JP2010506402A - Ｌｅｄのシステムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

実施形態は、光を発生するように動作可能な量子井戸領域と、量子井戸領域との界面を有する基板とを備えるＬＥＤを提供し、量子井戸領域によって発生された光は、界面を通過して基板に入射し、基板の出射面を通ってＬＥＤから出射する。出射面は、界面に対向し、かつ界面からある距離を置いて位置し得、このＬＥＤの一部または全体が、デバイスの光取り出し効率を最適化するように成形される。出射面は、光の所望の半角に対して、輝度を保存するために必要な最小面積の少なくとも７０％を有し得る。ＬＥＤの側壁は、側壁に入射する光線が、出射面での臨界角以下である出射面への入射角で、出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形され得る。

Description

（関連出願の参照）
本出願は、米国仮特許出願第６０／８２７，８１８号（Ｄｕｎｇ Ｔ．Ｄｕｏｎｇらによる、名称「ＳＨＡＰＥＤ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ」、２００６年１０月２日出願）および米国特許仮出願第６０／８８１，７８５号（Ｄｕｎｇ Ｔ．Ｄｕｏｎｇらによる、名称「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ Ａ ＳＨＡＰＥＤ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ ＬＥＤ」、２００７年１月２２日出願）に対する、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）のもとでの優先権の利益を主張する。両方の該仮特許出願は、本明細書においてその全体が参考として援用される。
（技術分野）
本開示は、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）に関する。より具体的には、本明細書に記載のシステムおよび方法の実施形態は、ＬＥＤの光出力の増加または制御に関する。さらに具体的には、実施形態は、ＬＥＤ基板の部分を成形することによって、ＬＥＤの光出力を増加または制御することに関する。
発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は、電子機器内の至る所に存在する。ＬＥＤは、デジタルディスプレイ、照明システム、コンピュータおよびテレビ、携帯電話、および種々の他のデバイスに使用される。ＬＥＤ技術の開発は、１つ以上のＬＥＤを使用して白色光を発生するための方法およびシステムをもたらした。ＬＥＤ技術の開発は、より多くの光子を発生し、したがって、従来よりも多くの光を発生するＬＥＤをもたらした。これらの２つの技術開発はその到達点として、トランジスタがコンピュータ内の真空管と置き換わったのと同様に、ＬＥＤが、例えば白熱電球、蛍光灯、またはハロゲン電球等の、多数の従来の光源を補うか、または置き換わって使用される結果をもたらした。
ＬＥＤは、赤色、緑色、および青色を含む複数の色で製造される。白色光を発生する１つの方法は、赤色、緑色、および青色ＬＥＤを互いに組み合わせた使用を含む。赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）ＬＥＤを組み合わせて作られた光源は、ヒトの眼によって白色光として知覚される光を生成する。これは、ヒトの眼が３種類の色受容体を有し、各種類の色受容体がそれぞれ、青色、緑色、または赤色に対して感受性を有することによって生じる。
ＬＥＤ源から白色光を生成する第２の方法は、単色（例えば、青色）の短波長ＬＥＤから光を作り出して、その光の一部を蛍光体または類似した光子変換材料上に当てるものである。蛍光体は、高エネルギーの短波長光波を吸収して、低エネルギーの長波長光を再放射する。例えば、蛍光体が、黄色の領域内（緑色と赤色との間）の光を放射するように選択された場合には、ヒトの眼は、そのような光を白色光として知覚する。これは、黄色光が、眼の中の赤色受容体と緑色受容体との両方を刺激することにより生じる。ナノ粒子または他の類似した光ルミネッセンス材料のような他の材料が、ほぼ同じように白色光を発生するために使用され得る。
白色光はまた、紫外線（ＵＶ）ＬＥＤと３つの別個のＲＧＢ蛍光体とを利用して発生され得る。白色光はまた、青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤとから発生され得、また、青色、緑色、黄色、および赤色ＬＥＤを組み合わせて発生され得る。
ＬＥＤを製造するための現在の業界の手法は、基板（一般的に、単結晶のサファイアまたは炭化ケイ素）を使用して、その上に、ＧａＮまたはＩｎＧａＮのような材料の層が堆積されるものである。１つ以上の層（例えば、ＧａＮまたはＩｎＧａＮ）は、光子を発生させ、電流を伝導させ得る。一般的に、窒化ガリウム（ＧａＮ）の第１の層が基板の表面に適用され、基板の結晶構造からドープ層の結晶構造までの遷移領域を形成し、
光子の発生または電流の伝導を可能にする。この後には、一般的に、ＧａＮのＮドープ層が続く。次の層は、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮであるか、または光子を発生し、かつ、所望の波長の光を生成するために必要な材料でドープされれた、他の化合物半導体材料層であり得る。次の層は、一般的に、ＧａＮのＰドープ層である。この構造体が、エッチングおよび堆積によってさらに改変されて、デバイスへの電気的接続のための金属サイトを生成する。
ＬＥＤの動作中には、従来のダイオードにあるように、余分の電子が、Ｎ型半導体からＰ型半導体内の正孔にまで移動する。ＬＥＤの中で、このプロセス中に、化合物半導体層内で光子が放出されて光を生成する。
一般的な製造プロセスでは、基板は、ウエハの形態で製造され、ウエハの表面に層が適用される。層がドープまたはエッチングされ、記載した種々のプロセスを使用して全ての特徴が画定された時点で、個々のＬＥＤがウエハから分離される。ＬＥＤは、一般的に、直線の側部を有する正方形または長方形である。これは、顕著な効率損失を与える可能性があり、また、放射光に不十分な放射パターンを生じさせる可能性がある。より望ましい出力を達成するために、しばしばプラスチックドームのような別個の光学デバイスが、ＬＥＤを覆って配置される。
ほぼ全てのＬＥＤ用途において、与えられた電力入力に対する光出力を最大にすることが望ましく、その量は、白色光および長波長光の場合には、１ワットあたりのルーメン（ｌｍ／Ｗ）で表され、青色のような短波長光の場合には、１ワットあたりのミリワット（ｍＷ／Ｗ）で表される。既存のＬＥＤ技術は、一般的に「全体効率」または「電力変換効率」と称されるこの比率を、増加させようとし得る。しかしながら、既存のＬＥＤ技術は、それでも、全体効率が不十分であり、取り出し効率が低い。
本開示は、これまでのＬＥＤよりも高い効率を達成するように成形された基板を有するＬＥＤに関する。実施形態のＬＥＤの側壁は、内部全反射を使用してＬＥＤの光出力を最大にするように成形され得、また、所望の強度分布を達成するように成形され得る。加えて、ＬＥＤの出射面は、放射輝度を保存するように選択され得る。
ＬＥＤの一実施形態は、光を発生するように動作可能な量子井戸領域と、量子井戸領域との界面を有する成形基板とを含む。量子井戸領域によって発生された光は、量子井戸領域と成形基板との間の界面を横断して、成形基板に入射する。成形基板は、界面に対向し、かつ界面からある距離を置いた出射面を有する。界面を通って成形基板に入射する光の一部は、出射面を通って成形基板から出射する。一実施形態に従って、出射面は、成形基板から出射する光の所望の半角（ｈａｌｆ−ａｎｇｌｅ）に対して、放射輝度を保存するために必要な最小面積の少なくとも７０％である。さらに、ＬＥＤは、一組の側壁を有し得、各側壁は、界面からその側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも大部分が、出射面での臨界角以下の出射面への入射角で、出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形される。ＬＥＤの別の実施形態は、光を発生するように動作可能な量子井戸領域と、量子井戸領域との界面を有する成形基板とを備えるＬＥＤを備える。成形基板は、界面に対向し、かつ界面からある距離を置いた出射面を備え得る。基板は、界面を通って成形基板に入射する光の一部が、出射面を通って成形基板から出射するように成形され得る。出射面は、成形基板から投射された光の所望の立体角に対して、放射輝度を保存するために必要な最小面積の少なくとも７０％を有し得る。成形基板はさらに、一組の側壁を備え得、各側壁は、界面からその側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも一部が、出射面での臨界角以下である出射面への入射角で、出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形される。出射面の面積、距離、および側壁形状は、１０度から６０度までの間の半角で光を投射するように選択され得る。
さらに別の実施形態は、光を発生するように動作可能な量子井戸領域と、量子井戸領域との界面を有する成形基板とを備えるＬＥＤを含み得る。成形基板は、界面に対向し、かつ界面からある距離を置く出射面を備え得る。基板は、界面を通って成形基板に入射する光の一部が、出射面を通って成形基板から出射するように成形され得る。
出射面は、
Figure 2010506402
 によって定義される最小面積の３０％以内である面積を有し得、ここで、Φ１は、界面を通過する光束であり、Φ２は、出射面から出射する光束であり、かつΦ１に等しく、Ω１は、光が界面を通過するときの有効立体角であり、Ω２は、光が出射面を出るときの有効立体角であり、Ａ１は、界面の面積であり、ｎ１は、成形基板の屈折率であり、ｎ２は、成形基板の外部にある媒体の屈折率である。さらに、距離は、少なくとも、界面から出射面に向かう直線の透過経路を有する全ての光線が、出射面で臨界角以下の入射角を有するような、最小距離である。基板はまた、一組の側壁を備え得、各側壁は、界面からその側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも一部が、出射面での臨界角以下である出射面への入射角で、出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形される。
さらに別の実施形態は、光を発生するように動作可能な量子井戸領域と、量子井戸領域との界面を有する成形基板とを備えるＬＥＤであって、量子井戸領域によって発生された光は界面を通過する、ＬＥＤを含み得る。基板は、少なくとも２つの出射面を備え得、基板は、界面を通って成形基板に入射する光の一部が、少なくとも２つの出射面を通って成形基板から出射するように成形され得る。少なくとも２つの出射面は、放射輝度を保存するために必要な最小面積の少なくとも７０％である合計面積を有する。成形基板はまた、一組の側壁を備え得、各側壁は、界面からその側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも大部分が、出射面での臨界角以下である出射面への入射角で、２つ以上の出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形される。
システムおよび方法の実施形態は、輝度を保存しながら、所望の半角および光出力プロファイルで光を投射することによって、従来技術を超える技術的利点を提供するＬＥＤを提供する。実施形態は、例えば、１０度から６０度までの間の半角（または他の半角）の光を、高効率に提供し得る。
