JP2022526801A - 埋設ナノ構造化層および反射器により定められた光キャビティ内に配置された活性領域を有するｌｅｄ - Google Patents

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Abstract

本願では、LEDが開示される。半導体ダイオード構造の発光活性領域は、活性領域の一方の側の半導体ダイオード構造内に埋設されたナノ構造化層と、活性領域の埋設されたナノ構造化層とは反対側に配置された反射器とにより定められた光キャビティ内に配置される。反射器は、例えば、半導体ダイオード構造の表面またはその近傍に配置された、従来の鏡面反射器であってもよい。あるいは、反射器は、ナノ構造化層をであっても、ナノ構造化層を含んでもよい。反射器は、ナノ構造化層と、鏡面反射器とを有してもよい。ナノ構造化層は、鏡面反射器と活性領域との間で、鏡面反射器に隣接して配置されてもよい。

Description

本願は、2020年4月21日に出願された米国特許出願第16／854,767号、および2019年4月22日に出願された米国仮出願第62／837,099号に対する優先権の利益を主張するものであり、各出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
本願は、全般に、発光ダイオードに関する。
半導体発光ダイオードおよびレーザダイオード（本願では、まとめて「LED」と称される）は、現在利用可能な最も効率的な光源の一つである。通常、LEDの放射スペクトルは、装置の構造、およびLEDが構成される半導体材料の組成により定められる波長において、単一の狭小ピークを示す。装置構造および材料系の好適な選択により、LEDは、紫外線、可視光、または赤外線の波長で動作するように設計される。
通常、従来のLEDは、反射器の上に配置された高屈折率半導体ダイオード構造内の活性発光層と、その反射器と反対の側に配置された光出射表面とを含む。
LEDは、該LEDにより放射される光を吸収し、それに応じてより長波長の光を放射する1または2以上の波長変換材料（一般に、ここでは、「蛍光体」と称される）と組み合わされる。そのような装置は、蛍光体変換LED（「pcLED」）と称され得る。
本願では、LEDが開示され、該LEDにおいて、半導体ダイオード構造の発光活性領域は、活性領域の片側の半導体ダイオード構造内に埋設されたナノ構造化層と、埋設されたナノ構造化層から、活性領域の反対側に配置された反射器とにより定められる光キャビティ内に配置される。
反射器は、例えば、半導体ダイオード構造の表面またはその近傍に配置された、従来の鏡面反射器であってもよい。あるいは、反射器は、ナノ構造化層であってもよく、または、それを有してもよい。反射器は、ナノ構造化層および鏡面反射器を有し、ナノ構造化層は、鏡面反射器と活性領域の間で、鏡面反射器に隣接して配置されてもよい。
最初に簡単に説明される添付図面とともに、以下の本発明のより詳細な説明を参照することにより、当業者には、本発明のこれらのおよび他の実施形態、特徴および利点が明らかになる。
例示的なpcLEDの概略的な断面図を示した図である。 pcLEDのアレイの断面図を概略的に示した図である。 pcLEDのアレイの上面図を概略的に示した図である。 pcLEDのモノリシックアレイの斜視図を示した図である。 pcLEDのアレイがマウントされた電子回路基板の概略的な平面図を示した図である。 同様に、図3Aの電子回路基板上にマウントされたpcLEDのアレイを示した図である。 、導波管および投影レンズに関して配置されたpcLEDのアレイの概略的な断面を示した図である。 導波管を有さない、図4Aと同様の配置を示した図である。 例示的なLEDの概略的な断面を示した図である。半導体ダイオード構造の発光活性領域は、光キャビティ内に配置される。光キャビティは、活性領域の一方の側で半導体ダイオード構造に埋設されたナノ構造化層と、活性領域の埋設ナノ構造化層とは反対側の半導体ダイオード構造の表面、またはその表面に隣接して配置された反射器とにより定められる。 図5Aの例のLEDの変形例の断面を示した図である。反射器は、別のナノ構造化層であり、あるいはそれを有する。 図5Aの例のLEDの変形例の断面を示した図である。反射器は、別のナノ構造化層であり、あるいはそれを有する。 図5Aの例のLEDの変形例の断面を示した図である。反射器は、別のナノ構造化層であり、あるいはそれを有する。 別の一例のLEDの概略的な断面を示した図である。半導体ダイオード構造の発光活性領域は、光キャビティ内に配置され、これは、活性領域の一方の側の半導体ダイオード構造に埋設されたナノ構造化層と、活性領域の埋設されたナノ構造化層とは反対側の半導体ダイオード構造の表面、またはそれに隣接して配置された反射器とにより定められる。 側面反射器を有する図6AのLEDの変形例の概略的な断面を示した図である。 別のLEDの概略的な断面を示した図である。半導体ダイオード構造の発光活性領域は、光キャビティ内に配置され、これは、活性領域の一方の側の半導体ダイオード構造内に埋設されたナノ構造化層と、活性領域の埋設されたナノ構造化層とは反対側の半導体ダイオード構造の表面またはそれに隣接して配置された反射器とにより定められる。反射器は、別のナノ構造化層であり、またはこれを有する。 側面反射器を含む図7AのLEDの変形例の概略的な断面を示した図である。
