JP2021517736A - 高効率マイクロｌｅｄ - Google Patents

Abstract

高効率を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）が本明細書に開示される。半導体層内の活性発光層を含む発光ダイオードが提供される。半導体層はメサ形状を有する。発光ダイオードはまた、半導体層が位置付けられる第１の表面、および第１の表面と相対した光取り出し面を有する基板を含む。活性発光層によって生成された光は、光取り出し面に入射し、かつ光取り出し面の下流の光学素子に向けて伝搬する。発光ダイオードはまた、光取り出し面に隣接する第１の反射防止膜、光取り出し面と光学素子との間の屈折率整合材であって、屈折率整合材の屈折率は光学素子の屈折率以上である、屈折率整合材、および／または光取り出し面に隣接する二次光学系を含む。【選択図】図１２Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年３月３０日に出願された米国特許仮出願第６２／６５１，０４４号の優先権を主張する、２０１８年５月２日に出願された米国特許出願第１５／９６９，５２３号の優先権を主張するものであり、それらの内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は電気エネルギーを光エネルギーに変換する。半導体ＬＥＤでは、光は通常、半導体層内の電子およびホールの再結合によって生成される。ＬＥＤの分野での課題は、所望の方向に向けて放出された光をできるだけ多く抽出することである。半導体層の形状を調節すること、半導体層の表面を粗面化すること、および追加の光学系を使用して光の向きを変えるまたは集光することなど、さまざまなアプローチを使用してＬＥＤの効率を高めることができる。

マイクロＬＥＤは、ディスプレイ技術におけるさまざまな応用が開発されている。マイクロＬＥＤは非常に小さいチップサイズを有する。例えば、チップの線寸法は、５０μｍ未満または１０μｍ未満であってよい。該線寸法は２μｍまたは４μｍほどの大きさしかない。しかしながら、マイクロＬＥＤは典型的には、大電力ＬＥＤより低い効率を有する。大電力ＬＥＤは９０％までの光抽出効率（ＬＥＥ）を有し得るが、マイクロＬＥＤは典型的には、９０度の角度を有する放射コーン内では１０％ほどの、および１０度の角度を有する放射コーン内では０．５％ほどのＬＥＥを有する。例えば、図２９に示される平面ＬＥＤといった、大電力ＬＥＤまたはマイクロＬＥＤは、典型的には、およそ１２０度の半値全幅（ＦＷＨＭ）、およびおよそ６０度の半値半幅（ＨＷＨＭ）を有する平面ＬＥＤランバートパターン８３０を有する。図２９に示される半球形ＬＥＤ８１０と同様の縦型マイクロＬＥＤは典型的には、６０度以上のＨＷＨＭを有する半球形ＬＥＤパターン８４０を有し、ここで、側壁放射はウサギの耳形になり得る。さらに、放物型ＬＥＤ８２０は典型的には、６０度未満、典型的には２０度〜４０度のＨＷＨＭを有するより狭いプロファイルを有する放物型ＬＥＤ放出８５０を有する。それ故に、マイクロＬＥＤのＬＥＥを高めること、および出力ビームにより狭いビームプロファイルを与えることが有利であると思われる。

本開示は一般的に、改善された効率を有するマイクロＬＥＤに関する。ある特定の実施形態では、発光ダイオードは、半導体層内の活性発光層を含む。半導体層はメサ形状を有する。発光ダイオードはまた、半導体層が位置付けられる第１の表面、および第１の表面と相対した光取り出し面を有する基板を含む。活性発光層によって生成された光は、光取り出し面に入射し、かつ光取り出し面の下流の光学素子に向けて伝搬する。発光ダイオードはまた、光取り出し面に隣接する第１の反射防止膜、光取り出し面と光学素子との間の屈折率整合材であって、屈折率整合材の屈折率は光学素子の屈折率以上である、屈折率整合材、および／または光取り出し面に隣接する二次光学系を含む。

メサ形状は、平面、縦型、円錐形、半放物型、および／または放物型のものであってよく、メサのベース領域は、円形、矩形、六角形、および／または三角形のものであってよい。発光ダイオードは、メサ形状の外面上にリフレクタ層も含んでよい。リフレクタ層は、メサ形状の外面から順に、誘電性パッシベーション層、接着層、拡散バリア層、およびコーティング層を含んでよい。

屈折率整合材は光学素子に突き合わせ結合され得、光学素子は導波管を有してよい。半導体層は、基板に隣接するｎ側半導体層、および、活性発光層と相対したｐ側半導体層を含んでよい。

二次光学系は、活性発光層において焦点を有するレンズを含んでよい。レンズは球面レンズまたはフレネルレンズであってよい。レンズの直径は基板に隣接する半導体層の直径より大きくてよい。レンズは光取り出し面にエッチングされてよい。レンズは、レンズの横方向に沿った異なるレンズ形状、または、６０度以下の半値半幅（ＨＷＨＭ）を有する放射コーン内の発光ダイオードからの異なる光線群を取り出すように構成される、ドーナッツ状凹部領域および焦点を有してよい。

二次光学系は、実質的にシルクハット形状、および６０度以下の半値半幅（ＨＷＨＭ）を有するビームプロファイルを有する光を放出するように構成されてよい。二次光学系はまた、メサ形状のファセットに反射する光を平行にするように構成される追加の球面レンズを含んでよい。二次光学系は、光取り出し面と相対したレンズの表面上に第２の反射防止膜も含んでよい。二次光学系はまた、光取り出し面にエッチングされるグレーティングを含んでよく、グレーティングは、横磁気（ＴＭ）光と異なるパーセンテージで横電気（ＴＥ）光を反射する直線配列を含んでよく、発光ダイオードは偏光放射をもたらし得る。

光取り出し面からの光の放出方向に垂直な平面における光取り出し面の線寸法は、６０μｍ未満であってよい。発光ダイオードは、９０度の第１の角度を有する第１の放射コーン内で５０％〜８５％の第１の光抽出効率、および、１０度の第２の角度を有する第２の放射コーン内で２％〜６％の第２の光抽出効率を有してよい。

ある特定の実施形態では、発光ダイオードは、半導体層内の活性発光層を含む。半導体層はメサ形状を有する。発光ダイオードはまた、半導体層が位置付けられる第１の表面、および第１の表面と相対した光取り出し面を有する基板を含む。発光ダイオードはまた、メサ形状の外面上にリフレクタ層を含む。リフレクタ層は、メサ形状の外面から順に、誘電性パッシベーション層、金属層、拡散バリア層、およびコンフォーマルコーティング層を含む。

誘電性パッシベーション層の厚さは６０ｎｍ〜８０ｎｍであってよく、金属層の厚さは８０ｎｍ〜１２０ｎｍであってよく、拡散バリア層の厚さは２０ｎｍ〜３０ｎｍであってよく、コンフォーマルコーティング層の厚さは１１０ｎｍ〜１４０ｎｍであってよい。

誘電性パッシベーション層は、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ＨｆＯ、ＡｌＮ、および／またはＡｌＯを含むことができる。金属層は、Ａｇ、Ａｌ、またはＡｕを含んでよく、かつ誘電性パッシベーション層と拡散バリア層との間に接着をもたらすように構成されてよい。拡散バリア層は、Ｐｔ、Ｐｄ、ＷＴｉ、またはＷＮを含んでよい。コンフォーマルコーティング層は、ＡｕまたはＡｌを含んでよい。誘電性パッシベーション層および金属層は、リフレクタ層内の共鳴吸収損失を防止するように構成されてよい。

発光ダイオードはまた、光取り出し面と相対した半導体層の表面上にｐコンタクトを含んでよい。ｐコンタクトは、半導体層の表面から順に、金属層、拡散バリア層、およびコーティング層を含んでよい。

メサ形状は放物型であってよく、メサ形状は、およそ１．５μｍの高さを有してよく、メサ形状はおよそ３．０μｍの光取り出し面に平行な平面における最大直径を有することができる。発光ダイオードは、９０度の第１の角度を有する第１の放射コーン内で４５％〜５５％の第１の光抽出効率、および１０度の第２の角度を有する第２の放射コーン内で２％〜３％の第２の光抽出効率を有することができる。

活性発光層はメサ形状の焦点で配置されてよい。メサ形状のファセットは、ファセットにおける電子およびホールの非放射再結合を防止するのに十分平滑であり得る。

発光ダイオードは、活性発光層に注入されるイオンを含むこともできる。種々の原子は、活性発光層内に混合させてよい。活性発光層は量子ドットを含んでよい。活性発光層は横方向量子バリアを含んでよい。リフレクタ層は、８０％を上回る反射率を有することができる。

この要約は、特許請求される主題の重要なまたは本質的な特徴を特定することを意図するものでもないし、特許請求される主題の範囲を判断するために分離して使用されることも意図されていない。主題は、本開示の明細書全体の適切な部分、全ての図面またはいずれかの図面、およびそれぞれの特許請求項を参照することにより理解されるものとする。前述の事項については、他の特徴および例と共に、以下の明細書、特許請求の範囲、および添付の図面においてより詳細に後述される。さらなる詳細は付録で見出され得る。

例示的な実施形態について、以下の図を参照して詳細に後述する。

ある特定の実施形態による、ニアアイディスプレイを含む例示の人工現実システム環境の簡略化されたブロック図である。 さまざまなセンサを含む簡略化された例示のニアアイディスプレイの斜視図である。 本明細書に開示された例のいくつかを実装するためのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）デバイスの形態の例示のニアアイディスプレイの斜視図である。 本明細書に開示される例のいくつかを実装するための例示のニアアイディスプレイの例示の電子システムの簡略化されたブロック図である。 １つまたは複数の実施形態による、マイクロＬＥＤの一例の断面図である。 緑色光を放出するマイクロＬＥＤの動作電圧（Ｖ_ｏｐ）および光出力電力（ＬＯＰ）に対する実験データおよび模擬データの比較を示す図である。 シミュレーションした表面再結合のパーセンテージと共に、緑色光を放出するマイクロＬＥＤの外部量子効率（ＥＱＥ）に対する実験データおよび模擬データの比較を示す図である。 緑色光を放出するマイクロＬＥＤに対する実験データと模擬データとの追加の比較を示す図である。 緑色光を放出するマイクロＬＥＤに対する、内部量子効率（ＩＱＥ）模擬データおよび接合温度模擬データを示す図である。 １つまたは複数の実施形態によるマイクロＬＥＤの一例を示す図である。 図８Ａに示される緑色マイクロＬＥＤの角度に対するＬＥＥ模擬データを示す図である。 円錐形から放物型までの異なるメサ形状を有する緑色マイクロＬＥＤのさまざまな例を示す図である。 種々のリフレクタ層を有する緑色マイクロＬＥＤのさまざまな例を示す図である。 緑色マイクロＬＥＤの異なる例の光の入射角に対する反射係数のコヒーレント効果を含む波動光学計算を示す図である。 ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために光取り出し面上に種々の構成要素を有する緑色マイクロＬＥＤのさまざまな例を示す図である。 ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために光取り出し面上に種々の構成要素を有する赤色マイクロＬＥＤのさまざまな例を示す図である。 緑色マイクロＬＥＤに対する光取り出し面と光学素子との間に屈折率整合材を組み入れる効果を示す図である。 ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために異なる二次光学系を有する赤色マイクロＬＥＤのさまざまな例を示す図である。 ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために二次光学系を有する緑色マイクロＬＥＤの一例を示す図である。 ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために二次光学系を有する赤色および緑色マイクロＬＥＤの例を示す図である。 ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために二次光学系を有する赤色マイクロＬＥＤの例を示す図である。 ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために二次光学系を有する赤色および緑色マイクロＬＥＤの例を示す図である。 マイクロＬＥＤにおける光学系の光線追跡シミュレーションと組み合わせたＦＤＴＤ計算に基づく、偏光を放出する緑色マイクロＬＥＤの一例を示す図である。 偏光を放出することができるマイクロＬＥＤ構成の反射層設計に対する角度に応じた反射係数を示す図である。 放物型メサ形状を有する非回転対称楕円形ベースを有するメサを有するマイクロＬＥＤの一例を示す図である。 平面形状を有するメサの一例を示す図である。 垂直円錐形状を有する三角形メサの一例を示す図である。 マイクロＬＥＤで使用されてよい矩形ベース形状の一例を示す図である。 緑色マイクロＬＥＤにおける異なる非放射再結合速度に対する外部量子効率（ＥＱＥ）および表面再結合を示す図である。 赤色マイクロＬＥＤの一例を示す図である。 青色および緑色マイクロＬＥＤと比較した赤色マイクロＬＥＤに対するメサファセットにおけるシミュレーションした表面再結合速度を示す図である。 未処理の緑色、青色、および赤色マイクロＬＥＤに対するＥＱＥおよび表面再結合損失の比較を示す図である。 処理済みの緑色、青色、および赤色マイクロＬＥＤに対するＥＱＥおよび表面再結合損失の比較を示す図である。 活性発光領域内のメサファセットに対する横方向電子−ホール（ｅ−ｈ）拡散を低減することによって表面再結合を低減するための量子井戸（ＱＷ）混晶のような異なる方法の例を示す図である。 定められた電流開口に対する横方向イオン注入を行うことによって横方向電流拡がりを低減する方法の一例を示す図である。 異なるＬＥＤに対する遠方界放射パターンの比較を示す図である。

以下の説明には、解説の目的で、本開示の例を十分理解してもらうために具体的詳細が示されている。しかしながら、さまざまな例がこれら具体的詳細なく実践可能であることは明らかであろう。例えば、デバイス、システム、構造、アセンブリ、方法、および他の構成要素は、不必要な詳細で例を不明瞭にしないためにブロック図の形態の構成要素として示される場合がある。他の事例では、周知のデバイス、プロセス、システム、構造、および技法は、例を不明瞭にすることを回避するために必要な詳細なく示される場合がある。図および説明は制限することを意図するものではない。本開示で用いられている用語および表現は、説明の条件として使用され、限定するものではなく、示されかつ説明される特徴またはこの一部のいずれの同義語も除外するような用語および表現の使用を意図するものではない。

本明細書で使用されるように、紫外線（ＵＶ）光は、約１００ｎｍ〜約４４０ｎｍの波長を有する光を指す場合がある。可視光は、約３８０ｎｍ〜約７５０ｎｍの波長を有する光を指す場合がある。より具体的には、青色光は約４４０ｎｍ〜約４９５ｎｍの波長を有する光を指す場合がある。緑色光は約４９５ｎｍ〜約５７０ｎｍの波長を有する光を指す場合がある。赤色光は約５８０ｎｍ〜約７５０ｎｍの波長を有する光を指す場合がある。近赤外（ＮＩＲ）光は約７５０ｎｍ〜約２５００ｎｍの波長を有する光を指す場合がある。

本明細書で使用されるように、波長範囲に対する反射器は、波長範囲の入射光の少なくとも２０％、少なくとも５０％、少なくとも７０％、またはこれ以上を反射できる光学デバイスを指す場合がある。いくつかの反射器は、反射器の使用波長範囲外の入射光の、２０％未満、１０％未満、５％未満、１％未満、またはそれ未満を反射し得る。反射率は、波長範囲にわたる写真光学的に重み付けされた平均反射率または写真光学的な重み付けがない平均反射率、面法線に対する入射ビーム角の角度範囲、または波長範囲にわたる最低反射率のいずれかによって表されてよい。例えば、反射器は、金属被覆または誘導体薄膜を有する鏡、分布Ｂｒａｇｇ反射器（ＤＢＲ）、またはメタモルフィック層を含んでよい。

本明細書で使用されるように、マイクロＬＥＤは、５０μｍ未満、２０μｍ未満、または１０μｍ未満であるチップの線寸法を有するチップサイズを有するＬＥＤを指す場合がある。例えば、線寸法は２μｍまたは４μｍほどの大きさしかない場合がある。しかしながら、本明細書における開示は、マイクロＬＥＤに限定されず、小型ＬＥＤまたは大電力ＬＥＤに適用されてもよい。