実施形態は、均一またはほぼ均一の強度分布の光出力を提供することによって、さらに別の利点を提供する。
実施形態によって提供されるさらに別の利点は、光が、所望の形状および光出力プロファイルで投射され得ることである。
実施形態およびその利点の、より完全な理解が、添付図面とともに用いられる以下の説明を参照することによって得られ得る。図面において、同じ参照番号は同じ特徴を示す。
図１Ａ〜図１Ｂは、ＬＥＤの実施形態の図形的表現である。 図１Ａ〜図１Ｂは、ＬＥＤの実施形態の図形的表現である。 図２は、ある点から、その点から異なる距離にある界面に向かって進む一組の光線の図形的表現である。 図３は、ＬＥＤの一実施形態の上面の図形的表現である。 図４Ａは、側壁形状を決定するためのＬＥＤのモデルの断面の図形的表現である。 図４Ｂは、ＬＥＤの側壁の一部の一実施形態の図形的表現である。 図４Ｃは、側壁のファセットがコンピュータプログラムを使用して定義され得ることを示す、図形的表現である。 図４Ｄは、ＴＩＲを生じさせて、光線が側壁から出射面に向けて反射されるように成形された側壁を有するＬＥＤの、一実施形態の図形的表現である。 図５は、有効立体角を推定するための一実施形態の図形的表現である。 図６Ａ〜図６Ｅは、有効立体角を推定するための別の実施形態を説明する図形的表現である。 図６Ａ〜図６Ｅは、有効立体角を推定するための別の実施形態を説明する図形的表現である。 図６Ａ〜図６Ｅは、有効立体角を推定するための別の実施形態を説明する図形的表現である。 図６Ａ〜図６Ｅは、有効立体角を推定するための別の実施形態を説明する図形的表現である。 図６Ａ〜図６Ｅは、有効立体角を推定するための別の実施形態を説明する図形的表現である。 図７は、ＬＥＤの一実施形態の図形的表現である。 図８Ａ〜図８Ｂは、ＬＥＤのアレイの実施形態の図形的表現である。 図８Ａ〜図８Ｂは、ＬＥＤのアレイの実施形態の図形的表現である。 図９Ａ〜図９Ｃは、保持デバイスの実施形態の図形的表現である。 図９Ａ〜図９Ｃは、保持デバイスの実施形態の図形的表現である。 図９Ａ〜図９Ｃは、保持デバイスの実施形態の図形的表現である。 図１０は、エッチングの一実施形態の機能的表現である。 図１１は、レーザアブレーションの一実施形態の機能的表現である。 図１２Ａ〜図１２Ｂは、鋸引きの一実施形態の機能的表現である。 図１２Ａ〜図１２Ｂは、鋸引きの一実施形態の機能的表現である。 図１３Ａ〜図１３Ｂは、基板が鋸引きによって成形されたウエハの、一実施形態の図形的表現である。 図１３Ａ〜図１３Ｂは、基板が鋸引きによって成形されたウエハの、一実施形態の図形的表現である。 図１４は、ＬＥＤの一実施形態の図形的表現である。 図１５Ａおよび図１５Ｂは、ウエハの別の実施形態の図形的表現である。 図１５Ａおよび図１５Ｂは、ウエハの別の実施形態の図形的表現である。
実施形態が図面に示され、同じ符号が、種々の図面の類似のまたは対応する要素を参照するために使用される。
成形基板ＬＥＤの実施形態は、ＬＥＤからの光放射を増加させるか、または光放射を成形するように成形され得る。一実施形態に従って、基板は、ＬＥＤの量子井戸領域によって発生される光の全て、または大部分が、ＬＥＤの基板の出射面から出射するように成形される。このために、出射面は、放射輝度保存の原理を考慮してサイズ設定され得る。一実施形態では、出射面は、量子井戸領域と基板との間の界面を通って基板に入る光の全て、または大部分が、出射面から出射することができるようにする、最小のサイズにされ得、それによって、放射輝度を保存したいという要望と、サイズ、特に出射面のサイズを低減したいという要望とを両立させる。加えて、基板の側壁は、反射または内部全反射（「ＴＩＲ」）を生じることによって、基板の側壁に入射する光線を出射面に向けて反射し、かつ臨界角以下の角度で出射面に入射するように成形され得る。結果として、出射面でのＴＩＲによる光損失が、低減または排除される。さらなる一実施形態では、側壁に当たる光が基板の中に反射されて、その基板を通過しないように確実にするために、基板の１つまたは複数の側壁はまた、光を反射して側壁を通る光の発散度を抑える反射材料で、被覆され得る。
理論的には、ＬＥＤの量子井戸によって発生される光のうちの１００％が出射面から出射するが、種々の実施形態は、従来のＬＥＤの光放射を超える顕著な改善を提供するものの、より少ない量の光を出射面から出射させ得る。例えば、ＬＥＤの出射面から放射される光は、所望の強度プロファイル、発散度プロファイル、または他の光出力プロファイルで、約７９％の効率で（屈折率が２．７３の炭化ケイ素基板材料の場合、フレネル損失のために約２１％の損失がある）、１０度〜６０度の円錐半角で出射面から放射され得る。
フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）損失（例えば、ＬＥＤの出射面と、空気または他の媒体との間のような、２つの媒体間の界面における損失）は、光が、高屈折率の媒体から低屈折率の媒体へ通過する時に生じる。垂直入射フレネル損失は、次式で表される。
Figure 2010506402
 ここで、Ｎ１およびＮ２は、２つの媒体の屈折率である。例えば、炭化ケイ素基板を有するＬＥＤでは、Ｎ１＝２．７３（炭化ケイ素のおおよそのＩＯＲ）、Ｎ２＝１（空気のおおよそのＩＯＲ）であり、約２１．５％のフレネル損失を生じる。ＬＥＤが量子井戸領域内にＧａＮを使用する場合には、量子井戸領域（Ｎ１＝２．４９）と炭化ケイ素基板（Ｎ２＝２．７３）との間の界面のフレネル損失は０％となる。出射面と空気との界面でのフレネル損失は、反射防止被覆を用いて低減または解決され得る。
上述のように、ＬＥＤ基板の出射面は、放射輝度を保存するように成形され得る。単一の媒体内の、または一つの媒体から他方の媒体への、光経路に沿った光の通過は、輝度定理とも称される、輝度不変の法則によって支配され、それはエタンデュ（Ｅｔｅｎｄｕｅ）の方程式によって表される。
Figure 2010506402
 ここで、Φ１は、領域１の光束（ルーメン）であり、
Ｎ１は、領域１の媒体のＩＯＲであり、
Ａ１は、領域１への入射面積であり、
Ω１は、領域１の光を全て含む立体角（ステラジアン）であり、
Φ２は、領域２の光束（ルーメン）であり、
Ｎ２は、領域２の媒体のＩＯＲであり、
Ａ２は、領域２への入射面積であり、
Ω２は、領域２の光を全て含む立体角（ステラジアン）である。
成形基板の出射面の面積は、所望の半角に対して、量子井戸から基板に入射する光の放射輝度を保存するように選択され得る。結果として、光が、高効率で所望の半角で放射され得る。これは従来のＬＥＤとは異なり、従来のＬＥＤは、多くの用途には不要である半角の光を放射し、したがって、光を成形するために追加的な光学デバイスを必要とし、また、出射面が放射輝度の保存のために十分大きくないために、かなりの割合の光を側壁を通って放射し、さらに、光が基板から全く逃げないために、吸収損失を伴う。
さらに、ある屈折率の媒体から異なるＩＯＲの媒体への光の通過は、スネル（Ｓｎｅｌｌ）の法則によって支配される。スネルの法則は、界面の表面に対する垂線から測定した光線の進入角と、その光線の界面からの離脱角との関係を、両方の媒体の屈折率の関数として定義する。
Figure 2010506402
 ここで、Θ１は、界面の表面に進入する光線の入射角であり、
Ｎ１は、媒体１のＩＯＲであり、
Θ２は、界面の表面から離脱する光線の屈折角であり、
Ｎ２は、媒体２のＩＯＲである。
高ＩＯＲの媒体から低ＩＯＲの媒体へ光が通過する場合に、光線が媒体間の界面の表面に当たり、かつその界面を通過することができる最大角度は、臨界角と呼ばれる。基本的に、高ＩＯＲの媒体から生じた光は、その光が界面を通過して低ＩＯＲの媒体に入るためには、臨界角を超えない角度で媒体の界面に進入しなければならない。例えば、基板と量子井戸領域とから成るＬＥＤでは、基板媒体および量子井戸媒体は、量子井戸領域によって発生される光が通過する界面を形成し得る。臨界角を超える角度で進入する光線は、媒体間の界面において、高ＩＯＲの媒体の中に反射され、低ＩＯＲの媒体内には入らない。これは、内部全反射（「ＴＩＲ」）と称される。
一般的なＬＥＤでは、量子井戸領域は、約２．４９のＩＯＲを有する。これらの層が、１．７７のＩＯＲを有するサファイア基板上に構成されるとき、サファイアの中に透過することができる光は、スネルの法則および輝度定理の適用によって本質的に制限される。約２．７３のＩＯＲを有し得る、炭化ケイ素の基板を有するＬＥＤに対しては、量子井戸領域は、炭化ケイ素よりも低いＩＯＲ（例えば、約２．４９）を有するので、スネルの法則は、任意の発生された光が炭化ケイ素の中に入ることを、妨げない。
従来のＬＥＤでは、基板と空気の界面に当たる光のかなりの部分が、ＴＩＲのために基板内に閉じ込められる。一部の場合には、別個の光学デバイス（例えば、中実のプラスチックドームまたはレンズ）が、基板から光が入る媒体のＩＯＲを増加させて、基板内のＴＩＲを低減するために使用される。それでも、これらの別個の光学デバイスは、ＴＩＲによる損失を伴う場合があり、ドームの取り出し効率は比較的低いままである。さらに、ドームの使用は、ＬＥＤが形成された後の製造において、追加的なステップを必要とする。これとは逆に、成形基板のＬＥＤの実施形態は、基板の出射面でのＴＩＲによる光損失を最小化または排除するように成形され得る。一実施形態に従って、基板の出射面は、出射面に向かう直接透過経路を有するあらゆる光が出射面でＴＩＲを生じないように、十分な距離だけ量子井戸領域との界面から離して置かれ得る。加えて、側壁は、側壁に当たる光線を、臨界角未満の出射面での入射角で、出射面に向けて反射するように成形され得、したがって、内部で反射された全ての光線が、ＬＥＤ基板の出射面から出ることができる。
図１Ａは、基板１０および量子井戸領域１５（１つ以上のドーピング層または領域を備え得る）を含む、ＬＥＤ２０の一実施形態の図形的表現である。量子井戸領域１５は、一般的にＩｎＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＰ、またはＡｌＧａＮのような化合物半導体である、発光領域２５を含む。量子井戸領域１５からの光子は、界面５０を通って基板１０に入射し得る。ＬＥＤ２０は、従来技術で既知の、または開発されたワイヤボンディング、フリップチッピング、または他のＬＥＤであり得る。基板１０および量子井戸領域１５は、どちらも側壁６０、側壁６５、または他の側壁を形成する。換言すれば、量子井戸領域１５は、基板１０に適合して成形される。ＬＥＤ２０は、出射面５５をさらに含み、該出射面は、製造プロセスの許容範囲内で、界面５０と実質的に同じ形状であり、界面５０と実質的に平行で、かつ回転整列されたものであり得る。出射面５５の面積は、放射輝度の保存（輝度保存と呼ばれることもある）の方程式に従って、所望の半角に対して、輝度を保存するように選択され得る。
Figure 2010506402
 ここで、Φ１は、界面５０を通過する光束であり、
Φ２は、出射面５５から出射する光束であり、輝度の保存の場合はΦ１＝Φ２であり、
Ω１は、光が界面５０を通過するときの有効立体角であり、
Ω２は、光が出射面５５を出るときの有効立体角であり、
Ａ１は、界面５０の面積であり、
Ａ２は、出射面５５の面積であり、
ｎ１は、基板１０の材料の屈折率であり、
ｎ２は、基板１０の外部にある物質（例えば、空気または他の媒体）の屈折率である。
Ａ２は、上述の方程式によって光が保存される、出射面５５の最小表面積を表す。例えば、界面５０が、約１ｍｍ平方の面積を有するように、量子井戸領域１５が１ｍｍ平方を形成し、ｎ１＝１．７７、ｎ２＝１、Ω１＝３、Ω２＝１と仮定すると、Ａ２は（すなわち、所望の半角に対して、界面５０を通過する全ての光が出射面５５から放射することができる、出射面５５の最小サイズは）、放射輝度を保存するために少なくとも９．３９８７ｍｍ２でなければならない。本実施例では、有効立体角が与えられているが、所望の半角に対してΩ１およびΩ２を決定するための方法が、図６Ａ〜図６Ｅと併せて以下に考察される。正方形のプロファイルは、等しい長さの側部を有する長方形であることが、留意されるべきである。
