリメートル）×（少なくとも約１ミリメートル））を有することができる。
或る実施形態では、ＬＥＤ１００の構成を有するＬＥＤの取り出し効率は、ＬＥＤの端面の長さにほとんど無関係である。例えば、ＬＥＤ１００の構成を有し、かつ約０．２５ミリメートルの長さの一つ以上の端面を有するＬＥＤの取り出し効率と、ＬＥＤ１００の構成を有し、かつ１ミリメートルの長さの一つ以上の端面を有するＬＥＤの取り出し効率との差は、約１０％未満しか変わらない（例えば、約８％未満、約５％未満、約３％未満）。本明細書において記載する場合、ＬＥＤの取り出し効率とは、素子が生成する光の量（この量はエネルギーまたは光子の単位で測定することができる）に対するＬＥＤが放出する光の比である。これによって、ＬＥＤは良好な電力変換効率を示しながら非常に大きな断面（例えば、（少なくとも約１ミリメートル）×（少なくとも約１ミリメートル））を有することができる。
或る実施形態では、ＬＥＤ１００の構成を有するＬＥＤの量子効率は、ＬＥＤの端面の長さにほとんど無関係である。例えば、ＬＥＤ１００の構成を有し、かつ約０．２５ミリメートルの長さの一つ以上の端面を有するＬＥＤの量子効率と、ＬＥＤ１００の構成を有し、かつ１ミリメートルの長さの一つ以上の端面を有するＬＥＤの量子効率との差は、約１０％未満しか変わらない（例えば、約８％未満、約５％未満、約３％未満）。本明細書において記載する場合、ＬＥＤの量子効率とは、ＬＥＤにおいて生じる電子−正孔再結合の数に対するＬＥＤが生成する光子の数の比である。これによってＬＥＤは、良好な性能を示しつつ、非常に大きな断面（例えば、（少なくとも約１ミリメートル）×（少なくとも約１ミリメートル））を有することができる。
或る実施形態では、ＬＥＤ１００の構成を有するＬＥＤのウォールプラグ効率（ｗａｌｌ ｐｌｕｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は、ＬＥＤの端面の長さにほとんど無関係である。例えば、ＬＥＤ１００の構成を有し、かつ約０．２５ミリメートルの長さの一つ以上の端面を有するＬＥＤのウォールプラグ効率と、ＬＥＤ１００の構成を有し、かつ１ミリメートルの長さの一つ以上の端面を有するＬＥＤのウォールプラグ効率との差は、約１０％未満しか変わらない（例えば、約８％未満、約５％未満、約３％未満）。本明細書において記載する場合、ＬＥＤのウォールプラグ効率とは、ＬＥＤの注入効率（素子の光発生領域において再結合するキャリアの数に対する素子に注入されるキャリアの数の比）と、ＬＥＤの放射効率（電子−正孔再結合の合計数に対する放射時に生じる電子−正孔再結合の比）と、そしてＬＥＤの取り出し効率（生成される光子の合計数に対するＬＥＤから取り出される光子の比）との積である。これによって、ＬＥＤは良好な性能を示しながら非常に大きな断面（例えば、（少なくとも約１ミリメートル）×（少なくとも約１ミリメートル））を有することができる。
或る実施形態では、ＬＥＤ１００から表面１１０を通して放出される光の角度分布を操
作することが望ましい。所与の立体角の方向（例えば、表面１１０の法線方向近傍の立体角）の取り出し効率を高くするために、我々は、パターン１５０に従って空間的に変化する誘電関数のフーリエ変換を分析する（前に記載したように）。図１３は、異なる格子定数を有する２つの理想的な三角形状配列格子に関するフーリエ変換結果を示している。取り出し効率を高くするために、我々は、封止材の光ライン内部のＧ点の数及び材料の光ライン内部のＧ（逆格子ベクトル）点の散乱強度（εＧ）を大きくするように試みる。これは、ＮＮＤ（最近接開口間距離）を大きくして図６に示す効果を実現することを意味する。しかしながら、ここで我々は、法線方向を中心とする立体角方向の取り出し効率を高くすることに重点を置く。従って、我々は、封止材の光ラインの半径を小さくしてＧの絶対値がＧ＞（ω（ｎｅ））／ｃの関係を満たすようにすることにより高次元のＧ点の導入を制限したいとも考える。我々は、封止材の屈折率を小さくする（屈折率の最小値は封止材を全て取り除いたときに得られる）ことにより、我々は、ＮＮＤ（最近接開口間距離）を大きくすることができるので、法線方向（Ｆｋ＝０）の光取り出しに寄与させることができる、材料の光ライン内部のＧ点の数を増やすと共に、封止材における高次方向（傾斜角度方向）の回折を回避する。上述の傾向は図１４に示され、この図は、立体角（図における受光半値角により与えられる）方向の取り出し効率を示している。図１４に示すデータは、図２に示すＬＥＤ１００に与えられるパラメータを使用して計算されるが、パラメータの中では、放出光が５３０ｎｍのピーク波長及び３４ｎｍの帯域幅を有し、封止材の屈折率が１．０であり、ｐ型層の厚さが１６０ｎｍであり、光発生領域が３０ｎｍの厚さであり、３つの曲線に関するＮＮＤ（ａ）が図１４に示す値であり、そして深さ、穴の直径、及びｎ型層の厚さがａによってスケーリングされてそれぞれ１．２７ａ，０．７２ａ，及び１．２７ａ＋４０ｎｍとなる点が異なる。格子定数が大きくなると、狭い角度での取り出し効率が高くなるだけでなく全ての角度方向の取り出し効率が高くなる。しかしながら、格子定数が更に大きくなると、全ての角度方向の総合取り出し効率が高くなる場合でも、封止材における高次モードの方向への回折によって狭い角度での取り出し効率が低くなる。格子定数が４６０ｎｍの場合、計算によれば、３０度の受光半値角方向への取り出し効率が２５％超になる。すなわち、取り出し光の約半分が立体角の上側半球の約１３．４％のみの範囲内で収集され、パターンがコリメート効果を有することを示している。材料の光ライン内部のＧ点の数を大きくし、同時に封止材の光ライン内部のＧ点の数をｋ＝０のＧ点のみに限定するパターンであれば必ず、法線方向を中心とする立体角方向への取り出し効率を高くすることができると考えられる。