本明細書に説明されるマイクロＬＥＤは、人工現実システムなど、さまざまな技術と併せて使用されてよい。人工現実は、例えば、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、混成現実、または、これらの何らかの組み合わせおよび／もしくは派生形を含んでよい、ユーザへの提示前に何らかのやり方で調節されている現実の形態である。人工現実コンテンツは、完全に生成されたコンテンツ、または取り込まれた（例えば、実世界の）コンテンツと組み合わせて生成されたコンテンツを含んでよい。人工現実コンテンツは、ビデオ、オーディオ、触覚フィードバック、もしくはこれらの何らかの組み合わせ、および（見る人に対して３次元効果を生じさせるステレオビデオなど）単一のチャネルまたは複数のチャネルにおいて提示されてよいもののいずれかを含んでよい。さらに、いくつかの実施形態では、人工現実はまた、例えば、人工現実においてコンテンツを作成するために使用される、および／または、その他の場合、人工現実において使用される（例えば、人工現実においてアクティビティを行う）、アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、またはこれらの何らかの組み合わせと関連していてよい。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、スタンドアロンＨＭＤ、モバイル機器もしくはコンピューティングシステム、または、一人または複数人の見る人に人工現実コンテンツを提供することが可能な任意の他のハードウェアプラットフォームを含む、さまざまなプラットフォーム上で実装されてよい。

仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、または複合現実（ＭＲ）システムなどの人工現実システムは、電子または光学ディスプレイを介してユーザにコンテンツを提示するように構成されるニアアイディスプレイ（例えば、ヘッドセットまたは１組の眼鏡）を含むことができ、場合によっては、ユーザへの提示のためのコンテンツを生成するように、および生成されたコンテンツを、提示するためのニアアイディスプレイに提供するように構成されるコンソールも含んでよい。提示されたコンテンツとのユーザの対話を改善するために、コンソールは、ユーザが見ている場所に基づいてコンテンツを修正するまたは生成することができ、これはユーザの眼を追跡することによって判断されてよい。眼を追跡することは、眼の瞳の位置および／もしくは形状、ならびに／または眼の回転位置（視線方向）を追跡することを含んでよい。眼を追跡するために、ニアアイディスプレイは、ニアアイディスプレイに装着されるまたはニアアイディスプレイ内の光源を使用してユーザの眼の表面を照射してよい。ニアアイディスプレイに含まれる画像デバイス（例えば、カメラ）はさらにまた、ユーザの眼のさまざまな表面に反射する光を取り込むことができる。ユーザの眼の角膜から鏡面反射した光は、取り込まれた画像に「グリント」をもたらし得る。瞳のみならずグリントを見るために眼を照射する１つのやり方は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の２次元（２Ｄ）配列を使用することである。これらのＬＥＤは、ユーザの視野の周辺に（例えば、視認光学系の周囲に）設置されてよい。質量中心アルゴリズムなどの技法を使用して取り込まれた画像における眼のグリントの場所を正確に判断することができ、眼の回転位置（例えば、視線方向）はさらにまた、取り込まれた画像内の眼（例えば、瞳の中心）の既知の特徴に対するグリントの場所に基づいて判断されてよい。

図１は、ある特定の実施形態による、ニアアイディスプレイ１２０を含む例示の人工現実システム環境１００の簡略化されたブロック図である。図１に示される人工現実システム環境１００は、それぞれがコンソール１１０に結合される、ニアアイディスプレイ１２０、外部画像デバイス１５０、および入力／出力インターフェース１４０を含んでよい。図１は、１つのニアアイディスプレイ１２０、１つの外部画像デバイス１５０、および１つの入力／出力インターフェース１４０を含む例示の人工現実システム環境１００を示すが、これらの構成要素の任意の数が人工現実システム環境１００に含まれてよい、または該構成要素のいずれかが省略されてよい。例えば、コンソール１１０と通信する１つまたは複数の外部画像デバイス１５０によって監視される複数のニアアイディスプレイ１２０があってよい。代替的な構成では、異なるまたは追加の構成要素が人工現実システム環境１００に含まれてよい。

ニアアイディスプレイ１２０は、ユーザにコンテンツを提示するヘッドマウントディスプレイであってよい。ニアアイディスプレイ１２０によって提示されるコンテンツの例には、１つまたは複数の画像、ビデオ、オーディオ、またはこれらの何らかの組み合わせが挙げられる。いくつかの実施形態では、オーディオは、ニアアイディスプレイ１２０、コンソール１１０、またはこの両方からオーディオ情報を受信し、かつオーディオ情報に基づくオーディオデータを提示する外部デバイス（例えば、スピーカおよび／またはヘッドホン）を介して提示されてよい。ニアアイディスプレイ１２０は、互いに強固にまたは柔軟に結合され得る１つまたは複数の剛体を含んでよい。剛体間の剛結によって、結合された剛体は単一の剛性エンティティとしての機能を果たすことができる。剛体間の非剛結によって、剛体は互いに対して移動可能になり得る。さまざまな実施形態では、１組の眼鏡を含む、ニアアイディスプレイ１２０は、任意の適した形状因子で実装可能である。ニアアイディスプレイ１２０のいくつかの実施形態はさらに、図２および図３に関して後述される。さらに、さまざまな実施形態では、本明細書に説明される機能性は、ニアアイディスプレイ１２０の外部の環境の画像と、コンソール１１０から、またはユーザに対するコンテンツを生成しかつ提供する任意の他のコンソールから受信されるコンテンツとを組み合わせるヘッドセットで使用されてよい。従って、ニアアイディスプレイ１２０、および本明細書に説明される視標追跡のための方法は、ユーザに拡張現実を提示するために生成されたコンテンツ（例えば、画像、ビデオ、音声など）によってニアアイディスプレイ１２０の外部の物理的な現実世界環境の画像を増大させることができる。

さまざまな実施形態では、ニアアイディスプレイ１２０は、ディスプレイエレクトロニクス１２２の１つまたは複数、ディスプレイ光学系１２４、１つまたは複数のロケータ１２６、１つまたは複数の位置センサ１２８、視標追跡ユニット１３０、および慣性計測装置（ＩＭＵ）１３２を含んでよい。ニアアイディスプレイ１２０は、さまざまな実施形態では、これらの要素のいずれかを省略してよい、または追加の要素を含んでよい。さらに、いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１２０は、図１と併せて説明されるさまざまな要素の機能を組み合わせた要素を含んでよい。

ディスプレイエレクトロニクス１２２は、コンソール１１０から受信されたデータに従ってユーザに画像を表示し得る。さまざまな実施形態では、ディスプレイエレクトロニクス１２２は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、マイクロＬＥＤディスプレイ、アクティブマトリックス式ＯＬＥＤディスプレイ（ＡＭＯＬＥＤ）、透明ＯＬＥＤディスプレイ（ＴＯＬＥＤ）、または何らかの他のディスプレイなどの１つまたは複数の表示パネルを含んでよい。例えば、ニアアイディスプレイ１２０の１つの実装形態では、ディスプレイエレクトロニクス１２２は、前面ＴＯＬＥＤパネル、後面表示パネル、および前面表示パネルと後面表示パネルとの間の光学部品（例えば、減衰器、偏光子、または回析膜もしくはスペクトル膜）を含んでよい。ディスプレイエレクトロニクス１２２は、赤、緑、青、白、または黄色などの主色の光を放出するための部分画素を含むことができる。いくつかの実装形態では、ディスプレイエレクトロニクス１２２は、画像奥行の主観的知覚をもたらすために２次元パネルによって生じたステレオ効果によって３Ｄ画像を表示可能である。例えば、ディスプレイエレクトロニクス１２２は、それぞれ、ユーザの左眼および右眼の正面に位置付けられた左ディスプレイおよび右ディスプレイを含んでよい。左ディスプレイおよび右ディスプレイは、立体感（すなわち、画像を見るユーザによる画像奥行の知覚）をもたらすために互いに対して水平に移行させた画像の複写を提示することができる。

ある特定の実施形態では、ディスプレイ光学系１２４は、光学的に（例えば、光導波管および結合器を使用して）画像コンテンツを表示する、またはディスプレイエレクトロニクス１２２から受信された画像光を拡大する、または画像光と関係がある光学誤差を補正する、およびニアアイディスプレイ１２０のユーザに補正された画像光を提示することができる。さまざまな実施形態では、ディスプレイ光学系１２４は１つまたは複数の光学素子を含んでよい。例示の光学素子には、基板、光導波管、開口、フレネルレンズ、凸レンズ、凹レンズ、フィルタ、または、ディスプレイエレクトロニクス１２２から放出される画像光に影響し得る任意の他の適した光学素子が挙げられ得る。ディスプレイ光学系１２４は、組み合わせた光学素子の対応する間隔および向きを維持するために異なる光学素子および機械的結合の組み合わせを含んでよい。ディスプレイ光学系１２４における１つまたは複数の光学素子は、反射防止膜、反射コーティング、フィルタ用コーティング、または種々の光学コーティングの組み合わせなどの光学コーティングを有することができる。

ディスプレイ光学系１２４による画像光の拡大によって、ディスプレイエレクトロニクス１２２を、より大きいディスプレイよりも、物理的に小さくし、軽くし、および電力消費を少なくすることが可能になる。さらに、拡大によって表示されたコンテンツの視野は増大し得る。いくつかの実施形態では、ディスプレイ光学系１２４は、ディスプレイエレクトロニクス１２２によって投影された画像光を拡大するためにディスプレイ光学系１２４とディスプレイエレクトロニクス１２２との間の間隔よりも長い効果的な焦点距離を有することができる。ディスプレイ光学系１２４による画像光の拡大量は、ディスプレイ光学系１２４から光学素子を追加するまたは除去することによって調節可能である。

ディスプレイ光学系１２４は、２次元光学誤差、３次元光学誤差、またはこれらの組み合わせなどの１つまたは複数のタイプの光学誤差を補正するように設計されてよい。２次元誤差は、２次元で生じる光学収差を含み得る。２次元誤差の例示のタイプには、たる形歪み、糸巻き形歪み、軸上色収差、および横色収差が挙げられ得る。３次元誤差は３次元で生じる光学誤差を含み得る。３次元誤差の例示のタイプには、球面収差、コマ収差、像面湾曲、および非点収差が挙げられ得る。いくつかの実施形態では、表示のためにディスプレイエレクトロニクス１２２に提供されるコンテンツは予歪させてよく、ディスプレイ光学系１２４は、予歪させたコンテンツに基づいて生成されたディスプレイエレクトロニクス１２２からの画像光を受ける時、歪みを補正することができる。

ロケータ１２６は、互いに対して、およびニアアイディスプレイ１２０上の基準点に対して、ニアアイディスプレイ１２０上の特定の位置に位置する物体であってよい。コンソール１１０は、人工現実ヘッドセットの位置、向き、またはこの両方を判断するために外部画像デバイス１５０によって取り込まれた画像におけるロケータ１２６を特定し得る。ロケータ１２６は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、コーナーキューブリフレクタ、反射マーカ、ニアアイディスプレイ１２０が動作する環境と対照をなす光源のタイプ、またはこれらの何らかの組み合わせであってよい。ロケータ１２６が能動素子（例えば、ＬＥＤ、または他のタイプの発光デバイス）である実施形態では、ロケータ１２６は、可視帯（例えば、約３８０ｎｍ〜７５０ｎｍ）において、赤外（ＩＲ）帯（例えば、約７５０ｎｍ〜１ｍｍ）において、紫外帯（例えば、約１０ｎｍ〜約３８０ｎｍ）において、電磁スペクトルの別の一部において、または電磁スペクトルの一部の任意の組み合わせにおいて、光を放出してよい。

いくつかの実施形態では、ロケータ１２６は、ニアアイディスプレイ１２０の外面の真下に位置し得る。ロケータ１２６とニアアイディスプレイ１２０の外部のエンティティ（例えば、外部画像デバイス１５０、ニアアイディスプレイ１２０の外面を見ているユーザ）との間のニアアイディスプレイ１２０の一部は、ロケータ１２６によって放出されるまたはこれに反射する光の波長を透過させてよい、またはロケータ１２６によって放出されるまたはこれに反射する光を実質的に減衰させないほど薄い。いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１２０の外面または他の一部は、可視帯で不透明であり得るが、ＩＲ帯では透明であり、ロケータ１２６は、外面の下にあってよく、かつＩＲ帯で光を放出してよい。

外部画像デバイス１５０は、コンソール１１０から受信した較正パラメータに基づいて低速較正データを生成してよい。低速較正データは、外部画像デバイス１５０によって検出可能なロケータ１２６の観測された位置を示す１つまたは複数の画像を含んでよい。外部画像デバイス１５０は、１つもしくは複数のカメラ、１つもしくは複数のビデオカメラ、ロケータ１２６の１つまたは複数を含む画像を取り込むことが可能な任意の他のデバイス、またはこれらの何らかの組み合わせを含むことができる。さらに、外部画像デバイス１５０は、（例えば、信号対雑音比を高めるために）１つまたは複数のフィルタを含んでよい。外部画像デバイス１５０は、ロケータ１２６から放出または反射した光を外部画像デバイス１５０の視野において検出するように構成されてよい。ロケータ１２６が受動素子（例えば、再帰反射器）を含む実施形態では、外部画像デバイス１５０は、ロケータ１２６のうちのいくつかまたは全てを照射する光源を含んでよく、ロケータ１２６は、外部画像デバイス１５０における光源に光を再帰反射し得る。低速較正データは、外部画像デバイス１５０からコンソール１１０に通信されてよく、外部画像デバイス１５０は、コンソール１１０から１つまたは複数の較正パラメータを受信して、１つまたは複数の画像パラメータ（例えば、焦点距離、焦点、フレームレート、センサ温度、シャッタ速度、開口など）を調節可能である。

位置センサ１２８は、ニアアイディスプレイ１２０の動きに応答して１つまたは複数の測定信号を生成してよい。位置センサ１２８の例には、加速度計、ジャイロスコープ、磁力計、他の動き検出もしくは誤差補正センサ、またはこれらの何らかの組み合わせが挙げられ得る。例えば、いくつかの実施形態では、位置センサ１２８は、並進運動（例えば、前方／後方、上／下、または左／右）を測定するための複数の加速度計、および回転運動（例えば、ピッチ、ヨー、または横揺れ）を測定するための複数のジャイロスコープを含むことができる。いくつかの実施形態では、さまざまな位置センサは互いに直角に配向されてよい。

ＩＭＵ１３２は、位置センサ１２８の１つまたは複数から受信された測定信号に基づいて高速較正データを生成する電子デバイスであってよい。位置センサ１２８は、ＩＭＵ１３２の外部に、ＩＭＵ１３２の内部に、またはこの何らかの組み合わせで位置してよい。１つまたは複数の位置センサ１２８からの１つまたは複数の測定信号に基づいて、ＩＭＵ１３２は、ニアアイディスプレイ１２０の初期位置に対するニアアイディスプレイ１２０の推定位置を指示する高速較正データを生成することができる。例えば、ＩＭＵ１３２は、速度ベクトルを推定するために加速度計から受信される測定信号を経時的に統合し、かつニアアイディスプレイ１２０上の基準点の推定位置を判断するために速度ベクトルを経時的に統合することができる。代替的には、ＩＭＵ１３２は、サンプリングされた測定信号をコンソール１１０に提供してよく、コンソール１１０は、高速較正データを判断することができる。基準点は一般的に、空間のある点として定められ得、さまざまな実施形態では、基準点はニアアイディスプレイ１２０内のある点（ＩＭＵ１３２の中心）として定められてもよい。

視標追跡ユニット１３０は、コンソール１１０における視標追跡モジュール１１８がユーザの眼を追跡するために使用可能である視標追跡データを取り込むように設定される１つまたは複数の画像装置を含んでよい。視標追跡データは視標追跡ユニット１３０によって出力されるデータを指す場合がある。例示の視標追跡データには、視標追跡ユニット１３０によって取り込まれる画像、または視標追跡ユニット１３０によって取り込まれる画像から導出される情報を含んでよい。指標追跡は、ニアアイディスプレイ１２０に対する眼の向きおよび場所を含む眼の位置を判断することを指す場合がある。例えば、指標追跡モジュール１１８は、指標追跡ユニット１３０によって取り込まれた眼の画像に基づいて眼のピッチおよびヨーを出力してよい。さまざまな実施形態では、視標追跡ユニット１３０は、眼に反射する電磁エネルギーを測定し、かつ測定された電磁エネルギーを視標追跡モジュール１１８に通信することができ、視標追跡モジュール１１８はさらにまた、測定された電磁エネルギーに基づいて眼の位置を判断してよい。例えば、視標追跡ユニット１３０は、ユーザの眼に反射する、可視光、赤外光、電波、マイクロ波、電磁スペクトルの任意の他の部分における波、またはこれらの組み合わせを測定してよい。