図面を参照して、以下の詳細な説明が理解される。異なる図面全体にわたって、同一の参照番号は、同様の素子を表す。図面は、必ずしもスケール通りではなく、選択された実施形態が示されており、これは、本発明の範囲を限定するものではない。詳細な説明は、例示であり、本発明の原理を限定するものではない。
図1には、個々のpcLED100の例を示す。これは、基板104上に配置された半導体ダイオード構造102（LED）と、LED上に配置された蛍光体層または蛍光体構造106とを有する。通常、半導体ダイオード構造102は、n型層とp型層との間に配置された活性領域を有する。ダイオード構造を横切る好適な順方向バイアスの印加により、活性領域から光の放射が生じる。放射される光の波長は、活性領域の組成および構造により定められる。
LEDは、例えば、青色、紫色、または紫外線の光を放射するIII-窒化物 LEDであってもよい。また、任意の他の好適な材料系から形成され、任意の他の好適な波長の光を放射するLEDが使用されてもよい。他の好適な材料系には、例えば、III-リン化物材料、III-ヒ素化物材料、およびII-VI材料が含まれ得る。
pcLEDからの所望の光出力に応じて、任意の好適な蛍光材料が使用されてもよい。
図2A乃至図2Bには、それぞれ、基板202上に配置されたpcLED100のアレイ200の断面図および上面図を示す。そのようなアレイは、任意の好適な方法で配置された、任意の好適な数のpcLEDを有してもよい。図示された実施例では、アレイは、共有基板上にモノリシックに形成されるように示されているが、その代わりに、pcLEDのアレイは、別個の個々のpcLEDから形成されてもよい。基板202は、必要な場合、LEDを駆動するCMOS回路を有してもよく、任意の好適な材料で構成されてもよい。
図3A乃至図3Bに示すように、pcLEDアレイ200は、電子回路基板300上にマウントされ、電子回路基板300は、電力および制御モジュール302、センサモジュール304、ならびにLED取り付け領域306を有してもよい。電力および制御モジュール302は、外部ソースから電力および制御信号、ならびにセンサモジュール304からの信号を受け取り、それに基づいて、電力および制御モジュール302は、LEDの動作を制御する。センサモジュール304は、任意の好適なセンサ、例えば温度センサまたは光センサから、信号を受信してもよい。あるいは、pcLEDアレイ200は、電力モジュールおよび制御モジュール、ならびにセンサモジュールとは別の基板（図示されていない）上にマウントされてもよい。
個々のpcLEDは、必要な場合、蛍光体層に隣接して配置されもしくは蛍光体層上に配置されたレンズまたは他の光学素子と組み合わされて、導入、または配置されてもよい。そのような図示されていない光学素子は、「一次光学素子」と称される。さらに、図4A乃至図4Bに示すように、pcLEDアレイ200（例えば、電子回路基板300上にマウントされる）は、意図される用途に使用される、導波管、レンズ、またはその両方のような、二次光学素子と組み合わされて配置されてもよい。図4Aでは、pcLED100により放射された光は、導波管402により集光され、投影レンズ404に誘導される。投影レンズ404は、例えば、フレネルレンズであってもよい。この構成は、例えば、車両のヘッドライトでの使用に適する。図4Bにおいて、pcLED100により放射された光は、介在導波管を使用せずに、投影レンズ404により直接収集される。この構成は、pcLEDを相互に十分に近接して配置できる際に、特に好適であり、また、車両のヘッドライトおよびカメラのフラッシュ用途において使用されてもよい。マイクロLED表示用途には、例えば、図4A乃至図4Bに示されたものと同様の光学的配置が使用されてもよい。一般に、光学素子の任意の好適な配置は、所望の用途に応じて、本願に記載のpcLEDと組み合わせて使用されてもよい。
再度図2A乃至図2Bを参照すると、これらの図には、3×3の9個のpcLEDのアレイが示されているが、そのようなアレイは、例えば、数十個、数百個、または数千個のLEDを含んでもよい。個々のLED（画素）は、アレイの平面内に幅（例えば、側長）を有し、例えば、1mm以下、500μm以下、100μm以下、または50μm以下であってもよい。そのようなアレイにおけるLEDは、アレイの平面において、幅を有するストリートまたはレーンにより相互に離間され、これは、例えば、数百μm、100μm以下、50μm以下、10μm以下、または5μm以下であってもよい。示された例では、対称マトリクス内に配列された矩形画素が示されているが、画素およびアレイは、任意の好適な形状を有してもよい。
