JP6916251B2 - 放射場パターンに基づくパターン形成表面特徴部を持つｌｅｄ - Google Patents

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Description

本発明は、光学の分野、特に、発光デバイスの表面のような、光取り出し表面上のパターンの生成に関する。
従来の半導体発光素子は、Ｎ型クラッド層とＰ型クラッド層との間に挟まれた発光（「活性」）層を含むダブルヘテロ構造を含む。電荷キャリア（電子及び正孔）が活性層に流れ込むとき、これらの電荷キャリアは出会い得る。電子が正孔と出会うとき、それはより低いエネルギ準位に落ち込み、光子の形態でエネルギを放出する。作られた光子は任意の方向に進むことができ、市販の発光素子は典型的には、発光素子の意図される脱出面（ｅｓｃａｐｅ ｓｕｒｆａｃｅ）から出るように光の向きを変える反射面を含む。しかし、光は、実質的に任意の角度で脱出面に当たり得、光の実質的な部分は、面の両側の材料の間の境界面の間の臨界角を超える角度で面に当たり得るとともに内部全反射（ＴＩＲ）され得る。
臨界角は、材料の間の境界面における材料の屈折率ｎ１及びｎ２によって決定され、屈折率ｎ１を有する媒質からｎ２のより低い屈折率を有する媒質に進む光に対する：
ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）、 （式１）
と等しい。臨界角より大きい角度で面に当たる光は内部全反射され、境界面を通り抜けない。用語「脱出ゾーン（ｅｓｃａｐｅ ｚｏｎｅ）」、又は「脱出コーン（ｅｓｃａｐｅ ｃｏｎｅ）」が、光が面を通り抜ける角度の範囲を定めるために使用される。面の任意のポイントにおける脱出コーンは、その断面が面に対する法線に対する臨界角の２倍の角度を限定する面における頂点を持つ円錐である。脱出ゾーンは、表面上の全てのポイントの脱出コーンの合成である。
脱出ゾーンは、立体角によって定められるが、この開示は、提示及び理解の容易さのために、２次元モデルを使用して提示される。当業者は、２次元光学モデルの以下の解析から引き出された結論が３次元モデルを使用するより複雑な解析に適用可能であることを認めるであろう。
脱出面を粗くすることは、滑らかな表面に比べて、より多くの光が面を通り抜けることを可能にすることが分かっている。光が滑らかな脱出面から内部全反射されるとき、それは、発光素子の内部に向かって戻り、反射面によって反射され、脱出面に向かって戻って向きを変えられる。大抵の場合、このプロセスは、反射光がＬＥＤの内部で完全に吸収されるまで繰り返される。逆に言えば、粗くされた面は、活性領域の表面に対する様々な角度のその表面の部分を有するので、滑らかな脱出面の脱出ゾーンの外側にある光のいくらかは、粗くされた面の傾斜面の脱出ゾーンの中にあり、粗くされた脱出面を出る；加えて、粗くされた脱出面から反射され得る光のいくらかは、所望の方向（例えば、活性層に直角）に方向を変えられ得るので、次のはね返りで、脱出面を出る可能性が増加する。
発光素子の脱出面は、様々な技法のいずれかを使用して粗くされることができ、あるものはランダムに粗くされた表面を造り、あるものは、特定のパターンの溝、割れ目、構造等を持つ表面を造る。非特許文献１は、粗くする技法の組み合わせを開示し、脱出面が最初にパターン形成され、次にランダムに粗くするプロセスにさらされ、粗くされたパターンを有する脱出面を作る。
"Recent Progress of GaN Based High Power LED" (14thOptoelectronics and Communication Conference, 2009), Hao-chung Kuo
脱出面を粗くすることは、光取り出し効率を向上させるが、粗くされた脱出面上の特徴部を出る光が隣接する特徴部に当たり且つ発光素子に「再注入される」とき、この効率のいくらかは失われる。加えて、ランダムに粗くするプロセスでは、作られる特徴部の形状及び密度の制御が、多少制限され、したがって、面を出る光の可能性、及び面に再注入される光の可能性は、制御又は予測することが難しい。
発光素子の脱出面の光取り出し効率をさらに向上させることは有利である。また、発光素子の光源の特定の特性に基づいて光取り出し効率を向上させるように特徴付けられるパターン形成された表面を使用することは有利である。
これらの問題の１又は複数により良く対処するために、本発明の実施形態では、発光素子の脱出面は、複数の特徴部を含み、各特徴部は、光源からのピーク光出力の方向に基づく傾斜角を有する複数の表面を有する。光出力が、異なる方向で幾つかのローブ（ｌｏｂｅ）を示す場合、複数の表面は、対応する数の異なる傾斜角を有し得る。隣接する特徴部への光の再注入を最小化するために、隣接する特徴部は、互いに直接向き合う表面を有することを避けるように配置され得る。
特に、発光素子は、特定の放射場パターン（ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎ）を持つ光を放射し、そこから光が放射される脱出面を含む。光取り出し効率を向上させるために、脱出面は、発光素子の特定の角度放射パターンに依存する傾斜を持つ傾斜面を含む表面特徴部を含む。表面特徴部は、例えば、脱出面を脱出することができる光の量を最大化する傾斜を有する円錐又はピラミッド形特徴部を含み得る。表面特徴部は、エッチング、ミーリング、又はレーザスライシングによって形成され得る。
傾斜表面と外部媒質との間の境界は、その外側で光が完全に大部分内部反射される脱出ゾーンを規定する臨界角を示し、傾斜は、脱出ゾーンの中で傾斜面に当たる光の量を最大化するように決定される。