視標追跡ユニット１３０は１つまたは複数の視標追跡システムを含んでよい。視標追跡システムは、１つまたは複数の眼を映し出す画像システムを含んでよく、オプションとして、眼に反射する光が画像システムによって取り込み可能であるように眼に向けられる光を生成することができる発光体を含んでよい。例えば、視標追跡ユニット１３０は、可視スペクトルまたは赤外スペクトルにおいて光を放出するコヒーレント光源（例えば、レーザダイオード）、およびユーザの眼に反射する光を取り込むカメラを含んでよい。別の例として、視標追跡ユニット１３０は、小型レーダユニットによって放出された、反射した電波を取り込むことができる。視標追跡ユニット１３０は、眼を傷つけないまたは身体的不快感を引き起こさない周波数および強度で光を放出する低電力発光体を使用し得る。視標追跡ユニット１３０は、視標追跡ユニット１３０によって取り込まれた眼の画像におけるコントラストを高めながら、視標追跡ユニット１３０によって消費される電力全体を低減する（例えば、視標追跡ユニット１３０に含まれる発光体および画像システムによって消費される電力を低減する）ように配置されてよい。例えば、いくつかの実装形態では、視標追跡ユニット１３０は１００ミリワット未満の電力を消費し得る。

いくつかの実施形態では、視標追跡ユニット１３０は、ユーザの眼のそれぞれを追跡するために１つの発光体および１つのカメラを含んでよい。視標追跡ユニット１３０は、共に、視標追跡精度および応答性を改善させるように共に動作する種々の視標追跡システムを含んでもよい。例えば、視標追跡ユニット１３０は、高速応答時間による高速視標追跡システム、およびより遅い応答時間による低速視標追跡システムを含んでよい。高速視標追跡システムは、基準眼位に対する眼の位置を判断するために視標追跡モジュール１１８によって使用されるデータを取り込むために眼を頻繁に測定し得る。低速視標追跡システムは、先に判断された眼位と無関係に基準眼位を判断するように視標追跡モジュール１１８によって使用されるデータを取り込むために単独で眼を測定してよい。低速視標追跡システムによって取り込まれたデータによって、視標追跡モジュール１１８は、高速視標追跡システムによって取り込まれたデータから判断される眼の位置よりも高い精度で基準眼位を判断できるようにしてよい。さまざまな実施形態では、低速視標追跡システムは、高速視標追跡システムより低い周波数で視標追跡モジュール１１８に視標追跡データを提供し得る。例えば、低速視標追跡システムは、少ない頻度で動作してよい、または電力を保存するためにより遅い応答時間を有してよい。

視標追跡ユニット１３０は、ユーザの眼の向きを推定するように構成されてよい。眼の向きは、ニアアイディスプレイ１２０内のユーザの視線の方向に対応し得る。ユーザの眼の向きは、窩（光受容体が最も集中した眼の網膜上の領域）と、眼の瞳の中心との間の軸である中心窩軸の方向として定められてよい。一般に、ユーザの眼がある点に固定される時、ユーザの眼の中心窩軸はその点を交差する。眼の瞳孔軸は、瞳の中心を通過し、かつ角膜表面に垂直である軸として定められ得る。一般に、瞳孔軸および中心窩軸が瞳の中心で交差しても、瞳孔軸は中心窩軸と直接整列しない場合がある。例えば、中心窩軸の向きは、瞳孔軸から、横におよそ−１度〜８度、縦に約±４度オフセットされ得る。中心窩軸は、眼の後ろに位置する窩に従って定められるため、中心窩軸はいくつかの視標追跡実施形態において直接測定することが困難であるまたは不可能である場合がある。それ故に、いくつかの実施形態では、瞳孔軸の向きは検出可能であり、中心窩軸は検出された瞳孔軸に基づいて推定され得る。

一般に、眼の移動は、眼の角回転だけでなく、眼の並進、眼の捻転の変化、および／または眼の形状の変化にも対応する。視標追跡ユニット１３０はまた、眼窩に対する眼の位置の変化であり得る眼の並進を検出するように構成されてよい。いくつかの実施形態では、眼の並進は、直接検出されるのではなく、検出される角度配向からのマッピングに基づいて概算されてよい。視標追跡ユニットに対する眼の位置の変化に対応する眼の並進も検出可能である。このタイプの並進は、例えば、ユーザの頭上のニアアイディスプレイ１２０の位置の移行により生じ得る。視標追跡ユニット１３０はまた、眼の捻転および瞳孔軸周りの眼の回転を検出することができる。指標追跡ユニット１３０は、瞳孔軸から中心窩軸の向きを推定するために検出された眼の捻転を使用してよい。視標追跡ユニット１３０はまた、スキュー、スケーリング線形変換、または（例えば、ねじれ変形による）捻り変形として概算され得る眼の形状の変化を追跡してよい。視標追跡ユニット１３０は、瞳孔軸の角度配向、眼の並進、眼の捻転、および眼の現在の形状のいくつかの組み合わせに基づいて中心窩軸を推定してよい。

いくつかの実施形態では、視標追跡ユニット１３０は、眼の全ての部または一部上に構造化された光パターンを投影することができる複数のエミッタまたは少なくとも１つのエミッタを含んでよい。構造化された光パターンは、オフセット角から見られる時の眼の形状により歪む場合がある。視標追跡ユニット１３０はまた、眼に投影される構造化された光パターンの歪み（ある場合）を検出することができる少なくとも１つのカメラを含んでよい。カメラは、エミッタと異なる眼に対する軸において配向されてよい。眼の表面上の構造化された光パターンの変形を検出することによって、視標追跡ユニット１３０は、構造化された光パターンによって照射される眼の一部の形状を判断してよい。従って、取り込まれた歪んだ光パターンは眼の照射された一部の３Ｄ形状を指示するものであってよい。眼の向きは、そのように、眼の照射された一部の３Ｄ形状から導出可能である。視標追跡ユニット１３０はまた、カメラによって取り込まれた歪んだ構造化された光パターンの画像に基づいて、瞳孔軸、眼の並進、眼の捻転、および眼の現在の形状を推定できる。

ニアアイディスプレイ１２０は、眼の向きを使用して、例えば、ユーザの瞳孔間距離（ＩＰＤ）を判断する、視線方向を判断する、奥行手掛かり（例えば、ユーザの主要な視線の外側のボケ画像）を取り入れる、ＶＲメディアにおけるユーザの対話での発見的方法を収集する（例えば、受けた刺激に応じて任意の特定の被写体、物体、またはフレームにおいて費やされた時間）、ユーザの眼の少なくとも１つの向きに部分的に基づくいくつかの他の機能、またはこれらの何らかの組み合わせを行うことができる。ユーザの両眼に対する向きが判断され得るため、視標追跡ユニット１３０はユーザがどこを見ているかを判断可能にし得る。例えば、ユーザの視線の方向を判断することは、ユーザの左眼および右眼の判断された向きに基づいて集束点を判断することを含んでよい。集束点は、ユーザの眼の２つの中心窩軸が交差する点（または、２つの軸の間の最近点）であってよい。ユーザの視線の方向は、ユーザの眼の瞳の間の集束点および中間点を通過する線方向であってよい。

入力／出力インターフェース１４０は、ユーザがコンソール１１０へのアクション要求を送ることができるデバイスであってよい。アクション要求は特定のアクションを行うための要求であってよい。例えば、アクション要求は、アプリケーションを開始もしくは終了すること、またはアプリケーション内の特定のアクションを行うことであってよい。入力／出力インターフェース１４０は１つまたは複数の入力デバイスを含んでよい。例示の入力デバイスには、キーボード、マウス、ゲームコントローラ、グローブ、ボタン、タッチスクリーン、またはアクション要求を受信しかつ受信したアクション要求をコンソール１１０に通信するための任意の他の適したデバイスが挙げられ得る。入力／出力インターフェース１４０によって受信されるアクション要求はコンソール１１０に通信されてよく、コンソール１１０は要求されたアクションに対応するアクションを行うことができる。いくつかの実施形態では、入力／出力インターフェース１４０は、コンソール１１０から受信された命令に従ってユーザに触覚フィードバックを提供することができる。例えば、入力／出力インターフェース１４０は、アクション要求が受信される時、またはコンソール１１０が要求されたアクションを行い、かつ入力／出力インターフェース１４０に命令を通信する時、触覚フィードバックを提供し得る。

コンソール１１０は、外部画像デバイス１５０、ニアアイディスプレイ１２０、および入力／出力インターフェース１４０のうちの１つまたは複数から受信される情報に従ってユーザに提示するためのコンテンツをニアアイディスプレイ１２０に提供してよい。図１に示される例では、コンソール１１０は、アプリケーションストア１１２、ヘッドセット追跡モジュール１１４、仮想現実エンジン１１６、および視標追跡モジュール１１８を含んでよい。コンソール１１０のいくつかの実施形態は、図１と併せて説明されるものと異なるまたは追加のモジュールを含んでよい。さらに後述される機能は、ここで説明されるのとは異なるやり方でコンソール１１０の構成要素の間で分布させてよい。

いくつかの実施形態では、コンソール１１０は、プロセッサ、および、プロセッサによって実行可能な命令を記憶する非一時的なコンピュータ可読記憶媒体を含んでよい。プロセッサは、命令を並列に実行する複数の処理ユニットを含んでよい。コンピュータ可読記憶媒体は、ハードディスクドライブ、取り外し可能メモリ、またはソリッドステートドライブ（例えば、フラッシュメモリまたはダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ））などの任意のメモリであってよい。さまざまな実施形態では、図１と併せて説明されるコンソール１１０のモジュールは、プロセッサによって実行される時、プロセッサにさらに後述される機能を実行させる、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体における命令として符号化されてよい。

アプリケーションストア１１２はコンソール１１０による実行のための１つまたは複数のアプリケーションを記憶してよい。アプリケーションは、プロセッサによって実行される時、ユーザへの提示のためのコンテンツを生成する命令群を含んでよい。アプリケーションによって生成されるコンテンツは、ユーザの眼の移動によってユーザから受信される入力、または入力／出力インターフェース１４０から受信される入力に応答するものであってよい。アプリケーションの例には、ゲームアプリケーション、会議アプリケーション、ビデオ再生アプリケーション、または他の適したアプリケーションが挙げられ得る。

ヘッドセット追跡モジュール１１４は、外部画像デバイス１５０からの低速較正情報を使用してニアアイディスプレイ１２０の移動を追跡し得る。例えば、ヘッドセット追跡モジュール１１４は、低速較正情報からの観測されるロケータおよびニアアイディスプレイ１２０のモデルを使用してニアアイディスプレイ１２０の基準点の位置を判断してよい。ヘッドセット追跡モジュール１１４はまた、高速較正情報からの位置情報を使用してニアアイディスプレイ１２０の基準点の位置を判断してよい。さらに、いくつかの実施形態では、ヘッドセット追跡モジュール１１４は、高速較正情報、低速較正情報、またはこれらの何らかの組み合わせの一部を使用して、ニアアイディスプレイ１２０の今後の場所を予測し得る。ヘッドセット追跡モジュール１１４は、ニアアイディスプレイ１２０の推定されたまたは予測された今後の位置をＶＲエンジン１１６に提供してよい。

ヘッドセット追跡モジュール１１４は、１つまたは複数の較正パラメータを使用して人工現実システム環境１００を較正してよく、かつ、ニアアイディスプレイ１２０の位置を判断する際の誤差を低減するために１つまたは複数の較正パラメータを調節し得る。例えば、ヘッドセット追跡モジュール１１４は、ニアアイディスプレイ１２０上の観測されるロケータに対してより精確な位置を得るために外部画像デバイス１５０の焦点を調節可能である。さらに、ヘッドセット追跡モジュール１１４によって行われる較正は、ＩＭＵ１３２から受信される情報も考慮し得る。さらに、ニアアイディスプレイ１２０の追跡が失われる（例えば、外部画像デバイス１５０が少なくとも閾値の数のロケータ１２６の見通し線を失う）場合、ヘッドセット追跡モジュール１１４は較正パラメータの一部または全てを再較正してよい。

ＶＲエンジン１１６は、人工現実システム環境１００内のアプリケーションを実行し、かつニアアイディスプレイ１２０の位置情報、ニアアイディスプレイ１２０の加速情報、ニアアイディスプレイ１２０の速度情報、ニアアイディスプレイ１２０の予測される今後の位置、またはこれらの何らかの組み合わせをヘッドセット追跡モジュール１１４から受信してよい。ＶＲエンジン１１６はまた、推定眼位および配向情報を視標追跡モジュール１１８から受信してよい。受信した情報に基づいて、ＶＲエンジン１１６は、ユーザへの提示のためにニアアイディスプレイ１２０に提供するためのコンテンツを判断してよい。例えば、受信した情報が、ユーザが左を見たことを指示する場合、ＶＲエンジン１１６は、仮想環境におけるユーザの眼の移動をミラーリングするニアアイディスプレイ１２０に対するコンテンツを生成してよい。さらに、ＶＲエンジン１１６は、入力／出力インターフェース１４０から受信されたアクション要求に応答してコンソール１１０上で実行するアプリケーション内のアクションを行い、かつアクションが行われていることを指示するフィードバックをユーザに提供してよい。フィードバックは、ニアアイディスプレイ１２０を介した視覚フィードバックもしくは音声フィードバック、または入力／出力インターフェース１４０を介した触覚フィードバックであってよい。

視標追跡モジュール１１８は、視標追跡ユニット１３０から視標追跡データを受信し、かつ視標追跡データに基づいてユーザの眼の位置を判断してよい。眼の位置は、ニアアイディスプレイ１２０またはこの任意の要素に対する眼の向き、場所、またはこの両方を含んでよい。眼の回転軸はこの眼窩の眼の場所に応じて変化するため、眼窩における眼の場所を判断することによって、指標追跡モジュール１１８は眼の向きをより精確に判断することができる。

いくつかの実施形態では、視標追跡ユニット１３０は眼の画像を含む視標追跡データを出力可能であり、視標追跡モジュール１１８はこの画像に基づいて眼の位置を判断することができる。例えば、視標追跡モジュール１１８は、視標追跡ユニット１３０によって取り込まれた画像と眼の位置との間のマッピングを記憶して、視標追跡ユニット１３０によって取り込まれた画像から基準眼位を判断することができる。代替的にはまたはさらに、視標追跡モジュール１１８は、基準眼位が判断される画像を、更新済み眼位が判断される画像と比較することによって、基準眼位に対する更新済み眼位を判断してよい。視標追跡モジュール１１８は、種々の画像デバイスまたは他のセンサからの測定値を使用して眼位を判断してよい。例えば、上述されるように、視標追跡モジュール１１８は、低速視標追跡システムからの測定値を使用して、基準眼位を判断した後、低速視標追跡システムからの測定値に基づいて次の基準眼位が判断されるまで、高速視標追跡システムからの基準眼位に対する更新済み位置を判断してよい。

視標追跡モジュール１１８はまた、視標追跡の精密さおよび精度を改善するために眼較正パラメータを判断してよい。眼較正パラメータは、ユーザがニアアイディスプレイ１２０を身につけるまたは調節する時はいつでも変化し得るパラメータを含んでよい。例示の眼較正パラメータには、視標追跡ユニット１３０の構成要素と、眼の中心、瞳、角膜境界、または眼の表面上のある点など、眼の１つまたは複数の部分との間の推定される距離が挙げられ得る。他の例示の眼較正パラメータは、特定のユーザに固有のものであってよく、かつ、推定される平均眼半径、平均角膜半径、平均強膜半径、眼表面上の特徴のマップ、および推定される眼表面輪郭を含んでよい。（いくつかの拡張現実アプリケーションのように）ニアアイディスプレイ１２０からの光が眼に達し得る実施形態では、較正パラメータはニアアイディスプレイ１２０の外部からの光の変動による強度および色バランスに対する補正因子を含んでよい。視標追跡モジュール１１８は、視標追跡ユニット１３０によって取り込まれる測定値によって視標追跡モジュール１１８が精確な眼位を判断可能になるかどうかを判断するために眼較正パラメータを使用してよい（本明細書では「有効測定」ともいう）。視標追跡モジュール１１８が精確な眼位を判断できない場合がある無効な測定は、ユーザのまばたき、ヘッドセットの調節、またはヘッドセットの除去によって引き起こされる場合がある、および／またはニアアイディスプレイ１２０が外部光による照射の閾値変化よりも多く体験することによって引き起こされる場合がある。

