【手続補正書】
【提出日】平成23年4月25日(2011.4.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】エミッタ層成形のためのシステムおよび方法
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下、２００８年２月８日に出願された「ＥＭＩＴＴＥＲ  ＬＡＹＥＲ  ＳＨＡＰＩＮＧ」というタイトルの米国仮特許出願第６１／０２７，３５４号および２００８年５月２日に出願された「ＥＭＩＴＴＥＲ  ＬＡＹＥＲ  ＳＨＡＰＩＮＧ」というタイトルの米国仮特許出願第６１／０４９，９６４号の優先権の利益を主張する。本出願は、２００７年１０月１日に出願された「ＬＥＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ」というタイトルの米国特許出願第１１／９０６，２１９号および２００７年１０月１日に出願された「ＬＥＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ」というタイトルの米国特許出願第１１／９０６，１９４号に関連しており、その両方が２００６年１０月２日に出願された「ＳＨＡＰＥＤ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ」というタイトルの米国仮特許出願第６０／８２７，８１８号および２００７年１月２２日に出願された「ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  Ａ  ＳＨＡＰＥＤ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ  ＬＥＤ」というタイトルの米国仮特許出願第６０／８８１，７８５号の優先権を主張する。すべての出願が本明細書に参考として十分に援用される。
【０００２】
（本開示の分野）
本開示は、概して、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスに関し、より具体的には、任意のＬＥＤの光抽出効率を最大化するようなエミッタ材料の成形のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景）
発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は、電子機器のいたるところに見られる。それらは、デジタル表示、照明システム、コンピュータ、テレビ、携帯電話、およびその他の様々なデバイスにおいて使用されている。ＬＥＤ技術の発展により、１つ以上のＬＥＤを使用した白色光の生成のための方法およびシステムがもたらされた。ＬＥＤ技術の発展により、従来よりも多くの光子、ひいてはより多くの光を生成するＬＥＤがもたらされた。これら２つの技術的発展の最たるものは、コンピュータにおいて真空管がトランジスタに置き換わったのと同じように、ＬＥＤが多くの従来型光源、例えば白熱電球、蛍光灯、ハロゲン球等を補完する、あるいは置き換えるように使用されていることである。
【０００４】
ＬＥＤは、赤色、緑色、および青色を含む多くの色で生成される。白色光を生成する１つの方法は、互いに組み合わされた赤色、緑色および青色ＬＥＤが関与する。赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）ＬＥＤの組み合わせで形成される光源は、人間の目により白色光として認識されるものを生成する。これは、人間の目が３種類の色受容体を有し、各種類は青色、緑色または赤色に対し感受性であるために生じる。
【０００５】
ＬＥＤ源から白色光を生成する第２の方法は、単一色（例：青色）の短波長ＬＥＤから光を形成し、その光の一部をリン光体または同様の光子変換材料に衝突させることである。リン光体はより高いエネルギーの短波長光波を吸収し、より低い長波長光を再放射する。例えば、黄色領域（緑色と赤色の間）の光を放出するリン光体が選択された場合、人間の目はそのような光を白色光として認識する。これは、黄色光が、目の赤色および緑色受容体の両方を刺激するために生じる。ナノ粒子または他の同様の光ルミネセンス材料等のその他の材料を使用して、ほぼ同じ方式で白色光を生成することができる。
【０００６】
また、白色光は、紫外（ＵＶ）ＬＥＤおよび３つの別個のＲＧＢリン光体を使用して生成することもできる。さらに、白色光は、青色ＬＥＤおよび黄色ＬＥＤから生成することができ、また青色、緑色、黄色、および赤色ＬＥＤを組み合わせて使用して生成することもできる。
【０００７】
ＬＥＤ構築のための現在の工業的手法は、ＧａＮまたはＩｎＧａＮ等の層が堆積される基板（通常は単結晶サファイアまたは炭化ケイ素）を使用することである。１つ以上の層（例：ＧａＮまたはＩｎＧａＮ）が光子生成および電流伝導を可能とし得る。通常は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の第１の層が基板の表面上に施され、基板の結晶構造から、光子生成または電流伝導を可能とするドープされた層の結晶構造への遷移領域を形成する。この後、通常はＧａＮのｎドープ層が形成される。次の層は、光子を生成し、また所望の光の波長を生成するために必要な材料でドープされた、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮまたはその他の化合物の半導体材料層であってもよい。次の層は、通常はＧａＮのＰドープ層である。この構造は、エッチングおよび堆積によりさらに改質され、デバイスへの電気接続のための金属部位を形成する。
【０００８】
従来型のダイオードの場合のように、ＬＥＤの動作中、余剰電子がｎ型半導体からｐ型半導体の正孔に移動する。ＬＥＤにおいて、光子は化合物半導体層に放出され、このプロセスの間に光を生成する。
【０００９】
通常の製造プロセスにおいて、基板は、ウエハ形態で製造され、層がウエハの表面に施される。層がドープまたはエッチングされ、上述の様々なプロセスを使用してすべての特徴が画定されると、個々のＬＥＤはウエハから分離される。通常は、ＬＥＤは直立した側面を有する正方形または長方形である。これは著しい効率損失をもたらす可能性があり、また放出された光の放出パターンを低下させる可能性がある。より望ましい出力を達成するために、プラスチックドーム等の別個の光学デバイスがＬＥＤの上に設置されることが多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
多くのＬＥＤ用途において、多くの場合白色光のワットあたりのルーメン（ｌｍ／Ｗ）、または青色等のより短波長光のワットあたりのミリワット（ｍＷ／Ｗ）で表現される量である、所与の電力入力に対する可視光出力を最大化することが望ましい。既存のＬＥＤ技術は、通常は「全体的効率」または「ウォールプラグ効率」と呼ばれるこの比率を増加させるように試みている場合がある。しかしながら、既存のＬＥＤ技術では、まだ低い全体的効率および低い抽出効率が問題となっている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（概要）
本明細書で開示された完全エミッタ層成形（Ｃｏｍｐｌｅｔｅ  Ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｌａｙｅｒ  Ｓｈａｐｉｎｇ、ＣＥＬＳ）プロセスの実施形態は、そのエミッタ材料の成形により、任意の発光ダイオードの光抽出効率の最大化における幾何学的および光学的解決策を提供し得る。いくつかの実施形態において、このプロセスはＧａＮ成形と呼ばれる。
【００１２】
本明細書で開示された実施形態は、一般に、紫外、可視および赤外光を含むに光に関連した電磁スペクトルに関して記述される。本明細書に開示された原理は、使用される好適な材料が対象となる波長を透過する、任意の波長の電磁放射線に適用することができる。当業者に理解されるように、本明細書に開示されたエミッタ層成形方法およびシステムは、広範な波長に適合するように同様に実装され得る。対象となる波長領域の例は、テラヘルツ周波数範囲である。
【００１３】
ＬＥＤの放射材料は、いくつかの基板上で成長され得る。現在では、ＩｎＧａＮ  ＬＥＤの大多数はサファイア基板上に成長される。サファイアの屈折率は放射材料（ＩｎＧａＮ）よりも極めて低く、したがってサファイア基板に入る光子の数は大きく低減される。放射材料の成形において、ＧａＮ材料から放出された光は、サファイア基板中に逃げ、最終的には空気中に逃げることができる。
【００１４】
今日市場に出回っている青色および緑色ＬＥＤのほぼすべては、サファイアまたは炭化ケイ素基板に施された第１の層の材料としてＧａＮ（窒化ガリウム）を使用して構築されている。また、施される実際の層は多様で複雑であり、ＧａＮだけでなく、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＰ等の化合物半導体材料も含む。今日の科学における最近の発展は、ＬＥＤ層において、ＧａＮだけでなくその他の材料を使用することを含む。本出願に記載された技術は、発光デバイスにおけるすべてのあらゆるそのような層に適用される。本明細書で使用される場合、「完全エミッタ層成形」および「ＣＥＬＳ」および「ＧａＮ成形」という語句は、実際にはＧａＮ、ある他の材料、またはそれらの組み合わせを成形するか否かによらず、すべてのそのような行為を含むように意図される。計算および例示を目的として、本出願全体にわたりＧａＮが放射材料として使用される。しかしながら、方程式および説明は、他の材料の組全体に等しく適用され、本明細書に開示された例により限定されないことが、当業者に理解される。
【００１５】
従来のＬＥＤは、高い屈折率に起因して、光エネルギーが生成される光抽出効率が低いことが問題となっている。高い屈折率の材料からより低い屈折率の材料への移行において、全反射（ＴＩＲ）は光のエスケープコーンを制限する。エスケープコーン角度は臨界角である。この臨界角は、スネルの法則を用いて計算することができる。
【００１６】
一実施形態において、ＬＥＤのエミッタ層の一部は、ＬＥＤの基板に対して制御された深さまたは高さに成形される。本明細書に開示された実施形態において、エミッタ層は、マイクロＬＥＤとも呼ばれる小型エミッタの配列を備える。いくつかの実施形態において、マイクロＬＥＤの各々は、正方形、長方形または六角形の形状を有する。いくつかの実施形態において、エミッタ層は、エッチングにより成形される。一実施形態において、基板はサファイアである。一実施形態において、エミッタ層材料は、基板と連続的に接触している。一実施形態において、エミッタ層材料は、基板と電気的に接触している。一実施形態において、エミッタ層材料は、基板と電気面または連続的な電気接続を形成する。
【００１７】