方程式１によるＡ２は、与えられた出力円錐角または放射半角に対して、放射輝度を保存するための最小の可能なサイズである。結果として、放射輝度を保存するために、Ａ２は、少なくとも方程式１によって求められたサイズとすべきであるが、しかし、より大きなサイズとなり得る。例えば、製造プロセスにおける許容差、量子井戸領域１５のサイズまたは形状の誤差、または他の因子を補うために、Ａ２はわずかに大きくなされ得る。
Ａ２が、方程式１によって求められた値よりも大きい場合には、光束は保存されるが、発散度（単位面積あたりの光束として定義される）は、達成可能な最大値よりも小さくなり得る。
しかしながら、出射面の面積を低減するために、Ａ２はできるだけ小さいことが好まれ得る。例えば、Ａ２は、放射輝度を保存するために必要な最小面積の５％以内であり得る。一部の光パワー（光束）を犠牲にし得る場合には、Ａ２は、放射輝度の保存によって指示されたサイズよりも小さくされ得る。一実施例として、１ｍｍ角の界面５０を有する一実施形態に対して、出射面５５は、２．５ｍｍ２から５ｍｍ２までの間（例えば、４．６２ｍｍ２）とすることができる。別の実施例として、０．３ｍｍ角の界面５０を有する一実施形態に対して、出射面５５は、０．２ｍｍ２から０．５ｍｍ２までの間（例えば、０．４２ｍｍ２）とすることができる。しかしながら、上述の実施例に提供されたサイズの範囲は、単なる一例として提供されたものであって、種々の実施形態は、実施例の範囲よりも小さい、または大きい種々のサイズを有し得ることが、留意されるべきである。しかしながら、Ａ２は、方程式１によって求められた値の少なくとも７０％であることが好ましい。さらに、出射面５５の形状は、界面５０の形状と異なり得る。
界面５０と基板１０の出射面５５との間の距離（垂直以外の他の方向に延在する場合もあるが、本明細書では「高さ」と称される）は、界面５０から出射面５５に向かい直接的に進む光線のＴＩＲを低減または最小化するように選択され得る。ＴＩＲは、光が、次式によって定義される臨界角よりも大きい入射角で面に入射するときに生じる。
Figure 2010506402
 ここで、ｎ１は、基板１０のＩＯＲであり、
ｎ２は、基板１０の出射面の外部にある媒体（例えば、空気または他の物質）のＩＯＲであり、
θｃは、臨界角である。
例えば、ｎ１＝１．７７、ｎ２＝１である場合には、θｃ＝３４．４度となる。したがって、基板１０の高さは、出射面５５に入射する光線の臨界角を、出射面５５に対して垂直から、臨界角以下までの範囲に制限するように選択され得る。
図２および図３を参照すると、図２は、点５７から表面５５（点５７から異なる距離にある、５５ａ、５５ｂ、および５５ｃとして表される）に入射するように進む、一組の光線の図形的表現である。表面５５ａの実施例では、一部の光線（例えば、光線５６）は、臨界角よりも大きな角度で表面５５ａに入射し、ＴＩＲによる光の損失が生じる。逆に、表面５５ｂの実施例では、臨界角で、または臨界角よりも幾らか小さい角度で表面５５ｂに入射しようとする一部の光線（例えば、光線５７）は、その代わりに、側壁に入射する。必要に応じて、これらの光線の損失を防止することは、側壁設計の複雑さを増加し得る。さらに、高さを増すことは（すなわち、ＬＥＤが高くなるので）、ＬＥＤを収容するためにより広い空間を必要とする。最後に、表面５５ｃの場合には、臨界角以下の光線は、表面５５ｃに入射し、一方で、出射面５５ｃ上で臨界角よりも大きくなる光線は、その代わりに、側壁に入射する。ＴＩＲまたは反射が、後述するように、側壁上に入射する光線を表面５５ｃから出射するように導くために使用され得る。
高さを選択するための限界光線は、一実施形態に従って、界面５０から出射面５５までの最長の直線距離を進み、出射面５５上に臨界角で入射する光線である。限界光線として選択され得る、２つ以上の光線が存在する場合がある。正方形または長方形の構成では、これは、界面５０のコーナ部で基板１０に入射して、出射面５５上の対角的に対向するコーナ部へ向けて直線状に進む光線であって、その結果として、光線が臨界角で出射面５５上に入射するような、光線である。
図３は、正方形構成の場合の、基板１０の上面および限界光線５９の図形的表現である。好適な実施形態では、基板１０の高さは、出射面５５に入射する光線の臨界角を、出射面５５に対して垂直から、臨界角以下までの範囲に制限するように選択され、その一方で、他の高さが選択され得るが、他の高さの使用は、ＬＥＤ２０の効率を低下し得る。一実施形態では、量子井戸領域と基板との間の界面と、基板の出射面との間の距離は、界面から出射面へ向かう直線の透過経路を有する全ての光線が、出射面で臨界角以下の入射角を有するようにさせる最小高さの、５％以内であり得る。
図１Ａに戻って、界面５０のサイズおよび形状、出射面５５のサイズおよび形状、界面５０と出射面５５との間の距離の選択された境界条件を使用して、基板１０の側壁（例えば、側壁６０、側壁６５、および他の側壁）が、側壁の内側に入射する光を出射面５５に導いて、所望の光出力プロファイル（例えば、強度プロファイル、発散度プロファイル、または他の光出力プロファイル）を生成するように成形され得る。ほとんどの用途に対して、所望の強度プロファイルは均一、またはほぼ均一であるが、側壁の高さおよび形状を変化することによって、他の分布プロファイルが達成され得る。
概略的には、側壁形状は、側壁に入射するあらゆる光線が、出射面５５へ反射され、かつ、臨界角以下で出射面５５に入射するように（すなわち、出射面５５で内部反射によっていかなる損失も生じないように）決定される。これは、図１Ａにおいて光線７０によって示され、光線７０は、出射面５５に向けて反射され、θｃ以下である入射角８０を有するように、側壁６５に対してθｃよりも大きな入射角７５を有する。一実施形態では、側壁は、側壁の内面に当たる全ての光線が、出射面５５に向けて全反射され、出射面５５に臨界角以下で入射するように成形されるが、一部の損失を許容する他の側壁形状が、使用され得る。
図１Ｂに戻って、図１Ｂは、ＬＥＤ２０の別の実施形態の図形的表現である。ＬＥＤ２０は、基板１０と、量子井戸領域１５とを備える。量子井戸領域１５は、一般的にＩｎＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＰ、またはＡｌＧａＮのような化合物半導体である、発光領域２５を含む。量子井戸領域１５からの光子は、界面５０を通って基板１０に入射し得る。図１Ｂでは、量子井戸領域が、光を界面５０および／または出射面５５に適切に導くように成形されていないので、量子井戸領域内でＴＩＲによって、より多くの損失が生じ得る。図１Ａおよび図１Ｂの実施形態では、一部の側壁形状が、ＬＥＤ２０によって発生される全ての光を出射面５５の外に導かない場合があるが、出射面５５を出ない光の一部は側壁６５から放射され、出射面５５の近くに放射され得るので、ＬＥＤ２０によって発生される光を有用に取り込むことができる。
図４Ａは、側壁形状を決定するためのＬＥＤのモデル、すなわちＬＥＤの基板の断面の図形的表現である。側壁形状は、コンピュータ支援設計を使用して決定され得る。側壁のモデルは、コンピュータ支援設計パッケージ、および、適切な側壁形状を決定するために行われるシミュレーションにおいて生成され得る。
一実施形態に従って、各側壁は、各ファセットが平坦な部分である、ｎ個のファセットに分割され得る。例えば、側壁１００は、連続曲線ではなく、１５個の平坦なファセット１０２ａ〜１０２ｏで作られている。各ファセットの変数は、以下で述べるように、満足なプロファイルが達成されるまで、繰り返し調節され得、得られた分布プロファイルが解析される。１５個のファセットの実施例が使用されているが、各側壁は、２０個以上のファセットを含む、多数のファセットに分割され得る。
各ファセットは、基板内の光線の特定のサブセットの反射に関して解析され得る。この対象領域は、「視角（ａｎｇｕｌａｒ ｓｕｂｔｅｎｃｅ）」として定義され得る。ファセットに対する視角は、所定の点から放射される光線の角度に関して定義され得る。選択される点は、ファセットに対して最も高い入射角度を有する光線を与える点であることが好ましく、なぜならば、そのような光線は、そのファセットにおいてＴＩＲを最も生じにくいからである。例えば、正方形の界面領域を有する基板では、この点は、界面の対向縁上の点である。
一実施形態に従って、選択されたＡ１、Ａ２、および高さに対して、事前に別の側壁によって反射されることなく所与の側壁（例えば、側壁１００）に入射する任意の光の、最大角度９５が決定され得る。本実施例では、点１１５から放射した光線１１０が、側壁１００に対する最大角度９５を確立する。角度９５の最大値が４８度であり、側壁１００に対して１５個のファセットがある場合には、各ファセットは（視角は、均一に分布するものと仮定する）、角度９５の３．２度の角度幅（ｄｅｇｒｅｅ ｂａｎｄ）に対応する（例えば、第１のファセットは、０度から３．２度までの間の角度９５で点１１５から放射した光線が入射する領域であり、第２のファセットは、３．２度から６．４度までの間の角度９５で点１１５から放射した光線が入射する領域である、などなど）。
各ファセットに対して、出射角、ファセットのサイズ、傾斜角、またはファセットの他のパラメータが、ファセット上に入射する全ての光がＴＩＲを行い、それらが臨界角以下の入射角で出射面５５上に入射するように、出射面５５に向けて反射されるように設定され得る。側壁はまた、好適にも、断面図内に見られる光線のみが、側壁に１度だけ当たるように成形される。しかしながら、断面の面外に、側壁からの追加的な反射が存在し得る。完全な三次元解析の場合には、コーナ部近くの第１の側壁に当たる光線は、その後、第１の側壁に隣接する第２の側壁で反射し、そこから出射面に向かい得る。曲線あてはめまたは他の数値解析が、所望のファセットに最も適合する湾曲した側壁形状を生成するために実施され得る。図４Ａでは、例えば、側壁１０５は、一組の平坦なファセットではなく、湾曲している。
各ファセットに対する変数を最適化するために、シミュレートされた検出器平面１２０が確立され得る。検出面１２０は、独立に入射パワーを記録するための、ｘ個の検出器を含み得る。基板を通過する光のシミュレーションが実行され得、検出面１２０によって受光される強度および放射照度の分布が解析され得る。強度および放射照度の分布が特定の用途を満たしていない場合には、満足な強度プロファイル、発散度プロファイル、または他の光出力プロファイルが得られるまで、ファセットの角度および視角が調節され、新しい湾曲面が生成され、シミュレーションが再実行され得る。近視野と遠視野との両方のパターンを確実に満足させるために、追加的な検出面が解析され得る。代替案として、シミュレーション（単数または複数）は、湾曲面ではなくファセットを使用して実行され得、所望の光出力プロファイルが達成された後に、表面の湾曲が決定される。さらに別の実施形態では、側壁は、ファセットのままで残され、いかなる湾曲も生成されないようにすることができる。
別の実施形態に従って、側壁形状は、各平面ファセットが放物線の一部分の線形近似を表す、複数の放物線に基づいて選択され得る。例えば、図４Ｂは、ＬＥＤの一部分４００の図形的表現である。図４Ｂでは、仮想光線４１０は、放物線４１５の焦点４１２から放射され、側壁４２０と交差するように描かれており、該光線は、ＴＩＲのために側壁４２０で反射され、基板を通過して臨界角未満の出射角４４０で出射面４３０と交差し、基板から空気または他の媒体内に出射する。図４Ｂから明らかなように、基板から空気への移行時に、光線４１０は、スネルの法則によって説明されるように屈曲する。側壁の接点が放物線から決定され、側壁に入射および反射する光線が同じ媒体内にあるので、光線は、放物線の光軸と平行になる。かくして、光は、半角４５０で投射される。側壁４２０の形状を定義する視角は、光線４１０が所望の出射角４４０で出射面４３０を通過するか、または所望の半角４５０で光を投射するように、仮想光線４１０が側壁４２０で反射するように調節され得る。
