JP6535465B2 - 選択的な領域粗化による制御されたｌｅｄ光出力 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子（ＬＥＤ）の分野に関し、特に該素子の光取り出し効率を向上させる選択的に粗化された発光面を持つ発光素子に関する。

ＬＥＤの取り出し効率を向上させるため粗化（roughening）された発光面を使用することは、種々のＬＥＤ設計の一般的な側面である。粗化は、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＰシステム、フリップチップ接続、及び垂直薄膜構造を含む、種々のタイプのＬＥＤ構造に適用され得る。

米国特許US7,875,533（「Package Integrated Thin Film LED, and Device」、John Epler、Paul Martin及びMichael Krames、2011年1月25日、参照により本明細に組み込まれたものとする）は、ＫＯＨ溶液を用いた光電子化学エッチングプロセスを利用して光取り出し効率を向上させるための、ＬＥＤのＧａＮ発光面の粗化を開示している。該エッチングの深さは、該発光素子の形成の間に成長させられたエッチング停止層を用いて制御される。同様に、米国特許出願公開US2010/0025717、米国特許出願公開US2009/0146170、米国特許出願公開US2008/0113463及び米国特許US7,749,782もまた、発光面を粗化することにより光取り出し効率を改善するための手法を開示しており、ここで参照により本明細に組み込まれたものとする。

以上に参照した方法はそれぞれ、最大の光取り出しを可能とし、しばしば元の粗化されていない表面の２倍の光の取り出しを可能とする、略均一に粗化された表面を生成する。発光効率が継続的に増大する場合、光取り出し効率を２倍にすることは、特定の用途において望ましくないものとなり得る。例えば、顧客の最大光束仕様に総光出力を制限すること、特定の規格に準拠すること、又は特定の照明効果を達成することが、望ましくなり得る。

各粗化方法については、例えば、結果としての粗化された表面の粗さ又はその他の態様を増大又は低減させるため、粗化プロセスのパラメータを変化させることのような、粗化の特性を変化させることにより、光取り出し効率を変化させることが可能となり得る。しかしながら、カスタマイズされたプロセスを開発するコストは過大となり得るものであり、実現可能な制御可能な効率の範囲は限られ、又は該プロセスにおけるバラつきに影響され得る。

発光素子の光取り出し効率を信頼性高く及び／又は安価に制御することが可能であることが有利となり得る。また、発光素子の表面を粗化するために使用されるプロセスに影響せずに、及び／又は該プロセスに影響されずに、該発光素子の光取り出し効率を制御することが可能であることが有利となり得る。

これらの問題に好適に対処するため、本発明の一実施例においては、光取り出し効率を向上させるために発光素子の表面を粗化するため従来の手法が使用されるが、粗化される領域の量が、所望のレベルの光取り出し効率を達成するように選択される。発光面の領域を選択するため、粗化を制限するマスクを生成するために、光リソグラフィ手法が利用され得る。粗化される領域の量が正確に制御されることができるため、表面を粗化するために使用されるプロセスに略依存せずに、光取り出し効率が正確に制御されることができる。加えて、表面の選択的な粗化は、所望の発光出力パターンを実現するために利用され得る。

本発明は、添付図面を参照しながら、例として更に説明される。

図面を通して、同一の参照番号は、同様の又は対応する特徴又は機能を示す。図面は説明の目的のため含まれるものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。

発光素子の発光面を粗化することにより発光素子の光取り出し効率を向上させるための先行技術の工程の例を示す。 発光素子の発光面を粗化することにより発光素子の光取り出し効率を向上させるための先行技術の工程の例を示す。 発光素子の発光面を粗化することにより発光素子の光取り出し効率を向上させるための先行技術の工程の例を示す。 発光素子の発光面の選択領域を粗化することにより発光素子の光取り出し効率を向上させるための工程のフロー図の例を示す。 光取り出し効率と発光面における粗化された領域の割合との間の関係の例を示す。 選択的な粗化された発光面のパターンの例を示す。 選択的な粗化された発光面のパターンの例を示す。 選択的な粗化された発光面のパターンの例を示す。 選択的な粗化された発光面のパターンの例を示す。