いくつかの実施形態において、エミッタ層の一部のみが成形される。いくつかの実施形態において、ＬＥＤのエミッタ層は、成形部分および非成形部分または領域を備える。いくつかの実施形態において、エミッタ層の形成部分は、制御された深さまたは高さを有し、エミッタ層の非成形部分または領域は、電気面またはほぼ連続的な電気接続を形成し、概して基盤と連続的に接触している。いくつかの実施形態において、エミッタ層の非成形部分は、端部において電源と結合されてもよい。いくつかの実施形態において、エミッタ層の１つ以上の成形部分は、電源と結合されてもよい。
【００１８】
一実施形態において、制限放射線は、エミッタ層の成形部分おける最長距離または近似最長距離を横断し得る。いくつかの実施形態において、制限放射線は、基板に対するエミッタ層の成形分の深さまたは高さで概して終端するように選択され得る。いくつかの実施形態において、エミッタ層材料は、エミッタ層の成形部分における最長距離または近似最長距離を横断する１つ以上の制限放射線に基づき成形され得る。
【００１９】
いくつかの実施形態において、ＬＥＤの側壁はまた、全反射を用いてＬＥＤの光出力を最大化し、所望の強度分布を達成するように成形され得る。いくつかの実施形態において、ＬＥＤの放出面は、放射輝度を保存するように選択され得る。
【００２０】
いくつかの実施形態において、ＬＥＤの側壁形状は、以下の制約に基づいて経験的に決定される。
・側壁に衝突するエミッタから発するすべての放射線は、臨界角以上の角度で側壁に衝突すべきである。
・側壁で反射するすべての放射線は、出口表面に向かって反射すべきであり、出口表面における入射角は臨界角未満である必要がある。
【００２１】
いくつかの実施形態において、側壁の形状の基準は、放出面における光の強度の均一性もしくは無限大でのガウス分布、または両方、またはその他の組の条件をさらに含み得る。このように、側壁は、放出された光が所望の強度または角度で基板に誘導されるのを確実とするように成形され得る。いくつかの実施形態において、所望の強度または角度は、基板の特性、例えば基板、エミッタ材料または他の材料の屈折率等に基づいて決定され得る。
【００２２】
本明細書で開示された実施形態は、多くの利点を提供する。例えば、基板を含むＬＥＤ全体の成形、または基板のみの成形は、エミッタ層で生成される光の１００％または約１００％のエミッタ層からの抽出を達成することができる。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のようなエミッタ材料の成形により、発光ダイオードは、最低でも約９０％以上の光抽出効率を達成することができる。
【００２３】
本明細書で開示された実施形態により提供される別の利点は、マイクロＬＥＤとも呼ばれる微小なエミッタの大規模な配列を成形し、単一のＬＥＤを形成する能力である。例えば、いくつかの実施形態において、ＬＥＤのエミッタ層は、１つのマイクロＬＥＤまたはいくつかのマイクロＬＥＤの配列から、数百万のマイクロＬＥＤの配列を備えることができる。
【００２４】
本明細書で開示された実施形態により提供されるさらに別の利点は、微小なエミッタ（マイクロＬＥＤ）により、エミッタ層の成形において除去される必要がある発光材料の全体的な体積もまた低減され得ることである。さらに、本明細書で開示された実施形態では、除去される必要がある基板材料がわずかであるかまたは存在せず、これにより、基板材料は例えばサファイアの場合のように除去が困難および／または費用を要し得るため、ＬＥＤの生産速度が増し、ＬＥＤの生産コストが低減される。
【００２５】
本明細書で開示された実施形態は、実装、熱放散、および照明の均一性の追加的な利点を提供し得る。例えば、各マイクロＬＥＤの放出ベースは、マイクロＬＥＤに電力を提供するとともにマイクロＬＥＤの熱除去経路を提供するサブマウントに直接接合され得る。この構造は、優れた熱拡散を提供することができる。エミッタは互いから離れて広がっているため、熱密度もまた低減され得る。別の例として、各マイクロＬＥＤの逃げ角度は、各マイクロＬＥＤの非常に小さいサイズと併せて、１つのマイクロＬＥＤからの射出放射線を多数の隣接したマイクロＬＥＤからの射出放射線と重複させながら、光はまだ基板の厚みの中に含有されたままとすることができる。光が基板の放出面に達する時には、多くのマイクロＬＥＤからの光は平均化され、非常に均一な光出力プロファイルを形成する。
【００２６】
要約すると、本明細書で開示された実施形態は、以下の領域において技術的利点を提供することができる。
１．電流拡散
２．熱除去
３．放出の均一性
４．不活性エリア（Ｎ層）接点に対する活性エリア（Ｐ層）の割合の増加
５．より高い外部量子効率
６．より高い抽出効率に起因する、ルーメンあたり発生するより低い熱
７．真の輝度の保存
本明細書で開示された実施形態の他の目的および利点は、以下の説明および付随する図面と併せて考慮すると、より良く理解および認識される。
（項目１）
ＬＥＤのエミッタ層を成形する方法であって、
小型エミッタの放出エリア（ｂ）およびエミッタエリア（ａ）を決定することであって、該放出エリア（ｂ）は、第１の幾何学的構成において放出面を有し、該エミッタエリア（ａ）は、第２の幾何学的構成において量子井戸領域を有する、ことと、
該放出エリア（ｂ）および該エミッタエリア（ａ）を使用して、該小型エミッタの最小高さ（ｈ）を決定することと、
該第１の幾何学的構成、該第２の幾何学的構成、および該最小高さ（ｈ）に従い、放射材料から物質を除去するか、または該放射材料を成長させることであって、それにより、該最小高さ（ｈ）を満たす１つ以上の小型エミッタを有する成形部分を形成する、ことと、
該小型エミッタの側壁を成形することであって、各側壁は、該エミッタエリアからその側壁までの直線伝送路を有する放射線の少なくとも大部分を、該放出面における臨界角以下の該放出面における入射角で、該放出面に反射させるように、位置付けられ、かつ成形される、ことと
を含む方法。
（項目２）
上記放射材料から物質を除去することはさらに、
上記第１の幾何学的構成を有する第１のマスクを使用して、該放射材料をパターン化することと、
上記最小高さ（ｈ）および該第１の幾何学的構成に従い、該放射材料をエッチングすることと、
上記第２の幾何学的構成を有する第２のマスクを使用して、該放射材料をパターン化することと、
該第２の幾何学的構成に従い、該放射材料をエッチングすることと
を含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
上記第１のマスクは、上記エミッタ層におけるエッチング溝の最小幅を画定し、上記１つ以上の小型エミッタは、該エッチング溝の該最小幅だけ離間した小型エミッタの配列を備える、項目２に記載の方法。
（項目４）
上記放射材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む、項目１に記載の方法。
（項目５）
上記第１の幾何学的構成、上記第２の幾何学的構成、および上記最小高さ（ｈ）に従い、放射材料から物質を除去するか、または堆積により該放射材料を成長させることは、ベース基板に隣接する非成形部分をさらに形成する、項目１に記載の方法。
（項目６）
上記ベース基板は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む、項目５に記載の方法。
（項目７）
上記ベース基板の表面上に反射防止被覆を塗布することをさらに含み、該表面は空気と接する、項目５に記載の方法。
（項目８）
上記第１の幾何学的構成は、４つまたは６つの側面を有する、項目１に記載の方法。
（項目９）
上記小型エミッタの上記最小高さ（ｈ）を決定することはさらに、該小型エミッタの上記エミッタエリア（ａ）から上記放出エリア（ｂ）までの最長距離または近似最長距離を横断する、１つ以上の制限放射線を決定することを含む、項目１に記載の方法。
（項目１０）
ＬＥＤのエミッタ層を成形する方法により製造されるＬＥＤであって、該方法は、
小型エミッタの放出エリア（ｂ）およびエミッタエリア（ａ）を決定することであって、該放出エリア（ｂ）は、第１の幾何学的構成において放出面を有し、該エミッタエリア（ａ）は、第２の幾何学的構成において量子井戸領域を有する、ことと、
該放出エリア（ｂ）および該エミッタエリア（ａ）を使用して、該小型エミッタの最小高さ（ｈ）を決定することと、
該第１の幾何学的構成、該第２の幾何学的構成、および該最小高さ（ｈ）に従い、放射材料から物質を除去するか、または該放射材料を成長させることであって、それにより、該最小高さ（ｈ）を満たす１つ以上の小型エミッタを有する成形部分を形成する、ことと、
該小型エミッタの側壁を成形することであって、各側壁は、該エミッタエリアからその側壁までの直線伝送路を有する放射線の少なくとも大部分を、該放出面における臨界角以下の該放出面における入射角で、該放出面に反射させるように、位置付けられ、かつ成形される、ことと
を含む、ＬＥＤ。
（項目１１）
上記エミッタ材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む、項目１０に記載のＬＥＤ。
（項目１２）
上記第１の幾何学的構成、上記第２の幾何学的構成、および上記最小高さ（ｈ）に従い、放射材料から物質を除去するか、または堆積により該放射材料を成長させることは、ベース基板に隣接する非成形部分をさらに形成する、項目１０に記載のＬＥＤ。
（項目１３）
上記ベース基板は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む、項目１２に記載のＬＥＤ。
（項目１４）
上記方法は、上記ベース基板の表面上に反射防止被覆を塗布することをさらに含み、該表面は空気と接する、項目１２に記載のＬＥＤ。
（項目１５）
上記放射材料から物質を除去することはさらに、
上記第１の幾何学的構成を有する第１のマスクを使用して、上記放射層をパターン化することと、
上記最小高さ（ｈ）および該第１の幾何学的構成に従い、該放射層をエッチングすることと、
上記第２の幾何学的構成を有する第２のマスクを使用して、該放射層をパターン化することと、
該第２の幾何学的構成に従い、該放射材料をエッチングすることと
を含む、項目１０に記載のＬＥＤ。
（項目１６）
上記第１のマスクは、上記エミッタ層におけるエッチング溝の最小幅を画定し、上記１つ以上の小型エミッタは、該エッチング溝の該最小幅だけ離間した小型エミッタの配列を備える、項目１５に記載のＬＥＤ。
（項目１７）
上記第１の幾何学的構成は、４つまたは６つの側面を有する、項目１０に記載のＬＥＤ。
（項目１８）
上記小型エミッタの上記最小高さ（ｈ）を決定することはさらに、該小型エミッタの上記エミッタエリア（ａ）から上記放出エリア（ｂ）までの最長距離または近似最長距離を横断する、１つ以上の制限放射線を決定することを含む、項目１０に記載のＬＥＤ。
