JP2024521624A - エミッタシステムアセンブリおよび形成方法 - Google Patents

Abstract

エミッタシステムアセンブリは、光放射をもたらすエミッタと、エミッタを少なくとも部分的に取り囲むキャビティと、エミッタからの光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される開口と、開口と光通信するレンズレットとを含む。キャビティは、該キャビティ内で開口に向けて光放射を反射するためのリフレクタを含む。さらに、キャビティ、開口、およびレンズレットは、プロジェクタへの結合に適した光学特性を有する光出力をもたらすように協働するべく構成される。さらなる態様において、光学特性は、所定の出力方向および立体角のうちの少なくとも一方を含む。別の態様において、エミッタシステムは、エミッタの周囲に低屈折率材料、反射防止層、および／または光閉じ込め構造を含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年４月２８日に出願された米国仮特許出願第６３／１８０，８４０号および２０２１年１０月１２日に出願された米国仮特許出願第６３／２５４，９５９号の利益を享受するとともにこれらの仮特許出願の優先権を主張する。これらの各出願の開示は、その全体が参照により本願に組み入れられる。

背景
本開示の態様は、一般に、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、より具体的には、マイクロ発光ダイオード（マイクロＬＥＤ）からの光抽出を強化するアセンブリに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）技術の最近の進歩により、各マイクロＬＥＤが数ミクロンから数分の１ミクロン程度のエミッタピッチを有するマイクロＬＥＤのアレイを組み込んだ高密度表示デバイスの形成が可能になった。例えば、ＷＯ２０１９２０９９４５Ａ１は、マイクロＬＥＤベースのライトフィールドディスプレイのさまざまな構成を開示する。

従来のディスプレイとマイクロＬＥＤベースのディスプレイとの間のコントラストを例示するべく、図１は、挿入図１３０においてよく分かるように、発光素子１２５のアレイ１２０を有する従来のディスプレイ１１０を示す。前述したような従来のＬＥＤであってもよい発光素子１２５は、すべて同じ波長で光を放射してもよく、または２つ以上の波長で放射するＬＥＤのパターンを成して配置されてもよい。例えば、アレイ１２０は、可視スペクトル内の赤、緑、青の波長で放射して規則的なパターンで配置されるＬＥＤを含んでもよい。

図１に示される例において、発光素子１２５は、ディスプレイ１１０の領域にわたってＱ×Ｐ配列で配置されてもよく、この場合、Ｑは、アレイ内の発光素子１２５の行の数であり、Ｐは、アレイ内の発光素子１２５の列の数である。図示しないが、従来のディスプレイ１１０は、発光素子１２５に加えて、発光素子１２５のうちの１つまたは複数に選択的に電力を供給するように構成されるさまざまな電気トレースおよび接点を含むバックプレーンを含んでもよい。

図２は、第１の挿入図２３０に示されるように、スーパーラクセル２２５のアレイ２２０を有するライトフィールドディスプレイ２１０を示す。さらに、第２の挿入図２４０に示されるように、各スーパーラクセル２２５はサブラクセル２４５を含む。サブラクセル２４５の各１つは、前述したように、マイクロＬＥＤであってもよい。すなわち、各スーパーラクセル２２５は、数ミクロンまたは数分の１ミクロンのエミッタピッチを有するマイクロＬＥＤから形成される複数のサブラクセル２４５を含みつつ、図１の発光素子１２５を伴うサイズが対応してもよい。図２に示される例において、各スーパーラクセル２２５は、各辺がスーパーラクセルピッチ２２７を有するほぼ正方形の形状を有するように示される。各スーパーラクセル２２５は、単一波長範囲（例えば、赤、緑、青色の波長範囲）でまたは色範囲にわたって（例えば、可視電磁波長範囲の少なくとも一部にわたって）光を放射するように構成されてもよい。

図２に示される例において、スーパーラクセル２２５はＮ×Ｍ配列で配置され、この場合、Ｎは、アレイ内のスーパーラクセル２２５の行の数であり、Ｍは、アレイ内のスーパーラクセル２２５の列の数である。図２に示されるように、スーパーラクセル２２５の各１つは複数のサブラクセル２４５を含む。サブラクセル２４５の各１つは、例えば、可視スペクトル内の赤、緑、または青の波長で放射するマイクロＬＥＤを含んでもよく、規則正しいパターンで配置されてもよい。一例では、異なる色のサブラクセル２４５が共通の基板上にモノリシックに集積されてもよく、サブラクセル２４５内のマイクロＬＥＤの各１つが１ミクロンの何分の１から約１００ミクロンまでの範囲であってもよい。

図３は、スーパーラクセル２２５の光ステアリングの態様を示す。挿入図３３０に示されるように、スーパーラクセル２２５の各１つは、光ステアリング光学素子３４０を含んでもよい。図３に示される例において、各光ステアリング光学素子３４０は、スーパーラクセル２２５の１つのサイズ程度のレンズピッチ３４５を有するように示される。

マイクロＬＥＤベースのディスプレイは新たな用途を可能にするが、各マイクロＬＥＤおよびディスプレイ全体の性能を最大化するために、さまざまな改良が依然として可能である。特に、拡張現実／仮想現実（ＡＲ／ＶＲ）および他のニアアイディスプレイ用途用のコンパクトなマイクロＬＥＤアレイには、高効率の光抽出を伴う高輝度光出力が必要である。

実施形態の概要
以下は、そのような態様の基本的な理解を与えるために、１つまたは複数の態様の簡略化した概要を提示する。この概要は、考えられるすべての態様の広範な概要ではなく、すべての態様の重要または重大な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を描写することも意図していない。その目的は、後で提示するより詳細な説明への前置きとして、１つまたは複数の態様のいくつかの概念を簡略化した形式で提示することである。

本開示の一態様では、プロジェクタに光出力を与えるためのエミッタシステムアセンブリが開示される。エミッタシステムアセンブリは、光放射をもたらすエミッタと、エミッタを少なくとも部分的に取り囲むキャビティと、エミッタからの光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される開口と、開口と光通信するレンズレットとを含む。キャビティは、該キャビティ内で開口に向けて光放射を反射するためのリフレクタを含む。さらに、キャビティ、開口、およびレンズレットは、プロジェクタへの結合に適した光学特性を有する光出力をもたらすように協働するべく構成される。

本開示のさらなる態様において、光学特性は、所定の出力方向および立体角のうちの少なくとも一方を含む。

本開示のさらなる態様において、プロジェクタに光出力を与えるためのエミッタシステムアセンブリは、第１の光放射をもたらす第１のエミッタと、第２の光放射をもたらす第２のエミッタと、第１のエミッタを少なくとも部分的に取り囲む第１のキャビティと、第２のエミッタを少なくとも部分的に取り囲む第２のキャビティと、第１のエミッタからの第１の光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される第１の開口と、第２のエミッタからの第２の光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される第２の開口と、第１および第２の開口と光通信するレンズレットとを含む。第１のキャビティは、該第１のキャビティ内で第１の開口に向けて第１の光放射を反射するための第１のリフレクタを含む。第２のキャビティは、該第２のキャビティ内で第２の開口に向けて第２の光放射を反射するための第２のリフレクタを含む。第１のキャビティ、第１の開口、第２のキャビティ、第２の開口、およびレンズレットは、プロジェクタへの結合に適した光学特性を有する光出力に寄与するために第１および第２の光放射をもたらすように協働するべく構成される。

本開示のさらに別の態様において、プロジェクタに光出力を与えるためのエミッタシステムアセンブリは、第１の光放射をもたらす第１のエミッタと、第２の光放射をもたらす第２のエミッタと、第１および第２のエミッタを少なくとも部分的に取り囲むキャビティと、第１および第２のエミッタからの第１および第２の光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される開口と、開口と光通信するレンズレットとを含む。キャビティは、該キャビティ内で開口に向けて第１および第２の光放射を反射するためのリフレクタを含む。さらに、キャビティ、開口、およびレンズレットは、プロジェクタへの結合に適した光学特性を有する光出力をもたらすように協働するべく構成される。

本開示のさらなる別の態様において、エミッタシステムアセンブリを形成するための方法は、エミッタ基板上にエミッタアレイを形成するステップと、エミッタ基板をバックプレーンに取り付けるステップと、エミッタアレイと位置合わせされるキャビティおよび開口のアレイを形成するステップと、開口のアレイと位置合わせされるレンズレットアレイを取り付けるステップとを含む。

本開示のさらに別の態様では、キャビティを形成する材料よりも低い屈折率を有する低屈折率材料が、開口の少なくとも一部の周囲に組み込まれる。

本開示の別の態様では、１つまたは複数の反射防止層が、キャビティおよび開口のうちの少なくとも一方に組み込まれる。

本開示のさらなる態様において、エミッタ基板は、２つ以上のエミッタ間で共有されるカソードとして機能するように配置される導電性材料を組み込む。

本開示の別の態様において、エミッタシステムは、エミッタの周囲に光閉じ込め機能部を含む。一例において、光閉じ込め機能部は、エミッタを取り囲む１つまたは複数の反射層を含む。一態様において、光閉じ込め機能部は、金属層または反射性誘電体積層体を含む構造から形成される。