約50ミクロン以下のアレイの平面（例えば、側長）の寸法を有するLEDは、典型的には、マイクロLEDと呼ばれ、そのようなマイクロLEDのアレイは、マイクロLEDアレイと称される。
LEDのアレイ、またはそのようなアレイの一部は、セグメント化されたモノリシック構造として形成され、個々のLED画素は、溝および／または絶縁材料により、互いに電気的に絶縁されてもよい。図2Cには、そのようなセグメント化されたモノリシックアレイ1100の一例の斜視図を示す。このアレイ内の画素は、溝1130により分離され、溝は、nコンタクト1140を形成するように充填される。モノリシック構造は、基板1114上に成長または配置される。各画素は、pコンタクト1113、p-GaN半導体層1112、活性領域1111、およびn-GaN半導体層1110を有する。波長変換材料1117は、半導体層1110（または他の適用可能な層）上に成膜されてもよい。溝1130内には、パッシベーション層1115が形成され、nコンタクト1140の少なくとも一部が半導体の1または2以上の層から分離されてもよい。nコンタクト1140または溝内の他の材料は、変換材料1117内に延在し、nコンタクト1140または他の材料は、画素間に完全なまたは部分的な光分離1120を提供してもよい。
LEDアレイ内の個々のLED（画素）は、個々にアドレス処理可能であってもよく、アレイ内の画素のグループまたはサブセットの一部としてアドレス可能であってもよく、またはアドレス処理ができなくてもよい。従って、発光画素アレイは、光分布の微細な粒子強度、空間的および時間的制御が要求され、またはこれが有益となる、任意の用途に有用である。これらの用途には、これに限られるものではないが、画素ブロックまたは個々の画素からの、放射光の正確で特殊なパターン化が含まれ得る。用途に応じて、放射光は、スペクトル的に別個であってもよく、時間にわたって適応的であってもよく、および／または環境的に応答性であってもよい。発光画素アレイにより、種々の強度、空間または時間パターンで予めプログラムされた光分布が提供されてもよい。放射された光は、少なくとも一部が受信されたセンサデータに基づくことができ、光無線通信に使用されてもよい。関連する電子機器および光学系は、画素、画素ブロック、またはデバイスレベルで区別されてもよい。
発光画素アレイは、広範の用途を有する。発光画素アレイ照明器具は、選択画素活性化と強度制御に基づいて、異なる照射パターンを放射するようにプログラム化できる、照明具を有する。そのような照明器具は、可動部品を使用せず、単一の照明装置から、複数の制御可能なビームパターンを供給することができる。通常、これは、1Dまたは2Dアレイにおける個々のLEDの輝度を調整することにより行われる。光学系は、共有であるか個別であるかにかかわらず、必要な場合、特定のターゲット領域に光を誘導することができる。
発光画素アレイを使用して、建物または領域を選択的かつ適応的に照射し、改善された視覚表示、または照明コストの抑制が得られてもよい。また、発光画素アレイを用いて、装飾的な動きまたはビデオ効果用のメディアファサードを投影してもよい。追跡センサおよび／またはカメラとともに、歩行者の周囲の領域の選択的照明が可能となってもよい。スペクトル的に異なる画素を使用して、照明の色温度を調節したり、波長固有の園芸照明をサポートしてもよい。
街路照明は、発光画素アレイの使用から大きな利益が得られる重要な用途であり得る。単一タイプの発光アレイを用いて、各種街路照明種を模擬してもよく、これにより、例えば、選択された画素の好適な活性化または非活性化によって、タイプIの直線街路光とタイプIVの半円街路光の間の切り替えが可能となる。また、環境条件または使用時間に応じて光線強度または分布を調整することにより、街路照明のコストが抑制し得る。例えば、歩行者がいない場合、光の強度および分布面積を抑制してもよい。発光画素アレイの画素がスペクトル的に明確である場合、光の色温度は、それぞれの昼光、夕暮れ、または夜間の条件に従って調節されてもよい。
また、発光アレイは、直接的なまたは投影されたディスプレイが必要となる用途を支援することにも適する。例えば、警告表示、緊急表示、または情報表示は、全て発光アレイを用いて表示または投影され得る。これにより、例えば、色変化したり、点滅する誘導灯が投影できる。発光アレイが多数の画素から構成される場合、テキスト情報または数値情報が提供されてもよい。また、誘導矢印または類似のインジケータが提供されてもよい。
車両用ヘッドランプは、多くの画素数と高いデータリフレッシュ速度が要求される発光アレイ用途である。道路の選択された区画のみを能動的に照らす車両用ヘッドライトは、対向するドライバのぎらつきやまぶしさに関する問題の軽減に使用することができる。赤外線カメラをセンサとして用い、発光画素アレイにより、道路を照射するために必要な画素のみを活性化させる一方、対向車両のドライバまたは歩行者をまぶしくさせる画素が非活性にされる。また、道路外の歩行者、動物、または標識は、選択的に照射され、ドライバの環境認識が改善される。発光画素アレイの画素がスペクトル的に明確である場合、光の色温度は、それぞれの昼光、夕暮れ、または夜間の条件に従って調節されてもよい。ある画素は、光ワイヤレス車両対車両通信に使用されてもよい。
