JP2009540618A - 再発光半導体構造体及び集束性光学素子を有するｌｅｄデバイス - Google Patents

再発光半導体構造体及び集束性光学素子を有するｌｅｄデバイス Download PDF

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Abstract

ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤ、およびｉｉ）発光面を有し、ｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸を有するか、又はｐｎ接合内に位置される第１ポテンシャル井戸及びｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸を交互に有する再発光半導体構造体、および集束性光学素子を更に備える、発光面を有するＬＥＤコンポーネントを含む光源が提供される。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００６年６月１２日に出願された米国仮出願番号６０／８０４５４４の利益を主張するものであり、前記開示の全体は本明細書の参照として組み入れる。
（発明の分野）
本発明は光源に関する。より具体的には、本発明は本明細書で記載されるように、発光ダイオード（ＬＥＤ）、再発光半導体構造体及び集束性光学素子を含む光源に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電流がアノードとカソードとの間に流されたときに発光する固体半導体デバイスである。通常のＬＥＤには、単一のｐｎ接合が含まれる。そのｐｎ接合には、ドープされていない中間領域が備わっていてもよく、このタイプのｐｎ接合は、ｐｉｎ接合とも呼ばれる。非発光性の半導体ダイオードのように、通常のＬＥＤは一方向に、即ち、電子がｎ−領域からｐ−領域に移動する方向に、より容易に電流が流れる電流がＬＥＤの中をその「順」方向に流れる場合、ｎ−領域からの電子はｐ−領域からのホールと再結合し、光子を発生する。通常のＬＥＤから放射される光は見かけ上は単色であり、即ち、光は単一の狭い帯域の波長で発生される。放射される光の波長は、電子・ホール対の再結合に関連するエネルギーに対応する。最も単純な場合では、そのエネルギーは近似的には、再結合が起こる半導体のバンドギャップエネルギーである。
通常のＬＥＤは、ｐｎ接合において、高濃度の電子とホールの両方を捕獲する、１つ以上の量子井戸を更に含んでもよく、それにより光を発生する再結合を増大する。一部の研究者は、白色光、又は人の眼の３色知覚で白色に見える光を発光するＬＥＤデバイスを生産することを試みている。
一部の研究者は、多重量子井戸を異なった波長で発光させようとして、ｐｎ接合内に多重量子井戸を有するＬＥＤを目標とした設計及び製造を報告している。以下の参照文献はそのような技術に関連すると言える：米国特許第５，８５１，９０５号；同第６，３０３，４０４号；同第６，５０４，１７１号；同第６，７３４，４６７同；ダミラノ（Damilano）ら、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸に基づくモノリシック白色発光ダイオード（Monolithic White Light Emitting Diodes Based on InGaN/GaN Multiple-Quantum Wells）、日本応用物理学会誌、４０巻（２００１年）、Ｌ９１８〜Ｌ９２０頁；ヤマダ（Yamada）ら、ＩｎＧａＮ多重量子井戸で構成される再発光半導体構造体の蛍光フリー高発光効率白色発光ダイオード（Re-emitting semiconductor construction Free High-Luminous-Efficiency White Light-Emitting Diodes Composed of InGaN Multi-Quantum Well）、日本応用物理学会誌、４１巻（２００２年）、Ｌ２４６〜Ｌ２４８頁；ダルマッソ（Dalmasso）ら、再発光半導体構造体の蛍光フリーのＧａＮ系白色発光ダイオードのエレクトロルミネッセンススペクトルにおける注入剤依存性（Injection Dependence of the Electroluminescence Spectra of Re-emitting semiconductor construction Free GaN-Based White Light Emitting Diodes）、固体物理学会誌（phs. stat. sol.）（ａ）１９２、Ｎｏ．１、１３９〜１４３頁（２００３年）。
一部の研究者は、１つのデバイス中、異なった波長で独立して発光させることを意図して、２つの通常のＬＥＤを組み合わせるＬＥＤデバイスを目標とした設計及び製造を報告している。以下の参照文献はそのような技術に関連すると言える：米国特許第５，８５１，９０５号；同第６，７３４，４６７号；米国公開特許第２００２／００４１１４８ Ａ１号；同第２００２／０１３４９８９ Ａ１号；及びルオ（Luo）ら、統合フルカラー及び白色光発光素子のためのパターン化３色のＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＣｄＭｇＳｅ量子井戸構造（Patterned three-color ZnCdSe/ZnCdMgSe quantum-well structures for integrated full-color and white light emitters）、応用物理速報（App. Phys. Letters）、７７巻、Ｎｏ．２６、４２５９〜４２６１頁（２０００年）。
一部の研究者は、ＬＥＤ素子によって発光された光の一部を吸収させ、より長波長の光を再発光させることを意図する、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）のような化学的再発光半導体構造体を、通常のＬＥＤと組み合わせるＬＥＤデバイスを目標とした設計及び製造を報告している。米国特許第５，９９８，９２５号及び同第６，７３４，４６７号がそのような技術に関連していると言える。
一部の研究者は、ＬＥＤ素子によって発光された光の一部を吸収し、より長波長の光を再発光させることを意図して、基板に蛍光中心を作り出すように、Ｉ、Ａｌ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｇａ又はＩｎでｎ−ドープされたＺｎＳｅ基板上に成長されるＬＥＤを目標とした設計及び製造を報告している。米国特許第６，３３７，５３６号及び日本特許公開２００４−０７２０４７がそのような技術に関連していると言える。
米国公開特許第２００５／００２３５４５号を参照として本明細書に組み入れる。
簡略すれば、本開示は発光面を有するＬＥＤコンポーネントを備える光源を提供し、該ＬＥＤコンポーネントは、ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤ、およびｉｉ）発光面を有し、ｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸を有し、又はｐｎ接合内で位置する第１ポテンシャル井戸とｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸を交互に有する再発光半導体構造体を有するＬＥＤコンポーネントである。一実施形態では、光源は、底面、２つの集束する側面、及び２つの発散する側面を有し、該底面は該発光面に光学結合している光学素子を更に備える。別の実施形態では、光源は、ＬＥＤコンポーネントと光学結合し、該ＬＥＤコンポーネントによって放射される光を方向付けて、２つの極大部分を有する側面発光パターンを生成するように形成された高屈折率光学素子を更に備える。別の実施形態では、光源は、底面、底面より小さい頂部、及び該底面と該頂部との間に延在する集束性側面を含む光学素子を更に備え、該底面は、該発光面と光学結合し、且つ該発光面よりも大きくないサイズであり、該光学素子はＬＥＤコンポーネントによって発光された光を方向付けて、側面発光パターンを生成する。別の実施形態では、光源は、底面、頂部、及び該底面と該頂部を接合する集束性側面を含む光学素子を更に備え、該底面は発光面と光学結合しており、該光学素子は該底面を含み、第１材料からなる第１セクション、および該頂部を含み、第２材料からなる第２セクションを有する。別の実施形態では、光源は、底面、頂部、及び該底面と該頂部を接合する集束性側面を含む第１光学素子を更に備え、該底面は該発光面と光学結合し、且つ該発光面よりも大きくないサイズであり、該第１光学素子は第１屈折率を有し、第２光学素子は該ＬＥＤコンポーネント及び該第１光学素子をカプセル封入し、該第２光学素子は第１屈折率よりも低い第２屈折率を有する。別の実施形態では、光源は、底面、発光面の上方に位置する頂部、及び該底面と該頂部を接合する集束性側面を含む第１光学素子を更に備え、該底面は該発光面と光学結合しており、該第１光学素子は第１屈折率を有し、第２光学素子は該ＬＥＤコンポーネントおよび該第１光学素子をカプセル封入し、該第２光学素子は第１屈折率よりも低い第２屈折率を有する。別の実施形態では、光源は、底面、頂部、及び該底面と該頂部を接合する集束性側面を含む第１光学素子を更に備え、該底面は該発光面と光学結合しており、第２光学素子は該ＬＥＤコンポーネントおよび該第１光学素子をカプセル封入し、第２光学素子は、第１光学素子単独で取り出される出力と比較して、ＬＥＤコンポーネントから取り出される出力を増加させる。別の実施形態では、光源は、底面、頂部、及び該底面と該頂部を接合する側面を含む光学素子を更に備え、該底面は該発光面と光学結合し、且つ機械的にデカップリングされている。