（項目１９）
ＬＥＤであって、
ベース基板と、
該ベース基板の表面上のエミッタ層と
を備え、該エミッタ層は、成形部分を有し、該成形部分は、放出エリア（ｂ）と、エミッタエリア（ａ）と、最小高さ（ｈ）と、側壁とを備え、該放出エリア（ｂ）は、第１の幾何学的構成において放出面を有し、該エミッタエリア（ａ）は、第２の幾何学的構成において量子井戸領域を有し、該最小高さ（ｈ）は、該放出エリア（ｂ）および該エミッタエリア（ａ）を使用して決定され、該側壁の各々は、該エミッタエリアからその側壁までの直線伝送路を有する放射線の少なくとも大部分を、該放出面における臨界角以下の該放出面における入射角で、該放出面に反射させるように、位置付けられ、かつ成形される、ＬＥＤ。
（項目２０）
上記エミッタ層はさらに、上記ベース基板に隣接する非成形部分を含む、項目１９に記載のＬＥＤ。
（項目２１）
上記エミッタ層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む、項目１９に記載のＬＥＤ。
（項目２２）
上記ベース基板は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む、項目１９に記載のＬＥＤ。
（項目２３）
上記第１および上記第２の幾何学的構成は、異なるサイズの正方形、長方形、または六角形を含む、項目１９に記載のＬＥＤ。
（項目２４）
上記エミッタ層は、各々が放出エリア（ｂ）、エミッタエリア（ａ）、最小高さ（ｈ）、および側壁を有する、エミッタの配列を備える、項目１９に記載のＬＥＤ。
（項目２５）
上記エミッタ層の上記成形部分は、ＬＥＤからの少なくとも７５％の光抽出を達成するように成形される、項目１９に記載のＬＥＤ。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本明細書に付随しその一部を形成する図面は、本開示のある特定の局面を示すために含められる。本開示のより明瞭な印象は、図面に示される例示的な、したがって非限定的な実施形態を参照することによってより容易に明確となる。可能な限り、同じまたは類似の特徴（要素）を指すために、図面全体を通して同じ参照番号が使用されている。図面は必ずしも縮尺通りに描かれているわけではない。
【図１】図１は、全反射（ＴＩＲ）が光のエスケープコーンを制限し、低い光抽出効率を引き起こす様式の一例を示した概略図である。
【図２】図２Ａおよび２Ｂは、成形側壁を有する成形基板を備える正方形エミッタの一実施形態の様々な面の図表示である。
【図３】図３は、成形側壁を有する成形基板の例示的な立体モデルの側面図である。
【図４】図４は、成形側壁から出口表面に反射した放射線を示す、図３の立体モデルを透過した放射線の一例の図である。
【図５】図５は、出口検出面での近視野分布を示す、放射線追跡プログラムにおいて形成された正方形エミッタの立体モデルのスクリーンショットである。
【図６】図６は、出口検出器面の後の遠視野分布を示す、図５の立体モデルのスクリーンショットである。
【図７】図７Ａ―７Ｄは、六角形エミッタの一実施形態の様々な面の図表示である。
【図８】図８は、ＬＥＤのエミッタ層を成形することにより形成された六角形エミッタの一実施形態の図表示である。
【図９】図９は、エミッタ層を含む複数の層を有するＬＥＤの一実施形態の図表示である。
【図１０】図１０および１１は、近視野および遠視野分布を示す、六角形エミッタの立体モデルのスクリーンショットである。
【図１１】図１０および１１は、近視野および遠視野分布を示す、六角形エミッタの立体モデルのスクリーンショットである。
【図１２】図１２は、基板、エミッタ層、およびＮ接触層を備えるＬＥＤの一実施形態の図表示である。
【図１３】図１３は、基板、およびエミッタ層の成形部分に形成された六角形エミッタの配列を有するエミッタ層を備えるＬＥＤの一実施形態の図表示である。
【図１４】図１４は、複数段階式メサエッチングプロセスの一実施形態の図表示である。
【図１５】図１５は、湾曲した側壁を有する六角形幾何学構成のマイクロＬＥＤの配列を備えるＬＥＤの一実施形態の図表示である。
【図１６】図１６は、傾斜した側壁を有する六角形幾何学構成のマイクロＬＥＤの配列を備えるＬＥＤの一実施形態の図表示である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
（詳細な説明）
本開示、ならびにその様々な特徴および有利な詳細は、付随する図面に示され、以下の説明において詳述される例示的な、したがって非限定的な実施形態を参照して、より完全に説明される。既知の出発材料およびプロセスの説明は、開示の詳細を不必要に不明確化しないように省略され得る。しかしながら、好ましい実施形態を示している詳細な説明および具体例は、例示のみを目的として記載され、限定を目的として記載されない。元となる本発明の概念の精神および／または範囲内での様々な置換、修正、追加および／または再配列は、本開示から当業者に明らかとなる。
【００２９】
本明細書で使用される場合、「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」またはこれらの他の任意の変化形は、非排他的な含有を含むように意図される。例えば、列挙された要素を備えるプロセス、生成物、物品、または装置は、必ずしもこれらの要素のみに限定されず、明示的に列挙されていない他の要素、またはそのようなプロセス、プロセス、物品、または装置に内在する要素を含み得る。さらに、逆の意味で明示的に述べられていない限り、「または」は、包含的論理和を指し、排他的論理和ではない。例えば、ＡまたはＢという条件は、Ａが真（または存在する）およびＢが偽（または存在しない）、Ａが偽（または存在しない）およびＢが真（または存在する）、ならびにＡとＢの両方が真（または存在する）、のうちのいずれか１つにより満足される。
【００３０】
さらに、本明細書に記載されるいかなる実施例または例示も、それらとともに使用される用語（複数を含む）の限定、制限、または明示的な定義として解釈されないものとする。そのかわり、それらの実施例または例示は、具体的な一実施形態に関して、および例示としてのみ記載されているものと解釈されたい。当業者には、それらとともにこれらの実施例または例示が使用されるいかなる用語（複数を含む）も、それとともに、または本明細書の別の場所で示されていても示されていなくてもよい他の実施形態ならびにそれらの実装および適応を包含し、そのような実施形態はすべてその用語（複数を含む）の範囲内に含まれることが意図されることが理解される。そのような非限定的な実施例および例示を指定する言語には、「例えば」、「例として」、「例」、「一実施形態において」等が含まれるが、これらに限定されない。
【００３１】
ここで本開示の例示的実施形態を詳細に参照するが、その例が付随する図面に示されている。可能な限り、様々な図面の同様および対応する部分（要素）を示すために、図面を通して同様の数字が使用される。
【００３２】
本明細書で開示された実施形態において、ＬＥＤは、ＬＥＤからの発光を増加または操作するために、様々な手法で成形され得る。一実施形態において、基板は、ＬＥＤの量子井戸領域により生成された光のすべてまたは圧倒的多数がＬＥＤの基板の放出面から伝達されるように成形される。この目的のため、放出面は、放射輝度の保存の原則を考慮するようなサイズとすることができる。一実施形態において、放出面は、量子井戸領域と基板との間の界面を通して基板に入る光のすべてまたは圧倒的多数が放出面から出ることを可能とする最小サイズとなり得、それにより、放射輝度の保存の要望と、サイズ、特に放出面のサイズを低減する要望とを組み合わせることができる。さらに、基板の側面は、反射または全反射（「ＴＩＲ」）が基板側壁に入射する光線を放出面に向けて反射させ、臨界角以下の角度で放出面上に入射させるように成形され得る。結果として、放出面でのＴＩＲによる光損失は、低減されるか排除される。さらなる実施形態において、側壁に衝突する光が基板内で反射され、側壁を通過しないことを確実とするために、基板の側壁（複数を含む）はまた、光を反射し、側壁を通した光の発散を防止する反射性材料で被覆されていてもよい。ＬＥＤ基板および側壁を成形するためのシステムおよび方法の詳細な例は、上述の２００７年１０月１日出願の米国特許出願第１１／９０６，２１９号および第１１／９０６，１９４号、名称「ＬＥＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ」に記載されており、その両方ともすべての目的のために本明細書に十分に援用される。
【００３３】
ＬＥＤの放射材料は、いくつかの基板上で成長され得る。今日市場に出回っている青色および緑色ＬＥＤのほぼすべては、サファイアまたは炭化ケイ素基板に施された第１の層の材料としてＧａＮ（窒化ガリウム）を使用して構築されている。また、施される実際の層は多様で複雑となり得、ＧａＮだけでなく、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＰ等の化合物半導体材料も含む。現在では、ＩｎＧａＮ  ＬＥＤの大多数はサファイア基板上に成長される。サファイアの屈折率は放射材料（ＩｎＧａＮ）の屈折率よりも極めて低く、したがってサファイア基板に入る光子の数は大きく低減される。高い屈折率の材料からより低い屈折率の材料への移行において、ＴＩＲは光のエスケープコーンを制限する。エスケープコーン角度は臨界角である。この臨界角は、スネルの法則を用いて計算することができる。
【００３４】
スネルの法則は、屈折率の法則としても知られるが、水とガラス等の２つの異なる等方性の媒質の間の境界を通過する光またはその他の波に関して、入射角と屈折との間の関係を説明するために使用される式である。スネルの法則は、入射角および反射角の正弦の比が、媒質の屈折率に依存する定数であることを述べている。
【００３５】
図１は、光がＬＥＤ構造１００の異なる媒質を通して移動する様式を示した概略図である。図１の例では、窒化ガリウム（ＧａＮ）とサファイアとの間の第１の境界（界面１０１）、およびサファイアと空気との間の第２の境界（界面１０２）がある。サファイアの屈折率がずっと低いため、いくつかの光子は、より高い屈折率を有する放射材料内に捕捉される。放射材料内に捕捉された光の量は、ＬＥＤの光抽出効率に反比例する。ＧａＮ材料内に捕捉された光が多いほど、ＬＥＤの効率は低い。本明細書に開示された完全エミッタ層成形（ＣＥＬＳ）プロセスの実施形態に従い放射材料を成形すると、ＧａＮから放出された光がサファイア基板に逃げ、最終的にサファイアから空気に逃げるのを促進することができる。本明細書に開示された実施形態によれば、ＣＥＬＳプロセスは、エミッタ材料の成形により、任意の発光ダイオードの光抽出効率を最大化することができる。本明細書において、例示的な放射材料としてＧａＮが使用されているため、このプロセスはまたＧａＮ成形とも呼ばれる。