典型的には、LED、LEDのアレイ、pcLED、およびpcLEDのアレイの前述の用途は、LEDにおける光生成の改善された効率、およびLEDからの光の抽出の点で有意である。また通常、これらの用途は、活性領域から光が放射される方向、およびLEDから光が抽出される方向の大きな制御の点で有意である。通常、これらの利点は、装置が波長変換構造を含むか否かにかかわらず生じる。
前述のように、本明細書ではLEDが開示され、半導体ダイオード構造の発光活性領域は、光キャビティ内に配置され、これは、活性領域の一方の側の半導体ダイオード構造内に埋設されたナノ構造化層と、活性領域の埋設されたナノ構造化層とは反対側に配置された反射器とにより定められる。活性領域は、例えば、複数の量子井戸を含んでもよい。
埋設されたナノ構造化層は、ナノアンテナの配列を有してもよい。ナノアンテナは、1または2以上の光散乱体を有する。ナノアンテナの個々のものは、サブ波長の寸法、すなわち、活性領域により放射される光のピーク波長以下の寸法を有してもよい。ナノアンテナは、全ての方向においてサブ波長寸法を有してもよい。あるいは、ナノアンテナは、ナノ構造化層の平面におけるサブ波長寸法、およびその平面に対して垂直なより大きな寸法を有してもよい。ナノアンテナの配列は、周期的であっても非周期的であってもよく、ナノアンテナ間には任意の好適な間隔が使用されてもよい。ナノアンテナは、任意の好適な形状を有してもよく、好適であれば、対称または非対称であってもよく、任意の好適な形状の光散乱体、例えば、円柱形、立方体、またはピラミッド形の光散乱体から形成されてもよい。埋設されたナノ構造化層は、ナノアンテナの1または2以上の層を含んでもよい。
埋設されたナノ構造化層内のナノアンテナは、1または2以上の誘電体材料から形成されることが好ましいが、好適であれば、金属、導体、または誘電体材料、金属、および導体の混合物が使用されてもよい。
反射器は、例えば、金属面または分布ブラッグ反射器のような鏡面反射器であってもよい。
あるいは、反射器は、ナノアンテナの配列を含むナノ構造化された反射器層であっても、これを含んでもよい。これらのナノアンテナは、誘電体材料、金属、半導体、またはそれらの混合物から形成されてもよい。ナノアンテナの個々のものは、サブ波長の寸法を有してもよい。ナノアンテナは、全ての方向においてサブ波長の寸法を有してもよい。あるいは、ナノアンテナは、ナノ構造化反射器層の平面においてサブ波長寸法を有し、およびその平面に対して垂直なより大きな寸法を有してもよい。ナノアンテナの配列は、周期的であっても非周期的であってもよく、ナノアンテナ間には任意の好適な間隔が使用されてもよい。ナノアンテナは、任意の好適な形状を有してもよく、好適であれば、対称または非対称であってもよく、任意の好適な形状の光散乱体、例えば、円柱形、立方体、またはピラミッド形の光散乱体から形成されてもよい。ナノ構造化反射器層は、ナノアンテナの1または2以上の層を含んでもよい。ナノ構造化反射器層のナノアンテナは、埋設媒体、例えば、誘電体媒体に埋設されてもよい。あるいは、これらのナノアンテナは、半導体ダイオード構造内に埋設されてもよい。
反射器は、鏡面反射器、および該鏡面反射器と活性領域との間に配置されたナノ構造化反射器層を有してもよい。そのような場合、ナノアンテナは、スペーサ層によって鏡面反射器から離間され、および／または半導体ダイオード構造から離間され、スペーサ層は、例えば誘電体材料であってもよい。鏡面反射器およびナノ構造化層を含む反射器において、ナノ構造化層は、例えば、鏡面反射器に配置され、または活性領域からのピーク発光波長における単一波長に対応して、鏡面反射器から離れた距離内に配置されてもよい。ある変形例では、非鏡面反射表面、例えば光散乱表面が、鏡面反射器と置換されてもよい。
ナノ構造化層を含むか否かにかかわらず、反射器は、例えば、活性領域からのピーク放射波長での単一波長に対応して、活性層に配置され、または活性層からある距離内に配置されてもよい。埋設ナノ構造化層は、活性領域からのピーク放射波長での単一波長に対応して、活性層に配置され、または活性層からある距離内に配置され、または半導体ダイオード構造から、光出口表面と活性領域の中間の活性領域から複数の波長の位置に配置され、または活性領域から複数の波長の距離で、発光半導体ダイオード構造の光出口表面に隣接して、配置されてもよい。
反射器または反射器の一部は、半導体ダイオード構造に対する電気コンタクトであり、またはその一部を形成してもよい。
活性領域は、埋設ナノ構造化層と反射器との間の中心に配置されてもよく、または埋設ナノ構造化層と反射器との間のほぼ中心に配置されてもよい。あるいは、埋設ナノ構造化層よりも反射器に近い位置、または反射器よりも埋設ナノ構造化層により近い位置に配置されてもよい。