別の態様では、本発明は本発明によるＬＥＤデバイスを含むグラフィックディスプレイ装置を提供する。
別の態様では、本発明は本発明によるＬＥＤデバイスを含む照明装置を提供する。
本出願において、
半導体デバイスにおける層のスタックに関して、「直接隣接する」は、介入する層がない配列における隣を意味し、「近接する」は、１つ又は少数の介在する層を有した配列における隣を意味し、「周囲の」は配列の前後の両方を意味し、
「ポテンシャル井戸」は、周囲の層より低い伝導帯エネルギーを有するか、又は周囲の層よりも高い価電子帯エネルギーを有するか、又はそれらの両方を有する半導体デバイスにおける半導体の層を意味し、
「量子井戸」は、量子化効果が井戸中で電子・ホール対の遷移エネルギーを高めるのに十分に薄い、典型的には１００ｎｍ以下の厚さの、ポテンシャル井戸を意味し、
「遷移エネルギー」は、電子−ホールの再結合エネルギーを意味し、
「格子整合した」は、基板上のエピタキシャル膜等の２つの結晶性物質に関して、各々の単離した物質がある格子定数を有し、これらの格子定数が実質的に等しい、典型的には０．２％以下の相互差、より典型的には０．１％以下の相互差、さらに最も典型的には０．０１％以下の相互差、であることを意味し、
「擬似格子整合した」は、エピタキシャル膜及び基板等の、所定の厚さの第１結晶性層及び第２結晶性層に関して、各々の単離した層がある格子定数を有し、これらの格子定数が十分に類似しており、その結果、所定厚さの第１層は、ミスフィット欠陥が実質的にない層の平面の中で第２層の格子間隔を採ることができることを意味する。
ｎ−ドープ及びｐ−ドープされた半導体領域を含む本明細書に記載した本発明のいかなる実施形態に対しても、ｎドーピングがｐドーピングで交換された、及びこの逆である更なる実施形態は、本明細書で記載されたものとして見なされることが理解されるべきである。
本明細書で列挙される、「ポテンシャル井戸」、「第１ポテンシャル井戸」、「第２ポテンシャル井戸」、及び「第３ポテンシャル井戸」の各々は、単一のポテンシャル井戸が備わっているか、又は典型的に、類似した特性を共有する多重ポテンシャル井戸が備わっている、としてよいことが理解されるべきである。同様に、本明細書で列挙される、「量子井戸」、「第１量子井戸」、「第２量子井戸」、及び「第３量子井戸」の各々は、単一の量子井戸が備わっているか、又は典型的に、類似した特性を共有する多重量子井戸が備わっている、としてよいことが理解されるべきである。
本発明はＬＥＤ、再発光半導体構造体及び抽出器を有するデバイスを提供する。典型的には、ＬＥＤは第１波長の光を放射可能であり、再発光半導体構造体は該第１波長における光を吸収し、第２波長の光を再発光することができる。再発光半導体構造体は、ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する。再発光半導体構造体のポテンシャル井戸は、典型的に量子井戸であるが、かならずしもそうではない。
典型的な操作では、ＬＥＤは電流に応じて光子を放射し、再発光半導体構造体はＬＥＤから放射された光子の一部の吸収に応じて光子を放射する。一実施形態では、再発光半導体構造体は、ポテンシャル井戸に近接した又は直接隣接した吸収層を更に有する。吸収層は典型的には、ＬＥＤによって放射された光子のエネルギーより小さいか又は等しい、且つ再発光半導体構造体のポテンシャル井戸の遷移エネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。典型的な操作では、吸収層はＬＥＤから放射された光子の吸収を促進する。一実施形態では、再発光半導体構造体は、第１ポテンシャル井戸の遷移エネルギーに等しくない第２遷移エネルギーを有するｐｎ接合内に位置しない、少なくとも１つの第２ポテンシャル井戸を更に有する。一実施形態では、ＬＥＤはＵＶ−ＬＥＤである。そのような一実施形態では、再発光半導体構造体は、青色波長光に相当する第１遷移エネルギーを有し、ｐｎ接合内に位置しない少なくとも１つの第１ポテンシャル井戸、緑色波長光に相当する第２遷移エネルギーを有し、ｐｎ接合内に位置しない少なくとも１つの第２ポテンシャル井戸、及び赤波長光に相当する第３遷移エネルギーを有し、ｐｎ接合内に位置しない少なくとも１つの第３ポテンシャル井戸を有する。一実施形態では、ＬＥＤは可視光ＬＥＤであり、典型的には、緑色、青色又は紫色ＬＥＤであり、より典型的には緑色又は青色ＬＥＤであり、さらに最も典型的には青色ＬＥＤである。そのような一実施形態では、再−発光半導体構造体は、黄色波長光又は緑色波長光、より一般的には緑色波長光に相当する第１遷移エネルギーを有し、ｐｎ接合内に位置しない少なくとも１つの第１ポテンシャル井戸を有し、及びオレンジ色波長光又は赤色波長光、より一般的には赤色波長光に相当する第２遷移エネルギーを有し、ｐｎ接合内に位置しない少なくとも１つの第２ポテンシャル井戸を有する。再発光半導体構造体は、更なるポテンシャル井戸及び更なる吸収層を有してよい。
いかなる適したＬＥＤも本発明の実施に使用してよい。ＬＥＤ及び再発光半導体構造体を含む、本発明によるデバイスの素子は、Ｓｉ又はＧｅ等のＩＶ族元素（発光層以外において）、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ等のＩＩＩ〜Ｖ族化合物及びそれらの合金、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＢｅＳｅ、ＭｇＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＢｅＴｅ、ＭｇＴｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＢｅＳ、ＭｇＳＩＩ〜ＶＩ族化合物及びそれらの合金、又は上記のいずれかの合金を包含する任意の適した半導体から構成されてよい。適切な場合には、半導体は任意の適した方法により、又は任意の適したドーパントの含有により、ｎ−ドープ又はｐ−ドープされてよい。１つの典型的な実施形態では、ＬＥＤはＩＩＩ〜Ｖ族半導体デバイスであり、再−発光半導体構造体はＩＩ〜ＶＩ族半導体デバイスである。
本発明の一実施形態では、ＬＥＤ又は再発光半導体構造体等のデバイスのコンポーネントの各種層の組成は以下の留意点に照らして選択される。各層は、典型的にはその層に与えられる厚さにおいて基板と擬似格子整合であるか又は基板と格子整合であろう。或いは、各層は直接隣接層と擬似格子整合であってもよいし、格子整合であってもよい。ポテンシャル井戸層の材料及び厚さは、典型的には量子井戸から放射される光の波長に相当するであろう所望の遷移エネルギーを提供するように選択される。例えば、図２で４６０ｎｍ、５４０ｎｍ及び６３０ｎｍで標識された点は、ＩｎＰ基板（５．８６８７Å又は０．５８６８７ｎｍ）に対する格子定数に近接した格子定数、並びに４６０ｎｍ（青色）、５４０ｎｍ（緑色）及び６３０ｎｍ（赤色）の波長に相当するバンドギャップエネルギーを有するＣｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ合金を表す。ポテンシャル井戸層は、量子化が井戸において遷移エネルギーをバルクのバンドギャップエネルギーを超えて高めるのに十分な薄さである場合、そのポテンシャルは量子井戸と見なしてよい。各量子井戸の厚さは、量子井戸における量子化エネルギーの量を決定し、量子化エネルギーはバルクのバンドギャップエネルギーに加えられ、量子井戸における遷移エネルギーを決定するであろう。従って、各量子井戸に関連した波長は、量子井戸層の厚さの調節によって調整できる。典型的には量子井戸層に対する厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍであり、より典型的には２ｎｍ〜３５ｎｍである。典型的には量子化エネルギーは、バンドギャップエネルギー単独に基づいて予測した波長より２０〜５０ｎｍ減少した波長に変換される。発光層におけるひずみはまた、擬似格子整合層の間の格子定数の不完全なマッチングに起因するひずみを含むので、ポテンシャル井戸及び量子井戸に対する遷移エネルギーを変化させる可能性がある。
ひずみのある若しくはひずみのないポテンシャル井戸又は量子井戸の遷移エネルギーを計算する技法は当技術分野では公知であり、例えば、ハーバート クレーマー（Herbert Kroemer）の、工学、材料科学及び応用物理のための量子力学（プレンタイスホール（Prentice Hall）社、ニュージャージー州イングルウッド・クリフ（Englewood Cliffs）、１９９４年）５４〜６３頁；及びジョルイ（Zory）編集、量子井戸層（アカデミックプレス（Academic Press）、カリフォルニア州サンディェゴ（San Diego）、１９９３年）７２〜７９頁に記載され、両方を参照として本明細書に組み入れる。