以下の説明においては、限定ではなく説明の目的のため、本発明の概念の完全な理解を提供するため、特定の構成、インタフェース、手法等といった特定の詳細が開示される。しかしながら、本発明は、これら特定の詳細から逸脱した他の実施例で実施化され得ることは、当業者には明らかであろう。同様に、本明細書の内容は、図面に示された実施例に向けたものであり、請求項に明示的に含まれる限定を超えて請求される発明を限定することを意図したものではない。簡便さ及び明確さの目的のため、不必要な詳細によって本発明の説明を不明瞭としないように、よく知られた装置、回路及び方法の詳細な説明は省略される。

図１Ａ乃至１Ｃは、発光素子１１０の発光面１１５を粗化することにより、該発光素子の光取り出し効率を向上させるための、先行技術のプロセスの例を示す。本開示の目的のため、該素子の発光面１１５は、該素子内で生成された光を発することが可能な該素子の表面の部分であるとみなされる。コンタクト又はその他の構造により被覆された部分のような、光を発することができない該素子の表面の部分は、発光面ではない。説明の容易化のため、発光面１１５は該素子１１０の上面全体として示されているが、光が発せられない、それ故それ自体は発光面の一部ではない、上面の領域もあることがあり得る。

図１Ａは、当該プロセスについてのフロー図の例を示す。発光素子１１０は、本分野において知られた種々のプロセスのいずれかにより生成されても良く、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＰ又はその他の材料を含んでも良い上面を含む。表面の材料と素子１１０の外部の材料（空気又は後続して塗布されるエポキシ又はその他の材料であり得る）との間の屈折率の差により、略平坦な上面において、該素子１１０内に生成された光のかなりの量が表面１１５から内部反射され、続いて素子１１０内でかなり吸収される。

素子１１０から取り出される光の量を増大させるため、発光面１１５が粗化されて、光取り出し効率を改善する。粗化された表面１８５を持つ素子１８０を生成するために、例えばプラズマエッチング、湿式化学法、光電子化学法（ＰＥＣ）、レーザ及びその他の方法を含む、幾つかのプロセス１５０が利用され得る。エッチングプロセスの例は、例えば１００乃至１０００Ｗの高いバイアス電力、及びＡｒ、Ｏ_２、ＨＢｒ、Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３、ＳｉＣ_４、ＳＦ_６のようなエッチングガスの導入を用いた、誘導結合プラズマエッチングシステムを含み得る。参照の容易化のため、以下「エッチング」なる語は、発光素子１１０に対して粗化された表面１８５をもたらし、粗化された表面を持つ発光素子１８０を製造する、いずれの方法を示すためにも用いられる。

図１Ｂ及び１Ｃは、プラズマエッチングされた発光素子１８０の、粗化された表面１８５の例を示す。発光面１８５と素子１８０の外部の物質との間の不規則な界面は、光ビームが内部反射により素子１８０内に「トラップ」される可能性を低下させ、それにより粗化された表面１８５から取り出される光の量を増大させる。素子１１０の発光面１１５を粗化することによる光取り出しの倍増は、珍しいものではない。

上述したように、説明の容易化のため、発光面１１５は素子１１０の上面に亘って延在するものとして示されているが、該上面は、コンタクト領域のような、発光面１１５の一部ではない領域を含み得る。同様に、粗化された表面１８５は素子１８０の上面に亘って延在するものとして示されているが、当該開示の目的のため、粗化された表面１８５は、発光面１１５の粗化に対応する。即ち、上述した発光面１１５に含まれない素子１１０の上面の部分は、これら部分がエッチング工程１５０により粗化されているか否かにかかわらず、粗化された表面１８５には含まれていない。

上述したように、幾つかの用途においては、素子１８０が生成することが可能なだけの光ではなく、特定の量の光を生成することが望ましい。素子１８０を製造するために使用される手法が、望ましい光の量よりも多くの量の光を生成することが可能な素子１８０を製造することが可能であると仮定すると、達成可能な最大光出力よりも少ない量だけの光を生成するように、１つ以上の製造プロセスのパラメータが調節されても良い。例えば、生成される光のより多くが素子１８０内で吸収されるようにすることにより、若しくは表面１８５に到達する光のより多くが内部反射されるようにすることにより、又はこれらの両方により、素子１８０の表面１１５に到達する光の量が低減させられても良い。