遠距離場（ｆａｒ ｆｉｅｌｄ）角度放射場パターンは、複数のローブを含み、脱出面上の特徴部の傾斜は、これらのローブの極座標配向（ｐｏｌａｒ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）に基づいて決定される。幾つかの実施形態では、異なる表面特徴部が、異なる傾斜を持つ傾斜面を提供するように作られることができ、異なる傾斜は、特定の放射場パターンに含まれ得る異なるローブに依存し得る。
発光素子に再び入る放射光の可能性を最小にするために、表面特徴部は、表面特徴部の傾斜面のどれもが隣接する表面特徴部のいずれの傾斜面とも直接向き合わないように、表面上に配置される。例えば、幾つかの実施形態では、表面特徴部の各傾斜面は、隣接する表面特徴部の端部を向く。
同様に、特定のプロセスが、特定の表面特徴部の効率的な生成のために提供される場合、又は特定の表面特徴部が、高い取り出し効率及び低い再注入の可能性を提供することで知られている場合、発光デバイスの素子は、これらの特定の表面特徴部を通じた最適な又は近最適な光取り出し効率を実現する角度放射場パターンを生成するように配置され得る。
幾つかの実施形態では、粗くされた表面の表面特徴部及び発光素子の角度放射パターンは、高光取り出し効率を備える発光素子を提供するように一緒に設計される。
本発明は、詳細に、且つ例として、添付の図面を参照して説明される。
発光層とリフレクタとの間の様々な距離に対する光放射場パターンの例示のセットを示す。 光放射場の例示の極座標プロットを示す。 光放射場の例示の極座標プロットを示す。 光放射場におけるピークに基づく例示の表面パターン輪郭を示す。 光放射場におけるピークに基づく例示の表面パターン輪郭を示す。 光放射場におけるピークに基づく例示の表面パターン輪郭を示す。 円錐特徴部として形成された例示の表面特徴部を示す。 円錐特徴部として形成された例示の表面特徴部を示す。 ピラミッド形特徴部として形成された例示の表面特徴部を示す。 ピラミッド形特徴部として形成された例示の表面特徴部を示す。 発光素子に再び入る光路を含む、例示の光路を示す。 発光素子に再び入る光路を含む、例示の光路を示す。 発光素子に再び入る光路を含む、例示の光路を示す。 発光素子に再び入る光の可能性を減少させる表面特徴部の例示の配置を示す。 発光素子に再び入る光の可能性を減少させる表面特徴部の例示の配置を示す。 発光素子に再び入る光の可能性を減少させる表面特徴部の例示の配置を示す。 発光素子に再び入る光の可能性を減少させる表面特徴部の例示の配置を示す。 表面の疑似ランダム配置を有する例示の脱出面を示す。 特徴部の環状配置を有する例示の脱出面を示す。 例示の発光表面及び傾斜特徴部を示す。
図面を通して、同じ参照数字は、同様の又は対応する特徴又は機能を示す。図面は、説明のために含まれ、本発明の範囲を限定すること意図するものではない。
限定ではなく説明のための、以下の記載では、特定の構造、インターフェース、技術等のような特定の詳細が、本発明の概念の完全な理解を提供するために、記載される。しかし、当業者には、本発明が、これらの特定の詳細から離れる、他の実施形態で実施され得ることが、明らかであろう。同様に、この説明の文章は、図面に示される例示の実施形態を対象にし、請求項に明示的に含まれる限定を超えて請求項に記載された本発明を限定することを意図しない。更に、単純さ及び明確さのために、良く知られたデバイス、回路及び方法の詳細な説明は、不必要な詳細により本発明の説明を曖昧としないために省略される。
上述のように、従来の発光素子は、活性層から脱出面に向かって光を反射させる反射面を含み得る。銀鏡近くの活性層からの光子放射は、金属面の近くで電気双極子の特性を示す。結果として生じる遠距離場放射パターンは、放射光の波長、並びにそこを通って光が移動する材料の屈折率に関して、活性層と鏡との間の距離に依存する。活性層と鏡との間のある距離Ｄが与えられるとき、相対距離ｄは：
ｄ＝η＊Ｄ／λ、 （式２）
で定められることができ、ここで、
ηは活性層と鏡との間の材料の屈折率であり、
λは放射光の波長である。
図１は、活性層と鏡との間の相対距離ｄの異なる値に対する正規化された遠距離場放射パターン１１０−２００の例示のセットを示す。この例では、活性層と鏡との間の材料はＧａＮであり、鏡は銀リフレクタである。垂直軸は、正規化された放射の大きさを示し、水平軸は、発光面に対する法線に対する角度を示す。
見ることができるように、鏡が活性層に非常に近いとき（ｄ＝０．１）、放射パターンは、ランバートパターンと大きく異ならず、面に垂直な又は垂直に近い角度においてピーク放射レベルを持ち、角度が垂直から離れて増加するにつれて漸進的に低くなる放射レベルを持つ。相対距離が増加するとき、増加した距離Ｄを通る移動は、次第に複雑なパターンを作る相互作用を可能にする。
相対距離が０．１から０．４に増加するとき、より少ない光が法線方向に放射される。見ることができるように、相対距離が０．４（Ｄ＝０．４＊λ／η）であるときに生成されるパターンでは、法線の又は法線に近い方向に非常に小さい放射があり、法線を外れた６０度又は６０度に近い方向に大きい量の放射がある。０．６の相対距離（Ｄ＝０．４＊λ／η）に向かって、相対距離がさらに増加すると、多数のピーク（１５２、１５６）、（１６２、１６６）が、法線方向に放射される光の量が増加するように、生成される。相対距離がさらに増加すると、多数のピークは、法線からさらにずれ、追加のピークが形成される。