一実施形態では、側壁を製造するとき、または側壁の視角を計算するときには、視角の影響が、基部の近くでの反射に対してより大きく、すなわちより鋭敏になるので、側壁の基部に向かって(すなわち、量子井戸領域に近づくにつれて)より細かい視角が使用され得、かくして、より細かい視角が側壁により良好なＴＩＲ特性をもたらし、一方で、視角の影響が少ない基部から離れたところでは、視角は粗くてもよい。したがって、側壁のファセットは、成形基板ＬＥＤの基部へ向かって数値的に大きくなり得る。一実施形態では、側壁は、２０個以上のファセットを有し得、側壁の基部ではファセットはより細かくなり、ファセットは１つ以上の視角を近似する。
ファセットは、放物線４１５の一部分４１７の線形近似であり得る。放物線４１５のパラメータは、部分４１７上に入射する全ての光線が出射面４３０にむけて反射し、その結果として、光線が臨界角以下の出射角４４０を有するという、部分４１７が所望の目的を達成するまで、調整され得る。各ファセットは、異なるパラメータを有する放物線から形成され得る。したがって、ある視角に対するファセットは、隣接するファセットではなく放物線に基づき得る。２０個のファセットの側壁は、例えば、２０個の異なる放物線に基づき得る。
図４Ｃは、側壁のファセットが、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｅｘｃｅｌ（ＭｉｃｒｏｓｏｆｔおよびＥｘｃｅｌは、Ｒｅｄｍｏｎｄ、ＷａｓｈｉｎｇｔｏｎにあるＭｉｃｒｏｓｏｆｔ社の商標である）を使用して定義され得ることを示す、図形的表現である。Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｅｘｃｅｌのグラフ化機能は、１２５で示される、側壁形状のグラフを生成するために使用され得る。同じ一般的形状が各側壁に使用され得、または異なる形状が異なる側壁に使用され得る。規定された側壁形状を有する（または、規定されたファセットに基づいた湾曲した側壁を有する）成形基板は、例えば、Ｚｅｍａｘ光学設計プログラム（Ｚｅｍａｘは、Ｂｅｌｌｅｖｕｅ、ＷａｓｈｉｎｇｔｏｎにあるＺｅｍａｘ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ社の商標である）で解析され得る。コンピュータシュミレーションがＺｅｍａｘで実行され、光線トレース、ならびに強度および放射照度分布プロファイルを作成し得る。得られた強度および放射照度プロファイルが不満足な分布を有するか、または成形基板の透過効率が低過ぎる場合には、種々のファセットの変数が調節され、シミュレーションが再度実行され得る。このプロセスは、ファセットの変数を自動的に調節するコンピュータプログラムの使用によって、自動化され得る。
より詳細には、図４Ｃは、スプレッドシート５００を表し、該シートは、視角の仕様を通じて、グラフ５１０に示されるような側壁形状を設計するために使用され得る。投射半角の列５５０は、図４Ｂの投射半角４５０に対応する複数の角度を含む。出射角の列５４０ａ（ラジアン）および５４０ｂ（度）は、図４Ｂの出射角４４０に対応する複数の出射角を含む。より具体的には、列５４０ａの角度の全てまたは１つのサブセットは、臨界角未満の角度であり得、その結果として、そのような角度で出射面と交差する光線は、出射面を通過し、基板を出る。列５４０ａおよび５４０ｂは、異なる放物線を定義する複数の焦点を含む、放物線焦点の列５６０を展開するために使用され得る。視角の列５６５は、複数の角度（ラジアン）を含み、該角度は、量子井戸領域からの光線が側壁で反射して、臨界角未満で出射面から出るように側壁形状を画定するために、放物線焦点の列５６０と併せて使用され得る視角の限界を定義する。放物線焦点の列５６０および視角の列５６５に含まれる値を使用して、シータの列５７０および半径の列５７５が展開され得、列５７０および列５７５内の対応する値は、視角に対する所望の放物線上の点に対応する。次いで、シータの列５７０および半径の列５７５は、視角に対する放物線を近似する、側壁上の点に対するデカルト座標（例えば、座標変換の列５７７）を展開するために使用され得る。
例えば、ユーザは、ＬＥＤのサイズ（すなわち、基板と量子井戸領域との間の界面の面積）、および材料の屈折率を規定し得る。１のサイズおよび屈折率１．７７を有するＬＥＤの例を使用すると、画面５００の中の行は、以下のように完成され得る。ユーザは、空気中の出射角（空気は、ＬＥＤがその中で動作する媒体であると仮定する）を、列５５０に規定し得る。第１の行の例では、ユーザは、５５．３７９２度を選択している。基板内の出射角は、ｓｉｎ（５５．３７９２／１８０＊π）／１．７７、すなわち列５４０ａの０．４６４９３２３ラジアンのように計算され得る。列５４０ｂは、ａｓｉｎ（０．４６４９３２３）／π＊１８０＝２７．２０５８４０７のように計算され得る。放物線の焦点は、１（サイズ）／２＊（１＋ｃｏｓ（π／２−２７．２０５８４０７／１８０＊π））＝０．７３２４６６のように計算され得る。視角の列５６５は、次の列の数字（特定のファセットの相対的サイズを表す）に基づいて、（９０−２７．７０５８０４７）／２０＝３．１１４７０８のように計算され得る。シータの列５７０は、選択されたファセットの数（この実施例では２０）を使用して計算され得る。例えば、第１の行ではシータは、（９０−２７．７０５８４０７）＋３．１１４７０８＊２０＝１２４．５８８３のように計算される。第１のファセットに対する放物線の半径（列５７５）は、２＊０．７３２４６６／（１＋ｃｏｓ（１２４．５８８３／１８０＊π））のように計算され得る。座標変換の列５７７の内容は、第１の行に対して次のように計算され得る。：ｘ＝−３．３８８５＊ｃｏｓ（１２４．５８８３／１８０＊π）＝１．９２３５７３；ｙ＝−３．３８８５＊ｓｉｎ（１２４．５８８３／１８０＊π）＝２．７８９５９４、Ｘ＝１．９２３５７３＊ｃｏｓ（２７．７０５８４０７／１８０＊π）＋２．７８９５９４＊ｓｉｎ（２７．７０５８４０７／１８０＊π））；Ｙ＝２．７８９５９４＊ｃｏｓ（２７．７０５８４０７／１８０＊π）−１．９２３５７３＊ｓｉｎ（２７．７０５８４０７／１８０＊π）−１（サイズ）／２＝１．０７５４５２、およびＹ’＝−Ｙ。次いで、Ｘ、Ｙ座標は、Ｅｘｃｅｌにおける形状あてはめチャートのためのデータ点入力として使用され得る。例えば、グラフ５１０は、Ｘ列およびＹ列に基づいたものである（グラフ５１０において、Ｙ列の値がｘ軸座標として使用され、Ｘ列の値がｙ軸座標として使用される）。ＸおよびＹの値に加えて、開始値（例えば、０．５および０）が設定され得る。グラフ５１０による形状が、光学設計パッケージおよびシミュレーション計算に入力され得る。シミュレーションが不満足であった場合には、ユーザは、満足なプロファイルが達成されるまで、スプレッドシート５００の値を調節し得る。
一実施形態では、満足な光透過効率、ならびに放射照度および強度プロファイルが達成されたときに、規定のパラメータを有する基板を備えたＬＥＤが製造され得る。そのようなＬＥＤの一実施例が図４Ｄに示され、該図は、光線が側壁から出射面へ向けて反射されるようにＴＩＲを生じるように成形された側壁を有する基板を有する、ＬＥＤの一実施形態の図形的表現である。本実施形態では、各側壁形状は、種々のファセットによって定義されるように、複数の輪郭表面を重ね合せたものである。製造の可能性を容易にするために、曲線あてはめが実行され得るが、他の実施形態は、ファセットにした側壁を保持し得る。図４Ｄでは、量子井戸領域の面積が、正方形または長方形のように示されているが、これは例示のためのものであって、限定するためのものではない。例えば、量子井戸領域の面積の形状は、例えば円形、長方形、三角形等の、種々の形状のうちの任意のものであり得る。同様に、ＬＥＤの出射面の形状は、例えば円形、長方形、三角形等の、種々の形状のうちの任意のものであり得る。
図１Ａおよび図１Ｂに戻ると、図１Ａおよび図１Ｂに関して上述したように、種々の境界条件、特に基板１０の出射面５５の面積は、光が保存されるように、基板１０に対して決定される。出射面５５の最小面積は、上述の方程式１によって決定され得、それは種々の有効立体角に依存する。一般的に、光の有効立体角は、ランバートの（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）エミッタとして放射するが、対象の距離が源のサイズよりもはるかに大きいので点として扱われる、理想化された源から導出された方程式に基づいて決定される。ランバートのエミッタの観察された放射強度（フラックス／ステラジアン）は、源の垂線に対する角度とともに、その角度のコサインに従って変化する。これは、放射輝度（フラックス／ステラジアン／ｍ２）は全ての方向で同じままであるが、観察された角度が垂直から９０度まで増加するにつれて、エミッタの有効面積がゼロにまで減少するために生じる。この影響の全半球上での積分は、πステラジアンに等しい、投射立体角の値をもたらす。
図５を参照して、所与の半径（Ｒ）の球１３０が、点源１３２を囲むものと仮定する（この例では、点源１３２は、十分な距離においてランバートの源を近似する）。球の半球の投影面積はπＲ２であり、全球の投影面積は２πＲ２である。このモデルは、ＬＥＤを設計するために使用され得、なぜならば、量子井戸領域と基板との間の界面はランバートのエミッタとしてモデル化され得、その結果として、界面を中心として置かれた仮想半球上の任意の点から、界面上の所与の点が同じ放射輝度を有するからである。面積Ａ３は、対象のビームの立体角によって範囲が定められる、平坦で円形の面（例えば、面１３６）として、垂直な光線から球面の交差点までの距離である、円の半径１３４（Ｒｃ）を使用して計算され得る。ビームの所与の半角１３７をθとすると、Ｒｃは、Ｒ（球の半径）と角度θの正弦との積であり、次式のようになる。
Ｒｃ＝Ｒ＊Ｓｉｎ（θ） ［方程式３］
面積は、次式のようになる。
Ａ３＝πＲｃ ２＝π（Ｒ＊Ｓｉｎ（θ））２ ［方程式４Ａ］
面積Ａ３は、立体角が球体と交差するときの、立体角の投影面積である。面積Ａ３は、半球の投影面積（Ａｈ＝πＲ２）で除算され、次式のように、その商に全半球の投影立体角（πに等しい）を乗じて、投影立体角Ωを求める。
Ω＝π＊（所望の立体角の投影面積）／（半球の投影面積） ［方程式４Ｂ］
Ω＝（π）＊［｛π（Ｒ＊Ｓｉｎ（θ））２｝／（πＲ２）］ ［方程式４Ｃ］
＝π＊Ｓｉｎ２（θ） ［方程式５］
例えば、図１の界面５０に対して、θは９０度であり、投影立体角はπ＊Ｓｉｎ２（９０）＝πとなり、３０度の所望の立体角に対しては、投影立体角はπ＊Ｓｉｎ２（３０）＝π／４である。これらの値を方程式１のΩ１およびΩ２に使用して、任意の半角に対してＡ２が決定され得る。
上述の例では、立体角は、点源としてモデル化されたランバートの源から導出される方程式を使用して決定される。これらの方程式は、光が、正方形、長方形、円形、楕円形、または他の形状であり得る界面を通過して、量子井戸領域から入射し得るという事実を考慮していない。上述の方法は、立体角の良好な推定を提供し得、それは、必要に応じて、経験的またはコンピュータシミュレーション試験に基づいて後で調節され得るが、有効立体角を決定する他の方法が、使用され得る。