赤外、可視、及び紫外の帯域における波長を含めて、いかなる適した発光波長を選択してよい。本発明の一実施例では、発光波長は、デバイスによって放射される光の組み合わせ出力が、白色又は近白色、パステル色、マゼンタ、シアン等を含めた、２つ、３つ又はそれ以上の単色光源の組み合わせによって作ることのできる任意の色の外観を形成するように選択される。別の実施形態では、本発明によるデバイスは、不可視の赤外又は紫外の波長で、デバイスが操作中であることを示唆するような可視波長で発光する。典型的には、ＬＥＤは最短波長の光子を放射し、その結果ＬＥＤから放射された光子は再発光半導体構造体におけるポテンシャル井戸を駆動するのに十分なエネルギーを有する。１つの典型的実施形態では、ＬＥＤは青色発光のＧａＮ系ＬＥＤ等のＩＩＩ〜Ｖ族半導体デバイスであり、再発光半導体構造体はＩＩ〜ＶＩ族半導体デバイスである。
図１は、本発明の一実施形態による再発光半導体構造体における伝導帯及び価電子帯を表す帯域ダイアグラムである。層の厚さは尺度で表示してない。表１は、本実施形態における１〜９の層の組成及びその組成物に対するバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を示す。この構造はＩｎＰ基板上に成長できる。
Figure 2009540618
層３は、約１０ｎｍの厚さを有する赤色発光の量子井戸である単一のポテンシャル井戸を示す。層７は、約１０ｎｍの厚さを有する緑色発光の量子井戸である単一のポテンシャル井戸を示す。層２、４、６及び８は、各々が約１０００ｎｍの厚さを有する吸収層を示す。層１、５及び９は、支持層を示す。支持層は、典型的には量子井戸３及び７並びに短波長ＬＥＤ２０から放射される光に対して実質的に透明であるように選択される。或いは、デバイスは、多重の赤色発光又は緑色発光のポテンシャル井戸、若しくは吸収層及び／又は支持層によって分離された量子井戸を有してよい。
理論に束縛されるものではないが、図１で示される本発明の実施形態は、以下の理論に従って機能する。ＬＥＤによって放射され、再発光半導体構造体に作用する青色波長の光子は、吸収され、さらに緑色発光量子井戸７から緑色波長光子として再発光されるか、又は赤色発光量子井戸３から赤色波長光子として再発光されることができる。短波長の光子の吸収は電子・ホール対を形成し、電子・ホール対は次いで量子井戸内で再結合し、光子を放射する。デバイスから放射される青色−、緑色−及び赤色−波長光の多色混合は、白色又は近白色を出現させる。デバイスから放射される青色−、緑色−及び赤色−波長光の強度は、各種の量子井戸数の調節、フィルター（複数）又は反射層（複数）の使用、並びに吸収層（複数）の厚さ及び組成の調節を含む、任意の適した方式で調節されてよい。図３は本発明による一実施形態のデバイスから放射される光のスペクトルを示す。
再度、図１に示される実施形態を参照すると、吸収層２、４、５及び８は、ＬＥＤから放射される光子のエネルギーと量子井戸３及び７の遷移エネルギーとの中間である吸収層に対するバンドギャップエネルギーを選択することによってＬＥＤから放射される光子を吸収するように適合されてよい。吸収層２、４、６、及び８において光子吸収によって形成された電子・ホール対は、典型的には光子の放射を伴った再結合の前に量子井戸３及び７によって捕獲される。吸収層は任意に、電子及び／又はホールをポテンシャル井戸に集めるか、方向付けるために、それらの厚さの全体又は一部組成に勾配を有することができる。本発明の一部の実施形態では、ＬＥＤ及び再発光半導体構造体は単一の半導体ユニットに形成される。この半導体ユニットは典型的に、ｐｎ接合内に位置した第１ポテンシャル井戸及びｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸を含む。該ポテンシャル井戸は典型的には量子井戸である。ユニットは２つの波長の光を放射可能であり、１つは第１ポテンシャル井戸の遷移エネルギーに相当し、２つ目は第２ポテンシャル井戸の遷移エネルギーに相当する。典型的な操作では、第１ポテンシャル井戸は、ｐｎ接合を通過する電流に応じて光子を放射し、第２ポテンシャル井戸は第１ポテンシャル井戸から放射される光子の一部の吸収に応じて光子を放射する。半導体ユニットは、第２ポテンシャル井戸の周囲にある、又は近接する、若しくは直接隣接する１つ以上の吸収層を更に有してよい。吸収層は典型的には、第１ポテンシャル井戸の遷移エネルギー未満であるか又は等しく、且つ第２ポテンシャル井戸の遷移エネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する。典型的な操作では、吸収層は第１ポテンシャル井戸から放射された光子の吸収を促進する。半導体ユニットは、ｐｎ接合内に位置した又はｐｎ接合内に位置しない更なるポテンシャル井戸、及び更なる吸収層を有してもよい。
図４は、本発明の一実施形態によるそのような半導体ユニットにおける伝導帯及び価電子帯の半導体を示す帯域ダイアグラムである。層の厚さは尺度で表示してない。表ＩＩに、この実施形態における１〜１４の層の組成物及びその組成物に対するバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を示す。
Figure 2009540618
層１０、１１、１２、１３及び１４は、ｐｎ接合を示し、又は、より具体的にはｐｉｎ接合を示す。それは、中間の未ドープ層（「本来固有の」ドーピング層）１１、１２及び１３がｎ−ドープされた層１０とｐ−ドープされた層１４との間に挿入されるからである。層１２は、厚さ約１０ｎｍを有する量子井戸であるｐｎ接合内の単一ポテンシャル井戸を示す。別に、デバイスは、ｐｎ接合内に多重ポテンシャル井戸又は多重量子井戸を有してもよい。層４及び８は、ｐｎ接合内にない第２及び第３ポテンシャル井戸を示し、各々は約１０ｎｍの厚さを有する量子井戸である。別に、デバイスは、ｐｎ接合内にない更なるポテンシャル井戸又は量子井戸を有してよい。更なる代替手段では、デバイスは、ｐｎ接合内にない単一のポテンシャル井戸又は量子井戸を有してよい。層３、５、７及び９は吸収層を示し、各々は約１０００ｎｍの厚さを有する。電気接点（表示されていない）により、ｐｎ接合に電流を供給するための経路が提供される。電気接点は電流を流し、典型的には導電性金属で構成される。正の電気接点は、中間構造体を介して直接的又は間接的に層１４に電気的接続される。負の電気接点は、中間構造体を介して直接的又は間接的に１つ以上の層１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０に電気的に接続される。
理論に束縛されるものではないが、この本発明の実施形態は以下の原理に従って機能する。電流が層１４から層１０に流れると、青色波長光子がｐｎ接合内の量子井戸（１２）から放射される。層１４の方向に移動する光子はデバイスを離れることができる。反対方向に移動する光子は、吸収され、第２量子井戸（８）から緑色波長光子として、又は第３量子井戸（４）から赤色波長光子として再発光されることができる。青色波長光子の吸収は電子・ホール対を形成し、次いでその対は第２又は第３量子井戸内で再結合し、光子を放射する。層１４の方向に移動する緑色波長光子又は赤色波長光子は、デバイスを離れることができる。デバイスから放射される青色−、緑色−及び赤色−波長光の多色混合は、白色又は近白色の色を出現させる。デバイスから放射される青色−、緑色−及び赤色−波長光は、各種のポテンシャル井戸数の調節及びフィルター（複数）又は反射層（複数）の使用を含む、任意の適した方式で調節されてよい。図３は本発明による一実施形態のデバイスから放射される光のスペクトルを示す。
再度、図４に示される実施形態を参照すると、層３、５、７及び９は第１量子井戸（１２）から放射された光子を吸収するのに特に適している。それは、それらが第１量子井戸（１２）の遷移エネルギーと第２及び第３量子井戸（８及び４）の量子エネルギーとの間の中間にあるバンドギャップエネルギーを有するからである。吸収層３、５、７及び９において光子吸収によって形成された電子・ホール対は、典型的には光子の放射を伴った再結合の前に第２又は第３量子井戸８及び４によって捕獲される。吸収層は任意に、この実施形態ではｎ−ドーピングである周囲の層のようにドープされてよい。吸収層は任意に、電子及び／又はホールをポテンシャル井戸に集めるか、方向付けるために、それらの厚さの全体又は一部組成に勾配を有することができる。
ＬＥＤが可視波長ＬＥＤである場合、再発光半導体構造体の層はＬＥＤから放射される光に対して部分的に透明であってよい。或いは、ＬＥＤがＵＶ波長ＬＥＤである場合のように、１つ以上の再発光半導体構造体の層は、ＬＥＤから放射された光の大部分、実質的に全て、又は完全に全ての部分を遮断し、その結果デバイスから放射される光の大分部、実質的に全て、又は完全に全ての部分は、再発光半導体構造体から発光された光である。ＬＥＤがＵＶ波長ＬＥＤである場合、再発光半導体構造体１０は赤色−、緑色−及び青色−発光量子井戸を含むことができる。
本発明によるデバイスは導電性、半導電性又は非導電性材料を更に有してよい。電気的接点を加えて、ＬＥＤに電流を供給する経路を提供できる。光フィルター層を加えて、採用したＬＥＤによって発光された光における光波長の変更又は調節の修正ができる。