図２は、さまざまなセンサを含む簡略化された例示のニアアイディスプレイ２００の斜視図である。ニアアイディスプレイ２００は図１のニアアイディスプレイ１２０の具体的な実装形態であってよく、仮想現実ディスプレイ、拡張現実ディスプレイ、および／または複合現実ディスプレイとして動作するように構成されてよい。ニアアイディスプレイ２００は、フレーム２０５およびディスプレイ２１０を含んでよい。ディスプレイ２１０は、ユーザにコンテンツを提示するように構成されてよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイ２１０はディスプレイエレクトロニクスおよび／またはディスプレイ光学系を含んでよい。例えば、図１のニアアイディスプレイ１２０に関して上述されるように、ディスプレイ２１０は、ＬＣＤ表示パネル、ＬＥＤ表示パネル、または光表示パネル（例えば、導波管ディスプレイアセンブリ）を含んでよい。

ニアアイディスプレイ２００はさらに、フレーム２０５上にまたは内にさまざまなセンサ２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃ、２５０ｄ、および２５０ｅを含んでよい。いくつかの実施形態では、センサ２５０ａ〜２５０ｅは、１つまたは複数の深度センサ、運動センサ、位置センサ、慣性センサ、または環境光センサを含んでよい。いくつかの実施形態では、センサ２５０ａ〜２５０ｅは、異なる方向における異なる視野を表す画像データを生成するように構成される１つまたは複数の画像センサを含んでよい。いくつかの実施形態では、センサ２５０ａ〜２５０ｅは、ニアアイディスプレイ２００の表示されたコンテンツを制御するまたはこれに影響を与えるための、および／またはインタラクティブなＶＲ／ＡＲ／ＭＲ体験をニアアイディスプレイ２００のユーザに提供するための入力デバイスとして使用可能である。いくつかの実施形態では、センサ２５０ａ〜２５０ｅはまた、立体映像に使用されてよい。

いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ２００は、光を物理的環境に投影するための１つまたは複数の照明器２３０をさらに含んでよい。投影された光は、種々の周波数帯（例えば、可視光、赤外光、紫外光など）と関係がある場合があり、さまざまな目的にかなう場合がある。例えば、照明器２３０は、暗い環境で（または、低強度の赤外光、紫外光などによる環境で）光を投影して、暗い環境内の異なる物体の画像を取り込む際にセンサ２５０ａ〜２５０ｅを支援することができる。いくつかの実施形態では、照明器２３０は、環境内の物体上にある特定の光パターンを投影するために使用可能である。いくつかの実施形態では、照明器２３０は、図１に関して上述されるロケータ１２６などのロケータとして使用されてよい。

いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ２００は、高解像度カメラ２４０も含んでよい。カメラ２４０は、視野における物理的環境の画像を取り込むことができる。取り込まれた画像は、例えば、取り込まれた画像に仮想物体を追加する、または取り込まれた画像における物体を修正するために仮想現実エンジン（例えば、図１の仮想現実エンジン１１６）によって処理されてよく、処理された画像はＡＲまたはＭＲアプリケーションのためにディスプレイ２１０によってユーザに表示可能である。

図３は、本明細書に開示された例示のニアアイディスプレイのいくつかを実装するためのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）デバイス３００の形態の例示のニアアイディスプレイ（例えば、ニアアイディスプレイ１２０）の斜視図である。ＨＭＤデバイス３００は、例えば、仮想現実（ＶＲ）システム、拡張現実（ＡＲ）システム、複合現実（ＭＲ）システム、またはこれらの何らかの組み合わせの一部分であってよい。ＨＭＤデバイス３００は本体３２０およびヘッドストラップ３３０を含んでよい。図３は、斜視図において、本体３２０の上側３２３、前側３２５、および右側３２７を示す。ヘッドストラップ３３０は調節可能なまたは拡張可能な長さを有してよい。ユーザがユーザの頭上にＨＭＤデバイス３００を装着できるようにするためにＨＭＤデバイス３００の本体３２０とヘッドストラップ３３０との間に十分な空間があってよい。さまざまな実施形態では、ＨＭＤデバイス３００は、追加の、より少ない、または異なる構成要素を含んでよい。例えば、いくつかの実施形態では、ＨＭＤデバイス３００は、ヘッドストラップ３３０ではなく、眼鏡のテンプルおよびモダンを含んでよい。

ＨＭＤデバイス３００は、コンピュータ生成要素による、物理的な現実世界環境の仮想ビューおよび／または拡張ビューを含むユーザ媒体に提示することができる。ＨＭＤデバイス３００によって提示される媒体の例には、画像（例えば、２次元（２Ｄ）または３次元（３Ｄ）画像）、ビデオ（例えば、２Ｄまたは３Ｄビデオ）、オーディオ、またはこれらの何らかの組み合わせが挙げられ得る。画像およびビデオは、ＨＭＤデバイス３００の本体３２０に収納される１つまたは複数のディスプレイアセンブリ（図３には図示せず）によってユーザのそれぞれの眼に提示可能である。さまざまな実施形態では、１つまたは複数のディスプレイアセンブリは、単一の電子表示パネルまたは複数の電子表示パネル（例えば、ユーザのそれぞれの眼用の１つの表示パネル）を含むことができる。電子表示パネルの例には、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、無機発光ダイオード（ＩＬＥＤ）ディスプレイ、マイクロＬＥＤディスプレイ、アクティブマトリックス式有機発光ダイオード（ＡＭＯＬＥＤ）ディスプレイ、透明有機発光ダイオード（ＴＯＬＥＤ）ディスプレイ、何らかの他のディスプレイ、またはこれらの何らかの組み合わせが挙げられ得る。ＨＭＤデバイス３００は２つのアイボックス領域を含んでよい。

いくつかの実装形態では、ＨＭＤデバイス３００は、深度センサ、運動センサ、位置センサ、および指標追跡センサなどのさまざまなセンサ（図示せず）を含んでよい。これらのセンサのいくつかは検知するための構造化された光パターンを使用してよい。いくつかの実装形態では、ＨＭＤデバイス３００は、コンソールと通信するための入力／出力インターフェースを含んでよい。いくつかの実装形態では、ＨＭＤデバイス３００は、ＨＭＤデバイス３００内のアプリケーションを実行し、かつＨＭＤデバイス３００の、深度情報、位置情報、加速情報、速度情報、予測される今後の位置、またはこれらの何らかの組み合わせをさまざまなセンサから受信可能である仮想現実エンジン（図示せず）を含んでよい。いくつかの実装形態では、仮想現実エンジンによって受信される情報は、１つまたは複数のディスプレイアセンブリへの信号（例えば、表示命令）を生じさせるために使用されてよい。いくつかの実装形態では、ＨＭＤデバイス３００は、互いに対するおよび基準点に対する本体３２０上の固定位置に位置するロケータ（図示せず、ロケータ１２６など）を含んでよい。ロケータのそれぞれは、外部画像装置によって検出可能な光を放出してよい。

図４は、本明細書に開示される例のいくつかを実装するための例示のニアアイディスプレイ（例えば、ＨＭＤデバイス）の例示の電子システム４００の簡略ブロック図である。電子システム４００は、ＨＭＤデバイス３００の電子システムとしてまたは上述される他のニアアイディスプレイとして使用されてよい。この例では、電子システム４００は、１つまたは複数のプロセッサ４１０およびメモリ４２０を含んでよい。プロセッサ４１０は、いくつかの構成要素において動作を行うための命令を実行するように構成されてよく、例えば、ポータブル電子デバイス内の実装に適した汎用プロセッサまたはマイクロプロセッサとすることができる。プロセッサ４１０は、電子システム４００内の複数の構成要素と通信可能に結合されてよい。この通信結合を実現するために、プロセッサ４１０はバス４４０にわたって他の例証される構成要素と通信してよい。バス４４０は電子システム４００内のデータを転送するように適応される任意のサブシステムであってよい。バス４４０は、データを転送するために、複数のコンピュータバスと、追加の回路構成とを含んでよい。

メモリ４２０はプロセッサ４１０に結合されてよい。いくつかの実施形態では、メモリ４２０は、短期記憶と長期記憶の両方を与えてよく、いくつかのユニットに分割されてよい。メモリ４２０は、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）および／またはダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）といった揮発性、および／または、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）およびフラッシュメモリなどといった不揮発性であってよい。さらに、メモリ４２０は、セキュアデジタル（ＳＤ）カードなどの取り外し可能記憶デバイスを含んでよい。メモリ４２０は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、および電子システム４００に対する他のデータの記憶を提供してよい。いくつかの実施形態では、メモリ４２０は種々のハードウェアモジュール内に分散されてよい。命令セットおよび／またはコードはメモリ４２０上に記憶され得る。命令は、電子システム４００によって実行可能であってよい実行可能コードの形を成す場合がある、および／または（例えば、さまざまな一般に入手可能なコンパイラ、インストールプログラム、圧縮／展開ユーティリティなどのいずれかを使用して）電子システム４００上にコンパイルおよび／またはインストールされると、実行可能コードの形を成してよい、ソースコードおよび／またはインストール可能コードの形を成す場合がある。

いくつかの実施形態では、メモリ４２０は、任意の数のアプリケーションを含んでよい、複数のアプリケーションモジュール４２２〜４２４を記憶してよい。アプリケーションの例は、ゲームアプリケーション、会議アプリケーション、ビデオ再生アプリケーション、または他の適したアプリケーションを含んでよい。アプリケーションは、深さ検知機能または視標追跡機能を含んでよい。アプリケーションモジュール４２２〜４２４は、プロセッサ４１０によって実行される特定の命令を含んでよい。いくつかの実施形態では、ある特定のアプリケーションまたはアプリケーションモジュール４２２〜４２４の一部は、他のハードウェアモジュール４８０によって実行可能であってよい。ある特定の実施形態では、メモリ４２０は、セキュア情報に対する複写または他の不正アクセスを防止するための追加のセキュリティ制御を含んでよいセキュアメモリをさらに含んでよい。

いくつかの実施形態では、メモリ４２０は、ロードされるオペレーティングシステム４２５を含んでよい。オペレーティングシステム４２５は、アプリケーションモジュール４２２〜４２４によって提供される命令の実行を開始する、および／または他のハードウェアモジュール４８０のみならず、１つまたは複数の無線トランシーバを含んでよい無線通信サブシステム４３０とのインターフェースを管理するように動作可能であってよい。オペレーティングシステム４２５は、スレッディング、リソース管理、データ記憶制御、および他の同様の機能性を含む電子システム４００の構成要素にわたって他の動作を行うように適応されてよい。

無線通信サブシステム４３０は、例えば、赤外線通信デバイス、無線通信デバイスおよび／もしくはチップセット（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）デバイス、ＩＥＥＥ８０２．１１デバイス、Ｗｉ−Ｆｉデバイス、ＷｉＭａｘデバイス、セルラー通信設備など）、ならびに／または同様の通信インターフェースを含んでよい。電子システム４００は、無線通信サブシステム４３０の一部として、または該システムの任意の部分に結合される別個の構成要素としての無線通信のための１つまたは複数のアンテナ４３４を含んでよい。所望の機能性に応じて、無線通信サブシステム４３０は、無線広域ネットワーク（ＷＷＡＮ）、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）、または無線パーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）などの種々のデータネットワークおよび／またはネットワークタイプと通信することを含んでよい、無線基地局装置、および他の無線デバイス、およびアクセスポイントと通信するための別個のトランシーバを含んでよい。ＷＷＡＮは、例えば、ＷｉＭａｘ（ＩＥＥＥ８０２．１６）ネットワークであってよい。ＷＬＡＮは、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ｘネットワークであってよい。ＷＰＡＮは、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈネットワーク、ＩＥＥＥ８０２．１５ｘ、または何らかの他のタイプのネットワークであってよい。本明細書に説明される技法は、ＷＷＡＮ、ＷＬＡＮ、および／またはＷＰＡＮの任意の組み合わせに使用されてもよい。無線通信サブシステム４３０は、データが、ネットワーク、他のコンピュータシステム、および／または本明細書に説明される任意の他のデバイスと交換されることを可能にしてよい。無線通信サブシステム４３０は、アンテナ４３４および無線リンク４３２を使用して、ＨＭＤデバイスの識別子、位置データ、地図、ヒートマップ、写真、またはビデオなどのデータを送信または受信するための手段を含んでよい。無線通信サブシステム４３０、プロセッサ４１０、およびメモリ４２０は共に、本明細書に開示されるいくつかの機能を行うための手段の１つまたは複数の少なくとも一部を含んでよい。

電子システム４００の実施形態はまた、１つまたは複数のセンサ４９０を含んでよい。センサ４９０は、例えば、画像センサ、加速度計、圧力センサ、温度センサ、近接センサ、磁力計、ジャイロスコープ、慣性センサ（例えば、加速度計およびジャイロスコープを組み合わせるモジュール）、環境光センサ、または深さセンサまたは位置センサなど、感覚出力を提供するおよび／または感覚入力を受信するように動作可能な任意の他の同様のモジュールを含んでよい。例えば、いくつかの実装形態では、センサ４９０は、１つまたは複数の慣性計測装置（ＩＭＵ）および／または１つまたは複数の位置センサを含んでよい。ＩＭＵは、位置センサの１つまたは複数から受信される測定信号に基づいて、ＨＭＤデバイスの初期位置に対するＨＭＤデバイスの推定位置を指示する較正データを生成してよい。位置センサは、ＨＭＤデバイスの動きに応答して１つまたは複数の測定信号を生成してよい。位置センサの例には、１つまたは複数の加速度計、１つまたは複数のジャイロスコープ、１つまたは複数の磁力計、動きを検出する別の適したタイプのセンサ、ＩＭＵのエラー訂正に使用されるあるタイプのセンサ、またはこれらの何らかの組み合わせが挙げられ得るが、これらに限定されない。位置センサは、ＩＭＵの外部に、ＩＭＵの内部に、またはこれらの何らかの組み合わせで位置してよい。少なくともいくつかのセンサは検知するための構造化された光パターンを使用してよい。

電子システム４００は、ディスプレイモジュール４６０を含んでよい。ディスプレイモジュール４６０は、ニアアイディスプレイであってよく、電子システム４００からの画像、ビデオ、およびさまざまな命令などの情報を、ユーザに図で提示してよい。このような情報は、１つまたは複数のアプリケーションモジュール４２２〜４２４、仮想現実エンジン４２６、１つまたは複数の他のハードウェアモジュール４８０、これらの組み合わせ、または、（例えば、オペレーティングシステム４２５によって）ユーザに対してグラフィックコンテンツを解釈するための任意の他の適した手段から導出されてよい。ディスプレイモジュール４６０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）技術、（例えば、ＯＬＥＤ、ＩＬＥＤ、マイクロＬＥＤ、ＡＭＯＬＥＤ、ＴＯＬＥＤなどを含む）発光ダイオード（ＬＥＤ）技術、発光ポリマーディスプレイ（ＬＰＤ）技術、または何らかの他のディスプレイ技術を使用することができる。

電子システム４００はユーザ入力／出力モジュール４７０を含んでよい。ユーザ入力／出力モジュール４７０は、ユーザが、電子システム４００にアクション要求を送ることを可能にしてよい。アクション要求は、特定のアクションを行うための要求であってよい。例えば、アクション要求は、アプリケーションを開始または終了すること、またはアプリケーション内の特定のアクションを行うことであってよい。ユーザ入力／出力モジュール４７０は、１つまたは複数の入力デバイスを含んでよい。例示の入力デバイスは、タッチスクリーン、タッチパッド、マイクロホン、ボタン、ダイアル、スイッチ、キーボード、マウス、ゲームコントローラ、または、アクション要求を受信し、かつ受信したアクション要求を電子システム４００に通信するための任意の他の適したデバイスを含み得る。いくつかの実施形態では、ユーザ入力／出力モジュール４７０は、電子システム４００から受信された命令に従ってユーザに触覚フィードバックを提供することができる。例えば、触覚フィードバックは、アクション要求が受信されるまたは実行された時に提供されてよい。

電子システム４００は、例えば、ユーザの眼の位置を追跡するために、ユーザの写真またはビデオを撮るために使用可能であるカメラ４５０を含んでよい。カメラ４５０はまた、例えば、ＶＲ、ＡＲ、またはＭＲアプリケーションに対して、環境の写真またはビデオを撮るために使用されてよい。カメラ４５０は、例えば、数百万または数千万の画素を有する相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）画像センサを含んでよい。いくつかの実装形態では、カメラ４５０は３−Ｄ画像を取り込むために使用されてよい２つ以上のカメラを含んでよい。