異なるパターンが異なる条件下で生成され得ることに留意されたい。例えば、図１に示されたパターンは、完全に近い反射を仮定して生成され得るパターンであり；実際には、鏡面はほとんど完全なリフレクタでない。加えて、様々な他のパラメータが、放射場パターンに影響を及ぼし得る。図２Ａ及び２Ｂは、異なるパラメータが考慮された発光デバイスの２つのモデルに対する２つの異なる放射場パターンを示す。図２Ａは、例えば、図１のパターン１６０に対応する、「単純な」モデルを使用する予測放射場パターンを示す一方、図２Ｂは、同じ発光デバイスのより複雑なモデルを示す。
図２Ａ及び２Ｂは、遠距離場放射場パターンの「極座標」表現を提供し、半円上のポイントの位置は、発光層の表面に対する角度を示し、原点からの距離は、特定の角度における放射の振幅を示す。このような表現では、ピーク放射振幅に関する放射が「ローブ」として現れる。図２Ａでは、３つのローブ２１０、２２０、２２１が示されるが、３次元空間では、ローブ２２０及び２２１は、約７０度の角度配向を有する同じ「立体角ローブ（ｓｏｌｉｄ ａｎｇｌｅ ｌｏｂｅｓ）」の断面である。図２Ｂでは、４つのローブ２３０、２４０、２３１、２４１が示され、約３０度及び７０度のピーク放射角度における２つの立体角ローブに対応する。参照の便宜上、用語「ローブ」は以後「ピーク放射角度のまわりの放射」を示すために使用される
図１及び２Ａ−２Ｂの例は、製造技術及びパラメータに依存して、従来の発光デバイスが非ランバートパターンを示し得ることを示すことを単に意図している。以下に明らかであるように、本発明は、任意の特定の放射パターンを導入するための双極子−鏡効果（ｄｉｐｏｌｅ‐ｍｉｒｒｏｒ ｅｆｆｅｃｔ）の使用に限定されず；むしろ、当業者には、本発明が、特定の放射場パターンを作るために使用される任意の特定の技術に依存しないことが明らかであろう。
図１の例は、法線を外れるピークが必要に応じて回避されることができるように、遠距離場放射場パターンがリフレクタと活性層との間の距離を制御することによって制御され得ることを示すが、多くの場合、製造プロセスは、放射場パターンそれ自体の制御を許容しない要因によって制約される。しかし、任意の特定の製造技術が、概して、対応する特定の放射場パターンを生成するとともに、試験が、与えられた技術によって製造されたデバイスの特定の放射場パターン（又はローブのセット）を決定するために、実行され得る。
本発明の実施形態では、与えられた発光デバイスの放射場パターン、又は発光デバイスのクラスが決定され、発光デバイスの脱出面が、脱出面に対して垂直から外れる臨界角より大きい角度で表面に当たる光によってもたらされる表面における内部全反射（ＴＩＲ）を減少させるように、決定された放射場パターンに基づいて、パターン形成される。
本発明の他の実施形態では、脱出面特徴部の与えられたセットの角度光取り出し効率が決定され、発光素子の放射場パターンが決定された角度光取り出し効率に基づいて設計される。幾つかの実施形態では、脱出面特徴部及び放射場パターンは、高い光取り出し効率を達成するように一緒に設計される。参照及び提示しやすくするために、以下の開示は、与えられた放射場パターンに対する光取り出し効率を最適化するように脱出面特徴部を設計すること範例を使用して提示される。当業者は、この範例を使用して提示される原理が他の上述の設計シーケンスに適用可能であることを認識するであろう。
同様に、参照及び提示しやすくするために、以下の例は、放射場パターンの前述の２次元モデルを使用して、及び脱出ゾーンの中の全ての光が面を出る、且つ脱出ゾーンの外側の全ての光が内部全反射される、内部全反射の理想モデルを使用して、提示される。
図３Ａは、そのそれぞれが傾斜面３１２、３１４を含む特徴部３１０を持つ例示の表面輪郭を示す。この輪郭では、発光領域３０２は、ｎ型領域とｐ型領域３０１、３０２との間に挟まれている。傾斜面３１２、３１４は領域３０３に形成されている。当業者は、これらの領域３０１、３０２、３０３のそれぞれが、接点など（図示せず）を含む、材料の複数の層を含み得ることを認識するであろう。
この例では、傾斜面３１２、３１４は、発光領域３０２の表面３２０に対して４５度の角度にある。表面３２０から４５度で放射される光は、傾斜面に垂直な角度で傾斜面３１２、３１４の一方に当たり、表面を出る。特に注目に値するのは、傾斜面３１２、３１４における臨界角が、これらの面３１２、３１４の法線に関連し、この法線は、発光面３２０の法線から４５度の角度にある。
発光面３２０から法線を３０度外れて放射される光は、６０度で放射された光と同様に、１５度の角度で傾斜面３１２、３１４の一方に当たる。臨界角が少なくとも１５度の角度である場合、面３１２、３１４に当たる３０度から６０度の間の角度で放射される光はこれらの面を出る。これに反して、０度（発光層に垂直）で放射される光は、４５度の角度で面３１２、３１４に当たり、臨界角が４５度より小さい場合、内部全反射され得る。本発明の実施形態では、傾斜面３１２、３１４の傾斜は、発光デバイス内に放射される光の放射パターンに基づいて、内部全反射される光の量を最小にするように決定され得る。
発光デバイスが、例えば、図１のパターン１４０と同様の放射パターンを示すように決定される場合、かなりの量の光が、法線を外れた６０度又は６０度に近い角度で放射される（すなわち、ローブが、３次元放射パターンの２次元「断面」において、約６０度、及び−６０度に存在する；３次元では、このローブは、発光面に直角である軸周りに回転される）。脱出面が発光層の表面と平行であり、脱出面の臨界角が、例えば、４０度である場合、放射される光の実質的な部分は、脱出面の脱出ゾーンの外側であり、それが脱出面に当たるとき、内部全反射される。
