(57)【要約】  光源は、発光面を有するＬＥＤコンポーネントと、該発光面に光学的に接触した入力面を有する光学素子とを有する。ＬＥＤコンポーネントは、第１波長の光を放射可能なＬＥＤダイ等のＬＥＤと、ｐｎ接合内には位置しない第２ポテンシャル井戸を含有する再発光半導体構造体との組合わせであるか、又はこれを含み得る。光学素子は、集束型、発散型又はこれらの組合せの形状である抽出部材であり得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光面を有し、ＬＥＤ及び再発光半導体構造体を含むＬＥＤコンポーネントであって、前記ＬＥＤは第１波長の光を放射可能であり、前記再発光半導体構造体はｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸を有するＬＥＤコンポーネントと、
入力面及び出力面を有する光学素子であって、前記入力面は前記発光面の少なくとも一部と光学的に接触している光学素子と、を備える光源。
【請求項２】
前記第２ポテンシャル井戸は、量子井戸であるか又はこれを含む請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記ＬＥＤは、ｐｎ接合内に位置する第１ポテンシャル井戸を含む請求項１に記載の光源。
【請求項４】
前記発光面はＬＥＤダイの表面であり、前記光学素子は前記ＬＥＤダイと前記再発光半導体構造体との間に配置されている請求項１に記載の光源。
【請求項５】
再発光半導体構造体は、光学素子の前記出力面に接着されている請求項４に記載の光源。
【請求項６】
前記発光面は、再発光半導体構造体の表面であり、再発光半導体構造体は前記ＬＥＤと前記光学素子との間に配置されている請求項１に記載の光源。
【請求項７】
再発光半導体構造体は、接着層によって前記ＬＥＤに取り付けられる請求項６に記載の光源。
【請求項８】
再発光半導体構造体及び前記ＬＥＤは、同じ半導体ウエハ上に形成された一体型構造を有する請求項６に記載の光源。
【請求項９】
前記光学素子は、封入部材を含む請求項１に記載の光源。
【請求項１０】
前記光学素子は、抽出部材を含む請求項１に記載の光源。
【請求項１１】
前記光学素子は、レンズを含む請求項１に記載の光源。
【請求項１２】
前記発光面の第１部分と光学的に接触したパターン形成された低屈折率層であって、第１屈折率を有するパターン形成層を更に備え、
光学素子の前記入力面は、前記発光面の第２部分と光学的に接触しており、該光学素子は第１屈折率よりも高い第２屈折率を有する請求項１に記載の光源。
【請求項１３】
前記ＬＥＤコンポーネントが発生する光の少なくとも一部を再度ＬＥＤコンポーネント内に全反射させるための手段を更に備え、
該反射手段は、前記発光面の第１部分と光学的に接触しており、光学素子の前記入力面は、第１部分と異なる発光面の第２部分と光学的に接触している請求項１に記載の光源。
【請求項１４】
前記光学素子は、前記入力面を含み、第１材料から形成された第１部分と、前記出力面を含み、第２材料から形成された第２部分とを有し、
第１材料は、第２材料の屈折率よりも高い屈折率を有する請求項１に記載の光源。
【請求項１５】
前記光学素子は、それぞれが入力面を有する複数の光学素子のうちの１つであり、該複数の光学素子は、入力面が互い離間するとともに各入力面が発光面の異なる部分と光学的に接触するようなサイズを有する請求項１に記載の光源。
【請求項１６】
前記光学素子は、底面、２個の集束側面、及び２個の発散側面を有する請求項１に記載の光源。
【請求項１７】
前記光学素子は、ＬＥＤコンポーネントによって放射される光を方向付けて、側面発光パターンを生成するように成形されている請求項１に記載の光源。
【請求項１８】
前記光学素子は、底面、底面よりも小さい頂部、及び底面と頂部との間に延在する集束面を有する請求項１に記載の光源。
【請求項１９】
前記底面は、光学素子の前記入力面であり、ＬＥＤコンポーネントの前記発光面より大きくないサイズを有する請求項１８に記載の光源。
【請求項２０】
請求項１に記載の光源を有するグラフィックディスプレイ装置。
【請求項２１】
請求項１に記載の光源を有する照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願はその全体を参照として本明細書に援用する２００６年６月１２日に申請された米国特許仮出願第６０／８０４５４１号、及び２００６年６月１４日に申請された米国特許仮出願第６０／８０４８２４号の利益を主張するものである。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は光源に関する。より詳細には、本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、再発光半導体構造体、及び本明細書に記載の抽出部材等の光学素子を含む光源に関する。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）はアノードとカソードの間に電流が流れると発光する固体半導体装置である。従来のＬＥＤは単一のｐｎ接合を含む。ｐｎ接合には中間の非ドープ領域を含むものがあり、この種のｐｎ接合はｐｉｎ接合とも呼ばれる。非発光性の半導体ダイオードと同様、従来のＬＥＤは一方向、すなわち電子がｎ型領域からｐ型領域へと移動する方向に、より電流を流しやすい。電流がＬＥＤに「順」方向で流れると、ｎ型領域からの電子がｐ型領域からの正孔と再結合して、光子が発生する。従来のＬＥＤが放射する光は見た目が単色性である。すなわち単一の狭い波長帯域の光を発生する。放射光の波長は、電子−正孔対の再結合に伴うエネルギーに対応している。最も単純な例では、このエネルギーは再結合が起こる半導体のバンドギャップエネルギーにほぼ等しい。
【０００４】
従来のＬＥＤは更にｐｎ接合部に１つ以上の量子井戸を含むものがあり、これが高濃度の電子及び正孔を捕捉することによって、光を発生する再結合が促進される。幾人かの研究者によって、白色光、或いは人の眼の３原色の知覚には白色に見える光を放射するＬＥＤ装置の製造が試みられてきた。
【０００５】
一部の研究者によって、異なる波長の光を放射することを目的とした複数の量子井戸をｐｎ接合内に有するＬＥＤの意図された設計、製造についての報告がなされている。以下の参考文献は該技術に関連すると思われるものである。米国特許第５，８５１，９０５号、同第６，３０３，４０４号、同第６，５０４，１７１号、同第６，７３４，４６７号；ダミラーノ（Damilano）ら、「ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸に基づくモノリシック白色発光ダイオード」（Monolithic White Light Emitting Diodes Based on InGaN/GaN Multiple-Quantum Wells）、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Jpn. J. Appl. Phys.）、（Ｖｏｌ．４０、２００１年、Ｌ９１８〜Ｌ９２０頁）；ヤマダ（yamada）ら、「ＩｎＧａＮ多重量子井戸からなる再発光半導体構造体フリー高発光効率白色発光ダイオード」（Re-emitting semiconductor construction Free High-Luminous-Efficiency White Light-Emitting Diodes Composed of InGaN Multi-Quantum Well）、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Jpn. J. Appl. Phys.）、（Ｖｏｌ．４１、２００２年、Ｌ２４６〜Ｌ２４８頁）；ダルマッソ（Dalmasso）ら、「再発光半導体構造体フリー高発光効率白色発光ダイオードのエレクトロルミネッセンスの注入依存性」（Injection Dependence of the Electroluminescence Spectra of Re-emitting semiconductor construction Free GaN-Based White Light Emitting Diodes）、（phys. stat. sol.）（ａ）１９２、Ｎｏ．１、１３９〜１４３頁（２００３）。
【０００６】
一部の研究者によって、異なる波長の光を別々に放射することを目的とした２種類の従来のＬＥＤを１つの装置にまとめたＬＥＤ装置の意図された設計、製造についての報告がなされている。以下の参考文献は該技術に関連すると思われるものである。米国特許第５，８５１，９０５号、同第６，７３４，４６７号、米国特許出願公開第２００２／００４１１４８（Ａ１）号、同第２００２／０１３４９８９（Ａ１）号、ルオ（Luo）ら、「集積化されたフルカラー及び白色発光素子用のパターン化された３色ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＣｄＭｇＳｅ量子井戸構造」（Patterned three-color ZnCdSe/ZnCdMgSe quantum-well structures for integrated full-color and white light emitters）、アプライド・フィジクス・レターズ（App. Phys. Letters）、Ｖｏｌ．７７、Ｎｏ．２６、４２５９〜４２６１頁（２０００）。
【０００７】
一部の研究者によって、従来のＬＥＤ素子を、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）等のＬＥＤ素子が放射した光の一部を吸収してより長い波長の光を再発光することを目的とした化学再発光半導体構造体と組み合わせたＬＥＤ装置の意図された設計、製造についての報告がなされている。米国特許第５，９９８，９２５号及び同第６，７３４，４６７号が該技術に関連すると思われる。
【０００８】
一部の研究者によって、Ｉ、Ａｌ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｇａ又はＩｎでｎ−ドープしたＺｎＳｅ基板上で成長させることによって基板内に、ＬＥＤ素子が放射した光の一部を吸収してより長い波長の光を再発光することを目的とした蛍光中心を生成したＬＥＤの意図された設計、製造についての報告がなされている。米国特許第６，３３７，５３６号及び特開２００４−０７２０４７号が該技術に関連すると思われる。
【０００９】
米国特許出願公開第２００５／００２３５４５号（カムラス（Camras）ら）を参照として本明細書に援用する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本出願は、発光面を有するＬＥＤコンポーネントを含む光源であって、該ＬＥＤコンポーネントは、ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤと、ｉｉ）ｐｎ接合内には位置しない第２ポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体と、からなるか又はこれらを含むような光源を特に開示する。ＬＥＤ及び再発光半導体構造体は、ＬＥＤがｐｎ接合内に位置する第１ポテンシャル井戸に関連し、再発光半導体構造体がｐｎ接合内には位置しない第２ポテンシャル井戸に関連するような単一のダイ又はチップの一部であってもよい。或いは、ＬＥＤ及び再発光半導体構造体は、１個以上の光透過コンポーネントを介して光路が与えれた間の別々の部品であってよい。開示される光源は更に、入力面及び出力面を有する光学素子を含有することが好ましく、その場合、入力面はＬＥＤコンポーネントの発光面と光学的に接触する。該発光面は、ＬＥＤの表面、又は再発光半導体構造体の表面であり得るが、多くの場合、半導体材料又はＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ等の他の基板材料のような比較的屈折率の高い材料の表面である。ＬＥＤコンポーネントから外部への光の結合能を高めるために、好ましくは、光学素子は、ＬＥＤが放射する光の波長において、例えば少なくとも１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２、２．３、２．４又はそれ以上の比較的高い屈折率をさらに有する。光学素子は、ＬＥＤコンポーネントを覆って形成され、ＬＥＤコンポーネント（又はその一部）をほぼ包囲する封入部材であってよく、又は、ＬＥＤコンポーネントから光を結合又は抽出してＬＥＤコンポーネント内部に閉じ込められる光の量を減少させるために、別体として形成された後にＬＥＤコンポーネントの表面と接して又は表面の近傍に配される「抽出部材」であってもよい。抽出部材又は他の光学素子は、入力面に集められた光を部分的にコリメートする発散型形状を有してよく、又は、入力面に集められた光を側方発光パターンに集束させる集束型形状を有してもよい。
【００１１】
いくつかの実施形態において、光源は更に、発光面の第１部分と光学的に接触し、第１屈折率を有するパターン形成された低屈折率層を含み、光学素子の入力面は発光面の第２部分と光学的に接触する。ただし、光学素子は、第１屈折率よりも高い第２屈折率を有する。いくつかの実施形態において、光源は更に、ＬＥＤコンポーネントが発生した光の少なくとも一部をＬＥＤコンポーネント内へと全反射させるための手段を有する。反射手段は、発光面の第１部分と光学的に接触し、光学素子の入力面は、第１部分とは異なる発光面の第２部分と光学的に接触する。いくつかの実施形態において、光学素子は、入力面を含み、第１材料からなる第１部分を含む。光学素子は更に、出力面を含み、第２材料からなる第２部分を含み、第１材料は、第２材料の屈折率よりも高い屈折率を有する。いくつかの実施形態において、光学素子は、それぞれが入力面を有する複数の光学素子のうちの１つであり、各光学素子は、入力面が互いに離間し、各入力面が発光面の異なる部分と光学的に接触するようなサイズを有する。
【００１２】
いくつかの実施形態において、光学素子は、底面、２個の集束側面、及び２個の発散側面を有し、底面は発光面に光学的に結合された入力面である。いくつかの実施形態において、光学素子は、ＬＥＤコンポーネントに光学的に結合され、ＬＥＤコンポーネントが放射する光を方向付けて、２個のローブを有する側方発光パターンを生成するように形成されている。いくつかの実施形態において、光学素子は、底面、底面よりも小さい頂部、及び底面と頂部との間に延在する集束側面を有し、底面は、発光面に光学的に結合され、発光面より大きくないサイズを有し、光学素子は、ＬＥＤコンポーネントが放射する光を側方発光パターンを形成するように方向付ける。いくつかの実施形態において、光学素子は、底面、頂部、及び底面と頂部とをつなぐ集束側面を有し、底面は、発光面に光学的に結合され、光学素子は、底面を含み、第１材料からなる第１部分と、頂部を含み、第２材料からなる第２部分とを含む。いくつかの実施形態において、光学素子は、第１屈折率を有し、底面、頂部、及び底面と頂部とをつなぐ集束側面を有する。底面は、発光面に光学的に結合され、発光面より大きくないサイズを有する。光源は更に、ＬＥＤコンポーネント及び前記（第１）光学素子を封入した第２光学素子を含む。第２光学素子は第１屈折率よりも低い第２屈折率を有する。いくつかの実施形態において、光学素子は、第１屈折率を有し、底面、発光面上に配される頂部、及び底面と頂部とをつなぐ集束側面を有する。底面は発光面に光学的に結合される。光源は更に、ＬＥＤコンポーネント及び前記（第１）光学素子を封入した第２光学コンポーネントを含む。第２光学素子は、第１屈折率よりも低い第２屈折率を有する。いくつかの実施形態において、ＬＥＤコンポーネント及び第１光学素子を封入した第２光学素子は、第１光学素子単独によって抽出される出力と比較してＬＥＤコンポーネントから抽出される出力を増大させる。いくつかの実施形態において、光学素子は、底面、頂部、及び底面と頂部とをつなぐ側面を有する。底面は、発光面に光学的に結合されるが、機械的に分離されている。