例えば、光取り出し効率を低下させるために、エッチング化学物質にさらす継続時間、又はエッチング化学物質の濃度又は強度が調節されて、粗化の度合いを低減し、それにより、光が該素子の発光面を通って脱出することが可能となる前に、光が該素子内で吸収される確率を増大させても良い。上述した米国特許US7,875,533のプロセスが利用される場合には、表面の粗化の度合いを低減するため、例えばエッチング停止層の成長が制御されても良い。

即ち、該素子により生成される最大光出力を制御するため、エッチング工程のパラメータが「準最適」となるように調節され、該素子からの光取り出しの効率を低減しても良い。しかしながら、準最適化されたエッチング工程により実現可能な正確さの度合い及び／又は制御の範囲は、望ましいレベルの光出力を提供するのに十分とならない場合があり、異なる用途のための異なるレベルの光出力に対してプロセスパラメータを変更することは、斯かるプロセス制御に関連する付加的な作業及びコストをもたらし得る。

本発明の実施例においては、粗化される表面領域の割合が制御され、望ましいレベルの光取り出し効率を実現する。このようにして、プロセスパラメータが最適なレベルに維持されることができ、大きな範囲の正確な制御が達成され得る。即ち、該制御は、全く粗化されていない表面によりもたらされる最小取り出し効率から、完全に粗化された表面によりもたらされる最大取り出し効率にまで亘り、プロセスの正確さが、表面のどの領域が粗化又は粗化されないものとして選択されるかについての正確さにより制御される。

図２は、素子の表面において粗化される領域の量に基づいて、発光素子の光出力を制御するための工程の例を示す。

発光素子１１０においてエッチング防止又はエッチング抑制パターン２３５を塗布するため、マスキングプロセス２３０が利用される。本分野において良く知られているように、例えば光リソグラフィやスクリーン印刷等を含む手法が、表面１１５において物質２３５のパターンを正確に生成するために利用可能である。パターン２３５を生成するために選択される材料は、後続して適用される特定のエッチングプロセス１５０に依存する。プラズマエッチングプロセスの例においては、従来のフォトレジスト材料が利用され得る。

幾つかのプロセスにおいて、エッチング抑制パターン２３５が、エッチングが生成されるべき領域においてエッチング生成又はエッチング増強材料の「負の」パターンを生成することによっても生成され得ることを、当業者は理解するであろう。同様に、表面を選択的に粗化するために、レーザエッチングのような他のプロセスが利用されても良いことを、当業者は理解するであろう。

エッチング抑制材料２３５によりマスクされていない表面領域は、表面エッチング工程１５０を適用することにより粗化される。上述したように、粗化される領域の量に基づいて取り出し効率が制御されるため、当該工程は従来のエッチング工程１５０自体に対する変更を必要としない。当該エッチング工程１５０は、パターン２３５により定義される領域においてのみ粗化された表面２８５を持つ発光素子２８０を生成する。

任意に、選択的に粗化された発光素子２８０から、いずれかの残余の物質を除去するために、仕上げプロセス２７０が適用されても良い。フォトレジスト材料２３５を用いるプラズマエッチングプロセスの例においては、該フォトレジスト材料が除去されて、元の粗化されていない表面１１５の領域と粗化された表面２８５の領域とを持つ発光素子を生成しても良い。当該除去プロセスは、従来の湿式レジスト除去プロセス又はＯ_２灰化プロセスを利用することを含んでも良い。

粗化されていない領域１１５と粗化された領域２８５とを持つ発光素子２８０においては、これら領域１１５、２８５の相対的な割合により、光取り出し効率が決定されることとなる。