脱出面を出る光の量を増やすために、面は、放射される光のかなりの部分を含む脱出ゾーンを提供する表面特徴部を作るようにパターン形成され得る。例えば、上述の例のように、ローブが発光面の法線から６０度外れて存在する場合、特徴部は、発光面の平面に対して６０度傾斜した表面領域を示す面上に作られ得る。このような傾斜面により、脱出ゾーンの中心は、６０度のローブのピークと同じ方向に配向され、６０度＋／−臨界角の中のこの傾斜面に当たる光は、傾斜面を通って脱出することができる。放射される光のかなりの量が、６０度＋／−ローブの幅の角度にあるので、傾斜面に当たるローブの中の放射される光のかなりの量が、傾斜面を通って脱出する。
上述の例のように、臨界角が４０度である場合、２０度を超えて放射され且つ６０度で傾斜している表面特徴部に当たる光は、脱出面を出る。図１に示されるように、デバイスが、パターン１４０と同様のパターンを示す場合、放射される光のほぼ全てが２０度を超えた角度で放射される。したがって、表面特徴部に当たる放射される光のほぼ全てが、脱出面を出ることができる。
当業者は、放射される光が３次元に関する方向に放射され、放射の方向が、図１３に示されるように、この３次元系において２つの直交軸に対する角度によって参照されることを認識するであろう。この例では、放射される光３０は、軸１０に対してある角度３１であり、この軸は発光面５０に垂直であり、図１及び２で参照されている角度と一致する。他の角度３２は、発光面５０上の基準線（軸）２０に対する角度である。同様に、傾斜面６０の配向は、これらの同じ２つの軸に対して参照され得る。すなわち、発光面５０の法線１０に対して傾斜していることに加えて、面６０はまた、発光面上の軸２０に対して与えられた方向から発光面を「向く」。
傾斜面６０の脱出ゾーンに関して、傾斜面６０の放射される光３０の交角は、傾斜面６０に直交する垂直軸６５に関連するとともに放射角及び発光面の軸に対する傾斜角の合成である。加えて、傾斜面が湾曲している場合、法線６５は、湾曲面によって変わる。傾斜面６０のあるポイントに当たる光は、このポイントにおける法線６５に対するこの合成交角が傾斜面６０の脱出ゾーンの中にある場合のみ、脱出する。
与えられた３Ｄ方向からの光が、表面の法線に対する臨界角に基づいて、他の方向に配向された表面を出るかどうかを決定するために、シミュレーション及び解析システムが、一般に入手可能である。しかし、上述のように、説明及び理解のしやすさのために、本発明の原理が、放射面の平面に対する表面特徴部の上述の２次元配向を使用して、提示される。当業者は、交角が図１３に示されたような３次元モデルに基づいていることを除いて、３次元解析が同じ原理に従うことを認識するであろう。
２次元解析に戻ると、傾斜面は厳密にローブの角度に直角である必要がないことが留意されるべきである。上述の例では、４０度の臨界角、及び６０度のピーク放射角度を伴い、５０度で傾斜する面は、１０度を超える角度で放射され且つ面に当たる光の全てが脱出面を出ることを可能にし；４５度で傾斜する面は、５から８５度の間（４５＋／−臨界角）で放射される光が出ることを可能にする。面の特定の傾斜は好ましくは、発光デバイスの放射場パターンから傾斜面の脱出面内に含まれる光の量に基づいて、その面を出る放射される光の量を最適化するように選択される。
例えば、発光デバイスが、ピーク／ローブが約５５度で生じる図１のパターン１３０と同様のパターンを示す場合、実質的により多くの光が、５５度より大きい角度においてより、５５度より小さい角度において放射されることが留意される。したがって、面の脱出ゾーンは、ピーク／ローブが約５５度で生じるにもかかわらず、４５度のような、より大きい放射の角度に向かって、バイアスされ（ｂｉａｓｅｄ）得る。このように、ローブのより高き角度のおける光のいくらかは、このより少ない傾斜面の脱出ゾーンに含まれない場合があるが、ローブのより低い角度において放射される光の潜在的により大きい量が、脱出ゾーンに含まれることが期待されることができ、その結果として、脱出面を出る。
パターン１３０及び４０度の臨界角を再び例として使用すると、７０から８０度の間で放射される光の量は、０から１０度の間で放射される光の量より少ないように見える。したがって、特徴部表面が３０度で傾斜する場合、脱出ゾーンは、表面に当たる−１０度から＋７０度の間で放射される光が脱出面を出ることを可能にすることが予期されることができるのに対して、７０度を超えて放射される光は脱出ゾーンの中になく、内部反射される。この２次元の例では、０から−１０度の間で放射される光の量は、７０から８０度の間で放射される光の量より多いので、より多くの放射される光が、臨界角内の特徴部表面に当たり、脱出面を出ることができる。
これに反して、１０から２０度の間で放射される光の量は、６０から７０度の間で放射される光の量より大きいように見えない。したがって、脱出ゾーンが１０から２０度の間で放射される光を含み、６０から７０度の間で放射される光を除外するように、特徴部の傾斜を２０度に設定することは、傾斜面の脱出ゾーンの中にある光の全量を増加させず、この２次元の例では、３０度の特徴部の傾斜と比べて、面を出る光の量を減少させる。上述のように、脱出ゾーンの中に含まれる放射される光の実際の量は、与えられた放射パターンに対する特徴部傾斜の３次元配向に依存する。上述の２次元の例は、光の最大量が、特に放射パターンが最大放射のこの角度に関して対称でない場合、最大放射の特定の角度と整列されない脱出面の中に含まれ得ることを単に示すために使用されている。
当業者は、異なる傾斜面の組み合わせが、これらの特徴部の脱出ゾーンの中に含まれる光の量を最適化するために提供され得ることを認識するであろう。例えば、例示の放射パターン１２０及び４０度の例示の臨界角では、放射される光のかなりの部分が、４０度未満の角度で放射される。したがって、放射面と平行である表面の脱出コーンは、４０度未満のこの放射される光の全てを含み、したがって、出口面のいくらかは、この光が脱出することができるように、「特徴付けされない（平らな）」ままにされることができる。４０度超において光が面を出ることを可能にするために、特徴部は、例えば、５０度の、傾斜を備えるので、これらの傾斜面における脱出ゾーンは、１０から９０度の中で放射される光を含む。