【００１３】
グラフィックディスプレイ装置及び開示されるＬＥＤ装置を含む照明装置が更に記載されている。
【００１４】
本出願のこれらの態様及び他の態様は以下の詳細な説明より明らかとなろう。しかしながら上記の概要は特許請求される発明の主題を限定するものとして決して解釈すべきでなく、発明の主題は付属の特許請求の範囲によってのみ定義されるものである。尚、特許請求の範囲は手続きにおいて補正される場合もある。
【００１５】
本出願において、
半導体装置内の積層体に関し、「隣接」とは、別の層を介在することなく次の順であることを意味し、「近接」とは、１乃至数層の層を介在して次の順であることを意味し、「周囲」とは順序において前後のいずれをも意味する。
「ポテンシャル井戸」とは、周囲の層よりも低い伝導帯エネルギーを有するか、周囲の層よりも高い価電子帯エネルギーを有するか、或いはその両方である半導体装置内の半導体の層を意味する。
「量子井戸」とは、量子化効果によって井戸内における電子−正孔対の遷移エネルギーが高くなるような、十分薄い、通常１００ｎｍ以下のポテンシャル井戸を意味する。
「遷移エネルギー」とは、電子−正孔対の再結合エネルギーを意味する。
「格子整合した」とは、基板上のエピタキシャル層のような２種類の結晶性材料に関して、各材料が個別に見た場合にそれぞれ所定の格子定数を有し、これらの格子定数がほぼ等しい、一般的には、その差が０．２％以下、より一般的にはその差が０．１％以下、最も一般的にはその差が０．０１％以下であることを意味する。
「疑似格子整合」とは、エピタキシャル膜と基板のような、所定の厚さを有する第１結晶層及び第２結晶層に関して、各層を個別に見た場合、それぞれの格子定数を有し、これらの格子定数が十分に近い値であることによって、第１層が、前記所定の厚さにおいて、ミスフィット欠陥を実質的に生じることなく第２層の平面内における第２層の格子間隔をとることができることを意味する。
【００１６】
ｎ−ドープ及びｐ−ドープされた半導体領域を含む、開示されるいずれの実施形態についても、ｎ−ドーピングがｐ−ドーピングに置き換えられた、またはその逆の更なる実施形態が本明細書に開示されたものとみなされるべきである。
【００１７】
「ポテンシャル井戸」、「第１ポテンシャル井戸」、「第２ポテンシャル井戸」、及び「第３ポテンシャル井戸」のそれぞれが本明細書で記載される場合、単一のポテンシャル井戸が与えられてよく、又は、通常、同様の性質を共有する複数のポテンシャル井戸が与えられてもよいことが理解されるべきである。同様に、「量子井戸」、「第１量子井戸」、「第２量子井戸」、及び「第３量子井戸」のそれぞれが本明細書で記載される場合、単一の量子井戸が与えられてよく、又は、通常、同様の性質を共有する複数の量子井戸が与えらてもよいことが理解されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本出願は、ＬＥＤ及び再発光半導体構造体を含むＬＥＤコンポーネントと、ＬＥＤコンポーネントの発光面に光学的に接触、又は光学的に結合した光学素子とを備えた照明装置を開示する。光学素子は、ＬＥＤコンポーネントから外部への光の結合能を高めるために比較的高い屈折率を有することが好ましく、好ましくは抽出部材であるか又は抽出部材を含むが、封入部材であるか又は封入部材を含むことが好ましい。通常、ＬＥＤは、第１波長の光を放射することが可能であり、再発光半導体構造体は、第１波長の光を吸収して第２波長の光を再発光することが可能である。再発光半導体構造体は、ｐｎ接合内には位置しないポテンシャル井戸を含む。再発光半導体構造体のポテンシャル井戸は、通常、量子井戸であるが、必ずしも量子井戸でなくともよい。
【００１９】
通常の動作では、ＬＥＤは電流に応じて光子を放射し、再発光半導体構造体はＬＥＤから放射された光子の一部を吸収して光子を放射する。所望により、再発光半導体構造体は、ポテンシャル井戸に近接又は隣接した吸収層を更に含むことができる。吸収層は、通常、ＬＥＤが放射する光子のエネルギー以下であり、再発光半導体構造体のポテンシャル井戸の遷移エネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する。通常の動作では、吸収層は、ＬＥＤから放射される光子の吸収を助ける。再発光半導体構造体は、第１ポテンシャル井戸の遷移エネルギーに等しくない第２遷移エネルギーを有するｐｎ接合内に位置しない少なくとも１個の第２ポテンシャル井戸を更に含んでよい。いくつかの実施形態において、ＬＥＤはＵＶ発光ＬＥＤである。このような実施形態の１つにおいて、再発光半導体構造体は、青色波長光に対応した第１遷移エネルギーを有し、ｐｎ接合内には位置しない少なくとも１個の第１ポテンシャル井戸と、緑色波長光に対応し第２遷移エネルギーを有し、ｐｎ接合内には位置しない少なくとも１個の第２ポテンシャル井戸と、赤色波長光に対応した第３遷移エネルギーを有し、ｐｎ接合内には位置しない少なくとも１個の第３ポテンシャル井戸とを有する。
【００２０】
いくつかの実施形態において、ＬＥＤは可視光発光ＬＥＤであり、一般的には、緑色、青色又は紫色ＬＥＤであり、より一般的には緑色又は青色ＬＥＤであり、最も一般的には青色ＬＥＤである。このような実施形態の１つにおいて、再発光半導体構造体は、黄色又は緑色波長光、より一般的には緑色波長光に対応した第１遷移エネルギーを有するｐｎ接合内には位置しない少なくとも１個の第１ポテンシャル井戸と、橙色又は赤色波長光、より一般的には赤色波長光に対応した第２遷移エネルギーを有し、ｐｎ接合内には位置しない少なくとも１個の第２ポテンシャル井戸とを含む。再発光半導体構造体は、更なるポテンシャル井戸及び更なる吸収層を有してよい。
【００２１】
いくつかの実施形態において、ＬＥＤはｐｎ接合を１個のみ有し、再発光半導体構造体はｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を１個のみ有する。ポテンシャル井戸は、例えば、緑色波長光に対応した遷移エネルギーを有する。このような場合、ＬＥＤは、例えば、青色、紫色又はＵＶ等の緑色よりも短い波長の光を放射する。
【００２２】
ＬＥＤ及び再発光半導体構造体は、公知の半導体プロセス技術を用い、１個のウエハ上に単一の製造工程又はプロセスで成長させることができるが、その場合、ＬＥＤ及び再発光半導体構造体は、例えば、ＺｎＳｅ等の同じ材料の組み合わせを用いることが好ましい。或いは、ＬＥＤ及び再発光半導体構造体を別々のプロセスで成長、製造した後、接着剤で接合するか、個別のダイにダイシングしてよい（ＬＥＤウエハに形成されたＬＥＤのアレイに対応した光学素子又は光学素子のアレイの適用の前又は後で）。更に他の場合において、ＬＥＤ及び再発光半導体構造体は、抽出部材又は他の光学素子の異なる表面に例えば接着、接合又は結合するなどして別々のままとしてよい。
【００２３】
任意の好適なＬＥＤを用いてもよい。ＬＥＤ及び再発光半導体構造体等の開示される装置の各コンポーネントは、Ｓｉ又はＧｅ等のＩＶ族元素（発光層以外）、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ及びこれらの合金等のＩＩＩ〜Ｖ族化合物、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＢｅＳｅ、ＭｇＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＢｅＴｅ、ＭｇＴｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＢｅＳ、ＭｇＳ及びこれらの合金のＩＩ〜ＶＩ族化合物、又は上記のもののいずれかの合金の任意の適当な半導体からなるものでよい。必要に応じて、半導体を任意の好適な方法又は任意の好適なドーパントの添加によってｎ−ドープ又はｐ−ドープしてよい。典型的な実施形態の１つにおいて、ＬＥＤは、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体装置であり、再発光半導体構造体は、ＩＩ〜ＶＩ族半導体装置である。
【００２４】
いくつかの実施形態において、ＬＥＤ又は再発光半導体構造体等の装置のコンポーネントの異なる層の組成は以下の点を考慮して選択される。各層は、通常、その層の所定の厚さで基板と疑似格子整合するか、又は基板と格子整合する。或いは、各層は隣接した層と疑似格子整合又は格子整合してよい。ポテンシャル井戸層の材料及び厚さは、通常、量子井戸から放射される光の波長に相当した、所望の遷移エネルギーが与えられるように選択される。例えば、図２において、４６０ｎｍ、５４０ｎｍ及び６３０ｎｍとして示される点は、ＩｎＰ基板の格子定数（５．８６８７オングストローム又は０．５８６８７ｎｍ）に近い格子定数及び４６０ｎｍ（青色）、５４０ｎｍ（緑色）及び６３０ｎｍ（赤色）の波長に相当するバンドギャップエネルギーを有するＣｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ合金を表している。ポテンシャル井戸層が、量子化によって遷移エネルギーが井戸内におけるバルクバンドギャップエネルギーよりも高められるように十分に薄い場合、そのポテンシャル井戸は量子井戸とみなしてよい。各量子井戸層の厚さは、量子井戸内の量子化エネルギーの量を決定するものであり、このエネルギーをバルクバンドギャップエネルギーに加えると、量子井戸内の遷移エネルギーが産生される。したがって、各量子井戸に関連する波長は量子井戸層の厚さを調節することで調整できる。一般には、量子井戸層の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍの間であり、より一般的には、２ｎｍ〜３５ｎｍの間である。通常、量子化エネルギーによって、バンドギャップエネルギーのみに基づいて予想される波長に対して、波長が２０〜５０ｎｍ短くなる。疑似格子整合した層間の格子定数の一致が不完全であることによる歪みのような発光層の歪みによっても、ポテンシャル井戸及び量子井戸の遷移エネルギーは変化する。
【００２５】
歪みのある、又はないポテンシャル井戸又は量子井戸の遷移エネルギーを計算する方法は当業界では即知であり、下記の文献をいずれも参照として本明細書に援用する。ハーバート・クローマー（Herbert Kroemer）、「工学、材料工学及び応用物理のための量子力学」（Quantum Mechanics for Engineering, Materials Science and Applied Physics）、（プレンティスホール社刊（Prentice Hall）、ニュージャージー州イングルウッド・クリフス、１９９４年）５４〜６３頁；及びゾリー（Zory）編、「量子井戸レーザ」（Quantum Well Lasers）（アカデミックプレス社刊（Academic Press）、カリフォルニア州サンディエゴ、１９９３年）７２〜７９頁。
【００２６】
赤外線、可視光線及び紫外線帯域等の任意の好適な放射波長が選択されてよい。いくつかの実施形態において、放射波長は、装置が放射する光が組み合わされた出力が、白色又は白色に近い色、パステルカラー、マゼンタ、シアン等の２色、３色又はそれよりも多い単色光源の組み合わせによって生成することが可能な任意の色の見た目を呈するように選択される。いくつかの実施形態において、装置は、不可視光である赤外線又は紫外線波長の光と、装置が動作中であることを示す可視光波長とを放射する。一般的に、ＬＥＤは最も短い波長の光子を放射することによって、ＬＥＤから放射された光子は再発光半導体構造体中のポテンシャル井戸を動作させるうえで十分なエネルギーを有する。一般的な実施形態の１つにおいて、ＬＥＤは青色発光ＧａＮ系ＬＥＤ等のＩＩＩ〜Ｖ族半導体装置であり、再発光半導体構造体はＩＩ〜ＶＩ族半導体装置である。
【００２７】
図１は、再発光半導体構造体中の半導体の伝導帯及び価電子帯を示すバンド図である。層の厚さは正しい縮尺を表すものではない。表１はこの実施形態における層１〜９の組成及びその組成についてバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を示す。この構造はＩｎＰ基板上に成長させることができる。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
層３は、約１０ｎｍの厚さを有する赤色発光量子井戸である単一ポテンシャル井戸を示す。層７は、約１０ｎｍの厚さを有する緑色発光量子井戸である単一ポテンシャル井戸を示す。層２、４、６及び８は、それぞれ約１０００ｎｍの厚さを有する吸収層を示す。層１、５及び９は支持層を示す。支持層は、通常、量子井戸３及び７、並びに短波長ＬＥＤから放射される光をほぼ透過するように選択される。或いは、装置は吸収層及び／又は支持層によって隔てられた複数の赤色、又は緑色発光ポテンシャル井戸又は量子井戸を有していてよい。
【００３０】
理論に束縛されるものではないが、図１に示される実施形態は、以下の原理によって動作すると考えられる。すなわち、ＬＥＤによって放射され、再発光半導体構造体に入射する青色波長の光子は吸収されて、緑色波長の光子として緑色発光量子井戸７から再発光されるか、又は赤色波長の光子として赤色発光量子井戸３から再発光される。短波長の光子が吸収されると電子−正孔対が生成し、これが量子井戸内で再結合して光子が放射される。装置から放射される青色、緑色及び赤色波長光の多色の組み合わせは白色又は白色に近い色として見え得る。装置から放射される青色、緑色及び赤色波長光の強度は、それぞれの種類の量子井戸の数の操作、フィルター又は反射層の使用、及び吸収層の厚さ及び組成の操作等の任意の好適な方法によってバランスを調整してよい。図３は、装置の一実施形態から放射された光のスペクトルを示したものである。
【００３１】
図１に示される実施形態を再び参照すると、吸収層２、４、５及び８は、ＬＥＤから放射される光子のエネルギーと量子井戸３及び７の遷移エネルギーとの中間のバンドギャップエネルギーを、これらの吸収層に対して選択することによって、ＬＥＤから放射される光子を吸収するように構成してよい。吸収層２、４、６及び８への光子の吸収によって生成する電子−正孔対は、通常、光子の放射を伴った再結合の前に、量子井戸３及び７によって捕捉される。所望により、吸収層は、電子及び／又は正孔をポテンシャル井戸に向かって集める、又は方向付けるために、その厚さの全体又は一部にわたって所定の組成勾配を有する。いくつかの実施形態において、ＬＥＤ及び再発光半導体構造体は、単一の半導体ユニットとして与えられる。すなわち、ＬＥＤ及び再発光半導体構造体は、一連の製造工程によって同じウエハ上に成長させることができる。この半導体ユニットは、通常、ｐｎ接合内に位置する第１ポテンシャル井戸と、ｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸とを含む。ポテンシャル井戸は通常、量子井戸である。ユニットは、第１ポテンシャル井戸の遷移エネルギーに相当する波長（ＬＥＤが放射する光）と、第２ポテンシャル井戸の遷移エネルギーに相当する第２波長（再発光半導体構造体が放射する光）の２つの波長の光を放射することができる。通常の動作では、第１ポテンシャル井戸は、ｐｎ接合に電流が流れると光子を放射し、第２ポテンシャル井戸は、第１ポテンシャル井戸から放射される光子の一部を吸収して光子を放射する。半導体ユニットは、第２ポテンシャル井戸の周囲に、又はこれに近接若しくは隣接して１個以上の吸収層を更に含んでよい。吸収層は、通常、第１ポテンシャル井戸の遷移エネルギー以下であり、かつ第２ポテンシャル井戸の遷移エネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する。通常の動作において、吸収層は、第１ポテンシャル井戸から放射される光子の吸収を助ける。半導体ユニットは、ｐｎ接合内に位置するか又はｐｎ接合内には位置しない更なるポテンシャル井戸と、更なる吸収層とを含んでよい。
【００３２】