添付図面は、一部の実装のみを示し、したがって、範囲を限定するものとみなされるべきではない。

本開示の態様に係る複数のピクセルを有するディスプレイの一例を示す図である。 本開示の態様に係る複数の画素を有するライトフィールドディスプレイの例を示す図である。 本開示の態様に係る複数の画素を有するライトフィールドディスプレイの例を示す図である。 本開示の態様に係るＬＥＤから光を抽出するための一般的な構成を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成の例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成の例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成の例を示す図である。 本開示の態様に係るマイクロＬＥＤのアレイから光を抽出するための構成の例を示す図である。 本開示の態様に係るマイクロＬＥＤのアレイから光を抽出するための構成の例を示す図である。 本開示の態様に係るマイクロＬＥＤのアレイから光を抽出するための構成の例を示す図である。 本開示の態様に係るマイクロＬＥＤの光抽出構成を形成するためのプロセスを示すフローチャートである。 本開示の態様に係る光抽出構成のさらなる例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成のさらなる例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出および共有カソード機能を伴うエミッタアレイの部分断面図である。 本開示の態様に係る光抽出および共有カソード機能を伴うエミッタアレイの部分上面図である。 本開示の態様に係るエミッタによって放射される光を閉じ込めるための光閉じ込め機能部の例を示す図である。 本開示の態様に係るエミッタによって放射される光を閉じ込めるための光閉じ込め機能部の例を示す図である。 本開示の態様に係るエミッタによって放射される光を閉じ込めるための光閉じ込め機能部の例を示す図である。 本開示の態様に係るエミッタによって放射される光を閉じ込めるための光閉じ込め機能部の例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出のための構造を有するエミッタを形成するための典型的なプロセスフローを示す図である。 本開示の態様に係る光抽出のための構造を有するエミッタを形成するための典型的なプロセスフローを示す図である。 本開示の態様に係る光抽出のための構造を有するエミッタを形成するための典型的なプロセスフローを示す図である。 本開示の態様に係る光抽出のための構造を有するエミッタを形成するための典型的なプロセスフローを示す図である。 本開示の態様に係る光抽出のための構造を有するエミッタを形成するための典型的なプロセスフローを示す図である。 本開示の態様に係る光抽出のための構造を有するエミッタを形成するための典型的なプロセスフローを示す図である。 本開示の態様に係る光抽出のための構造を有するエミッタを形成するための典型的なプロセスフローを示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成を有するエミッタおよびエミッタアレイの想定し得る変形例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成を有するエミッタおよびエミッタアレイの想定し得る変形例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成を有するエミッタおよびエミッタアレイの想定し得る変形例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成を有するエミッタおよびエミッタアレイの想定し得る変形例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成を有するエミッタおよびエミッタアレイの想定し得る変形例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成を有するエミッタおよびエミッタアレイの想定し得る変形例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成を有するエミッタおよびエミッタアレイの想定し得る変形例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成を有するエミッタおよびエミッタアレイの想定し得る変形例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成を有するエミッタおよびエミッタアレイの想定し得る変形例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成を有するエミッタおよびエミッタアレイの想定し得る変形例を示す図である。 本開示の態様に係る光抽出構成を有するエミッタおよびエミッタアレイの想定し得る変形例を示す図である。

詳細な説明
添付図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、さまざまな構成の説明を意図しており、本明細書に記載の概念が実施され得る唯一の構成を表すことを意図するものではない。詳細な説明には、さまざまな概念を完全に理解できるようにするための具体的な詳細が含まれる。しかしながら、当業者に明らかなように、これらの概念は、これらの特定の詳細がなくても実施できる。場合によっては、そのような概念が分かりにくくなるのを避けるために、よく知られている構成要素がブロック図の形式で示される。

マイクロＬＥＤの小型サイズおよび高効率を効果的に利用するためには、各マイクロＬＥＤによって生成される光をできるだけ多く抽出する必要がある。したがって、マイクロＬＥＤによって生成される光の抽出を改善するには、新たな構成が望ましい。

図４は、マイクロＬＥＤなどの光エミッタからの光抽出を改善するための典型的な構成を示す。図４に示すように、エミッタシステム４００は、光放射をもたらすためのエミッタ４１０を含む。例えば、エミッタ４１０は、量子井戸（ＱＷ）技術に基づく従来のＬＥＤまたはマイクロＬＥＤ、あるいは別のタイプの小型光エミッタであってもよい。エミッタ４１０は、ＬＥＤキャビティを画定する表面４２２によって少なくとも部分的に囲まれる。表面４２２は、単一の連続した凹面であってもよい。実施形態では、表面４２２が基板４２０の表面である。

エタンデュゲート４３０が、エミッタ４１０からの光をモード整合光学系４４０に向けて放出されるための空間開口を備える。モード整合光学系４４０は、ＬＥＤキャビティからの光を、プロジェクタデバイスでの使用などの特定の用途の要件に適合する出力４５０へと整形するように構成される。なお、エミッタ４１０は、固体ブロックとして示されるが、ｎドープ半導体層、１つまたは複数の量子井戸構造、格子整合層、正孔阻止層、電子阻止層、コンタクト層、および半導体エミッタ製造の技術分野で知られている他の材料などの複数の層を含んでもよい。

より具体的には、表面４２２は、エミッタ４１０によって生成される光を閉じ込めるための高反射率の表面であってもよい。ＬＥＤキャビティの幾何学的形状は、エタンデュゲート４３０を介した光結合に最適な幾何学的形状を与えるために、特定の用途に合わせて調整されてもよい。なお、ＬＥＤキャビティは、「キャビティ」と呼ばれるが、固体半導体（窒化ガリウムなど）またはエミッタ４１０により放射される光を実質的に透過する別の材料（絶縁体など）など、空気以外の材料で満たされてもよい。

エタンデュゲート４３０は、ＬＥＤキャビティからの光をモード整合光学系４４０と効率的に結合するための固定または調整可能な空間開口であってもよい。エタンデュゲート４３０は、例えば、特定の特性を有する光、例えば、入射角、偏光状態、波長、共振空洞モード、および他の光学特性の特定の範囲内でエタンデュゲート４３０に入射する光を選択的に透過させるためのフィルタをさらに含んでもよい。例えば、エタンデュゲート４３０は、外部光の存在下で表示コントラストを高めるために、１つまたは複数の非反射層、低反射層、または反射防止層を含んでもよい。一例として、エミッタシステム４００のアレイをディスプレイへと形成することができ、各エミッタシステムは、ディスプレイによって生成される画像に寄与する光を生成する。そのようなディスプレイでは、外部光がディスプレイに導入されると、各エタンデュゲート４３０が外部光を反射して、ディスプレイによって生成される画像を損なう可能性がある。そのような望ましくない影響は、エタンデュゲート４３０に到達する外部光をＬＥＤキャビティ内に組み込むことができるように、エタンデュゲート４３０に１つまたは複数の非反射層、低反射層、または反射防止層を組み込むことによって低減され得る。

モード整合光学系４４０は、結像構成または非結像構成を成して配置される１つまたは複数の屈折光学系、反射光学系、または回折光学系を含むことができる。モード整合光学系４４０は、特定の用途の受け入れ光照射野と適合する出力４５０をもたらすように調整され得る。例えば、エミッタシステム４００が、拡張現実（ＡＲ）または仮想現実（ＶＲ）ヘッドセットなどのためのプロジェクタで使用する光放射をもたらすことを目的としている場合、モード整合光学系４４０は、エタンデュゲート４３０を透過する光を、プロジェクタの受け入れ基準に最適に適合する出力４５０に変換するように構成され得る。この場合も先と同様に、エミッタシステム４００に導入される外部光の影響を低減するために、非反射層、低反射層、または反射防止層をモード整合光学系４４０に組み込むことができる。

図４に戻って参照すると、エミッタ４１０、ＬＥＤキャビティ４２４、エタンデュゲート４３０、およびモード整合光学系４４０について、さまざまな変形が想定し得ることに留意されたい。例えば、エミッタ４１０は、単一のエミッタ（例えば、単一の発光ダイオード）、同じ色の２つ以上のエミッタのグループ、または異なる色の２つ以上のエミッタのグループを含んでもよい。一例として、エミッタ４１０は、単一のＬＥＤキャビティ４２４内に、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、および青色ＬＥＤの組み合わせを含んでもよい。あるいは、エミッタ４１０は、同じ色を放射する２つのＬＥＤ、例えば、２つの赤色ＬＥＤの組み合わせを含んでもよい。ＬＥＤキャビティ４２４は、例えば、銀またはアルミニウムのリフレクタなどの高反射率コーティングを含む１つまたは複数の表面を含むことができる。高反射率コーティング材料は、ある範囲の入射角にわたる光がＬＥＤキャビティ４２４内で効率的に反射されるように、反射特性の角度依存性を低くするために選択され得る。

さらに、エタンデュゲート４３０は、図４に示すように、単一の開口を含んでもよく、複数の開口を含んでもよい。さらに、エタンデュゲート４３０は、波長選択フィルタ、偏光子、回折格子構造、および／または屈折素子などの光学部品を組み込んでもよい。偏光子は、第１の偏光状態の光を透過させる一方で、第２の直交偏光状態の光を反射してＬＥＤキャビティ４２４内に戻すことができる。このようにして、反射光の一部がＬＥＤキャビティ４２４内で再循環され、それにより、反射されて再循環される光の一部が、第１の偏光に変換されて、偏光子を透過し、ＬＥＤキャビティ４２４から出ることができる。