【００３６】
空気の屈折率を１と仮定すると、サファイアの屈折率は１．７７、ＧａＮの屈折率は２．５であり、したがってＧａＮにおける出射角は以下のように計算することができる。
【００３７】
【数１】
2011512037.tif 000001
この例における臨界角は、ＧａＮ中で形成された光に対して２３．５８度である。ここでの１つの仮定は、放出エリアの下に部分的または完全反射層があり、したがって光は半球にのみ放出されるということである。
【００３８】
エスケープコーンは、全放出光のごくわずかである。失われたエネルギー量を計算するために、均等拡散エミッタに対するエスケープコーンの投射立体角を計算する。均等拡散エミッタの立体角はＰｉステラジアンである。２３．５８度のエスケープコーンの立体角は、
【００３９】
【数２】
2011512037.tif 000002
光抽出効率は約１６％であり、これは放射材料（ＧａＮ）内で形成されたエネルギーの１６％が、図１の例におけるＬＥＤの上面を逃れることを意味する。
【００４０】
産業において、多くはＬＥＤ構造内の高屈折率から低屈折率への様々な界面でＴＩＲを妨害または制限する手法に焦点を置いているが、本明細書で開示された実施形態は、これらの界面においてＴＩＲが存在する理由に焦点を置いている。ＴＩＲは、輝度のために生じる。輝度の定理は、放射輝度保存定理とも呼ばれるが、光学に適用されるエネルギー保存の定理である。放射輝度保存定理は、系の放射輝度が保存されなければならないことを述べている。
【００４１】
放射輝度保存定理は以下の通りである。
【００４２】
【数３】
2011512037.tif 000003
形成されたエネルギーのすべてがＡ１から逃げると仮定し、または初期放出パターンおよび最終放出パターンが均等拡散であると仮定すると、式は以下のようになる。
【００４３】
【数３ａ】
2011512037.tif 000004
輝度の式は、所与の屈折率の材料からより低い屈折率の材料への移行において、より低い屈折率の材料の放出面積が増加しなければならないことを規定している。これは、光束が保存され、立体角が同じ均等拡散であることを仮定している。この増加は、屈折率比の二乗に直接関連している。
【００４４】
高屈折率材料における小さいエミッタエリアからより低屈折率のより大きなエリアへの移行において、側壁は、全反射を利用するように成形される。量子井戸領域から放出された光は、全反射により側壁で反射してより大きなエリアに向かう。エミッタから発するすべての放射線（または設計により決定されるある量の放射線）は、臨界角より大きい角度で側壁に衝突し、内部反射する。出口に衝突する放射線は、好ましくは臨界角未満の角度であり、放出面を通してより低い屈折率の材料における大きな領域へと通過する。したがって、システム輝度は、側壁により画定される光学システムにより保存される。
【００４５】
ベース基板がサファイアであり、放射材料がＧａＮであり、所望の出射角が９０度均等放散であると仮定すると、放出面積は輝度の定理［式３］により計算することができる。上述の式３ａはまた、放出面積のずれを示している。入射面積に対する放出面積の比率は、屈折率の比の２乗に等しい。一例として、屈折率が２．５であり、または終端媒質が空気であるエミッタ媒質の場合、放出面積は入射面積の２．５倍の二乗に等しい。この例において、エミッタ面積に対する放出面積の比率は、６．２５：１である。
【００４６】
図２Ａおよび２Ｂは、成形部分１０および成形側壁６０、６５を備える、正方形エミッタ２０の例示的実施形態の図表示の上面図および側面図である。いくつかの実施形態において、放出面５５は、製造プロセスの許容差内で、界面５０と実質的に同じ形状、実質的に平行および実質的に回転整列してもよい。いくつかの実施形態において、放出面５５の形状は、界面５０の形状とは異なっていてもよい。
【００４７】
放出面５５の面積は、輝度の定理［式３］による輝度を保存するように選択され得る。以下の式３ｂは、放出面積の例示的なずれを示している。
【００４８】
【数３ｂ】
2011512037.tif 000005
Φ１＝界面５０を横断する光束、
Φ２＝放出面５５を出る光束、輝度の保存のためにはΦ１＝Φ２、
Ω１＝光が界面５０を横断する有効立体角、
Ω２＝光が放出面５５を出る有効立体角、
Ａ１＝界面５０の面積、
Ａ２＝放出面５５の面積、
ｎ１＝基板１０の材料の屈折率、
ｎ２＝基板１０の外部の基板（例：空気またはその他の媒質）の屈折率。
【００４９】
Ａ２は、光が上記式に従い保存されるような放出面５５の最小表面積を表す。例えば、界面５０が約１ｍｍ四方の面積を有するように量子井戸領域１５が１ｍｍ四方を形成し、ｎ１＝１．７７、ｎ２＝１、Ω１＝３、Ω２＝１、およびファイ１がファイ２に等しいと仮定すると、放射輝度を保存するにはＡ２は少なくとも９．３９８７ｍｍ２でなければならない。この例では、有効立体角Ω１およびΩ２、ｎ１およびｎ２、ファイ１およびファイ２が与えられる。有効立体角の決定に関するさらなる教示については、２００７年１０月１日出願の上述の米国特許出願第１１／９０６，２１９号および第１１／９０６，１９４号、名称「ＬＥＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ」を参照されたい。
【００５０】
Ａ２は、放射輝度の保存のための放出面５５の最小表面積および所与の出力円錐角または放出半角に対する可能な限り最小のサイズを表す。いくつかの実施形態において、Ａ２は、製造プロセスにおける許容差、量子井戸領域のサイズもしくは形状またはその他の因子における誤差を補償するために若干より大きくされてもよい。Ａ２がこのように決定された最小値よりも大きくされた場合、光束は保存されるが、発散（単位面積あたりの光束として定義される）は、達成可能な最大値から低下し得る。
【００５１】
デバイスの高さは、システムにおける制限放射線により決定され得る。この放射線は、表面５５において内的に反射せずに、高屈折率材料内の最長距離を表面５５まで横断する。放出面が正方形である場合、対角線の放射線が制限放射線である。図２Ａおよび２Ｂに示される例では、放出面４０が正方形であるため、対角線の放射線４５が制限放射線である。
【００５２】
１辺が１で面積が１平方単位の単位エミッタおよび１辺が２．５で面積が６．２５である出口エミッタの場合、デバイスの最小高さは以下のように計算され得る。
【００５３】
【数４】
2011512037.tif 000006
正方形エミッタの高さ：出口端：エミッタ端の比率は、５．６７：２．５：１である。いくつかの実施形態において、経験的方法を使用して高さを決定することができる。放射輝度の保存は、最小放出面積を決定付けるもので、高さを決定付けるものではない。
【００５４】
様々な実施形態によれば、ＬＥＤのエミッタ層の一部が上述のように成形されている。より具体的には、エミッタ層は、エミッタ層材料が基板と概して連続的に接触するように、基板（上述のようにサファイアであってもよい）に対する制御された深さまたは高さに成形される。したがって、いくつかの実施形態において、エミッタ材料の連続層は基板と接触し得る。いくつかの実施形態において、エミッタ材料の連続層は、基板と電気的に接触し得るか、または基板と電気面もしくは連続的な電気接続を形成する。いくつかの実施形態において、エミッタ層の一部のみが成形される。いくつかの実施形態において、エミッタ層は、制御された深さまたは高さに成形され得る成形部分および非成形部分または領域を備えてもよい。
【００５５】
エミッタ層と基板との間の界面の面積は、上述のように選択することができ、エミッタ層材料の高さは、エミッタ層の成形部分における最長距離または近似最長距離を横断する１つ以上の制限放射線に基づき選択することができる。具体例として、図２Ａは、制御された高さ（ｈ）に成形されたエミッタ２０の成形部分１０を示す。この例では、成形部分は、エミッタ層、例えばＧａＮ層または他のエミッタ層等であってもよいが、これらに限定されない。エミッタ層材料２０の非成形部分は図２Ａには示されない。一実施形態において、上述の制限放射線は、エミッタ層の成形部分おける最長距離または近似最長距離を横断する。したがって、図２Ａの例において、制限放射線４５は、概してエミッタ層の成形部分の深さまたは高さ（ｈ）で終端するように選択され得る。
【００５６】
一実施形態において、側壁の形状は経験的に決定される。側壁には以下の２つの制限がある：
ａ．側壁に衝突するエミッタから発するすべての放射線は、臨界角以上の角度で側壁に衝突すべきである。
ｂ．側壁で反射するすべての放射線は、出口表面に向かって反射すべきであり、出口表面における入射角は臨界角未満である必要がある。
【００５７】
側壁の形状の他の基準は、放出面における光の強度の均一性もしくは無限大でのガウス分布、または両方、またはその他の組の条件であってもよい。したがって、側壁は、放出された光が所望の強度または角度で基板に誘導されるのを確実とするように成形することができ、所望の強度または角度は、基板の特性、例えば基板、エミッタ材料または他の材料の屈折率等に基づいて決定され得る。
【００５８】
いくつかの実施形態において、側壁の形状は反復により決定することができる。形状は、ｎ個のファセット（小平面）に分割される。側壁のファセットは、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｅｘｃｅｌ  （ＭｉｃｒｏｓｏｆｔおよびＥｘｃｅｌは、ワシントン州レドモンドを拠点とするＭｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの商標である）等のコンピュータプログラムを使用して定義することができる。より具体的には、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｅｘｃｅｌのグラフ機能を使用して、側壁の形状のグラフを作成することができる。各側壁に対し同じ一般形状を使用することができ、または異なる側壁に対し異なる形状を使用することができる。Ｅｘｃｅｌ等のプログラムを使用して、各ファセットのサイズおよび角度を変化させ、所望の性能を達成することができる。特定の側壁形状を有する（または特定のファセットに基づく湾曲側壁形状を有する）成形基板の立体モデルは、任意の機械製図プログラム、例えばＳｏｌｉｄｗｏｒｋｓ、ＡｕｔｏＣａｄ、Ｐｒｏ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒ等を使用して作成することができる。立体モデルはまた、任意のレイ・トレーシングプログラム、例えばＺｅｍａｘ、ＴｒａｃｅＰｒｏ、ＢＲＯ、Ｌｉｇｈｔｔｏｏｌｓ等を使用して作成および分析することができる。
【００５９】