表面の選択された領域のプラズマエッチングの例においては、取り出し効率は、図３における線３５０により示されるように、粗化された表面領域の割合に対して略線形であることが分かっている。本例においては、光出力は、粗化されていない表面１１５を持つ元の発光素子１１０の光の量に対して正規化されている。本図に示されるように、完全に粗化された表面２８５は、粗化されていない表面１１５の２倍の光出力をもたらす。図３の３５５において示されるように、表面領域の４分の３（７５％）が粗化された場合、光出力は、粗化されていない表面１１５の光出力の約１．７５倍となる。

他のプロセスは、光出力３２０の量と粗化された領域３１０の割合との間の別の関係をもたらし得、斯かる関係は、粗化された領域の異なる割合を持つ素子の光出力をサンプリングすることにより容易に決定されることができる。光出力３２０と粗化された領域３１０との間の関係が決定されると、素子２８０の表面における領域１１５及び２８５の割合を正確に制御することにより、素子２８０の出力の正確な制御が容易に実現されることができる。

図４Ａ乃至４Ｄは、選択的な粗化された発光面のパターンの例を示す。種々の粗化されたパターンのいずれもが、種々の光学的効果を実現しつつ、該表面から発せられる光の量を制御するために利用され得ることは、当業者は認識するであろう。

図４Ａは、粗化された領域２８５と粗化されていない領域１１５とが縦方向の帯状に配置された、素子の表面領域の例を示す。本例においては、粗化された領域の割合は約７５％であり、図３の光出力３２０と粗化された領域３１０との間の線形な関係３５０の例においては、粗化の前の発光素子によりもたらされる光の量の約１．７５倍である光出力をもたらす。

本例においては、粗化された領域２８５からの明るい光の帯がもたらされ、好ましくないものともなり得る。あまり認識可能ではないパターンを持つ望ましい割合の粗化された領域を持つ代替のパターンが定義され得ることは、当業者は理解するであろう。例えば、明確に識別可能な暗い粗化されていない帯１１５を伴う、図４Ａの９本の明るい粗化された帯２８５の代わりに、人間の眼では識別できない対応する小さな暗い帯１１５を伴う、数百本の粗化された帯２８５が提供されても良い。

図４Ｂは、粗化された領域２８５と粗化されていない領域１１５との市松模様状の配置を示す。該パターンの例は、約５０％の粗化された領域の割合をもたらし、図３の例においては、粗化の前の発光素子によりもたらされる光の量の約１．５倍の光出力をもたらす。領域２８５、１１５を市松模様に配置することにより、同じ割合の粗化された領域２８５を持つ帯のパターンに比べて、領域２８５上の明るい光と領域１１５上の暗い光との間のコントラストが、あまり目立たなくなる。図４Ａの例におけるように、明確な領域２８５、１１５の数は、知覚可能な光学的異常を低減させるために増加させられても良い。

図４Ａ及び４Ｂの例においては、粗化された領域２８５と粗化されていない領域１１５との配置によりもたらされる光出力パターンを目立たなくするための手法を提示している。幾つかの実施例においては、識別可能な光出力パターンが望ましいものともなり得る。

図４Ｃにおいては、粗化された領域２８５は、中央部の領域において明るくなり、中心からの距離が大きくなるにつれて漸進的に暗くなる光出力パターンをもたらすように配置され、スポットライト状のパターンをもたらす。輪２８５、１１５は、これら粗化された領域２８５と粗化されていない領域１１５との割合に基づいて、望ましい量の光出力をもたらすようなサイズとされる。

図４Ｄにおいて、粗化された領域２８５は、楕円形の光出力パターンを持つ、中心が明るいパターンをもたらすよう配置されている。

これらパターン４Ａ乃至４Ｄは単に、望ましい光学的効果をつくり出しつつ、同時に発光面から発せられる光の量を制御するために、実質的にいずれのパターンもが利用され得ることを説明するために示されたものである。他のパターンも当業者には明らかであろう。例えば、図４Ｃ乃至４Ｄのパターンにおいて、該表面の中心における粗化されていないパターン２８５が図示されたようなものであっても良く、当該中心を越えた領域が、図４Ｂの市松模様配置のような、あまり知覚されないパターンであっても良い。同様に、マスクがグラフィック又は装飾的な画像を定義しても良い。