この手法は、ｎを周囲材料（例えば封止材）の屈折率とすると、多くの場合ｎ２に比例すると考えられる光源のエテンデューを小さくするために特に適用することができる。従って、ＬＥＤ１００の封止層の屈折率を小さくすることによって、コリメート光が多くの割合で放出され、光源のエテンデューが小さくなり、従って表面輝度が高くなる（ここでは、光源のエテンデュー（ｅｔｅｎｄｕｅ：利用できる光源の面積×立体角）に取り出される全ルーメンとして定義される）と考えられる。従って或る実施形態では、空気を封止材として使用することによって光源のエテンデューが小さくなると同時に、法線方向を中心とする所与の集光角の方向への取り出し効率が高くなる。
或る実施形態では、領域１３０により生成される光がＬＥＤ１００から表面１１０を通して放出されると、光の分布はランバート分布の場合よりも平行度が高い。例えば、或る実施形態では、領域１３０により生成される光がＬＥＤ１００から表面１１０を通して放出される場合、誘電体層の表面を通して放出される光の少なくとも約４０％（例えば、少なくとも約５０％、少なくとも約７０％、少なくとも約９０％）が、表面１１０の法線方向に対して最大約３０°（例えば、最大約２５°、最大約２０°、最大約１５°）の角度の内側で放出される。
所望の角度方向のみの光、または非常に高い光取り出し効率で結合する光の非常に大き
な部分を取り出す機能を備えると、非常に高い集積度のＬＥＤを所与のウェハの上に設けることができる。例えば、或る実施形態では、１枚のウェハは、１平方センチメートル当たり少なくとも約５個のＬＥＤ（例えば、少なくとも約２５個のＬＥＤ、少なくとも約５０個のＬＥＤ）を有する。
或る実施形態では、パッケージングされたＬＥＤ１００から放出される光の波長（群）を光発生領域１３０により生成される光の波長（群）に対して変更することが望ましい。例えば、図１５に示すように、リン材料１８０を含有する層を有するＬＥＤ３００を表面１１０の上に配置することができる。リン材料は領域１３０により生成される波長（群）の光と相互反応して所望の波長（群）の光を供給することができる。或る実施形態では、パッケージングされたＬＥＤ１００から放出される光がほぼ白色光であることが望ましい。このような実施形態では、層１８０のリン材料は、例えば（Ｙ，Ｇｄ）（Ａｌ，Ｇａ）Ｇ：Ｃｅ３＋または「ＹＡＧ」（ｙｔｔｒｉｕｍ，ａｌｍｉｎｉｕｍ，ｇａｒｎｅｔ）リンにより形成することができる。光発生領域１３０から放出される青色光によって励起されると、層１８０のリン材料が活性化されて、黄色波長を中心とする広いスペクトルを有する光を放出する（等方的に）。パッケージングされたＬＥＤ１００から放出される合計の光スペクトルを眺める観察者は黄色リンの広い放出スペクトル及び青色ＩｎＧａＮの狭い放出スペクトルを観察し、そして通常、これらの２つのスペクトルが混合されて白色として視覚する。
或る実施形態では、層１８０はほぼ均一に表面１１０の上に形成することができる。例えば、パターン１５０の上部１５１と層１８０の上部１８１との間の距離は、表面１１０全体で約２０％未満（例えば、約１０％未満、約５％未満、約２％未満）しか変化しない。
一般的に、層１８０の厚さは、通常約１ミリメートル（ｍｍ）×約１ミリメートルであるＬＥＤ１００の表面１３０の断面寸法と比べて小さい。層１８０は表面１１０の上でほぼ均一に形成されるので、層１８０のリン材料を表面１１０を通して放出される光によってほぼ一様に励起することができる。リン層１８０はＬＥＤ１００の表面１１０の寸法に比べて非常に薄いので、光発生領域１３０により放出される光は、ＬＥＤ１００の全表面に渡ってほぼ均一なリン層１８０の内部において短い波長の光に変換される。従って、非常に薄く、均一なリン層１８０はＬＥＤ１００から放出される均一なスペクトルの白色光を表面１１０上の位置の関数として生成する。
一般的に、ＬＥＤ１００は所望通りに形成することができる。通常、ＬＥＤ１００の形成においては、種々の堆積工程、レーザ処理工程、リソグラフィ工程、及びエッチング工程が行なわれる。
図１６を参照すると、サファイア基板の上に堆積するＬＥＤ層積層体材料を含有するＬＥＤウェハ５００は容易に利用することができ、そして商用ベンダーから購入することができる。サファイア基板の上には連続して、バッファ層５０４、ｎ型Ｓｉ：ＧａＮ層５０６、電流拡散層５０８となるＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合または超格子、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多量子井戸光発生領域５１０、及びｐ型Ｍｇ：ＧａＮ層５１２が配置される。市販のＬＥＤウェハは直径が約２〜３インチであり、そして複数のＬＥＤチップは、ウェハを処理した後にウェハを切断分離することによって個々の素子とすることができる。ウェハをダイシングする前に、ウェハの大きさで行なう多くの処理工程を使用してｐ型層１２８を、ミラー層１２６と同じ側の光発生領域１３０の上に位置させる。
図１７を参照すると、非常に薄いニッケル層５２０をｐ型層５１２の上に堆積させて（例えば、電子ビーム蒸着を使用して）、ｐ型層５１２のｐ型オーミックコンタクトを形成
する。銀層５２２はニッケル層５２０の上に堆積させる（例えば、電子ビーム蒸着を使用して）。非常に厚いニッケル層５２４を銀層５２２の上に堆積させる（例えば、電子ビーム蒸着を使用して）。層５２４は、汚染物質の銀層５２２への拡散を低減する拡散バリアとして機能する。金層５２６をニッケル層５２４の上に堆積させる（例えば、抵抗加熱蒸着を使用して）。次に、ウェハ５００を、４００℃〜６００℃の間の温度で、３０〜３００秒の間、窒素、酸素、大気、またはフォーミングガスの雰囲気中でアニールしてオーミックコンタクトを形成する。
図１８を参照すると、サブマウントウェハ６００を、ｐ型シリコンウェハ６０２の上に連続して（例えば、電子ビーム蒸着を使用して）アルミニウムコンタクト層６０４を堆積させることにより設ける。金層６０８を層６０４の上に堆積させ（例えば、熱蒸着を使用して）、そしてＡｕＳｎ接着層６１０を層６０８の上に堆積させる（例えば、熱蒸着を使用して）。サブマウントウェハ６００を、３５０℃〜５００℃の間の温度で、３０〜３００秒の間、窒素、酸素、大気、またはフォーミングガスの雰囲気中でアニールしてオーミックコンタクトを形成する。