図４は、該半導体ユニット内の半導体の伝導帯及び価電子帯を示すバンド図である。層の厚さは正しい縮尺を表すものではない。表２は、この実施形態における層１〜１４の組成及びその組成についてバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を示す。
【００３３】
【表２】
2009540615.tif 000004
【００３４】
層１０、１１、１２、１３及び１４は、ｐｎ接合を示し、より具体的には、ｎ−ドープ層１０とｐ−ドープ層１４との間に中間の非ドープ（内在的ドーピング）層１１、１２及び１３が介在していることからｐｉｎ接合を示す。層１２は、約１０ｎｍの厚さを有する量子井戸であるｐｎ接合内の単一のポテンシャル井戸を示す。或いは、装置は、ｐｎ接合内に複数のポテンシャル又は量子井戸を含有してよい。層４及び８は、それぞれが約１０ｎｍの厚さを有する量子井戸である、ｐｎ接合内には位置しない第２及び第３ポテンシャル井戸を示す。或いは、装置は、更なるｐｎ接合内に位置しないポテンシャル又は量子井戸を含有してよい。更なる一代替実施形態において、装置はｐｎ接合内に位置しない単一のポテンシャル又は量子井戸を含有していてよい。層３、５、７及び９は、それぞれが約１０００ｎｍの厚さを有する吸収層を示す。図示しないが、電気接点によってｐｎ接合への電流の供給路が与えられる。電気接点は電流を伝導するものであり、通常、導電性金属から形成される。正の電気接点は、直接的又は中間構造を介して間接的に層１４に電気的に接続される。負の電気的接点は、直接的又は中間構造を介して間接的に層１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０の１個以上に電気的に接続される。
【００３５】
理論に束縛されることを望むものではないが、図１に示される実施形態は以下の原理によって動作すると考えられる。すなわち、層１４から層１０に電流が流れると、青色波長の光子がｐｎ接合内の量子井戸（１２）から放射される。層１４の方向に移動する光子は装置を離れ得る。反対方向に移動する光子は、吸収されて第２量子井戸（８）から緑色波長の光子として、又は第３量子井戸（４）から赤色波長の光子として再発光され得る。青色波長の光子が吸収されると、電子−正孔対が生成し、これが第２又は第３量子井戸内で再結合して光子が放射される。層１４の方向に移動する緑色又は赤色波長の光子は装置を離れ得る。装置から放射される青色、緑色及び赤色波長光の多色の組み合わせは、白色又は白色に近い色として見え得る。装置から放射される青色、緑色及び赤色波長光の強度は、それぞれの種類のポテンシャル井戸の数の操作、及びフィルター又は反射層の使用等の任意の適当な方法によってバランスを調整することができる。図３は、装置の一実施形態から放射された光のスペクトルを示したものである。
【００３６】
図４に示される実施形態を再び参照すると、吸収層３、５、７及び９は、第１量子井戸（１２）の遷移エネルギーと、第２及び第３量子井戸（８及び４）の遷移エネルギーとの中間のバンドギャップエネルギーを有することから、第１量子井戸（１２）から放射される光子を吸収するのに特に適していると考えられる。吸収層３、５、７及び９への光子の吸収によって生成する電子−正孔対は、通常、光子の放射を伴った再結合の前に第２又は第３量子井戸８及び４によって捕捉される。所望により、吸収層には通常、周囲の層と同様のドーピングをしてもよく、この実施形態において、ｎ−ドーピングである。所望により、吸収層は、その厚さの全体又は一部にわたって所定の組成勾配を有することによって、電子及び／又は正孔をポテンシャル井戸に向かって集める、すなわち方向付けることができる。
【００３７】
ＬＥＤが可視光波長のＬＥＤである場合、再発光半導体構造体の各層は、ＬＥＤから放射される光を部分的に透過するものとすることができる。或いは、ＬＥＤが紫外線波長のＬＥＤである場合、再発光半導体構造体の１以上の層によってＬＥＤから放射される光のより大きな部分又はほぼ全体又は全体を遮断することによって、装置から放射される光のより大きな部分又はほぼ全体又は全体が、再発光半導体構造体から再発光される光となるようにしてもよい。ＬＥＤが紫外線波長のＬＥＤである場合、再発光半導体構造体は赤色、緑色、及び青色発光量子井戸を含んでよい。
【００３８】
装置は導電性、半導電性、又は非導電性材料の更なる層を有してよい。電気的接点層を設けてＬＥＤへの電流の供給路を与えてよい。電気的接点層は、ＬＥＤに流れる電流が再発光半導体構造体にも流れるように配置されてよい。或いは、再発光半導体構造体の一部を食刻して、ＬＥＤのｐ型又はｎ型層への電気的接点を挿通可能な孔又は開口部を形成することも可能である。光濾過層を設けて、適合されたＬＥＤによって放射される光の波長のバランスを改変又は補正してよい。
【００３９】
いくつかの実施形態において、開示される光源は、青色、緑色、黄色、及び赤色帯域の４つの主要な波長の光を放射することによって白色又は白色に近い光を与える。一代替実施形態において、光源は、青色及び黄色帯域の２つの主要な波長の光を放射することによって白色又は白色に近い光を発生する。更に他の実施形態において、光源は、緑色等のほぼ単一の可視色の光を放射する。
【００４０】
装置は、抵抗器、ダイオード、ツェナーダイオード、コンデンサ、トランジスタ、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、フォトトランジスタ、光検出器、ＳＣＲ、サイリスタ、トライアック、電圧レギュレータ、及び他の回路素子等の能動型又は受動型コンポーネントを含む更なる半導体素子を含んでよい。装置は、集積回路を含んでよい。装置は、ディスプレイパネル又は照明パネルを含んでよい。
【００４１】
開示される光源に含まれるＬＥＤ及び再発光半導体構造体は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、化学気相成長法、液相エピタキシー及び気相エピタキシー等の任意の好適な方法によって製造することができる。装置の素子として、任意の好適な基板を含んでよい。一般的な基板材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、サファイア、ＳｉＣ、及びＺｎＳｅが挙げられる。基板は、ｎ−ドープしたもの、ｐ−ドープしたもの、又は半絶縁性のものであってよく、任意の適当な方法によって、又は任意の好適なドーパントの添加によって得ることができる。或いは、装置の素子は、基板を含まずともよい。一実施形態において、装置の素子は、基板上に形成された後に基板から分離してよい。装置の素子は、接着又は溶接材料の使用、圧力、熱、又はこれらの組み合わせ等の任意の好適な方法によって互いに接合してもよい。該方法を用いることによって、例えば、ＬＥＤ（ＬＥＤダイ等）を再発光半導体構造体に接着したり、ＬＥＤを光学素子（抽出部材等）に接着したり、再発光半導体構造体を光学素子に接着することができる。有用な半導体ウエハ接着方法としては、Ｑ．Ｙ．トング及びＵ．ゴセル（Q.Y. Tong and U. Gosele）によるテキスト（半導体ウエハボンディング）「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｗａｆｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ」（ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、ニューヨーク、１９９９）（John Wiley & Sons, New York, 1999）の第４章及び第１０章に記載される方法が挙げられる。米国特許第５，９１５，１９３号（トング（Tong）ら）及び同第６，５６３，１３３号（トング（Tong））に記載のウエハ接着方法を用いてもよい。ＧａＮをＺｎＳｅに接着するウエハの接着方法が、ムライ（Murai）ら、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Japanese Journal of Applied Physics）、４３、Ｎｏ．１０Ａ、Ｌ１２７５頁（２００４）に記載されている。いくつかの実施形態において、ＬＥＤと再発光半導体構造体との間に接着層が配される。接着層には、例えば、透明接着層、無機薄膜、融合可能なガラスフリット、又は他の好適な接着剤が含まれてよい。接着層の更なる実施例は、米国特許出願公開第２００５／００２３５４５号（カムラス（Camras）ら）に記載されている。通常、形成される接着は透明である。接着方法としては、界面接着法、又は辺縁部のみにおいて素子（ＬＥＤ及び再発光半導体構造体）を接合する方法、すなわちエッジ接着法等が挙げられる。所望により、屈折率マッチング層又は間隙空間を設けてもよい。
【００４２】
ＬＥＤは通常、金属製のヘッダーに実装されたＬＥＤダイ又はチップを含むパッケージの形態で販売される。ＬＥＤダイは、最も基本的な形態のＬＥＤである（半導体ウエハプロセス技術によって製造された個々のコンポーネント又はチップの形態）。こうしたコンポーネントまたはチップは、装置を作動させるための電力の印加に適した電気的接点を含んでもよい。素子又はチップの個々の層及びその他の機能的コンポーネントは、通常ウエハスケールで形成され、仕上がったウエハは最終的に個別の小片にダイシングされて多数のＬＥＤダイが形成される。金属製ヘッダーは、ＬＥＤチップが実装される反射型のカップと、ＬＥＤダイに接続された電気リードとを有する。パッケージは更に、ＬＥＤダイを封入する型成型された透明樹脂を含む。封入樹脂は、通常、ＬＥＤダイから放射される光を部分的にコリメートする名目上半球状の前面を有する。ＬＥＤコンポーネントは、ＬＥＤダイ、又はＬＥＤダイと再発光半導体構造体又は他の素子との組み合わせであってもよく、又はこれらを含んだものであってもよい。
【００４３】
上記に述べた光学素子は、別体として形成した後にＬＥＤコンポーネントの表面と接して又は表面の近傍に配して、ＬＥＤコンポーネントから光を結合又は「抽出」してＬＥＤコンポーネント内部に閉じ込められる光の量を減少させるために用いることができる。こうした素子は、抽出部材と呼ばれる。抽出部材は、名目上、ＬＥＤコンポーネントの主発光面とほぼ嵌合するようなサイズ、形状を有する入力面を有する。
【００４４】
抽出部材を用いることによって高輝度ＬＥＤパッケージ又は光源を得ることができる。該パッケージのＬＥＤコンポーネントは、上記、又は参照として本明細書に援用する現在係属中の米国特許出願第１１／００９２１７号又は同第１１／００９２４１号に記載されるように、別々の素子又は単一の半導体ユニットとして、ＬＥＤと再発光半導体構造体との組み合わせであってよい。
【００４５】
図５において、ＬＥＤパッケージ１０は、ヘッダー又は他のマウント１４上に実装されたＬＥＤコンポーネント１２を含む。ＬＥＤコンポーネント及びマウントは、簡単にするために、概略的に示されているが、これらは当該技術分野で知られている従来の設計的特徴、及び上述したような再発光層を含み得ることは、読者に理解されよう。ＬＥＤコンポーネントの主発光面１２ａ、底面１２ｂ、及び側面１２ｃは、単純な長方形の構成として示してあるが、切頭ピラミッドを反転させた形状をなす角ばった側面のような、他の公知の形態も考えられる。ＬＥＤコンポーネントへの電気的接点も又、簡単のために示していないが、従来知られるようにＬＥＤコンポーネントのいずれの表面に設けてもよい。例示的実施形態いおいて、ＬＥＤコンポーネントは、例えば「フリップチップ」型ＬＥＤコンポーネントの構成におけるように、いずれもＬＥＤコンポーネントの底面１２ｂに配置された２個の接点を有する。更にマウント１４は、支持基板、電気的接点、ヒートシンク、及び／又はリフレクタカップとしても機能し得る。
【００４６】
ＬＥＤパッケージ１０は更に、ＬＥＤコンポーネント１２を封入又は包囲する透明な光学素子１６を含む。光学素子１６はＬＥＤコンポーネント（より正確には発光面１２ａ近傍のＬＥＤコンポーネントの外側部分）の屈折率と、通常、空気である周囲の媒体の屈折率との中間の屈折率を有する。多くの実施形態では、ＬＥＤコンポーネントと素子との間の屈折率の差が小さいほどＬＥＤコンポーネントに閉じ込められて損失する光が減少することから、素子１６の材料としては、ＬＥＤコンポーネントの屈折率を実質的に上回らない範囲でできるだけ高い屈折率を有する材料を選択することが望ましい。図に示した光学素子１６は湾曲した出力面を有し、これによって光がＬＥＤパッケージから周囲の媒体へと確実に伝播するばかりでなく、こうした出力面を用いてＬＥＤコンポーネントによって放射される光を少なくとも部分的に焦点化又はコリメートすることができる。光をコリメートするうえで、下記に詳述するテーパ形状等の他の形状を有する光学素子を使用することも可能である。光学素子１６は、ＬＥＤコンポーネントを覆って形成される封入部材であってもよく、その場合、封入部材は、光透過性のエポキシ又はシリコーンであるか、又はこれを含むのが一般的である。
【００４７】
ＬＥＤパッケージ１０においては、光学素子１６とＬＥＤコンポーネント１２との間にパターン形成された低屈折率層１８が更に設けられる。低屈折率層１８は、ＬＥＤコンポーネントに閉じ込められた光の一部を選択的に保存することによって、発光面１２ａの一部に設けられた開口部又は領域２０における輝度を高める効果を有する。パターン形成された低屈折率層１８が、側面１２ｃ及び発光面１２ａの開口部２０以外の部分と実質的に光学的に接触するのに対して、光学素子１６は発光面１２ａの開口部２０の領域上の部分と光学的に接触する。（これに関し、「光学的接触」とは、表面又は媒体が互いに十分に近い間隔（直接的物理的接触を含むがこれに限定されない）で隔てられていることによって、低屈折率層又は透明素子の屈折率特性によってＬＥＤコンポーネント内部を伝播する光の少なくとも一部の全反射が制御又は大きく影響されることを意味する。通常、各表面又は媒体は、１００、５０又は２５ｎｍ以下（まったく間隙がない場合を含む）の間隙で隔てられ、互いのエバネッセント波の内部となる。）パターン形成された低屈折率層１８は、ＬＥＤコンポーネントの屈折率及び透明素子１６の屈折率のいずれよりも大幅に低い屈性率を有する。層１８は更に、光を効率よく閉じ込めようとする部分において、光学的に厚く形成される。光学的に厚い、とは、減衰全反射（ＦＴＩＲ、Frustrated Total Internal Reflection）が防止されるように、又は、層の一方の側の媒体（例えば光学素子１６）の屈折率特性が、層の他方の側の媒体（例えばＬＥＤ１２）中を伝播する光の少なくとも一部の全反射を制御又はこれに大きく影響することがないように層の厚さが十分に大きいことを意味する。パターン形成された低屈折率層の厚さは、対象とする光の真空中でのエネルギーに対して、好ましくは約１／１０波長、より好ましくは約１／２波長、より好ましくは約１波長よりも大きい。層１８の「パターニング」とは、層１８がＬＥＤ発光面上で連続的であるが、開口部２０では極めて薄く形成され（したがって全反射を維持できない）、それ以外の部分では光学的に厚く形成されている実施形態を含むものである。層１８は、透明な誘電体材料であるか、ＬＥＤコンポーネントの表面においてこうした材料の層を少なくとも含んでいることが有利である。これらの誘電体材料は、ＬＥＤコンポーネント内部の光の大半が（ＴＩＲによって）１００％反射されるのに対して、単純な金属コーティングでは特に入射角が大きな場合に反射率が１００％よりも大幅に低くなることから、こうした材料は単に金属の層をＬＥＤに塗布することによって形成された反射コーティングと比較して利点を有する。
【００４８】