物理学において、レイ・トレーシングは、様々な伝播速度、吸収特性、および反射表面の領域を有するある系を通る波または粒子の経路を計算するための方法である。これらの状況下において、波面は、曲げられ、方向を変化され、または表面で反射し得るため、分析が複雑となる。レイ・トレーシングは、放射線と呼ばれる理想的な細いビームを個別量だけ媒質を通して繰り返し前進させることにより問題を解決する。単純な問題は、単純な数学を使用していくつかの放射線を伝播させることにより分析することができる。より詳細な分析は、コンピュータを使用して多くの放射線を伝播させることにより行うことができる。電磁放射線の問題に適用する場合、レイ・トレーシングは、多くの場合、その寸法が光の波長よりもずっと大きい物体を通して、またはその周りを光波が伝播する限り有効な、マクスウェル方程式の近似解に依存する。
【００６０】
市販のレイ・トレーシングプログラムを使用してコンピュータシミュレーションを行い、レイトレースならびに強度および放射輝度分布プロファイルを生成することができる。得られた強度および放射輝度プロファイルが不満足な分布を有する場合、または成形基板の透過効率が低すぎる場合、様々なファセットの変数を調整し、再びシミュレーションを行うことができる。このプロセスは、ファセット変数を自動的に調整するためのコンピュータプログラムを使用することにより自動化することができる。例示のため、以下の例はＺｅｍａｘ光学設計プログラム（Ｚｅｍａｘはワシントン州ベルビューのＺｅｍａｘ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの商標である）を使用している。
【００６１】
（Ｚｅｍａｘモデル）
輝度の式により決定付けられたサイズ制約を満たす形状が作成され、制限放射線に対する考慮がなされたら、レイ・トレーシングプログラムにおいてモデル化することができる。レイ・トレーシングプログラムは、その形状を通過する放射線をモデル化し、その効率、近視野および遠視野分布を決定する。
【００６２】
図３は、成形側壁６０、６５を有する成形部分１０の例示的立体モデルの側面図である。側壁６０、６５を有する部分１０は、正方形エミッタ２０のエミッタ層の成形部分を表している。具体例として、部分１０は、屈折率２．５のＧａＮ材料で代表される。出力分布は均等拡散である。
【００６３】
図４は、図３の立体モデルを通したレイ・トレーシングの一例である。ＴＩＲに起因して、放射線７０は側壁６０、６５で反射して出口表面５５に向かい、そこで屈折して放出面５５を通過する。
【００６４】
図５は、Ｚｅｍａｘで作成された立体モデルのスクリーンショットであり、例示的正方形エミッタ２０の出口検出器面４０での放射輝度を示している。任意のエッジ効果放射線が正確に記録されることを確実とするために、検出器面は放出面よりも大きく作製されている（この場合１０単位×１０単位）。放射輝度は、検出器面４０の部分の中心を含んでいる。ＧａＮ材料の場合、図５は、ＧａＮ出口における近視野分布を示している。
【００６５】
図６は、図５の立体モデルの別のスクリーンショットであり、検出器面４０での放射強度を示している。放出面での放射強度は、遠距離での放射輝度と等しく、しばしば遠視野分布と呼ばれる。ＧａＮ材料の場合、図６は、ＧａＮの後の遠視野分布を示している。
【００６６】
図５および６は、成形されたＬＥＤの一実施形態の光を空気中に出す効率を例示している。この場合、放出された光の約９４％が、エミッタ層から抽出される。これは、異なる材料の層内の吸収損失およびフレネル損失を考慮していない。サファイア中の吸収損失は無視でき、ＧａＮ層は非常に薄い。いくつかの実施形態において、ＧａＮ層は、約４〜５ミクロンの厚さとなり得る。フレネル損失は以下の通りである。
【００６７】
【数５】
2011512037.tif 000007
フレネル損失を考慮した場合のエミッタ層から抽出される光は、約８４％である。
【００６８】
基板の放出面における反射防止被覆の追加により、空気に対するサファイアのフレネル損失は排除され得る。したがって全効率は以下のようになる。
【００６９】
【数６】
2011512037.tif 000008
（六角形配置）
正方形エミッタは、空間の無駄なく互いに完璧に適合するという利点を有する。また、ダイスカット操作が単純化され、２つの直交した切断だけとなる。正方形エミッタに関するさらなる教示については、２００７年１０月１日出願の上述の米国特許出願第１１／９０６，２１９号および第１１／９０６，１９４号、名称「ＬＥＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ」を参照されたい。正方形プロファイルは、等しい長さの辺を有する長方形プロファイルであることに留意されたい。以下の例示的実施形態において六角形エミッタが説明されているが、本明細書に開示された方法論は様々な形状に適用することができ、いかなる特定の形状、サイズ、構成、または材料によっても限定されないことが、当業者に理解される。
【００７０】
六角形パターンは、いかなる空間の無駄もなく互いに適合し得る。成形されたデバイスにおいて、六角形パターンは、正方形デバイスよりも少ない材料体積を提供し得る。図７Ａ〜７Ｄは、六角形エミッタ７２０の一実施形態の様々な面の図表示を示す。
【００７１】
面積比は輝度の式により決定付けられ、したがってエミッタ面積（７５０）に対する放出面積（７５５）は、６．２５：１の比を維持する。しかしながら、高さ（ｈ）は、以下のように低減される。
【００７２】
【数７】
2011512037.tif 000009
ここで高さは、上述の正方形エミッタ２０［式４］のように５．６７ではなく４．０１である。この例における高さ：側面端：エミッタ端の比は、４．０１：２．５：１である。
【００７３】
これらのベース単位寸法を使用して、立体モデルを作成しモデル化することができる。例えば、ＰｒｏＥで立体モデルを作成し、次いでＺｅｍａｘでモデル化することができる。図８は、エミッタ層８０を成形することにより作成された六角形エミッタ８２０の一実施形態の図表示である。この例において、エミッタ層８０は、成形部分８１および非成形部分８２を備える。成形部分８１において、ＧａＮ層８１０ならびに側壁８６０および８６５は、光抽出効率を最大化するために上述のような制御された高さｈに成形され、最小のエネルギー損失で、界面８５０を通ってＧａＮ層８１０に入射し、放出面８５５を通って出る、量子井戸領域８１５からの光子を許容する。量子井戸領域に関するさらなる教示については、２００７年１０月１日出願の上述の米国特許出願第１１／９０６，２１９号および第１１／９０６，１９４号、名称「ＬＥＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ」を参照されたい。
【００７４】
図９は、エミッタ層８０を含む複数の層９２０を有するＬＥＤ９００の一実施形態の図表示である。エミッタ層８０から放出された光は、界面１０１を通って基板９０に入射し、界面１０２を通って基板９０から空気中に出る。一実施形態において、基板９０はサファイアである。六角形エミッタ８２０の効率は、Ｚｅｍａｘで分析された立体モデルによれば、約９５．５％である。すなわち、放出された光の約９５．５％が、エミッタ層から抽出される。フレネル損失を考慮すると、全抽出効率は約８５％である。
【００７５】
【数８】
2011512037.tif 000010
図１０は、六角形エミッタの立体モデルのスクリーンショットであり、出口表面での近視野分布を示している。図１１は、図１０の立体モデルの別のスクリーンショットであり、出口検出器面の後の遠視野分布を示している。正方形形状のデバイスの場合のように、空気に対するサファイアの界面（界面１０２）に反射防止被覆を追加し、そこのフレネル損失を排除することができる。すると、全抽出効率は約９２．６％となる。
【００７６】
（マイクロエミッタの配列）
ＧａＮ成形の１つの利点は、エミッタの大規模な配列を成形して１つのＬＥＤを形成する能力である。別の利点は、微小なエミッタにより、除去される全体的な体積も減少することである。図１２は、基板９０、エミッタ層８０、およびＮ接触層６０を備えるＬＥＤ１２０の一実施形態の図表示である。一実施形態において、基板９０はサファイアである。一実施形態において、Ｎ接触層６０は、１つ以上のＮ接触点を備える。一実施形態において、エミッタ層８０は、六角形形状のマイクロＬＥＤの配列を備える。一実施形態において、エミッタ層８０は、六角形形状のマイクロＬＥＤのＭ×Ｍ配列を備える。一実施形態において、ＬＥＤ  １２０は、約１００ミクロン（Ｗ）×１００ミクロン（Ｌ）×８０ミクロン（Ｄ）である。図１２の例において、六角形形状のマイクロＬＥＤの配列は、エミッタ層８０を成形することにより形成される。開示されたシステムおよび方法の実施形態は、任意の基板を使用することができ、それでも放出された光子のすべてまたはほぼすべてを抽出することができる。この例のためにベース基板はサファイアであるが、他の基板が使用されてもよい。
【００７７】
上述のように、エミッタ層の成形部分は、概して基板と連続的に接触しており、電気面またはほぼ連続的な電気接続を形成する非成形部分に移行する。Ｎ接点は、電気面を形成するエミッタ層の非成形部分と電気的に接続しており、したがって、エミッタ層の非成形部分を通ってエミッタ層の成形部分に電流が流れるようにする。一実施形態において、Ｎ接点は、基板の成形および非成形部分を電源に電気的に結合し得る、金属合金等の導電材料であってもよい。
【００７８】
代替の実施形態において、エミッタ層の非成形部分は、端部において電源と結合されてもよく、あるいは、１つ以上の成形部分が電源に結合されてもよく、あるいは、上記または電流を供給するその他の方法もしくはシステムの任意の組み合わせが使用されてもよい。また、Ｎ接点よりも小型でより多数のＰ接点を電源に結合してもよい。
【００７９】
上述の構造は、実装、熱放散、および照明の均一性の追加的な利点を有する。各マイクロＬＥＤの逃げ角度は、各マイクロＬＥＤの非常に小さいサイズと併せて、１つのデバイスからの射出放射線を多数の隣接したマイクロＬＥＤの射出放射線と重複させながら、光はまだ基板の厚みの中に含有されたままとなるような角度である。光が基板の放出面に達する時には、多くのマイクロＬＥＤからの光は平均化され、非常に均一な光出力プロファイルを形成する。いくつかの実施形態によれば、エミッタ層におけるマイクロＬＥＤの数は、１つから数個、数千個、数百万個、またはそれを超える範囲であってもよい。
【００８０】
熱的観点から、各マイクロＬＥＤの放出ベースは、マイクロＬＥＤに電力を提供するとともにマイクロＬＥＤの熱除去経路を提供するサブマウントに直接接合され得る。これは、本質的に優れた熱拡散を提供する。エミッタは互いから離れて広がっているため、熱密度もまた低減される。
【００８１】
