JP2022544867A - 発光ダイオードにおける出力フラックスを改善する光結合層 - Google Patents

発光ダイオードにおける出力フラックスを改善する光結合層 Download PDF

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Abstract

光結合構造（505＝｛505A；505B｝）は、ミニLEDまたはマイクロLEDアレイの半導体LED（102）の光出力表面（102D）上に配置され、光出力表面を介した半導体LEDにより放射される光の結合が容易化される。光結合構造は、材料の薄い層（505B）に埋設された、またはその薄層（505B）で被覆された、光散乱粒子（505A）および／または空気ボイド（705）を有し、前記材料は、半導体LEDの光出力表面を形成する材料の屈折率に近い屈折率、またはこの屈折率に整合する屈折率を有する。

Description

本出願は、2020年10月8日に出願された米国出願17／066,266号、2019年10月9日に出願された米国出願第16／597,455号、および2020年2月14日に出願された欧州特許出願第20157448.0の優先権を主張する出願である。これらの出願の各々は、その全体が本願の参照により取り入れられている。
本願は、全般に、発光ダイオードおよび蛍光体変換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「LED」と総称する）は、現在利用可能な最も効率的な光源の一つである。LEDの発光スペクトルは、通常、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た波長において、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、可視光線、または赤外線波長で作動するように設計することができる。
LEDは、1つ以上の波長変換材料（一般に本願では「蛍光体」と称する）と組み合わされ、これらの材料は、LEDにより放射される光を吸収し、その応答として、より長い波長の光を放射する。そのような蛍光体変換LED（「pcLED」）では、LEDにより放射され、蛍光体により吸収される光の割合は、LEDにより放射される光の光路における蛍光体材料の量に依存し、例えばLEDの上または周囲に配置される蛍光体層内の蛍光体材料の濃度および層の厚さに依存する。
蛍光体変換LEDは、LEDにより放射される全ての光が1または2以上の蛍光体により吸収されるように設計されてもよく、その場合、pcLEDからの放射は、全てが蛍光体からとなる。そのような場合、蛍光体は、例えば、LEDによって直接効率的に生成されない、狭小スペクトル領域の光が放射されるように選択される。
あるいは、pcLEDは、LEDによって放射される光の一部のみが蛍光体により吸収されるように設計されてもよい。その場合、pcLEDからの放射は、LEDにより放射された光と蛍光体により放射された光との混合となる。LED、蛍光体、および蛍光体組成物の好適な選択により、そのようなpcLEDは、例えば、所望の色温度および所望の演色特性を有する白色光を放射するように設計され得る。
複数のLEDは、単一の基板上にまとめて形成され、アレイが形成され得る。そのようなアレイを用いて、スマートフォンおよびスマートウォッチ、コンピュータディスプレイもしくはビデオディスプレイ、または標識に使用されるような、アクティブ照明ディスプレイを構成することができる。通常、単位ミリメートル当たり1もしくは2以上、または多数の個々の装置（例えば、約1mm、数百μmまたは100μm未満の装置ピッチ、および100μm未満、または数十μm以下の隣接装置間の間隔）を有するアレイは、ミニLEDアレイ（100μmからmmまで）、またはマイクロLEDアレイ（代替的にマイクロLEDアレイ；100μmまたはそれ以下の場合）と称される。そのようなミニLEDまたはマイクロLEDアレイは、多くの場合、前述の蛍光体変換器を有してもよく、そのようなアレイは、pcミニLEDアレイまたはpcマイクロLEDアレイと称することができる。
本願では、半導体ミニLEDまたはマイクロLEDアレイの光出力表面に配置された光結合構造が開示され、対応する光出力表面を介して、アレイの各半導体LEDにより放射された光を、外部環境、またはミニLEDもしくはマイクロLEDのアレイの別の光学素子もしくは部材に結合することが容易になる。光結合構造は、材料の薄層に埋設され、またはその薄層で被覆された、光散乱粒子および／または空気ボイドを有し、この材料は、半導体LEDの光出力表面を形成する材料の屈折率に近い、またはこれと整合する屈折率を有する。
ある態様では、そのような光結合構造は、pcミニLEDアレイまたはpcマイクロLEDアレイにおいて、アレイの半導体LEDの光出力表面と波長変換構造（例えば、蛍光体層）との間に配置され、およびそれらと接触し、アレイの各半導体LEDにより放射された光を、対応する光出力表面を介して、波長変換構造に結合することが容易となる。
別の態様では、ミニLEDまたはマイクロLEDアレイは、アレイのLEDの光出力表面と光学結合構造の間に、薄い保護層を含むことができる。そのような保護層は、光結合構造を形成するために使用される物質または反応条件に対して、不活性であり、または耐熱性であり得る。
LED、pcLED、ミニLEDおよびマイクロLEDのアレイ、ならびにpcミニLEDおよびpcマイクロLEDのアレイに関する目的および利点は、図面に例示された、以下の明細書または添付の特許請求の範囲に開示された実施例を参照することにより、明らかになる。
本要約は、以下の詳細な説明でさらに記載される説明を単純化された形式で概念の選択を導入するために提供される。本要約は、クレームされた主題の主要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、クレームされた主題事項の範囲を決定する際の助けとして使用することを意図したものでもない。
例示的なpcLEDの概略的な断面図である。 pcLEDの例示的なアレイの概略的な断面を示した図である。 pcLEDの例示的アレイの概略的な上面を示した図である。 例示的なミニLEDまたはマイクロLEDアレイの概略的な上面と、アレイの3×3個のLEDの拡大された部分を示した図である。 基板上にモノリシックに形成された例示的なpcミニLEDまたはpcマイクロLEDのアレイのいくつかのLEDの斜視図である。 pcLEDのアレイがマウントされ得る、例示的な電子回路基板の概略的な上面図である。 同様に、図3Aの電子回路基板上にマウントされたpcLEDの例示的なアレイを示した図である。 導波路および投影レンズに関して配置されたpcLEDの例示的なアレイの概略的な断面図である。 導波路を有さない、図4Aと同様の配置を示した図である。 半導体LED、波長変換構造、および半導体LEDと波長変換構造との間に配置された光結合構造を有する、例示的なpcLEDの概略的な断面を示した図である。 半導体LED、波長変換構造、および半導体LEDと波長変換構造の間に配置された光結合構造を有する、別の例のpcLEDの概略的な断面を示した図である。 半導体LED、波長変換構造、および半導体LEDと波長変換構造の間に配置された光結合構造を有する、別の例のpcLEDの概略的な断面を示した図である。 半導体LED、波長変換構造、および半導体LEDと波長変換構造の間に配置された光結合構造を有する、別の例のpcLEDの概略的な断面を示した図である。 図5の例示的なpcLEDを製造する方法における各工程を概略的に示した図である。 図5の例示的なpcLEDを製造する方法における各工程を概略的に示した図である。 図5の例示的なpcLEDを製造する方法における各工程を概略的に示した図である。 2つの参照例のpcLEDからの出力フラックスを、本願に記載の例示的な光学的結合層を含むpcLEDからの出力フラックスと比較したプロットである。 半導体LEDと光結合構造の間に保護層を含む例示的なpcLEDを製造する例示的な方法における各工程を概略的に示した図である。 半導体LEDと光結合構造の間に保護層を含む例示的なpcLEDを製造する例示的な方法における各工程を概略的に示した図である。 半導体LEDと光結合構造の間に保護層を含む例示的なpcLEDを製造する例示的な方法における各工程を概略的に示した図である。 LEDと粒子層との間に保護層を有するLEDと、保護層を有さないLEDとの対照的な信頼性評価結果を示したプロットである。