同様に、放射パターンが多数のピーク／ローブを示す場合、傾斜面の組み合わせが、図３Ｂ及び３Ｃの例示の輪郭に示されるように、脱出面を出ることができる光の量を実質的に増やすようにこれらのローブに対応して提供され得る。上述の単一の特徴部表面にあるように、多数の表面の傾斜は、それらの臨界角内で表面特徴部に当たることが予期されることができる光の全量を最適化するように選択され得る。しかし、この決定では、１つのローブに対して傾斜される表面の領域が、他のローブの中で放射される光に悪影響を及ぼす可能性があることが留意されるべきである。
幾つかの実施形態では、与えられた傾斜を伴う表面領域の比率は、その傾斜に対応するローブに関連付けられる出力に比例し得る。例えば、メインローブが全出力の８０％を提供し、他のローブが全出力の２０％を提供する場合、脱出面領域の８０％が、メインローブからの光の取り出しを最大にするように設計された傾斜を持つ特徴部を含み得るとともに、脱出面の２０％が、他のローブからの光の取り出しを最大にするように設計された傾斜を持つ特徴部を含み得る。
発見的方法が、概してより少ない且つより小さい傾斜を優先することに基づいて、与えられた放射場パターンに対して効率的でありそうな傾斜のセットを決定するために使用され得る。代替的には、従来のモデリング技術が、期待される、予測される、又は既知の発光デバイスに関連付けられる放射場パターンに基づいて、これらの表面特徴部の最適な数及び傾斜を決定するために適用され得る。
図３Ａ−３Ｃの特徴部は、様々な技術のいずれかを使用して提供され得る。図３Ａ−３Ｃの輪郭は、例えば、斜めの断面に沿って見た複数の同心の溝の輪郭を示し得る。同様に、図３Ａ−３Ｃの輪郭は、脱出面に形成されたコーンのアレイの輪郭を示し得る。当業者は、図３Ａ−３Ｃの輪郭が他の形状も示し得ることを認識するであろう。
特徴部のサイズは、幅及び高さが変わり得る。幾つかの実施形態では、特徴部は、１μｍから１０μｍの間の幅及び１μｍから１０μｍの間の高さである。
図４Ａ、４Ｂは、それぞれ、特徴部４１０を含む例示の脱出面４００の一部の上面図及び輪郭図を示す。この例では、特徴部４１０は、周期、又は擬似周期パターンで配置された円錐穴のアレイである。特徴部４１０の壁４１２の主要な傾斜は、上で詳述されたように、発光デバイスの放射場パターンに基づいて作られる。穴は、面４００のパターンエッチングによって形成され得るとともに、壁４１２の主要な傾斜は、使用されるエッチング液の特定のエッチング特性によって制御され得る。例えば、速効性のエッチング液は、より遅効性のエッチング液より急な傾斜を造り得る。同様に、傾斜は、特徴部４１０の直径、並びに、エッチングプロセスの間の環境条件に基づいて変わり得る。
特徴部４１０のパターンは変わり得る。幾つかの実施形態では、平均中心‐中心間距離（「ピッチ」）は、特徴部４１０の直径の２倍未満であるが、面の特徴部を付けられる領域に対する特徴部を付けられない（平らな）領域の所望の比は、より大きいピッチをもたらし得る。
当業者は、特徴部４１０が、円錐穴ではなく、円錐構造であることもできることを認識するであろう。
図５Ａ、５Ｂは、それぞれ、特徴部５１０を含む例示の脱出面５００の一部の上面図及び輪郭図を示す。この例では、特徴部５１０は、傾斜面Ａ、Ｂ、Ｃを備える、ピラミッドのアレイである。上で詳述されたように、面Ａ、Ｂ、Ｃの傾斜は、発光デバイスの放射場パターンに基づいて、好ましくはこれらの面で内部全反射される光の量を減少させるように、決定され得る。図４Ａ−４Ｂの例でのように、パターンエッチングが、これらの特徴部５１０を作るために使用され得る。
特徴部５１０のサイズに依存して、ミーリングプロセス又はレーザエッチングプロセスも、これらの特徴部５１０を作るために使用され得る。例えば、面Ａ、Ｂ、及びＣのそれぞれの平面に沿って傾斜される一連の制御深さ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ−ｄｅｐｔｈ）レーザスライスが、示されたピラミッド特徴部５１０を作る。同様に、Ｖ形ビットが、特徴部５１０の表面のペアＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃをミーリング（ｍｉｌｌ）するために使用されることができ、Ｖ形ビットの傾斜は、発光デバイスの放射場パターンに基づく。
示された例示の特徴部５１０は等辺のピラミッドであるが、当業者は、不規則形状ピラミッドもまた形成され得ることを認識するであろう。このような不規則形状は、例えば、マルチローブ放射場パターンに適合するよう多数の傾斜を提供するために使用され得る。
幾つかの実施形態では、特に比較的急な傾斜を持つものでは、傾斜面を出る光のいくらかは、図６Ａ−６Ｃに示されるように、隣接する傾斜面に当たり得るとともに、発光デバイスに再び入り得る。
図６Ａでは、例えば、傾斜面を出る光の大部分が、光路６１０、６１１、６１２によって示されるように、発光デバイスから離れて移動し続ける。しかし、傾斜面を出る光のいくらかは、光路６２０、６２１によって示されるように、隣接する面に当たり得るとともに、発光デバイスに再び入り得る。どのように光が隣接する面に当たるかに応じて、光は、光路６２０によって示されるように、臨界角内の角度で隣の傾斜面に当たり得るとともに、その傾斜面を出得る。しかし、光路６２１によって示されるように、光は、発光デバイスに再び入り得るとともに、光のいくらかは、発光層の方に戻って向けられ得、最終的に吸収され得る。