活性領域（例えば、量子井戸を含む）が半導体ダイオード構造に埋設されたナノ構造化層および反射器により定められる光キャビティ内に配置された、このLED構造は、活性領域が埋設ナノ構造化層に向かって順方向に優先的に光を放射するように配置できる。これにより、LEDから光を抽出する効率を改善できる。また、この構造は、活性領域からの放射率を高めることができ、これにより、LEDの内部量子効率が改善される。さらなる利点には、例えば、シリコーンドームのような、重厚な光学機器の必要性が抑制されまたは排除されることソースのサイズが抑制されること、およびエミッタの輝度が向上することが含まれる。
この構造から得られる改善された方向性および内部量子効率は、光キャビティ解析により、理論的に理解できる。ここでは、ナノ構造化層および反射器の構造および位置を変化させることにより、ナノ構造化層および反射器により、設計者によりシミュレーションおよび分析解析を用いて調整され得るキャビティモーおよび状態密度が定められ、これらの結果が得られる。あるいは、これらの結果は、活性領域におけるダイポールの振動、およびナノ構造化層、反射器と相互作用する活性領域により放射される光、ならびにナノ構造化層と反射器により再放射される光により、理解できる。この方法においても、シミュレーションおよび分析解析を用いる設計者は、活性領域、反射器、および埋設ナノ構造化層の間の相互作用を、それらの構造および位置を変化させることにより調整し、所望の結果を達成できる。
前述のように、図5A乃至5D、6A乃至6B、および7A乃至7Bには、埋設ナノ構造化層と反射器の間に配置された活性領域を有する、例示的なLEDを概略的に示す。これらの図には、個々のLEDが示されているが、前述のキャビティ構造およびこれらの図に示された例は、例えば、マイクロLEDおよびモノリシックマイクロLEDアレイのような、LEDアレイに配置されたLEDに使用されてもよい。また、図5A乃至5D、6A乃至6B、および7A乃至7Bに示された例示的なLED装置は、蛍光体層（波長変換構造）を含まないが、前述のキャビティ構造、およびこれらの図に示した実施例は、波長変換構造と組み合わせて使用され、pcLEDおよびpcLEDのアレイが提供されてもよい。
以下に示す特定の実施例では、半導体ダイオード構造は、GaN半導体ダイオード構造と略称されるIII-N半導体ダイオード構造として説明されるが、より一般的には、半導体ダイオード構造は、前述の列挙したものを含む、任意の好適な材料システムから形成されてもよい。これらの図は、簡略化されており、例えば、半導体ダイオード構造のp側およびn側に対する電気コンタクトの細部は省略されている。
次に図5Aを参照すると、例示的なLED500Aは、GaN半導体ダイオード構造510に配置された活性領域505を有する。活性領域505は、複数の量子井戸を有してもよい。ナノアンテナ520を有するナノ構造化層515は、半導体ダイオード構造510において、活性領域505と半導体ダイオード構造の光出射面525の間に配置される。従来の鏡面反射器530は、半導体ダイオード構造510の表面またはそれに隣接して配置され、光出射表面525とは反対側の、活性領域505のナノ構造化層515とは反対の側に配置される。ナノ構造化層515および鏡面反射器530は、前述のような光キャビティを定め、相互に対し、あるいは前述の活性領域505に対し、任意の構造および任意の配置を有してもよい。
図5Bに示した一例としてのLED500Bは、図5AのLED500Aの例と同様である。ただし、鏡面反射器530が反射器535と置換される点が異なる。反射器535は、鏡面反射器540およびナノ構造化層545を有し、該ナノ構造化層545は、鏡面反射器540に隣接して配置され、該鏡面反射器540と活性領域505の間に配置されたナノアンテナ550を有する。この実施例では、ナノアンテナ550は、半導体ダイオード構造510の表面に埋設される。ナノ構造化層515および反射器535は、前述のような光キャビティを定め、相互に対し、および前述の活性領域505に対して、任意の構造および任意の配置を有してもよい。
図5Cに示す一例のLED500Cは、例示的なLED500Bと同様である。ただし、反射器535において、ナノアンテナ550は、半導体ダイオード構造510の表面またはその近傍に配置され、誘電体媒体555に埋設され、鏡面反射器540から離間して配置される点が異なる。埋設媒体555と半導体ダイオード構造510の間に、導電性金属酸化物（例えば、ITO）の層560が配置され、半導体ダイオード構造への電気的コンタクトを容易になってもよい。
図5Dに示す一例のLED 500Dは、例示的なLED500Cと同様である。ただし、ナノアンテナ550が鏡面反射器540またはそれに隣接して配置され、半導体ダイオード構造の表面から離間されている点が異なる。