図６Ａ〜図６Ｅは、ＬＥＤの基板のための有効立体角を決定するための別の方法を説明する。図６Ａは、成形基板１６０（図６Ｂに示される）の界面１５０および出射面１５５、ならびに光が投射される仮想標的平面１５６の、一実施形態の図形的表現である。図６Ａは、有効な発生源１５２、中心垂線１５３、および有効な出力源１５４の位置の例を示す。さらなる考察のために、界面１５０の中心は、デカルト座標系の０，０，０にあるものと仮定する。標的平面１５６は、結果として生じるパターンのパラメータ（例えば、サイズ、および他の光学系によって使用される半角）を表す。一実施形態に従って、対角の半角（図６Ｂにα１として示される）が、出発点である。例えば、標的平面１５６における所望の光が、３０度の最大半角を有する場合には、正方形または長方形の面を有する基板のα１は３０度である。成形基板１６０内の半角（β１として、図６Ｃに示される）は、次いで、次式によって決定され得る。
ｎ２Ｓｉｎ（α１）＝ｎ１Ｓｉｎ（β１） ［方程式６］
ここで、ｎ１は、成形基板１６０のＩＯＲであり、
ｎ２は、光が、成形基板１６０から投射される材料（一般的に空気）のＩＯＲであり、
α１は、基板の外部にある媒体（一般的に空気）内の出射面の半角であり、
β１は、基板内の所望の半角である。
例えば、所望の半角α１が３０度であり、ＩＯＲが１．７７である成形基板が、ＩＯＲが１である空気中に投射する場合には、β１＝１６．４１度、となる。類似した計算が、入射面１５０の長側面および短側面上の点から投射する光線に対して実行され得る。例えば、図６Ｂおよび図６Ｃに示されるように、界面１５０上の一方の縁部の中心から、出射面１５５の対向する縁部の中心へと進む光線に対して、α２およびβ２が決定され得る。（臨界角は、１６．４１で同じであるが、β１はβ２と同じではない。β２は、成形基板の側部のジオメトリおよび高さによって決定される。）
計算された角度を使用して、有効な点源の位置が決定され得る。長さ１１の正方形界面１５０に対して、有効な点源は、Ｘ＝０、Ｙ＝０に位置し、かつ、
Figure 2010506402
 であり、ここで、Ｚｅｐｓは、有効な点源が成形基板１６０の入射面１５０から移動した距離である。
有効な点源から点Ｆ１およびＦ２までの距離Ｘ、Ｙ、およびＺは、Ｆ１が単位半径の球と交差すると仮定して、次式に従って計算され得る。
ＸＦ１＝ｃｏｓ（ψ１）ｓｉｎ（β１） ［方程式８］
ＹＦ１＝ｓｉｎ（ψ１）ｓｉｎ（β１） ［方程式９］
ＺＦ１＝ｃｏｓ（β１） ［方程式１０］
ＸＦ２＝０ ［方程式１１］
ＹＦ２＝ｃｏｓ（ψ２）＊ｓｉｎ（β１） ［方程式１２］
ＺＦ２＝ｃｏｓ（β１） ［方程式１３］
ここで、図６Ｃに示されるように、ψ１は、Ｘ−Ｙ平面内の対角光線の角度（正方形の場合は４５度）であり、ψ２は、Ｘ軸に平行な側部の中央から投射する光線に関して、９０度である。図６Ａに示されるように、１５６は、４点で球面と交差し、角度β２の大きさは、臨界角β１の大きさ未満であるので、点Ｆ２に対する値は、角度β１を有する対角線を側部の光線の平面上に投影することに基づいて計算される。予め計算されたジオメトリに基づく類似した方法が、他の点を決定するために使用され得る（例えば、点Ｔ１およびＴ２の位置は、点Ｆ１およびＦ２の位置、および標的平面１５６での光の所望の半角に基づいて決定され得る）。
図６Ｄは、出射面１５５に対する球１５９上に、および標的平面１５６に対する球１６１上に投射された、対角光線および短側部からの１つの光線を示す。出射面１５５に関して、球１５９での縁部光線の交差点の出射面１５５の平面上への投影は、楕円セグメントを形成する。同様に、標的表面の縁部での屈折した出射光線の投射は、球１６１と交差する。図６Ｅは、例えば、球１６１と交差する標的表面１５６の縁部１６３によって形成される平面内にある光線の円形の交差点（１６２で示す）、および標的表面１５６上へのその交差点の投影（１６４で示す）を示す。標的平面の正方形を囲む楕円セグメントのそれぞれの面積を計算し、それを標的平面の面積に加えることによって、標的平面の全投影面積が求められる。方程式４Ｂを使用して、標的平面に対する有効立体角が決定され得る。同様に、球１５９および光線によってその上に形成された楕円セグメントを使用することによって、ＬＥＤに対する有効立体角が決定され得る。例えば、全投影面積は、上述のように決定されて、方程式４Ｂに「所望の立体角の投影面積」として挿入される。
一具体例として、正方形の界面および出射面を有する基板を有するＬＥＤを使用し、３０度の半角で光を投射する上述の方法を使用することで、空気中の標的に対して、０．５５２ステラジアンの有効立体角が得られる。対照的に、半角が３０度の投射仕様を有する従来の円形の投影面積を使用すると、０．７８５ステラジアンの有効立体角が得られる。次いで、これらの値が方程式１で使用されるとき、所与のＩＯＲおよびフラックスに対して、従来の（円形の）計算では、約３０％だけ小さい所要の出射面積が得られる。本手法を使用してシステムを設計した場合には、適用可能な物理的過程（すなわち、放射輝度の保存）は、最適設計よりも３０％だけ光出力を低減する。逆に、上述の修正した有効立体角の使用は、円形の計算によって達成可能な光出力よりも、４２％多い光出力を発生する出射面の面積を算出する。
ＬＥＤの有効立体角を決定する特定の方法が上述されたが、従来技術で公知の、または開発された任意の方法が使用され得る。代替案として、光を保存する最小表面積は、経験的に決定され得る。さらに、上述の最小面積の計算は、光が、量子井戸領域と基板との間の界面の表面全体を通過して基板に入射するものと仮定しているが、物理的デバイスでは、光は、界面の表面全体を通過して均一な分布で基板に入射しないことがあり得る。出射面の最小面積の計算は、界面の面積のサイズに完全に基づくのではなく、界面を通過する光の実際の分布を考慮するように調整され得る。一実施形態では、光が基板に入射する界面の実際の面積が、Ａ１として使用され得る。
ＬＥＤの実施形態は、基板材料およびフレネル損失に応じて、最高８９％の理論的効率（１１％のフレネル損失のために、基板に入射する光の８９％が、所望の半角で放射されることを意味する）で、光を１０度から６０度までの間の所望の円錐角の中に投射し得る。フレネル損失が無ければ、効率は１００％となり得る。７０％の効率であっても、ＬＥＤの実施形態は、他のＬＥＤ技術よりも高い効率を提供し、一方で、近視野および遠視野の両方において、均一またはほぼ均一の強度分布を可能とする。
基板と空気（または他の媒体）との界面でのフレネル損失は、基板の出射面に反射防止被覆を適用することによって、解決され得る。使用され得る反射防止被覆は、当業者に公知の任意のものであり、単層ＭｇＯまたはＭｇＦ、多層膜被覆、または他の反射防止被覆を含む。反射防止被覆の利用を通じて、フレネル損失は低減または消去され得、ＬＥＤの光出力効率を増加する。
ＬＥＤの一実施形態は、２つ以上の出射面を有し得る。例えば、成形基板は、ＬＥＤによって発生される実質的に全ての光を、２つ以上の出射面を通じて、ＬＥＤから出射させ得る。図７は、２つ以上の出射面を有するＬＥＤ７００の一例の図形的表現である。図７には、ＬＥＤ７００の出射面７１０ａおよび７１０ｂが示されている。２つ以上の出射面を有するＬＥＤは、半球よりも大きい立体角で光を放射し得る。出射面から出射する光を最大にするために、２つ以上の出射面を有する基板の側壁は、複数の湾曲した、またはファセットにした表面を有し得る。
２つ以上の出射面を有するＬＥＤに関しては、ＬＥＤの放射の立体角が半球よりも大きくなるように（また、投射立体角がπよりも大きくなるように）することが可能である。この一例は、ＬＤＥが、単一の平面出射面の代わりに、一組の四角錘の出射面を有する場合である。ＬＥＤの基板の側壁が、界面を通過して基板に入射する光を、臨界角を超えない角度で出射面に当たるように、４つの出射面のうちの１つに導くように成形された場合には、基板に入射する全ての光は、４つの出射面のうちの１つを通過してＬＥＤから出射し得る。
角錐の面は、一平面内になく、互いに角度を有するので、その出射面に対する臨界角で出射面に当たる任意の光線は、９０度の出射角に屈折する。このように定義される全立体角空間は、従って、４つの出射面の角度関係の関数となる。エタンデュの方程式を満たすために、この例の４つの出射面は、その構造に対する有効立体角を使用して計算された値に少なくとも等しい、全表面積を有さなければならない。
この複数の出射面を有する構造は、さらに、放射輝度を保存する方法で構成され得る。すなわち、出射面の全投射面積を計算値と等しくすることによって、また、側壁を出射面の各部分に均一な光の分布を提供するように設計することによって、放射輝度は保存され得る。出射面が、所要の値よりも大きく作製された場合には、基板に入射する光は、それに応じた光度の減少を伴なって、出射面を通過して出射し得る。
複数の出射面を有する成形基板のさらなる実施形態は、成形基板の側壁自体が出射面であるというものである。所与の光線の入射する点に応じて、光線は、臨界角を超えない角度で所与の側壁に当たってその側壁を通過し得るか、または、臨界角を超える角度で当たって別の面または側壁に内部反射し得る。
側壁の出射面および側壁が、界面上の任意の点から基板に入射する任意の光線が側壁の出射面を通過するように設計された場合には、基板に入射する全ての光が、基板から出射する。
複数の出射面を有する成形基板ＬＥＤは、広い面積の放射が必要な、一般的な照明用途での使用に適し得る。このようなＬＥＤは、ＬＥＤによって生成された光をより小さな立体角に導く、追加的なレンズまたは反射要素と併せて使用され得る。
複数の出射面を有する、または、出射面として機能する側壁を有する成形基板の潜在的利益は、ＬＥＤがより小さな体積を有し得ること、または、湾曲した表面ではなく平面的な表面のような、より容易に製造される形状を有し得ることである。
ＬＥＤは、ＬＥＤのアレイとして配列され得る。ＬＥＤのアレイは、所望の量の光および所望の光パターンを生成するために使用され得る。例えば、ＬＥＤは、正方形または他の形状に配列され得る。所望の量の光を生成するためにＬＥＤのアレイを使用することは、単一のＬＥＤを使用する場合よりも、より効率的であるか、またはより少ない空間を費やし得る。ＬＥＤのアレイは、製造中に形成され得る。例えば、ＬＥＤのアレイは、同じウエハから形成され得る。図８Ａでは、ＬＥＤアレイ８００は、同じウエハから形成されたＬＥＤ８１０ａ〜８１０ｃを備える。ウエハ材料８２０は、ＬＥＤ８１０ａ〜８１０ｃを形成するために除去される。ＬＥＤ８１０ａは、点８３０ａでＬＥＤ８１０ｂとつながっている。同様に、ＬＥＤ８１０ｂは、点８３０ｂでＬＥＤ８１０ｃとつながっている。かくして、基板材料を選択的に除去することによって、ＬＥＤのアレイが形成され得る。図８は、ＬＥＤのアレイを形成する１つの方法を表し、例示的なものであって、限定するものではない。当業者に公知の、ＬＥＤのアレイを形成するための他の方法が、本発明の範囲に含まれる。
ＬＥＤのアレイを使用する１つの利点は、アレイ状の複数のＬＥＤの成形基板が、同じ量の光出力を有する単一のＬＥＤの成形基板よりも薄くできることである。加えて、小型ＬＥＤのアレイは、単一のＬＥＤよりも効率的であり得る。すなわち、ある量の入力パワーを消費する小型ＬＥＤのアレイは、出力面のサイズおよび入力パワーが同じである単一の大型ＬＥＤよりも、多くの光を生成し得る。
ＬＥＤの一部の実施形態は、従来のＬＥＤよりも厚い基板を利用し得るので、保持デバイスが、ＬＥＤをＬＥＤパッケージ内に固定するために使用され得る。機械的な取り付けデバイス（例えば、成形プラスチック、金属、または他の材料）が、単一または複数のＬＥＤをＬＥＤパッケージ内に固定し得、またはＬＥＤと接触して垂直力を生成しＬＥＤを適所に保持し得る。横方向の動きは、取り付けデバイスとＬＥＤとの間の摩擦力によって防止され得る。デバイスは、基板と同じＩＯＲを有し得、その結果として、基板から出射する光線は、取り付けデバイスを通過する時に偏向されない。取り付けデバイスは、レンズ、材料層、または基板から出射した光が通過する他の表面のような、二次光学要素を含み得る。結果として、取り付けデバイスは、出力ビームを成形またはさらに限定するように、追加的に機能し得る。図９Ａ〜図９Ｃは、ＬＥＤ９１０を固定するために使用され得る、保持デバイス９００ａ〜９００ｃの種々の例の図形的表現である。図９Ｂの保持デバイス９００ｂは、ＬＥＤ９１０からの光をさらに集中し得る、レンズ９２０ｂを含む。図９Ｃの保持デバイス９００ｃは、ＬＥＤ９１０からの光をさらに集中し得る、反射焦点調整デバイス９２０ｃを含む。一実施形態では、反射焦点調整デバイス９２０ｃは、複合放物面集光器である。