同様に、Ｐ層への電力は、ＬＥＤの表面全体にわたる多数の小さい点で供給されるため、電力は、サブマウント上の金属化のほぼ連続的な面によりこれらの点に印加され得る。これは、優れた電流拡散を提供する。電流拡散は、デバイスから最大量の光出力を提供する上での既知の問題である。改善された電流拡散を達成するため、異なるレイアウトのＰ型およびＮ型ＧａＮの多くの構成が当技術分野において使用されている。マイクロＬＥＤ構造は、本質的にこの拡散を提供する。
【００８２】
より具体的には、Ｎ層の厚さはＰ層の厚さと比較して大きいため、Ｎ層における電流の拡散は、Ｎ層への比較的少ない接触点により達成される。図１２に示されるように、例えば４つの場所でのＮ層への接触が、これを達成する１つの方法である。あるいは、Ｎ層は、中心点または配列の端部周囲のいくつかの点で接触され得る。
【００８３】
（構築方法）
（エッチング）
エッチングは、適切な形状を生成するために極めて制御された様式で基板材料を除去する化学的プロセスである。通常は、湿式エッチングおよび乾式エッチングの２種類のエッチング方法がある。湿式エッチングは、基板材料を除去するための液相エッチャントの使用を含む。乾式エッチング、プラズマエッチングおよび反応性イオンエッチングでは、イオンが形成され、基板上に与えられる。ここで、化学反応または粒子の運動量のいずれかに基づき、材料が基板から除去される。
【００８４】
基板材料（量子井戸領域を備える材料をさらに含み得る）のウエハから開始して、フォトレジストの特定のパターンがウエハの側面に堆積され得る。次いでこのウエハがエッチングされる。ウエハ上のフォトレジストで覆われた場所はエッチングされず、一方フォトレジストのない場所は材料が除去される。フォトレジストの端部の所望の輪郭を達成するためにプロセスを調整する多くの手法がある。例えば、より厚い層のフォトレジストを施し、次いでエッチングプロセスの間犠牲的に除去することが可能であり、またはその他の犠牲層をフォトレジストと併用することができる。これらの層は、ＬＥＤ基板の所望の輪郭を生成するような様式でエッチャントにより経時的に除去される。これを利用して、成形基板を生成するためにウエハを正確にエッチングすることができる。別の手法は、複数のレジストおよび複数のエッチングステップを使用することである。エッチングフォトレジストおよびエッチングステップは、材料の小さな層を除去するために使用することができる。複数の小さいステップを使用して、所望の３Ｄ形状を得ることができる。
【００８５】
エッチングパラメータは、基板材料に基づき得る。エッチング速度は、エッチャントおよび基板に依存して変動する。サファイアおよび炭化ケイ素等のＬＥＤ用途において使用される基板材料の場合、反応性イオンエッチングを使用したエッチング速度は、毎分２５０ｎｍから２．５μｍの範囲となり得、これは商業的生産目的では遅い可能性がある。炭化ケイ素は、上記エッチング速度の上限にあり、一方サファイアは下限にある。
【００８６】
いくつかの実施形態において、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系表面構造ＧａＮ側壁の成形は、トロイダルレンズテンプレートを使用したＣｌ２／ＢＣｌ３／Ａｒプラズマ中の複数段階乾式エッチングプロセスにより行うことができる。いくつかの実施形態において、ｎ型およびｐ型ＧａＮおよびＩｎＧａＮ層のこの乾式エッチングプロセスは、フォトレジストおよびＮｉフォトマスクを使用した誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）により行うことができる。一定のＩＣＰ／バイアス電力すなわち３００／１００Ｗおよび４ｍＴｏｒｒチャンバ圧力で０．５ｎｍ未満の下限エッチング表面粗度を維持するために、Ｃｌ２／ＢＣｌ３／Ａｒの制御されたガス流速を使用することができる。低い流速（Ｃｌ２／ＢＣｌ３／Ａｒ）のガス混合物を使用した３０ｍＴｏｒｒ、３００Ｗ  ＩＣＰ、１００Ｗバイアス電力では、ｎ型ＧａＮに対し１２，０００Ａ／ｍｉｎのエッチング速度が予想される。複数段階エッチングプロセスの間、ＧａＮ側壁の下限表面粗度を維持するように注意が必要である。一例として、１００Ｗのバイアス電力で１ｎｍ未満の低い二乗平均平方根（ｒｍｓ）粗度値が維持されるべきである。
【００８７】
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系構造のテーパ型壁のエッチングの場合、ＧａＮの滑らかな鏡面状ファセットを達成するためには、比較的高いＣｌ２流速および低いチャンバ圧力約４ｍＴｏｒｒが保たれるべきである。エッチングされたファセットのテーパ形状は、その選択されたパラメータに常に依存するため、ＩＣＰ電力およびチャンバ圧力の最適化は慎重に行われるべきである。当業者に理解されるように、適切なエッチングパラメータを使用して、ｎ−ＧａＮの鏡面状側壁ファセットを得ることができ、これは、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系発光ダイオードの製造に使用することができる。さらに、固定ガス流量において、または比較的低いＩＣＰ／バイアス電力およびチャンバ圧力において、ＩｎＧａＮ系材料のテーパ型側壁形状をさらに改善および改良することができる。
【００８８】
図１３は、基板９０、およびエミッタ層８０の成形部分８１に形成された六角形エミッタ８２０の配列を有するエミッタ層８０を備えるＬＥＤ１３０の一実施形態の図表示である。図１３に示されるように、エミッタ層の一部または層は、エミッタ層材料を除去して、上記図８に示されるような成形側壁を有し得るμＬＥＤエミッタの配列を形成することにより成形される。より具体的には、エミッタ層８０は、基板９０に対し制御された深さまたは高さに成形され、エミッタ８２０間のエッチング溝１３１および基板９０に隣接するエミッタ層材料８０のほぼ連続的な非成形層８２を残している。一実施形態において、各エッチング溝１３１は、約０．４ミクロンの幅である。すなわち、この例において、マイクロＬＥＤ８２０は、最も狭い点において約０．４ミクロンだけ離間し得る。
【００８９】
図１３において、基板９０に隣接するエミッタ層８０の非成形部分８２は、連続Ｎ−ＧａＮ層１３２を形成し、そこで非成形エミッタ層材料は概して基板と連続的に接触する。したがって、一実施形態において、概して基板と接触し、電気的に接触するか、または電気面もしくは連続的な電気接続を形成するエミッタ層材料の連続層があってもよい。一実施形態において、すべてのまたは概してすべてのエミッタ層材料が成形されるわけではないため、制御された深さまたは高さに成形され得るエミッタ層の成形部分、および成形されない（エミッタ層材料の）エミッタ層の非成形部分が存在する。一実施形態において、制限放射線は、基板に対するエミッタ層の成形部分の深さまたは高さで概して終端するように選択され得る。
【００９０】
（複数段階式メサエッチングプロセス）
図１４は、複数段階式メサエッチングプロセスの一実施形態の図表示である。本開示内において、「メサ」は、エッチング後に残留し、「メサ」として表れデバイスの発光部分となるものを形成するウエハの部分である。ステップ１４１において、エミッタ層８０は、エッチング溝１３１の底部を画定するようにパターン化される。ステップ１４２において、等方性のエッチング化学薬品を使用して直立またはほぼ直立した側壁を達成する。ステップ１４３において、エミッタ層８０は、エッチング溝１３１の頂部を画定するように再びパターン化される。ステップ１４４において、異方性のエッチング化学薬品を使用して側壁に局面を形成する。いくつかの実施形態において、続く処理は金属化および不動態化を含み得る。様々な実施形態において、複数のフォトおよびエッチングステップを使用して、発光層の最終プロファイルをより良く精密化することができる。エッチング化学は、側壁プロファイルを直線（等方性）から曲面（異方性）に変化させるように選択することができる。これは、湾曲形状を形成するための単一ステップを通して、または発光層の側壁形状に様々なファセットをエッチングするための複数のステップにおいて行うことができる。製造ステップの順番は、所望により変動し得る。例えば、メサの頂部が最初に画定され、続いてフォトエッチングが行われてもよい。ステップは、表面構造においてより深くエッチングしてもよい。
【００９１】
図１４の例において、ＬＥＤ１４０の一実施形態は、上述の複数段階式メサエッチングプロセスにより製造され得る。この例において、ＬＥＤ  １４０は基盤９０およびエミッタ層８０を備える。この例において、エミッタ層８０は、上述の複数段階式メサエッチングプロセスにより形成される成形部分８１を備え、エミッタ層８０の非成形部分８２は基板９０に隣接したままとなっている。複数段階式メサエッチングプロセスのパターン化およびエッチングステップは、エミッタ８２０間にエッチング溝１３１を形成する。図８を参照して上述したように、各エミッタ８２０は、成形側壁８６０を有する成形基板８１０および量子井戸領域８１５を備えてもよい。成形基板８１０は、放射材料でできている。一実施形態において、放射材料はＧａＮである。一実施形態において、基板９０はサファイアである。
【００９２】
また、他のエッチングプロセスを使用してＬＥＤ１４０を生成することができる。例えば、エミッタ層を成形するための方法の一実施形態は、基板上にｐ層金属を堆積させるステップと、ｐ層金属上に反射層を堆積させるステップと、反射層上にＳｉＯ２保護層（緩衝層）を堆積させるステップと、堆積させた層を所望の形状にエッチングするステップと、次いでｎ層金属を堆積させるステップとをこの順番で含み得る。別の例として、エミッタ層を成形するための方法の一実施形態は、マスクＡパターンを堆積させるステップと、マスクＡパターンに従い不要な材料をエッチングで除去するステップと、マスクＢパターンを堆積させるステップと、マスクＢパターンに従いさらなる材料をエッチングで除去するステップと、パターン化−エッチングステップを繰り返して所望の高さを構築するステップと、ｎ層金属を堆積させ、ｐ層金属を堆積させるステップとをこの順番で含み得る。反射層もまた、必要に応じて堆積され得る。
【００９３】
いくつかの実施形態は、直立側壁を得るための等方性エッチングステップを省略し、一実施形態においてＧａＮを含む放射材料の成形に直接進んでもよい。例えば、エミッタ層を成形するための方法の一実施形態は、ｐ層金属で基板をブランケット被覆するステップと、ｐ層金属で被覆された基板をフォトレジストパターン化するステップと、それに従い不要な材料をエッチングで除去するステップとをこの順番で含み得る。一実施形態において、ＩＣＰ−ＲＩＥを利用してエミッタ層から不要な材料をエッチングで除去する。また、他のエッチング方法が使用されてもよい。
【００９４】