示された実施形態は、単に概略的に示されており、全ての特徴物は、十分に詳細には示されていない。また好適な比率では示されていない。明確化のため、ある特徴物または構造は、他のものに比べて誇張され、もしくは縮小され、または完全に省略され得る。図面は、明示的にスケールが示されていない限り、スケール通りに示されていると見なしてはならない。例えば、個々のLEDは、それらの横方向の広がりに対して、または基板もしくは蛍光体の厚さに対して、それらの垂直方向の寸法または層の厚さが誇張され得る。示された実施形態は、単なる一例であり、本開示の範囲または添付の特許請求の範囲を限定するものと解してはならない。
以下の詳細な説明は、図面を参照して読む必要がある。図面において、同一の参照番号は、異なる図面全体にわたって、同様の素子を表す。図面には必ずしもスケールは示されておらず、図面は、選択された実施形態を示すものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。詳細な説明は、一例として示されており、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、ここではまとめて「LED」であると想定される、基板104上に配置された半導体ダイオード構造102と、LED上に配置された波長変換構造（例えば、蛍光体層）106とを有する。半導体ダイオード構造102は、通常、n型層とp型層との間に配置された活性領域を有する。ダイオード構造にわたる好適な順バイアスの印加の結果、活性領域から光の放射が生じる。放射された光の波長は、活性領域の組成および構造によって決定される。
LEDは、例えば、Ill族-窒化物LEDであり、青色、紫色、または紫外線を放射してもよい。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。他の好適な材料系は、例えば、III族-リン化物材料、III族-ヒ素化物材料、およびll-VI族材料を含んでもよい。
pcLEDからの所望の光学出力に応じて、任意の好適な蛍光体材料が使用されてもよい。
図2A～2Bには、それぞれ、基板202上に配置された、各々が蛍光体画素106を含む、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。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回路を有しでもよく、任意の好適な材料から形成されてもよい。
図3A～3Bに示されるように、pcLEDアレイ200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を有する、電子回路基板300上にマウントされてもよい。電力および制御モジュール302は、該電源および制御モジュール302が制御するLEDの動作に基づいて、外部ソースからの電力および制御信号、ならびにセンサモジュールからの信号を受信してもよい。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）上に取り付けられてもよい。
個々のpcLEDは、必要な場合、蛍光体層に隣接して配置されあるい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せて導入され、または配置されてもよい。そのような光学素子は、図には示されていないが、「一次光学素子」と称され得る。また、図4A～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、意図された用途で使用するため、導波路、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せて配置されてもよい。図4Aでは、pcLED100により放射される光は、導波路402によって集光され、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。本配置は、例えば、車両用ヘッドライトでの使用に適する。図4Bにおいて、pcLED100により放射される光は、介在導波路を使用せず、投影レンズ404により直接集光される。本配置は、pcLEDが相互に十分に近接して離間され得る場合、特に好適である。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も使用されてもよい。ミニLEDまたはマイクロLEDディスプレイ用途では、例えば、図4A～4Bに示されるものと同様の光学配置を使用してもよい。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。
図1Aは、100×100マトリクス、200×50マトリクス、対称マトリクス、非対称マトリクスのような、任意の適用可能な配置において、10,000を超える画素を含んでもよい。また、画素、マトリックス、および／または基板の複数の組が、任意の適用可能なフォーマットで配列され、本願に開示の実施形態が実施されてもよいことが理解される。
図2Aおよび2Bには、3×3アレイの9個のpcLEDを示すが、そのようなアレイは、例えば、図2Cに概略的に示すように、102、103、104またはそれ以上のオーダのLEDを有してもよい。個々のLED911（例えば画素）は、アレイ900の平面内に、例えば、1ミリメートル（mm）以下、500μm以下、100μm以下、または50μm以下の幅w1（例えば、側面の長さ）を有してもよい。アレイ900内のLED911は、アレイ900の平面内に、例えば、数百μm以下、100μm以下、50μm以下、20μm以下、10μm以下、または5μm以下の幅w2を有するストリート、レーン、またはトレンチ913により、相互に離間されてもよい。画素ピッチD1は、w1とw2の和である。示された例では、対称な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、任意の好適な形状または配置を有してもよい。LEDの複数の別個のアレイは、任意の好適な配置において、任意の適用可能なフォーマットで組み合わせることができる。
アレイの平面において約0.10mm以下の寸法w1（例えば、側面の長さ）を有するLEDは、通常、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。アレイの平面に約0.10mmから約1.0mmの寸法w1（例えば、側面の長さ）を有するLEDは、通常、ミニLEDと称され、そのようなミニLEDのアレイは、ミニLEDアレイと称されてもよい。