１つ以上の方法が、ＬＥＤまたはＬＥＤの基板を成形または形成するために使用され得る。以下に記載する基板の成形方法は、例示的なものであり、多数の利用可能な方法のサブセットを含む。以下に記載する方法、およびＬＥＤまたは光学要素の業界で使用される他の方法が、ＬＥＤを製造するために使用され得る。材料を除去することによってＬＥＤまたは基板を成形するために、単独で、または組み合わせて使用され得る方法は、エッチング、レーザアブレーション、ウォータジェット切断、超音波除去、および機械的除去を含む。
エッチングは、高度に制御された様態で、基板材料を除去して適切な形状を得る化学プロセスである。一般的に、ウェットエッチングおよびドライエッチングの２種類のエッチング方法がある。ウェットエッチングは、基板材料を除去するために液体相エッチング液の使用を伴う。ドライエッチング、プラズマエッチング、およびリアクティブイオンエッチングでは、イオンが生成されて、基板上に与えられる。そこで、化学反応または粒子運動量のいずれかに基づいて、材料が基板から除去される。
基板材料のウエハ（量子井戸領域を備える材料をさらに含み得る）から始まり、特定のパターンのフォトレジストが、ウエハの一側面上に堆積され得る。次いで、ウエハがエッチングされる。ウエハ上のフォトレジストによって覆われた場所はエッチングされないが、フォトレジストが無い場所は、材料が除去される。フォトレジストの縁部に所望の輪郭を達成するために、プロセスを調整する多数の方法がある。例えば、フォトレジストの厚い層が適用され、次いで、エッチングプロセス中に犠牲的に除去され得るか、または、他の犠牲層がフォトレジストと併せて使用され得る。これらの層は、ＬＥＤ基板の所望の輪郭を生成するような方法で、エッチング液によって経時的に除去される。これは、成形基板を生成するために、正確にウエハをエッチングするために利用され得る。別の方法は、複数のレジストおよび複数のエッチングステップを使用する。各フォトレジストおよびエッチングステップが、小さい材料層を除去するために使用され得る。複数の小さいステップが、所望の三次元形状を得るために使用され得る。
図１０は、エッチングの例の図形的表現である。図１０では、ウエハ１０００は、成形基板１０３０ａ〜１０３０ｃを形成するためにエッチングされる。フォトレジスト１０１０が、所望のパターンでウエハ１０００の表面に適用され、その結果として、ウエハ１０００の表面の部分がフォトレジスト１０１０で覆われる。フォトレジスト１０１０の適用の後に、フォトレジストが適用されたウエハ１０００の同じ表面に、エッチング液が適用される。エッチング液は、基板材料１０２０を除去して、成形基板１０３０ａ〜１０３０ｃを形成する。フォトレジストおよびエッチング液は、所望の側壁形状を達成するために、逐次の層に、逐次のパターンで適用され得る。
エッチングパラメータは、基板材料に基づき得る。エッチング速度は、エッチング液および基板によって変化する。サファイアおよび炭化ケイ素のような、ＬＥＤ用途に使用される基板材料に対して、リアクティブイオンエッチングを使用したエッチング速度は、毎分２５０ｎｍから２．５μｍまでの間の範囲であり得、これは、商業生産の場合には減速し得る。炭化ケイ素は、上述のエッチング速度の上限にあり、一方で、サファイアは、その下限にある。
レーザアブレーションは、高出力レーザを使用して、量子井戸領域または基板材料を除去または放出することによって、ＬＥＤを製造するプロセスである。各レーザパルスは、微量の材料しか除去しない。レーザは、後続の各パルスによって材料を除去するために平行移動され得る。Ｘ−ＹおよびＺ方向に平行移動することによって、三次元形状が除去され得る。レーザアブレーションの実施形態は、エッチングよりも速く基板を成形するために使用され得る。公知の手法を使用して、レーザアブレーションは、炭化ケイ素およびサファイアにおいて、毎分約５００μｍから１ｍｍまでの間の厚さを除去し得る。
図１１は、レーザアブレーションの図形的表現である。レーザ１１１０がウエハ１１００に適用され、基板材料１１２０を除去して、成形基板１１３０ａ〜１１３０ｂを形成する。
ウォータジェットが、ウエハを除去して所望の形状の基板を形成するために使用され得る。ウォータジェットアブレーションの一実施形態では、短パルスの水が、段階的にウエハを除去するために使用され得る。水のパルスを使用してウエハを除去するプロセスは、レーザアブレーションに関して上述したプロセスに類似し得る。ウォータジェットアブレーションの一実施形態では、ウォータジェットを使用して特定の角度でウエハを完全に切断し、次いで、角度をわずかに変えて、ウォータジェットを使用してわずかに高い角度でウエハを切断し、最終的に所望の形状の基板を製造する。さらなる一実施形態では、ウォータジェットは、材料を切除する速度を増加するために、研磨材料（例えば、工業用ダイヤモンド粒子）を添加され得る。
別の選択肢は、研削、ミリング、鋸引き、超音波研削、研磨、穿孔、または機械的除去の他のシステムまたは方法によって、材料を機械的に除去するものである。機械的除去を通じて、材料を除去して１つ以上のＬＥＤを成形するための多数の方法がある。例えば、鋸引きブレード（一般的に、ダイヤモンド研削ホイール）が、ウエハを複数のＬＥＤまたは基板にダイシング加工するために使用され得る。鋸引きブレードは、除去プロセス中にブレードに生じる軽微な材料の損失を考慮して（すなわち、ブレードは、最初に、サイズをわずかに大きくされ得る）、１つ以上の側壁の逆形状を有するように調製される。次いで、ブレードはウエハを鋸引きするために使用される。鋸引きブレードの回転は、それが切断するときに基板の側壁を研磨し得る。各切断が、隣接する基板の側壁を形成する。一実施形態に従って、鋸は、最初に１つの軸で複数の切断を行い、次いで、その軸と直交する方向に切断を行って、成形基板を形成する。材料の機械的除去は、段階的に行われ得る。
図１２Ａ〜図１２Ｂは、鋸引きブレードを利用したＬＥＤの形成の図形的表現である。図１２Ａでは、成形基板の所望の側壁の逆形状を有する鋸引きブレード１２１０が、ウエハ１２００に適用される。図１２Ｂは、ウエハ１２００に完全に篏入され、側壁１２２０ａおよび１２２０ｂを形成したときの、鋸引きブレード１２１０を示す。図１３Ａおよび図１３Ｂは、ウエハ１２００に鋸引きブレード１２１０を適用した後の、ウエハ１２００の上面の図形的表現である。基板材料を機械的に除去した後に、成形基板は、成形基板内のＴＩＲを高めるために研磨され得る。
材料のウエハを除去して成形基板を形成する上述の方法が、個々に説明されたが、上述の方法は組み合わされ得る。例えば、適切に湾曲した側壁形状を確保するために、機械的除去とウォータジェットアブレーションとの組み合わせを使用することが可能であり得る。同様に、ＬＥＤを製造するためにウエハから基板材料を除去する方法および手法の種々の組み合わせが、基板材料に応じて適切に使用され得る。加えて、超音波加工のような他の方法が、成形基板を形成するために使用され得る。超音波研削がまた、基板を成形するために使用され得る。超音波研削の実施形態では、１つ以上のＬＥＤの逆形状を有するツールが、研磨剤を含んで基板材料と接触し、ツールは、超音波で振動して、基板材料にスクラビング／スカッフィング作用を引き起こし、その結果として、材料が除去されて成形基板が製造される。
上述の実施形態は、材料のウエハからのＬＥＤの形成を説明しているが、ＬＥＤの製造に利用される成形基板は、棒状の基板材料から形成され得、または基板材料から個々に形成され得る。
ＬＥＤの一実施形態では、ＬＥＤは、個々に製造され得る。例えば、個々の成形基板は、それが正確に配置されるように、受け取りツール内に載置され得る。側壁は、レジスト材料、受け取りツール内の遮蔽構造、または他の保護物のような、保護物によって保護され得る。所望のエピタキシャル層が成形基板の基部に堆積され得、そして、ＬＥＤを製造する。さらなる例として、個々の成形基板は、高温ガラスのような成形可能な材料で作製され得る。ガラス製成形基板は、次いで、低温エピタキシャル成長法を使用して、所望のエピタキシャル層を基部上に堆積することによって、ＬＥＤに作られ得る。
一部の場合には、ＬＥＤを使用した白色光の発生が望まれ得る。これは、単色（例えば、青色）の短波長ＬＥＤからの光を、その光を吸収して、ヒトの眼が白色光として知覚する波長の光を再放射する、蛍光体または他の粒子に当てることによって達成され得る。蛍光体または他の粒子は、白色光を生成するＬＥＤの実施形態で使用され得る。図１４は、ＬＥＤ２０の一実施形態を示す。蛍光体または他の粒子は、量子井戸領域１５と基板１０との間の界面５０に配置され得る。そのような場合には、基板１０に入射する光は、ヒトの眼で見たときには白色光となる。蛍光体はまた、基板１０の出射面５５の後に配置され得る。一実施形態に従って、粒子の層は、出射面５５を被覆し得る。他の実施形態に従って、粒子は、出射面と接触するかまたは出射面からオフセットされた、材料の別の部品上に配置され得る。例えば、蛍光体は、ＬＥＤ２０の出射面５５を覆うがこれと接触しない、レンズの内面上に配置され得る。
ＬＥＤの単一または複数の出射面を被覆することは、白色光ＬＥＤ製造の単純化をもたらし、その結果として、白色光ＬＥＤの製造コストを削減し得るという、製造上の利点を有し得る。例えば、成形基板ＬＥＤが形成されるウエハの一側面が、白色光を放射するために励起され得る蛍光体または他の粒子を含有する層で被覆（すなわち、粒子被覆）され得る。粒子被覆で被覆されていないウエハの側面は、アブレーションされ得る。複数のＬＥＤを製造するためにウエハがアブレーションされたときに、ＬＥＤは、白色光の生成に必要な粒子被覆を有する出射面を有する。さらに、成形基板は、基板に入射する光の大部分を、既知の単一または複数の出射面に導くので、特定の単一または複数の出射面を被覆することは、白色光を発生するうえで高い効率を有し得る。したがって、成形基板の使用は、粒子被覆によってＬＥＤの側壁または側壁の一部を被覆する必要性を排除し得る。かくして、粒子被覆を各ＬＥＤに個々に適用する必要が無くなる。粒子被覆をウエハの側面に適用することは、粒子被覆を個々のＬＥＤに適用するよりも安価であり得る。基板の側壁は、粒子被覆との相互作用によって基板内へ後方散乱される光が、部分的または完全に再利用され得るように、設計され得る。白色光を生成するためにナノ粒子をＬＥＤと併せて利用することは、光の偏向を最小にし、したがって、後方散乱される光を最小化し、出射面から放射される光を最大にする。
ＬＥＤの量子井戸領域内で発生される熱は、蛍光体粒子またはナノ粒子の劣化の原因となる。現在のＬＥＤでは、蛍光体は、整合的にＬＥＤチップを被覆する。発熱密度はチップで最も高く、したがって、蛍光体はかなりの熱を受ける。出射面を蛍光体で被覆した成形基板を有するＬＥＤの実施形態では、基板の高さによって、出射面が発熱する量子井戸領域から離されるので、蛍光体の劣化が低減される。したがって、厚い基板を有し、結果的に量子井戸領域から離れた出射面を有するＬＥＤは、既存の設計のものよりも長く、所望の品質の白色光を発生し得る。
ＬＥＤの実施形態の潜在的用途は、携帯電話のディスプレイの照明を含む。現在のシステムは、一般的に、白色光を発生するために、リンを充填したカプセル化材料を有する、３つの側面放射の青色ＬＥＤを使用する。ＬＥＤの側部は一般的に不透明であり、生成される光の大部分は側壁によって吸収される。これによって、５０％を超える光が吸収されて失われる。加えて、カプセル化材料と空気との界面での屈折率の変化は、臨界角を超える角度で界面に当たる出射光線に対してＴＩＲ条件を作り出す。これによって、界面で約４４％の損失が生じる。成形基板ＬＥＤの実施形態は、発生される光の８０％を光導体に供給することができ、システムの輝度の極めて大きな改善をもたらす。