LED500B、500C、および500Dのある変形例では、LEDは、同様の構造を有するが、鏡面反射器540を有さない。
一例としてのLED500B、500C、および500Dの他の変形例では、構造540は、反射器であるものの、鏡面反射器ではなく、これは、例えば、入射光を鏡面反射する代わりに、入射光を散乱させてもよい。
反射器535に好適な他の反射器構造は、米国特許公開第2019／0115492号に記載されているものが含まれ、これは、その全体が本願に参照により組み込まれている。
図6A、6B、7A、および7Bに概略的に示した一例としてのLEDは、図5Bの例示的なLED500Bに基づく。代わりに、同様のLED構造は、図5A、5C、および5Dに示した例示的なLEDに基づいてもよい。
図6Aに示したLED 600Aは、半導体ダイオード構造510の光出射表面525、またはそれに隣接して配置された基板605を有する。基板605は、活性領域515により放射される光に対して透明であり、例えば、サファイア基板であってもよい。
LED600Aは、必要な場合、透明基板605と半導体ダイオード構造510との界面、またはその近傍に配置されたナノアンテナ615のナノ構造化層610を有してもよい。図に示すように、ナノアンテナ615は、一部または全体が半導体ダイオード構造に埋設されてもよい。あるいは、これらは、半導体ダイオード構造510と基板605との間の光出射表面525に配置され、必要な場合、別の媒体に埋設されてもよい。
ナノアンテナ615は、誘電体材料、金属、半導体、またはこれらの混合物から形成されてもよい。半導体ダイオード構造510内に埋設される場合、ナノアンテナ615は、誘電体材料で形成されることが好ましい。ナノアンテナの個々のものは、サブ波長の寸法を有してもよい。ナノアンテナは、全ての方向においてサブ波長の寸法を有してもよい。あるいは、ナノアンテナは、ナノ構造化層610の平面においてサブ波長の寸法を有し、その平面に垂直なより大きな寸法を有してもよい。ナノアンテナの配置は、周期的であっても非周期的であってもよく、ナノアンテナ間には、任意の好適な間隔が使用されてもよい。ナノアンテナは、任意の好適な形状を有してもよく、必要な場合、対称であっても、非対称であってもよい。また、任意の好適な形状の光散乱体で形成されてもよく、例えば、円柱形、立方体、またはピラミッド形の光散乱体であってもよい。ナノ構造化層610は、ナノアンテナの1または2以上の層を含んでもよい。
ナノ構造化層610は、例えば、その界面での全内部反射を減少させることにより、半導体ダイオード構造510から基板605への光抽出を改善するように設計されてもよい。また、これに加えてまたはこれとは別に、その界面を介して抽出される光の角度分布を形状化するように設計されてもよい。
一例のLED500A、500B、および500Cは、必要な場合、半導体ダイオード構造の光出射表面525またはその近傍に配置されたナノアンテナ615のナノ構造化層610を同様に有し、例えば、半導体ダイオード構造510から周囲空気または別の媒体への光の抽出が改善され、これに加えて、またはこれとは別に、光出射表面525を介して抽出される光の角度分布が形状化される。
再度図6Aを参照すると、例示のLED600Aは、必要な場合、半導体ダイオード構造510とは反対の側に、基板605の表面630またはこれに隣接して配置されたナノアンテナ625のナノ構造化層620を有してもよい。
ナノアンテナ625は、誘電体材料、金属、半導体、またはこれらの混合物から形成されてもよい。ナノアンテナの個々のものは、サブ波長の寸法を有してもよい。ナノアンテナは、全ての方向においてサブ波長の寸法を有してもよい。あるいは、ナノアンテナは、ナノ構造化層620の平面においてサブ波長の寸法を有し、その平面に垂直なより大きな寸法を有してもよい。ナノアンテナの配置は、周期的であっても非周期的であってもよく、ナノアンテナ間には、任意の好適な間隔が使用されてもよい。ナノアンテナは、任意の好適な形状を有してもよく、必要な場合、対称であっても、非対称であってもよい。また、任意の好適な形状の光散乱体で形成されてもよく、例えば、円柱形、立方体、またはピラミッド形の光散乱体であってもよい。ナノ構造化層620は、ナノアンテナの1または2以上の層を含んでもよい。ナノアンテナ625は、図に示すように、埋設媒体635、例えば、誘電体材料に埋設されてもよい。
ナノ構造化層620は、コリメート構造に設計され、LED内の活性領域または任意の他の領域が遠視野に画像化され、LEDから平行な放射が形成されてもよい。あるいは、ナノ構造化層620は、光が所望の角度範囲内でナノ構造化層620に入射した場合にのみ、基板605からの光を透過または散乱させるように設計され、その角度範囲以外で入射したLED光を反射させ、これにより、基板605の表面630を介して放射される光の円錐角度を低減する角度フィルタとして機能してもよい。