一実施形態では、本発明によるデバイスは青色、緑色、黄色及び赤色の帯域における４つの主要波長の発光によって白色光又は近白色光を発生する。一実施形態では、本発明によるデバイスは青色及び黄色の帯域における２つの主要波長の発光によって白色光又は近白色光を発生する。
本発明によるデバイスは、抵抗体、ダイオード、ツェナーダイオード、コンデンサ、トランジスタ、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、フォトトランジスタ、光検出器、ＳＣＲ、サイリスタ、トライアック、電圧調整器、並びにその他の回路素子等の能動及び受動コンポーネントを含む更なる半導体素子を有してよい。本発明によるデバイスは集積回路を有してよい。本発明によるデバイスはディスプレイパネル又は照明パネルを含んでよい。
本発明によるデバイスを構成するＬＥＤ及び再発光半導体構造体は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、化学的気相堆積、液相エピタキシー及び気相エピタキシーを含む、任意の適した方法で製造されてよい。本発明のデバイスの素子には基板が含まれてよい。任意の適した基板が本発明の実施に使用できる。典型的な基板には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、サファイア、ＳｉＣ及びＺｎＳｅが挙げられる。基板はｎ−ドープされても、ｐ−ドープされてもよいし、又は半絶縁であもってもよく、これは任意の適した方法により又は任意の適したドーパントの含有により達成されてもよい。或いは、本発明によるデバイスの素子は基板無しであってもよい。一実施形態では、本発明によるデバイスの素子は基板の上に形成され、次いで基板から分離されてもよい。本発明によるデバイスの素子は、接着剤又は溶接材料、圧力、熱又はそれらの組み合わせの使用を含む、任意の適した方法によって共に接合されてもよい。典型的には、作り出された結合は透明である。結合方法は界面結合又はエッジ結合を含んでよい。任意に、屈折率マッチ層又は間隙空間が含まれてよい。
ＬＥＤは一般的に、金属ヘッダに搭載されるＬＥＤダイ又はチップを含むパッケージ形態で販売される。ＬＥＤダイは、最も基本的な形態、即ち、半導体ウェハの加工手順で製造された個別のコンポーネント又はチップの形態である。コンポーネント又はチップは、デバイスを作動させるための電力の印加に適した電気接点を含むことができる。コンポーネント又はチップの個々の層及びその他の機能的要素は、通常、ウェハスケールで形成され、仕上がったウェハは最終的に個々の小片部に切られて、多数のＬＥＤ成形型となる。金属ヘッダは内部にＬＥＤダイが搭載される反射性カップ、及びＬＥＤダイに接続される電気リード線を有する。パッケージはＬＥＤダイをカプセル封入する成形透明樹脂を更に含む。カプセル封入樹脂は典型的には、名目上は半球形の前側表面を有し、ＬＥＤダイから発光された光を部分的に視準する。ＬＥＤコンポーネントは、ＬＥＤダイ若しくは再発光半導体構造体又はその他の素子と組み合わせたＬＥＤダイであることができ、又はそれらを含むことができる。
本開示の実施に有用な集束性光学素子は、ＬＥＤコンポーネントからの光の効率的な抽出及び発光された光の角度分布の変更を行うのに有用である。そのようなパッケージのＬＥＤコンポーネントは、上記のように、又は参照として本明細書に組み入れられる、現在係属中の米国特許出願ＵＳＳ Ｎ１１／００９２１７又はＵＳＳＮ １１／００９２４１に記載のように、分離した素子又は半導体ユニットであるＬＥＤ／再発光半導体構造体の組み合わせであってよい。
本出願は、ＬＥＤコンポーネントからの光を効率的に抽出するための、及び発光された光の角度分布を変更するための光学素子を備える光源を開示する。各光学素子は、ＬＥＤコンポーネント（又はＬＥＤコンポーネント配列）の発光面に光学結合され、光を効率的に抽出し、発光された光の放射パターンを変更する。光学素子を含むＬＥＤ源は、例えば、液晶ディスプレイにおけるバックライト類又は背面照明標識類を含む、様々な用途に有用であることができる。
本明細書に記載される集束性の光学素子を含む光源は、バックライト、端面照明構造及び直接照明構造の両方における用途に適している。くさび形状の光学素子は端面照明バックライトに特に適しており、その場合光源はバックライトの外側部分にそって位置される。ピラミッド又は円錐形状の集束性光学素子は、直接照明バックライトの用途に特に適している。このような光源は、単一な光源素子として使用でき、又は特別なバックライト設計に応じて配列して搭載できる。
直接照明バックライトには、光源は一般的に、拡散反射板又は鏡面反射板と、プリズムフィルム、ディフューザー、及び反射型偏光子を含むことができる上部のフィルムスタックとの間に置かれる。これらは、光源から放射された光を、最も有用な範囲の視野角を有し、均一な輝度を有して観察者の方向に向けるために使用できる。代表的なプリズムフィルムには、ミネソタ州セントポール（St. Paul）、３Ｍ社から入手可能なＢＥＦ（商標）等の輝度向上フィルムが挙げられる。代表的な反射型偏光子には、ミネソタ州セントポール（St. Paul）、３Ｍ社から同様に入手可能なＤＢＥＦ（商標）が挙げられる。端面照明バックライトのため、光が中空又は中実の導光体の中に放射されるように光源を置くことができる。導光体は、上記のようにその下部に反射板を、および上部にフィルムスタックを有する。
図５は一実施形態による光源を例示する概略的側面図である。光源は光学素子２０及びＬＥＤコンポーネント１０を備える。光学素子２０は、底面１２０を有する三角形の断面及び頂部１３０を形成するために底面１２０の反対側で接合する２つの集束側面１４０を有する。頂部は図５で１３０に示されるように点であることができ、又は例えば、切頭化三角形のように鈍化できる（点線１３５で示される）。鈍化頂部は平坦な、円形、又はそれらの組み合わせであることができる。頂部は底面よりも小さく、好ましくは底面の上方に位置する。一部の実施形態では、頂部は底面のサイズの２０％以下である。好ましくは、頂部は底面のサイズの１０％以下である。図５では、頂部１３０は底面１２０の上方で中心揃えされる。しかし、頂部が、底面の中心から中心揃えされない、又は外れて偏っている実施形態も同様に考えられる。
光学素子２０はＬＥＤコンポーネント１０と光学結合され、ＬＥＤコンポーネント１０によって発光された光を抽出する。ＬＥＤコンポーネント１０の主要な発光面１００は、光学素子２０の底面１２０に対して実質的に平行であり、且つ極めて接近している。ＬＥＤコンポーネント１０及び光学素子２０は、固着又は固着でない構成を含む様々な方法で光学結合されてよく、それについては以下により詳しく説明される。
光学素子２０の集束性側面１４０ａ〜ｂは、図５で矢印１６０ａ〜ｂで示されるように、ＬＥＤコンポーネント１０によって発光された光の放射パターンを変更する働きをする。典型的な裸のＬＥＤコンポーネントは第１放射パターンで光を発光する。典型的には、第１放射パターンは一般的に前方放射であるか又は実質的に前方放射の構成成分を有する。図５に図示される光学素子２０のような集束性光学素子は、第１放射パターンを第２の異なった放射パターンに変更する。例えば、くさび形状の光学素子によりＬＥＤコンポーネントによって発光された光が、２つの極大部分を有する側面発光パターンを生成するように方向付けられる。図５はＬＥＤコンポーネントによって発光され、光学素子２０の底面に入射する代表的光線１６０ａ〜ｂを示す。集束性側面１４０ａと比較的低い入射角を形成する方向に放射された光線は、高屈折率材料の光学素子２０から周囲の媒体（例えば空気）中に抜け出るように屈折されるであろう。代表的光線１６０ａは、法線に対する小さい入射角である、１つのそのような光線を示す。臨界角に等しいか又はそれより大きい角度の高い入射角で放射された別の光線は衝突する第１集束性側面（１４０ａ）で内部に全反射されるであろう。しかし、図５に例示されるもののような集束性光学素子では、反射された光線は続いて第２集束性側面（１４０ｂ）に低い入射角で衝突し、そこでは光線は屈折され光学素子を抜け出すことが可能になるであろう。代表的光線１６０ｂはそのような光路を例示する。
少なくとも１つの集束性側面を有する光学素子は第１光放射パターンを第２の異なった光放射パターンに変更できる。例えば、概ね前方放射光パターンは、そのような集束性光学素子を使って、第２の概ね側面放射パターンに変更できる。換言すれば、高屈折率光学素子は、側面発光パターンを生成するためにＬＥＤコンポーネントによって発光された光を方向付けるように形成することができる。光学素子が回転対称（例えば円錐のような形状で）である場合、結果として得られる光放射パターンはトロイダル分布であろう放射された光の強度は光学素子を取り囲んだ円形パターンで集約されるであろう。例えば、光学素子がくさび形状であれば（例えば図７参照）、側面発光パターンは２つの極大部分を有するであろう−光強度が２つのゾーンに集約されるであろう。対称的なくさび形状の場合、２つの極大部分は光学素子の対向する側（２つの対向するゾーン）にあるであろう。複数の集束性側面を有する光学素子の場合、側面発光パターンは対応する複数の極大部分を有するであろう。例えば、四角錘の形状の光学素子では、結果として得られる側面発光パターンは４つの極大部分を有するであろう。側面発光パターンは対称的又は非対称的であることができる。非対称的パターンは、光学素子の頂部が底面又は発光面に関して非対称に位置される場合に生成される。当業者は、各種の異なった放射パターンを希望通りに生成するために、そのような配置及び形状を様々な配置にすることを認識するであろう。