LED、ミニLED、もしくはマイクロLEDのアレイ、またはそのようなアレイの一部は、個々のLED画素がトレンチおよび／または絶縁材料によって互いに電気的に絶縁された、セグメント化されたモノリシック構造として形成されてもよい。図2D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。このアレイにおける画素は、トレンチ1130により分離され、ここは充填され、n-コンタクト1140が形成される。モノリシック構造は、基板1114上に成長しまたは配置される。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介在層）上に堆積されてもよい。パッシベーション層1115がトレンチ1130内に形成され、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またはトレンチ内の他の材料は、変換材料1117内に延在し、n-コンタクト1140または他の構造または材料により、画素間に完全または部分的な光分離バリア1120が提供されてもよい。
LEDアレイ内の個々のLED（画素）は、個々にアドレス可能であってもよく、アレイ内の画素の群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可能でなくてもよい。従って、発光画素アレイは、光分布の微細粒強度、空間、および時間の制御を必要とする、またはその利益を受ける、任意の用途に有益である。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放射された光の正確で特別なパターン化が含まれ得る。用途に応じて、放射された光は、スペクトル的に別個であり、時間にわたって適応的であり、および／または環境的に応答性であってもよい。発光画素アレイは、各種強度、空間、または時間のパターンにおいて予めプログラムされた光分布を提供してもよい。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いてもよく、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機器は、画素、画素ブロック、または装置レベルで区別されてもよい。
本開示は、発光ダイオード、例えば、蛍光体変換発光ダイオードにおける光抽出およびパッケージ効率を高める、光結合構造の製造および使用に関する。本開示において、光抽出は、半導体LED内で生じた光、例えば半導体LEDから波長変換構造（例えば、蛍光体層）への結合を表す。パッケージ効率は、波長変換構造からの光を、pcLEDからの所望の出力として抽出することを意味する。パッケージ効率は、例えば、半導体LEDから波長変換器に結合された光子の数に対する、pcLEDから出力された光子の数の比として定められてもよい。
III-V族（例えば、AlInGaNおよびAlInGaP）LEDでは、半導体LEDからの光の外部環境（例えば、空気）、または別の光学部材（例えば、レンズまたは波長変換構造）への結合は、半導体発光ダイオードと外部環境または他の光学部材との間の界面で生じる反射により、制限され得る。そのような界面での反射は、例えば、半導体LEDの出力表面が、外部環境または他の光学素子よりもかなり高い屈折率を有するIII-V族半導体（例えば、GaN、AlN、AlGaN、GaP、AlGaP、AlInGaP）の表面である場合、顕著となり得る。この界面で反射され半導体LEDに戻る光は、LEDにおいて吸収され得る。
例えば、III-窒化物pcLEDでは、半導体LEDから波長変換構造への光の結合は、半導体発光ダイオードと波長変換構造との間の界面で生じる反射によって制限され得る。その界面での反射は、例えば、通常のシリコーンバインダ中に分散された無機蛍光体粒子を含む波長変換構造の場合のように、半導体LEDの出力表面が、高い屈折率を有するIII族-窒化物（例えば、GaN、AlN、AlGaN）層の表面であり、波長変換構造が有意に低い屈折率を有する場合、顕著となり得る。この界面で反射され半導体LEDに戻る光は、LEDに吸収され、pcLEDの全体的な効率が低下し得る。
また、波長変換構造が強散乱である場合、半導体LEDから波長変換構造に結合された光と、波長変換構造において放射された光とが散乱され、半導体LEDに戻り、吸収される場合がある。これもまた、pcLEDの全体的な効率を低下させる。
半導体LEDから（例えば、波長変換構造への）光の結合を増加させるある従来のアプローチは、半導体LEDと波長変換器との間の界面で反射される光の量を減少させるテクスチャを有する、半導体LEDの光出力表面をパターン化することである。パターン化は、例えば、パターン化されたサファイア表面で半導体LEDを成長させ、次に、パターン化されたサファイア表面を半導体LEDから分離することにより、実施されてもよい。サファイア表面と接触する半導体LEDの表面は、パターン化されたサファイア表面のテクスチャと相補的なテクスチャを有するようにパターン化される。
LED／変換器界面でのパターン化された表面の使用は、製造工程を複雑にし、以下に示すように、ミニLEDまたはマイクロLEDのアーキテクチャが、より大きな寸法の装置に比べて好適ではなくなる可能性がある。
前述のように、本願に記載の光結合構造は、半導体LEDの光出力表面上に配置され、半導体LEDからの光の結合を容易にする。例えば、そのような光結合構造は、半導体LEDの光出力面と波長変換構造との間に配置され、両者と接触し、半導体LEDによって放射された光が光出力面を通って波長変換構造に結合されることが容易となる。
これらの光結合構造は、材料の薄層に埋設され、またはこれに被覆された光散乱粒子を有し、前記材料は、半導体LEDの光出力表面を形成する材料の屈折率に近い、またはこれに整合する高い屈折率を有する。一般に、高屈折率材料は、できる限り高い屈折率を有するが、光出力表面でのLED内の半導体層の屈折率（GaNの場合、2.5、AlInGaPの場合、3.4）よりも高くはなく、あるいは有意に高くはない必要がある。高屈折率材料は、例えば、2から2.5の屈折率を有してもよい。高屈折率材料は、例えば、LED光出力表面の屈折率とは、5%以下、10%以下、15%以下、20%以下、または25%以下だけ異なる屈折率を有してもよい。
高屈折率材料の薄層は、例えば、100nm以上、または200nm以上、かつ2μm以下、または5μm以下の厚さを有してもよい。高屈折率材料の層は、散乱粒子の直径よりも薄くてもよく、その場合、高屈折率材料は、光散乱粒子を共形に被覆してもよい。あるいは、高屈折率材料の層は、光散乱粒子の直径よりも厚くてもよく、この場合、光散乱粒子は層内に埋設される。
高屈折率材料は、Al2O3、HfO2、SiO2、Ga2O3、GeO2、SnO2、CrO2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、V2O5、Y2O3、およびZrO2、またはそれらの組み合わせの1または2以上を含むことができる。これらの材料は、半導体LED光出力表面が、GaNのようなIII族-窒化物材料、またはAlInGaP材料から形成される場合、特に好適であり得る。
光結合構造における光散乱粒子は、例えば、蛍光体粒子であってもよい。あるいは、光散乱粒子は、高屈折率層よりも低い屈折率を有する非発光粒子であってもよい。本開示では、高屈折率層内の小体積のボイド（例えば、空気で充填される）が、そのような低屈折率の非発光光散乱粒子の例であることが考慮される。光学的結合構造における光散乱粒子は、蛍光体粒子と非発光粒子の組み合わせを含んでもよい。光学的結合構造における蛍光体粒子は、例えば、約2.0μmから約3.0μm、または約2.0μmから約4.0μm、または約2.0μmから約10μmの直径を有し、例えば、ドープされたYAGから形成されてもよい。光結合構造における蛍光体粒子は、波長変換構造内の蛍光体粒子と同じ種類および同じ直径のものであってもよい。任意の好適な蛍光体粒子が使用されてもよい。
高屈折率層内の空気ボイドは、約1.0μm以下、例えば約0.20μmの直径または最大寸法を有してもよい。