パターン形成された低屈折率層１８は、ＬＥＤの特定の部分（例、開口部２０）の輝度を、ＬＥＤの他の部分（例、発光面１２ａの開口部２０以外の部分）の輝度の低下と引き換えに増大させる。この効果を得るには、ＬＥＤコンポーネントの内部において放射光が多数回にわたって反射できるように、ＬＥＤコンポーネントの動作時の内部損失が十分に低いことが重要である。ＬＥＤコンポーネントの製造及び設計技術の進歩にしたがって、表面からの損失又は体積吸収率は低下することが予想され、内部量子効率は高くなることが予想され、本開示で述べる輝度向上効果によって安定的に増大する利益が得られることが予想される。バルク吸収は、基板及びエピタキシャル成長プロセスを改良することによって低減させることが可能である。表面吸収は、エピタキシャル層を高反射率の金属ミラーと接着したり、ＬＥＤ構造に全方向性ミラーを組み込むことなどによって改良した背面リフレクタによって低減させることが可能である。該設計は、ＬＥＤコンポーネントの背面を適宜成形して上面からの光の出力を増大させることでより効果的なものとなり得る。例示的実施形態において、底面１２ｂの大部分は金属又は誘電体の積層体等の高反射率材料である。リフレクタは、ＬＥＤの放射波長において好ましくは９０％よりも高い反射率、より好ましくは９５％、最も好ましくは９９％の反射率を有する。
【００４９】
再び図５を参照すると、例えば、任意の放射点光源２２が光線２４を放射する。ＬＥＤコンポーネント１２及び透明素子１６の屈折率は、光線がＬＥＤ／光学素子の界面で発光面１２ａに最初にぶつかった際に、素子１６中に伝播して屈折するような値である。しかしながら、パターン形成層１８によって界面のその位置は、光線２４を全反射するように変化している。図５に示されるように、光線はＬＥＤの厚さを通じて伝播し、背面１２ｂで反射し、再び発光面１２ａにぶつかるが、今度は層１８がないために透明素子１６内へと脱出する。これにより、発光面１２ａの開口部２０に当たる部分は、発光面１２ａの低屈折率層１８によって覆われた部分と引き換えにより明るくなる（単位面積及び単位立体角当りの光束が多くなる）。
【００５０】
図５の実施形態において、低屈折率層１８に入射するＬＥＤ内部の光の一部は、発光面１２ａの法線ベクトルに対する入射角が十分に小さく低屈折率層１８を単純に通過できる場合には、素子１６内に依然脱出することができる。したがって、ＬＥＤコンポーネントの低屈折率層でコーティングされた部分に入射する光の脱出角は、０ではないが、コーティングされていない部分よりもその範囲は小さくなる。他の実施形態において、低屈折率層１８は、低屈折率層１８によってもたらされるＴＩＲの利点を損なうことなくＬＥＤコンポーネント内における光の再利用率を高め、開口部２０における輝度を更に高めるために反射性金属等の良好な法線入射リフレクタ又は干渉リフレクタによってコーティングしてもよい。所望により、ＬＥＤコンポーネントの外表面と低屈折率層１８との間に干渉リフレクタを配置してもよい。
【００５１】
好適な低屈折率層１８としては、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、シリカ、ゾルゲル、フルオロカーボン類、及びシリコーンのコーティングが挙げられる。エアロゲル材料は、約１．２以下、更には約１．１以下の極めて低い有効屈折率が得られることから更に好適である。エアロゲルは、溶媒で充填されたコロイド状シリカの構造単位からなるゲルを高温、高圧下で臨界点乾燥することによって製造される。得られる材料は疎密度かつ微細孔質の媒体である。低屈折率層１８の例示的厚さは、材料の屈折率に応じて約５０〜１００，０００ｎｍ、好ましくは約２００〜２０００ｎｍである。層１８の屈折率は、型成型された樹脂又は他の封入材料である光学素子１６の屈折率よりも低く、かつＬＥＤコンポーネント又はＬＥＤコンポーネントの発光面近傍の部分の屈折率よりも低い。層１８の屈折率は、好ましくは約１．５よりも低く、より好ましくは１．４よりも低い。低屈折率層１８は、誘電体材料からなる中実層であってもよく、ＬＥＤコンポーネントと透明素子１６との間に設けられる真空又はガス充填した間隙であってもよい。
【００５２】
ＬＥＤコンポーネントの外表面は、光学的に滑らかであってよい（表面仕上げＲＡが約２０ｎｍよりも小さい）。ＬＥＤの外表面の一部、全体又は部分が光学的に粗くともよい（表面仕上げＲＡが約２０ｎｍよりも大きい）。上面の辺縁部の一部もＬＥＤコンポーネントの底面に対して直角でない角度をなしていてよい。これらの角度は直交する角度から０〜４５°の範囲の角度であってよい。更に、ＬＥＤコンポーネントの大小の表面は平坦でなくともよい。例えば、ＬＥＤコンポーネントの発光面の１乃至複数の隆起部が光学素子のほぼ平坦な底面と接触することで図５〜７に示される開口部２０、２０ａ及び３４を形成してもよい。
【００５３】
低屈折率層１８が実質上位置しない部分として定義される開口部２０の形状は、円形、長方形、正方形、又はより複雑な形状であってよく、多角形又は非多角形、規則的又は不規則的形状を問わない。下記に詳述するように、複数の開口部を設けることも考えられる。開口部の形状は、一般に目的とする用途に応じて選択され、システムの全体的性能が最適化されるように適合させることができる。開口部の表面に連続的又は非連続的パターン、又は低屈折率のコーティング領域の網目をパターン形成したり、厚さ又は屈折率又はその両方の勾配を有する低屈折率層を設けることによって、開口部の表面における光出力の分布を改変することも考えられる。側面１２ｃが、少なくとも部分的に低屈折率層で覆われていれば、開口部は上面である発光面１２ａの全体にわたってもよい。
【００５４】
図６を参照すると、ＬＥＤパッケージ１０に似ているが、低屈折率層１８が中央の開口部において低屈折率のコーティング領域の網目を有することによって改変されているＬＥＤパッケージ１０ａが示されている。改変された低屈折率層は、符号１８ａで示し、改変された中央開口部は符号２０ａで示す。他のコンポーネントは、図５で用いた参照符号をそのまま用いている。図に示されるように、低屈折率領域の網目は、開口部の辺縁部の近くで透過率が比較的低くなるように、その領域では比較的密なパターンとして形成することができる。開口部を通じた透過率が調整可能であることは、システムの設計において特定の空間的均一性又は出力分布が求められる高輝度ＬＥＤにおいて有用である。こうした開口部における低屈折率媒体の配置は、図７、８及び１０〜１２の実施形態を含む（ただしこれらに限定されない）開示される他の実施形態に同様に適用することができる。
【００５５】
開口部は、開口部を画定する低屈折率材料（便宜上、「周囲の低屈折率材料」と呼ぶ）とは異なる厚さ又は異なる屈折率又はその両方を有する低屈折率材料でコーティングしてもよい。該設計の柔軟性を利用してパッケージＬＥＤによって放射される光の角度分布を改変することが可能である。例えば、光学素子１６の屈折率と周囲の低屈折率材料の屈折率との間の屈折率を有する材料で、開口部２０又は２０ａをコーティングすることによって、開口部から放射される光の角度の範囲が限定される。これにより、通常であれば高い角度で放射される光がＬＥＤコンポーネント内で再利用され、付随する光学システムによってより効率的に利用することが可能な所定の角度範囲の光の出力が増大する。例えば、電子投射システムに用いられる集光光学素子では、一般的に用いられるＦ／２〜Ｆ／２．５の受光設計角の範囲外の光は効率的に利用できない。
【００５６】
次に図７を参照すると、ＬＥＤパッケージ３０は、ＬＥＤコンポーネント１２と部分的に光学的に接触した透明な光学素子３２を含む。光学素子３２はＬＥＤコンポーネントから部分的に離隔しているために、光学素子とＬＥＤコンポーネントとの間に大きな空気間隙３４が形成されている。透明素子３２は、入力面３２ａ及び出力面３２ｂを有する。入力面３２ａは、出力面３２ｂよりも小さく、ＬＥＤコンポーネントの発光面１２ａよりも小さく、発光面の一部と光学的に接触することによって開口部３４を形成する。ここで、入力面は出力面よりも表面積が小さいので出力面よりも「小さく」、出力面は入力面よりも表面積が大きいので入力面よりも大きい。光学素子３２と発光面１２ａの形状が異なることによって空気間隙３６が形成され、間隙３６は接触領域（開口部３４）の周囲に所定のパターンの低屈折率層を形成する。このため、ＬＥＤコンポーネントから発生した光は、透明素子３２によって開口部３４から高い輝度で効率的に抽出される。光学素子３２及び本開示に開示される他の光学素子は任意の好適な手段によって、接触点においてＬＥＤコンポーネントに接着するか、ＬＥＤコンポーネントの発光面に接着することなく所定位置に保持することができる。ＬＥＤパッケージにおける非接着光学素子に関する更なる考察は、本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２００６／００９１７８４号（コナー（Connor）ら）、「非接着光学素子を有するＬＥＤパッケージ」（LED Package With Non-Bonded Optical Element）に見ることができ、その全体を参照として本明細書に援用する。上記に述べたように、ＬＥＤの発光面１２ａから光学素子３２内へと開口部３４に放射される光の角度範囲は、ＬＥＤコンポーネント１２の屈折率と透明素子３２の屈折率との間の屈折率を有する材料の層を介在させることによって小さくすることができる。
【００５７】
集められた光の角度範囲を小さくする（又は集められた光を（少なくとも部分的に）コリメートする）ための別の方法は、図８に示されるような１個以上のテーパ形成された側壁を有する透明素子を用いることである。この場合、ＬＥＤパッケージ４０は、ＬＥＤパッケージ３０と同様であるが、光学素子３２の代わりに光学素子４２が用いられている。素子４２は入力面４２ａ及び出力面４２ｂを有する。入力面４２ａは、出力面４２ｂよりも小さく、ＬＥＤコンポーネントの発光面１２ａよりも小さく、発光面の一部と光学的に接触することによって開口部４４を形成する。光学素子４２と発光面１２ａの形状が異なることによって空気間隙４６が形成され、間隙４６は、接触領域（開口部４４）の周囲に所定のパターンの低屈折率層を形成する。更に光学素子４２は、ＬＥＤコンポーネントから入力面４２ａに大きく斜めに入射する光の一部をコリメートするための反射性を有するテーパ形成された側面４２ｃ、４２ｄを有する。側面４２ｃ、４２ｄの反射性は、ＴＩＲを可能とする低屈折率媒体、若しくは金属層、干渉リフレクタ又はこれらの組み合わせ等の反射性材料を適用することによって与えられる。
【００５８】
光学素子４２は、液体、熱結合させた無機ガラス、プラスチック無機ガラスを用いるか、各表面に光学的に滑らかな仕上げ（表面粗さＲＡが約５０ｎｍよりも小さく、好ましくは約２０ｎｍよりも小さい）を行った後、表面を互いに密着させることによって、ＬＥＤコンポーネントの発光面と光学的に接触状態とすることができる。更に、光学素子４２は、表面４２ａ、４２ｃ、４２ｄを含む下側のテーパ部分を、表面４２ｂを含む上側のレンズ形状部分とは別に製造してから、２個の部分を従来の手段によって接着又は接合して得られる複合構造としてもよい。２個の部分をより明らかに示すために破線を示してある。複合光学素子、その設計上の考慮点、及びその利点について下記で更に述べる。
【００５９】
モデルを使用して、パターン形成された低屈折率層、及び出力開口部に結合されたテーパ形成された光学素子を用いたパッケージＬＥＤにおける輝度の潜在的増加を測定した。一般的なＬＥＤダイの光学的挙動を再現するため発光領域、吸収領域、及び角ばったエッジを有するファセット面を備え、炭化ケイ素（屈折率＝１．５５）の材料特性を有するＬＥＤダイのモデルを作製した。切頭ピラミッドを反転させた形状のテーパ形成された光学素子を、ＬＥＤダイの前ファセット面すなわち発光面に光学的に結合させた。光学素子の材料特性は炭化ケイ素のものであった。ＬＥＤダイ及び光学素子の入力及び出力面は、前方から見た場合に正方形であった。このモデルでは更に、光学素子の出力面をＢＫ７ガラスの材料特性を有する半球状レンズに結合させた。レンズの直径は、ＬＥＤダイの正方形の発光面の幅の１０倍であり、レンズの曲率半径はＬＥＤダイの発光面の幅の５倍であった。光学素子の高さのアスペクト比を光学素子の出力面の幅の２．２倍に保ち、かつ出力面の幅を入力面の幅の２倍に保ちつつ、光学素子の入力面のサイズをＬＥＤダイの発光面積の１００％から４％まで徐々に変化させた。光学素子のサイズがＬＥＤダイの発光面のサイズよりも小さくなるにしたがって、ＬＥＤダイの発光面の、光学素子の入力面の外側に当たる部分が屈折率が１である媒体によって覆われ、光学素子の入力面に相補的にＬＥＤダイの発光面を覆うパターン形成された低屈折率層が形成されたものと仮定された。光学素子によって放射される部分出力（ＬＥＤパッケージの相対発光出力を表す）及び光学素子の出力面によって放射される相対発光照度（ルーメン／ｃｍ２ｓｒ）（ＬＥＤパッケージの相対輝度を表す）を計算した。図９は、観察された傾向を全体として示したものである。曲線５０は、放射された相対部分出力を示し、曲線５２は相対発光照度を示す。これらの結果から、開口部のサイズが小さくなるにしたがって、パッケージから得られる総発光出力は減少するが、輝度（より小さい開口部において）は劇的に高くなることが確認される。
【００６０】
ＬＥＤコンポーネントを用いた光源構造、すなわち、再発光半導体構造体を組み合わせたＬＥＤダイ（例えば、再発光半導体構造体をＬＥＤダイ上に配置し、ＬＥＤコンポーネントの発光面に光学的に結合された再発光半導体構造体上に光学素子（抽出部材等）を配置したもの）においてこのモデルに似た結果が予想される。
【００６１】
開示される実施形態のパターン形成された低屈折率層は、間隙、又はＬＥＤコンポーネントに塗布された低屈折率材料のコーティングを含んでもよい。低屈折率材料（又は干渉リフレクタを形成する個々の層）を液体からＬＥＤコンポーネントにコーティングするうえで適した方法としては、スピンコーティング、スプレイコーティング、ディップコーティング、及びコーティングをＬＥＤコンポーネント上に注ぐ方法が挙げられる。液体コーティングは、後に硬化されるモノマー、溶媒、及びポリマー、無機ガラスを形成する材料、ゾルゲル、及びエアロゲルから構成されるものでもよい。低屈折率材料をガス状態からコーティングするうえで適した方法としては、化学気相成長法又はＬＥＤコンポーネント上に蒸気を凝縮させる方法が挙げられる。ＬＥＤコンポーネントは、スパッタリング、蒸着、又は他の従来の物理的蒸着方法によって低屈折率材料でコーティングすることもできる。
【００６２】
コーティングは、ウエハ段階（ダイシングの前）において、又はダイシングされたウエハを実装する前、ＬＥＤコンポーネントをヘッダー又は他の支持構造に実装した後、及びＬＥＤコンポーネントへの電気的接続を確立した後に、多数のＬＥＤに施すことができる。再発光半導体構造体のウエハを、個々のＬＥＤのアレイを有するＬＥＤウエハに接着した後でコーティングを施すこともできる。開口部は、低屈折率材料のコーティングを施す前又は後で形成することができる。コーティング後のパターン形成法は、選択された特定の低屈折率材料、及び半導体プロセシングにおけるその適合性に応じて選択される。例えば、ウエハをフォトレジストで覆ってから開口部を形成したい部位に開口が形成されるようにパターン形成し、適当な低屈折率材料のコーティングを塗布し、次いで好適な溶媒を用いてリフトオフを行うことが可能である。或いは、初めに低屈折率材料をウエハ又はＬＥＤコンポーネントの全体に塗布し、パターン形成したフォトレジスト層をエッチングマスクとして成膜し、反応性イオンエッチング等の好適な方法を用いて低屈折率材料を除去してもよい。所望により、好適な溶媒を用いてフォトレジスト層を除去してもよい。低屈折率材料でパターン形成するための他の方法としては、レーザーアブレーション及びシャドーマスキングが挙げられる。これらの方法は、一般的なフォトリソグラフィ用のストリッピング又は現像用溶媒に溶解する材料に用いるのに特に有用であり得る。低接着領域から不要なコーティングをリフトオフによって除去するうえで好適な方法としては、初めに接着材料を塗布し、次いで接着材料を除去する方法があり、接着材料によって開口部領域からはコーティングが除去されるが、周囲のコーティングはそのまま残される。低屈折率材料をパターン形成して、ＬＥＤコンポーネントへの電気的接続を行う領域を形成することも可能である。例として、参照として本明細書に援用する、米国特許出願公開第２００３／０１１１６６７（Ａ１）号（シュバート（Schubert））を参照されたい。
【００６３】
金属反射層を従来のプロセスによって形成し、所望のパターンを形成することによって開口部及び適当な電気的絶縁を得ることができる。