いくつかの実施形態では、電子システム４００は、複数の他のハードウェアモジュール４８０を含んでよい。他のハードウェアモジュール４８０のそれぞれは、電子システム４００内の物理モジュールであってよい。他のハードウェアモジュール４８０のそれぞれは構造として恒久的に構成可能であるが、他のハードウェアモジュール４８０のいくつかは、具体的な機能を行うように一時的に構成されてよいまたは一時的にアクティブ化されてよい。他のハードウェアモジュール４８０の例には、例えば、オーディオ出力および／または入力モジュール（例えば、マイクロホンまたはスピーカ）、近距離無線通信（ＮＦＣ）モジュール、再充電バッテリ、バッテリ管理システム、有線／無線バッテリ充電システムなどが挙げられ得る。いくつかの実施形態では、他のハードウェアモジュール４８０の１つまたは複数の機能はソフトウェアで実装されてよい。

いくつかの実施形態では、電子システム４００のメモリ４２０はまた、仮想現実エンジン４２６を記憶してよい。仮想現実エンジン４２６は、電子システム４００内のアプリケーションを実行し、かつ、さまざまなセンサからのＨＭＤデバイスの、位置情報、加速情報、速度情報、予測される今後の位置、または、これらの何らかの組み合わせを受信してよい。いくつかの実施形態では、仮想現実エンジン４２６によって受信される情報は、ディスプレイモジュール４６０に対して信号（例えば、表示命令）を生じさせるために使用されてよい。例えば、受信した情報が、ユーザが左を見ていることを指示する場合、仮想現実エンジン４２６は、ＨＭＤデバイスが、仮想環境におけるユーザの移動をミラーリングするようにコンテンツを生成してよい。さらに、仮想現実エンジン４２６は、ユーザ入力／出力モジュール４７０から受信されたアクション要求に応答してアプリケーション内のアクションを行い、かつフィードバックをユーザに提供してよい。提供されたフィードバックは、可視、可聴、または触覚フィードバックであってよい。いくつかの実装形態では、プロセッサ４１０は、仮想現実エンジン４２６を実行することができる１つまたは複数のＧＰＵを含んでよい。

さまざまな実装形態では、上述されるハードウェアおよびモジュールは、有線接続または無線接続を使用して互いに通信可能である単一のデバイス上でまたは複数のデバイス上で実装されてよい。例えば、いくつかの実装形態では、ＧＰＵ、仮想現実エンジン４２６、およびアプリケーション（例えば、追跡アプリケーション）などのいくつかの構成要素またはモジュールは、ヘッドマウントディスプレイデバイスと別個のコンソール上に実装されてよい。いくつかの実装形態では、１つのコンソールは複数のＨＭＤに接続されてよいまたはこれをサポートしてよい。

代替的な構成では、種々のおよび／または追加の構成要素は電子システム４００に含まれてよい。同様に、構成要素の１つまたは複数の機能性は、上述されるやり方と異なるやり方で構成要素の間で分散可能である。例えば、いくつかの実施形態では、電子システム４００は、ＡＲシステム環境および／またはＭＲ環境などの他のシステム環境を含むように改良されてよい。

上に論じられるように、マイクロＬＥＤは、ディスプレイエレクトロニクス１２２、ロケータ１２６、および指標追跡ユニット１３０など、人工現実システムのさまざまな部分における光源として使用されてよい。さらに、マイクロＬＥＤは、ヘッドアップディスプレイ、テレビディスプレイ、スマートフォンディスプレイ、腕時計ディスプレイ、ウェアラブルディスプレイ、およびフレキシブルディスプレイなどのさまざまなディスプレイ技術において使用可能である。マイクロＬＥＤは、モノのインターネット（ＩＯＴ）などの多くのアプリケーションにおける複数のセンサと組み合わせて使用可能である。本明細書に説明されるマイクロＬＥＤは、主として、赤色、青色、または緑色マイクロＬＥＤとして説明されるが、マイクロＬＥＤは、紫外光または赤外光など、任意の所望の波長を有する光を放出するように構成可能である。また、本明細書に説明されるマイクロＬＥＤは、主として、放物型メサを有するとして説明されるが、マイクロＬＥＤは、平面、縦型、円錐形、放物型、またはこれらの組み合わせなどの任意の適したメサ形状を有するように構成可能である。さらに、マイクロＬＥＤは、円形、楕円形、矩形、三角形、または六角形などの任意の適したベース形状を有するように構成可能である。

図５は、１つまたは複数の実施形態による、マイクロＬＥＤ５００の一例の断面図である。マイクロＬＥＤ５００は、基板５０２、メサ５０６に成形される半導体層５０４、活性発光層５０８、光取り出し面５１０、およびリフレクタ層５１４を含んでよい。マイクロＬＥＤ５００の光取り出し面５１０は直径が２０μｍ未満であってよい。放物型メサ５０６は、光取り出し面５１０から出現する準平行光ビームを形成するためにウエハー処理中にＬＥＤダイ上にエッチングされてよい。代替的には、メサ５０６は、平面、縦型、円錐形、または半放物型などのさまざまな他の形状を有することができる。マイクロＬＥＤ５００は、高い光抽出効率を有するように構成可能であり、メサ５０６の形状に起因して準平行光を出力する。マイクロＬＥＤ５００は、所定の範囲における発散角θを有する光を放出するように構成可能である。さまざまな実施形態では、発散角θはおよそ１０度である。

半導体層５０４は基板５０２上に配設される。半導体層５０４および基板５０２は、ＧａＮなどの同じ材料から作られてよい。活性発光層５０８はメサ５０６に封入される。活性発光層５０８は、多重量子井戸（ＭＱＷ）層であってよい、および／または量子ドット、量子細線、縦型ナノワイヤ、および／または垂直フィンを含んでよい。活性発光層５０８はメサ５０６の焦点に配置可能である。メサ５０６は、光取り出し面５１０の反対の側に切頭最上部を有することができる。メサ５０６は、マイクロＬＥＤ５００内に光のための反射筐体を形成するために湾曲形状またはほぼ放物形状を有することができる。矢印５１２は、活性発光層５０８から放出される光が、（例えば、総内部反射の角度内で）光がマイクロＬＥＤ５００を出ていくのに十分な角度で光取り出し面５１０に向けてメサ５０６の壁にどのように反射するかを示す。以下にさらに詳細に論じられるように、リフレクタ層５１４は光の反射を改善するためにメサ５０６上に形成されてよい。ｐコンタクトおよびｎコンタクト（図示せず）は、光取り出し面５１０の反対側の、メサ５０６と同じ側に位置してよい。

図５に示されるマイクロＬＥＤ５００は、マイクロＬＥＤ５００の効率を改善するように修正可能である。さまざまなシミュレーション方法を使用して効率を評価してよい。例えば、図６Ａおよび図６Ｂは、緑色光を放出するマイクロＬＥＤに対する実験データと模擬データとの比較を示す。図６Ａは、動作電圧（Ｖ_ｏｐ）模擬データ６０５が実験Ｖ_ｏｐデータ６１０とよく合致すること、および光出力電力（ＬＯＰ）模擬データ６１５が実験ＬＯＰデータ６２０とよく合致することを示す。同様に、図６Ｂは、外部量子効率（ＥＱＥ）模擬データ６３５が実験ＥＱＥデータ６４０とよく合致することを示す。図６Ｂはまた、シミュレーションした表面再結合６３０のパーセンテージを示す。これは、表面再結合がメサにおいて中心となっており、かつ最大ＥＱＥを１０μＡ〜２０μＡのより高い電流に移行させることを示す。

図７Ａは、緑色光を放出するマイクロＬＥＤに対する実験データと模擬データとの追加の比較を示す。図７Ａはさらにまた、ＬＯＰ模擬データ７１５と実験ＬＯＰデータ７２０との間の合致を示す。さらに、図７Ａは、波長模擬データ７０５が波長実験データ７１０とよく合致することを示す。図７Ａは、５１５ｎｍおよび１０μＡで光を放出する緑色マイクロＬＥＤに対する青色波長の方への移行があることを示す。図７Ｂは、接合温度模擬データ７４０と共に、第１のシミュレーション方法７３０および第２のシミュレーション方法７３５に対する内部量子効率（ＩＱＥ）模擬データを示す。

図８Ａは、１つまたは複数の実施形態によるマイクロＬＥＤ８００の一例を示す。マイクロＬＥＤ８００は図５に示されるマイクロＬＥＤ５００と同様であってよい。マイクロＬＥＤ８００は図８Ａに示される方向に光８０５を放出する。図８Ｂは図８Ａに示される緑色マイクロＬＥＤ８００に対するＬＥＥ模擬データを示す。図８Ｂに示されるように、緑色マイクロＬＥＤ８００は、９０度の角度を有する放射コーン内で２７．１７％のＬＥＥ、および１０度の角度を有する放射コーン内で１．４３％のＬＥＥを有する。図８Ｂは、ＬＥＥを改善し、かつより狭い放射コーン内の光をより多く放出する必要性を示す。

いくつかの実施形態は、マイクロＬＥＤのメサ形状を修正することによって、ＬＥＥおよびマイクロＬＥＤのビームプロファイルを改善可能である。図９Ａ〜図９Ｃは、異なるメサ形状を有する緑色マイクロＬＥＤのさまざまな例を示す。マイクロＬＥＤの高さ、幅、および／または曲率は、ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するように調節可能である。

図９Ａに示されるように、ｎ側半導体９０５およびｐ側半導体９１０を含むメサは、基板９１５上に配置されてよく、ｐコンタクト（図示せず）はｐ側半導体９１０の最上部に設けられてよい。ＭＱＷ層などの活性発光層９０７は、ｎ側半導体９０５とｐ側半導体９１０との間の界面に位置付けられてよい。メサは、高さ１．３μｍおよび底部直径３．５μｍを有する半放物形状を有する。図９Ａに示されるマイクロＬＥＤは、９０度の角度を有する放射コーン内で２１．１７％のＬＥＥ、および１０度の角度を有する放射コーン内で０．９１％のＬＥＥを有する。

図９Ｂに示されるように、ｎ側半導体９２０およびｐ側半導体９２５を含むメサは基板９３０上に配置されてよく、ｐコンタクト（図示せず）はｐ側半導体９２５の最上部に設けられてよい。ＭＱＷ層などの活性発光層９２７は、ｎ側半導体９２０とｐ側半導体９２５との間の界面に位置付けられてよい。メサは、高さ１．３μｍおよび底部直径３．０μｍを有する放物形状を有する。図９Ｂに示されるマイクロＬＥＤは、９０度の角度を有する放射コーン内で２７．１７％のＬＥＥ、および１０度の角度を有する放射コーン内で１．４３％のＬＥＥを有する。

図９Ｃに示されるように、ｎ側半導体９３５およびｐ側半導体９４０を含むメサは基板９４５上に配置されてよく、ｐコンタクト（図示せず）はｐ側半導体９４０の最上部に設けられてよい。代替的には、メサは、２μｍ〜８μｍの典型的な厚さを有する薄い電流拡散層上に配置されてよく、この場合、基板は除去されている。メサは、高さ１．５μｍおよび底部直径３．０μｍを有する放物形状を有する。図９Ｃに示されるマイクロＬＥＤは、９０度の角度を有する放射コーン内で３１．２１％のＬＥＥ、および１０度の角度を有する放射コーン内で１．６２％のＬＥＥを有する。図９Ａ〜図９Ｃの比較は、ＬＥＥおよびマイクロＬＥＤのビームプロファイルが、半放物形状の代わりに放物形状を有するメサを使用することによって、およびメサの高さを増大させることによって改善可能であることを示す。誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングは、所望のメサ形状を形成するための高精度の方法として使用可能である。

代替的にはまたはさらに、いくつかの実施形態は、マイクロＬＥＤのメサの外面上にリフレクタ層を設けることによってＬＥＥおよびマイクロＬＥＤのビームプロファイルを改善可能である。図１０Ａ〜図１０Ｃは、種々のリフレクタ層を有する緑色マイクロＬＥＤのさまざまな例を示す。例えば、リフレクタ層は、異なる材料および異なる厚さを有する異なる副層を含んでよい。また、種々のリフレクタ層は、メサおよびｐコンタクトに対して設けられてよい。代替的には、リフレクタ層は、半導体材料と空気との間の屈折率の大きな差異を使用することによって他の層を有さずに使用可能である。

図１０Ａに示されるように、ｎ側半導体１００１およびｐ側半導体１００４を含むメサは、基板１００２上に配置されてよく、ｐコンタクト１００３はｐ側半導体１００４の最上部に設けられてよい。メサの外面上に形成される第１のリフレクタ層は、ＳｉＮ層１００５、およびＳｉＮ層１００５から順に、ＴｉおよびＡｕを含む層１００６を含んでよい。ＳｉＮ層１００５は、２００ｎｍなど、１００ｎｍ〜４００ｎｍの厚さを有することができる。Ｔｉ層は、２０ｎｍなど、１ｎｍ〜３０ｎｍの厚さを有することができる。Ａｕ層は、３００ｎｍなど、１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有することができる。ｐ半導体１００４の外面上に形成されるｐコンタクト１００３は、ｐ側半導体１００４から順に、Ｎｉ層およびＡｕ層を含んでよい。Ｎｉ層は、２０ｎｍなど、５ｎｍ〜３０ｎｍの厚さを有することができる。Ａｕ層は、３００ｎｍなど、２０ｎｍ〜３３０ｎｍの厚さを有することができる。図１０Ａに示されるマイクロＬＥＤは、９０度の角度を有する放射コーン内で３１．２１％のＬＥＥ、および１０度の角度を有する放射コーン内で１．６２％のＬＥＥを有する。

図１０Ｂに示されるように、ｎ側半導体１０１１およびｐ側半導体１０１４を含むメサは、基板１０１２上に配置されてよく、ｐコンタクト１０１３はｐ側半導体１０１４の最上部に設けられてよい。メサの外面上に形成される第１のリフレクタ層は、ＳｉＮ層１０１５、およびＳｉＮ層１０１５から順に、ＴｉおよびＡｕを含む層１０１６を含んでよい。ＳｉＮ層１０１５は、２００ｎｍなど、１００ｎｍ〜４００ｎｍの厚さを有することができる。Ｔｉ層は、２０ｎｍなど、１ｎｍ〜３０ｎｍの厚さを有することができる。Ａｕ層は、３００ｎｍなど、１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有することができる。ｐ半導体１０１４の外面上に形成されるｐコンタクト１０１３は、ｐ側半導体１０１４から順に、Ａｇ層、Ｐｔ層、およびＡｕ層を含んでよい。Ａｇ層は、１００ｎｍなど、９０ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有することができる。Ｐｔ層は、２５ｎｍなど、２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さを有することができる。Ａｕ層は、３００ｎｍなど、１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有することができる。図１０Ｂに示されるマイクロＬＥＤは、９０度の角度を有する放射コーン内で３５．２％のＬＥＥ、および１０度の角度を有する放射コーン内で１．９％のＬＥＥを有する。

図１０Ｃに示されるように、ｎ側半導体１０２１およびｐ側半導体１０２４を含むメサは、基板１０２２上に配置されてよく、ｐコンタクト１０２３はｐ側半導体１０２４の最上部に設けられてよい。メサの外面上に形成される第１のリフレクタ層は、ＳｉＮ層１０２５、およびＳｉＮ層１０２５から順に、Ａｇ、Ｐｔ、およびＡｕを含む層１０２６を含んでよい。ＳｉＮ層１０２５は、７５ｎｍなど、４０ｎｍ〜１００ｎｍの低減した厚さを有することができる。Ａｇ層は、１００ｎｍなど、６０ｎｍ〜１５０ｎｍの厚さを有することができる。Ｐｔ層は、２５ｎｍなど、２０ｎｍ〜３０ｎｍの厚さを有することができる。Ａｕ層は、１２５ｎｍなど、１００ｎｍ〜２００ｎｍの厚さを有することができる。ｐ側半導体１０２４の外面上に形成されるｐコンタクト１０２３は、ｐ側半導体１０２４から順に、Ａｇ層、Ｐｔ層、およびＡｕ層を含んでよい。Ａｇ層は、１００ｎｍなど、６０ｎｍ〜１５０ｎｍの厚さを有することができる。Ｐｔ層は、２５ｎｍなど、２０ｎｍ〜３０ｎｍの厚さを有することができる。Ａｕ層は、１２５ｎｍなど、１１０ｎｍ〜１４０ｎｍの厚さを有することができる。図１０Ｃに示されるマイクロＬＥＤは、９０度の角度を有する放射コーン内で５０．１％のＬＥＥ、および１０度の角度を有する放射コーン内で２．６５％のＬＥＥを有する。図１０Ｃに示される薄いリフレクタ設計は、超解像度１Ｋ〜４Ｋのディスプレイ応用などに対する、１次元配列または２次元配列における多くのマイクロＬＥＤの、薄層積層による高反射率および非常に密なピッチ（５μｍ未満など）で最適化可能である。