ウェハ５００及び６００は、０〜０．５ＭＰａの圧力及び２００〜４００℃の範囲の温度を使用して層５２６をサブマウントウェハ６００の層６１０と接触させる（例えば、熱的機械的圧力を使用して）ことにより互いに接着させる。層５１０及び６１０は共晶結合を形成する。結合ウェハサンドイッチを冷却し、そして接着サンドイッチを圧力から開放する。
接着の後、基板５０２を結合構造から、レーザリフトオフ法によって取り除く。レーザリフトオフ法は、例えば特許文献１（米国特許第６，４２０，２４２号）及び特許文献２（米国特許第６，０７１，７９５号）に開示されており、これらの文献を本明細書において参照することによりこれらの文献の内容が本発明の開示に含まれる。或る実施形態では、２４８ｎｍのレーザビームを基板５０２を通して照射して、ｎ型Ｓｉ：ＧａＮ層５０６をこの層のサファイア基板５０２との境界近傍を局部的に加熱してｎ型層５０６の一部の層厚に渡って分解させる。次に、ウェハサンドイッチをガリウムの融点を超える温度にまで加熱し、この融点では、サファイア基板５０２を、この基板に横方向の力を加える（例えば、綿棒を使用して）ことによって取り外すことができる。次に、露出したＧａＮ表面をクリーニングして（例えば、塩酸溶液を使用して）液体ガリウムを表面から除去する。多くの場合、サファイア基板５０２をＧａＮエピタキシャル層積層体から取り外すと、積層体に内在していた歪み（基板５０２と積層体との間の格子不整合による）が積層体から取り除かれる。これによって、積層体は、積層体が基板５０２に接着したときに有していた、曲がった、またはそった形状から解放され、かつｎ型層５０６の露出表面の上で非常に平坦な形状を有することができる。熱膨張係数は、サブマウントを選択するときに考慮に入れてサブマウントがレーザリフトオフ法においてクラックを生じないようする。更に、レーザリフトオフの間のクラックは、工程及び繰り返しプロセスにおいてほぼ重なった場によって低減することができる。
図１９を参照すると、ｎ型Ｓｉ：ＧａＮ層５０６の露出表面をエッチバックして（反応性イオンエッチングプロセスを使用して）最終素子において使用される層の所望の厚さを実現する（図２０参照）。エッチングの後、エッチングされたＧａＮ層５０６の表面はエッチングによって粗い表面構造７００となる。粗表面７００を平坦化し、そして薄くして（例えば、化学機械プロセスを使用して）、層５０６の最終厚さ及び二乗平均値（ｒｍｓ）が約５ｎｍ未満の表面平滑度を実現することができる。別の構成として、粗表面７００をそのままにして、局部的に平坦ではない境界を素子１００に設けることにより素子の取り出し効率を上げ易くすることができる。粗表面によって、顕微鏡的なサイズの平滑性を有する表面よりも、表面７００に複数回衝突する光線が最終的に表面をスネルの法則で与
えられる臨界角度未満の角度で衝突し、そして表面７００から取り出される確率が高くなる。
エッチングの後、誘電関数パターンをｎ型層５０６に設けるために、まず、材料（例えばポリマー）の平坦化層７０２をｎ型ＧａＮ層５０６の上に形成し（例えばスピン塗布を使用して）、そしてレジスト層７０４を平坦化層７０２の上に形成する（例えばスピンコーティングする）。次に、フォトニック格子をＬＥＤに形成するパターンをｎ型層５０６にナノインプリントリソグラフィ及びエッチングプロセスにより形成する。まず、所望パターンの一部を画定するモールドをレジスト層７０４に圧入し、そしてウェハの全表面を部分毎に段階的に横切って、プロセスフローの後の方で設けられるｎコンタクトを堆積させるためのパターン１５０及び残りの領域の形状を印刷する。好適には、ｎ型層５０６の表面はプロセスのこの部分の間はほぼ平坦である。例えば、Ｘ線リソグラフィまたはディープ紫外線リソグラフィを使用してもパターンをレジスト層７０４に形成することができる。レジストをウェハ上に堆積させ、そしてパターンをウェハ上のレジストに形成する方法に代わる方法として、予め膜を堆積させてエッチングを施したマスクを層５０６の表面の上に設けることができる。
パターニング済み層７０４をマスクとして使用してパターンを平坦化層７０２に転写する（例えば、リアクティブイオンエッチングプロセスを使用して）。続いて、平坦化層をマスクとして使用してパターンをｎ型層５０６に転写する。ＧａＮ層５０６をエッチングした後、平坦化層を除去する（例えば、酸素リアクティブイオンエッチングを使用して）。
パターンをｎ型層５０６に転写した後、リン材料層を任意選択の形でｎ型層５０６のパターニング済み表面の上に形成する（例えばスピンコーティングする）ことができる。或る実施形態では、リンはパターニング済み表面にコンフォーマルに形成されるように塗布することができる（パターニング済み表面の開口の底面及び側壁に沿ってボイドがほとんど発生しないように塗布することができる）。別の構成として、封止材料層はパターニング済みｎ型層５０６の表面の上に形成することができる（例えば、ＣＶＤ、スパッタリング、後の工程で蒸発させる液体バインダーへの懸濁を使用して）。或る実施形態では、封止材は一つ以上のリン材料を含むことができる。或る実施形態では、リンを圧縮して、バラツキがリンの平均厚さの２０％未満、１５％未満、１０％未満、５％未満、または２％未満となる均一な厚さが得られる。或る実施形態では、リン含有封止材はパターニング済み表面にコンフォーマルに形成されるように塗布することができる。
誘電関数パターンをｎ型層５０６に形成した後、個々のＬＥＤチップはウェハを切断分離することにより得られる。一旦、ウェハ処理及びウェハテストが完了すると、個々のＬＥＤチップを分離し、そしてパッケージング工程及びテスト工程に搬送する準備が整う。側壁保護膜形成工程及び／又は分離前の深いメサエッチング工程を使用して、ウェハ切断分離の間に生じるパターニング済みＬＥＤの電気特性及び／又は光学特性へのダメージの確率を小さくすることができる。個々のＬＥＤはウェハ自体のサイズを上限としてどのようなサイズとすることもできるが、個々のＬＥＤは通常、辺の長さが約０．５ｍｍ〜５ｍｍの正方形または矩形である。チップを形成するために、標準のリソグラフィを使用して、素子を駆動するコンタクトパッドの位置をウェハ上に画定し、そしてオーミックコンタクトを蒸着によって（例えば電子ビーム蒸着を使用して）所望の位置に形成する。