【００６４】
次に、図１０を参照すると、ＬＥＤコンポーネント１２の外部に光を結合するためのテーパ形光学素子６２を用いたＬＥＤパッケージ６０が示されている。図８の光学素子４２に関連して述べたように、光学素子６２も複合構造を有している。すなわち、光学素子６２は互いに接合された少なくとも２個の部分６４、６６を含む。各部分は、図に示すように入力面６４ａ、６６ａ、出力面６４ｂ、６６ｂ、及び反射性の側面６４ｃ、６４ｄ、６６ｃ、６６ｄを有する。素子６２のテーパ形成された各側面は、近傍に配されたＬＥＤの発光面１２ａからの光を結像しないように（少なくとも部分的に）再度方向付け又はコリメートする。テーパ形素子６２及び本明細書で開示される他のテーパ形成された素子では、側面は平面でなくともよい。これらの側面は、目的とする用途及び設計上の制約条件に応じて、円錐状、曲線状（放物線状等）、又はこれらの任意の好適な組み合わせでもよい。開示されるテーパ形素子は、当該技術分野ではＣＰＣ（複合放物面集光器）として知られる素子の形状を有していてもよい。
【００６５】
多くの状況において、高屈折率材料からテーパ形の光学素子を形成することで、入力面６４ａによって画定される開口部へのＬＥＤの発光面１２ａにおける反射を低減させることによって、光がより効率的にＬＥＤコンポーネント１２の外部へと結合、又はＬＥＤコンポーネント１２から抽出されることが望ましい。多くの状況において、高い熱伝導性及び高い熱安定性を有する材料を用いて光学素子を製造することが更に望ましい。これにより、光学素子は光学的機能を果たすばかりでなく、熱に対処する機能も果たすことができる。更なる熱への対処効果は、こうした光学素子をヒートシンクと熱的に結合させることによって得られる。これについては、その全体を参照として本明細書に援用する、本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２００６／００９１４１４号（オウデルカーク（Ouderkirk）ら）、「前面熱抽出部材を有するＬＥＤパッケージ」（LED Package With Front Surface Heat Extractor）により詳細に述べられている。
【００６６】
残念なことに、ＬＥＤの放射波長において十分に高い屈折率（例えば、約１．８、２．０、更には２．５よりも高い）を有し、並びに／又は約０．２Ｗ／ｃｍ／Ｋよりも高い熱伝導率を有する透明材料は、高価及び／又はその製造が困難である傾向がある。高い屈折率及び高い熱伝導率を有する材料としては、ダイアモンド、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、及びサファイア（Ａｌ２Ｏ３）が挙げられる。これらの無機材料は、高価であり、物理的に非常に硬く、光学グレードの仕上げにまで成形、研磨することが困難である。特に炭化ケイ素は、マイクロパイプと呼ばれるある種の欠陥が生じ、光が散乱してしまう。炭化ケイ素は、導電性であり、このため、電気的接点又は回路機能を与えることもできる。テーパ形光学素子内部における散乱は、散乱が素子の入力端付近の位置に限定されている場合には許容され得る。しかしながら、ＬＥＤコンポーネントから光を効率的に結合するための十分な長さを有するテーパ形素子の製造にはコストと時間がかかる。一体型のテーパ形素子の製造における更なる難点は、材料の歩留りが比較的低く、フォームファクターのためにＬＥＤコンポーネントをテーパ形素子と個別に組み立てなければならない場合がある点である。これらの理由から、テーパ形素子を異なる光学材料から形成された少なくとも２個の部分に分割して製造コストを低減させることが有利である。
【００６７】
第１部分は、望ましくは、ＬＥＤコンポーネントとの光学的に接触し、高い屈折率（好ましくは発光面においてＬＥＤコンポーネントの屈折率に概ね等しい）、高い熱伝導率、及び／又は高い熱安定性を有する第１光学材料から形成される。ここで、高い熱安定性とは、分解温度が約６００℃以上の材料のことである。
【００６８】
第２部分は、第１部分に接合され、第１光学材料よりも材料コストが低く、製造がより容易なものであってよい第２光学材料から形成される。第２光学材料は、第１光学材料と比較してより低い屈折率、より低い熱伝導率、またはその両方を有してよい。例えば、第２光学材料は、ガラス、ポリマー、セラミック、セラミックナノ粒子充填ポリマー、及びその他の光学的に透明な材料からなることができる。好適なガラスとしては、鉛、ジルコニウム、チタン、及びバリウムの酸化物を含むものが挙げられる。これらのガラスは、酸化ジルコニウム、チタニア、酸化亜鉛、及び硫化亜鉛から製造することができる。好適なセラミックナノ粒子としては、酸化ジルコニウム、チタニア、酸化亜鉛、及び硫化亜鉛が挙げられる。
【００６９】
第３光学材料からなる第３部分を、第２部分に接合してＬＥＤ光の外部環境への結合を更に促進することができる。一実施形態では、３つの部分の屈折率は、テーパ形素子における全体のフレネル表面反射を最小限に抑えるために、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３のように配列される。
【００７０】
図８に示される光学素子４２の上側部分のような大きめのレンズ素子は、開示される単一型又は複合型のテーパ形素子の出力端に配置又は形成することが有利である。こうしたレンズ素子の表面、及び／又は、テーパ形素子又は他のコリメート素子等の開示される光学素子の入力及び出力面に更に反射防止コーティングを施すこともできる。
【００７１】
例示的構成では、ＬＥＤダイは、厚さ０．４ｍｍのＳｉＣのスラブ上に配された１ｍｍ×１ｍｍのＧａＮ接合を含み得る。テーパ形素子６２の第１部分６４は、ＳｉＣから形成することができる。第２部分６６は、屈折率ｎ＝２．０である非吸収性、非散乱性の高屈折率ガラスであるＬＡＳＦ３５から形成することができる。第１部分と第２部分との間の接合部の幅寸法、及び第２部分の出力部の寸法は、屈折率１．０の周囲環境への全光出力が最適化するために所望のように選択することができる。厚さ０．４ｍｍのＳｉＣのスラブの辺縁部を１２°の負の傾斜にテーパ形成することによって、ＬＥＤコンポーネントの側面における光反射のＴＩＲモードを完全に阻止することができる。標準的な封入ＬＥＤと比較して、ＬＥＤの接合部及びＳｉＣスラブ内部における吸収及び散乱によって、総合モード構造が変化することから、この傾斜は所望のように調整することができる。例えば、吸収接合部とは逆方向に光学モードを方向付けるには正の傾斜（ＬＥＤ接合部の幅がＳｉＣスラブの幅よりも小さい場合）を用いることが望ましい。この場合ＳｉＣスラブはテーパ形素子の一部と考えることができる。
【００７２】
上述したように、第１部分６４は、熱ヒートシンクと結合させることができる。第１部分６６は、従来の接着方法によって、第１部分６４に接着することができる。接着材料が使用される場合、接着材料はフレネル反射を低減するために接合される２種類の光学材料の屈折率の間の屈折率を有することができる。他の有用な接着方法としては、半導体ウエハ接着の分野で知られるウエハ接着方法がある。有用な半導体ウエハ接着方法としては、上記に述べたものが挙げられる。
【００７３】
図１１に示されるＬＥＤパッケージ７０は、テーパ形成された反射性側壁によって、入力面７４ａがより大きな出力面７４ｂに結合された第１部分７４が、やはり入力面７６ａ（出力面７４ｂと重なって延在する）及び更に大きな出力面７６ｂを有する第２部分７６に封入された複合テーパ形素子７２を用いている。出力面７６ａは、複合素子７２に、更なるコリメート又は集光化に有用な屈折力を与えるように湾曲している。部分７４のテーパ形成された側面は、これらの面においてＴＩＲを促進するように低屈折率材料のコーティング７８を備えて示されている。好ましくは、素材は、第１部分７４、第２部分７６及びＬＥＤコンポーネント１２の屈折率よりも低い屈折率を有する。該コーティング７８は、発光面１２ａの、部分７４と接触していない部分、及び／又はＬＥＤコンポーネント１２の側面１２ｃ（図５参照）に施すこともできる。ＬＥＤパッケージ７０の製造において、第１部分７４を発光面１２ａの所望の開口部領域に接着（又は単に載置）でき、次いで、液体封入前駆材料をＬＥＤコンポーネント及び第１部分を封入するのに十分な量だけ供給した後、前駆材料を硬化させて完成した第２部分７６を形成する。この目的に好適な材料としては、シリコーン又はエポキシ材料等の従来の封入配合物がある。パッケージは、コーティング７８によって第１部分７６の側面に結合されるヒートシンクを更に含むことができる。こうしたヒートシンクなしでも、テーパ形素子に熱伝導率の高い第１部分を用いることによって、ＬＥＤコンポーネントに大きな熱交換質量が付加され、少なくとも変調駆動電流を用いたパルス動作において所定の効果が得られる。
【００７４】
本明細書で開示される単一型のテーパ形素子及び複合型のテーパ形素子はいずれも、テーパ形成されたコンポーネントを個別に製造し、第１セグメントをＬＥＤコンポーネントに接着し、次いで後続のセグメントを付加することなどによる、従来の手段によって製造することができる。或いは、いずれもその全体を参照として本明細書に援用する、本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２００６／００９４３４０（オウデルカーク（Ouderkirk et al.）ら）、「光学及び半導体素子の製造方法」（Process For Manufacturing Optical And Semiconductor Elements）、並びに米国特許出願第２００６／００９４３２２号（オウデルカーク（Ouderkirk）ら）、「発光アレイの製造方法」（Process For Manufacturing A Light Emitting Array）に開示される精密研磨法を用いて単一型及び複合型のテーパ形素子を製造することもできる。簡単に述べると、所望の光学材料の１個以上の層を有するワークピースを用意する。ワークピースは、ウエハ又はファイバーセグメントのような大型のフォーマットでもよい。次いで、精密パターン形成された研磨剤をワークピースと接触させてワークピースに溝を研磨加工する。研磨が終了すると、溝によって多数の突出部が形成される。これらの突出部は単一型又は複合型のテーパ形素子の形態とすることができる。これらのテーパ形素子をワークピースから個々に取り外して、別々のＬＥＤコンポーネントに１個づつ接着するか、テーパ形素子のアレイをＬＥＤコンポーネントのアレイに対して便宜よく接着することができる。
【００７５】
更に、本出願と同一の譲受人に譲渡された２００６年５月３日出願の米国特許出願第１１／３８１，５１２号（代理人整理番号６２１１４ＵＳ００２）に記載の方法、並びに本出願と同一の譲受人に譲渡された２００６年５月３日出願の米国特許出願第１１／３８１，５１８号（代理人整理番号６１２１６ＵＳ００２）に開示される高屈折率材料を用いて抽出部材等の光学素子を製造することができる。これらの係属中の出願をいずれも参照として本明細書に援用する。
【００７６】
ＬＥＤコンポーネントの発光面よりも小さい入力面を有する光学結合素子が用いられる場合、複数のこうした素子を同じ発光面の異なる部分に結合させることが考えられる。
【００７７】
有利な点として、こうした手法を用いることによって、単一の光学テーパ形素子を複数のより小さな素子に単純に置き換えることによって、ＬＥＤコンポーネントの外部に所定量の光を結合させるのに要する光学材料の量を減らすことができる。材料の用い方が異なることは、ダイアモンド、ＳｉＣ、及びサファイア等の高価かつ加工が困難な材料を扱ううえで特に重要である。例えば、１個の光学テーパ形素子をより小さい光学テーパ形素子を２×２個配したアレイで置き換えることで、高屈折率（第１）光学材料の必要とされる厚さを２倍よりも大きく減少させることが可能であり、３×３個のアレイでは、必要とされる厚さを３倍よりも大きく減少させることが可能である。驚くことに、光学素子の入力面の間の位置において、ＬＥＤから光が効率的に放射されない場合があるにも関わらず、モデリングによればこうした手法はそれでもなお極めて高いネット抽出効率を有することが示された。
【００７８】
テーパ形素子等の複数の光学結合素子を用いることの別の利点は、素子の間に間隙又は空間が形成され、これを様々な目的で利用できることである。例えば、こうした間隙又は空間を高屈折率の流体、金属熱伝導体、導電体、熱輸送流体、及びこれらの組み合わせによって充填することができる。
【００７９】
ＬＥＤダイをＳｉＣから作製し、ＬＥＤダイの内部で発生した光の３０％が屈折率１．５２の媒体中に浸漬した場合にＬＥＤから放射されるように吸収層を調整してモデリングを行った。これは、一般的なＬＥＤ装置を表したものである。このモデルでは、図１２のＬＥＤパッケージ８０に示すような、ＬＥＤ発光面に結合させたテーパ形光学素子を３×３個に配したアレイを用いた。図に示したＬＥＤダイ１２’は、角度をなした側面１２’及び前発光面１２ａ’を有し、前発光面１２ａ’にはテーパ形素子のうちの３個、８２、８４、８６がそれぞれ入力面８２ａ、８４ａ、８６ａにおいて結合されている様子が示されている。より小さな各光学素子間に空間又は間隙８３、８５が形成されている点に注目されたい。出力面８２ｂ、８４ｂ、８６ｂは、出力面８８ｂを有するより大きなテーパ形光学素子８８の入力面８８ａに結合している。このモデルでは、テーパ形素子８８に対して大きめのサイズを有する半球レンズ（図示せず）が更に用いられており、その平坦面が出力面８８ｂに取り付けられている。レンズはＢＫ７ガラス（ｎ＝１．５２）で形成されている。テーパ形素子８８は、ＬＡＳ３５（ｎ＝約２）から形成されているものをモデリングした。このモデルによって、より小さなテーパ形素子について異なる光学材料を用い、更に間隙８３、８５を含むＬＥＤコンポーネントの周囲の周辺空間について異なる材料を用いて評価を行った。
【００８０】
モデリングしたＬＥＤパッケージの計算上の出力（例えば、ワット）を、小さなテーパ形素子の光学材料（表中、「Ａ」で示す）及び周辺材料（表３中、「Ｂ」で示す）の関数として下記に示す。
【００８１】
【表３】
2009540615.tif 000005
【００８２】
これらの値を、より小さい素子の３×３個のアレイの代わりにＳｉＣで形成された単一のテーパ形素子を用いたシステムの出力に対して正規化したところ、下記の結果を得た（表４）。
【００８３】
【表４】
2009540615.tif 000006
【００８４】
表３及び４は、テーパ形光学素子は、効率的に光を抽出するうえでＬＥＤの発光面の全体の領域にわたって光学的に結合される必要はないことを示している。表は更に、抽出効率を大きく低下させることなく小さいテーパ形素子の間の周辺空間を低屈折率とすることが可能であることを示している。ＬＥＤ及び再発光半導体構造体の両方を含むＬＥＤコンポーネントを用いた光源でも同様の結果が予想される。
【００８５】
周辺空間は、抽出効率を高めるために特定の材料で充填することができる。充填材料としては、流体、有機又は無機ポリマー、無機粒子充填ポリマー、塩類、又はガラスを使用することができる。好適な無機粒子としては、酸化ジルコニウム、チタニア、及び硫化亜鉛が挙げられる。好適な有機流体としては、ＬＥＤの作動温度において、かつＬＥＤが発生する光に対して安定した任意のものが挙げられる。場合によっては、流体は低い導電性及びイオン濃度を更に有するものである必要がある。適当な流体としては、水、ハロゲン化炭化水素、及び芳香族及び複素環式炭化水素が挙げられる。充填材料は、テーパ形光学素子をＬＥＤコンポーネントに接着する機能も有することができる。
【００８６】