具体的な厚さを有する具体的な材料が上述されているが、リフレクタ層は任意の適した厚さを有する任意の適した材料を含んでよい。材料およびこれらの厚さは、所望の発光波長および半導体材料に基づいて選定されてよい。さらに、材料およびこれらの厚さは、具体的な結果を達成するように選定されてよい。例えば、図１０Ｃに示されるマイクロＬＥＤに関して、ＳｉＮ層１０２５は、ｐ／ｎ接合不足を防止し、かつ光共振器内の共鳴吸収などの共鳴を回避する誘電性パッシベーション層としての役割を果たすように構成されてよい。ＳｉＮは、ＳｉＯ_２、ＨｆＯ、またはＡｌＯなどの任意の適した誘電材料と置き換えられてよい。層１０２６内のＡｇ層は、反射性も提供する接着層としての役割を果たすように構成されてよい。Ａｇは、１０ｎｍ〜２０ｎｍの薄い層厚に対しても高い光吸収により、Ｔｉなどの高い光吸収を有する接着金属と置き換えられるべきではない。層１０２６内のＰｔ層はさまざまな層間の相互拡散を低減する拡散バリア層としての役割を果たすように構成されてよい。Ｐｔ層はまた、Ａｇ層用の酸化を回避するための保護層としての役割を果たし得る。層１０２６内のＡｕ層は、追加のコーティング層および保護層としての役割を果たすように構成されてよい。

さらに、図１０Ｃに示されるマイクロＬＥＤに関して、ｐコンタクト１０２３の材料および厚さは、所望の発光波長および半導体材料に基づいて選定されてよい。さらに、材料およびこの厚さは、具体的な結果を達成するように選定されてよい。例えば、Ａｇ層は、緑色または青色マイクロＬＥＤ用のＡｌ層と置き換えられてよく、Ａｇ層は、赤色またはＩＲマイクロＬＥＤ用のＡｕ層と置き換えられてよい。さらに、Ｐｔ層は、Ｐｄ、ＷＴｉ、またはＷＮ層などの別の拡散バリア層と置き換えられてよい。さらに、Ａｕ層はＡｌ層と置き換えられてよい。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、緑色マイクロＬＥＤの典型的なリフレクタ設計および最適なリフレクタ設計それぞれに対する反射係数を示す。例えば、図１１Ａは、図１０Ｂに示される緑色マイクロＬＥＤに対する角度に応じて横電気（ＴＥ）係数および横磁気（ＴＭ）係数を示す。同様に、図１１Ｂは、図１０Ｃに示される緑色マイクロＬＥＤに対する角度に応じてＴＥ係数およびＴＭ係数を示す。図１１Ａおよび図１１Ｂに示されるように、図１０Ｃに示される緑色マイクロＬＥＤにおけるリフレクタ層は、著しく高い反射を達成することで、ＬＥＥはより高くなる。

いくつかの実施形態は、マイクロＬＥＤの光取り出し面上に反射防止膜を組み入れることによってＬＥＥおよびマイクロＬＥＤのビームプロファイルを改善可能であることで、マイクロＬＥＤの光取り出し面と下流の光学素子との間の屈折率整合材が設けられる、および／または、マイクロＬＥＤの光取り出し面上に二次光学系が設けられる。図１２Ａ〜図１２Ｃは、ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するための異なる構成要素を有する緑色マイクロＬＥＤのさまざまな例を示す。

図１２Ａに示されるように、ｎ側半導体１２０１およびｐ側半導体１２０４を含むメサは基板１２０２上に配置されてよく、ｐコンタクト１２１５はｐ側半導体１２０４の最上部に設けられてよい。代替的には、メサは、基板のないｎ電流拡散層上に配置可能である。メサの外面上に形成されるリフレクタ層は、層１２０５および層１２０６を含んでよい。光学素子１２１１は、基板１２０２の光取り出し面１２０８から光１２１０を受けてよい。反射防止膜１２０９は光取り出し面１２０８上に配置されてよい。図１２Ａに示されるマイクロＬＥＤは、９０度の角度を有する放射コーン内で５２．２％のＬＥＥ、および、１０度の角度を有する放射コーン内で２．９６％のＬＥＥを有する。図１２Ａに示されるマイクロＬＥＤは図１０Ｃに示されるマイクロＬＥＤを使用するが、反射防止膜１２０９を追加し、かつ光を光学素子１２１１に与える。

図１２Ｂに示されるように、ｎ側半導体１２２１およびｐ側半導体１２２４を含むメサはｎ電流拡がり基板１２２２上に配置されてよく、ｐコンタクト１２２５はｐ側半導体１２２４の最上部に設けられてよい。メサの外面上に形成されるリフレクタ層は、層１２２５および層１２２６を含んでよい。光学素子１２３１は基板１２２２の光取り出し面１２２８から光１２３０を受けてよい。屈折率整合材１２２９は、光取り出し面１２２８と光学素子１２３１との間に配置されてよい。屈折率整合材１２２９の屈折率は、１以上、および／または、光学素子１２３１の屈折率以上であってよい。例えば、光学素子１２３１が１．５の屈折率を有する場合、屈折率整合材１２２９は１．５〜１．７の屈折率を有することができる。他の例では、屈折率整合材１２２９は２．２までの屈折率を有することができる。屈折率整合材１２２９はシリコーンなどの任意の適した材料から作られてよい。図１２Ａに示されるマイクロＬＥＤは９０度の角度を有する放射コーン内で８１．１％のＬＥＥ、および１０度の角度を有する放射コーン内で５．９４％のＬＥＥを有する。図１２Ｂに示されるマイクロＬＥＤは、図１０Ｃに示されるマイクロＬＥＤを使用するが、屈折率整合材１２２９を追加し、かつ光学素子１２３１に光を与える。

図１２Ｃに示されるように、ｎ側半導体１２４１およびｐ側半導体１２４４を含むメサはｎ電流拡がり基板１２４２上に配置されてよく、ｐコンタクト１２２５はｐ側半導体１２４４の最上部に設けられてよい。メサの外面上に形成されるリフレクタ層は、層１２４５および層１２４６を含んでよい。光学素子１２５１は基板１２４２の光取り出し面１２４８から光１２５０を受けてよい。二次光学系１２５２は、光取り出し面１２４８と光学素子１２５１との間に配置されてよい。例えば、二次光学系１２５２はレンズであってよい。レンズは、別個の光学部品であってよい、または光取り出し面１２４８にエッチングされてよい。レンズは、マイクロＬＥＤの活性発光層において焦点を有することができる。図１２Ｃは、測定されたビームプロファイル１２５４およびシミュレーションしたビームプロファイル１２５３を示す。図１２Ｃに示されるマイクロＬＥＤは、図１０Ｃに示されるマイクロＬＥＤを使用するが、二次光学系１２５２を追加し、かつ光を光学素子１２５１に与える。

図１３Ａ〜図１３Ｃは、ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために異なる構成要素を有する赤色マイクロＬＥＤのさまざまな例を示す。図１３Ａに示されるように、ｎ側半導体１３０１およびｐ側半導体１３０４を含むメサは、基板１３０２上に配置されてよく、ｐコンタクト１３１５はｐ側半導体１３０４の最上部に設けられてよい。メサの外面上に形成されるリフレクタ層は、層１３０５および層１３０６を含んでよい。光学素子１３１１は基板１３０２の光取り出し面１３０８から光１３１０を受けてよい。反射防止膜１３０９は光取り出し面１３０８上に配置されてよい。図１３Ａに示されるマイクロＬＥＤは、９０度の角度を有する放射コーン内で３０．５％のＬＥＥ、および、１０度の角度を有する放射コーン内で１．５％のＬＥＥを有する。光学素子１３１１は１０度の対応する受光角を有してよい。

図１３Ｂに示されるように、ｎ側半導体１３２１およびｐ側半導体１３２４を含むメサは基板１３２２上に配置されてよく、ｐコンタクト１３３５はｐ側半導体１３２４の最上部に設けられてよい。メサの外面上に形成されるリフレクタ層は、層１３２５および層１３２６を含んでよい。光学素子１３３１は基板１３２２の光取り出し面１３２８から光１３３０を受けてよい。二次光学系１３３２は、光取り出し面１３２８と光学素子１３３１との間に配置されてよい。例えば、二次光学系１３３２はレンズであってよい。レンズは、別個の光学部品であってよい、または光取り出し面１３２８にエッチングされてよい。レンズは、マイクロＬＥＤの活性発光層において焦点を有することができる。図１３Ｂに示される例では、レンズは、直径が光取り出し面１３２８の直径にほぼ等しい球面レンズである。図１３Ｂに示されるマイクロＬＥＤは、９０度の角度を有する放射コーン内で６１．０％のＬＥＥ、および、１０度の角度を有する放射コーン内で２．２％のＬＥＥを有する。光学素子１３３１は１０度の対応する受光角を有してよい。

図１３Ｃに示されるように、ｎ側半導体１３４１およびｐ側半導体１３４４を含むメサは基板１３４２上に配置されてよく、ｐコンタクト１３５５はｐ側半導体１３４４の最上部に設けられてよい。メサの外面上に形成されるリフレクタ層は、層１３４５および層１３４６を含んでよい。光学素子１３５１は基板１３４２の光取り出し面１３４８から光１３５０を受けてよい。二次光学系１３５２は、光取り出し面１３４８と光学素子１３５１との間に配置されてよい。例えば、二次光学系１３５２はレンズであってよい。レンズは、ポリ（アクリル酸メチル）（ＰＭＡ）またはガラスなどのポリマーを含むレジストなどの別個の光学部品であってよい、または光取り出し面１３４８にエッチングされてよい。レンズは、マイクロＬＥＤの活性発光層において焦点を有することができる。図１３Ｃに示される例では、レンズは、直径が光取り出し面１３２８の直径より大きい球面レンズである。図１２Ｃは、測定されたビームプロファイル１３５４およびシミュレーションしたビームプロファイル１３５３を示す。図１３Ｃに示されるマイクロＬＥＤは、９０度の角度を有する放射コーン内で７６．２％のＬＥＥ、および、１０度の角度を有する放射コーン内で３．４％のＬＥＥを有する。光学素子１５３１は１０度の対応する受光角を有してよい。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、緑色マイクロＬＥＤに対する、光取り出し面と光学素子との間に屈折率整合材を組み入れる効果を示す。図１４Ａは、屈折率整合材のない緑色マイクロＬＥＤに対する、光取り出し面対空気（ｎ＝１）における反射係数を示し、図１４Ｂは、屈折率整合材（例えば、典型的なシリコーン材料に対してｎ＝１．５）を有する緑色マイクロＬＥＤに対する光取り出し面における反射係数を示す。図１４Ａにおける矢印１４０５は放射コーンの角度の増大を示し、図１４Ｂにおける矢印１４１０は光取り出し面における反射係数の減少を指示する。反射率は光取り出し面において減少し、かつ総内部反射（ＴＩＲ）角はより高い波長に移行するため、マイクロＬＥＤでは、光取り出しが改善され、かつ狭いコーンへの光放出が改善されている。それ故に、屈折率整合材を組み入れることによって、チップからの光取り出しが改善され、かつ１０度の角度を有する放射コーン内に導かれる光が多くなる。

屈折率整合材はさまざまな応用においてマイクロＬＥＤに組み込まれてよい。例えば、高結合効率は、屈折率整合材を、ディスプレイおよび／または投影システムにおいて使用可能である導波管である光学素子に突き合わせ結合することによって達成可能である。導波管は、超薄のおよび／または柔軟な導波管であってよく、かつパッシブビームフォーミング特徴として、ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ（ＶＢＧ）または表面レリーフグレーティング（ＳＲＧ）を含んでよい。屈折率整合材はまた、走査、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、グレーティング、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、および／またはｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ（ＬＣＯＳ）ディスプレイを使用するディスプレイを含む、１次元ディスプレイおよび／または２次元ディスプレイにおいて使用されるマイクロＬＥＤに組み込まれてよい。

図１５Ａ〜図１５Ｃは、ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために異なる二次光学系を有する赤色マイクロＬＥＤのさまざまな例を示す。図１５Ａに示されるように、ｎ側半導体１５０２およびｐ側半導体１５０１を含むメサは基板１５０３上に配置可能である。図１５Ａに示されるマイクロＬＥＤは、基板１５０３の光取り出し面１５０７においていずれの二次光学系も含まない。図１５ＡはマイクロＬＥＤの測定されたビームプロファイル１５０４を示す。

図１５Ｂに示されるように、ｎ側半導体１５１２およびｐ側半導体１５１１を含むメサは基板１５１３上に配置されてよい。図１５Ｂに示されるマイクロＬＥＤは、基板１５０３の光取り出し面１５１７において二次光学系１５１６を含む。この例では、二次光学系１５２６は球面レンズである。図１５Ａは、マイクロＬＥＤの、測定されたビームプロファイル１５１５およびシミュレーションしたビームプロファイル１５１４を示す。

図１５Ｃに示されるように、ｎ側半導体１５２２およびｐ側半導体１５２１を含むメサは基板１５２３上に配置されてよい。図１５Ｃに示されるマイクロＬＥＤは、基板１５２３の光取り出し面１５２７において二次光学系１５２６を含む。この例では、二次光学系１５２６はフレネルレンズである。図１５Ｃは、マイクロＬＥＤの、測定されたビームプロファイル１５２５およびシミュレーションしたビームプロファイル１５２４を示す。図１５Ｃに示されるように、中央領域および外部領域において異なる焦点を有するこの例に示されるフレネルレンズによって、より多くの光が、より狭い角度を有する放射コーンに放出される。

図１６Ａおよび図１６Ｂは、ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために二次光学系を有する緑色マイクロＬＥＤの一例を示す。図１６Ａに示されるように、ｎ側半導体１６０２およびｐ側半導体１６０１を含むメサは、第１の層１６０３および第２の層１６０４を含む基板上に配置されてよい。第１の層１６０３および第２の層１６０４は、６０％のＡｌＧａＡｓなど、同じ材料から作られてよい。図１６Ａに示されるマイクロＬＥＤは基板の光取り出し面１６０７において二次光学系１６０５を含む。この例では、二次光学系１６０５は球面レンズである。球面レンズの焦点はマイクロＬＥＤの活性発光層におけるものであってよい。さらに、反射防止膜は、いずれのフレネル損失も低減させるために球面レンズの外面上に配置されてよい。この例では、メサは１．５μｍの高さを有し、球面レンズは０．５μｍの高さを有する。図１６Ｂは、図１６Ａに示されるマイクロＬＥＤによって放出される光のビームプロファイルの強度を示す。図１３Ｃに示されるマイクロＬＥＤは、９０度の角度を有する放射コーン内で７６．２％のＬＥＥ、および１０度の角度を有する放射コーン内で３．４％のＬＥＥを有する。０．３μｍの高さを有する球面レンズなどのより小さい球面レンズが使用される場合、ＬＥＥは９０度の角度を有する放射コーン内で６１．０％に減少し、ＬＥＥは１０度の角度を有する放射コーン内で２．２％に減少する。

図１７Ａおよび図１７Ｂは、ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために二次光学系を有する赤色および緑色マイクロＬＥＤの例を示す。図１７Ａに示されるように、ｎ側半導体１７０２およびｐ側半導体１７０１を含むメサは、基板１７０３上に配置されてよい。図１７Ａに示される赤色マイクロＬＥＤは、基板１７０３の光取り出し面１７１０において二次光学系１７０４を含む。この例では、二次光学系１７０４は部分開口部を有する球面レンズである。レンズの焦点はマイクロＬＥＤの活性発光層におけるものであってよい。活性発光層から放出される光１７０７は、ビームプロファイル１７０５を形成し、かつシルクハットビームプロファイル１７０６に近づくように成形可能である。図１７Ａに示されるように、光１７０７は、メサファセットに反射し、かつ狭い放射コーン内の光取り出し面１７１０に入射する。