実施形態において、偏光子、またはＬＥＤキャビティ４２４内の反射面は、それを透過するまたは反射される光の偏光状態をランダム化するための機能部を含んでもよい。あるいは、複数のエタンデュゲート４３０は、ＬＥＤキャビティ４２４と結合されてもよい。実施形態において、第１のエタンデュゲートは、第１の偏光状態の光を透過するための偏光子を含み、一方、第２のエタンデュゲートは、直交する第２の偏光状態の光を透過するための偏光子を含み、それにより、第１のエタンデュゲートが光を第１の位置に向けて方向付け、第２のエタンデュゲートが光を異なる第２の位置に向けて方向付ける。

一方、図４は、エタンデュゲート４３０がエミッタ４１０と位置合わせされて示されるが、エタンデュゲート４３０を透過する光の量および方向性を調整してモード整合光学系４４０の要件を受け入れるために、エタンデュゲート４３０がエミッタ４１０の中心線（例えば、光軸）からオフセットされてもよい。さらに、エミッタ４１０およびモード整合光学系４４０に対するエタンデュゲート４３０の距離が所望の光出力にしたがって調整されてもよい。

さらに、モード整合光学系４４０は、以下のタイプの光学部品、すなわち、屈折、フィルタリング、偏光、回折、および反射の光学部品の少なくとも１つを含むことができる。モード整合光学系は、結像光学系または非結像光学系を形成することができる。例えば、モード整合光学系４４０は、球、円筒、および非対称光学部品のうちの１つまたは複数を含むことができる。モード整合光学系４４０は、１つまたは複数の回折格子、フィルタ、および／または偏光子をさらに含むことができる。モード整合光学系４４０は、光出力とプロジェクタおよび／または導波管などの下流側光学系との結合を最適化するために、ビーム形状、テレセントリック性、方向性などの特定のビームパラメータを有する光出力をもたらすように、特定の用途のニーズに合わせて調整され得る。

例えば、赤、緑、および青のＬＥＤがエミッタ４１０として含まれる場合、エタンデュゲート４３０およびモード整合光学系４４０は、ＬＥＤによって生成される赤、緑、および青色の光が色にしたがって異なる方向に向けて方向付けられ得るように、ＬＥＤに対して位置決めされ、波長依存の屈折挙動を示すことができる。さらに、エミッタ４１０の周囲の任意の場所でエミッタ４１０から放射される光が閉じ込められてＬＥＤキャビティ４２４内に反射され得るように、例えばキャビティ４２４を少なくとも部分的に画定する表面として、１つまたは複数の反射面がエミッタ４１０の周囲に組み込まれてもよい。このようにして、エミッタ４１０からの光分布は、例えば、入射角依存の光結合挙動を示し得る入力結合回折格子（ＩＣＧ）への結合のために最適化され得る。

エタンデュゲート４３０および／またはモード整合光学系４４０の開口形状は、円形、円筒形、楕円形、長方形、または正方形であってもよい。さらに、エミッタ４１０、ＬＥＤキャビティ４２４、エタンデュゲート４３０、およびモード整合光学系４４０の表面のいずれかは、回折格子、テクスチャ、反射防止コーティング、低屈折率層、光吸収材料、絶縁材料、導電材料、半導体材料、合金などのさまざまな特徴のうちの１つまたは複数を含んでもよい。

一般に、エミッタ４１０、ＬＥＤキャビティ４２４、エタンデュゲート４３０、およびモード整合光学系４４０の位置および形状は、相互に切り離すことができ、したがって、位置および形状のさまざまな構成要素の設計に柔軟性を与えることができ、また、エミッタごと、またはピクセルごとに調整され得る。図４に示される各構成要素の形状および形態は、例えば、光リソグラフィ、ウェットまたはドライエッチング手順、ナノインプリンティング、および他の既知の処理技術によって形成され得る。このようにして、図４に示される各構成要素の形状および形態は、ＬＥＤエミッタシステム４００のアレイの全体にわたって変更され得る。さらに、波長依存フィルタリング、色変換、減衰、色調整、位相修正、および／または波面整形のための１つまたは複数の色変換器または他の構成要素を、エミッタ４１０、ＬＥＤキャビティ４２４、エタンデュゲート４３０、およびモード整合光学系４４０のうちの１つまたは複数に組み込むことができる。

別の実施形態では、図５に示されるように、エミッタシステム５００におけるエタンデュゲート４３０およびモード整合光学系４４０は、エミッタ４１０から放射される光を拡散するためのテクスチャ表面５３０に取って代えられ得る。この場合、ＬＥＤキャビティの表面４２２は、平行光出力を必要としない用途での使用に適した光出力を与えるために、エミッタ４１０からテクスチャ表面５３０に向けて放射される光を効率的に方向付けるように構成され得る。

特定の場合には、モード整合光学系４４０を適切に設計することにより、ＬＥＤキャビティを縮小または排除することができる。例えば、図６に示されるように、エミッタシステム６００は、切頂複合放物曲線（ＣＰＣ）を規定する表面６２２の頂点または焦点面に位置されるエミッタ４１０を含むことができ、表面６２２はモード整合光学系４４０として機能する。エミッタシステム６００の場合、表面６２２は、特定の用途に対して十分なモード整合および整形光出力を与えることができる。表面６２２は、凹放物面であってもよく、または凹放物面を含んでもよい。表面６２２は、金属または誘電体コーティングから形成される反射面などの反射面であってもよい。表面６２２は、基板６２０の表面であってもよい。

あるいは、図７に示されるように、非球面レンズ７４０は、エミッタ４１０に隣接して形成されるモード整合光学系４４０として使用され得る。非球面レンズ７４０は、成形側壁７４２の適切な設計によってキャビティのない非球面レンズ７４０のみで特定の用途に適した形状の光出力をもたらすように形成される側壁７４２を含むことができ得る。実施形態では、側壁７４２が基板７２０の表面に隣接している。各基板６２０、７２０は基板４２０の一例である。

図８は、一実施形態に係る光抽出機能部を含むエミッタアレイシステム８００の断面図を示す。エミッタアレイシステム８００は、複数のエミッタ８１０を支持および／または少なくとも部分的に含むＬＥＤ基板８０５を含む。エミッタ８１０は二次元配列を成して配置され得る。各エミッタ８１０は、エミッタ４１０の一例であり、ＬＥＤ基板８０５の凹面によって少なくとも部分的に取り囲まれる。

エミッタ８１０は、エミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、および８１０Ｃのそれぞれのうちの少なくとも１つを含む。実施形態において、エミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、および８１０Ｃは、３つの波長範囲のうちのそれぞれの異なる１つの波長範囲で光を放射するように構成される。実施形態において、範囲は、電磁スペクトルの赤、緑、青の領域に対応する。別の構成において、エミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、および／または８１０Ｃは、同じ波長範囲の光を放射するように構成され得る。

一例において、エミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、および８１０Ｃの各１つは、そのエミッタによって放射される光が図８において下向きに方向付けられるように、反射面８１５によって取り囲まれる。反射面８１５は、金属（例えば、アルミニウム、金、銀）、誘電体、誘電体材料の多層膜積層体、またはこれらの任意の組み合わせから形成されるコーティングであってもよい。反射面８１５がコーティングである場合、コーティングはＬＥＤ基板８０５の凹面上にあってもよい。

エミッタアレイシステム８００は、表面８２２によって画定されるキャビティを有する基板８２０をさらに含む。基板８２０は、基板８０５の一部であってもよい。表面８２２の例としては、表面４２２および表面６２２が挙げられる。基板８２０の例としては、基板４２０、６２０、７２０が挙げられる。

各それぞれのＬＥＤキャビティ８２４Ａ、８２４Ｂ、８２４Ｃはエミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃにそれぞれ隣接している。基板８２０は、所望の波長の光透過に適合する半導体（ＧａＮなど）または他の材料（絶縁体または透明導電性酸化物など）から形成され得る。反射面８２２は、金属（例えば、アルミニウム、金、銀）、誘電体、誘電体材料の多層膜積層体、またはこれらの任意の組み合わせから形成され得るコーティングをその上に有し得る。

反射面８２２は、エミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃからそれぞれ放射される光を閉じ込めるおよび／または整形する。実施形態において、各面８２２は、面８２２が基板８２０を貫通する開口を画定するように、基板８２０の上面と下面との間で延在する。例えば、ＬＥＤキャビティ８２４Ａは、エミッタ８１０Ａによって放射される光を開口８３０Ａに結合するように最適化されているキャビティ幾何学的形状によって画定されてもよく、ＬＥＤキャビティ８２４Ｂは、エミッタ８１０Ｂによって放射される光を開口８３０Ｂに結合するように最適化されてもよく、ＬＥＤキャビティ８２４Ｃは、開口８３０Ｃに結合されるべきエミッタ８１０Ｃによって放射される光と最も適合するように形成されてもよい。別の例では、ＬＥＤキャビティ８２４Ａ、８２４Ｂ、８２４Ｃのうちの２つ以上が互いに同一であってもよい。同様に、開口８３０Ａは、開口８３０Ｂおよび／または８３０Ｃと異なっていてもよく、または開口８３０Ａ、８３０Ｂ、８３０Ｃの寸法が同一であってもよい。