ＬＥＤチップをパッケージングする場合、パッケージは通常、光収集を容易にすると同時にチップを機械的に、かつ周りの環境から保護する機能を備える必要がある。例えば、封止材を使用しない場合に、透明カバーをＬＥＤチップの上にパッケージングして５０６のパターニング済み表面を保護する。カバースリップを支持体１４２に、炉の中で溶融す
るガラスフリットを使用して取り付ける。支持体の反対側の両端部は、例えばキャップ溶接またはエポキシを使用して接続される。支持体は通常、ニッケルメッキしてパッケージの金メッキ表面への溶接を容易にする。封止層を設けないことによって、ＬＥＤ１００のパターニング済み表面の単位面積当たりの許容電力負荷を大きくすることができると考えられる。封止材の劣化は、標準ＬＥＤの普通の故障メカニズムであり、封止層を使用しないことによって回避される。
複数のＬＥＤは大きな面積を有する平坦なウェハを切断することによって得られるので、これらのＬＥＤの単位面積あたりの光出力は面積と共に小さくなることはない。また、ウェハを切断することによって得られる個々のＬＥＤの断面は、ＬＥＤの発光表面の面積よりほんの少しだけ大きいだけであるので、多くの個々の、別々に指定することができるＬＥＤは、アレイ状に近接する形で一緒に敷き詰めることができる。一つのＬＥＤが動作しない（例えば大きな欠陥に起因して）場合、個々の素子が近接して敷き詰められているのでアレイの性能を大きく低下させることはない。
或る実施形態について記載してきたが、他の実施形態を用いることができる。
一例として、発光素子及び関連する層の或る厚さは上に議論したものであるが、他の厚さを採用することも可能である。一般的に、発光素子はどのような所望の厚さを有することもでき、そして発光素子内の個々の層はどのような所望の厚さを有することもできる。通常、多層積層体１２２内部の層の厚さは、光発生領域１３０との光モードの空間的重なりを大きくして領域１３０において生成される光の出力が大きくなるように選択される。発光素子の或る層の例示としての厚さは次の如くである。或る実施形態では、層１３４は少なくとも約１００ｎｍ（例えば、少なくとも約２００ｎｍ、少なくとも約３００ｎｍ、少なくとも約４００ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ）及び／又は最大約１０ミクロン（例えば、最大約５ミクロン、最大約３ミクロン、最大約１ミクロン）の厚さを有することができる。或る実施形態では、層１２８は少なくとも約１０ｎｍ（例えば、少なくとも約２５ｎｍ、少なくとも約４０ｎｍ）及び／又は最大約１ミクロン（例えば、最大約５００ｎｍ、最大約１００ｎｍ）の厚さを有することができる。或る実施形態では、層１２６は少なくとも約１０ｎｍ（例えば、少なくとも約５０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ）及び／又は最大約１ミクロン（例えば、最大約５００ｎｍ、最大約２５０ｎｍ）の厚さを有することができる。或る実施形態では、光発生領域１３０は少なくとも約１０ｎｍ（例えば、少なくとも約２５ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ）及び／又は最大約５００ｎｍ（例えば、最大約２５０ｎｍ、最大約１５０ｎｍ）の厚さを有することができる。
一例として、発光ダイオードについて記載してきたが、上述の特徴（例えば、パターン、プロセス）を有する他の発光素子を使用することができる。このような発光素子はレーザ及び光増幅器を含む。
別の例として、電流拡散層１３２をｎ型層１３４とは別の層として記載してきたが、或る実施形態では、電流拡散層を層１３４と一体化して（層１３４の一部として）形成することができる。このような実施形態では、電流拡散層は層１３４の非常に高い不純物濃度のｎ型部分とする、または（例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮの間の）ヘテロ接合として２次元電子ガスを形成することができる。
更に別の例として、或る半導体材料について記載してきたが、他の半導体材料を使用することもできる。一般的に、発光素子において使用することができるものであればどのような半導体材料（例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、有機半導体材料、シリコン）も使用することができる。他の光発生材料の例としては、ＩｎＧａＡｓＰ，ＡｌＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｌＰが挙げられる。有機発光材料には、アルミニウムトリス−８
−ヒドロキシキノリン（Ａｌｑ３）のような小分子及びポリ［２−メトキシ−５−（２−エチルへキシルオキシ）−１，４−ビニレンフェニレン］またはＭＥＨ−ＰＰＶのような共役ポリマーが含まれる。
更に別の例として、大面積ＬＥＤについて記載してきたが、これらのＬＥＤは小面積ＬＥＤ（例えば、端面が約３００ミクロンの標準ＬＥＤよりも小さいＬＥＤ）とすることもできる。
別の例として、パターンが穴により形成されるパターンに従って空間的に変化する誘電関数について記載してきたが、パターンは他の方法によって形成することもできる。例えば、パターンは、適切な層における連続する筋（ｖｅｉｎ）及び／又は不連続な筋の形状に形成することができる。更に、誘電関数を変化させるパターンは、穴または筋を使用せずに形成することができる。例えば、異なる誘電関数を有する複数の材料を適切な層においてパターニングすることができる。このようなパターンの組合せも使用することができる。