半導体LED光出力表面に対して垂直に測定される光結合構造505の全体厚さは、例えば、約0.20μm以上、または約1.0μm以上であり、約2.0μm以下、または約5μm以下であってもよい。
光結合構造内の高屈折率材料は、半導体LED出力表面に整合した屈折率またはほぼ整合した屈折率を有し、光結合構造内の散乱粒子を半導体LED出力表面と光学的に接触させ、散乱粒子と半導体LEDとの間には、顕著な反射性界面が介在しない。これにより、散乱粒子は、半導体LED出力表面の従来のテキスチャリングと同様の役割を果たすことができ、半導体LEDからの光を（例えば、波長変換構造に）結合し、これにより、抽出効率を高めることができる。pcLEDの場合、これは、半導体LED出力表面材料（例えばGaN）が波長変換構造内に延在されることに類似している。
また、pcLEDでは、波長変換構造において散乱され、半導体LEDに向う光は、一部は吸収され得るが、光結合構造に入射される。光結合構造内の散乱粒子は、この光の少なくとも一部を再度波長変換構造内に散乱させる。これにより、パッケージ効率が向上する。
本願に記載の光結合構造を有するLEDおよびpcLEDにおいて、半導体LED光出力表面は、パターン化されても、パターン化されなくてもよい。パターン化される場合、パターン化は、ミクロンスケールまたはナノメートルスケールであってもよい。一般に、光出力表面にパターンが存在しない場合、光結合層505が存在するため、pcLED102の特性は制限されない。未パターン化光出力表面が好ましい。なぜなら、平坦基板（例えば未パターン化サファイア）上でのエピタキシャル成長（すなわち「エピ」）により、薄いエピ（例えば、5μm未満、4μm未満、3μm未満、または2μm未満の組み合わせのn層、活性層、およびp層）が得られ、従って、ダイ／エピ吸収損失を低下により、より高い抽出効率が得られるからである。さらに、光結合層と半導体LEDのパターン化された光出力表面との間の屈折率の整合により、光出力表面上のパターン化が光学的に非有効となる。
本願に記載の光学結合構造は、通常、各種アーキテクチャのpcLEDに適用可能であるが、特に、（例えば、図2Cおよび2Dの例のような）ミニLEDまたはマイクロLEDのアーキテクチャが好ましい。これは、以下のような特定の課題による：
・高いダイ損失による抽出効率の低下：
・好適な表面ポスト処理（例えば、GaN表面上のインターポーザグリッドの成膜）を可能にするため、例えば、ダイ／エピ損失の低下、および／またはナノメートルスケールまで抽出効率を最大化するため従来から使用されている表面テクスチャのサイズを低減する必要性により動機づけられた、より薄いエピに対する必要性による低い抽出効率；
・低いパッケージ効率（高散乱変換器の要求仕様）；
・高屈折率層（例えばGaN）で生じた光は、通常、蛍光体層において抽出される必要があり、そのマトリクス材料は、通常、低い（高屈折率コントラスト）。
以下、図5乃至図8に関し、光結合構造の例を説明する。これらの例では、pcLED100は、半導体LED102、波長変換構造（例えば、蛍光体層）106、および光結合構造505を含み、ある例では、ミニLEDまたはマイクロLEDのアレイの単一のLEDを表すことができる。半導体LED102は、半導体層（1または複数）102Bと半導体層（1または複数）102Cとの間に配置された、発光活性領域102aを有する。作動中、活性領域120Aにおいて放射された光は、層102Cを透過し、光出力面102Dに入射され、ここを透過し、光結合構造505により波長変換構造106に結合される。半導体LED102は、III族-窒化物半導体LEDであってもよく、その場合、光出力面102Dは、例えば、GaN表面であってもよい。同様に、例示的な光結合構造は、波長変換構造を有しないLEDの光出力表面に使用されてもよい。
図5の例では、光結合構造505は、高屈折率材料505Bの薄層505Aが共形に被覆された、光散乱粒子505Aの単一層を含む。層505Aは、表面102Dの材料と屈折率整合され、またはほぼ屈折率整合され、散乱粒子505Aは、表面102Dと良好に光学接触され、波長変換構造106と良好に光学接触される。光散乱粒子505Aは、蛍光体粒子であってもよく、波長変換構造106における蛍光体粒子と同じであってもよい。粒子505Aは、例えば、約2μmから約4μmの直径を有してもよい。層505Bは、例えば、サブミクロンの厚さを有してもよい。層505Bは、空気ボイド領域（図示されていない）を有し、散乱がさらに促進されてもよい。この例および以下の例では、光出力面102DがGaN層の表面である場合、高屈折率材料505Bは、例えば、TiO2であることが好ましい。
図6に示した実施形態に示すように、層505Bは、十分に厚く、散乱粒子（例えば、蛍光体粒子および／またはボイド）の複数の層を有してもよい。得られる光結合構造505は、波長変換機能全体が充填されるほど、あまり厚くすることはできない。層505Bの高屈折率マトリクスによる、蛍光体粒子における最も効率的な変換ができなくなるためである。
図7の実施形態には、蛍光体粒子の代わりに、またはそれに加えて、結合層が、散乱粒子として空気ボイド705を含む場合を示す。これらの空気ボイドは、ナノメートルスケール（例えば、直径200nm）である必要がある。
前述のように、半導体LED光出力表面は、必要な場合、パターン化されてもよい。ただし、これは必須ではない。図8には、図7と同様の実施形態を示す。ただし、表面102Dはパターン化されている。パターンは、μmスケールまたはnm（サブミクロン）スケールであってもよい。nmスケールのパターンは、薄い（例えば、5μm未満の厚さの）エピ構造と一致し、またはミニLEDまたはマイクロLEDのアレイにおける実施に適する。また、前述のように、未パターン化光出力面は、特性を制限しない。高い光出力結合を促進する代替物として機能する、光結合層505の存在のためである。平坦基板またはナノパターン化サファイア基板上のエピ成長では、より薄いエピが可能となり、従って、ダイ／エピ吸収損失の低減により、より高い抽出効率が得られる。
図9A乃至9Cには、図5に示すpcLEDに組み込まれるような光結合構造505を有するLED102の製造方法を概略的に示す。図9Aの断面図では、半導体LED102の光出力表面102Dに、蛍光体粒子505Aの単一層が成膜される。これは、任意の通常の方法、例えば、沈殿法により行われてもよい。図9Bには、表面102D上に配置された蛍光体粒子505Aの上面図を示す。図の便宜上、粒子は、六角形アレイに配置されて示されているが、任意の好適な配置が使用されてもよく、配置は、秩序化されている必要はない。
次に、図9Cを参照すると、例えば、原子層堆成膜法（ALD）により、高屈折率の材料505Bが成膜されてもよい。ALDによる成膜では、粒子505Aと表面102Dとの間に、良好な光学的接続が提供される。ALDは、パルス化学気相成膜（CVD）プロセスであり、サイクル当たり1原子層の材料を設置することにより、薄い層の成長が可能である。そのようなプロセスは、自己制限的であり、図9Cに示されているように、粒子上においても、極めて制御された共形のコーティングができる。ALD反応は（少なくとも）2つの部分に分離される。第1ステップでは、金属（酸化物）の前駆体が反応器に供給され、表面上の反応基と吸着および／または反応し、実質的に全ての未反応のまたは吸着された前駆体分子が反応器のパージによって除去される。第2ステップでは、酸素源が反応器に供給され、粒子表面上の金属源と反応し、その後、反応器のパージにより、実質的に全ての残存する酸素源分子、および縮合反応によって形成された加水分解生成物が除去される。この2つのステップにより、表面反応の自己制限的な性質のため、金属酸化物の原子層（または単分子層）の形成が生じる。これらの原子層反応ステップを複数回繰り返し、最終ALDコーティングが形成される。