光が発光デバイスに再び入る可能性は、特徴部の特定の配置に依存する。図６Ｂ及び６Ｃに示された特徴部は、例えば、急な傾斜の間の大きい分離のために、光が発光デバイスに再び入るより低い可能性を示すが、いくらかの再び入ることが生じ得る。
本発明の幾つかの実施形態では、表面特徴部は、内部全反射及び表面を出る光が再び入ることの両方を減少させるように形成される。図４Ａに示されるように、特徴部の傾斜面が互いに近接して向き合う場合、光が隣接する特徴部に再び入る可能性は大きくなり得る。再び入る光のいくらかは、隣接する特徴部を出得るが、この再び入る光の少なくともいくらかは、発光デバイスの中で吸収される可能性が高い。
図７は、図５Ａの特徴部５１０の例示の代替配置を示す。この例では、図５Ａの特徴部５１０の幾つかは形成されず、それによって、図７の形成された特徴部７１０の間にスペース７１５を提供する。この追加のスペースは、非常に浅い角度の光のみしか、この長い距離を移動した後に、隣接する特徴部７１０の高さの下にないので、光が隣接する特徴部７１０に再び入る可能性を減少させる。
追加的に、図７の例では、２つの同様の面は、互いに直接向き合わない。図５Ａの例では、各面Ａは同様の面Ａと向き合い；各面Ｂは同様の面Ｂと向き合い；各面Ｃは同様の面Ｃと向き合っていた。この開示の目的で、２つの面は、面のそれぞれの法線が、共通の面の中にある場合、又は共通の面の１０パーセントの角度の中にある場合、互いに直接向き合うと言われる。
図７の例では、面Ａから放射される光の経路にある表面領域は、２つの隣接する特徴部７１０の傾斜面Ｂ及びＣのみを含む。面Ａの法線は、面Ｂ又はＣへの法線のいずれの平面の１０パーセントの中にない。面Ｂ又はＣに当たる面Ａからの光は隣接する特徴部に再び入るが、これらの傾斜面Ｂ及びＣが、そこを通る面Ａから放射される光が妨げられずに移動し得る「谷部」（又は隙間）を形成するので、面Ａからのより少ない光が面Ｂ又はＣに当たる可能性がある。面Ｂ及びＣのそれぞれに対する同様の解析が、これらの面からの妨げられない光の伝搬のための同様の谷部を示している。
しかし、面７００上の特徴部７１０の配置の潜在的な欠点が、平らのままである面７００の領域７１５であり得る。放射場パターンが、発光面に垂直又は垂直近くにおいてローブを含む場合、これらの平らなスペース７１５は、このローブの光が出ることを促進するが、放射場パターンが、図１のパターン１４０のように、非常に僅かな光しか発光面に垂直に放射されないことを示す場合、これらの平らなスペースは、発光デバイスからの光が内部全反射される可能性を高める。この内部全反射は、これらの平らなスペース７１５を粗くすることによって減少され得るが、このような粗くすることは、上述のように光がいくらか再び入ることをもたらし得る。
非傾斜面の量を減らすための１つの技法は、図８の例に示されるように、大きい特徴部７１０の間のスペース７１５の中に追加の特徴部８１０を含めることである。この例では、特徴部７１０の各面Ａ、Ｂ、Ｃは、特徴部８１０の面のペアＢ−Ｃ、Ｃ−Ａ、及びＡ−Ｂの端部にそれぞれ向き合う。追加の特徴部８１０は、面Ａから放射された光に対して傾斜面Ｂ及びＣによって生成された前述の「谷部」に干渉するが、これらのより小さい特徴部８１０の減少した高さは、特徴部７１０の面Ａから放射された光が特徴部８１０の面に当たる可能性を減少させる。
幾つかの実施形態では、大きい特徴部７１０及び小さい特徴部８１０は、互いに逆であり得る。すなわち、図３Ｂに示されるように、大きい特徴部７１０は、面から上に延びるピラミッドであり得る一方、小さい特徴部８１０は、面より下で下に延びる穴であり得る、又はその逆であり得る。同様に、図面のいずれかにおける特定の特徴部のいずれかは、ピラミッドの代わりに穴であり得る；例えば、特徴部の一列おきが隣接する列の逆であり得る。これらの及び他の変形形態は、本開示を考慮して当業者に明らかであろう。
図９は、発光面に垂直又は垂直近くにおいて大きいローブを含まないことができる放射場パターンに対して、非傾斜面領域の量を減少させる特徴部９１０の例示の代替配置を示す。特徴部７１０の例示の配置でのように、特徴部９１０は、２つの面が互いに直接向き合わないように配置される。
図１０は、面Ａ，Ｂ及びＣの傾斜と同じ又は異なり得る、傾斜面Ｄ、Ｅ、Ｆを持つ他の特徴部９５０の追加を示す。これらの追加の特徴部はさらに、脱出面上の非傾斜領域を増加させる。この例示の実施形態では、特徴部９５０が、放射場パターンの第２のローブに適合するように設計され、且つ面Ｄ、Ｅ、Ｆの傾斜が、例えば３０度未満のように、比較的わずかである場合、面Ａが（より小さい）面Ｄと直接向き合い、面Ｂが面Ｆと向き合い、且つ面Ｃが面Ｅと向き合うにもかかわらず、光が特徴部９１０、９５０を通って発光デバイスに再び入る可能性もまた、比較的わずかであり得る。面Ｄ、Ｅ、Ｆが面Ａ、Ｂ、Ｃと同じ傾斜であるとしても、傾斜面及び特徴部９５０の減少した高さによって作られる「谷部」は、図５Ａ−５Ｂに示された例示の配置と比べて、放射された光が特徴部９１０、９５０に再び入る可能性を実質的に減少させる。
本発明が図面及び前述の説明において詳細に図示され及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると見なされるべきであり、限定的であると見なされるべきではない。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。
例えば、ピラミッド形状がこれらの例で使用されているが、他の形状も使用され得る。図１１は、例えば、マルチローブ発光パターンを有する発光デバイスに適する、異なる角度での様々な面の疑似ランダム配置を有する例示の面を示す。
同様に、図１２は、円形様パターンに配置された複数の特徴部を有する例示の面を示す。この例はまた、異なるサイズにされた特徴部の使用を示す。