更に別の例として、層１２６が銀により形成されるものとして記載してきたが、他の材料を使用することもできる。或る実施形態では、層１２６は、光発生領域によって生成される光の少なくとも５０％の光であって、反射材料層に衝突する光を反射することができる材料により形成され、反射材料層は支持体と複数の材料から成る多層積層体との間に位置する。このような材料の例として、分布ブラッグ反射器から成る積層構造及びアルミニウム及びアルミニウム含有合金のような種々の金属及び合金が挙げられる。
別の例として、支持体１２０が種々の材料により形成されるものとして記載してきた。支持体１２０を形成することができる材料の例として、銅、銅−タングステン、窒化アルミニウム、シリコンカーバイド、酸化ベリリウム、ダイアモンド、ＴＥＣ及びアルミニウムが挙げられる。
更に別の例として、層１２６がヒートシンク材料により形成されるものとして記載してきたが、或る実施形態では、発光素子は、ヒートシンクとして機能する別の層（例えば、層１２６とサブマウント１２０との間に配置される）を含むことができる。このような実施形態では、層１２６は、ヒートシンクとして機能する材料により形成することができる、または形成しなくてもよい。
更に別の例として、誘電関数を変化させるパターンが、光発生領域の全体を利用することに加えて、ｎ型層１３４だけに食い込んで延在する（これによって表面再結合キャリア損失が生じる確率を非常に低くすることができる）ものとして記載してきたが、或る実施形態では、誘電関数を変化させるパターンはｎ型層１３４を超えて延在することができる（例えば、電流拡散層１３２、光発生領域１３０、及び／又はｐ型層１２８に食い込むように）。
別の例として、空気を表面１１０とカバースリップ１４０との間に設けることができる実施形態について記載してきたが、或る実施形態では、空気以外の、または空気に加えて複数の材料を表面１１０とカバースリップ１４０との間に設けることができる。一般的に、このような材料は、少なくとも約１かつ約１．５未満（例えば、約１．４未満、約１．３未満、約１．２未満、約１．１未満）の屈折率を有する。このような材料の例として、窒素、空気、または或る高熱伝導ガスが挙げられる。このような実施形態では、表面１１０はパターニングすることができる、またはパターニングしなくてもよい。例えば、表面１１０はパターニングしないが、粗面化することができる（すなわち、λ／５未満の種々のサイズ及び形のランダムに分布させた形状を有する）。
或る実施形態では、発光素子は表面１１０、カバー層１４０及び支持体１４２を被覆するリン材料層を含むことができる。
或る実施形態では、リン材料を含有するカバー層１４０を含むことができる。このような実施形態では、表面１１０はパターニングすることができる、またはパターニングしなくてもよい。
別の実施形態では、光発生領域１３０によって放出される光はＵＶ（またはバイオレットＵＶ、または青色ＵＶ）であり、そしてリン層１８０は赤色リン材料（例えばＬ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋）、緑色リン材料（例えばＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ，Ｍｎ）、及び青色リン材料（例えば、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ：Ｅｕ２＋）を含む。
他の実施形態は請求項に記載される。
発光システムの概略を示す模式図。 パターニング済み表面を有するＬＥＤの側面図。 図２のＬＥＤのパターニング済み表面の上面図。 パターニング済み表面を有するＬＥＤの取り出し効率を微調整パラメータの関数として表わすグラフ。 ＬＥＤのパターニング済み表面に対するフーリエ変換を模式的に表わしている模式図。 パターニング済み表面を有するＬＥＤの取り出し効率を最近接個体間距離の関数として表わすグラフ。 パターニング済み表面を有するＬＥＤの取り出し効率を準位占有率（ｆｉｌｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）の関数として表わすグラフ。 ＬＥＤのパターニング済み表面の上面図。 異なる表面パターンを有するＬＥＤの取り出し効率を表わすグラフ。 異なる表面パターンを有するＬＥＤの取り出し効率を表わすグラフ。 異なる表面パターンを有するＬＥＤの取り出し効率を表わすグラフ。 異なる表面パターンを有するＬＥＤの取り出し効率を表わすグラフ。 異なるパターン表面を有する２つのＬＥＤに対するフーリェ変換をＬＥＤからの放射線のスペクトルと比較する形で模式的に表わしている模式図。 異なる表面パターンを有するＬＥＤの取り出し効率を角度の関数として表わすグラフ。 パターニング済み表面及びパターニング済み表面上のリン層を有するＬＥＤの側面図。 パターニング済み表面を有するＬＥＤに関するエピタキシャル層の前駆体の側面図。 パターニング済み表面を有するＬＥＤに関するエピタキシャル層の前駆体の側面図。 パターニング済み表面を有するＬＥＤに関するエピタキシャル層の前駆体の側面図 。 パターニング済み表面を有するＬＥＤに関するエピタキシャル層の前駆体の側面図。 パターニング済み表面を有するＬＥＤに関するエピタキシャル層の前駆体の側面図。

Claims (41)

  1. 光発生領域、及び光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体を備えた発光素子を含む発光システムであって、
    前記第１層の表面は、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出することができるように構成され、
    前記第１層の表面は、パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、
    前記パターンは理想格子定数及びゼロよりも大きい値の微調整パラメータを有し、及び