この方法は、単一マスクＧａＮプロファイルのみを使用し、このようにして形成されたｐ接点は硬質マスクとして使用され、メサに整合しなおす必要性を回避し、フォトレジストパターン化ステップを排除している。塩素（Ｃｌ２）および三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）ガスの濃度を変化させることにより、異なるＧａＮエッチング勾配を得ることができる。より具体的には、いくつかの実施形態において、ＧａＮ材料がエッチングされている間、局所勾配に影響を与えるためにＣｌ２およびＢＣｌ３濃度の比率を変化させる一連のステップが行われる。例えば、より高い濃度のＣｌ２またはＣｌ２のみを使用して、より直立した側壁を得ることができる。ＢＣｌ３を多く含む化学組成は、側壁を不動態化するポリマーを生成する。高さ＝０で特定の勾配を得るために、Ｃｌ２およびＢＣｌ３プラズマは、特定の濃度比を有し得る。高さ＝１で別の勾配を得るために、Ｃｌ２およびＢＣｌ３の濃度比を変化させることができる。所望の高さに達するまで、上記ステップを繰り返すことができる。エミッタ層の完全な高さにわたり、エッチングプラズマの濃度比に依存して、エミッタ層における各マイクロＬＥＤの側壁の勾配は、非常に浅い角度から非常に急な角度まで移行し、このようにしてエミッタ層を成形することができる。
【００９５】
いくつかの実施形態は、プロファイルされたＧａＮエッチングのために２種のマスキング材料での単一フォトレジストパターンを利用し得る。例えば、エミッタ層を成形するための方法の一実施形態は、以下の特徴を含み得る。
１）フォトレジストパターンは、最終ＧａＮ面積と比較してサイズが大きい。
２）さらなるプロファイル制御のために焦点／露光を利用して側壁に勾配をつけることができる。
３）硬質マスクに酸化物を使用する。一実施形態において、硬質マスクは、ＢＯＥ／ＨＦのいずれかにおいてエッチングされ得るか、例えば、六フッ化硫黄（ＳＦ６）を用いてプラズマエッチングされる。バッファード酸化物エッチング（ＢＯＥ）は、酸化ケイ素のより制御されたエッチング速度を有する、フッ化アンモニウムおよびフッ化水素酸（ＨＦ）の混合である。
４）約１：１のレジストエッチング比、および約５：１の酸化物エッチング比を使用する。１：１エッチング比は、レジストが中間的なエッチングで消費されるようなレジスト厚さを標的とするように使用される。これは、ＧａＮの事前に保護された領域を露出させる。
５）酸化物硬質マスクが約５：１の比でエッチングされ、エッチングの残りを堅牢にする。
６）Ｃｌ２およびＢＣｌ３の比の制御がまたプロファイル制御を補助し得る。
【００９６】
（機械的成形）
図１４は、マイクロＬＥＤの配列を形成する１つの方法を表し、例示的であり限定的ではなく、マイクロＬＥＤの配列を形成するためのその他の方法が可能であり、本発明の範囲内である。いくつかの実施形態において、成形ＧａＮ材料を形成するための方法は、レーザを使用してＧａＮ材料を切除し、所望の形状を形成して必要な滑らかさを提供するステップを含む。レーザアブレーションは、量子井戸領域または基板材料を除去または排出することにより、高出力レーザを使用してＬＥＤを生成するステップである。各レーザパルスは、わずかな量の材料を除去するのみである。レーザは、各々のその後のパルスで材料を除去するように平行移動され得る。Ｘ−ＹおよびＺ方向に平行移動することにより、３Ｄ形状が除去され得る。レーザアブレーションの実施形態は、エッチングよりも速く基板を成形するために使用することができる。既知の技術を使用して、レーザアブレーションは、炭化ケイ素およびサファイアにおいて、毎分約５００μｍから１ｍｍの厚さを除去することができる。
【００９７】
他の方法は、水または油のジェット中の粒子を使用して材料の除去をもたらす液体ジェット切断を含む。水ジェットを使用してウエハを切除し、所望の形状の基板を形成することができる。水ジェットアブレーションの一実施形態において、水の短いパルスを使用して、ウエハを段階的に切除することができる。水のパルスを使用してウエハを切除するプロセスは、レーザアブレーションに関して上述したプロセスと同様となり得る。水ジェットアブレーションの一実施形態において、水ジェットを使用してある特定の角度でウエハを完全に切断し、次いで角度をわずかにずらして水ジェットを使用してわずかに大きい角度でウエハを切断し、最終的に所望の形状の基板を生成することができる。さらなる実施形態において、水ジェットに研削材（例：工業用ダイヤモンド粒子）を投入し、材料が切除される速度を増加させることができる。
【００９８】
別の選択肢は、粉砕、フライス加工、切断、超音波粉砕、研磨、掘削、または機械的除去のその他のシステムもしくは方法により、材料を機械的に除去することである。機械的除去により材料を除去して１つ以上のＬＥＤを成形するための数々の方法がある。材料のウエハを切除して所望の形状を形成する上記方法を個々に説明したが、上記方法を組み合わせてもよい。例えば、適切に湾曲した側壁形状を確実とするために、機械的除去および水ジェットアブレーションの組み合わせを使用することが可能となり得る。同様に、基板材料に依存して、必要に応じてウエハから基板材料を除去するための方法および技術の様々な他の組み合わせを使用することができる。一実施形態において、材料の機械的除去は、段階的に行うことができる。
【００９９】
超音波粉砕の実施形態において、１つ以上のＬＥＤの逆の形状を有するツールに研削剤を下塗りし、材料が除去され成形された基板が生成されるように、ツールが超音波振動して基板材料上で磨く／擦る作用を生成している間に基板材料と接触させる。
【０１００】
ＬＥＤ基板および側壁を成形するためのシステムおよび方法の追加的な例は、上述の２００７年１０月１日出願の米国特許出願第１１／９０６，２１９および１１／９０６，１９４、名称「ＬＥＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ」に記載されており、その両方ともすべての目的のために本明細書に完全に援用される。側壁を成形する様々な方法を、上述のような発光層に適用することができる。一例として、図１５は、湾曲した側壁１５５を有する六角形幾何学構成のマイクロＬＥＤ１５２の配列を備えるＬＥＤ  １５０の一実施形態の図表示である。この例におけるＬＥＤ１５０は、長方形形状である。しかしながら、他の形状も可能である。別の例として、図１６は、基板１６１と、傾斜した側壁１６５を有する六角形幾何学構成のマイクロＬＥＤ１６２の配列とを備えるＬＥＤ  １６０の一実施形態の図表示である。
【０１０１】
成長
いくつかの実施形態において、マイクロＬＥＤはまた、エミッタ層を成長させることにより作製され得る。ＧａＮを例にとると、ＧａＮ薄膜を成長させるための多くの一般的に使用されるプロセスの１つは堆積である。ＧａＮは、多くの種類のエピタキシャル成長により、またＳｉＣおよびサファイアを含むいくつかの基板上で成長されている。例示的なＧａＮ成長法には、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）、ヨウ素気相成長法（ＩＶＰＧ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、機械的スパッタエピタキシー法（ＭＳＥ）、および水素化物気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）が含まれるが、これらに限定されない。
【０１０２】
いくつかの実施形態において、ＬＥＤのエミッタ層を成形する方法は、小型エミッタとも呼ばれるマイクロＬＥＤの放出エリア（ｂ）およびエミッタエリア（ａ）を決定するステップを含んでもよく、放出エリア（ｂ）は、第１の幾何学的構成において放出面を有し、エミッタエリア（ａ）は、第２の幾何学的構成において量子井戸領域を有する。放出エリア（ｂ）およびエミッタエリア（ａ）を使用して、小型エミッタの最小高さ（ｈ）を上述のように計算することができる。方法は、さらに、最小高さ（ｈ）を満たす成形された部分を形成するように、第１の幾何学的構成、第２の幾何学的構成、および最小高さ（ｈ）に従い、堆積により小型エミッタを成長させるステップを含む。１つ以上のマイクロＬＥＤは、このように同時に生成され得る。いくつかの場合において、非成形部分もまた形成することができる。エミッタ層の非成形部分は、ベース基板に隣接する。サファイアは、好適なベース基板の一例である。小型エミッタの成長において、小型エミッタの側壁は、エミッタエリアからその側壁までの直線伝送路を有する放射線の少なくとも大部分を、放出面における臨界角以下の放出面における入射角で放出面に反射させるように位置付けられ、かつ成形される。いくつかの実施形態において、マイクロＬＥＤはまた、当業者に知られた技術を使用してエミッタ相を成長および成形することにより作製され得る。いくつかの実施形態において、エミッタ層の成長および成形は、交互に、同時に、または概して同時に行うことができる。
【０１０３】
したがって、いくつかの実施形態において、ＬＥＤのエミッタ層を成形する方法により製造されるＬＥＤは、ベース基板の表面上のエミッタ層を備え、エミッタ層は成形部分を有し、成形部分は、放出エリア（ｂ）、エミッタエリア（ａ）、最小高さ（ｈ）、および側壁を備え、放出エリア（ｂ）は、第１の幾何学的構成において放出面を有し、エミッタエリア（ａ）は、第２の幾何学的構成において量子井戸領域を有し、最小高さ（ｈ）は、放出エリア（ｂ）およびエミッタエリア（ａ）を使用して決定され、側壁の各々は、エミッタエリアからその側壁までの直線伝送路を有する放射線の少なくとも大部分を、放出面における臨界角以下の放出面における入射角で放出面に反射させるように位置付けられ成形される。
【０１０４】
（用途）
成形された発光層を有するＬＥＤは、様々な用途に使用することができる。そのような多用途性の１つの理由は、所望のＬＥＤを形成するようにマイクロＬＥＤが様々な様式で配置され得ることである。各々微小エミッタの配列を有するＬＥＤもまた、所望の光量および所望の光パターンを生成するように配置され得る。例えば、マイクロＬＥＤおよび／またはＬＥＤは、正方形、長方形、円形、またはその他の形状に配置され得る。ＬＥＤの配列を使用して所望の光量を生成することは、単一のＬＥＤを使用するよりも効率的となり得、またはより消費空間を少なくし得る。図１４が例示するように、マイクロＬＥＤの配列は、ウエハ材料が除去されてエッチング溝１３１およびエミッタ８２０が形成される同じウエハから形成され得る。上記実施形態は材料のウエハからマイクロＬＥＤを形成することを説明しているが、ＬＥＤを生成するために利用される成形基板は、基板材料の棒状の塊から形成することができる。
【０１０５】
いくつかの場合において、ＬＥＤを使用して白色光を生成することが望ましい可能性がある。これは、単一色（例：青）の短波長ＬＥＤからの光を、光を吸収して人間の目が白色光として認識する波長の光を再び放出するリン光体またはその他の粒子に衝突させることにより達成することができる。リン光体またはその他の粒子をＬＥＤの実施形態と併用して白色光を生成することができる。