（例えば、図7および8に示すような）ボイドは、部分CVDプロセス反応を可能にすることにより、中間結合層に埋設できる。
「金属酸化物前駆体」という用語は、特に、金属酸化物の前駆体を表す。前駆体自体は、金属酸化物である必要はないが、例えば、金属有機分子を有してもよい。従って、特に、ALDの金属（酸化物）前駆体は、通常、金属ハロゲン化物、アルコキシド、アミド、および他の金属（有機）化合物を含んでもよい。TiOx層は、80℃から250℃の間の成長温度で、以下の前駆体TiCl4、Ti（OCH3）4またはTi（OEt）4のいずれかを用いて、成膜されてもよい。酸素源は、H2O、オゾン、または酸素プラズマであってもよい。
別の実施形態では、薄いAl2O3層が、TiO2層の上に追加される。Al2O3層は、酸素源と組み合わせて、Al（CH3)3（TMA)、AlCl3またはHAl（CH3）2前駆体を用いることにより、成膜されてもよい。前述のように、別の実施形態では、TiO2層は、以下のような別の高屈折率材料と置換されてもよい：SnO2、CrO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5、または多層構造を形成することにより、そのような材料の組み合わせ。
図示されていない別ステップでは、波長変換構造106、例えばバインダマトリックス中に分散された蛍光体粒子は、光結合層505上に配置される。通常、波長変換器内のマトリクスは、高屈折率材料505Bよりも低い屈折率を有する。マトリクスは、例えば、シリコーン、空気ボイドを有するシリコーン、または空気ボイドを含む金属酸化物であってもよく、またはこれらを含んでもよい。
図10は、本願に記載される例示的な光学的結合層を有するpcLED（C）を、2つの参照ケースのpcLED（AおよびB)の特性（出力フラックス）と比較したプロットである。3つの全ての場合において、pcLEDは、40μmのダイサイズを有し、III族-窒化物LED上に配置された10μmの厚さの蛍光体層を有する。蛍光体層は、直径3μmのCeドープYAG粒子を有し、これらは10%の空気ボイドを有するアルミニウム酸化物マトリックス中に浸漬される。3つのケース全てにおいて、v’＝0.473、u’＝0.21の色を目標とした。
ケースAでは、半導体LEDの光出力表面は、パターン化されておらず（パターン化サファイア基板上に成長されていない）、装置は、半導体LEDと蛍光体層との間に光結合層を含まない。
ケースBは、ケースAと同じであるが、半導体LEDの光出力表面がパターン化されている（パターン化サファイア基板上に成長されている）点で、異なる。ケースBは、ケースAと比較して9%のフラックスゲインを示す。
ケースCでは、半導体LEDの光出力表面は、ケースAのように、パターン化されていない。蛍光体層は、10μmの厚さではなく、6μmの厚さであることを除き、ケースAおよびケースBの場合と同様である。ケースCの装置は、本願で示されるように、半導体LEDと蛍光体層との間に配置された光結合層を有する。光結合層は、厚さが4μmであり、直径3μmのCeドープYAG粒子を含む。これらの粒子は、半導体LED光出力表面に対して屈折率整合された、またはほぼ屈折率整合された酸化チタン層内に埋設される。ケースCは、ケースAと比べて21%のフラックスゲインを示す。光結合層の使用により、パターン化されたサファイア基板上で成長させる必要性が回避される一方、依然として、パターン化されたサファイア基板が使用された参照ケースと比べて、大きなゲインが提供される（すなわちケースBと比較して、10%を超えるフラックスゲイン）。
ある例では、高屈折率材料505Bを形成するために使用される前述のいくつかのものを含む、一部の金属または半導体酸化物前駆体に対する曝露により、III-V族半導体LED102の光出力表面102Dが劣化することが観察されている。その劣化は、LED装置の信頼性を低下させる可能性がある。Al2O3前駆体であるトリメチルアルミニウム（TMA）は、注目すべき例である。従って、図11A乃至図11Cには、光出力面102Dと光結合構造505との間に保護層103を有するLED102を製造する概略的な図が示されている。保護層103は、高屈折率材料505Bとは異なる、1または2以上の金属酸化物または半導体酸化物の1または2以上の薄い層を含むことができる。
保護層103に含有させることに適した金属酸化物または半導体酸化物の材料は、LED102（またはpcLED）の作動波長で実質的に透明であり、対応する酸化物前駆体（例えば、金属もしくは半導体のハロゲン化物、アミド、アルキルアミド、アルコキシド、またはALDもしくは他のCVDプロセスに使用される他の反応性金属、半導体、もしくは有機金属化合物）を有し、これらは、高屈折率材料505Bの対応する酸化物前駆体に比べて、III-V族半導体表面102Dに対する反応性が低い。保護層103に適した材料のいくつかの例には、例えば、HfO2、SiO2、Ga2O3、GeO2、SnO2、CrO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5、V2O5、Y2O3、またはZrO2が含まれる。これらの材料の層、特にこれらの材料から選択される異なる材料の複数の層は、緻密なピンホールのない層を形成することが知られており、これらは、水またはトリメチルアルミニウム（TMA、酸化アルミニウム前駆体）のような気体に対してほぼ不透過性である。そのような不透過層は、保護層103を形成する上で望ましい。
保護層103用の1または2以上の特定の材料の選択は、高屈折率材料505Bに使用される材料によって制約され得る。例えば、高屈折率材料505BとしてTiO2を使用した場合、保護層505Bには異なる材料が使用され、対応する酸化物前駆体は、TiO2のものよりも反応性が低い。ある例では、1または2以上の対応する前駆体（例えば、テトラキス（ジメチルアミノ）ハフニウム（Hf（NMe2）4）、テトラキス（エチルメチルアミノ）ハフニウム（Hf（NMeEt）4）、またはテトラキス（ジエチルアミノ）ハフニウム（Hf（NEt2）4））を使用して、HfO2を用いて保護層103が形成される。ある場合には、保護層103および高屈折率材料505B用の材料の選択は、成膜プロセスに対して許容される反応条件の制限により制約され得る。例えば、ある例では、LEDは、CMOS基板上に予めマウントされており、150℃を超えるまで加熱することはできない。
ある例では、保護層103の全厚さは、約50nm未満または約20nm未満であり得る。保護層103が複数の層を含むある例では、これらの層の各々は、約20nm未満の厚さ、または約10nm未満の厚さであり得る。
図11Aの断面図では、ALDまたは他の好適なCVDプロセスを使用して、半導体LED102の光出力表面102D上に保護層103が形成されている。図11Bでは、単一層の蛍光体粒子505Aは、任意の好適なプロセス、例えば、沈殿法を用いて、保護層103上に成膜される。図11 Cでは、高屈折率材料505Bは、例えば、ALDによって成膜され、図11Cに示される（および前述の）ように、粒子上に共形のコーティングが形成されてもよい。図12は、HfO2保護層103の有無によるLEDの対照的な信頼性評価結果を示す。85℃、1アンペアでの動作では、保護されたLEDは、動作の際、約50時間後に、ほぼ完全に回復するが、保護されていないLEDは、顕著な非可逆的劣化を示す。
本開示は、例示的なものであり、限定的なものではない。本開示に照らして当業者には、さらなる修正が明らかであり、それらが添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図される。