ＬＥＤの実施形態の別の潜在的用途は、携帯電話のカメラ用フラッシュとしての使用である。現在のシステムは、一般的に、ガウスエネルギー分布を有するＬＥＤを使用し、それは、画像の中心に非常に明るい領域を生成し、縁部に暗い領域を生成し、対象物の不均一な照明を生じる。さらに、現在のフラッシュユニットのビーム形状は円形であるが、一方で、ＣＣＤカメラで撮影される画像は長方形である。加えて、カプセル化材料と空気との界面での屈折率の変化は、臨界角を超える角度で界面に当たる出射光線に対してＴＩＲ条件を作り出す。これによって、界面での損失が生じ、それは、出射立体角の関数である。ＬＥＤの実施形態は、これとは逆に、長方形または正方形のフラッシュを提供し得、ＬＥＤの基板に入射する光の８０％が、均一な分布で画像領域に提供される。これは、従来技術のＬＥＤフラッシュシステムとは対照的に、より均一な場面照明およびより高レベルの照明をもたらす。
ＬＥＤの実施形態の別の潜在的用途は、液晶ディスプレイ（「ＬＣＤ」）のバックライトである。従来のＬＣＤシステムは、赤色、緑色、および青色ＬＥＤの直線アレイを使用する。ＬＥＤからの光は、混光導体内に導かれて、色および強度の均一性を提供する。一般的に、ＬＥＤは、ＬＥＤを覆って配置されたドームを有し、光は、光を光導体に導くために楕円形の反射器によって取り込まれる。楕円形の反射器は、点源に対しては良好に機能するが、ＬＥＤは点源ではなく、光線の一部は、光導体内部の焦点に到達しない。さらに、ドームのカプセル化材料からの光の一部は、１８０度を超える角度で放射されるので、光の一部は、基板、ＰＣＢ板、および他の構成要素によって吸収される。さらに、ドームは、ドーム内の空洞のサイズに対して大きいので、一般的に、ある割合の光が屈折される。これらの損失は、乗算されるので、ＬＥＤから元々放射された光のわずかな割合だけが、実際に光導体に到達する。
ＬＥＤの実施形態は、これに対して、ＬＥＤの基板に入射する光の最大８０％を（フレネル損失を想定して）、所望の円錐角で光導体に提供し得る。その結果として、現在のシステムで可能なものと同じ結果を達成するために、低パワーＬＥＤが使用され得、または、同じパワー消費レベルでより多くの光が供給され得る。実際に、一部の実施形態では、光導体は必要でなく、ＬＥＤのアレイが、直接ＬＣＤをバックライトするために使用され得る。
ＬＥＤの実施形態の別の潜在的用途は、車のヘッドライト、フラッシュライト、デジタル光処理（「ＤＬＰ」）システム、および他のデバイスである。ＬＥＤの形状は、所望の投射円錐およびビームプロファイルを提供するように選択され得る。さらに、ＬＥＤとコンデンサーレンズ、または、米国特許出願第１１／６４９，０１８号「ＳＥＰＡＲＡＴＥ ＯＰＴＩＣＡＬ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＤＩＲＥＣＴＩＮＧ ＬＩＧＨＴ ＦＲＯＭ ＡＮ ＬＥＤ」に記載された主光学デバイス（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｏｐｔｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ：ＰＯＤ）のような、他の光学デバイスとの組み合わせは、狭立体角（約０．１ステラジアン以下）の放射を可能にし、一方で、放射輝度を保存し、非常に小さい容量でそれを実行する。このような組み合わせは、フラッシュライト、スポットライト、または他の任意の狭ビーム用途に適用可能である。
米国特許出願第１１／６４９，０１８号「ＳＥＰＡＲＡＴＥ ＯＰＴＩＣＡＬ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＤＩＲＥＣＴＩＮＧ ＬＩＧＨＴ ＦＲＯＭ ＡＮ ＬＥＤ」には、主光学デバイス（「ＰＯＤ」）が記載されている。本明細書に記載のシステムおよび方法の実施形態は、ＰＯＤデバイスとは異なり、ＰＯＤデバイスを超える顕著な利点を提供する。ＰＯＤデバイスは、ＬＥＤから放射された光を集中するために、ＬＥＤと併せて使用される受動光学要素である。ＰＯＤデバイス自体は、光を発生することができず、他の源によって発生される光を方向付ける。ＰＯＤは、一般的に、ＩＯＲが約１．５である材料で作製される。したがって、ＬＥＤからＰＯＤデバイスに入射し得る光の量は、ＬＥＤ材料からＰＯＤデバイス材料へのＩＯＲの変化によって制限される。対照的に、本開示は、それ自体の量子井戸内で発生される光をそれ自体が収集して方向付けるＬＥＤに関する。理論的に、ＬＥＤの基板内の全ての光が取り込まれ、方向付けられ得る。基板材料が、量子井戸領域材料のＩＯＲと等しいＩＯＲ，またはより高いＩＯＲを有する場合には、ＬＥＤの量子井戸領域によって発生される全ての光が取り込まれ、方向付けられ得る。ＰＯＤデバイスでは、これは不可能であり得る。ＬＥＤ自体の量子井戸領域によって発生される光を取り込み、方向付けるようにＬＥＤを成形することは、追加的な光学構成要素を必要とせずに多くの用途で使用され得る、単一のＬＥＤをもたらす。
図１５Ａおよび図１５Ｂは、単一のウエハ１５００の中に作製された複数のダイの配置の、別の実施形態の図形的表現である。この場合には、ダイは、相互により密にパックされ、側壁形状は、上述された任意の方法で形成されるが、しかし、側壁の切り込み深さが大幅に減少されている。例えば、上述の実施形態の厚さ３ｍｍのウエハの場合には、側壁形状は、深さ２．７５ｍｍに切り込まれ、残りの０．２５ｍｍで全てのダイを一緒に保持する。図１５の例では、切り込み深さは約１ｍｍだけであり、残りの約２ｍｍがダイを一緒に保持する。これは、製造中の取り扱いに対してより丈夫なウエハを作り出し、ダイを互いにより密にパックすることを可能にする。これは、ウエハあたりのダイの数を、ウエハあたり約１．５倍〜２．４倍に多くすることになる。ウエハへの全ての操作が終了した後に、ダイは、例えば薄い鋸引きブレード（約０．１ｍｍ幅）を有するダイヤモンド鋸引きによって分離される。鋸引きブレードによって生成された表面は、その領域内で意図された側壁形状にほぼ近似し得、かつ、適切に研磨された表面を提供し得、その結果として、さらなる工程は不要となる。代替案として、個々のダイに関して、側壁のその部分を仕上げ形成および研磨するために、その後の操作が行われ得る。
本開示は、特定の実施形態を説明しているが、実施形態は例示的なものであり、本発明の範囲は、それらの実施形態に限定されるものではないことが理解されるべきである。上述の実施形態に対して、多くの変形、修正、追加、および改良が可能である。例えば、提供された種々の範囲および寸法は、一例として提供されたものであり、ＬＥＤは、他の寸法を使用して他の範囲内で動作可能である。例えば、成形基板は、サファイアおよび炭化ケイ素に関して説明されているが、光を通すことができる他の基板が使用され得る。例えば、基板は、ガラスまたはダイヤモンドで作製され得る。一実施形態では、基板は、成形可能なガラスから成形され得、費用効果、および成形の容易な基板を提供する。これらの変形、修正、追加、および改良は、以下の特許請求の範囲に詳述される本発明の範囲に含まれるものと考えられる。

Claims (50)

  1. 光を発生するように動作可能な量子井戸領域と、
    該量子井戸領域との界面を有する成形基板であって、該量子井戸領域によって発生された光が該界面を通過する、成形基板と、
    を備える、ＬＥＤであって、
    該成形基板は、
    該界面に対向し、かつ該界面からある距離を置いた出射面であって、該基板は、該界面を通って該成形基板に入射する該光の一部が、該出射面を通って該成形基板から出射するように成形され、該出射面は、該成形基板から投射される光の所望の半角に対して、放射輝度を保存するために必要な最小面積の少なくとも７０％を有する、出射面と、
    一組の側壁であって、各側壁は、該界面からその側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも大部分が、該出射面での臨界角以下である該出射面への入射角で、該出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形される、側壁と、
    を備える、
    ＬＥＤ。
  2. 前記量子井戸領域は、前記基板に適合して成形される、請求項１に記載のＬＥＤ。
  3. 前記出射面は、少なくとも、放射輝度を保存するために必要な最小面積を有する、請求項１に記載のＬＥＤ。
  4. 前記界面は長方形の形状であり、光が前記出射面を出るときの有効立体角は、該界面の形状を占めるように決定される、請求項１に記載のＬＥＤ。
  5. 前記距離は、前記界面から前記出射面に向かう直線の透過経路を有する全ての光線が、該出射面での前記臨界角以下である入射角を有するような、最小距離の５０％以内である、請求項１に記載のＬＥＤ。
  6. 各側壁は、前記界面から該側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも８０％が、前記出射面での臨界角以下である該出射面への入射角で、該出射面に向けて反射されるように配置され、かつ成形される、請求項１に記載のＬＥＤ。
  7. 前記側壁の前記形状は、所望の光出力プロファイルを生成するように選択される、請求項１に記載のＬＥＤ。
  8. 前記出射面は、前記界面に対して平行であり、かつ回転整列され、該出射面は、該界面の形状と同じ形状およびアスペクト比を有する、請求項１に記載のＬＥＤ。
  9. 白色光を生成するために所望の波長を放射することが可能な光ルミネッセンス材料の層をさらに備える、請求項１に記載のＬＥＤ。
  10. 光を発生するように動作可能な量子井戸領域と、
    該量子井戸領域との界面を有する成形基板と、
    を備える、ＬＥＤであって、
    該成形基板は、
    該界面に対向し、かつ該界面からある距離を置いた出射面であって、該基板は、該界面を通って該成形基板に入射する該光の一部が、該出射面を通って該成形基板から出射するように成形され、該出射面は、該成形基板から投射される光の所望の立体角に対して、放射輝度を保存するために必要な最小面積の少なくとも７０％を有する、出射面と、
    一組の側壁であって、各側壁は、該界面からその側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも一部が、該出射面での臨界角以下である該出射面への入射角で、該出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形される、側壁と、
    を備え、
    該出射面の面積、距離、および側壁形状は、１０度から６０度までの間の半角で光を投射するように選択される、
    ＬＥＤ。
  11. 前記界面は長方形の形状を有し、光が前記出射面を出るときの有効立体角は、該界面の形状の面積を占めるように決定される、請求項１０に記載のＬＥＤ。
  12. 前記距離は、前記界面から前記出射面に向かう直線の透過経路を有する全ての光線が、該出射面での前記臨界角以下である入射角を有するような、最小距離の５０％以内である、請求項１０に記載のＬＥＤ。
  13. 各側壁は、前記界面から該側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも８０％が、前記出射面での臨界角以下である該出射面への入射角で、該出射面に向けて反射されるように配置され、かつ成形される、請求項１０に記載のＬＥＤ。
  14. 前記出射面は、前記界面の形状と同じ形状およびアスペクト比を有し、該出射面は、該界面に対して平行であり、かつ回転整列される、請求項１０に記載のＬＥＤ。