一部の実施形態では、側面発光パターンは、強度線プロットで測定して、少なくとも３０°の極角において最高値を有する強度分布を有する。別の実施形態では、側面発光パターンは少なくとも３０°の極角に中心がある強度分布を有する。例えば、４５°及び６０°の極角において最高値を有する及び／又は中心があるものを含むその他の強度分布もまた、本開示の光学素子で可能である。
集束性光学素子は様々な形態を有し得る。各光学素子は底面、頂部、及び少なくとも１つの集束性側面を有する。底面はいかなる形状を有することができる（例えば正方形、円形、対称性又は非対称性、規則性又は不規則性）。頂部は点、線、又は面（鈍化頂部の場合）であることができる。特別な集束性形状に関係なく、頂部は表面積において底面よりも小さく、その結果、側面（複数）は底面から頂部に向かって集束する。集束性光学素子はピラミッド、円錐、くさび、又はそれらの組み合わせに形作られることができる。これらの形状の各々もまた、頂部付近で切頭され、鈍化された頂部を形成できる。集束性光学素子は、多角形底面及び少なくとも２つの集束性側面を有した多面体形状を有することができる。例えば、ピラミッド又はくさび形状の光学素子は、長方形又は正方形の底面、及び少なくとも２つの側面が集束する側面である４つの側面を有することができる。残りの側面は平行側面、又は二者択一的に発散性又は集束性であることができる。底面の形状は対称性である必要はなく、例えば、台形、平行四辺形、四辺形、又はその他の多角形に形作られることができる。別の実施形態では、集束性光学素子は円形底面、楕円形底面、又は不規則形状であるが連続した底面を有することができる。これらの実施形態では、光学素子は単一の集束性側面を有すると言える。例えば、円形底面を有する光学素子は円錐に形作られることができる。一般的に、集束性光学素子は底面、（少なくとも部分的に）その底面の上方に位置する頂部、及びその頂部とその底面を接合し中実体を完成させる、１つ以上の集束性側面を有する。
図６ａは、底面２２０、頂部２３０、及び４つの側面２４０を有する四角錘の形状をした一実施形態の集束性光学素子２００を示す。この特定の実施形態では、底面２２０は長方形又は正方形であり、頂部２３０は底面の上方で中心揃えされることができる（底面の平面に垂直な線２１０に属する頂部の突起が底面２２０の上方で中心揃えされる）。図６ａはまた、光学素子２００の底面２２０に近接し、平行にある発光面１００を有するＬＥＤコンポーネント１０を示す。ＬＥＤコンポーネント１０及び光学素子２００は、発光面−底面の界面において光学結合される。光学結合は、以下により詳細に説明される様々な方法で達成できる。例えば、ＬＥＤコンポーネントと光学素子とを一緒に固着できる。図６ａでは、底面とＬＥＤコンポーネントの発光面とは、実質的にマッチしたサイズで示される。他の実施形態では、底面はＬＥＤコンポーネントの発光面よりも大きくも、小さくもできる。
図６ｂは集束性光学素子２０２の別の実施形態を示す。この場合、光学素子２０２は六角形の底面２２２、鈍化頂部２３２、及び６つの側面２４２を有する。その側面は底面と頂部との間に延在し、各側面は頂部２３２に向かって集束する。頂部２３２は鈍化され、同様に六角形の形状であるが、六角形の底面よりも小さい、表面を形成する。
図６ｃは、２つの集束性側面２４４、底面２２４、及び頂部２３４を有する光学素子２０４の別の実施形態を示す。図６ｃでは、光学素子はくさび形状に形作られ、頂部２３４は線を形成する。残りの２つの側面は平行側面として表示される。頂点から見ると、その光学素子２０４は図８ｄに描かれる。
くさび形状の光学素子の代わりの実施形態としてはまた、図７に示される光学素子２２のような、集束性側面と発散性側面との組み合わせを有する形状も挙げられる。図７に示される実施形態では、くさび形状の光学素子２２は斧頭に似ている。２つの発散性側面１４２はＬＥＤコンポーネントから発光された光を視準するように機能する。２つの集束性側面１４４は、側方から見た場合（図５参照）では底面の上方に位置する線形状の頂部１３２を形成する頂部で集束するが、図７（又は図８ｅ）に示されるように見た場合では底面を越えて延在する部分を有して集束する。集束性側面１４４はＬＥＤコンポーネントによって発光された光が図５に示されるように側面に方向転換されることを可能にする。他の実施形態では、例えば、図８ｆに示されるように全側面が集束するくさび形状が含まれる。
光学素子は円形状底面又は楕円形状底面、底面の上方（少なくとも部分的に）にある頂部、及び底面と頂部を接合する単一の集束性側面を有する円錐としても形作ることができる。上記のピラミッド形状及びくさび形状におけるように、頂部は点、線（直線又は曲線）であることができ、又は表面を形成する鈍化が可能である。
図８ａ〜８ｉは、光学素子の幾つかの代替的実施形態の平面図を示す。図８ａ〜８ｆは、頂部が底面の上方で中心揃えされる実施形態を示す。図８ｇ〜８ｉは、頂部が偏っている又は傾斜しているかであって、且つ底面の上方で中心揃えされない非対称性光学素子の実施形態を示す。
図８ａは正方形底面、４つの側面、及び鈍化頂部２３０ａを有するピラミッド形状の光学素子を示す。図８ｈは正方形底面、４つの側面、及びオフセンターである鈍化頂部２３０ｈを有するピラミッド形状の光学素子を示す。図８ｂは正方形底面、及び円に形作られた鈍化頂部２３０ｂを有する光学素子の実施形態を示す。この場合、集束性側面は正方形底面が円形頂部を有して接合するようにカーブしている。図８ｃは正方形底面と、底面の上方で中心揃えされる頂部２３０ｃを形成するように点に集束する４つの三角形側面を有するピラミッド形状の光学素子を示す。図８ｉは正方形底面と、底面の上方で偏っている（中心に揃っていない）頂部２３０ｉを形成するように点に集束する４つの三角形側面を有するピラミッド形状の光学素子を示す。
図８ｄ〜８ｇは、くさび形状の光学素子を示す。図８ｄでは、頂部２３０ｄは底面の上方に位置する線を形成し、且つ中心に揃っている。図８ｅでは、頂部２３０ｅは底面の上方で中心揃えされ、且つ部分的に底面を超えて存在する。頂部２３０ｅはまた、底面を越えて延在する部分を有する。図８ｅに図示される平面図は、図７及び上記において斜視図で示される光学素子の平面図であることができる。図８ｆ及び８ｇは、線を形成する頂部と４つの集束性側面とを有するくさび形状の光学素子の２つの代替的実施形態を示す。図８ｆでは、頂部２３０ｆは底面の上方で中心揃えされ、図８ｇでは、頂部２３０ｇは偏っている。
図９ａ〜９ｃは、代替的実施形態による光学素子の側面図を示す。図９ａは、底面５０、及び底面５０から出発し底面５０の上方に位置する頂部３０に向かって集束する側面４０と側面４１とを有する、光学素子の一実施形態を示す。任意に、側面は鈍化された頂部３１に向かって集束することがある。図９ｂは底面５２、集束性側面４４及び底面に垂直である側面４２を有する光学素子の別の実施形態を示す。２つの側面４２及び４４は底面の縁部の上方に位置する頂部３２を形成する。任意に、頂部は鈍化された頂部３３であることができる。図９ｃは概ね三角形の断面積を有する代替的光学素子の側面図を示す。ここでは、底面１２５並びに側面１４５及び１４７は概ね三角形を形成するが、側面１４５及び１４７は平坦な表面ではない。図９ｃでは、光学素子は曲線である左側の側面１４５及び切子面のある右側の側面を有する（即ち、３つのより小さい平坦部分１４７ａ〜ｃの組み合わせである）。側面は、曲線形状、セグメント形状、切子面状、凸形状、凹形状、又はそれらの組み合わせであることができる。このような形状の側面は、それでも上記の平面状又は平坦状側面と同様に抽出された光の放射角度を変更する機能を有するが、最終的な光放射パターンに個別化の度合いの追加を提供する。
図１０ａ〜１０ｅは、各底面６２２ａ〜ｅと頂部６３０ａ〜ｅとの間にそれぞれ延在する非平面形状の側面６４０ａ〜ｅを有する、光学素子６２０ａ〜ｅの代替的実施形態を図示する。図１０ａでは、光学素子６２０ａは２つの切子面部分６４１ａ及び６４２ａを含む側面６４０ａを有する。底面６２２ａに近い６４２ａ部分は底面６２２ａに垂直であり、一方６４１ａは頂部６３０ａに向かって集束する。同様に、図１０ｂ〜ｃでは、光学素子６２０ｂ〜ｃは、２つの部分６４１ｂ〜ｃと６４２ｂ〜ｃとをそれぞれ接合して形成される側面６４０ｂ〜ｃを有する。図１０ｂでは、集束性部分６４１ｂは凹形状である。図１０ｃでは、集束性部分６４１ｃは凸形状である。図１０ｄは６４１ｄと６４２ｄとを接合して形成される２つの側面６４０ｄを有する光学素子６２０ｄを示す。ここでは、底面６２２ｄに近い部分６４２ｄは鈍化頂部６３０ｄに向かって集束し、最上部６４１ｄは鈍化頂部６３０ｄの表面に対して垂直である。図１０ｅは、曲線形状の側面６４０ｅを有する光学素子６２０ｅの代替的実施形態を示す。ここでは、側面６４０ｅはｓ形状であるが、概ね鈍化頂部６３０ｅに向かって集束する。１０ａ〜ｅのように側面が２つ以上の部分で形成される場合、好ましくはその部分はたとえ非集束性の部分を有していても、全般的にはなお集束性であるように位置される。