上記に加えて、以下の実施例は、本開示の範囲または添付の特許請求の範囲にある。
（例１）
（a）対応する光出力表面を有する半導体発光ダイオードのアレイであって、各発光ダイオードは、（i）約1.0mm未満の横方向寸法を有し、（ii）前記アレイの隣接する発光ダイオードから約0.10mm未満だけ離間された、半導体発光ダイオードのアレイと、
（b）前記アレイの各発光ダイオードの前記対応する光出力表面上に配置された、対応する光学結合構造であって、各光学結合構造は、透明材料の層で被覆された、または透明材料の層に埋設された、複数の光散乱粒子を含み、前記透明材料の層は、前記対応する光出力表面と物理的に接触し、前記対応する光出力表面の屈折率と整合する屈折率、またはほぼ整合する屈折率を有する、光学結合構造と、
を有する、機器。
（例2）
各発光ダイオードは、（i）約0.10mm未満の横方向寸法を有し、（ii）約0.05mm未満だけ、アレイの隣接する発光ダイオードから離間されている、例1の機器。
（例3）
各発光ダイオードは、n-ドープ層、活性層、およびp-ドープ層の合計の厚さが約5μm未満である、例1または2のいずれかに記載の機器。
（例4）
各光出力表面は、GaN、AlN、AlGaN合金、GaP、AlGaP、またはAlInGaP合金の材料表面である、例1乃至3のいずれか一つに記載の機器。
（例5）
さらに、前記アレイの各発光ダイオードに対し、対応する波長変換構造を有し、
各対応する光結合構造は、前記対応する光出力表面と前記対応する波長変換構造との間に配置され、前記対応する波長変換構造と物理的に接触する、例1乃至4のいずれか一つに記載の機器。
（例6）
前記光散乱粒子は、蛍光体粒子を含み、
各光結合構造における前記蛍光体粒子は、前記対応する光出力表面またはその近傍に設置された、単一層の蛍光体粒子として配置される、例5に記載の機器。
（例7）
前記光散乱粒子は、蛍光体粒子を含み、
各光結合構造における前記蛍光体粒子は、前記対応する光出力表面またはその近傍に設置された蛍光体粒子の2または3つ以上の層として配置される、例5に記載の機器。
（例8）
前記光散乱粒子は、前記透明材料の層中に、蛍光体粒子、またはボイド、またはその両方を含む、例5乃至7のいずれか一つに記載の機器。
（例9）
各波長変換構造は、マトリクス中に分散された蛍光体粒子を含み、
各光結合構造における前記透明材料の層の屈折率は、前記マトリクスの屈折率よりも大きい、例5乃至8のいずれか一つに記載の機器。
（例10）
前記透明材料の層は、約0.10μm超、約5μm未満の厚さを有する、例5乃至9のいずれか一つに記載の機器。
（例11）
（i）前記光散乱粒子は、蛍光体粒子を含み、
（ii）各波長変換構造は、前記対応する光学結合構造における前記透明材料の層の屈折率よりも小さな屈折率を有するマトリクス中に分散された蛍光体粒子を含む、例5乃至10のいずれか一つに記載の機器。
（例12）
各波長変換構造内の前記蛍光体粒子は、前記対応する光結合構造における前記蛍光体粒子と同じ組成およびサイズを有する、例11に記載の機器。
（例13）
前記透明材料は、1もしくは2以上の金属酸化物、または半導体酸化物を含む、例1乃至12のいずれか一つに記載の機器。
（例14）
（i）前記透明材料の層は、約0.10μm以上、約5.0μm以下の厚さを有し、または
（ii）前記蛍光体粒子は、約2.0μmから約4.0μmの直径を有する、例1乃至13のいずれか一つに記載の機器。
（例15）
前記透明層の材料は、HfO2、SiO2、Ga2O3、GeO2、Al2O3、SnO2、CrO2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、V2O5、Y2O3、およびZrO2からなる群から選択される1または2以上の材料を含む、例1乃至14のいずれか一つに記載の機器。
（例16）
さらに、前記アレイの各発光ダイオードの前記対応する光出力表面と、前記対応する光結合構造との間に、対応する透明保護層を有し、
前記保護層は、1もしくは2以上の金属酸化物、または半導体酸化物を有し、約0.05μm未満の厚さである、例1乃至15のいずれか一つに記載の機器。
（例17）
前記保護層の材料は、HfO2、SiO2、Ga2O3、GeO2、Al2O3、SnO2、CrO2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、V2O5、Y2O3、およびZrO2からなる群から選択される1または2以上の材料を含む、例16に記載の機器。
（例18）
各保護層は、前記対応する発光装置の前記光出力表面に関し、1または2以上の酸化物前駆体反応物によって特徴付けられ、該酸化物前駆体反応物は、前記透明材料の層を特徴付ける1または2以上のそのような金属酸化物前駆体反応物よりも小さい、例16または17に記載の機器。
（例19）
1または2以上の酸化物前駆体は、Al（CH3）3、HAl（CH3）2、Hf（N（CH3）2）4、Hf（N（CH2CH3）2）4、TaCl5、Ta（N（CH3）2）5、ZrCl4、Zr（N（CH3）2）4、TiCl4、Ti（OCH3）4、Ti（OEt）4、SiCl4、H2N（CH2）3、Si（OEt）3、Si（OEt）4、tert-（ブチルイミド）-トリス（ジエチルアミノ）-ニオブ、トリス（エチルシクロペンタジエニル）イットリウム、テトラキス（ジメチルアミノ）ハフニウム（Hf（NMe2）4）、テトラキス（エチルメチルアミノ）ハフニウム（Hf（NMeEt）4）、テトラキス（ジエチルアミノ）ハフニウム（Hf（NEt2）4）、トリメチアルミニウム（Al（CH3）3）、または水素化ジメチルアルミニウム（HAl（CH3）2）の1または2以上を含む、例18に記載の機器。
（例20）
（i）前記保護層は、HfO2を含み、（ii）前記保護層酸化物前駆体は、テトラキス（ジメチルアミノ）ハフニウム（Hf（NME2）4）、テトラキス（エチルメチルアミノ）ハフニウム（Hf（NMeEt）4）、またはテトラキス（ジエチルアミノ）ハフニウム（Hf（NEt2）4）の1または2以上を含み、（iii）前記コーティング層は、Al2O3を含み、（iv）前記コーティング層酸化物前駆体は、トリメチアルミニウム（Al（CH3）3）または水素化ジメチルアルミニウム（HAl（CH3）2）の1または2以上を含む、例16乃至19のいずれか一つに記載の機器。
（例21）
例1乃至20のいずれか一つに記載の機器を製造する方法であって、
アレイの各半導体発光ダイオードの対応する光出力表面に、対応する光結合構造を形成するステップを有し、
前記光結合構造は、透明材料の層により被覆された、または透明材料の層に埋設された光散乱粒子を含み、前記透明材料の層は、前記対応する光出力表面の屈折率と整合する屈折率、またはほぼ整合する屈折率を有する、方法。
（例22）
各光結合構造は、前記対応する発光ダイオードの前記光出力表面上の保護層上に形成され、
前記透明材料の酸化物前駆体は、前記対応する発光装置の前記光出力表面に関し、前記保護層を特徴付ける1または2以上のそのような酸化物前駆体反応物よりも高い反応性を示す、例21に記載の方法。
（例23）
さらに、前記光結合構造上に、波長変換構造を配置するステップを有し、
前記波長変換構造は、前記光結合構造における前記透明材料の層の屈折率よりも小さい屈折率を有するマトリクス材料中に分散された蛍光体粒子を含む、例21または22に記載の方法。
（例24）
（i）前記光結合構造における前記透明材料の層は、金属酸化物を含み、前記光結合構造における前記散乱粒子は、前記光出力表面またはその近傍に配置された蛍光体粒子を含み、
（ii）前記光結合構造を形成するステップは、