開口８３０Ａ、８３０Ｂ、８３０Ｃは、ニアアイディスプレイ眼鏡用の導波路の入力ポートとして機能するものなどの入力結合回折格子（ＩＣＧ）の平面と共役に形成され得る。他のタイプのスループット制限開口構成は、開口からのモード結合光学系または他の下流側光学系の要件にしたがって実装されてもよい。さらに、任意選択で、開口８３０Ａ、８３０Ｂ、８３０Ｃのうちの少なくとも１つは、角度、波長、および／または偏光フィルタリング能力などのさらなる光学特性を含んでもよい。

ＬＥＤキャビティ８２４Ａ、８２４Ｂ、８２４Ｃから開口８３０Ａ、８３０Ｂ、８３０Ｃを通じてそれぞれ発する光は、図８に示される例ではレンズレット８４０を通じて方向付けられる。レンズレット８４０の各１つは、図４のモード整合光学系４４０の一例である。図８に示される例において、各レンズレット８４０は、複数のエミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃから光を方向付けるように構成される。レンズレット８４０の各１つは、例えばバックプレーン上に直接形成されてもよく、個別に形成されて開口および吸収体コーティングの形成後にバックプレーンに取り付けられるレンズレットアレイの一部であってもよい。

エミッタアレイシステム８００は、隣接するレンズレット８４０を分離するバッフル吸収体８４５を含んでもよい。例えば、光バッフル吸収体８４５は、隣接するレンズレット８４０間のクロストークを低減するように構成されてもよい。さらに、開口８３０Ａ、８３０Ｂ、８３０Ｃの間の領域は、レンズレット８４０を通過する迷光をさらに低減するために吸収層８４７によって覆われてもよい。

実施形態では、線８７０は境界を表し、その境界の上方に、エミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃの形成体、反射面８１５、ＬＥＤキャビティ８２４Ａ、８２４Ｂ、８２４Ｃの一部、および反射面８２２が、マイクロＬＥＤ製造の一部として形成され得る（矢印８７２によって示されるように）。線８７０の下方には（矢印８７２によって示されるように）、マイクロＬＥＤ製造が完了した後に実行される処理中に、さまざまな構成要素を形成することができる。

図９は、一実施形態に係るエミッタアレイシステム９００を示す。エミッタアレイシステム９００は、図８のエミッタアレイシステム８００と同じマイクロＬＥＤ製造側構成要素を含む。しかしながら、開口８３０Ａ、８３０Ｂ、８３０Ｃの各１つは、それ自体のレンズレット９４０Ａ、９４０Ｂ、９４０Ｃとそれぞれ結合される。隣接するレンズレット９４０Ａ、９４０Ｂ、９４０Ｃは、光バッフル吸収体９４５によって分離され、開口８３０Ａ、８３０Ｂ、８３０Ｃの間の領域は、吸収体層９４７によって覆われてもよい。この構成では、レンズレット９４０Ａ、９４０Ｂ、９４０Ｃの各１つは、エミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃのうちの対応する１つによって放射される光の特定の波長および他の光特性と結合するように構成され得る。

図１０は、一実施形態に係るエミッタアレイシステム１０００を示す。エミッタアレイシステム１０００は、図８に示すように、反射面８１５を有するエミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃを支持するＬＥＤ基板１００５を含む。図８のエミッタアレイシステム８００とは対照的に、エミッタアレイシステム１０００は、エミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃのグループのための１つのＬＥＤキャビティ１０２４を含む。エミッタアレイシステム１０００は、キャビティ１０２４を画定する表面１０２２を有する基板１０２０をさらに含む。基板１０２０は基板１００５の一部であってもよい。ＬＥＤキャビティ１０２４の幾何学的形状および基板１０２０の特性は、エミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃから放射されて開口１０３０に向かいレンズレット１０４０に入る光の最適な結合のために調整されてもよい。レンズレット１０４０は、図８のレンズレット８４０の一例である。隣接するレンズレット１０４０は、光バッフル吸収体１０４５によって分離することができ、開口１０３０間の領域は吸収体材料１０４７でコーティングすることができる。基板１００５、１０２０はそれぞれ、基板８０５、８２０の例である。

図１１は、一実施形態に係る先に開示されたエミッタアレイシステムを形成するための典型的なプロセス１１００を示す。プロセス１１００は、エミッタ基板上にエミッタアレイを形成するステップ１１１０を含む。図８を参照すると、基板８０５上または基板８０５内に支持されているエミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃを形成するステップ１１１０は、（ｉ）エミッタ８１０Ａ、８１０Ｂ、８１０Ｃを取り囲む反射面８１５を形成するステップ、（ｉｉ）ＬＥＤキャビティ８２４Ａ、８２４Ｂ、８２４ＣのマイクロＬＥＤ側を形成するステップ、および（ｉｉｉ）反射面８２２の一部を形成するステップのうちの少なくとも１つを含んでもよい。

プロセス１１００は、エミッタアレイをバックプレーンに取り付けるためのステップ１１２０に進み、その後、ＬＥＤキャビティの残りおよび開口を形成するためのステップ１１３０に進む。例えば、エミッタアレイをバックプレーンに取り付けた後、エミッタアレイを支持するエミッタ基板を除去してもよい。最後に、プロセス１１００は、レンズレットを取り付けて例えば図８～図１０に示される構造を形成するステップ１１４０に進む。

光抽出構成の実施形態のさらなる例が図１２～図３７に示される。
図１２は、オーミックコンタクト１２１２を有するエミッタ８１０を含むエミッタシステム１２００を示す。エミッタ８１０から放射される光は、ＬＥＤキャビティ１２２４へと方向付けられる。エミッタシステムは、基板８０５の一例である基板１２０５を含む。基板１２０５は側壁１２２５を含む。キャビティ１２２４は、側壁１２２５、バッフル１２４７、上端リフレクタ１２２７のそれぞれの表面によって画定される。バッフル１２４７およびリフレクタ１２２７の一方または両方は、基板１２０５の一部であってもよい。側壁１２２５は、１つまたは複数の側壁を含んでもよく、基板１２０５上に堆積される層であってもよい。

ＬＥＤキャビティ１２２４からの光の一部は、エタンデュゲート１２３０を透過し、モード整合光学系１２４０（ここでは屈折素子として示される）を透過する。エタンデュゲート１２３０および光学系１２４０は、エタンデュゲート４３０および光学系４４０のそれぞれの例である。モード整合光学系１２４０の光学特性（例えば、形状、屈折率、ビーム整形／ステアリング）は、エミッタ８１０からの光とプロジェクタや導波路などの下流側の光学系との結合を最適化するように調整される。側壁１２２５は、ＬＥＤキャビティ１２２４内のエミッタ８１０から放射される光を閉じ込める。実施形態において、上端リフレクタ１２２７は、エミッタ８１０および反射側壁１２２５の周りの隙間を覆い、光が隙間を通って漏れるのを防ぐ。上端リフレクタ１２２７は電気接点として使用され得る。

引き続き図１２を参照すると、吸収体１２４５はモード整合光学系１２４０を取り囲んで、モード整合光学系１２４０の外に向けられない任意の迷光を吸収する。さらに、エタンデュゲート１２３０の境界を画定する役割を果たすバッフル１２４７も、モード整合光学系１２４０からＬＥＤキャビティ１２２４に再入する迷光を低減する光吸収特性を示し得る。

図１２に示されるように、低屈折率（低－ｎ）層１２５０が、エタンデュゲート１２３０およびバッフル１２４７を取り囲む。低－ｎ層１２５０の屈折率は、ＬＥＤキャビティ１２２４を充填する材料よりも低い値であってもよい。一例として、ＬＥＤキャビティ１２２４が平均屈折率ｎ＝２．４を有するｎドープ窒化ガリウム（ｎ－ＧａＮ）で満たされる場合、低－ｎ層１２５０は、平均屈折率が２．４よりも低い材料であってもよい。例としては、ポリマーなどの平均屈折率ｎ＝１．４の材料が挙げられる。同様に、モード整合光学系１２４０は、低－ｎ層１２５０とモード整合光学系１２４０との間に屈折率の不連続性が存在するように、例えばｎ＝１．７を示す高屈折率ポリマーから形成されてもよい。

したがって、図１２の丸で囲んだ数字で示すように、エミッタ８１０から放射される光が遭遇する複数の界面が存在する。（１）－（２）の界面では、低－ｎ層１２５０に遭遇するＬＥＤキャビティ１２２４からの光は、界面での屈折率の不連続性に起因して、大部分が反射されてＬＥＤキャビティ１２２４内に戻される。同様に、（３）－（４）の界面では、光が矢印１２８０で示すように屈折される。最後に、光がモード整合光学系１２４０を出るとき、光は、整形されて、外部光学系に向けて方向付けられる。したがって、低－ｎ層１２５０を含めることは、光の閉じ込めと、エミッタ８１０によって放射される光の効率的な抽出とをさらに調整するのに役立つ。