好ましくは、底面のサイズは発光面におけるＬＥＤコンポーネントのサイズとマッチされる。図１１ａ〜１１ｄはそのような配置の代表的実施形態を示す。図１１ａでは、円形の底面５０ａを有する光学素子は、正方形の発光面７０ａを有するＬＥＤコンポーネントに光学結合される。ここでは、底面及び発光面は、正方形の発光面７０ａの対角線寸法（同様に「ｄ」）に等しい円形の底面５０ａの直径「ｄ」を有することによってマッチされる。図１１ｂでは、六角形の底面５０ｂを有する光学素子は、正方形の発光面７０ｂを有するＬＥＤコンポーネントと光学結合される。ここでは、六角形５０ｂの高さ「ｈ」は、正方形の発光面７０ｂの高さ「ｈ」とマッチする。図１１ｃでは、長方形の底面５０ｃを有する光学素子は、正方形の発光面７０ｃを有するＬＥＤコンポーネントと光学結合される。ここでは、底面及び発光面の両方の幅「ｗ」はマッチされる。図１１ｄでは、正方形の底面５０ｄを有する光学素子は六角形の発光面７０ｄを有するＬＥＤコンポーネントと光学結合される。ここでは、底面及び発光面の両方の高さ「ｈ」はマッチされる。無論、底面及び発光面の両方が同一形状であり、且つ同じ表面積を有する、単純な配置も同様に、この基準に合致する。ここでは、底面の表面積はＬＥＤコンポーネントの発光面の表面積にマッチされる。
同様に、光学素子がＬＥＤコンポーネントの配列と結合される場合、発光面側における配列のサイズは、好ましくは光学素子の底面サイズとマッチされることができる。同様に、配列の形状は、配列の形状と底面の形状が少なくとも１つの寸法（例えば、直径、幅、高さ、又は表面積）でマッチされる限り、底面の形状とマッチする必要はない。
或いは、発光面におけるＬＥＤコンポーネントのサイズ又はＬＥＤコンポーネントの配列を組み合わせたサイズは、底面のサイズよりも小さくも又は大きくもできる。図１０ａ及び１０ｃは、ＬＥＤコンポーネント（それぞれ６１０ａ及び６１０ｃ）の発光面（それぞれ６１２ａ及び６１２ｃ）が、底面のサイズ（それぞれ６２２ａ及び６２２ｃ）にマッチされる実施形態を示す。図１０ｂは、底面６２２ｂよりも大きい発光面６１２ｂを有するＬＥＤコンポーネント６１０ｂを示す。図１０ｄは、配列６１２ｄのＬＥＤコンポーネントを示し、その配列は、底面６２２ｄのサイズよりも大きい発光面を組み合わせたサイズ６１２ｄを有する。図１０ｅは、底面６２２ｅよりも小さい発光面６１２ｅを有するＬＥＤコンポーネント６１０ｅを示す。
例えば、ＬＥＤコンポーネントの発光面が１ｍｍの辺を有する正方形である場合、光学素子の底面は１ｍｍ辺を有する正方形にマッチするように製造できる。或いは、正方形の発光面は、長方形底面と光学結合され、その長方形は発光面の辺のサイズにマッチされる１つの辺サイズを有することができるであろう。その長方形のマッチされない辺は正方形の辺よりも大であっても小であってもよい。任意に、光学素子は発光面の対角線寸法に等しい直径を有する円形の底面を有するようにできる。例えば、１ｍｍ×１ｍｍの正方形発光面に対して、１．４１ｍｍの直径を有する円形の底面は本出願の目的にとってマッチされたサイズと見なされるであろう。底面のサイズはまた、発光面のサイズよりも僅かに小さくしてもよい。このことは、「高輝度ＬＥＤパッケージ」と題された米国特許出願（代理人明細書番号６０２１７ＵＳ００２）に記載のように、目的の１つが光源の外観サイズを最少にすることである場合に有利である。
図１２は、アレイ１２に配列された複数のＬＥＤコンポーネント１４ａ〜ｃに光学結合された集束性光学素子２４を備える光源の別の実施形態を示す。この配置は、赤色、緑色、及び青色のＬＥＤが配列中で組み合わされ、混合されたときに白色光を作り出す場合に特に有用であることができる。図１２では、光学素子２４は光を側面に方向転換する集束性側面１４６を有する。光学素子２４は、ＬＥＤコンポーネントの配列１２と光学結合される、正方形形状の底面１２４を有する。そのＬＥＤコンポーネントの配列１２はまた、正方形形状（辺１６を有する）を形成する。
本明細書に開示される光学素子は、通常の手段又は精密研削技術を使用して製造でき、精密研削技術は、譲受人共通の、「光学素子及び半導体素子の製造方法」と題された米国特許出願番号１０／９７７２３９（代理人明細書番号６０２０３ＵＳ００２）、「発光アレイを製造する方法」と題された米国特許出願番号１０／９７７２４０（代理人明細書番号６０２０４ＵＳ００２）、及び「光学素子のアレイ及びその製造方法」と題された米国特許出願番号１１／２８８０７１（代理人明細書番号６０９１４ＵＳ００２）に開示される。
光学素子は透明であり、好ましくは比較的高い屈折率を有する。光学素子に適した材料として、高屈折率ガラス（例えば、ショット・ガラス（Schott glass）ＬＡＳＦ３５タイプ、商標名ＬＡＳＦ３５でニューヨーク州エルムズフォード（Elmsford）の北米ショット社（Schott North America）から入手可能）及びセラミックス（例えばサファイア、酸化亜鉛、ジルコニア、ダイアモンド、及びシリコンカーバイド）などの無機材料が挙げられるが、これらに限定されない。サファイア、酸化亜鉛、ダイアモンド、及びシリコンカーバイドはまた、これらの材料が比較的高い熱伝導度（０．２〜５．０Ｗ／ｃｍＫ）を有するので、特に有用である。高屈折率ポリマー又はナノ粒子充填ポリマーも考えられる。適したポリマーは、熱可塑性ポリマーでも熱硬化性ポリマーでも可能である。熱可塑性ポリマーにはポリカーボネート及び環状オレフィンコポリマーが挙げられる。熱硬化性ポリマーは、例えば、アクリル、エポキシ、シリコーン及び当業界で知られるその他のものであってよい。適したセラミックナノ粒子には、ジルコニア、チタニア、酸化亜鉛、及び硫化亜鉛が挙げられる。
光学素子の屈折率（ｎｏ）は、ＬＥＤコンポーネントの発光面の屈折率（ｎｅ）と同様であるのが好ましい。好ましくは、その２つの間の差は０．２より大きくない（｜ｎｏ−ｎｅ｜≦０．２）。任意に、その差は使用される材料に応じて、０．２より大きくてもよい。例えば、発光面は１．７５の屈折率を有することができる。適した光学素子は、１．７５に等しいか又は大きいか（ｎｏ≧１．７５）であり、例えば、ｎｏ≧１．９、ｎｏ≧２．１、及びｎｏ≧２．３を含む、屈折率を有することができる。任意に、ｎｏは、ｎｅよりも小さくてもよい（例えば、ｎｏ≧１．７）。好ましくは光学素子の屈折率は、主要の発光面の屈折率とマッチされる。幾つかの実施形態では、光学素子と発光面との両方の屈折率は同じ値であってもよい（ｎｏ＝ｎｅ）。例えば、ｎｅ＝１．７６を有するサファイアの発光面は、サファイアの光学素子で、又はＳＦ４というガラス（商標名ＳＦ４でニューヨーク州エルムズフォード（Elmsford）の北米ショット社（Schott North America）から入手可能）、ｎｏ＝１．７６、の光学素子でマッチできる。別の実施形態では、光学素子の屈折率は発光面の屈折率よりも高くも低くもできる。光学素子が高い屈折率材料で作られた場合、光学素子はＬＥＤコンポーネントからの光抽出を光学素子の高い屈折率により増大させ、光の放射分布を光学素子の形状により変更させ、結果として設計された光放射パターンをもたらす。
本開示を通して、ＬＥＤコンポーネント１０は簡単にするために概略的に図示されるが、上記で説明した再発光構造に加えて、当業界で知られる従来の設計特徴を含むことができる。例えば、ＬＥＤコンポーネントは別個のｐ−ドープ及びｎ−ドープ半導体層、バッファー層、基板層、及び上板層を含むことができる。単純な長方形のＬＥＤコンポーネントの配置が示されるが、他の知られた構成、例えば、切頭され反転されたピラミッドのＬＥＤコンポーネント形状を形成する斜め側表面も考えられる。ＬＥＤコンポーネントへの電気接点も簡略のために示されていないが、知られているようにダイのいかなる表面に付与もできる。代表的実施形態では、ＬＥＤコンポーネントは「フリップ・チップ」設計の底表面に両方とも位置された２つの接点を有する。本開示は光学素子の形状又はＬＥＤコンポーネントの形状を制限するものではなく、単に例示の見本を提供することを意図する。
光学素子は、光学素子とＬＥＤコンポーネントの発光面との間の最低ギャップがエバネッセント波よりも大きくない場合に、光学結合されると考えられる。光学結合はＬＥＤコンポーネント及び光学素子を物理的に近接して配置することによって達成される。図５にＬＥＤコンポーネント１０の発光面１００と光学素子２０の底面１２０との間のギャップ１５０を示す。典型的には、ギャップ１５０は空隙であり、漏れ全内反射を高めるため非常に小さいのが一般的である。例えば、図５では、光学素子２０の底面１２０は、そのギャップ１５０が空気中の光の波長のオーダである場合、ＬＥＤコンポーネント１０の発光面１００と光学的接近する。好ましくは、そのギャップ１５０の厚さは空中の光の波長よりも小さい。多波長の光が使用されるＬＥＤでは、そのギャップ１５０は好ましくは最大限でも最長波長の値である。適したギャップ寸法としては、２５ｎｍ、５０ｎｍ、及び１００ｎｍが挙げられる。好ましくは、そのギャップは、ＬＥＤコンポーネント及び光学素子の入力開口部又は底面が光学的平坦度に研磨され、ウェハが互いに固着される場合のように最小化される。