前記半導体発光ダイオードの前記光出力表面またはその近傍に、前記蛍光体粒子を配置するステップと、
原子層成膜法により、前記光出力表面上、および前記光出力表面に配置された前記蛍光体粒子上に、前記金属酸化物を成膜するステップと、
を有する、例21乃至23のいずれか一つに記載の方法。
（例25）
（i）前記光結合構造における前記透明材料層は、金属酸化物を含み、前記光結合構造における前記散乱粒子は、前記透明材料の層にボイドを有し、
（ii）前記光結合構造を形成するステップは、
原子層成膜法により、前記光出力表面に前記金属酸化物を成膜するステップと、
前記原子層成膜プロセス中に、不完全な反応により、前記透明層内の前記ボイドを埋設するステップと、
を有する、例21乃至24のいずれか一つに記載の方法。
開示された例示的な実施形態および方法の均等物は、本開示の範囲または添付の特許請求の範囲内に属することが意図される。開示された実施形態および方法、ならびにそれらの均等物は、本開示の範囲または添付の特許請求の範囲内に留まるように修正されてもよいことが意図される。
前述の詳細な説明では、開示を合理化するため、いくつかの実施形態において、各種特徴がまとめてグループ化されてもよい。この開示方法は、任意のクレームされた実施形態において、対応する特許請求の範囲に明示的に記載されているものよりも多くの特徴が必要となるという意図を反映するものと解されてはならない。むしろ、添付の特許請求の範囲が反映するように、本発明の主題は、単一の開示された実施形態の全ての特徴よりも少ないものであってもよい。従って、本開示は、本願に明示的に開示されていないそれらのサブセットを含む、1または2以上の特徴－本願において示され、記載され、またはクレームされた、1または2以上の特徴－の任意の好適なサブセットを有する任意の実施形態を暗示的に開示するものと解される。特徴物の「好適な」サブセットは、そのサブセットの任意の他の特徴物に対して互換性も相互排他性もない特徴物のみを含む。従って、添付の特許請求の範囲は、その全体が本願の詳細な説明に組み込まれ、各請求項は、別個の開示された実施形態としてそれ自体基づく。また、添付の従属請求項の各々は、多数従属形式で記載され、矛盾しない先行する請求項の全てに従属するものとして、請求項の詳細な説明への前記組み込みによる開示の目的のみのものであると解される必要がある。必ずしも必要ではないが、添付の特許請求の範囲の累積的範囲は、本願において開示された主題の全体を包含し得ることが留意される。
以下の解釈は、本開示および添付の特許請求の範囲のために適用される必要がある。用語「comprising」、「include」、「having」、およびそれらの変化形は、それらが現れる場所にかかわらず、オープンエンド用語として解釈され、明示的な別段の記載がない限り、各場面の後に「少なくとも」のような語句が付加された場合と同じ意味を有する。「a」は、「1つのみ」、「単一」、もしくは他の類似の限定が明示的に記載される場合、または特定の文脈において暗黙的である場合を除き、「1または2以上」と解される必要がある。同様に、「the」は、「その1つのみ」、「その単一のもの」、または他の類似の限定が明示的に記載される場合、または特定の文脈において暗黙的である場合を除き、「その1または2以上」と解される必要がある。「または」という用語は、以下の場合を除き、包括的に解釈される必要がある：
（i）明示的に記載されている場合、あるいは例えば、「いずれか…または」、「1つのみ」、または類似の言語の使用により記載されている場合、あるいは
（ii）2または3以上のリスト化された選択肢が、特定の文脈内で互換性がなく、または相互に排他的であることが（暗示的または明示的に）理解されまたは開示されている場合。この後者の場合、「または」は、非相互排他的な代替案を含むこれらの組み合わせのみを包含するものと理解される。例えば、「イヌまたはネコ」、「イヌまたはネコの1または2以上」、および「1または2以上のイヌまたはネコ」の各々は、ネコを含まない1または2以上のイヌ、イヌを含まない1または2以上のネコ、あるいはそれぞれの1または2以上と解される。別の例において、「イヌ、ネコ、またはマウス」、「イヌ、ネコ、またはマウスの1または2以上」および「1または2以上のイヌ、ネコ、またはマウス」の各々は、（i）ネコまたはマウスを含まない1または2以上のイヌ、（ii）イヌまたはマウスを含まない1または2以上のネコ、（iii）イヌまたはネコを含まない1または2以上のマウス、（iv）マウスを含まない1または2以上のイヌおよび1または2以上のネコ、（v）ネコを含まない1または2以上のイヌおよび1または2以上のマウス、（vi）イヌを含まない1または2以上のネコおよび1または2以上のマウス、あるいは（vii）1または2以上のイヌ、1または2以上のネコ、および1または2以上のマウスと解される。別の例において、「イヌ、ネコ、またはマウスのうちの2または3以上」または「2または以上のイヌ、ネコ、またはマウス」の各々は、（i）マウスを含まない1または2以上のイヌおよび1または2以上のネコ、（ii）ネコを含まない1または2以上のイヌおよび1または2以上のマウス、（iii）イヌを含まない1または2以上のネコおよび1または2以上のマウス、あるいは（iv）1または2以上のイヌ、1または2以上のネコ、および1または2以上のマウスと解され、「3または4以上」、「4または5以上」等は、同様に解釈される。
本開示または添付の特許請求の範囲のため、「ほぼ等しい」、「実質的に等しい」、「より大きい」、「より小さい」等の用語が使用される場合、数量に関して、異なる解釈が明示的に記載されていない限り、測定精度および有効桁に関する標準慣習が適用される。「実質的に抑制される」、「実質的に存在しない」、「実質的に除去される」、「ほぼゼロに等しい」、「無視できる」等の語句により記述されるゼロ量に関し、各そのような語句は、開示されまたはクレームされた装置もしくは方法の意図された操作または使用の文脈における実際の目的のため、機器または方法の全体的な挙動または特性が、実際にゼロ量が完全に除去され、正確にゼロに等しい場合、または他の方法で正確にゼロされたものと相違しない範囲にまで、当該量が低減され、抑制された場合を表す。
本開示および添付の特許請求の範囲のため、一実施形態、例示、または特許請求の範囲の素子、ステップ、制限、または他の実施形態の一部のいかなるラベル（例えば、第1、第2、第3等、（a）、（b）、（c）等、または（i）、（ii）、（iii）等）も、明確化のみのためであり、そのようにラベル化された部分のいかなる種類の順序または優劣も意味するものではないと解される必要がある。任意のそのような順序または優劣が意図される場合、それは、実施形態、実施例、またはクレームにおいて明示的に記載され、またある場合には、実施形態、実施例、またはクレームの特定の内容に基づいて、暗黙的なまたは固有のものとなる。添付の特許請求の範囲において、装置クレームに35 USC第112条（f）の規定が適用されることが望ましい場合、「手段」という用語が装置クレームに現れる。これらの規定が方法クレームに適用されることが望ましい場合、その方法クレームに「のステップ」と言う用語が現れる。反対に、「手段」または「ステップ」という用語が請求項に記載されていない場合、USC第112条（f）の規定は、当該クレームに適用されることを意図しない。
任意の1または2以上の開示は、参照により本願に組み込まれ、そのような組み込まれた開示が、全部もしくは一部が本願に矛盾し、または本開示からの範囲が異なる場合、相反の範囲、より広い開示、または用語のより広い定義の範囲において、本開示が制御される。そのような組み込まれた開示の一部または全部が相互に相反する場合、相反の程度まで、後日の開示が制御される。