図１７Ｂに示されるように、ｎ側半導体１７１２およびｐ側半導体１７１１を含むメサは基板１７１３上に配置されてよい。図１７Ｂに示される緑色マイクロＬＥＤは、基板１７１３の光取り出し面１７２０において二次光学系１７１４を含む。この例では、二次光学系１７１４は部分開口部を有する球面レンズである。レンズの焦点はマイクロＬＥＤの活性発光層におけるものであってよい。活性発光層から放出される光１７１７は、図１７Ａに示されるビームプロファイル１７０６より広い（ＨＷＨＭ＜６０度）レンズ（ＨＷＨＭ＝６０度）のないランバートビームプロファイル１７１５を形成する。光１７１７のビームプロファイルは図１７Ｂに示されるようなレンズによって改善可能であり、かつ図１７Ｂにおいて、両方共がシルクハットビームプロファイル１７１６に近い、１７０５と同様のビームプロファイル１７１８として再生可能である。図１７Ｂに示されるように、光１７１７は、前進しかつ後方反射する光を含み、この光は、狭い放射コーン１７１８内の光取り出し面１７２０に入射する。追加の二次光学系なく、図１７Ｂに示されるマイクロＬＥＤ内の緑色光線群のビームプロファイル１７１５は、図１７Ａに示される同じ構造を有するマイクロＬＥＤ内のメサファセットに反射した赤色光線群のより狭いビームプロファイル１７０５よりなお一層ランバート形状である。

図１８Ａ〜図１８Ｈは、ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために二次光学系を有する赤色マイクロＬＥＤの例を示す。図１８Ａ〜図１８Ｃに示されるように、ｎ側半導体１８０２およびｐ側半導体１８０１を含むメサは基板１８０３上に配置されてよい。代替的には、メサは、基板のない電流拡散層上に配置可能である。図１８Ｃに示される赤色マイクロＬＥＤは、基板１８０３の光取り出し面１８１２において二次光学系１８１０を含む。この例では、二次光学系１８１０は、光１８０９が光取り出し面１８１２を出る最大厚さ、およびレンズの中心における最小厚さを有するドーナッツ形レンズである。レンズの焦点は、マイクロＬＥＤの活性発光層におけるものであってよい。光１８０９は、図１８Ｄに示されるように、強度分布１８２０およびビームプロファイル１８２１を有することができる。図１８Ｅ〜図１８Ｈは、レンズのない強度分布およびビームプロファイルの追加の例を示す。図１８Ｄおよび図１８Ｈは遠方界を示し、図１８Ｇは近方界を示す。図１８Ａ〜図１８Ｈは放物型メサ１８０２を有する赤色マイクロＬＥＤを示すが、メサ１８０２は、平面、縦、円錐、または半放物形状を有することもできる。

図１９Ａおよび図１９Ｂは、ＬＥＥおよびビームプロファイルを最適化するために二次光学系を有する赤色および緑色マイクロＬＥＤの例を示す。図１９Ａに示されるように、ｎ側半導体１９０２およびｐ側半導体１９０１を含むメサは基板１９０３上に配置されてよい。図１９Ａに示される赤色マイクロＬＥＤは、基板１９０３の光取り出し面１９０９において二次光学系１９０４および１９０８を含む。この例では、二次光学系１９０４および１９０８はさまざまなレンズを含む。レンズの焦点はマイクロＬＥＤの活性発光層におけるものであってよい。活性発光層から放出される光１９０７は、ビームプロファイル１９０５を形成し、かつ、±１０度〜±３０度のＨＷＨＭを有するシルクハットビームプロファイル１９０６に近づくように成形可能である。

図１９Ｂに示されるように、ｎ側半導体１９１２およびｐ側半導体１９１１を含むメサは基板１９１３上に配置されてよい。図１９Ｂに示される緑色マイクロＬＥＤは、基板１９１３の光取り出し面１９１９において二次光学系１９１４および１９１８を含む。この例では、二次光学系１９１４および１９１８はさまざまなレンズを含む。レンズの焦点はマイクロＬＥＤの活性発光層におけるものであってよい。活性発光層から放出される光１９１７は、シルクハットビームプロファイル１９１６に近いレンズを有するビームプロファイル１９１６より広い、レンズなしのビームプロファイル１９２０を形成する。図１９Ｂに示されるマイクロＬＥＤ内の緑色光線群のビームプロファイル１９２０は、図１９Ａに示される同じ構造を有するマイクロＬＥＤ内のメサファセットに反射した赤色光線群のより狭いビームプロファイル１９０５よりなお一層ランバート形状である。異なるレンズプロファイルおよび異なる焦点は、赤色光線群および緑色光線群に使用される。なお一層ランバート形状である図１９Ｂに示されるマイクロＬＥＤにおける緑色光線群のビームプロファイル１９２０は、図１９Ｂに示されるマイクロＬＥＤの対象のシルクハットビームプロファイル１９１６により近づくようにより大きい球面レンズ１９１８によって中央に向けて焦点を合わせている。赤色光線群は、図１９Ａに示されるマイクロＬＥＤの対象のシルクハットビームプロファイル１９０６に近づくように異なる形状および焦点を有するドーナッツ状レンズ１９０４によって平行にされる。光取り出し面上のレンズを有するマイクロＬＥＤ構造のＬＥＥ全体は、光取り出し面上のレンズのないマイクロＬＥＤ構造のＬＥＥより高い。

いくつかの実施形態では、偏光させた光をもたらすことが所望される場合がある。図２０Ａおよび図２０Ｂは偏光を放出する緑色マイクロＬＥＤの一例を示す。図２０Ｂに示されるように、ｎ側半導体２００２およびｐ側半導体２００１を含むメサは基板２００３上に配置されてよい。直線配列グレーティング２００４は、基板２００３の光取り出し面２００５上に形成可能である。直線配列グレーティング２００４の一例は図２０Ａに示されている。直線配列グレーティング２００４は、ＴＭ光と異なるパーセンテージのＴＥ光を伝送する。直線配列グレーティング２００４は、光取り出し面２００５にエッチングされてよい、または光取り出し面２００５上の別個の構成要素として成長させてよい。

図２１Ａおよび図２１Ｂは、さまざまなマイクロＬＥＤ構成に対する角度に応じた反射係数を示す。図２１Ａおよび図２１Ｂに示されるように、ＴＥ／ＴＭ光反射率は放物型メサファセットにおいておよそ４５度である。リフレクタ層設計は、マイクロＬＥＤ内の（放物型メサファセットにおいて約４５度で）ＴＥモードおよびＴＭモードに対する光の非常に異なる反射性に対して最適化可能である。代替的には、メサは、平面、縦、円錐、または半放物形状を有してもよい。他の実施形態では、メサはバスタブのような形状といった非回転対称形状を有することができる。図２２Ａは、非回転対称形状を有するメサを有するマイクロＬＥＤの一例を示す。図２２Ｂは、光がチップエッジから離れて生成可能である平面形状を有するメサの一例を示す。図２２Ｃは、角度が底面を介した高いＬＥＥに対して４５度±５度であってよく、かつ異なる材料および波長に対してわずかに変動し得る円錐形状を有するメサの一例を示す。マイクロＬＥＤはまた、円形、楕円形、六角形、矩形、および／または三角形などのさまざまなベース形態を有してよい。図２２ＤはマイクロＬＥＤで使用されてよいベース形状の一例を示す。

いくつかの実施形態では、マイクロＬＥＤの効率はメサファセットにおける表面再結合を低減することによって改善され得る。小さい寸法のマイクロＬＥＤにより、エッジ効果は大きいが、これはメサのエッジ同士が近いからである。表面におけるダングリングボンドは、電流の１００％〜２０％のみが、１μｍ〜２μｍの直径のＭＱＷを有する赤色マイクロＬＥＤにおける放出のために活性発光層に達するように、電子およびホールの無放射再結合を引き起こす。

電流密度（Ｊ）減少によって、メサファセットにおける表面再結合を低減するまたは排除することができる。Ｊ減少は、イオン注入または量子混合などのさまざまな方法によって達成可能である。水晶は、キャリアがメサの表面に拡散不可能であるように局所的に変更されてよい。単一量子井戸（ＳＷＱ）または二重量子井戸（ＤＱＷ）設計は、低電流密度における平面、縦型、円錐形、または放物型の青色もしくは緑色マイクロＬＥＤに使用されてよい。より高いキャリア濃度を有するより少ない量子井戸は、活性発光層内の横キャリア拡がりを少なくし得る。

さらに以下に詳細に論じられるように、表面再結合は、さまざまな方法によって低減可能である。図２３Ａ〜図２３Ｃは、緑色マイクロＬＥＤにおける異なるキャリア寿命に対するＥＱＥおよび表面再結合を示す。例えば、図２３Ａは、２００ｎｓのキャリア寿命を有するマイクロＬＥＤに対するシミュレーションしたＥＱＥ２３０５および測定されたＥＱＥ２３１０を示す。図２３Ａはまた、シミュレーションした表面再結合２３１５を示す。２３２０で示されるように、マイクロＬＥＤは０．２μＡの電流における４．６％の最大ＥＱＥを有する。同様に、図２３Ｂは、４０ｎｓの無放射（Ａ＊Ｎ）キャリア寿命を有するマイクロＬＥＤに対するシミュレーションしたＥＱＥ２３２５および測定されたＥＱＥ２３３０を示す。図２３Ｂはシミュレーションした表面再結合２３３５も示す。２３４０で示されるように、マイクロＬＥＤは０．５μＡの電流における４．２％の最大ＥＱＥを有する。同様に、図２３Ｃは、４ｎｓの無放射キャリア寿命を有するマイクロＬＥＤに対するシミュレーションしたＥＱＥ２３４５および測定されたＥＱＥ２３５０を示す。図２３Ｃはシミュレーションした表面再結合２３５５も示す。２３６０で示されるように、マイクロＬＥＤは１．０μＡの電流における３．７％の最大ＥＱＥを有する。

図２４Ａおよび図２４Ｂは、メサファセットにおける表面状態を縮小することによって表面再結合を低減する方法の一例を示す。図２４Ａに示されるように、ｐコンタクト２４０１は、メサ２４０２の最上部に設けられてよく、電流２４０３は多重量子井戸（ＭＱＷ）などの活性発光層を流れてよい。ＩＣＰエッチングを使用して、メサファセットの表面を平滑化することによって表面状態を縮小することができる。代替的にはまたはさらに、メサファセットの表面は、その場熱的浄化、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオンなどの低エネルギーイオンによるその場表面洗浄、または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの真空中のＨ_２洗浄など、堆積前のさまざまな方法によって処理されてよい。さらに、メサファセットの表面上の誘電性パッシベーション層の堆積は最適化可能である。例えば、ＡｌＮなどの結晶層はＭＢＥによって堆積可能である、および／またはＳｉＮ層またはＳｉＯ_２層は、低エネルギーによる高密度プラズマを使用する誘導結合されたプラズマ加速化学蒸着（ＩＣＰＥＣＶＤ）によって、または原子層堆積（ＡＬＤ）によって堆積可能である。図２４Ｂは、１０＾４ｃｍ／ｓよりはるかに低い低表面再結合速度（ＳＲＶ）がさまざまなマイクロＬＥＤに対して達成可能であることを示す。

図２５Ａ〜図２５Ｃは、未処理の緑色、青色、および赤色マイクロＬＥＤに対するＥＱＥおよび表面再結合損失の比較を示す。例えば、図２５Ａは、緑色マイクロＬＥＤに対するシミュレーションしたＥＱＥ２３１０および測定されたＥＱＥ２３１５を示す。図２５Ａはシミュレーションした表面再結合２５０５も示す。緑色マイクロＬＥＤは、電位内の変動により最大ＥＱＥにおけるおよそ３０％の表面再結合損失を有する。同様に、図２３Ｂは、青色マイクロＬＥＤに対するシミュレーションしたＥＱＥ２５３０および測定されたＥＱＥ２５３５を示す。図２３Ｂはシミュレーションした表面再結合２５２５も示す。青色マイクロＬＥＤは最高のＥＱＥを有するが、表面再結合損失は５０％である。青色マイクロＬＥＤは、緑色マイクロＬＥＤより少ない電位内の変動を有する。同様に、図２３Ｃは、赤色マイクロＬＥＤに対するシミュレーションしたＥＱＥ２５５０および測定されたＥＱＥ２５５５を示す。図２３Ｃはシミュレーションした表面再結合２５４５も示す。赤色マイクロＬＥＤは、８０％以上の表面再結合損失を有する最低のＥＱＥを有する。

図２６Ａ〜図２６Ｃは、処理済みの緑色、青色、および赤色マイクロＬＥＤに対するＥＱＥおよび表面再結合損失の比較を示す。表面再結合損失は、上で論じられるように、メサファセットにおける横キャリア拡散および表面再結合速度を低減することによって低減された。例えば、図２６Ａは、緑色マイクロＬＥＤに対するシミュレーションしたＥＱＥ２６０５および測定されたＥＱＥ２６１０を示す。図２６Ａは、シミュレーションした表面再結合および横キャリア拡散２６１５がゼロに近いことも示す。緑色マイクロＬＥＤは、およそ１０％の最大のＥＱＥ、および最小の表面再結合損失を有する。同様に、図２６Ｂは、青色マイクロＬＥＤに対するシミュレーションしたＥＱＥ２６３０および測定されたＥＱＥ２６２５を示す。図２６Ｂは、シミュレーションした表面再結合２６３５がゼロに近いことも示す。青色マイクロＬＥＤは、およそ３１％の最大のＥＱＥ、および最小の表面再結合損失を有する。同様に、図２６Ｃは、赤色マイクロＬＥＤに対するシミュレーションしたＥＱＥ２６５０および測定されたＥＱＥ２６４５を示す。図２６Ｃは、シミュレーションした表面再結合２６５５がゼロに近いことも示す。赤色マイクロＬＥＤは、およそ３３％の最大のＥＱＥ、および最小の表面再結合損失を有する。図２５Ａ〜図２５Ｃと図２６Ａ〜図２６Ｃとの比較は、処理によって、それぞれのマイクロＬＥＤに対して、表面再結合が低減しかつＥＱＥが増大することを指示する。

図２７Ａ〜図２７Ｃは、活性発光領域内のメサファセットに横方向電子−ホール（ｅ−ｈ）拡散を低減することによって表面再結合を低減する方法の一例を示す。これによって、平面内の引張り歪みが半導体材料のバンドギャップを増大させるように、メサファセットにおける歪みが修正可能である。

図２７Ａに示されるように、メサは、ｎ側半導体２７０２およびｐ側半導体２７０１を含むことができる。レジスト２７０４を使用してメサの中央部をマスクすることができ、さまざまな技法を使用して横方向ｅ−ｈ拡散を低減することができる。例えば、イオン注入または量子井戸混晶は矢印２７０３に沿って適用されてよい。平面イオン注入は、メサ２７０２のＩＣＰエッチングの前または後に適用されてよい。偏角イオン注入は、活性発光層における欠陥発生量を低減するために適用されてよい。図２７Ｂは、量子井戸混晶２７１２の前のＧａおよびＩｎ原子２７１０の分離、および量子井戸混晶２７１２の後のＧａおよびＩｎ原子２７１１の分布の変化を示す。図２７Ｂはまた、さまざまな材料に対するエネルギーに応じて光ルミネセンス強度を示すグラフを含む。図２７Ｂに示されるように、アズグロウン試料に対する光ルミネセンス強度２７１５は２．７４ｅＶに達し、ＳｉＯ_２キャッピング領域に対する光ルミネセンス強度２７１６は２．７４ｅＶに達し、Ｍｏ：ＳｉＯ_２キャッピング領域に対する光ルミネセンス強度２７１７は２．８２ｅＶに達する。これは、異なるキャッピングが結晶構造における原子の横方向の異なる混晶をもたらすことを示す。図２７Ｃは、ＳｉＯ_２の非混晶領域２７２０に対する距離に応じたピークエネルギーと、Ｍｏ：ＳｉＯ_２の混合領域２７２１に対する距離に応じたピークエネルギーとの間の比較を示す。図２７Ｃに示されるように、領域は、異なる形状およびレベルを有する、伝導帯Ｅ_Ｃおよび価電子帯Ｅ_Ｖを有する。これは、混合を有する領域がより高いピークエネルギーを有し光吸収がないことを示す。メサエッジにおけるより高いエネルギーは横方向キャリア拡散に対するバリアの機能を果たし得る。