加えて、ギャップ１５０は、発光面１００と底面１２０との間の接触面積の一面で実質的に均一であり、発光面１００及び底面１２０は２０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ未満の粗面度を有することが好ましい。このような構成では、脱出錐体の外側にある、又は通常はＬＥＤコンポーネント−空気界面で全内部全反射される角度においてＬＥＤコンポーネントから放射される光線は、代わりに、光学素子２０の中に伝達されるであろう。光学結合を増強するため、底面１２０の表面は発光面１００とマッチするように形作られる。例えば、ＬＥＤコンポーネント１０の発光面１００は、図５に示されるように平坦であり、光学素子２０の底面１２０も同様に平坦であってよい。或いは、ＬＥＤコンポーネントの発光面が曲面状（例えば僅かに凹面状）である場合、光学素子の底面は発光面と組み合わせるように形作られる（例えば僅かに凸面状）。底面１２０のサイズはＬＥＤコンポーネントの発光面１００より、より小さいか、等しいか、又はより大きいかのいずれかであってよい。底面１２０は断面形状において、ＬＥＤコンポーネントと同じか又は異なっていてよい。例えば、ＬＥＤコンポーネントは正方形の発光面を有し、一方光学素子は円形底面を有することができる。その他の変形は当業者に明らかであろう。
適したギャップ寸法には１００ｎｍ、５０ｎｍ、及び２５ｎｍが含まれる。好ましくは、ＬＥＤコンポーネント及び光学素子の入力開口部又は底面が、光学的平坦度に研磨され、ウェハが互いに固着される場合のように最小化される。光学素子及びＬＥＤコンポーネントは高温及び圧力をかけることによって互いに固着し、光学結合される配置をもたらすことができる。いかなる公知のウェハ固着技術も使用できる。代表的なウェハ固着技術は、米国特許公開番号１０／９７７２３９に、題名として「光学素子及び半導体素子の製造方法」（代理人明細書番号６０２０３ＵＳ００２）に記載される。
ある有限ギャップの場合には、光学結合は、ＬＥＤコンポーネントの発光面と光学素子の底面との間に薄い光学的伝導層を追加することによって、達成されるか又は増強され得る。図１３に、図５に示されるような、ギャップ１５０の中に位置される薄い光学的伝導層６０を有する、光学素子及びＬＥＤコンポーネントの部分概略側面図を示す。ギャップ１５０と同様に、光学的伝導層６０は、１００ｎｍ、５０ｎｍ、２５ｎｍ又はそれより小さい厚さであり得る。好ましくは、光学結合層の屈折率は発光面又は光学素子の屈折率と密接にマッチされる。光学的伝導層は、固着された、および非固着の（機械的にデカップリングされて）の両方の構成で使用できる。固着された実施形態では、光学的伝導層は、例えば、透明な接着剤層、無機薄膜、融解性ガラスフリット又は同様な結合剤を含む、光を透過する任意の適した結合剤であってもよい。固着された構成の更なる例は、例えば米国特許公開Ｕ．Ｓ．２００２／００３０１９４、題名「改善された光抽出効率を有する発光ダイオード」、カムラス（Camras）ら、２００２年３月１４日発行、に記載される。
非固着の実施形態では、ＬＥＤコンポーネントは、光学素子と任意の接着剤又はその他の結合剤をＬＥＤコンポーネントと光学素子との間に使用しないで、光学結合され得る。非固着の実施形態により、ＬＥＤコンポーネントと光学素子が機械的にデカップリングされ、相互に独立して動かすことが可能である。例えば、光学素子はＬＥＤコンポーネントに対して横方向に動かすことができる。別の例では、光学素子とＬＥＤコンポーネントの両方は各コンポーネントが稼動期間に熱くなっているときに自由に膨張する。このような機械的にデカップリングされた系では、膨張によって発生したせん断応力又は法線応力のどちらかの応力は、１つのコンポーネントから別のコンポーネントに伝達されない。換言すれば、１つのコンポーネントの移動は他のコンポーネントに機械的な影響を及ぼさない。この構成は、発光材料がもろい場合、ＬＥＤコンポーネントと光学素子との間に膨張率のミスマッチがある場合、及びＬＥＤのオン−オフが繰り返される場合には、特に所望されることである。
機械的にデカップリングされた構成は、光学素子をＬＥＤコンポーネントに光学的に接近（その２つの間に非常に小さい空隙だけを有して）して設置することによって作り出せる。その空隙は、上記のように、漏れ全内反射を高めるのに十分に小さくあるべきである。
或いは、図１３に示されるように、光学的伝導層により光学素子及びＬＥＤコンポーネントが独立して動かせる条件であれば、薄い光学的伝導層６０（例えば、屈折率がマッチする流体）が光学素子２０とＬＥＤコンポーネント１０との間のギャップ１５０に添加できる。その光学的伝導層６０に適した材料の例には、屈折率がマッチする油、及び同様な光学的特性を有する他の液体又はゲルが挙げられる。任意に、光学的伝導層はまた、熱伝導性であってもよい。
光学素子及びＬＥＤコンポーネントはいずれかの公知のカプセル封入材料を用いて一緒にカプセル封入し、最終的なＬＥＤパッケージ又はＬＥＤ光源とすることができる。光学素子及びＬＥＤコンポーネントのカプセル封入により、光学素子とＬＥＤコンポーネントを非固着の実施形態で一緒に保持する方法が提供される。
更なる非固着構成は、同一譲受人の「非固着性光学素子を有したＬＥＤパッケージ」と題された米国特許出願番号１０／９７７２４９、代理人明細書番号６０２１６ＵＳ００２、に記載される。
光学素子は、例えば単一ブロックの材料から切り出された単一構造体から製造でき、或いは２つ以上のセクションを複合構造に接合することによって製造できる。
第１セクションは望ましくはＬＥＤコンポーネントと光学的接触していて、高屈折率を有し（好ましくは発光面におけるＬＥＤコンポーネントの屈折率とほぼ等しい）、任意に高熱伝導性、及び／又は高熱安定性を有する第１光学材料で製造される。これに関連して、高熱安定性は、約６００℃又はそれ以上の分解温度を有する材料を指す。第１セクションの厚さは好ましくは光学的厚さである（例えば、効果的には少なくとも５μｍ、又は光の波長の１０倍）。
シリコンカーバイドはまた、導電性であるので、電気接点又は回路の機能をもたらすことができる。散乱が光学素子の入力末端部又は底面に限定されるのであれば、光学素子内部の散乱は許容される。しかし、光学素子をＬＥＤコンポーネントからの光を効率的に結合するに十分な長さに作り出すことは高価で時間のかかることであろう。ワンピース光学素子を製造することの更なる挑戦は材料の歩留まりが比較的低い可能性があり、形状因子によりＬＥＤコンポーネントは光学素子と個別に組立されることを余儀なくされるかも知れない。これらの理由により、製造コストを低減するために、セクションを異なった光学材料で製造するようにして、光学素子を２つ（又はそれより多く）のセクションに分けることには長所がある。
第２セクションは第１セクションに接合され、且つ第２光学材料で製造され、第２光学材料は第１光学材料よりも低い材料コストを有してより容易に製造できる。第２光学材料は、第１光学材料と比較して、より低い屈折率か、より低い熱伝導度か、又はその両方を有してよい。例えば、第２光学材料は、ガラス、ポリマー、セラミックス、セラミックナノ粒子−充填ポリマー、及びその他の光学的透明材料を含むことができる。適したガラスには、鉛、ジルコニウム、チタン、及びバリウムの酸化物を含むものが挙げられる。ガラスは、チタン酸塩、ジルコン酸塩、及びスズ酸塩を含む化合物から製造できる。適したセラミックナノ粒子には、ジルコニア、チタニア、酸化亜鉛、及び硫化亜鉛が挙げられる。
任意に、第３光学材料からなる第３セクションが、外部環境に対するＬＥＤ光の結合を更に促進するために接合できる。一実施形態では、３セクションの屈折率はｎ１＞ｎ２＞ｎ３であるように設けて、光学素子に付随する全フレネル表面反射を最小化する。
本発明による光源は、グラフィックディスプレイ装置のコンポーネント又は必須なコンポーネントであることができ、その装置は大きなスクリーン又は小さなスクリーンのビデオモニタ、コンピュータモニタ又はディスプレイ、テレビジョン、電話装置又は電話装置ディスプレイ、携帯情報端末又は携帯情報端末ディスプレイ、ポケベル又はポケベルディスプレイ、計算機又は計算機ディスプレイ、ゲーム又はゲームディスプレイ、おもちゃ又はおもちゃディスプレイ、大型−又は小型−電気機器又は大型−又は小型−電気機器ディスプレイ、自動車ダッシュボード又は自動車ダッシュボードディスプレイ、自動車内装又は自動車内装ディスプレイ、船舶ダッシュボード又は船舶ダッシュボードディスプレイ、船舶内装又は船舶内装ディスプレイ、航空機ダッシュボード又は航空機ダッシュボードディスプレイ、航空機内装又は航空機内装ディスプレイ、交通管理装置又は交通管理装置ディスプレイ、広告表示装置、広告表示板等である。
本発明による光源は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、又は類似のディスプレイ、それらディスプレイのバックライトとしてのコンポーネント又は必須なコンポーネントであることができる。一実施形態では、本発明による半導体デバイスは、本発明による半導体デバイスにより放射される光をＬＣＤディスプレイのカラーフィルタにマッチングさせることに基づいて、液晶ディスプレイのためのバックライト用に特に適している。