  15. 白色光を生成するために所望の波長を放射することが可能な光ルミネッセンス材料の層をさらに備える、請求項１０に記載のＬＥＤ。
  16. 前記量子井戸領域は、前記基板に適合して成形される、請求項１０に記載のＬＥＤ。
  17. 前記側壁の前記形状は、所望の光出力プロファイルを生成するように選択される、請求項１０に記載のＬＥＤ。
  18. 前記出射面は、少なくとも、放射輝度を保存するために必要な最小面積を有する、請求項１０に記載のＬＥＤ。
  19. 光を発生するように動作可能な量子井戸領域と、
    該量子井戸領域との界面を有する成形基板と、
    を備える、ＬＥＤであって、
    該成形基板は、
    該界面に対向し、かつ該界面からある距離を置いた出射面であって、
    該基板は、該界面を通って該成形基板に入射する該光の一部が、該出射面を通って該成形基板から出射するように成形され、
    該出射面は、
    Figure 2010506402
     によって定義される最小面積の３０％以内である面積を有し、ここで、Φ１は、該界面を通過する光束であり、Φ２は、該出射面から出射する光束であり、かつΦ１に等しく、Ω１は、光が該界面を通過するときの有効立体角であり、Ω２は、光が該出射面を出るときの有効立体角であり、Ａ１は、該界面の面積であり、ｎ１は、該成形基板の屈折率であり、ｎ２は、該成形基板の外部にある媒体の屈折率であり、
    該距離は、少なくとも、該界面から該出射面に向かう直線の透過経路を有する全ての光線が、該出射面での臨界角以下である入射角を有するような、最小距離である、出射面と、
    一組の側壁であって、各側壁は、該界面からその側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも一部が、該出射面での該臨界角以下である該出射面への入射角で、該出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形される、側壁と、
    を備える、
    ＬＥＤ。
  20. 前記出射面の面積、距離、および側壁形状は、少なくとも７０％の効率および所望の光出力プロファイルで、１０度から６０度までの間の半角で光を投影するように選択される、請求項１９に記載のＬＥＤ。
  21. 前記量子井戸領域は、前記基板に適合して成形される、請求項１９に記載のＬＥＤ。
  22. 前記界面は長方形の形状を有し、光が前記出射面を出るときの前記有効立体角は、該界面の正方形の形状を占めるように決定される、請求項１９に記載のＬＥＤ。
  23. 白色光を生成するために所望の波長を放射することが可能な光ルミネッセンス材料の層をさらに備える、請求項１９に記載のＬＥＤ。
  24. 前記側壁の前記形状は、所望の光出力プロファイルを作成するように選択される、請求項１９に記載のＬＥＤ。
  25. 光を発生するように動作可能な量子井戸領域と、
    該量子井戸領域との界面を有する成形基板であって、該量子井戸領域によって発生された光が該界面を通過する、成形基板と、
    を備える、ＬＥＤであって、
    該成形基板は、
    少なくとも２つの出射面であって、該基板は、該界面を通って該成形基板に入射する該光の一部が、該少なくとも２つの出射面を通って該成形基板から出射するように成形され、該少なくとも２つの出射面は、放射輝度を保存するために必要な最小面積の少なくとも７０％である合計面積を有する、出射面と、
    一組の側壁であって、各側壁は、該界面からその側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも大部分が、その出射面での臨界角以下であるその出射面への入射角で、該２つ以上の出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形される、側壁と、
    を備える、
    ＬＥＤ。
  26. ＬＥＤから投射される光の所望の半角に対して、放射輝度を保存するために必要な最小面積の少なくとも７０％を有する、該ＬＥＤの成形基板部分の出射面のサイズを決定するステップと、
    該出射面と、該成形基板部分と該ＬＥＤの量子井戸領域との間の界面、との間の距離を決定するステップと、
    各側壁が、該界面からその側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも大部分を、該出射面での臨界角以下である該出射面への入射角で、該出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形されるように、該ＬＥＤの該成形基板部分の一組の側壁の形状および位置を決定するステップと、
    該決定された、該出射面のサイズ、該一組の側壁の形状および位置、および該出射面と該界面との間の距離に従って、該ＬＥＤの該基板部分を形成するステップと、
    を包含する、ＬＥＤを製造する方法。
  27. 前記成形基板部分が形成された後に、前記ＬＥＤの前記量子井戸領域を形成するために、１つ以上の層を該成形基板部分上に堆積するステップを包含する、請求項２６に記載の方法。
  28. 基板と、前記ＬＥＤの量子井戸領域のための１つ以上の層と、を提供するステップと、
    該ＬＥＤの前記成形基板部分を形成するために、該基板から材料を除去するステップと、
    をさらに包含する、請求項２６に記載の方法。
  29. 前記基板から材料を除去するステップは、超音波除去プロセス、レーザアブレーション、またはウォータジェット切断のうちの１つを使用して、材料を除去するステップをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
  30. 前記基板から材料を除去するステップは、前記ＬＥＤの成形基板部分の所望の形状の逆形状を有するブレードで、該基板を切断または研削するステップをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
  31. 前記基板から材料を除去するステップは、該基板をエッチングするステップをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
  32. 前記基板から材料を除去する前に、該基板を光ルミネッセンス層で被覆するステップをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
  33. 前記基板を成形するステップと併せて前記ＬＥＤの前記量子井戸領域を成形するステップをさらに包含する、請求項２６に記載の方法。
  34. 前記ＬＥＤは、所望の光出力プロファイルを達成するように成形される、請求項２６に記載の方法。
  35. 前記出射面の前記サイズは、少なくとも、放射輝度を保存するために必要な前記最小面積を有するように選択される、請求項２６に記載の方法。
  36. 基板と、ＬＥＤの量子井戸領域のための１つ以上の層と、を備えるウエハを提供するステップと、
    該ＬＥＤの成形基板部分を形成するために、該基板を研削するステップと、
    を包含する、ＬＥＤを成形する方法であって、
    該成形基板部分は、
    該ＬＥＤの該量子井戸領域との界面に対向し、かつ界面からある距離を置いた出射面であって、該成形基板から投射される光の所望の半角に対して、放射輝度を保存するために必要な最小面積の少なくとも７０％を有する、出射面と、
    一組の側壁であって、各側壁は、該界面からその側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも大部分が、該出射面での臨界角以下である該出射面への入射角で、該出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形される、側壁と、
    を備えるように、成形される、
    方法。
  37. 前記基板を研削するステップは、成形ダイヤモンド研削ホイールで該基板を研削するステップを包含する、請求項３６に記載の方法。
  38. 前記基板を研削するステップは、
    第１の軸に沿って、少なくとも該基板厚さの途中まで、該基板に複数の切り込みを作るステップと、
    複数のＬＥＤのための成形基板部分を作成するために、該第１の軸に対してある角度を成す第２の軸に沿って、少なくとも該基板厚さの途中まで、該基板に切り込みを作るステップと、
    を包含する、請求項３６に記載の方法。
  39. 前記基板を成形するステップと併せて前記ＬＥＤの前記量子井戸領域を成形するステップをさらに包含する、請求項３６に記載の方法。
  40. 前記ＬＥＤは、所望の光出力プロファイルを達成するように成形される、請求項３６に記載の方法。
  41. 前記出射面は、放射輝度を保存するために必要な最小面積を有する、請求項３６に記載の方法。
  42. 基板と、ＬＥＤの量子井戸領域のための１つ以上の層と、を備えるウエハを提供するステップと、
    該ＬＥＤの成形基板部分を形成するために、該基板をエッチングするステップと、
    を包含する、ＬＥＤを成形する方法であって、
    該成形基板部分は、
    該ＬＥＤの該量子井戸領域との界面に対向し、かつ該界面からある距離を置いた出射面であって、該成形基板から投射される光の所望の半角に対して、放射輝度を保存するために必要な最小面積の少なくとも７０％を有する、出射面と、
    一組の側壁であって、各側壁は、該界面からその側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも大部分が、該出射面での臨界角以下である該出射面への入射角で、該出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形される、側壁と、
    を備えるように、成形される、
    方法。
  43. 前記基板をエッチングするステップは、該基板をドライエッチングするステップをさらに包含する、請求項４２に記載の方法。
  44. 前記基板をエッチングするステップは、該基板をウェットエッチングするステップをさらに包含する、請求項４２に記載の方法。
  45. 前記基板をエッチングするステップは、多重エッチレジストエッチングプロセスを使用して、該基板をエッチングするステップをさらに包含する、請求項４２に記載の方法。
  46. 前記基板を成形するステップと併せて前記ＬＥＤの前記量子井戸領域を成形するステップをさらに包含する、請求項４２に記載の方法。
  47. 前記ＬＥＤは、所望の光出力プロファイルを達成するように成形される、請求項４２に記載の方法。
  48. 前記出射面は、少なくとも、放射輝度を保存するために必要な最小面積を有するように成形される、請求項４２に記載の方法。
  49. 基板と、ＬＥＤの量子井戸領域のための１つ以上の層と、を提供するステップと、
    該ＬＥＤの成形基板部分を形成するために、該基板から材料を除去するステップと、
    を包含する、ＬＥＤを製造する方法であって、
    該成形基板部分は、
    該ＬＥＤから投射される光の所望の半角に対して、放射輝度を保存するために必要な最小面積の少なくとも７０％である、合計面積を有する２つ以上の出射面と、
    一組の側壁であって、各側壁は、界面からその側壁に向かう直線の透過経路を有する光線の少なくとも大部分が、その出射面での臨界角以下であるその出射面への入射角で、該２つ以上の出射面の出射面に向けて反射するように配置され、かつ成形される、側壁と、
    を備える、
    方法。
  50. 前記２つ以上の出射面は、少なくとも放射輝度を保存するために必要な最小面積である、面積を有する、請求項４９に記載の方法。
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