    前記発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出可能に形成されている、発光システム。
  2. 発光システムは、プロジェクタ、携帯型電子機器、コンピュータモニター、大型電子看板システム、車両照明システム、一般照明装置、高輝度照明装置、カメラフラッシュ、医療機器、電気通信システム、セキュリティ検知システム、統合オプトエレクトロニクスシステム、軍事通信システム、バイオセンシングシステム、光線力学療法装置、暗視ゴーグル、太陽電池駆動走行照明装置、緊急照明システム、空港滑走路照明システム、航空機照明システム、手術ゴーグル、携帯型光源、及びこれらの組合せから成るグループから選択される、請求項１記載の発光システム。
  3. 発光システムはプロジェクタである、請求項１記載の発光システム。
  4. プロジェクタはリアプロジェクション方式プロジェクタである、請求項３記載の発光システム。
  5. リアプロジェクション方式プロジェクタはテレビジョン用のリアプロジェクション方式プロジェクタである、請求項４記載の発光システム。
  6. プロジェクタはフロントプロジェクション方式プロジェクタである、請求項３記載の発光システム。
  7. 発光システムは車両照明システムである、請求項１記載の発光システム。
  8. 発光システムは一般照明装置である、請求項１記載の発光システム。
  9. 前記発光システムは複数の発光素子を含み、複数の発光素子の各々は、
    光発生領域、及び光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料多層積層体を備え、
    複数の発光素子の各々に関して、
    前期第１層の表面は、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成され、
    第１層の表面は、パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、
    パターンは理想格子定数及びゼロよりも大きい値の微調整パラメータを有し、及び
    発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、請求項１記載の発光システム。
  10. 複数の発光素子はアレイとして構成される、請求項９記載の発光システム。
  11. 発光システムは複数の発光素子アレイを含む、請求項１０記載の発光システム。
  12. 前記発光素子は表面を有するハウジングを有し、
    前記発光素子はハウジングに収容され、及び
    前記発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、請求項１記載の発光システム。
  13. 光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光は、発光システムから放出される前に、少なくとも一つの光学部品を通過する、請求項１記載の発光システム。
  14. 発光システムは複数の発光素子を含み、これらの発光素子の内の少なくとも幾つかの発光素子は異なる最大放出波長を有する、請求項１記載の発光システム。
  15. 発光システムは複数の発光素子を含み、これらの発光素子の各々はほぼ同じ最大放出波長を有する、請求項１記載の発光システム。
  16. 発光素子を含む発光システムであって、発光素子は、
    光発生領域、及び光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体を備え、
    第１層の表面は、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成され、
    表面は、非周期性パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、及び
    発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、発光システム。
  17. 光発生領域、及び該光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体を備えた発光素子を含む発光システムであって、
    第１層の表面は、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成され、
    表面は、複素周期パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、及び
    発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、発光システム。
  18. 発光素子を含む発光システムであって、
    ｎ型材料層、ｐ型材料層、及び光発生領域を備えた、複数の材料の多層積層体と、
    前記光発生領域が生成する光の少なくとも５０％の光であって、反射材料層に衝突する光を反射する機能を有した反射材料層とを備え、
    前記ｎ型材料層の表面は、光発生領域が生成する光を、発光素子からｎ型材料層の表面を通して放出可能に形成され、
    前記ｎ型材料層の表面は、パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、
    ｐ型材料層と反射材料層との間の距離は、ｎ型材料層と反射材料層との間の距離よりも短く、
    発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子からｎ型材料層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、発光システム。
  19. 発光素子を含む発光システムであって、
    光発生領域、及び該光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体と、前期第１層の表面は、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成され、及び第１層の表面は、パターンに従って空間的に変化する誘