本発明による光源は、自立式又は組み込み式照明器具又はランプ、景観又は建築の照明器具、手持ち式又は車載のランプ、自動車ヘッドライト又はテールライト、自動車内装の照明器具、自動車又は非自動車の信号装置、道路照明装置、交通制御信号装置、船舶のランプ又は信号装置又は内装照明器具、航空機のランプ又は信号装置又は内装照明器具、大型−又は小型−電気機器又は大型−又は小型−電気機器ランプ等のような照明装置のコンポーネント又は必須なコンポーネント、若しくは赤外、可視、又は紫外線の発生源として使用される任意の装置又はコンポーネントであることができる。
本発明の様々な修正及び変更が、本発明の範囲及び原理から逸脱することなく当業者には明白であり、また本発明は、上記で説明した例示的な実施形態に過度に限定されないことは、理解されるべきである。
本発明の一実施形態による構造における半導体の伝導帯及び価電子帯の平面帯域ダイアグラム。層の厚さは尺度で表示してない。 各種のＩＩ〜ＶＩ族の二元化合物及びそれらの合金に対する格子定数及びバンドギャップを示すグラフ。 本発明の一実施形態によるデバイスから発光する光のスペクトルを表すグラフ。 本発明の一実施形態による構造における半導体の伝導帯及び価電子帯の平面帯域ダイアグラム。層の厚さは尺度で表示してない。 一実施形態における光学素子及びＬＥＤコンポーネントの構成を示す概略側面図。 更なる実施形態による光学素子の斜視図。 更なる実施形態による光学素子の斜視図。 更なる実施形態による光学素子の斜視図。 別の実施形態による光学素子の斜視図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子の平面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子の平面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子の平面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子の平面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子の平面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子の平面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子の平面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子の平面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子の平面図。 代替的実施形態における光学素子を例示する概略正面図。 代替的実施形態における光学素子を例示する概略正面図。 代替的実施形態における光学素子を例示する概略正面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子及びＬＥＤコンポーネントの概略側面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子及びＬＥＤコンポーネントの概略側面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子及びＬＥＤコンポーネントの概略側面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子及びＬＥＤコンポーネントの概略側面図。 幾つかの代替的実施形態による光学素子及びＬＥＤコンポーネントの概略側面図。 幾つかの実施形態による光学素子及びＬＥＤコンポーネントの底面図。 幾つかの実施形態による光学素子及びＬＥＤコンポーネントの底面図。 幾つかの実施形態による光学素子及びＬＥＤコンポーネントの底面図。 幾つかの実施形態による光学素子及びＬＥＤコンポーネントの底面図。 別の実施形態による光学素子及びＬＥＤコンポーネントの透視図。 別の実施形態による光学素子及びＬＥＤコンポーネントの部分図。

Claims (9)

  1. ａ）ＬＥＤコンポーネントであって、
    ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤ、および
    ｉｉ）発光面を有し、ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体、を含むＬＥＤコンポーネントと、
    ｂ）底面、２つの集束性側面、及び２つの発散性側面を有する光学素子であって、該底面は該発光面と光学結合している光学素子と、を備える光源。
  2. ａ）ＬＥＤコンポーネントであって、
    ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤ、および
    ｉｉ）発光面を有し、ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体、を含むＬＥＤコンポーネントと、
    ｂ）該ＬＥＤコンポーネントと光学結合した高屈折率光学素子であって、該ＬＥＤコンポーネントによって放射される光を方向付けて、２つの極大部分を有する側面発光パターンを生成するように成形された高屈折率光学素子と、を備える光源。
  3. ａ）ＬＥＤコンポーネントであって、
    ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤ、および
    ｉｉ）発光面を有し、ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体、を含むＬＥＤコンポーネントと、
    ｂ）底面、該底面よりも小さい頂部、及び該底面と該頂部との間に延在する集束性側面を含む光学素子であって、該底面は、該発光面と光学結合し、且つ該発光面より大きくないサイズであり、
    該ＬＥＤコンポーネントによって放射された光を方向付けて、側面発光パターンを生成する光学素子と、を備える光源。
  4. ａ）ＬＥＤコンポーネントであって、
    ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤ、および
    ｉｉ）発光面を有し、ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体、を含むＬＥＤコンポーネントと、
    ｂ）底面、頂部、及び該底面と該頂部を接合する集束性側面を含む光学素子であって、該底面は、該発光面と光学結合しており、
    該底面を含み、第１材料からなる第１セクション、および該頂部を含み、第２材料からなる第２セクションを有する光学素子とを備える光源。
  5. ａ）ＬＥＤコンポーネントであって、
    ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤ、および
    ｉｉ）発光面を有し、ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体、を含むＬＥＤコンポーネントと、
    ｂ）底面、頂部、及び該底面と該頂部を接合する集束性側面を含む第１光学素子であって、該底面は該発光面と光学結合し、且つ該発光面より大きくないサイズであり、
    第１屈折率を有する第１光学素子と、
    ｃ）該ＬＥＤコンポーネントおよび該第１光学素子をカプセル封入する第２光学素子であって、該第１屈折率より低い第２屈折率を有する第２光学素子と、を備える光源。
  6. ａ）ＬＥＤコンポーネントであって、
    ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤ、および
    ｉｉ）発光面を有し、ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体、を含むＬＥＤコンポーネントと、
    ｂ）底面、該発光面の上方に位置する頂部、及び該底面と該頂部を接合する集束性側面を含む第１光学素子であって、該底面は、該発光表面と光学結合しており、
    第１屈折率を有する第１光学素子と、
    ｃ）該ＬＥＤコンポーネントおよび該第１光学素子をカプセル封入する第２光学素子であって、該第１屈折率より低い第２屈折率を有する第２光学素子と、を備える光源。
  7. ａ）ＬＥＤコンポーネントであって、
    ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤ、および
    ｉｉ）発光面を有し、ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体、を含むＬＥＤコンポーネントと、
    ｂ）底面、頂部、及び該底面と該頂部を接合する集束性側面を含む第１光学素子であって、該底面は該発光面と光学結合している第１光学素子と、
    ｃ）該ＬＥＤコンポーネントおよび該第１光学素子をカプセル封入する第２光学素子であって、第１光学素子単独で取り出される出力と比較して、前記ＬＥＤコンポーネントから取り出される出力を増加させる第２光学素子と、を備える光源。
  8. 請求項１に記載の前記光源を含むグラフィックディスプレイ装置。
  9. 請求項１に記載の前記光源を含む照明装置。
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