図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形形態が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、実行されることができる。例えば、光取り出し効率を向上させるための傾斜面の使用は、例えば、表面特徴部の幾つか又は全てを粗くすることを含む、光取り出し効率を向上させるための他の技法と組み合わされ得る。
上述のように、脱出面上の特徴部の好適な傾斜は、与えられる角度放射場パターンに基づいて決定され得る、又は好適な角度放射場パターンは、脱出面上の特徴部の傾斜に基づいて決定され得る、又は特徴部の傾斜及び角度放射場パターンの両方が、選択角度放射場パターン及び脱出面上の特徴部の選択傾斜の組み合わせに基づいて光取り出し効率を最適化するように互いに一緒に決定され得る。参照しやすいように、表現「放射場パターンに対応する傾斜」は、傾斜又は放射場パターンを決定する任意の特定の順序から独立していることが意図される。
請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。請求項における如何なる参照符号も範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
次の付記を記す。
（付記１）
発光素子を有する発光デバイスであって：
前記発光素子は：
Ｎ型領域、
Ｐ型領域、
前記Ｎ型領域と前記Ｐ型領域との間に挟まれる発光層、及び
前記発光層と平行な平面の中の脱出面であって、前記脱出面から前記発光層から放射される光が出る、脱出面、を有し、
光は、角度放射場パターンを持つ前記発光素子の中で放射され、
前記脱出面は、前記発光素子の前記放射場パターンに対応する傾斜を持つ傾斜面を含む表面特徴部を含む、
発光デバイス。
（付記２）
前記傾斜面と外部媒質との間の境界は、その外側で光が内部全反射される脱出ゾーンを示し、前記傾斜は、前記脱出ゾーンの中で前記傾斜面に当たる光の量を最大化するように配置される、
付記１に記載の発光デバイス。
（付記３）
前記放射場パターンは複数のローブを含み、少なくとも１つの前記ローブは、ピーク放射角度に対応し、前記傾斜は、前記ピーク放射角度に基づいて配置される、
付記１に記載の発光デバイス。
（付記４）
前記発光素子の前記放射場パターンの他のローブに対応する他の傾斜を持つ他の傾斜面を含む他の表面特徴部を含む、
付記３に記載の発光デバイス。
（付記５）
前記脱出面に向かって、前記発光層からの光を反射するリフレクタを含み、前記リフレクタは、前記放射場パターンが前記リフレクタと前記発光層との間の距離に依存するように、配置される、
付記１に記載の発光デバイス。
（付記６）
前記表面特徴部は、円錐形特徴部を含む、
付記１に記載の発光デバイス。
（付記７）
前記表面特徴部は、ピラミッド形特徴部を含む、
付記１に記載の発光デバイス。
（付記８）
前記表面特徴部は、前記表面特徴部の前記傾斜面が隣接する前記表面特徴部のいずれの前記傾斜面とも直接向き合わないように、前記面上に配置される、
付記１に記載の発光デバイス。
（付記９）
前記表面特徴部のそれぞれの前記傾斜面は、隣接する前記表面特徴部の端部を向く、
付記１に記載の発光デバイス。
（付記１０）
前記脱出面の一部は粗くされる、
付記１に記載の発光デバイス。
（付記１１）
前記表面特徴部は、前記脱出面の前記平面の上に延びる構造、及び前記面の前記平面の下に延びる穴を含む、
付記１に記載の発光デバイス。
（付記１２）
前記表面特徴部は、前記脱出面の上にランダムに分布される、
付記１に記載の発光デバイス。
（付記１３）
発光素子を有する発光デバイスであって：
前記発光素子は：
Ｎ型領域、
Ｐ型領域、
前記Ｎ型領域と前記Ｐ型領域との間に挟まれる発光層、及び
前記発光層と平行な平面の中の脱出面であって、前記脱出面から前記発光層から放射される光が出る、脱出面、を有し、
前記脱出面は、傾斜面を含む表面特徴部を含み、前記表面特徴部は、前記表面特徴部の前記傾斜面が隣接する前記表面特徴部のいずれの前記傾斜面とも直接向き合わないように、前記面上に配置される、
発光デバイス。
（付記１４）
前記傾斜面の１又は複数は、前記発光素子の放射場パターンに対応する傾斜を含む、
付記１３に記載の発光デバイス。
（付記１５）
前記複数の表面特徴部は、ピラミッド形構造を含む、
付記１３に記載の発光デバイス。
（付記１６）
前記表面特徴部のそれぞれの前記傾斜面は、隣接する前記表面特徴部の端部を向く、
付記１３に記載の発光デバイス。
（付記１７）
前記表面特徴部は、前記面の平面の上に延びる構造、及び前記面の前記平面の下に延びる穴を含む、
付記１３に記載の発光デバイス。
（付記１８）
発光素子を製造する方法であって：
前記発光素子に関連付けられる放射場パターンを決定するステップであって、前記発光素子は、そこから光が前記発光素子から放射される脱出面を含む、ステップ、
１又は複数の表面特徴部を決定するステップであって、それぞれの前記表面特徴部は、前記発光素子の前記放射場パターンに対応する傾斜を持つ少なくとも１つの傾斜面を含む、ステップ、及び
前記発光素子の前記脱出面に複数の前記１又は複数の表面特徴部を作るステップ、を含む、
方法。
（付記１９）
前記複数の表面特徴部を作る前記ステップは、エッチング、ミーリング、及びレーザスライシングの少なくとも１つを含む、
付記１８に記載の方法。
（付記２０）
前記複数の表面特徴部は、円錐形構造を含む、
付記１８に記載の方法。
（付記２１）
前記複数の表面特徴部は、ピラミッド形構造を含む、
付記１８に記載の方法。
（付記２２）