図１２には単一のエミッタシステム１２００が示されるが、複数のエミッタシステム１２００がアレイ状に配置されてもよい。アレイ内のエミッタシステムは同一であってもよく、異なる発光特性を有するエミッタシステムがアレイ内に含まれてもよい。

図１３は、本開示の態様に係る光抽出構成の別の例を示す。図１３に示されるように、エミッタシステム１３００は、オーミックコンタクト１２１２を有する光エミッタ８１０を含む。エミッタ８１０から放射される光は、ＬＥＤキャビティ１３２４内へと方向付けられる。エミッタシステム１３００は、基板８０５の一例である基板１３０５を含む。基板１３０５は側壁１３２５を含む。キャビティ１３２４は、側壁１３２５およびバッフル１３４７のそれぞれの表面によって少なくとも部分的に画定される。バッフル１３４７は、基板１３０５の一部であってもよい。側壁１３２５は、１つまたは複数の側壁を含んでもよく、基板１３０５上に堆積される層であってもよい。

ＬＥＤキャビティ１３２４からの光の一部は、エタンデュゲート１３３０を透過し、モード整合光学系１３４０を透過する。エタンデュゲート１３３０はエタンデュゲート４３０の一例である。この場合も先と同様に、モード整合光学系１３４０の光学特性は、エミッタ８１０からの光と、プロジェクタまたは導波路などの下流側の光学系との結合を最適化するように調整される。反射側壁１３２５が、ＬＥＤキャビティ１３２４内のエミッタ８１０から放射される光を閉じ込める。吸収体１３４５が、モード整合光学系１３４０を取り囲んで、モード整合光学系１３４０の外に向けられない任意の迷光を吸収する。さらに、エタンデュゲート１３３０の境界を画定するのに役立つバッフル１３４７は、モード整合光学系１３４０からＬＥＤキャビティ１３２４に再入する迷光を低減する光吸収特性を示し得る。実施形態では、エタンデュゲートがバッフル１３４７を貫通する開口である。

エミッタシステム１３００は、エミッタシステム１２００の低屈折率層１２５０と同様の低－ｎ層１３５０を含む。低－ｎ層の一部はバッフル１３４７の上下、およびエタンデュゲート１３３０内にある。低－ｎ層１３５０はまた、ＬＥＤキャビティ１３２４の光閉じ込め特性をさらに高めるために、反射側壁１３２５に沿って延在する。さらに、エミッタシステム１３００は、ＬＥＤキャビティ１３２４を形成する高屈折率材料と低－ｎ層１３５０との間の界面に反射防止層１３９０を含んでもよい。

実施形態において、エミッタシステム１３００は、低－ｎ層１３５０とモード整合光学系１３４０との間の界面に第２の反射防止層１３９２を含む。さらに、第３の反射防止層（図示せず）が、モード整合光学系１３４０と任意の下流側光学系（図示せず）との間の界面に含まれてもよい。反射防止層は、エミッタ８１０から放射されてＬＥＤキャビティ１３２４から出てモード整合光学系１３４０へ入る光の結合を強化するように機能し得る。

図１４および図１５はそれぞれ、本開示の態様に係る光抽出機能および共有カソード機能を伴うエミッタシステム１４００の部分断面図および部分上面図を示す。ＬＥＤキャビティの周囲およびエミッタシステム間に反射光閉じ込め層を拡張することにより、反射層自体を、光エミッタを電子的にアドレス指定するための共有カソードとして使用することができる。特に、エミッタシステム１４００は複数のエミッタ８１０を含み、各エミッタは、オーミックコンタクト１２１２を介して個別にアドレス指定可能である。前述のエミッタシステムと同様に、各エミッタ８１０は、反射層１４２５によって囲まれたＬＥＤキャビティ１４２０と結合される。反射層１４２５は、側壁１２２５、１３２５の例であり、例えば、反射性の金属材料から形成され得る。エミッタ８１０からの光は、ＬＥＤキャビティ１４２０を介してモード結合光学系１４４０に結合される。モード結合光学系１４４０は、モード整合光学系４４０の一例であり得る。エミッタシステム１４００は、基板１２０５、１３０５などの基板を含むことができ、この場合、反射層１４２５は、基板上に堆積される層であってもよい。

実施形態において、低－ｎ層１４３０は、ＬＥＤキャビティ１４２０内およびモード結合光学系１４４０からの光閉じ込め効率の向上を助けるために、ＬＥＤキャビティ１４２０、モード結合光学系１４４０、またはその間の任意の場所に組み込まれてもよい。低－ｎ層１４５０は、エミッタ８１０間に延在して、エミッタ８１０を相互に電気的に絶縁するための絶縁層として機能することもできる。

図１４および図１５に示されるように、反射層１４２５は、エミッタシステム１４００内のエミッタ８１０のための共有カソードとして使用できるように、エミッタ８１０間で延在してもよい。各エミッタ８１０の個別のアドレス指定は、関連するオーミックコンタクト１２１２を介したボンディングによって達成されてもよい。

銀が前述の反射層（例えば、反射面１２２５、１３２５、１４２５）に組み込まれる場合、既知の問題は、エミッタシステムの望ましくない領域への銀の移動であり、これにより、エミッタの電気的短絡の可能性がある。図１３および図１４の低－ｎ層１３５０、１４３０の構成は、ＬＥＤキャビティへの銀の移動を軽減するのに役立つ可能性がある。さらに、前述の反射面１２２５、１３２５、１４２５をさらにコーティング内に封入して、電界誘起の銀のマイグレーションに関連する問題を軽減しながらリフレクタの反射特性を保持することもできる。

図１６～図１９は、本開示の態様に係るエミッタによって放射される光を閉じ込めるための光閉じ込め機能部の例を示す。なお、図１６～図１９は、エミッタシステムのエミッタ部分を取り囲む構造のみを示し、すなわち、図１６～図１９に示される実施形態は、前述の図４～図１５に示されるような光抽出構造をさらに組み込んでもよい。

まず図１６を参照すると、この図は、光閉じ込め機構を組み込んだエミッタアレイ１６００の一部を示す。エミッタアレイ１６００は複数のエミッタ８１０を含み、各エミッタ８１０の上部にはオーミックコンタクト１２１２が設けられる。大部分において、エミッタ８１０から放射される光は下方（すなわち、ページの下端に向かって）に向けられる。しかしながら、光放射のごく一部は、各エミッタ８１０の周囲から逃げる。オーミックコンタクト１２１２は、上向き（すなわち、ページの上端に向かう）への光放射の大部分を阻止するが、光放射は、エミッタ８１０の側面から逃げる可能性がある。

上方および横方向の光漏れに対処するために、各エミッタ８１０を反射材料で囲んで、光漏れを下方、例えば図４～図１５に関して前述した光抽出構造に向けることができる。図１６に示す例では、エミッタ８１０はパッシベーション層または絶縁層１６１４によって覆われる。ドライエッチング、ウェットエッチング、およびマスクリソグラフィなどの既知の技術を使用して、反射構造１６１８が各エミッタ８１０のオーミックコンタクトに向かって側方および上向きに堆積される。パッシベーション層１６１４は、反射構造１６１８を、エミッタ８１０およびオーミックコンタクト１６１２との接触から分離する。さらなるパッシベーション層または絶縁層を反射構造１６１８の上に堆積させてもよく、その後、オーミックコンタクト１６１２の周囲から逃げる光の閉じ込めをさらにもたらすために、さらなる「ウイング」構造１６２０を形成してもよい。図１６の右側のエミッタ構造に示すように、オームコンタクト１２１２と直接に電気的接触が行われてもよく（電気接点１６１６として示される）、あるいは、左側のエミッタ構造に示すように、ウイング構造１６２０を介して電気的接触が行われてもよい。図８～図１５に記載のエミッタシステムのいずれか１つの実施形態は、絶縁層１６１４、反射構造１６１８、電気接点１６１６、およびウイング構造１６２０のうちの少なくとも１つを含み得る。

オーミックコンタクト１２１２に対して直接的な接触が行われる場合でも、図１７は、ウイング構造がオーミックコンタクトと直接電気的に接触して形成される別の実施形態を示す。例えば、パッシベーション層１６１４がエミッタ８１０およびオーミックコンタクト１２１２上にわたって堆積された後、反射構造１７３０がエミッタ８１０の側面に形成され得る。さらなるパッシベーション層１７３２が反射構造１７３０上にわたって堆積される。その後、図１７に示されるようも、その上にさらなる反射構造１７４０が堆積される。

その後、パッシベーション層１６１４、さらなるパッシベーション層１７３２、およびさらなる反射構造１７４０を介してオーミックコンタクト１２１２にアクセスすることができ、これにより、隣接するエミッタ８１０間の電気的絶縁を維持しながら電気接点１６１６をオーミックコンタクト１２１２に接続することができる。図８～図１６に記載のエミッタシステムのいずれか１つの実施形態は、反射構造１７３０、パッシベーション層１７３２、および反射構造１７４０のうちの少なくとも１つを含み得る。