光学素子間の空間の少なくとも一部に金属を適用することによって、ＬＥＤコンポーネントに電流を分配したり、ＬＥＤコンポーネントから熱を除去したり、或いはその両方を行うことが可能である。金属は、ある程度光を吸収することから、吸収による損失を最小化することが望ましい場合がある。これは、金属とＬＥＤコンポーネントとの接触領域を最小化し、金属とＬＥＤコンポーネントの表面との間、金属と光学素子との間、又はその両方に低屈折率材料を導入して金属との光学的結合を低減させることによって行うことができる。例えば、上部の金属層と電気的に導通した、低屈折率材料によって包囲された金属接点のアレイを接触領域にパターン形成することができる。例えば、上記に参照したシュバート（Schubert）による米国特許出願公開第２００３／０１１１６６７（Ａ１）号を参照されたい。好適な低屈折率材料としては、ガス又は真空、スリーエム社（3M Company）（ミネソタ州セントポール）より入手可能なＦｌｕｏｒｉｎｅｒｔ等のフルオロカーボン類、水、及び炭化水素類が挙げられる。こうした金属は光学素子の周囲の媒体内に延在してもよく、ここで熱を除去することができる。
【００８７】
各テーパ形素子の間に流体を配して更なる熱を除去することも可能である。テーパ形光学素子のアレイは、正方形のアレイ（例えば、２×２、３×３等）、長方形のアレイ（例えば、２×３、２×４等）、又は六角形のアレイとすることができる。個々のテーパ形光学素子の入力又は出力面の断面形状は、正方形、長方形、三角形、円形又は他の所望の形状とすることができる。アレイは、ＬＥＤの発光面の全体にわたって、又は発光面よりも大きい範囲で、又は発光面の一部のみに配することができる。テーパ形素子は、低融点ハンダガラス、硫化亜鉛等の柔らかい無機コーティング、高屈折率流体、ポリマー、セラミック充填ポリマーを用いて、又は光学素子及びＬＥＤに極めて滑らかかつ平坦な表面を与え、ＬＥＤコンポーネントを光学素子の入力面に対して機械的に押圧することによって、ＬＥＤの発光面に取り付けることができる。
【００８８】
複数の光学素子９２、９４及びパターン形成された低屈折率層９６を有する別のＬＥＤパッケージ９０が図１３に示されている。パターン形成された低屈折率層９６は図に示されるような２個の開口部を含み、その上に光学素子９２、９４がＬＥＤコンポーネントの発光面１２ａと光学的に接触させて配置されている。更に、層９６は、ＬＥＤコンポーネントの発光面１２ａ及びＬＥＤコンポーネントの側面１２ｃと光学的に接触している。ＬＥＤパッケージ９０は、低屈折率層９６の一部の上に示された金属接点９８を更に有している。図１３には示されていないが、パターン形成層９６は、金属接点９８の近傍においてやはりパターン形成されており、金属接点９８が層９６の孔を通じて延在して、ＬＥＤコンポーネント１２との電気的接点を与えることが望ましい。チップの設計に応じて第２電気的接点をＬＥＤコンポーネントの別の位置に設けてもよい。
【００８９】
開示される光源において有用な抽出部材及び他の光学素子は、広範な形状、サイズ、及び構成を有することができる。例えば、ＬＥＤコンポーネントから効率的に光を抽出し、放射光の角度分布を改変するうえで集束型光学素子も有用であることが分かっている。該パッケージのＬＥＤコンポーネントは、上記、又は参照として本明細書に援用する現在係属中の米国特許出願第１１／００９２１７号又は同第１１／００９２４１号に記載されるように、別々の素子又は単一の半導体ユニットとして、ＬＥＤと再発光半導体構造体との組み合わせであってよい。
【００９０】
光学素子は、ＬＥＤコンポーネントから効率的に光を抽出し、放射光の角度分布を改変することができる。各光学素子は、光を効率的に抽出し、放射光の発光パターンを変更するために、ＬＥＤコンポーネント（又はＬＥＤコンポーネントのアレイ）の発光面に光学的に結合される。光学素子を有するＬＥＤ光源は、例えば、液晶ディスプレイ又はバックリット看板のバックライト等の種々の用途において有用である。
【００９１】
本明細書に記載する集束型光学素子を含む光源は、エッジ照射（edge-lit）型及び直接照射（direct-lit）型のいずれの形態のバックライトにおける使用にも適している。光源がバックライトの外側の部分に沿って配置されるエッジ照射型のバックライトには、楔形の光学素子が特に適している。ピラミッド又は円錐形の集束型光学素子は、直接照射型のバックライトにおける使用に特に適している。特定のバックライトの設計に応じて、該光源は単一の光源コンポーネントとして使用してもよく、又、アレイとして配列してもよい。
【００９２】
直接照射型のバックライトでは、光源は、通常、拡散型又は鏡面反射型のリフレクタと、プリズムフィルム、ディフューザ及び反射型ポラライザを含み得る上部のフィルム積層体との間に配置される。これらを用いて光源から放射された光を、見る人に向けて最も有用な視野角の範囲かつ均一な輝度にて方向付けることができる。プリズムフィルムの例としては、スリーエム社（3M Company）（ミネソタ州セントポール）より入手可能なＢＥＦ（商標）等の輝度上昇フィルムがある。反射型ポラライザの例としては、やはりスリーエム社（3M Company）（ミネソタ州セントポール）より入手可能なＤＢＥＦ（商標）がある。エッジ照射型のバクライトでは、光源は、光が中空又は中実のライトガイド内に入射するように配置することができる。ライトガイドは、通常、その下に配されるリフレクタと、上述したような上部のフィルム積層体とを有する。
【００９３】
図１４は、一実施形態に基づく光源を示した概略側面図である。光源は、光学素子９９及びＬＥＤコンポーネント１２を含む。光学素子９９は、三角形の断面形状を有し、底面１２０と底面１２０を挟んで頂部１３０を形成する２個の集束側面１４０を有する。頂部は、図１４において１３０として示されるような尖った先端でもよく、例えば切頭三角形におけるような鈍端化された先端でもよい（点線１３５で示す）。鈍端化された頂部は、平坦であっても、丸みを帯びていても、又はその組み合わせであってもよい。頂部は、底面よりも小さく、好ましくは底面の上に位置する。いくつかの実施形態において、頂部は、底面のサイズの２０％以下である。頂部は、底面のサイズの１０％以下であることが好ましい。図１４において、頂部１３０は、底面１２０上の中心に位置する。しかしながら、頂部が底面の中心に位置しない、又は底面の中心からずれている実施形態も考えられる。
【００９４】
光学素子９９は、ＬＥＤコンポーネント１２によって放射する光を抽出するために、ＬＥＤコンポーネント１２に光学的に結合される（又は光学的に接触する）。ＬＥＤコンポーネント１２の主発光面１２ａは光学素子９９の底面１２０とほぼ平行であり、近接している。ＬＥＤコンポーネント１２及び光学素子９９は、接着、又は非接着形態を含む、様々な方式で光学的に結合される。これについては下記に詳述する。
【００９５】
光学素子９９の集束側面１４０ａ、ｂは、ＬＥＤコンポーネント１２によって放射される光の発光パターンを、図１４で矢印１６０ａ、ｂで示されるように変更する働きをする。一般的な剥き出しのＬＥＤコンポーネントは、第１発光パターンで光を放射する。通常、第１発光パターンは、ほぼ前方への放射であるか、前方への大きな発光成分を有する。図１４に示される光学素子９９のような集束型光学素子は、第１発光パターンを第２異なる発光パターンに変更する。例えば、楔形の光学素子はＬＥＤコンポーネントが放射した光を、２個のローブを有する側方発光パターンを形成するように方向付ける。図１４は、ＬＥＤコンポーネントによって放射され、底面において光学素子９９に入射する光線１６０ａ、ｂを示す。集束側面１４０ａに対して比較的小さい入射角となる方向に放射される光線は、光学素子２０の高屈折率材料から周囲媒体（例えば、空気）へと出射する際に屈折する。例示的光線１６０ａは、法線に対して小さい角度で入射するそうした光線の１つを示したものである。臨界角よりも大きいか臨界角に等しい大きな入射角で放射される別の光線は、光線が入射する第１集束側面（１４０ａ）において全反射する。しかしながら、図１４に示されるような集束型の光学素子において、屈折した光線は次いで第２集束側面（１４０ｂ）に小さい入射角で入射し、ここで屈折して光学素子から出射する。例示的光線１６０ｂは、該光路の１つを示したものである。
【００９６】
少なくとも１個の集束側面を有する光学素子は、第１光発光パターンを、第２異なる光発光パターンに変更することができる。例えば、ほぼ前方に放射される光パターンは、こうした集束型の光学素子によって第２ほぼ横方向に放射される光パターンへと変更される。言い換えれば、高屈折率の光学素子は、ＬＥＤコンポーネントが放射する光を、側方発光パターンを形成するように方向付けるような形状とすることができる。光学素子が回転対称である場合（例えば、円錐形状を有する場合）、得られる光発光パターンはトロイダルな分布を有する（放射光の強度が光学素子を中心とした円形パターンに集中する）。例えば光学素子が楔形である場合（例えば、図１６参照）、側方発光パターンは２個のローブを有する（２個の領域に光の強度が集中する）。対称な楔では、２個のローブは光学素子の対向する側面に位置する（対向する２個の領域）。複数の集束側面を有する光学素子については、側方発光パターンはこれに対応した複数のローブを有する。例えば、四角錐形状を有する光学素子は、生ずる側方発光パターンは４個のロープを有する。側方発光パターンは、対称性でも非対称性でもよい。底面又は発光面に対して光学素子の頂部が、非対称的に配される場合に非対称なパターンが形成される。当業者であれば、所望により異なる発光パターンを形成するためのこうした構成並びに形状の異なる組合せは認識されよう。
【００９７】
いくつかの実施形態において、側方発光パターンは、強度グラフで見た場合に最低でも約３０°の極角で最大となる強度分布を有する。他の実施形態において、側方発光パターンは最低でも３０°の極角を中心とした強度分布を有する。開示される光学素子では、例えば、４５°及び６０°の極角で最大となるか、及び／又は４５°及び６０°の極角を中心とした強度分布のような、他の強度分布も可能である。
【００９８】
集束型光学素子は、異なる形態を有することができる。各光学素子は、底面、頂部、及び少なくとも１個の集束側面を有する。底面は任意の形状（例、正方形、円形、対称又は非対称、規則又は不規則形状）を有し得る。頂部は、点、線、又は面（鈍端化された頂部の場合）であり得る。特定の集束形状にかかわらず、頂部は表面積において底面よりも小さく、側面が底面から頂部に向かって集束するようになっている。集束型の光学素子は、ピラミッド形、円錐、楔形、又はこれらの組合せの形状とすることができる。これらの形状は、それぞれ頂部付近で頭部を切り詰めて鈍端化された頂部を形成してもよい。集束型光学素子は、多角形の底面と少なくとも２個の集束側面を有する多面体形状を有することができる。例えば、ピラミッド形又は楔形の光学素子は、長方形又は正方形の底面と４個の側面とを有し、側面のうちの２個が集束側面であるようなものとすることができる。残りの側面は、互いに平行な側面、又は発散又は集束する側面であり得る。底面の形状は、対称的でなくともよく、台形、平行四辺形、四辺形又は他の多角形の形状とすることができる。他の実施形態において、集束型光学素子は円形、楕円形、又は不規則形状であるが連続的な底面を有し得る。これらの実施形態において、光学素子が単一の集束面を有すると言うことができる。例えば、円形の底面を有する光学素子は、円錐形状とすることができる。一般に集束型光学素子は、底面、底面上に（少なくとも部分的に）位置する頂部、及び、頂部と底面とをつないで中実体を形成する１個以上の集束面を含む。
【００９９】
図１５ａは、底面２２０、頂部２３０、及び４個の側面２４０を有する四角錐として形成された集束型光学素子２００の一実施形態を示す。この特定の実施形態において、底面２２０は、長方形又は正方形であり、頂部２３０は底面の中心上に位置する（底面を含む平面に対して垂直な直線２１０に沿った頂部の投影像が底面２２０の中心に位置する）。図１５ａは、光学素子２００の底面２２０に近接し、かつ平行な発光面１２ａを有するＬＥＤコンポーネント１２を更に示す。ＬＥＤコンポーネント１２及び光学素子２００は、発光面／底面の界面において光学的に結合されている。光学的結合は、下記に詳述する７つの異なる方法によって達成することができる。例えば、ＬＥＤコンポーネントと光学素子とを互いに接着することができる。図１５ａにおいて、底面及びＬＥＤコンポーネントの発光面は、サイズがほぼ一致したものとして示される。他の実施形態において、底面は、ＬＥＤコンポーネントの発光面よりも大きくとも、小さくともよい。
【０１００】
図１５ｂは、集束型コンポーネント２０２の別の実施形態を示す。この場合、光学素子２０２は、六角形の底面２２２、鈍端化された頂部２３２、及び６個の側面２４２を有する。各側面は、底面と頂部との間に延在し、それぞれ頂部２３２に向かって集束している。頂部２３２は、鈍端化され、やはり六角形の形状を有するが六角形の底面よりは小さい面をなしている。
【０１０１】
図１５ｃは、２個の集束面２４４、底面２２４、及び頂部２３４を有する光学素子２０４の別の実施形態を示す。図１５ｃにおいて、光学素子は楔形の形状を有し、頂部２３４は直線をなしている。残りの２個の側面は互いに平行な側面として示されている。上から見た光学素子２０４を図１７ｄに示す。
【０１０２】
楔形の光学素子の一代替実施形態は、図１６に示す光学素子２０６のような集束側面と発散側面との組合せを有する形状を更に含む。図１６の実施形態において、楔形の光学素子２０６は斧の頭に似た形状を有している。２個の発散側面１４２は、ＬＥＤコンポーネントによって放射された光をコリメートする働きをする。２個の集束面１４４は、上部で集束し、側面から見た場合（図１４参照）には、底面の上に位置するが、図１６（又は図１７ｅ）に示すように見た場合には、底面からはみ出る部分を有する直線状の頂部１３２を形成する。図１４に示すように、集束側面１４４は、ＬＥＤコンポーネント１２が放射する光を各側面へと再度方向付ける。他の実施形態において、例えば、図１７ｆに示されるように、全ての側面が集束するような楔形を有するものがある。
【０１０３】
光学素子は、円形又は楕円形の底面と、底面の上に（少なくとも部分的に）位置する頂部と、底面と頂部とをつなぐ単一の集束面とを有する円錐として形成することもできる。上述のピラミッド及び楔形の形状におけるように、頂部は点であっても線（直線又は曲線）であってもよく、或いは、鈍端化されることで面をなしてもよい。
【０１０４】
図１７ａ〜ｉは、光学素子のいくつかの代替的実施形態の上面図を示す。図１７ａ〜ｆは、頂部が底面の中心上に位置する実施形態を示す。図１７ｇ〜ｉは、頂部がずれているか、傾いていて底部の中心上に位置していない非対称的な光学素子の実施形態を示す。
【０１０５】
図１７ａは、正方形の底面、４個の側面、及び底面の中心上に位置する鈍端化された頂部２３０ａを有するピラミッド形の光学素子を示す。図１７ｈは、正方形の底面、４個の側面、及び底面の中心からずれた鈍端化された頂部２３０ｈを有するピラミッド形の光学素子を示す。図１７ｂは、正方形の底面、及び円形に形成された鈍端化された頂部２３０ｂを有する光学素子の一実施形態を示したものである。この場合、各集束側面は正方形の底面が円形の頂部につながるように湾曲している。図１７ｃは、正方形の底面、及び、１点に集束して底面の中心上に位置する頂部２３０ｃを形成する４個の三角形の側面を有するピラミッド形の光学素子を示す。図１７ｉは、正方形の底面、及び、１点に集束して底面の中心からずれた（中心上に位置しない）頂部２３０ｉを形成する４個の三角形の側面を有するピラミッド形の光学素子を示す。
【０１０６】
図１７ｄ〜ｇは、楔形の光学素子を示す。図１７ｄにおいて、頂部２３０ｄは、底面の上にあり、かつ底面の中心上に位置する直線をなしている。図１７ｅにおいて、頂部２３０ｅは底面の中心上に位置し、部分的に底面の上にある直線をなしている。頂部２３０ｅは、底面からはみ出る部分を更に有している。図１７ｅに示す上面図は、図１６の斜視図にて示しかつ上述した光学素子の上面図であり得る。図１７ｆ及び１７ｇは、直線をなす頂部及び４個の集束側面を有する楔形の光学素子の２つの代替的実施形態を示したものである。図１７ｆにおいて、頂部２３０ｆが底面の中心上にあるのに対して、図１７ｇにおいて、頂部２３０ｇは、ずれている。
【０１０７】