    電関数を有することと、
    光発生領域が生成する光の少なくとも５０％の光であって、反射材料層に衝突する光を反射する機能を有する反射材料層とを備え、
    光発生領域は反射材料層と第１層との間に位置し、
    パターンは第１層を超えて延びることがなく、
    発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、発光システム。
  20. 発光素子を含む発光システムであって、
    光発生領域、及び該光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体と、前記第１層の表面は、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成されていることと、
    第１層の表面に接触し、かつ約１．５未満の屈折率を有する材料とを備え、
    前記発光素子はパッケージングされ、及び、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、発光システム。
  21. 発光素子を含む発光システムであって、
    光発生領域、及び該光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体と、前記第１層の表面は、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成されていることと、前記第１層の表面はパターンに従って空間的に変化する誘電関数を有することと、
    前記第１層の表面に支持されているリン材料とを備え、
    前記発光素子の側壁はリン材料をほとんど含まず、及び、前記発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、発光システム。
  22. 発光素子を含む発光システムであって、発光素子は、多層積層体と、リン材料と、を備え、
    光発生領域、及び該光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体と、前記第１層の表面は、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成されていることと、第１層の表面は、パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有することと、
    光発生領域によって生成され、かつ第１層の表面を通して放出される光がリン材料と相互反応してリン材料から放出される光がほぼ白色光になるように構成されたリン材料とを備え、
    発光素子の面積に対する発光素子の高さの比は白色光が全方向に広がるように十分に小さく、及び発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、発光システム。
  23. 光発生領域、及び該光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体と、前期第１層の表面は、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成されていることと、
    発光素子から放出される光をほぼ透過する材料からなる第１シートと、
    リン材料からなり、第１シートに隣接する第２シートとを備える発光素子を含む発光システムであって、
    前記発光素子はパッケージングされ、及び、前記第１及び第２シートは発光素子のパッケージの一部を形成し、及び、前記発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出可能に形成されてい
    る、発光システム。
  24. 光発生領域、及び該光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体を備える発光素子を含む発光システムであって、
    前記第１層の表面は、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成され、
    第１層の表面は、パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、
    前記パターンは、光発生領域によって生成され、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出される光が、ランバート分布を示す光よりも平行度が高くなるように構成され、及び
    前記発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、発光システム。
  25. 発光素子を含む発光システムであって、発光素子は、
    光発生領域、及び該光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体と、該多層積層体は、発光素子を使用している間に、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成されていることとを備え、
    前記第１層の表面は、パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、光発生領域によって生成される光の合計量の少なくとも約４５％の光であって、発光素子から放出される光が発光素子の表面を通して放出され、及び
    前記発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、発光システム。
  26. 発光素子を含む発光システムであって、発光素子は、