図１８は、オーミックコンタクト１２１２を電気的にアドレス指定するために薄い接点が使用される別の構成を示す。図１８に示すように、パッシベーション層１６１４はエミッタ８１０およびオーミックコンタクト１２１２を覆い、その上に、より厚いボンディングワイヤ１８１６に取り付けられる細いボンディングワイヤ１８１５を使用してオーミックコンタクト１２１２に対する電気的アクセスを可能にするために大きな反射構造１８４０間のスペースを維持しながらオーミックコンタクト１２１２と大きな反射構造１８４０との間にオーバーラップ１８４２が存在するように大きな反射構造１８４０が堆積される。このようにして、エミッタ、大きな反射層、および細いボンディングワイヤ１８１５間に短絡を生じさせることなく、反射層堆積の１回のパスでエミッタ８１０の周囲の光閉じ込めを確立することができる。図８～図１６に示されるエミッタシステムのいずれか１つの実施形態は、反射構造１８３０、オーバーラップ１８４２、細いボンディングワイヤ８１５、およびより厚いボンディングワイヤ１８１６のうちの少なくとも１つを含み得る。

光閉じ込めのためのさらに他の別の構造が、エミッタシステムのアレイの一部を例示する図１９に示される。図１９に示すように、エミッタシステム１９００は少なくとも１つのエミッタ８１０を含む。電気的絶縁を行うためにパッシベーション層１９２２がエミッタ８１０上にわたって形成される。任意選択的に、図１６～図１８に示されるものと同様の反射構造（図示せず）がパッシベーション層１９２２上に形成され得る。エミッタシステム１９００は、エミッタ８１０からの光漏れを閉じ込めるための反射面をもたらすために、エミッタ８１０上に誘電体ブラッグリフレクタ１９３０を含む。

誘電体ブラッグリフレクタ１９３０は、高い屈折率と低い屈折率とを交互に示す誘電体薄膜の複数の層を含む。実施形態では、図１９に示されるように、誘電体ブラッグリフレクタ１９３０は、パッシベーション層１９２２の開口を通してエミッタ８１０と直接接触している。実施形態では、パッシベーション層１９２２の屈折率がブラッグリフレクタ１９３０の全体的な反射率に向けて寄与するように、パッシベーション層１９２２を誘電体ブラッグリフレクタ１９３０の設計に組み込むことができ、パッシベーション層１９２２の開口は必要とされない。最後に、エミッタ８１０を電子的にアドレス指定するために、オーミックコンタクト１２１２を誘電体ブラッグリフレクタ１９３０の上に配置することができる。

図８～図１６に記載されているエミッタシステムのいずれか１つの実施形態は、その上にパッシベーション層１９２２、誘電体ブラッグリフレクタ１９３０、およびオーミックコンタクト１２１２のうちの少なくとも１つを含むことができる。

図２０～図２６は、本開示の態様に係る光抽出のための構造を有するエミッタを形成するための例示的なプロセスフローを示す。図２０に示すように、エミッタアレイ構造２０００は、半導体基板２０１４の平坦な表面上に形成されているエミッタ８１０を含む。オーミックコンタクト１２１２がエミッタ８１０上にある。半導体基板２０１４は基板８０５の一例である。図２１において、半導体基板２０１４は、半導体基板の下面に形成される切り欠き２１２０を含む半導体基板２１１４をもたらすように変更されている。図２２において、低－ｎ層２２３０（一例として、ｎ＜２．４）が半導体基板２１１４の下面にコンフォーマルに堆積されている。

図２３では、半導体基板２３１４をもたらすために、切り欠き２１２０および低－ｎ層２２３０を貫通してビアが半導体基板２１１４内に形成される。さらに、前述のようにＬＥＤキャビティの基礎を形成するために、反射材料２３４０がビア内に堆積される。

図２４では、別の第２の低－ｎ材料層２４５０が半導体基板２３１４の下面に堆積される。図２５では、前述したようにモード整合光学系の基礎を形成するために、ポリマー材料２５６０が堆積される。図２６では、前述したようにモード整合光学系を形成するために、ビアがポリマー材料２５６０内に形成され、吸収構造がその中に形成される。

図２７～図３７は、本開示の態様に係る光抽出構成を有するエミッタおよびエミッタアレイにおける想定し得る変形例を示す。

図２７は、図４のエミッタシステム４００の変形例を示す。図２７に示すように、エミッタシステム２７００は、３つの異なるエミッタ２７１０Ａ、２７１０Ｂ、２７１０Ｃを含み、各エミッタは、異なる波長で光を放射し（例えば、エミッタ２７１０Ａが赤色の波長範囲で放射し、エミッタ２７１０Ｂが緑色の波長範囲で放射し、エミッタ２７１０Ｃが青色の波長範囲で放射する）、単一のＬＥＤキャビティ２７２０内に配置される。単一のエタンデュゲート２７３０が、ＬＥＤキャビティ２７２０を、射出瞳２７５０を有するモード整合光学系２７４０と接続する。この実施形態は、例えば、１つのＲＧＢピクセルが１つの光抽出構造に組み込まれることに対応する。

別の例として、図２８は、各光抽出構造内に位置されているエミッタの対を示す。図２８に示すように、エミッタシステム２８００は、第１のＬＥＤキャビティ２８２０Ａ内に収容されて、第１のエタンデュゲート２８３０Ａ、モード整合光学系２８４０Ａ、および射出瞳２８５０Ａと接続される第１のエミッタ２８１０Ａおよび第２のエミッタ２８１０Ｂを含む。エミッタシステム２８００は、第２のＬＥＤキャビティ２８２０Ｂ内に収容されて、第２のエタンデュゲート２８３０Ｂ、第２のモード整合光学系２８４０Ｂ、および第２の射出瞳２８５０Ｂと接続される、別の第２のエミッタ２８１０Ｂおよび第３のエミッタ２８１０Ｃをさらに含む。一例として、第１のエタンデュゲート２８３０Ａ、モード整合光学系２８４０Ａ、および射出瞳２８５０Ａの形態は、第１のエミッタ２８１０Ａおよび第２のエミッタ２８１０Ｂによって放射される波長の特定の組み合わせに最適な光の閉じ込めおよび抽出を行うように選択され得るが、第２のエタンデュゲート２８３０Ｂ、第２のモード整合光学系２８４０Ｂ、および第２の射出瞳２８５０Ｂは、第２のエミッタ２８１０Ｂと第３のエミッタ２８１０Ｃとの組み合わせによってもたらされる波長に関して最適化される。

同様に、図２９は、第１のＬＥＤキャビティ２９２０Ａにより収容され、第１のエタンデュゲート２９３０Ａ、モード整合光学系２９４０Ａ、および射出瞳２９５０Ａと接続される一対の第１のエミッタ２９１０Ａを含むエミッタシステム２９００を示す。エミッタシステム２９００は、第２のＬＥＤキャビティ２９２０Ｂ内に収容され、第２のエタンデュゲート２９３０Ｂ、第２のモード整合光学系２９４０Ｂ、および第２の射出瞳２９５０Ｂと接続される第２のエミッタ２９１０Ｂおよび第３のエミッタ２９１０Ｃをさらに含む。そのような構成は、例えば、３つの異なるエミッタの組み合わせから所望の光色域をもたらすのに第１のエミッタ２９１０Ａの対における光抽出効率の最適化が必要であるように第１のエミッタ２９１０Ａの光放射効率がエミッタ２９１０Ｂ、２９１０Ｃの光放射効率よりも著しく低い状況で有用となり得る。

あるいは、図３０は、図２７のエミッタシステム２７００の変形例を示し、今回は、３つの異なるエタンデュゲートを含む。図３０に示すように、エミッタシステム３０００は、３つの異なるエミッタ３０１０Ａ、３０１０Ｂ、３０１０Ｃを含み、各エミッタは、異なる波長で光を放射し（例えば、エミッタ３０１０Ａが赤色の波長範囲で放射し、エミッタ３０１０Ｂが緑色の波長範囲で放射し、エミッタ３０１０Ｃが青色の波長範囲で放射する）、単一のＬＥＤキャビティ３０２０内に配置される。３つの別個のエタンデュゲート３０３０Ａ、３０３０Ｂ、３０３０Ｃは、ＬＥＤキャビティ３０２０を、射出瞳３０５０を有するモード整合光学系３０４０と接続する。この形態は、例えば、３つのエタンデュゲートを通過できる光放射を空間的にフィルタリングすることによって射出瞳３０５０においてエミッタ３０１０Ａ、３０１０Ｂ、３０１０Ｃのそれぞれからの光放射の方向性を分離することが望ましい場合に効果的であり得る。一例として、エタンデュゲート３０３０Ａは、エミッタ３０１０Ａによって放射される波長の光を許容するように最適化することができ、エタンデュゲート３０３０Ｂは、エミッタ３０１０Ｂによって放射される波長の光を許容するように最適化することができ、エタンデュゲート３０３０Ｃは、エミッタ３０１０Ｃによって放射される波長の光を許容するように最適化することができ、それにより、３つのエタンデュゲートを透過する光線の方向が特定の波長であって一般に既知の方向（例えば、図の真下）に向けられるようにする。