本発明は図面及び以上の記述において説明され記載されたが、斯かる説明及び記載は説明するもの又は例示的なものとみなされるべきであり、本発明は開示された実施例に限定されるものではない。

例えば、粗化されていない領域１１５から発せられる光の量を更に制限することにより、より大きな範囲の制御がもたらされる実施例で、本発明を実施することも可能である。即ち、図３において、光出力３２０と粗化される領域３１０との間の関係３５０が、完全に平坦な平面１１５から完全に粗化された表面１８５までの範囲をとると仮定された。しかしながら、粗化されていない表面の領域が不透明である場合には、光出力は、（不透明ではない）完全に平坦な表面１１５によりもたらされる光の量よりも少なくなるまで、光出力が低減され得る。斯かる不透明さは、図２の選択的にエッチングされた素子２８０の表面において幾つかの又は全てのマスク材料２３５を残すことにより実現され得る。

同様に、本発明は２値的に「粗化される」／「粗化されない」マスクプロセスのコンテキストで提示されたが、特定の光学的効果をつくり出すため手法の組み合わせが利用されても良い。例えば、中央部が完全に粗化され、他の部分はより低い割合で粗化された、的型パターンを生成することによって、強制ガウスビームがもたらされても良い。粗化の変化は、複数段階の粗化プロセスを選択的に適用すること、種々の粗化−抑制材料を利用すること、種々の深さにおいてエッチング停止層を成長させること、等によってもたらされ得る。

図面、説明及び添付される請求項を読むことにより、請求される本発明を実施化する当業者によって、開示された実施例に対する他の変形が理解され実行され得る。請求項において、「有する（comprising）」なる語は他の要素又はステップを除外するものではなく、「１つの（a又はan）」なる不定冠詞は複数を除外するものではない。単一のプロセッサ又はその他のユニットが、請求項に列記された幾つかのアイテムの機能を実行しても良い。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又は他のハードウェアの一部として供給される光記憶媒体又は固体媒体のような適切な媒体上で保存／配布されても良いが、インターネット又はその他の有線若しくは無線通信システムを介してのような、他の形態で配布されても良い。請求項におけるいずれの参照記号も、請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (10)

1. 発光素子の目標光取り出し効率を決定し、
   粗化されていない表面領域に対する粗化された表面領域の割合であって、決定された当該割合に基づいて構成されたときに前記発光素子が前記目標光取り出し効率で発光することになる割合を、出力関数に基づいて決定し、
   発光面を通して光を発するように構成された前記発光素子を生成し、前記発光面は、コンタクトによって被覆されない前記発光素子の頂面であり、
   前記発光面に表面エッチングプロセスを適用して、前記粗化された表面領域を作り出し、粗化されない表面領域に対する粗化される表面領域が前記決定された割合に基づき、且つ
   前記発光面上にエッチング阻止パターンを適用して、前記粗化されていない領域を作り出し、粗化された表面領域の量に対する粗化されていない表面領域の量は前記決定された割合に基づき、前記粗化されていない表面領域は、前記粗化された表面領域を取り囲む、
   ことを有する方法。
2. 前記エッチング阻止パターンを適用することは、マスク材料を適用することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記マスク材料を適用することは、光リソグラフィプロセスを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記発光素子は、前記粗化された表面領域から第１の光出力レベルで光を発し、前記粗化されていない表面領域から前記第１の光出力レベルよりも小さな第２の光出力レベルで光を発する、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の光出力レベルは、前記第２の光出力レベルの略２倍である、請求項４に記載の方法。
6. 前記粗化された表面領域は、識別可能な光学的効果をもたらすようにパターニングされる、請求項１に記載の方法。
7. 前記粗化された表面領域は複数の選択領域を含み、前記選択領域の少なくとも１つは、別の前記選択領域の粗さの度合いとは異なる粗さの度合いにまで粗化される、請求項１に記載の方法。
8. 前記表面エッチングプロセスは化学エッチングを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記化学エッチングは光電子化学エッチングを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記表面エッチングプロセスはレーザエッチングを含む、請求項１に記載の方法。

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