    光発生領域、及び該光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体と、前記多層積層体は、発光素子を使用している間に、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成されることとを備え、
    前記発光素子は少なくとも約１ミリメートルの長さの端面を有し、前記発光素子は、発光素子の取り出し効率が発光素子の端面の長さにほぼ無関係となるように構成され、及び
    前記発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、発光システム。
  27. 発光素子を含む発光システムであって、発光素子は、
    光発生領域、及び該光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体と、前記多層積層体は、発光素子を使用している間に、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成されることとを備え、
    前記発光素子は少なくとも約１ミリメートルの長さの端面を有し、前記発光素子は、発光素子の量子効率が発光素子の端面の長さにほぼ無関係となるように構成され、及び
    前記発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、発光システム。
  28. 発光素子を含む発光システムであって、発光素子は、
    光発生領域、及び該光発生領域によって支持される第１層を備えた複数の材料の多層積層体と、前記多層積層体は、発光素子を使用している間に、光発生領域が生成する光を、発光素子から第１層の表面を通して放出可能に形成されていることとを備え、
    前記発光素子は少なくとも約１ミリメートルの長さの端面を有し、発光素子は、発光素
    子のウォールプラグ効率が発光素子の端面の長さにほぼ無関係となるように構成され、及び
    前記発光素子は、光発生領域が生成する光が発光素子から第１層の表面を通して放出されるときに、光を発光システムから放出することができるように構成される、発光システム。
  29. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記第１層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項１記載の発光システム。
  30. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記第１層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項１６記載の発光システム。
  31. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記第１層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項１７記載の発光システム。
  32. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記ｎ型材料層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項１８記載の発光システム。
  33. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記第１層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項１９記載の発光システム。
  34. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記第１層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項２０記載の発光システム。
  35. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記第１層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項２１記載の発光システム。
  36. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記第１層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項２２記載の発光システム。
  37. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記第１層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項２３記載の発光システム。
  38. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記第１層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項２４記載の発光システム。
  39. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記第１層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項２５記載の発光システム。
  40. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記第１層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項２６記載の発光システム。
  41. λが、光発生領域が生成することができ、かつ発光素子から第１層の表面を通して放出することができる光の波長である場合、前記第１層の表面は約λ／５未満のサイズの形状を有する、請求項２７記載の発光システム。
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