図３１は、３つの異なるエミッタ、単一のＬＥＤキャビティ、単一のエタンデュゲート、および３つの異なる出力瞳を含む別の変形例を示す。図３１に示すように、エミッタシステム３１００は３つの異なるエミッタ３１１０Ａ、３１１０Ｂ、３１１０Ｃを含み、各エミッタは、異なる波長で光を放射し（例えば、エミッタ３１１０Ａが赤色の波長範囲で放射し、エミッタ３１１０Ｂが緑色の波長範囲で放射し、エミッタ３１１０Ｃが青色の波長範囲で放射する）、単一のＬＥＤキャビティ３１２０内に配置される。エミッタ３１１０によって放射される光は、単一のエタンデュゲート３１３０を透過してモード整合光学系の単一のセットに入り、その後、３つの異なる出力瞳３１５０Ａ、３１５０Ｂ、３１５０Ｃに向けられる。

対照的に、図３２は、本質的に、それぞれが特定の光放射波長に関して最適化される３つのエミッタシステム４００の組み合わせを示す。図３２に示されるように、エミッタシステム３２００は、第１のＬＥＤキャビティ３２２０Ａ内に収容され、第１のエタンデュゲート３２３０Ａ、第１のモード整合光学系３２４０Ａ、および第１の射出瞳３２５０Ａと接続される第１のエミッタ３２１０Ａを含む。第１のＬＥＤキャビティ３２２０Ａ、第１のエタンデュゲート３２３０Ａ、第１のモード整合光学系３２４０Ａ、および第１の射出瞳３２５０Ａのそれぞれは、赤色波長範囲における光の閉じ込めおよび抽出に関して最適化される。同様に、エミッタシステム３２００は、第２のＬＥＤキャビティ３２２０Ｂ内に収容され、第２のエタンデュゲート３２３０Ｂ、第２のモード整合光学系３２４０Ｂ、および第２の射出瞳３２５０Ｂと接続される第２のエミッタ３２１０Ｂをさらに含む。さらに、エミッタシステム３２００は、第３のＬＥＤキャビティ３２２０Ｃ内に収容され、第３のエタンデュゲート３２３０Ｃ、第３のモード整合光学系３２４０Ｃ、および第３の射出瞳３２５０Ｃと接続される第３のエミッタ３２１０Ｃを含む。第２のＬＥＤキャビティ３２２０Ｂ、第２のエタンデュゲート３２３０Ｂ、第２のモード整合光学系３２４０Ｂ、および第２の射出瞳３２５０Ｂは、緑色波長で作用するように最適化されており、一方、第３のＬＥＤキャビティ３２２０Ｃ、第３のエタンデュゲート３２３０Ｃ、第３のモード整合光学系３２４０Ｃ、および第３の射出瞳３２５０Ｃは、青色の波長を閉じ込めて方向付けるように最適化される。

さらに別の変形例が図３３に示される。図３３は、ＬＥＤキャビティ３３２０内に収容されるエミッタ３３１０を含むエミッタシステム３３００を示す。各エミッタ２７１０、２８１０、２９１０、３０１０、３１１０、３２１０、３３１０はエミッタ８１０の一例である。

第１のエタンデュゲート３３３０Ａおよび第２のエタンデュゲート３３３０Ｂは、第１および第２のエタンデュゲートを透過する光が異なる特性を示すように、エミッタ３３１０によって放射される光の異なる部分を透過するように構成され得る（例えば、直交偏光状態、またはローパスフィルタリングおよびハイパスフィルタリング）。透過した光は、その後、モード整合光学系３３４０および射出瞳３３５０を通じて方向付けられる。

図８～図１０、図１２、図１３、および図２７～図３７に示されるさまざまなエタンデュゲートおよび射出瞳は、これらの構成要素によって提示される開口におけるさまざまな想定し得る形状のいくつかを示す。例えば、図３４に示されるように、各エタンデュゲートまたは射出瞳は円形であってもよい。あるいは、図３５に示されるように、各エタンデュゲートまたは射出瞳は楕円形であってもよい。同様に、図３６または図３７に示されるように、各エタンデュゲートまたは射出瞳は、長方形または六角形であってもよい。複数のエタンデュゲートおよび／または射出瞳が単一のエミッタシステム内で組み合わされる上記のような場合など、エタンデュゲートおよび射出瞳における他の形状が単独または組み合わせて可能である。

以下の記述は、本明細書に記載される一般的および特定の特徴をカバーすることを意図している。特に、以下の実施形態、およびそのような実施形態の任意の組み合わせが考えられる。

１．本明細書に開示される各キャビティは、その中に１つまたは複数のエミッタを含むことができる。そのような場合、隣接するキャビティは互いに完全に光学的に分離されてもよく、完全に分離されなくてもよい。例えば、所定の用途の要件にしたがって、アンチエイリアシングまたは輝度／効率のために、隣接キャビティ間のある程度の光相互作用が望ましい場合がある。

２．本明細書に開示される各キャビティが１つまたは複数の出口開口を含んでもよい。
３．本明細書に開示される各レンズレットが１つまたは複数のキャビティからの光を方向付けるように構成されてもよい。

４．本明細書に開示される任意のエタンデュゲートの前方を向いた外表面（すなわち、モード整合光学系に面した表面）は、エミッタに外光が当たるときにディスプレイのコントラストを向上させるべく、吸収性、低反射性、非反射性、または他の反射防止コーティングのうちの少なくとも１つを含んでもよい。エタンデュゲートからの反射を制御するそのような機構は、後続のモード整合光学系またはレンズレットの有無にかかわらず、エミッタシステムに含めることができる。

５．本明細書に開示される任意のエタンデュゲートは、エミッタシステムが偏光出力をもたらすように偏光子を含むことができる。一例において、偏光子は、第１の偏光状態の光を透過させる一方で、第２の偏光を元のキャビティ内に反射しするように構成され、これにより、吸収性の偏光子よりも高い効率で偏光出力をもたらすことができる。

特徴の組み合わせ
前述した特徴および以下に特許請求の範囲に記載される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな方法で組み合わせることができる。以下の列挙例は、想定し得るいくつかの非限定的な組み合わせを例示する。

（Ａ１）プロジェクタに光出力を与えるためのエミッタシステムアセンブリは、光放射をもたらすエミッタと、エミッタを少なくとも部分的に取り囲むキャビティと、エミッタからの光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される開口と、開口と光通信するレンズレットとを含み、キャビティは、該キャビティ内で開口に向けて光放射を反射するためのリフレクタを含み、キャビティ、開口、およびレンズレットは、プロジェクタへの結合に適した光学特性を有する光出力をもたらすように協働するべく構成される。

（Ａ２）（Ａ１）の実施形態において、キャビティ、開口、およびレンズレットは、所定の出力方向および立体角のうちの少なくとも一方を有する光出力をもたらすように構成される。

（Ａ３）実施形態（Ａ１）または（Ａ２）のいずれか１つは、第２の光放射をもたらすための第２のエミッタをさらに含む。

（Ａ４）実施形態（Ａ１）－（Ａ３）のいずれか１つにおいて、エミッタが第１の波長範囲で光放射をもたらし、第２のエミッタが第２の波長範囲で第２の光放射をもたらし、第２の波長範囲が第１の波長範囲とは異なる。

（Ａ５）実施形態（Ａ１）－（Ａ４）のいずれか１つにおいて、キャビティは、エミッタおよび第２のエミッタの両方を少なくとも部分的に取り囲む。

（Ａ６）実施形態（Ａ１）－（Ａ５）のいずれか１つにおいて、開口は、光放射および第２の光放射の両方の少なくとも一部を透過させるように構成される。

（Ａ７）実施形態（Ａ１）－（Ａ６）のいずれか１つは、第２のエミッタを少なくとも部分的に取り囲む第２のキャビティと、エミッタからの光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される第２の開口と、第２の開口と光通信する第２のレンズレットとをさらに含む。

（Ａ８）実施形態（Ａ１）－（Ａ７）のいずれか１つは、光出力と第２の光出力との間のクロストークを少なくとも部分的に防止するための光バッフル吸収体をさらに含む。

（Ａ９）実施形態（Ａ１）－（Ａ８）のいずれか１つは、第３の波長範囲で第３の光放射をもたらすための第３のエミッタをさらに含み、第３の波長範囲が第１および第２の波長範囲とは異なる。

（Ａ１０）実施形態（Ａ１）－（Ａ９）のいずれか１つにおいて、レンズレットが低屈折率材料から形成される。

（Ａ１１）実施形態（Ａ１）－（Ａ１０）のいずれか１つは、レンズレット上に反射防止層をさらに含む。

（Ａ１２）実施形態（Ａ１）－（Ａ１１）のいずれか１つは、エミッタの周りに光閉じ込め構造をさらに含む。

（Ａ１３）実施形態（Ａ１）－（Ａ１２）のいずれか１つにおいて、光閉じ込め構造は、反射層および誘電体ブラッグリフレクタのうちの少なくとも一方を含む。

（Ｂ１）プロジェクタに光出力を与えるためのエミッタシステムアセンブリは、第１の光放射をもたらす第１のエミッタと、第２の光放射をもたらす第２のエミッタと、第１のエミッタを少なくとも部分的に取り囲む第１のキャビティと、第２のエミッタを少なくとも部分的に取り囲む第２のキャビティと、第１のエミッタからの第１の光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される第１の開口と、第２のエミッタからの第２の光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される第２の開口と、第１および第２の開口と光通信するレンズレットとを含み、第１のキャビティは、該第１のキャビティ内で第１の開口に向けて第１の光放射を反射するための第１のリフレクタを含み、第２のキャビティは、該第２のキャビティ内で第２の開口に向けて第２の光放射を反射するための第２のリフレクタを含み、第１のキャビティ、第１の開口、第２のキャビティ、第２の開口、およびレンズレットは、プロジェクタへの結合に適した光学特性を有する光出力に寄与するために第１および第２の光放射をもたらすように協働するべく構成される。