要約は、特許文献内の特定の主題を調査する人を支援するため、必要に応じて提供される。しかしながら、要約は、記載された任意の要素、特徴、または限定が、必ずしも任意の特定の請求項に包含されることを意味するものではない。各請求項に包含される主題の範囲は、特許請求の範囲のみの記載によって定められる。
図5の例では、光結合構造505は、高屈折率材料の薄層505Bが共形に被覆された、光散乱粒子505Aの単一層を含む。層505Bは、表面102Dの材料と屈折率整合され、またはほぼ屈折率整合され、散乱粒子505Aは、表面102Dと良好に光学接触され、波長変換構造106と良好に光学接触される。光散乱粒子505Aは、蛍光体粒子であってもよく、波長変換構造106における蛍光体粒子と同じであってもよい。粒子505Aは、例えば、約2μmから約4μmの直径を有してもよい。層505Bは、例えば、サブミクロンの厚さを有してもよい。層505Bは、空気ボイド領域（図5、6には示されていない）を有し、散乱がさらに促進されてもよい。この例および以下の例では、光出力面102DがGaN層の表面である場合、高屈折率材料505Bは、例えば、TiO2であることが好ましい。

Claims (22)

  1. （a）対応する光出力表面を有する半導体発光ダイオードのアレイであって、各発光ダイオードは、（i）約1.0mm未満の横方向寸法を有し、（ii）前記アレイの隣接する発光ダイオードから約0.10mm未満だけ離間された、半導体発光ダイオードのアレイと、
    （b）前記アレイの各発光ダイオードの前記対応する光出力表面上に配置された、対応する光学結合構造であって、各光学結合構造は、透明材料の層で被覆された、または透明材料の層に埋設された、複数の光散乱粒子を含み、前記透明材料の層は、前記対応する光出力表面と物理的に接触し、前記対応する光出力表面の屈折率と整合する屈折率、またはほぼ整合する屈折率を有する、光学結合構造と、
    を有する、機器。
  2. 各発光ダイオードは、（i）約0.10mm未満の横方向寸法を有し、（ii）約0.05mm未満だけ、前記アレイの隣接する発光ダイオードから離間される、請求項1に記載の機器。
  3. 各発光ダイオードは、n-ドープ層、活性層、およびp-ドープ層の合計の厚さが約5μm未満である、請求項1に記載の機器。
  4. 各光出力表面は、GaN、AlN、AlGaN合金、GaP、AlGaP、またはAlInGaP合金の材料表面である、請求項1に記載の機器。
  5. さらに、前記アレイの各発光ダイオードに対し、対応する波長変換構造を有し、
    各対応する光結合構造は、前記対応する光出力表面と前記対応する波長変換構造との間に配置され、前記対応する波長変換構造と物理的に接触する、請求項1に記載の機器。
  6. 前記光散乱粒子は、蛍光体粒子を含み、
    各光結合構造における前記蛍光体粒子は、前記対応する光出力表面またはその近傍に設置された、単一層の蛍光体粒子として配置される、請求項5に記載の機器。
  7. 前記光散乱粒子は、蛍光体粒子を含み、
    各光結合構造における前記蛍光体粒子は、前記対応する光出力表面またはその近傍に設置された蛍光体粒子の2または3つ以上の層として配置される、請求項5に記載の機器。
  8. 前記光散乱粒子は、前記透明材料の層中に、蛍光体粒子、またはボイド、またはその両方を含む、請求項5に記載の機器。
  9. 各波長変換構造は、マトリクス中に分散された蛍光体粒子を含み、
    各光結合構造における前記透明材料の層の屈折率は、前記マトリクスの屈折率よりも大きい、請求項5に記載の機器。
  10. 前記透明材料の層は、約0.10μm超、約5μm未満の厚さを有する、請求項5に記載の機器。
  11. （i）前記光散乱粒子は、蛍光体粒子を含み、
    （ii）各波長変換構造は、前記対応する光学結合構造における前記透明材料の層の屈折率よりも小さな屈折率を有するマトリクス中に分散された蛍光体粒子を含む、請求項5に記載の機器。
  12. 各波長変換構造内の前記蛍光体粒子は、前記対応する光結合構造における前記蛍光体粒子と同じ組成およびサイズを有する、請求項11に記載の機器。
  13. 前記透明材料は、1もしくは2以上の金属酸化物、または半導体酸化物を含む、請求項12に記載の機器。
  14. （i）前記透明材料の層は、約0.10μm以上、約5.0μm以下の厚さを有し、または
    （ii）前記蛍光体粒子は、約2.0μmから約4.0μmの直径を有する、請求項13に記載の機器。
  15. さらに、前記アレイの各発光ダイオードの前記対応する光出力表面と、前記対応する光結合構造との間に、対応する透明保護層を有し、
    前記保護層は、1もしくは2以上の金属酸化物、または半導体酸化物を有し、約0.05μm未満の厚さである、請求項1に記載の機器。
  16. 各保護層は、前記対応する発光装置の前記光出力表面に関し、1または2以上の酸化物前駆体反応物によって特徴付けられ、該酸化物前駆体反応物は、前記透明材料の層を特徴付ける1または2以上のそのような金属酸化物前駆体反応物よりも小さい、請求項15に記載の機器。
  17. 発光装置を製造する方法であって、
    アレイの各半導体発光ダイオードの対応する光出力表面に、対応する光結合構造を形成するステップを有し、
    前記光結合構造は、透明材料の層により被覆された、または透明材料の層に埋設された光散乱粒子を含み、前記透明材料の層は、前記対応する光出力表面の屈折率と整合する屈折率、またはほぼ整合する屈折率を有し、
    各発光ダイオードは、（i）約1.0mm未満の横方向寸法を有し、（ii）前記アレイの隣接する発光ダイオードから約0.10mm未満だけ離間される、方法。
  18. 各発光ダイオードは、（i）約0.10mm未満の横方向寸法を有し、（ii）約0.05mm未満で前記アレイの隣接する発光ダイオードから離間される、請求項17に記載の方法。
  19. 各光結合構造は、前記対応する発光ダイオードの前記光出力表面上の保護層上に形成され、
    前記透明材料の前記金属酸化物前駆体は、前記対応する発光装置の前記光出力表面に関し、前記保護層を特徴付ける1または2以上のそのような酸化物前駆体反応物よりも高い反応性を示す、請求項17に記載の方法。
  20. さらに、前記光結合構造上に、波長変換構造を配置するステップを有し、
    前記波長変換構造は、前記光結合構造における前記透明材料の層の屈折率よりも小さい屈折率を有するマトリクス材料中に分散された蛍光体粒子を含む、請求項17に記載の方法。
  21. （i）前記光結合構造における前記透明材料の層は、金属酸化物を含み、前記光結合構造における前記散乱粒子は、前記光出力表面またはその近傍に配置された蛍光体粒子を含み、
    （ii）前記光結合構造を形成するステップは、
    前記半導体発光ダイオードの前記光出力表面またはその近傍に、前記蛍光体粒子を配置するステップと、
    原子層成膜法により、前記光出力表面上、および前記光出力表面に配置された前記蛍光体粒子上に、前記金属酸化物を成膜するステップと、
    を有する、請求項17記載の方法。
  22. （i）前記光結合構造における前記透明材料層は、金属酸化物を含み、前記光結合構造における前記散乱粒子は、前記透明材料の層にボイドを有し、
    （ii）前記光結合構造を形成するステップは、
    原子層成膜法により、前記光出力表面に前記金属酸化物を成膜するステップと、
    前記原子層成膜プロセス中に、不完全な反応により、前記透明層内の前記ボイドを埋設するステップと、
    を有する、請求項17記載の方法。
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