図１８ａ〜ｃは、代替実施形態に基づく光学素子を側面図にて示したものである。図１８ａは、底面３５０、及び底面３５０を起点として底面３５０の上にある頂部３３０に向けて集束する側面３４０及び３４１を有する光学素子の一実施形態を示す。所望により、各側面は鈍端化された頂部３３１に向けて集束してもよい。図１８ｂは、底面３５２、集束側面３４４、及び底面に対して垂直な側面３４２を有する光学素子の別の実施形態を示す。２個の側面３４２及び３４４は、底面の辺縁上に位置する頂部３３２を形成する。所望により、頂部は、鈍端化された頂部３３３であることができる。図１８ｃは、ほぼ三角形の断面形状を有する別の光学素子を側面図にて示したものである。この場合、底面３２５並びに側面３４５及び３４７は、ほぼ三角形をなすが、側面３４５及び３４５は非平面である。図１８ｃにおいて、光学素子は、湾曲した左側面３４５と、ファセット面からなる右側面（３個のより小さな平坦部３４７ａ〜ｃの組み合わせ）とを有する。各側面は、湾曲していても、区分されていても、ファセット面形成されていても、凸面であっても、凹面であっても、又、これらの組合せであってもよい。側面の該形態は、上述の平面状又は平坦な側面と同様に抽出光の角度放射を改変するよう機能する一方で、最終的な光の発光パターンを更にカスタマイズすることを可能にするものである。
【０１０８】
図１９ａ〜ｅは、各底面４２２ａ〜ｅと頂部４３０ａ〜ｅとの間にそれぞれ延びる非平面の側面４４０ａ〜ｅを有する光学素子４２０ａ〜ｅの一代替実施形態を示したものである。図１９ａにおいて、光学素子４２０ａは２個のファセット面形成された部分４４１ａ及び４４２ａを有する側面４４０ａを有している。底面４２２ａに近い部分４４２ａが底面４２２ａに対して垂直であるのに対して、部分４４１ａは頂部４３０ａに向けて集束している。同様に、図１９ｂ、ｃにおいて、光学素子４２０ｂ、ｃは、２個の部分４４１ｂ、ｃと４４２ｂ、ｃとがつながって形成される側面４４０ｂ、ｃをそれぞれ有している。図１９ｂにおいて、集束部分４４１ｂは凹状である。図１９ｃにおいて、集束部分４４１ｃは凸状である。図１９ｄは、部分４４１ｄと４４２ｄとがつながって形成される２個の側面４４０ｄを有する光学素子４２０ｄを示す。この場合、底面４２２ｄに近い部分４４２ｄは、鈍端化された頂部４３０ｄに向けて集束し、最上部４４１ｄは鈍端化された頂部６３０ｄの面に対して垂直となっている。図１９ｅは、湾曲した側面４４０ｅを有する光学素子４２０ｅの一代替実施形態を示す。この場合、側面４４０ｅは、ｓ字形であるが、鈍端化された頂部４３０ｅに向けて概ね集束している。図１９ａ〜ｅに示されるように、各側面が２個以上の部分からなる場合、これらの部分は、好ましくは、側面が集束しない部分を有していても全体としてはやはり集束するように配置される。
【０１０９】
底面のサイズはＬＥＤコンポーネントの発光面におけるサイズと一致することが好ましい。図２０ａ〜ｄは、こうした構成の例示的実施形態を示したものである。図２０ａにおいて、円形の底面５５０ａを有する光学素子が、正方形の発光面５７０ａを有するＬＥＤコンポーネントに光学的に結合されている。この場合、底面と発光面とは、正方形の発光面５７０ａの対角方向の寸法（ｄ）に等しい円形の底面５５０ａの直径ｄを有することによって一致している。図２０ｂにおいて、六角形の底面５５０ｂを有する光学素子が、正方形の発光面５７０ｂを有するＬＥＤコンポーネントに光学的に結合されている。この場合、六角形の底面５５０ｂの高さｈは、正方形の発光面５７０ｂの高さｈに一致している。図２０ｃにおいて、長方形の底面５５０ｃを有する光学素子が、正方形の発光面５７０ｃを有するＬＥＤコンポーネントに光学的に結合されている。この場合、底面及び発光面は、幅ｗが一致している。図２０ｄにおいて、正方形の底面５５０ｄを有する光学素子が六角形の発光面５７０ｄを有するＬＥＤコンポーネントに光学的に結合されている。この場合、底面及び発光面は、高さｈが一致している。当然ながら、底面及び発光面が、同じ形状と同じ表面積を有する単純な構成もこの基準を満たすものである。この場合、底面の表面積は、ＬＥＤコンポーネントの発光面の表面積に一致する。
【０１１０】
同様に、光学素子がＬＥＤコンポーネントのアレイに結合される場合、発光面におけるアレイのサイズを、光学素子の底面のサイズに好ましくは一致させることができる。ここでもまた、アレイと底面とが少なくとも１つの寸法（例、直径、幅、高さ、又は表面積）において一致している限り、アレイの形状は底面の形状と一致せずともよい。
【０１１１】
或いは、発光面におけるＬＥＤコンポーネントのサイズ、又はＬＥＤコンポーネントのアレイを合わせたサイズを、底面のサイズよりも小さくしたり大きくしたりすることも可能である。図１９ａ及び１９ｃは、ＬＥＤコンポーネント（それぞれ４１０ａ及び４１０ｃ）の発光面（それぞれ４１２ａ及び４１２ｃ）が底面（それぞれ４２２ａ及び４２２ｃ）のサイズに一致した実施形態を示す。図１９ｂは、底面４２２ｂよりも大きい発光面４１２ｂを有するＬＥＤコンポーネント４１０ｂを示す。図１９ｄは、発光面４１２ｄにおけるアレイを合わせたサイズが底面４２２ｄのサイズよりも大きいＬＥＤコンポーネントのアレイ４１２ｄを示す。図１９ｅは、底面４２２ｅよりも小さい発光面４１２ｅを有するＬＥＤコンポーネント４１０ｅを示す。
【０１１２】
例えば、ＬＥＤコンポーネントの発光面が１ｍｍの辺を有する正方形である場合、光学素子の底面を、１ｍｍの辺を有する一致した正方形とすることができる。或いは、正方形の発光面を、発光面の辺のサイズにその一辺が一致した長方形の底面と光学的に結合させてもよい。長方形の一致していない辺は、正方形の辺よりも大きくとも小さくともよい。所望により、発光面の対角方向の寸法に等しい直径を有する円形の底面を有する光学素子としてもよい。例えば、１ｍｍ×１ｍｍの正方形の発光面では、１．４１ｍｍの直径を有する円形の底面が本出願の目的においてサイズが一致していると考えられる。底面のサイズは、発光面のサイズよりも若干小さくしてもよい。本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２００６／００９１４１１号（オウデルカーク（Ouderkirk）ら）、「高輝度ＬＥＤパッケージ」（High Brightness LED Package）に記載されるように、これは目的の１つが光源の見かけのサイズを最小化することにある場合に利点を有し得る。
【０１１３】
図２１は、アレイ６１２として配された複数のＬＥＤコンポーネント６１４ａ〜ｃに光学的に結合された集束光学素子６２４を有する光源の別の実施形態を示したものである。この構成は、混合された際に白色光を発生するように、赤色、緑色及び青色ＬＥＤをアレイで組み合わせる場合に特に有用である。図２１では、光学素子６２４は集束側面６４６を有することによって光を各側面に再度方向付ける。光学素子６２４は、ＬＥＤコンポーネント６１２のアレイに光学的に結合された正方形の底面６２４を有する。ＬＥＤコンポーネント６１２のアレイも又、正方形（側面６１６を有する）をなしている。
【０１１４】
本明細書で開示される光学素子は、従来の手段によって、又は本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２００６／００９４３４０号（オウデルカーク（Ouderkirk）ら）、「光学及び半導体素子の製造方法」（PROCESS FOR MANUFACTURING OPTICAL AND SEMICONDUCTOR ELEMENTS）、同第２００６／００９４３２２号（オウデルカーク（Ouderkirk）ら）、「発光アレイの製造方法」（PROCESS FOR MANUFACTURING A LIGHT EMITTING ARRAY）、及び、２００５年１１月２２日出願の米国特許出願第１１／２８８０７１号、「光学素子のアレイ及びその製造方法」（ARRAYS OF OPTICAL ELEMENTS AND METHOD OF MANUFACTURING SAME）（代理人整理番号６０９１４ＵＳ００２）に開示される精密研磨法を用いることによって製造することができる。
【０１１５】
開示される光学素子（特に抽出部材を含む）は透明であり、好ましくは比較的高い屈折率を有する。光学素子に好適な材料としては、これらに限定されるものではないが、高屈折率ガラス（例えば、スコット・ノースアメリカ社（Schott North America, Inc.）（ニューヨーク州エルムスフォード）よりＬＡＳＦ３５の商品名で入手可能なＳｃｈｏｔｔガラス、型番ＬＡＳＦ３５）及びセラミック（例えば、サファイア、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、ダイアモンド、及び炭化ケイ素）が挙げられる。サファイア、酸化亜鉛、ダイアモンド、及び炭化ケイ素は、これらの材料が比較的高い熱伝導率（０．２〜５．０Ｗ／ｃｍ  Ｋ）をさらに有することから特に有用である。高屈折率ポリマー又はナノ粒子充填ポリマーも考えられる。好適なポリマーは、熱可塑性及び熱硬化性の両方を含むことができるポリマーである。熱可塑性ポリマーにはポリカーボネート及び環状オレフィンコポリマーが含まれる。熱硬化性ポリマーは、例えば、アクリル、エポキシ、シリコーン、及び当該技術分野で知られる他の熱硬化性ポリマーであり得る。好適なセラミックナノ粒子としては、酸化ジルコニウム、チタニア、酸化亜鉛、及び硫化亜鉛が挙げられる。
【０１１６】
光学素子の屈折率（ｎｏ）は、ＬＥＤコンポーネントの発光面の屈折率（ｎｅ）の屈折率と同様であることが好ましい。両者の差は０．２より大きくない（|ｎｏ−ｎｅ|≦０．２）ことが好ましい。所望により、使用される材料に応じて屈折率の差が０．２よりも大きくてもよい。例えば、発光面は１．７５の屈折率を有することができる。好適な光学素子は、例えば、ｎｏ≧１．９、ｎｏ≧２．１、及びｎｏ≧２．３等を含む、１．７５以上の屈折率を有することができる（ｎｏ≧１．７５）。所望により、ｎｏはｎｅよりも低くてもよい（例えば、ｎｏ≧１．７）。光学素子の屈折率は主発光面の屈折率と一致することが好ましい。いくつかの実施形態において、光学素子及び発光面の屈折率の値は等しくともよい（ｎｏ＝ｎｅ）。例えば、ｎｅ＝１．７６を有するサファイア発光面の屈折率を、ＳＦ４（スコット・ノースアメリカ社（Schott North America, Inc.）（ニューヨーク州エルムスフォード）よりＳＦ４の商品名で入手可能）ｎｏ＝１．７６のサファイア製光学素子又はガラス製光学素子と一致させてもよい。他の実施形態において、光学素子の屈折率は発光面の屈折率よりも高くとも低くともよい。光学素子は、高屈折率材料から形成されている場合、その高い屈折率によってＬＥＤコンポーネントからの光の抽出率を高め、その形状によって光の放射分布を改変する結果、所望の光発光パターンを与える。
【０１１７】
本開示全体を通じて、便宜上、ＬＥＤコンポーネント１２を一般的に示したが、ＬＥＤコンポーネント１２は、上述の再発光構造に加えて当該技術分野で知られる従来の設計的特徴を有し得る。例えば、ＬＥＤコンポーネントは異なるｐ−及びｎ−ドープ半導体層、バッファ層、基板層、及び表板（superstrate）層を含むことができる。単純な長方形のＬＥＤコンポーネントの構成を示したが、反転された切頭ピラミッド状のＬＥＤコンポーネントの形状を形成する角ばった側面のような、他の公知の形態も考えられる。ＬＥＤコンポーネントへの電気的接点も又、簡単のために示していないが、従来知られるようにＬＥＤダイのいずれの表面に設けてもよい。例示的実施形態において、ＬＥＤコンポーネントは、「フリップチップ」型の構成における、いずれもＬＥＤコンポーネントの底面に配置された２個の接点を有する。本開示は光学素子の形状やＬＥＤコンポーネントの形状を限定しようとするものではなく、飽くまで具体例を与えるものである。
【０１１８】
光学素子とＬＥＤコンポーネントの発光面との間の最小の間隙がエバネッセント波より大きくない場合、ＬＥＤコンポーネントと光学的に結合又は光学的に接触した光学素子が考えられる。ＬＥＤコンポーネントと光学素子を物理的に近接させて配置することによって光学的結合が得られる。図１４は、ＬＥＤコンポーネント１２の発光面１２ａと光学素子９９の底面１２０との間の間隙１５０を示す。通常、間隙１５０は、空気間隙であり、減衰全反射（Frustrated Total Internal Reflection）を促進するよう、通常、極めて小さい。例えば、図１４では、間隙１５０が空気中における光の波長のオーダーである場合、光学素子９９の底面１２０は、ＬＥＤコンポーネント１２の発光面１２ａと光学的に近接した状態にある。間隙１５０の厚さは、空気中における光の波長よりも小さいことが好ましい。複数の光の波長を用いるＬＥＤでは、間隙１５０は最大で最も長い波長の値であることが好ましい。好適な間隙の大きさとしては、２５ｎｍ、５０ｎｍ、及び１００ｎｍ等である。ＬＥＤコンポーネント及び光学素子の入力開口部又は、底面が光学的平面にまで研磨されて互いにウエハ接着される場合等では、間隙が最小化されることが好ましい。
【０１１９】
更に、間隙１５０は、発光面１２ａと底面１２０との間の接触領域にわたってほぼ均一であることが好ましく、発光面１２ａ及び底面１２０は２０ｎｍよりも小さい、好ましくは５ｎｍよりも小さい粗さを有することが好ましい。こうした構成において、脱出錐体（escape cone）の外側、すなわち通常であればＬＥＤコンポーネント／空気の界面で全反射される角度でＬＥＤコンポーネント１２から放射される光線が、光学素子２０内に伝播する。光学的結合を促進するために、底面１２０の形状は発光面１２ａと一致させることができる。例えば、図１４に示されるＬＥＤコンポーネント１２の発光面１２ａが平坦である場合、光学素子９９の底面１２０も平坦とすることができる。又、ＬＥＤコンポーネントの発光面が湾曲している場合（例、わずかに凹面である場合）、光学コンポーネントの底面は発光面と嵌り合う形状（例、わずかに凸面）とすることもできる。底面１２０のサイズは、ＬＥＤコンポーネントの発光面１２ａよりも小さくとも、等しくとも、大きくともよい。底面１２０はＬＥＤコンポーネント１２と同じ又は異なる断面形状を有することができる。例えば、ＬＥＤコンポーネントが正方形の発光面を有し、光学素子が円形の底面を有してよい。他の変形例は当業者には自明である。
【０１２０】
好適な間隙の大きさとしては、１００ｎｍ、５０ｎｍ、及び２５ｎｍが挙げられる。ＬＥＤコンポーネント及び光学素子の入力開口部又は底面が、光学的平面にまで研磨されて互いにウエハ接着される場合においては、間隙が最小化されることが好ましい。光学素子及びＬＥＤコンポーネントは、高温、高圧を作用させて接着することによって光学的に結合された配列とすることができる。任意で既知のウエハ接着法を用いることができる。例示的ウエハ接着法は、米国特許出願公開第２００６／００９４３４０号（オウデルカーク（Ouderkirk）ら）「光学及び半導体素子の製造方法」（PROCESS FOR MANUFACTURING OPTICAL AND SEMICONDUCTOR ELEMENTS）に記載されている。
【０１２１】
有限の間隙の場合、薄い光学的伝導層をＬＥＤコンポーネントの発光面と光学素子の底面との間に加えることによって光学的結合を得る、又は高めることができる。図２２は、薄い光学的伝導層６６０が間隙１５０内に配置されたこと以外は、図１４に示されるものと同様の光学素子及びＬＥＤコンポーネントの部分概略側面図である。間隙１５０と同様、光学的伝導層６６０の厚さは、１００ｎｍ、５０ｎｍ、２５ｎｍ以下であり得る。光学的結合層の屈折率は、光学素子の発光面の屈折率に厳密に一致することが好ましい。光学的伝導層は、接着及び非接着（機械的に分離した）形態のいずれで用いてもよい。接着された実施形態では、光学的伝導層として、例えば、透明接着層、無機薄膜、融合可能なガラスフリット、又は他の同様の接着剤を含む光を伝播する任意の好適な接着剤を用いることができる。接着された形態の更なる実施例は、例えば、２００２年３月１４日公開の米国特許出願公開第２００２／００３０１９４号（カムラス（Camras）ら）、「高い光抽出効率を有する発光ダイオード」（Light Emitting Diodes with Improved Light Extraction Efficiency）に記載されている。