（Ｂ２）実施形態（Ｂ１）において、第１のキャビティ、第１の開口、第２のキャビティ、第２の開口、およびレンズレットは、所定の出力方向および立体角のうちの少なくとも一方を有する光出力をもたらすように構成される。

（Ｂ３）実施形態（Ｂ１）または（Ｂ２）のいずれか１つは、第１のキャビティと第２のキャビティとの間のクロストークを防止するための光バッフル吸収体をさらに含む。

（Ｃ１）プロジェクタに光出力を与えるためのエミッタシステムアセンブリは、第１の光放射をもたらす第１のエミッタと、第２の光放射をもたらす第２のエミッタと、第１および第２のエミッタを少なくとも部分的に取り囲むキャビティと、第１および第２のエミッタからの第１および第２の光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される開口と、開口と光通信するレンズレットとを含み、キャビティは、該キャビティ内で開口に向けて第１および第２の光放射を反射するためのリフレクタを含み、キャビティ、開口、およびレンズレットは、プロジェクタへの結合に適した光学特性を有する光出力をもたらすように協働するべく構成される。

（Ｃ２）（Ｃ１）の実施形態において、キャビティ、開口、およびレンズレットは、所定の出力方向および立体角のうちの少なくとも一方を有する光出力をもたらすように構成される。

（Ｄ１）エミッタシステムアセンブリを形成するための方法は、エミッタ基板上にエミッタアレイを形成するステップと、エミッタ基板をバックプレーンに取り付けるステップと、エミッタアレイと位置合わせされるキャビティのアレイおよび開口のアレイを形成するステップと、開口のアレイと位置合わせされるレンズレットアレイを取り付けるステップとを含む。

（Ｄ２）方法（Ｄ１）は、エミッタアレイがバックプレーンに取り付けられたままの状態でエミッタ基板を除去するステップをさらに含む。

したがって、本開示を示される実施にしたがって提供してきたが、当業者であれば容易に分かるように、実施形態には変形があり得るものであり、それらの変形は本開示の範囲内にある。したがって、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの修正を行うことができる。

Claims (20)

1. プロジェクタに光出力を与えるためのエミッタシステムアセンブリであって、
   光放射をもたらすエミッタと、
   前記エミッタを少なくとも部分的に取り囲むキャビティと、
   前記エミッタからの前記光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される開口と、
   前記開口と光通信するレンズレットと、
   を備え、
   前記キャビティは、該キャビティ内で前記開口に向けて前記光放射を反射するためのリフレクタを含み、
   前記キャビティ、前記開口、および前記レンズレットは、前記プロジェクタへの結合に適した光学特性を有する前記光出力をもたらすように協働するべく構成される、
   エミッタシステムアセンブリ。
2. 前記キャビティ、前記開口、および前記レンズレットは、所定の出力方向および立体角のうちの少なくとも一方を有する前記光出力をもたらすように構成される、請求項１に記載のエミッタシステムアセンブリ。
3. 第２の光放射をもたらすための第２のエミッタをさらに備える、請求項１に記載のエミッタシステムアセンブリ。
4. 前記エミッタが第１の波長範囲で前記光放射をもたらし、
   前記第２のエミッタが第２の波長範囲で前記第２の光放射をもたらし、前記第２の波長範囲が前記第１の波長範囲とは異なる、
   請求項３に記載のエミッタシステムアセンブリ。
5. 前記キャビティは、前記エミッタおよび前記第２のエミッタの両方を少なくとも部分的に取り囲む、請求項３に記載のエミッタシステムアセンブリ。
6. 前記開口は、前記光放射および前記第２の光放射の両方の少なくとも一部を透過させるように構成される、請求項３に記載のエミッタシステムアセンブリ。
7. 前記第２のエミッタを少なくとも部分的に取り囲む第２のキャビティと、
   前記エミッタからの前記光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される第２の開口と、
   前記第２の開口と光通信する第２のレンズレットと、
   をさらに備え、
   前記第２のエミッタ、前記第２のキャビティ、前記第２の開口、および前記第２のレンズレットは、前記プロジェクタへの結合に適した光学特性を有する第２の光出力をもたらすように構成される、
   請求項３に記載のエミッタシステムアセンブリ。
8. 前記光出力と前記第２の光出力との間のクロストークを少なくとも部分的に防止するための光バッフル吸収体をさらに備える、請求項７に記載のエミッタシステムアセンブリ。
9. 第３の波長範囲で第３の光放射をもたらすための第３のエミッタをさらに備え、前記第３の波長範囲が前記第１および第２の波長範囲とは異なり、
   前記開口は、前記光放射、前記第２の光放射、および前記第３の光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される、
   請求項４に記載のエミッタシステムアセンブリ。
10. 前記レンズレットが低屈折率材料から形成される、請求項１に記載のエミッタシステムアセンブリ。
11. 前記レンズレット上に反射防止層をさらに備える、請求項１に記載のエミッタシステムアセンブリ。
12. 前記エミッタの周りに光閉じ込め構造をさらに備える、請求項１に記載のエミッタシステムアセンブリ。
13. 前記光閉じ込め構造は、反射層および誘電体ブラッグリフレクタのうちの少なくとも一方を含む、請求項１２に記載のエミッタシステムアセンブリ。
14. プロジェクタに光出力を与えるためのエミッタシステムアセンブリであって、
    第１の光放射をもたらす第１のエミッタと、
    第２の光放射をもたらす第２のエミッタと、
    前記第１のエミッタを少なくとも部分的に取り囲む第１のキャビティと、
    前記第２のエミッタを少なくとも部分的に取り囲む第２のキャビティと、
    前記第１のエミッタからの前記第１の光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される第１の開口と、
    前記第２のエミッタからの前記第２の光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される第２の開口と、
    前記第１および第２の開口と光通信するレンズレットと、
    を備え、
    前記第１のキャビティは、該第１のキャビティ内で前記第１の開口に向けて前記第１の光放射を反射するための第１のリフレクタを含み、
    前記第２のキャビティは、該第２のキャビティ内で前記第２の開口に向けて前記第２の光放射を反射するための第２のリフレクタを含み、
    前記第１のキャビティ、前記第１の開口、前記第２のキャビティ、前記第２の開口、および前記レンズレットは、前記プロジェクタへの結合に適した光学特性を有する前記光出力に寄与するために前記第１および第２の光放射をもたらすように協働するべく構成される、
    エミッタシステムアセンブリ。
15. 前記第１のキャビティ、前記第１の開口、前記第２のキャビティ、前記第２の開口、および前記レンズレットは、所定の出力方向および立体角のうちの少なくとも一方を有する前記光出力をもたらすように構成される、請求項１４に記載のエミッタシステムアセンブリ。
16. 前記第１のキャビティと前記第２のキャビティとの間のクロストークを防止するための光バッフル吸収体をさらに備える、請求項１４に記載のエミッタシステムアセンブリ。
17. プロジェクタに光出力を与えるためのエミッタシステムアセンブリであって、
    第１の光放射をもたらす第１のエミッタと、
    第２の光放射をもたらす第２のエミッタと、
    前記第１および第２のエミッタを少なくとも部分的に取り囲むキャビティと、
    前記第１および第２のエミッタからの前記第１および第２の光放射の少なくとも一部を透過させるように構成される開口と、
    前記開口と光通信するレンズレットと、
    を備え、
    前記キャビティは、該キャビティ内で前記開口に向けて前記第１および第２の光放射を反射するためのリフレクタを含み、
    前記キャビティ、前記開口、および前記レンズレットは、前記プロジェクタへの結合に適した光学特性を有する前記光出力をもたらすように協働するべく構成される、
    エミッタシステムアセンブリ。
18. 前記キャビティ、前記開口、および前記レンズレットは、所定の出力方向および立体角のうちの少なくとも一方を有する前記光出力をもたらすように構成される、請求項１７に記載のエミッタシステムアセンブリ。
19. エミッタシステムアセンブリを形成するための方法であって、
    エミッタ基板上にエミッタアレイを形成するステップと、
    前記エミッタ基板をバックプレーンに取り付けるステップと、
    前記エミッタアレイと位置合わせされるキャビティのアレイおよび開口のアレイを形成するステップと、
    前記開口のアレイと位置合わせされるレンズレットアレイを取り付けるステップと、
    を含む方法。
20. 前記エミッタ基板を前記バックプレーンに取り付けた後、前記エミッタアレイが前記バックプレーンに取り付けられたままの状態で前記エミッタ基板を除去するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。

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