前記表面特徴部は、前記表面特徴部の前記傾斜面が隣接する前記表面特徴部のいずれの前記傾斜面とも直接向き合わないように、前記面上に配置される、
付記１８に記載の方法。
（付記２３）
前記傾斜面と外部媒質との間の境界は、その外側で光が内部全反射される脱出ゾーンを示し、前記傾斜は、前記脱出ゾーンの中で前記傾斜面に当たる光の量を最大化するように配置される、
付記１８に記載の方法。
（付記２４）
前記放射場パターンは複数のローブを含み、少なくとも１つの前記ローブは、ピーク放射角度に対応し、前記傾斜は、前記ピーク放射角度に基づいて決定される、
付記１８に記載の方法。
（付記２５）
前記脱出面の少なくとも一部を粗くするステップを含む、
付記１８に記載の方法。

Claims (14)

  1. 発光素子を有する発光デバイスであって：
    前記発光素子は：
    Ｎ型領域、
    Ｐ型領域、
    前記Ｎ型領域と前記Ｐ型領域との間に挟まれる発光層、及び
    前記発光層と平行な平面の中の脱出面であって、前記脱出面から前記発光層から放射される光が出る、脱出面、を有し、
    前記光は、前記発光素子の中で角度放射場パターンを有して放射され、
    前記脱出面は、傾斜面を含む表面特徴部を含み、前記表面特徴部は、前記脱出面の平面の上に前記平面から突出して広がる三角錐特徴部として形成され、前記表面特徴部は、前記三角錐特徴部の底部の三角形の各頂点が隣接する三角形の各辺に面して、前記表面特徴部の傾斜面が隣接する前記表面特徴部のいずれの傾斜面とも直接向き合わないように配置され、
    前記脱出面はさらに、前記平面の下に延びる穴を有する、
    発光デバイス。
  2. 前記傾斜面と外部媒質との間の境界は、範囲内で光が前記傾斜面を通って脱出する角度の前記範囲を定める脱出ゾーンを有し、前記傾斜面の傾斜の角度は、前記脱出ゾーンの中で前記傾斜面に当たる光の量を最大化するように選択される、
    請求項１に記載の発光デバイス。
  3. 前記角度放射場パターンは複数のローブを含み、前記ローブは、ピーク放射振幅のまわりの放射及びピーク放射角度の極座標配向によって定められ、少なくとも１つの前記ローブはピーク放射角度を有し、前記傾斜面の傾斜は、前記傾斜面への前記少なくとも１つのローブの入射角が範囲内で光が前記傾斜面を通って脱出する角度の範囲を定める脱出ゾーン内にあるように、前記ピーク放射角度に基づいて配置される、
    請求項１に記載の発光デバイス。
  4. 前記発光素子の前記放射場パターンの他のローブに対応する他の傾斜を持つ他の傾斜面を含み、前記他の傾斜面への前記他のローブの入射角が範囲内で光が前記他の傾斜面を通って脱出する角度の範囲を定める他の脱出ゾーン内にあるようになる、他の表面特徴部を含む、
    請求項３に記載の発光デバイス。
  5. 前記脱出面に向かって、前記発光層からの光を反射するリフレクタを含み、前記リフレクタは、前記放射場パターンが前記リフレクタと前記発光層との間の距離に依存するように、配置される、
    請求項１に記載の発光デバイス。
  6. 前記三角錐特徴部は、大きい特徴部であり、前記大きい特徴部の間の前記脱出面の前記平面上のスペースの中に小さい特徴部をさらに有する、
    請求項１に記載の発光デバイス。
  7. 前記大きい特徴部は、前記脱出面の前記平面から凸であり、前記小さい特徴部は、前記脱出面の前記平面から凹である、
    請求項６に記載の発光デバイス。
  8. 前記脱出面の一部は粗くされる、
    請求項１に記載の発光デバイス。
  9. 前記底部の三角形の前記各頂点は前記隣接する三角形の前記各辺に接する、
    請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光デバイス。
  10. 発光素子を製造する方法であって：
    前記発光素子に関連付けられる放射場パターンを決定するステップであって、前記発光素子は、光が前記発光素子から放射される脱出面を含む、ステップ、及び
    前記発光素子の前記脱出面に複数の表面特徴部を作るステップであって、前記表面特徴部は傾斜面を含み、前記表面特徴部は、前記脱出面の平面の上に前記平面から突出して広がる三角錐特徴部として形成され、前記表面特徴部は、前記三角錐特徴部の底部の三角形の各頂点が隣接する三角形の各辺に面して、前記表面特徴部の傾斜面が隣接する前記表面特徴部のいずれの傾斜面とも直接向き合わないように配置される、ステップ、を含み、
    前記脱出面はさらに、前記平面の下に延びる穴を有する、
    方法。
  11. 前記複数の表面特徴部を作る前記ステップは、エッチング、ミーリング、及びレーザスライシングの少なくとも１つを含む、
    請求項１０に記載の方法。
  12. 前記傾斜面と外部媒質との間の境界は、範囲内で光が前記傾斜面を通って脱出する角度の範囲を定める脱出ゾーンを有し、前記傾斜面の傾斜の角度は、前記脱出ゾーンの中で前記傾斜面に当たる光の量を最大化するように選択される、
    請求項１０に記載の方法。
  13. 前記放射場パターンは複数のローブを含み、前記ローブは、ピーク放射振幅のまわりの放射及びピーク放射角度の極座標配向によって定められ、少なくとも１つの前記ローブはピーク放射角度を有し、前記傾斜面の傾斜は、前記傾斜面への前記少なくとも１つのローブの入射角が範囲内で光が前記傾斜面を通って脱出する角度の範囲を定める脱出ゾーン内にあるように、前記ピーク放射角度に基づいて配置される、
    請求項１０に記載の方法。
  14. 前記脱出面の少なくとも一部を粗くするステップを含む、
    請求項１０に記載の方法。
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