【０１０６】
ＬＥＤの放出面（複数を含む）の被覆は、白色光ＬＥＤ製造の単純化を可能とし得る製造上の利点を有し得、一方これは白色光ＬＥＤ製造のコストを低減し得る。例えば、そこから成形基板ＬＥＤが形成されるウエハの面を、励起されて白色光を放出し得るリン光体またはその他の粒子を含有する層（すなわち粒子被覆）で被覆することができる。粒子被覆で被覆されていないウエハの面を切除することができる。ウエハが切除されて複数のＬＥＤが生成される場合、ＬＥＤは、白色光を生成するために必要な粒子被覆を有する放出面を有する。さらに、成形基板は、基板に入射する光の圧倒的多数を既知の放出面（複数を含む）に誘導するため、特定の放出面（複数を含む）の被覆は、白色光の生成において極めて効果的となり得る。したがって、成形基板の使用は、ＬＥＤの側壁または側壁の一部を粒子被覆で被覆する必要性を排除し得る。このように、各ＬＥＤに個々に粒子被覆を塗布する必要性がなくなる。ウエハの１つの面に粒子被覆を塗布するのは、個々のＬＥＤに粒子被覆を塗布するより安価となり得る。基板の側壁は、粒子被覆との相互作用により基板内に再び散乱した光が部分的または完全に再利用され得るように設計することができる。白色光を生成するためにＬＥＤと併せてナノ粒子を利用すると、最小限の光の偏向を可能とし、したがって後方散乱光が最小限となり、放出面から放出される光が最大となる。
【０１０７】
ＬＥＤの実施形態の潜在的用途には、携帯電話表示用照明が含まれる。現在のシステムは、通常は、リン光体充填カプセル材料を有する３つの側方発光青色ＬＥＤを使用して白色光を生成する。ＬＥＤの側部は通常は不透明であり、生成された光の大きな割合が側壁により吸収される。これにより、光の５０％超が吸収により失われることになる。さらに、空気に対するカプセル材の界面の屈折率の変化が、射出放射線が臨界角より大きい角度で界面に衝突するＴＩＲ条件を生成する。これにより、界面で約４４％の損失となる。成形基板ＬＥＤの実施形態は、光導波路に生成された光の８０％を供給することができ、これにより非常に大きなシステム輝度の改善が得られる。
【０１０８】
ＬＥＤの実施形態の別の潜在的用途は、携帯電話カメラフラッシュとしての使用である。現在のシステムは、通常は、画像の中心部で非常に明るいエリアを、また端部で暗いエリアを生成するガウスエネルギー分布を有するＬＥＤを使用しており、被写体の不均一な照明をもたらす。さらに、現在のフラッシュユニットのビーム形状は円形であり、ＣＣＤカメラにより撮影される画像は長方形である。さらに、空気に対するカプセル材の界面の屈折率の変化が、射出放射線が臨界角より大きい角度で界面に衝突するＴＩＲ条件を生成する。これにより、放出立体角の関数である界面での損失がもたらされる。一方、ＬＥＤの実施形態は、長方形または正方形のフラッシュを供給することができ、ＬＥＤの基板に入射する光の８０％が均一な分布で画像エリアに提供される。これにより、従来技術のＬＥＤフラッシュシステムとは対照的に、より均一な風景の照明およびより高レベルの照明が得られる。
【０１０９】
ＬＥＤの実施形態の別の潜在的用途は、液晶ディスプレイ（「ＬＣＤ」）の背景照明への用途である。従来のＬＣＤシステムは、赤色、緑色および青色ＬＥＤの直線配列を使用する。ＬＥＤからの光は混合光導波路に誘導され、均一な色および強度を提供する。通常は、ＬＥＤは、ＬＥＤの上に設置されたドームを有し、光は楕円形の反射体に捕捉され、光が光導波路に誘導される。楕円形反射体は、点光源に対しては良好に機能するが、ＬＥＤは点光源ではなく、放射線のいくつかは光導波路内の焦点に届かない。さらに、ドームカプセル材からの一部の光は、１８０度を越える角度で放出され、光の一部は基板、ＰＣＢボードおよびその他の部品に吸収される。さらに、ドームは、ドームの空洞のサイズに対して大きいため、通常はある割合の光は屈折する。これらの損失は掛け算式であるため、実際に光導波路に届くのは最初にＬＥＤから放出された光のわずかな割合である。
【０１１０】
一方、ＬＥＤの実施形態は、ＬＥＤの基板に入射する光の最大８０％を、所望の円錐角で光導波路（フレネル損失を仮定）に提供することができる。結果として、現在のシステムにおいて可能な結果と同じ結果を達成するためにより低電力のＬＥＤを使用することができ、または、同じ電力消費レベルでより多くの光を供給することができる。実際に、いくつかの実施形態において、光導波路は不必要となり得、ＬＥＤの配列を直接ＬＣＤのバックライトに使用することができる。
【０１１１】
ＬＥＤの実施形態の別の潜在的使用は、車のヘッドライト、懐中電灯、デジタル光処理（「ＤＬＰ」）システムおよびその他のデバイスにおける使用である。ＬＥＤの形状は、所望の投影円錐およびビームプロファイルを提供するように選択することができる。さらに、ＬＥＤと集光レンズまたはその他の光学デバイス、例えば米国特許出願第１１／６４９，０１８号、名称「ＳＥＰＡＲＡＴＥ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＤＥＶＩＣＥ  ＦＯＲ  ＤＩＲＥＣＴＩＮＧ  ＬＩＧＨＴ  ＦＲＯＭ  ＡＮ  ＬＥＤ」に記載のＰｒｉｍａｒｙ  Ｏｐｔｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ（「ＰＯＤ」）との組み合わせにより、放射輝度を保存し、また非常に小さい体積でそうしながら、狭い立体角（約０．１ステラジアン以下）の発光を可能とする。そのような組み合わせは、懐中電灯、スポットライトまたは他の任意の狭いビームの用途に適用可能である。
【０１１２】
要約すると、本明細書で開示されたマイクロＬＥＤ構造の実施形態は、以下の領域において従来技術に勝る利点を提供することができる。
・電流拡散
・熱除去
・放出の均一性
・不活性エリア（Ｎ層）接点に対する活性エリア（Ｐ層）の割合の増加
・より高い外部量子効率
・より高い抽出効率に起因する、ルーメンあたり発生するより低い熱
・真の輝度の保存
【０１１３】
基板を含むＬＥＤ全体の成形、または基板のみの成形による本明細書で開示されたシステムおよび方法の利点は、エミッタ層で生成される光の１００％または約１００％もしくは概して１００％のエミッタ層からの抽出を含む。さらに、より少ない材料が除去される、および除去される必要がある基板材料（例えばサファイアの場合のように除去が困難または費用を要し得る）がわずかであるかまたは存在せず、これにより、ＬＥＤの生産速度が増し、ＬＥＤの生産コストが低減される。さらに、発光層がすでにいくつかのＬＥＤ形成プロセスにおいてエッチングされているため、本明細書に記載のものによる発光層のエッチングは、製造に必要な時間を大きく追加することなく光抽出効率を大きく増加させることができる。
【０１１４】
この設計の別の特徴は、放出された光の色を変えるために基板の放出面にリン光体が添加され得ることである。例えば、マイクロＬＥＤが青色光を放出するように作製される場合、その光の一部を黄色光に変換するようにリン光体が添加され、したがって放出された光の合計が白色光に見えるようになる。
【０１１５】
マイクロＬＥＤの固有の設計に起因して、リン光体から基板に反射した光は、マイクロＬＥＤの量子井戸領域に内部反射する。これにより、損失が低い効率的な光子の再利用が可能となる。ナノ粒子リン光体が使用される場合、後方散乱がなく、最大効率が得られる。
【０１１６】
この種の構造のさらなる特徴は、基板材料の光学的に滑らかな側壁が可能となることである。産業において、通常は、ダイヤモンド切断またはスクライビングおよび破断のいずれかにより個々のダイスが離断される。これらの方法は、光学的に粗い（拡散面）か、または、光学的に滑らかであるかもしれないが輪郭が無作為である（スクライビングされ破断された表面）ダイス側壁を生成する。産業において、一般には、ダイス分離方法は、単にデバイスを分離する方法とみなされ、それらの表面の品質にはほとんど配慮がなされていない。
【０１１７】
成形された発光層を有するＬＥＤの様々な実施形態によれば、側壁は、ダイスの端部に近いマイクロＬＥＤからの光線の方向を維持するための追加のＴＩＲ表面として使用することができる。この場合、端部近くのマイクロＬＥＤから発生した放射線は、基板の放出面に到達する前に側壁に衝突し得る。光学的に滑らかな側壁により、放射線は内部反射して基板の放出面に中継される。これにより、放出面に衝突する放射線が臨界角以下の角度で衝突し、したがってそれらが放出面を通過し得る条件が維持される。
【０１１８】
一実施形態において、ＬＥＤダイスは、産業において一般的に行われるように、または一般的な業界の慣行に従い分離することができる。したがって、本明細書に開示されたシステムおよび方法は、既存のＬＥＤ生産プロセスに容易に統合され、商業化を合理化し、おそらくは既存の機器および施設を使用することができる。
【０１１９】
上で開示された実施形態において、フレネル損失は、エミッタ層と基板との間で生じ得、また基板と空気またはその他の媒質との間の界面で生じ得る。基板と空気またはその他の媒質との間の界面でのフレネル損失は、基板の放出面を反射防止被覆で被覆することにより低減され得る。
【０１２０】
望ましい場合は、基板の側壁は光学的に滑らか、または部分的に滑らかとされなくてもよく、この場合、側壁に衝突する光のある部分は、主要な放出面に反射するかわりに側壁を通して放出され得る。これは、ある特定の照明状況に対する利点を有し得る。
【０１２１】
本開示は特定の実施形態を説明しているが、実施形態は例示的であり、本発明の範囲はこれらの実施形態に限定されないことを理解されたい。上記実施形態の多くの変形、修正、追加および改善が可能である。例として、サファイアおよび炭化ケイ素に加え、光を通過させるその他の基板が使用されてもよい。例えば、基板は、ガラス、鋳造可能なガラス、またはダイヤモンドで作製されてもよい。これらの変形、修正、追加および改善は、以下の請求項で詳述される本発明の範囲内に含まれることが企図される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011512037.tif 000011
【図５】
2011512037.tif 000012
【図６】
2011512037.tif 000013
【図８】
2011512037.tif 000014
【図９】
2011512037.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１５】
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【図１６】
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