平行化ナノ構造化層620としての使用に好適なナノ構造化層の構成は、米国特許出願公開第20190113727号に記載されており、これは、その全体が参照により本願に取り込まれている。角度フィルタナノ構造化層620としての使用に好適なナノ構造化層の構成は、2018年12月21日に出願された米国特許出願第16／230760号に記載されており、これは、その全体が参照により本願に取り込まれている。
図6Bに示す一例のLED600Bは、例示的なLED600Aと同様であるが、これは、半導体ダイオード構造510および基板605の側壁に配置された側面反射器640を有する点で異なっている。側面反射器640は、例えば、分布ブラッグ反射器であってもよい。例LED500A乃至500Dの半導体ダイオード構造510の側壁には、同様の側面反射器が配置されてもよい。
図7Aの一例のLED700Aは、例示のLED600Aと同様であるが、基板605とは反対側の、ナノ構造化層620に隣接して配置された鏡面反射器705を任意に有する点で異なっている。また、この変形例では、ナノ構造化層620内のナノアンテナ625の一部または全部が非対称である。非対称のナノアンテナは、単一の非対的に形状化された光散乱体であってもよく、または空間的に非対称に配置された2または3以上の光散乱体を有してもよい。この変形例では、ナノ構造化層620は、必要な場合、鏡面反射器705と組み合わされ、これは、それに垂直入射またはほぼ垂直入射で入射された光を、基板605に戻り、基板605の側壁に向かうように散乱させるように設計される。この結果、表面630を通る代わりに、むしろ主として側壁を通り、基板605を出射する光が得られる。これは、ある用途において有利である。
基板605に垂直に、またはほぼ垂直に入射する光を、基板に戻り、基板の側壁に向かって散乱させる、ナノ構造化層620として使用に好適なナノ構造化層の構成は、2019年4月26日に出願された米国仮出願62／839123号に開示されている。
図7Bに示す一例のLED700Bは、LED700Aと同様であるが、これは、半導体ダイオード構造510の側壁に配置された側面反射器740を有する点で異なっている。側面反射器740は、例えば、分布ブラッグ反射器であってもよい。
前述のように、ナノ構造化層515および反射器530（図5A）または反射器535により定められる光キャビティ構造は、活性領域が埋設ナノ構造化層に向かって、従って、垂直またはほぼ垂直な入射で基板605の表面630に向かって、優先的に順方向に光を放射するように配置されてもよい。これにより、そのような光を基板605の側壁を介して散乱させるように、または光を平行化するように、または光を角度的にフィルタ化するように設計された、ナノ構造化層620の特性を改善できる。
本開示は、例示的なものであり、限定的なものではない。当業者には、本開示に照らして、別の修正が明らかであり、そのような修正は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。

Claims (31)

  1. 発光装置であって、
    上部表面、反対側に配置された底部表面、前記上部表面と底部表面とを接続する側表面、および前記上部表面と前記底部表面の間の活性領域を有する半導体ダイオード構造と、
    前記半導体ダイオード構造内に光キャビティを定めるように配置された、ナノ構造化層および反射器と、
    を有し、
    前記ナノ構造化層は、前記活性領域と前記上部表面の間で、前記半導体ダイオード構造内に埋設されたナノアンテナのアレイを有し、
    前記活性領域は、前記反射器と前記ナノ構造化層の間の前記光キャビティ内に配置される、発光装置。
  2. 前記反射器は、前記活性領域から、当該発光装置の動作の際に前記活性領域により放射される光のピーク波長以下の距離に配置される、請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記ナノ構造化層は、前記活性領域から、当該発光装置の動作の際に前記活性領域により放射される光のピーク波長以下の距離に配置される、請求項1に記載の発光装置。
  4. 前記ナノ構造化層は、前記活性領域から、当該発光装置の動作の際に前記活性領域により放射される光のピーク波長よりも長い距離に配置される、請求項1に記載の発光装置。
  5. 前記ナノ構造化層は、前記発光半導体構造の前記上部表面に隣接して配置される、請求項4に記載の発光装置。
  6. 前記反射器は、鏡面反射器であり、または鏡面反射器を有する、請求項1に記載の発光装置。
  7. 前記反射器は、ナノアンテナのアレイを有するナノ構造化反射器層を有する、請求項1に記載の発光素子。
  8. 前記ナノアンテナは、前記半導体ダイオード構造の前記底部表面に埋設される、請求項7に記載の発光装置。
  9. 前記ナノアンテナは、前記半導体ダイオード構造の前記底部表面に配置される、請求項7に記載の発光装置。
  10. 前記ナノアンテナは、前記半導体ダイオード構造の前記底部表面から離間して配置される、請求項7に記載の発光装置。