図２８Ａおよび図２８Ｂは、定められた電流開口に対する横方向イオン注入を行うことによって横方向電流拡がりを低減する方法の一例を示す。図２８Ａは高い接触抵抗および高い動作電圧Ｖ_ｆを有するマイクロＬＥＤを示す。これは、ｐコンタクト２８０５の小さい領域によって引き起こされる。対照的に、図２８Ｂは、ｐコンタクト２８０５を２０％〜１０００％上回る大きい領域を有するｐコンタクト２８２５を示す。横方向イオン注入は、活性発光層２８４５を０．５μｍ〜４μｍの直径などの小さい領域に限定する。垂直注入プロファイルの垂直方向の小滴状の広がりは、ｐ金属との接触抵抗を低くするために活性発光層２８４５より大きい領域を有する最上部のｐ層の導電率を維持することができる。図２８Ａおよび図２８Ｂの比較は、横方向電流拡がりが横方向イオン注入の性能によって限定されることを示す。

表面再結合はまた、メサ形状のエピタキシー中に低減可能である。例えば、横方向ｅ−ｈ拡散は、横方向キャリア閉じ込めのために量子ドットを量子井戸に組み入れることによって低減可能である。これによってまた、キャリア寿命が短くなり得る。さらに、横量子バリアを使用することは、メサファセットにおける歪みの解放をもたらし、かつ引張り訓練済みＩｎＧａｐ量子井戸に対するバンドギャップを増大させる場合がある。量子ドットの代わりに、小さいミクロンサイズの量子細線、フィン壁のような構造、および／またはナノワイヤを使用することもできる。

いくつかの実施形態では、マイクロＬＥＤの壁コンセント効率（ＷＰＥ）は、マイクロＬＥＤの動作電圧Ｖ_ｆを低減することによって増大させることが可能である。例えば、イオン注入を使用して、より小さい電流開口を有するｐ−ＧａＮ接触領域を増大させることができる。垂直方向における小滴注入設計は、接触抵抗を低くするためにｐコンタクト領域を増大させ得るが、活性発光層より上およびこれにおけるより小さい電流開口を定めることができる。イオン注入によって引き起こされる欠陥発生を低減するために、表面および結晶面に対する小角度はチャネリング効果を低減させる。さらに、イオン注入後の熱アニールは、活性発光層における結晶損傷および無放射吸収損失を低減させる。イオン注入の代替策として、エッチングおよび再成長が行われてよい。

上で開示されるマイクロＬＥＤは全般的に、活性発光層より上にｐ側半導体を、および活性発光層より下にｎ側半導体を有するように説明されているが、ｎ側半導体が活性発光層より上に形成され、かつｐ側半導体が活性発光層より下に形成されるように、極性を逆にすることが可能である。さらに、トンネル接合は、マイクロＬＥＤにおける接触抵抗および直列抵抗を低減するためにエピ層に注入されてよい。

上に開示される方法、システム、およびデバイスは例である。さまざまな実施形態は、必要に応じてさまざまな手順または構成要素を、省略、代用、または追加可能である。例えば、代替的な構成では、説明した方法は、説明したものと異なる順序で行われてよい、および／またはさまざまな段階は、追加、省略、および／または組み合わせ可能である。また、ある特定の実施形態に関して説明される特徴は、さまざまな他の実施形態で組み合わせられてよい。実施形態の種々の態様および要素は同様のやり方で組み合わせられてよい。また、技術は発展しているため、要素の多くは、本開示の範囲をこれらの具体的な例に限定しない例である。

実施形態を十分に理解してもらうために本明細書に具体的詳細を挙げている。しかしながら、実施形態はこれら具体的詳細なく実践可能である。例えば、周知の回路、プロセス、システム、構造、および技法は、実施形態を不明瞭にすることを回避するために不必要な詳細なしで示されている。本明細書は例示の実施形態のみを提供しており、本発明の範囲、応用性、または構成を限定することを意図するものではない。もっと正確に言えば、実施形態の前述の説明は、当業者に、さまざまな実施形態を実施するための実施可能な説明を提供するであろう。本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、要素の機能および配置においてさまざまな変更がなされてよい。

また、いくつかの実施形態はフロー図またはブロック図として描写されるプロセスとして説明された。それぞれは、動作を逐次プロセスとして説明するものであり得るが、動作の多くは並列にまたは同時に行われてよい。さらに、動作の順序は再編成されてよい。プロセスは図に含まれない追加のステップを有する場合がある。また、方法の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、またはこれらの任意の組み合わせによって実装されてよい。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、またはマイクロコードで実装される時、関連しているタスクを行うためのプログラムコードまたはコードセグメントは、記憶媒体などのコンピュータ可読媒体に記憶されてよい。プロセッサは関連しているタスクを行ってよい。

具体的な要件に従って大きく変化させてもよいことは、当業者には明らかであろう。例えば、カスタマイズされたまたは専用のハードウェアも使用されてよい、および／または特定の要素は、ハードウェア、（アプレットなどのポータブルソフトウェアを含む）ソフトウェア、またはこの両方で実装される場合がある。さらに、ネットワーク入力／出力デバイスなどの他のコンピューティングデバイスへの接続が用いられてよい。

添付の図を参照すると、メモリを含むことができる構成要素は、非一時的な機械可読媒体を含むことができる。本明細書で使用されるような「機械可読媒体」および「コンピュータ可読媒体」という用語は、機械を具体的なやり方で動作させるデータを提供する際に関与する任意の記憶媒体を指す。以上に提供される実施形態において、さまざまな機械可読媒体は、命令／コードを処理ユニットおよび／または実行するための他のデバイスに提供する際に関与し得る。さらにまたは代替的に、機械可読媒体は、このような命令／コードを記憶するおよび／または伝えるために使用され得る。多くの実装形態では、コンピュータ可読媒体は物理記憶媒体および／または有形記憶媒体である。このような媒体は、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含むがこれらに限定されない多くの形を成してよい。コンピュータ可読媒体の一般的な形態は、例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）もしくはデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）などの磁気媒体および／または光媒体、パンチカード、紙テープ、穴のパターンを有する任意の他の物理媒体、ＲＡＭ、プログラム可能読み出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラム可能読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、フラッシュＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップもしくはカートリッジ、以降で説明されるような搬送波、または、コンピュータが命令および／またはコードを読み出すことができる任意の他の媒体を含む。コンピュータプログラム製品は、手順、関数、サブプログラム、プログラム、ルーチン、アプリケーション（アプリ）、サブルーチン、モジュール、ソフトウェアパッケージ、クラス、または、命令、データ構造、またはプログラム文の任意の組み合わせを表すことができるコードおよび／または機械実行可能命令を含んでよい。

本明細書に説明されるメッセージを通信するために使用される情報および信号がさまざまな種々の技術および技法のいずれかを使用して表され得ることを、当業者は理解するであろう。例えば、上記の説明全体を通して言及され得る、データ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場もしくは磁性粒子、光場もしくは光学粒子、またはこれらの任意の組み合わせによって表され得る。

本明細書で使用されるような用語、「および（ａｎｄ）」および「または（ｏｒ）」は、このような用語が使用される文脈に少なくとも部分的に左右されることも予想されるさまざまな意味を含み得る。典型的には、Ａ、Ｂ、また、Ｃのようなリストを関連付けるために使用される場合の「または（ｏｒ）」は、本明細書において排他的な意味で使用されるＡ、Ｂ、またはＣと共に、本明細書において包含的な意味で使用されるＡ、Ｂ、およびＣを意味することが意図されている。さらに、本明細書で使用されるような「１つまたは複数の」という用語は、単数形の任意の特徴、構造、または特性を説明するために使用され得る、または、特徴、構造、または特性の何らかの組み合わせを説明するために使用され得る。しかしながら、これは単に例示的な例であり、特許請求される主題はこの例に限定されないことは留意されるべきである。さらに、Ａ、Ｂ、または、Ｃのようなリストを関連付けるために使用される場合の「少なくとも１つの」という用語は、Ａ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、ＡＡ、ＡＢＣ、ＡＡＢ、ＡＡＢＢＣＣＣなどのようなＡ、Ｂ、および／またはＣの任意の組み合わせを意味するように解釈可能である。

さらに、ある特定の実施形態がハードウェアおよびソフトウェアの特定の組み合わせを使用して説明されているが、ハードウェアおよびソフトウェアの他の組み合わせも可能であることは認識されるべきである。ある特定の実施形態は、ハードウェアのみで、またはソフトウェアのみで、またはこれらの組み合わせを使用して実装されてよい。１つの例では、ソフトウェアは、本開示に説明されるステップ、動作、またはプロセスのいずれかまたは全てを行うために１つまたは複数のプロセッサによって実行可能なコンピュータプログラムコードまたは命令を含有するコンピュータプログラム製品で実装されてよく、ここで、コンピュータプログラムは非一時的なコンピュータ可読媒体上に記憶されてよい。本明細書に説明されるさまざまなプロセスは、同じプロセッサ上に、または種々のプロセッサの任意の組み合わせで実装可能である。

デバイス、システム、構成要素、またはモジュールがある特定の動作または機能を行うように構成されるとして説明される場合、このような構成は、例えば、動作を行うように電子回路を設計することによって、コンピュータ命令またはコードを実行するなどによって動作を行うための（マイクロプロセッサなどの）プログラム可能電子回路、または非一時的なメモリ媒体上に記憶されるコードまたは命令を実行するようにプログラミングされるプロセッサもしくはコアをプログラミングすることによって、またはこれらの任意の組み合わせによって、成し遂げられ得る。プロセスは、プロセス間通信のための従来の技法を含むがこれに限定されないさまざまな技法を使用して通信でき、異なるプロセス対が異なる技法を使用してよい、または、同じプロセス対がその時々で異なる技術を使用してよい。

本明細書および図面は、それに応じて、限定的意味ではなく例示的意味でみなされるべきである。しかしながら、特許請求の範囲に示されるようなより広範な趣旨および範囲から逸脱することなく、追加、代用、削除、ならびに他の改良および変更がなされてよいことは明らかであろう。よって、具体的な実施形態が説明されているが、これらは限定することを意図するものではない。さまざまな改良および等価物は以下の特許請求の範囲内にあるとする。

Claims (34)

1. 半導体層内の活性発光層であって、前記半導体層はメサ形状を有する、活性発光層と、
   前記半導体層が位置付けられる第１の表面、および前記第１の表面と相対した光取り出し面を含む基板であって、前記活性発光層によって生成された光は、前記光取り出し面に入射し、かつ前記光取り出し面の下流の光学素子に向けて伝搬する、基板と、
   前記光取り出し面に隣接する第１の反射防止膜、前記光取り出し面と前記光学素子との間の屈折率整合材であって、前記屈折率整合材の屈折率は前記光学素子の屈折率以上である、屈折率整合材、または前記光取り出し面に隣接する二次光学系、のうちの少なくとも１つと、
   を備える、発光ダイオード。
2. 前記メサ形状は、平面、縦型、円錐形、半放物型、または放物型のうちの少なくとも１つであり、メサのベース領域は、円形、矩形、六角形、または三角形のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記メサ形状の外面上にリフレクタ層をさらに含み、前記リフレクタ層は、前記メサ形状の前記外面から順に、誘電性パッシベーション層、接着層、拡散バリア層、およびコーティング層を含む、請求項１または２に記載の発光ダイオード。
4. 前記屈折率整合材は前記光学素子に突き合わせ結合され、前記光学素子は導波管を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
5. 前記半導体層は、前記基板に隣接するｎ側半導体層、および前記活性発光層と相対したｐ側半導体層を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
6. 前記二次光学系は、前記活性発光層において焦点を有するレンズを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
7. 前記レンズは球面レンズまたはフレネルレンズである、請求項６に記載の発光ダイオード。
8. 前記レンズの直径は前記基板に隣接する前記半導体層の直径より大きい、請求項６または７に記載の発光ダイオード。
9. 前記レンズは前記光取り出し面にエッチングされる、請求項６に記載の発光ダイオード。
10. 前記レンズは、前記レンズの横方向に沿った異なるレンズ形状、または、６０度以下の半値半幅（ＨＷＨＭ）を有する放射コーン内の前記発光ダイオードからの異なる光線群を取り出すように構成される、ドーナッツ状凹部領域および焦点を有する、請求項６に記載の発光ダイオード。
11. 前記二次光学系は、実質的にシルクハット形状、および６０度以下の半値半幅（ＨＷＨＭ）を有するビームプロファイルを有する光を放出するように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
12. 前記二次光学系は、前記メサ形状のファセットに反射する光を平行にするように構成される追加の球面レンズをさらに含む、請求項６から１１のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
13. 前記二次光学系は、前記光取り出し面と相対した前記レンズの表面上に第２の反射防止膜をさらに含む、請求項６から１２のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
14. 前記二次光学系は、前記光取り出し面にエッチングされるグレーティングを含み、前記グレーティングは、横磁気（ＴＭ）光と異なるパーセンテージで横電気（ＴＥ）光を反射する直線配列を含み、前記発光ダイオードは偏光放射をもたらす、請求項１から５のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
15. 前記光取り出し面からの光の放出方向に垂直な平面における前記光取り出し面の線寸法は、６０μｍ未満である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
16. 前記発光ダイオードは、９０度の第１の角度を有する第１の放射コーン内で５０％〜８５％の第１の光抽出効率、および、１０度の第２の角度を有する第２の放射コーン内で２％〜６％の第２の光抽出効率を有する、請求項１から１５のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
17. 半導体層内の活性発光層であって、前記半導体層はメサ形状を有する、活性発光層と、
    前記半導体層が位置付けられる第１の表面、および前記第１の表面と相対した光取り出し面を含む基板と、
    前記メサ形状の外面上のリフレクタ層であって、前記メサ形状の前記外面から順に、誘電性パッシベーション層、金属層、拡散バリア層、およびコンフォーマルコーティング層を含む、リフレクタ層と、を備える、発光ダイオード。
18. 前記誘電性パッシベーション層の厚さは６０ｎｍ〜８０ｎｍであり、前記金属層の厚さは８０ｎｍ〜１２０ｎｍであり、前記拡散バリア層の厚さは２０ｎｍ〜３０ｎｍであり、前記コンフォーマルコーティング層の厚さは１１０ｎｍ〜１４０ｎｍである、請求項１７に記載の発光ダイオード。
19. 前記誘電性パッシベーション層は、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ＨｆＯ、ＡｌＮ、またはＡｌＯのうちの少なくとも１つを含む、請求項１７または１８に記載の発光ダイオード。
20. 前記金属層は、Ａｇ、Ａｌ、またはＡｕを含み、かつ前記誘電性パッシベーション層と前記拡散バリア層との間に接着をもたらすように構成される、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
21. 前記拡散バリア層は、Ｐｔ、Ｐｄ、ＷＴｉ、またはＷＮを含む、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
22. 前記コンフォーマルコーティング層はＡｕまたはＡｌを含む、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
23. 前記誘電性パッシベーション層および前記金属層は、前記リフレクタ層内の共鳴吸収損失を防止するように構成される、請求項１７から２２のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
24. 前記光取り出し面と相対した前記半導体層の表面上にｐコンタクトをさらに含む、請求項１７から２３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
25. 前記ｐコンタクトは、前記半導体層の前記表面から順に、前記金属層、前記拡散バリア層、および前記コーティング層を含む、請求項２４に記載の発光ダイオード。
26. 前記メサ形状は放物型であり、
    前記メサ形状はおよそ１．５μｍの高さを有し、
    前記メサ形状はおよそ３．０μｍの前記光取り出し面に平行な平面における最大直径を有する、請求項１７から２５のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
27. 前記発光ダイオードは、９０度の第１の角度を有する第１の放射コーン内で４５％〜５５％の第１の光抽出効率、および１０度の第２の角度を有する第２の放射コーン内で２％〜３％の第２の光抽出効率を有する、請求項１７から２６のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
28. 前記活性発光層は前記メサ形状の焦点で配置される、請求項１７から２７のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
29. 前記メサ形状のファセットは、前記ファセットにおける電子およびホールの非放射再結合を防止するのに十分平滑である、請求項１７から２８のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
30. 前記活性発光層に注入されるイオンをさらに含む、請求項１７から２９のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
31. 種々の原子は前記活性発光層内に混合させる、請求項１７から３０のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
32. 前記活性発光層は量子ドットを含む、請求項１７から３１のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
33. 前記活性発光層は横方向量子バリアを含む、請求項１７から３２のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
34. 前記リフレクタ層は、８０％を上回る反射率を有する、請求項１７から３３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。

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