  11. 前記反射器は、鏡面反射器と、該鏡面反射器と前記活性領域の間に配置されたナノアンテナのアレイを有するナノ構造化反射器層とを有する、請求項1に記載の発光素子。
  12. 前記ナノアンテナは、前記半導体ダイオード構造の前記底部表面に埋設される、請求項11に記載の発光装置。
  13. 前記鏡面反射器は、前記ナノアンテナから離間して配置される、請求項12に記載の発光装置。
  14. 前記鏡面反射器は、前記ナノアンテナに隣接している、請求項12に記載の発光装置。
  15. 前記ナノアンテナは、前記半導体ダイオード構造の前記底部表面に配置される、請求項11に記載の発光装置。
  16. 前記鏡面反射器は、前記ナノアンテナから離間して配置される、請求項15に記載の発光装置。
  17. 前記鏡面反射器は、前記ナノアンテナに隣接している、請求項15に記載の発光装置。
  18. 前記ナノアンテナは、前記半導体ダイオード構造の前記底部表面から離間して配置される、請求項11に記載の発光装置。
  19. 前記鏡面反射器は、前記ナノアンテナから離間して配置される、請求項18に記載の発光装置。
  20. 前記鏡面反射器は、前記ナノアンテナに隣接している、請求項18に記載の発光装置。
  21. 上面、反対側に配置された底面、および前記上面と前記底面とを接続する側面を有する透明基板であって、該透明基板の前記底面は、前記半導体ダイオード構造の前記上部表面、または前記上部表面に隣接して配置される、透明基板と、
    前記透明基板の前記上面または前記上面に隣接して配置されたナノアンテナのアレイを含むナノ構造化層と、
    を有する、請求項1に記載の発光装置。
  22. 前記透明基板の前記上面または前記上面に隣接して配置された前記ナノアンテナのアレイは、当該発光装置の動作中、前記活性領域により放射され、前記透明基板の前記上面に入射される光を平行化するように構成される、請求項21に記載の発光装置。
  23. 前記透明基板の前記上面または前記上面に隣接して配置された前記ナノアンテナのアレイは、当該発光装置の動作中、前記活性領域により放射され、前記透明基板の前記上面に入射される光を角度的にフィルタ化するように構成される、請求項21に記載の発光装置。
  24. 前記透明基板の前記上面または前記上面に隣接して配置された前記ナノアンテナのアレイは、当該発光装置の動作中、垂直入射または垂直入射に近い角度で前記透明基板の前記上面に入射される光を、前記透明基板の側面に向かって反射するように構成される、請求項21に記載の発光装置。
  25. 上面および反対側に配置された底面を有する透明基板であって、前記底面が、前記半導体ダイオード構造の前記上部表面に配置され、または前記上部表面に隣接して配置された、透明基板と、
    前記半導体ダイオード構造の前記上部表面と前記透明基板の前記底面の間の界面に配置され、または前記界面に隣接して配置された、ナノアンテナのアレイを有するナノ構造化層と、
    を有する、請求項1に記載の発光装置。
  26. 前記半導体ダイオード構造の前記上部表面と前記透明基板の前記底面の間の前記界面に配置され、または前記界面に隣接して配置された、前記ナノアンテナのアレイは、当該発光装置の動作中、前記活性領域により放射され、前記界面に入射される光の反射を低減するように構成される、請求項25に記載の発光装置。
  27. 前記半導体ダイオード構造の前記上部表面と前記透明基板の前記底面の間の前記界面、または前記界面に隣接して配置された、前記ナノアンテナのアレイは、当該発光装置の動作中、前記活性領域により放射され、前記界面に入射される光を平行にするように構成される、請求項25に記載の発光装置。
  28. 発光装置であって、
    基板と、
    前記基板上に配置されたLEDのアレイであって、各LEDは、
    上部表面、反対側に配置された底部表面、前記上部表面と前記底部表面を接続する側表面、および前記上部表面と前記底部表面の間の活性領域を有する半導体ダイオード構造であって、前記底部表面は、前記基板に、または前記基板に隣接して配置される、半導体ダイオード構造と、
    前記半導体ダイオード構造内に光キャビティを定めるように配置された、ナノ構造化層および反射器と、
    を有する、LEDのアレイと、
    を有し、
    前記ナノ構造化層は、前記活性領域と前記上部表面の間で、前記半導体ダイオード構造内に埋設されたナノアンテナのアレイを有し、
    前記活性領域は、前記反射器と前記ナノ構造化層の間の前記光キャビティ内に配置される、発光装置。
  29. 前記LEDのアレイは、LEDのモノリシックアレイである、請求項28に記載の発光装置。
  30. 前記LEDは、マイクロLEDである、請求項29に記載の発光装置。
  31. 隣接するマイクロLEDの間の間隔は、10μm以下である、請求項30に記載の発光装置。
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