【０１２２】
非接着形態において、ＬＥＤコンポーネントと光学素子との間に何らの接着剤（adhesive）又は他の接着剤を用いずに光学素子にＬＥＤコンポーネントを光学的に結合させることができる。非接着実施形態において、ＬＥＤコンポーネントと光学素子とは機械的に分離させて、互いに独立して動かすことが可能である。例えば、光学素子はＬＥＤコンポーネントに対して横方向に動かすことができる。別の実施例において、光学素子及びＬＥＤコンポーネントは、各コンポーネントが動作時に加熱する際に自由に膨張できる。このような機械的に分離したシステムでは、剪断応力であるか垂直応力であるかによらず、膨張によって生ずる応力の大半はコンポーネント間で伝達されない。言い換えれば、あるコンポーネントの運動が他のコンポーネントに機械的に影響することがない。この構成は、発光材料が脆弱である場合、ＬＥＤコンポーネントと光学素子との間に膨張係数の差がある場合、及び、ＬＥＤが繰り返しオン／オフされる場合に特に望ましい。
【０１２３】
機械的に分離した構成は、光学素子をＬＥＤコンポーネントに光学的に近接させて（２コンポーネント間に極めて小さい空気間隙が形成されるよう）配置することで製造することができる。上述したように、空気間隙は減衰全反射（Frustrated Total Internal Reflection）が促進されるように十分小さくなければならない。
【０１２４】
或いは、光学素子９９とＬＥＤコンポーネント１２とが独立して動くことを可能とするものであれば、図２２に示されるように薄い光学的伝導層６６０（例、屈折率の一致した流体）を光学素子とＬＥＤコンポーネントとの間の間隙１５０に設けることもできる。光学的伝導層６６０に適した材料の例としては、屈折率の一致した油、及び同様の光学特性を有する他の液体又はゲルが挙げられる。場合により、光学的伝導層６６０は熱伝導性であってもよい。
【０１２５】
光学素子及びＬＥＤコンポーネントは、公知の封入材料の任意のものを用いて共に封入することによって最終的なＬＥＤパッケージ又は光源とすることができる。光学素子及びＬＥＤコンポーネントを封入することによって、これらのコンポーネントを非接着実施形態として保持する方法が与えられる。
【０１２６】
更なる非接着構成は、本出願人による米国特許出願公開第２００６／００９１７８４号（コナー（Connor）ら）、「非接着光学素子を有するＬＥＤパッケージ」（LED Package With Non-Bonded Optical Element）に記載されている。
【０１２７】
光学素子は、例えば単一の材料ブロックから切り出された単一の構造体から形成することができ、２個以上の部分を複合構造として接合することによって形成することもできる。
【０１２８】
第１部分はＬＥＤコンポーネントと光学的に接触することが望ましく、高屈折率（発光面におけるＬＥＤコンポーネントの屈折率に概ね等しいことが好ましい）を有する第１光学材料から形成され、場合により高い熱伝導性及び／又は高い熱安定性を有する。これに関して、高い熱安定性とは、約６００℃以上の分解温度を有する材料のことを云う。第１部分の厚さは、光学的に厚いことが好ましい（例えば、少なくとも５μｍ又は光の波長の１０倍であると効果的である）。
【０１２９】
炭化ケイ素も又、導電性であり、このため電気的接点又は回路機能を与えることもできる。光学素子内部における散乱は、散乱が光学素子の入力端又は底面付近の位置に限定されている場合には許容されてよい。しかしながら、ＬＥＤコンポーネントから光を効率的に結合するために十分な長さを有する光学素子の製造にはコストと時間がかかる。一体型の光学素子の製造における更なる難点は、材料の歩留りが比較的低く、フォームファクターのためにＬＥＤコンポーネントをテーパ形素子と個別に組み立てなければならない場合がある点である。これらの理由から、光学素子を異なる光学材料から形成された少なくとも２個（またはそれよりも多い）の部分に分割して製造コストを低減させることが有利である。
【０１３０】
第２部分は第１部分に接合され、第１光学材料よりも材料コストが低く製造が容易なものであってよい第２光学材料から形成される。第２光学材料は、第１光学材料と比較してより低い屈折率、より低い熱伝導率、またはその両方を有してよい。例えば、第２光学材料は、ガラス、ポリマー、セラミック、セラミックナノ粒子充填ポリマー、及び他の光学的に透明な材料からなるものでよい。適当なガラスとしては、鉛、ジルコニウム、チタン、及びバリウムの酸化物を含むものが挙げられる。こうしたガラスは、チタン酸塩、ジルコン酸塩、及びスズ酸塩等の化合物から形成されたものでよい。適当なセラミックナノ粒子としては、酸化ジルコニウム、チタニア、酸化亜鉛、及び硫化亜鉛が挙げられる。
【０１３１】
場合により、第３光学材料からなる第３部分を第２部分に接合してＬＥＤ光の外部環境への結合を更に促進することができる。一実施形態において、３つの部分の屈折率は、光学素子における全体のフレネル表面反射を抑制するために、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３のように配列される。
【０１３２】
開示される光源は、大型若しくは小型スクリーンビデオモニター、コンピューターのモニター若しくはディスプレイ、テレビ、電話機若しくは電話機のディスプレイ、携帯情報端末若しくは携帯情報端末のディスプレイ、ポケットベル若しくはポケットベルのディスプレイ、計算機若しくは計算機のディスプレイ、ゲーム機若しくはゲーム機のディスプレイ、玩具若しくは玩具のディスプレイ、大型若しくは小型機器又は大型若しくは小型機器のディスプレイ、自動車のダッシュボード若しくは自動車のダッシュボードのディスプレイ、自動車の内装若しくは自動車の内装のディスプレイ、船舶のダッシュボード若しくは船舶のダッシュボードのディスプレイ、船舶の内装又は船舶の内装のディスプレイ、航空機のダッシュボード又は航空機のダッシュボードのディスプレイ、航空機の内装若しくは航空機の内装のディスプレイ、交通制御装置若しくは交通制御装置のディスプレイ、看板用ディスプレイ、看板等のグラフィックディスプレイ装置の一コンポーネント又は必須コンポーネントとして用いることができる。
【０１３３】
開示される光源は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、又は同様のディスプレイのバックライトの一コンポーネント又は必須コンポーネントとして用いることができる。いくつかの実施形態において、半導体装置は、半導体装置によって放射される色をＬＣＤディスプレイのカラーフィルターに一致させることによって液晶ディスプレイ用のバックライトにおける使用に特に適合される。
【０１３４】
開示される光源は、独立型若しくは内蔵型照明器具又は照明灯、景観若しくは建築物の照明器具、携帯型若しくは車両搭載灯、自動車のヘッドライト若しくはテールライト、自動車の内装照明器具、自動車若しくは自動車以外の信号装置、道路の照明装置、交通制御用信号装置、船舶用照明灯若しくは信号装置若しくは内装照明器具、航空機用照明灯若しくは信号装置若しくは内装照明器具、大型若しくは小型機器又は大型若しくは小型機器照明灯等の照明装置、又は赤外線、可視光線若しくは紫外線放射の光源として用いられるあらゆる装置又はコンポーネントの一コンポーネント又は必須コンポーネントとして用いてよい。
【０１３５】
場合により光源は、（ａ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤと、（ｂ）ｐｎ接合内には位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体であって、発光面を有する再発光半導体構造体と、（ｃ）発光面の第１部分と光学的に接触した、パターン形成された低屈折率層であって、第１屈折率を有するパターン形成層と、（ｄ）発光面の第２部分と光学的に接触した入力面を有する光学素子であって、第１屈折率よりも高い第２屈折率を有する光学素子と、を備える。場合により、パターン形成された低屈折率層は、光源内部で発生した光の少なくとも一部を発光面で全反射させる。
【０１３６】
場合により光源は、（ａ）（ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤと、（ｉｉ）ｐｎ接合内には位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体であって、発光面を有する再発光半導体構造体と、を有するＬＥＤコンポーネントと、（ｂ）ＬＥＤコンポーネントが発生する光の少なくとも一部をＬＥＤコンポーネント内に全反射させるための手段であって、発光面の第１部分と光学的に接触した反射手段と、（ｃ）第１部分とは異なる発光面の第２部分と光学的に接触した入力面を有する光学素子と、を備える。
【０１３７】
場合により光源は、（ａ）（ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤと、（ｉｉ）ｐｎ接合内には位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体であって、発光面を有する再発光半導体構造体と、を有するＬＥＤコンポーネントと、（ｂ）入力面及び出力面を有するコリメート光学素子と、を備える。場合により、入力面は、発光面の少なくとも一部と光学的に接触する。場合により、光学素子は、入力面を含み、第１材料から形成される第１部分を含有する。場合により、光学素子は、出力面を含み、第２材料から形成される第２部分を含有する。場合により、第１材料は、第２材料の屈折率よりも高い屈折率を有する。場合により、第１材料は、第２材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。
【０１３８】
場合により、光源は、（ａ）（ｉ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤと、（ｉｉ）ｐｎ接合内には位置しない第２ポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体であって、発光面を有する再発光半導体構造体と、を有するＬＥＤコンポーネントと、（ｂ）それぞれが入力面を有する複数の光学素子と、を備える。場合により、光学素子は、入力面が互いに離間し、各入力面が発光面の異なる部分と光学的に接触するようなサイズを有する。
【０１３９】
場合により、光源は、（ａ）ｐｎ接合内に位置する第１ポテンシャル井戸と、ｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸とを有するＬＥＤコンポーネントであって、発光面を有するＬＥＤコンポーネントと、（ｂ）発光面の第１部分と光学的に接触した、パターン形成された低屈折率層であって、第１屈折率を有するパターン形成層と、（ｃ）発光面の第２部分と光学的に接触した入力面を有する光学素子と、を備える。場合により、光学素子は、第１屈折率よりも高い第２屈折率を有する。場合により、パターン形成された低屈折率層は、光源内部で発生した光の少なくとも一部を発光面で全反射させる。
【０１４０】
場合により、光源は、（ａ）ｐｎ接合内に位置する第１ポテンシャル井戸と、ｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸とを有するＬＥＤコンポーネントであって、発光面を有するＬＥＤコンポーネントと、（ｂ）ＬＥＤコンポーネントが発生する光の少なくとも一部をＬＥＤコンポーネント内に全反射させるための手段であって、発光面の第１部分と光学的に接触した反射手段と、（ｃ）第１部分とは異なる発光面の第２部分と光学的に接触した入力面を有する光学素子と、を備える。
【０１４１】
場合により、光源は、（ａ）ｐｎ接合内に位置する第１ポテンシャル井戸と、ｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸とを有するＬＥＤコンポーネントであって、発光面を有するＬＥＤコンポーネントと、（ｂ）入力面及び出力面を有するコリメート光学素子と、を備える。場合により、入力面は、発光面の少なくとも一部と光学的に接触する。場合により、光学素子は、入力面を含み、第１材料から形成される第１部分を含有する。場合により、光学素子は、出力面を含み、第２材料から形成される第２部分を含有する。場合により、第１材料は、第２材料の屈折率よりも高い屈折率を有する。場合により、第１材料は、第２材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。
【０１４２】
場合により、光源は、（ａ）ｐｎ接合内に位置する第１ポテンシャル井戸と、ｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸とを有するＬＥＤコンポーネントであって、発光面を有するＬＥＤコンポーネントと、（ｂ）それぞれが入力面を有する複数の光学素子と、を備える。場合により、光学素子は、入力面が互いに離間し、各入力面が発光面の異なる部分と光学的に接触するようなサイズを有する。
【０１４３】
場合により、光源は、（ａ）第１波長の光を放射可能な、発光面を有するＬＥＤと、（ｂ）ｐｎ接合内にしないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体と、（ｃ）発光面の第１部分と光学的に接触した、パターン形成された低屈折率層であって、第１屈折率を有するパターン形成層と、（ｄ）発光面の第２部分と光学的に接触した入力面を有する光学素子と、を備える。場合により、光学素子は第１屈折率よりも高い第２屈折率を有する。場合により、パターン形成された低屈折率層は、光源内部で発生した光の少なくとも一部を発光面で全反射させる。
【０１４４】
場合により、光源は、（ａ）（ｉ）第１波長の光を放射可能な、発光面を有するＬＥＤと、（ｉｉ）ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体と、を有するＬＥＤコンポーネントと、（ｂ）ＬＥＤコンポーネントが発生する光の少なくとも一部をＬＥＤコンポーネント内に全反射させるための手段であって、発光面の第１部分と光学的に接触した反射手段と、（ｃ）第１部分とは異なる発光面の第２部分と光学的に接触した入力面を有する光学素子と、を備える。
【０１４５】
場合により、光源は、（ａ）（ｉ）第１波長の光を放射可能な、発光面を有するＬＥＤと、（ｉｉ）ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体と、を有するＬＥＤコンポーネントと、（ｂ）入力面及び出力面を有するコリメート光学素子と、を備える。場合により、入力面は、発光面の少なくとも一部と光学的に接触する。場合により、光学素子は、入力面を含み、第１材料から形成される第１部分を含有する。場合により、光学素子は、出力面を含み、第２材料から形成される第２部分を含有する。場合により、第１材料は、第２材料の屈折率よりも高い屈折率を有する。場合により、第１材料は、第２材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。
【０１４６】
場合により、光源は、（ａ）（ｉ）第１波長の光を放射可能な、発光面を有するＬＥＤと、（ｉｉ）ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体と、を有するＬＥＤコンポーネントと、（ｂ）それぞれが入力面を有する複数の光学素子と、を備える。場合により、複数の光学素子は、入力面が互いに離間し、各入力面が発光面の異なる部分と光学的に接触するようなサイズを有する。
【０１４７】
場合により、光源は、（ａ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤと、（ｂ）ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有し、発光面を有する再発光半導体構造体と、（ｃ）発光面と光学的に接触した入力面を有する光抽出部材と、を備える。
【０１４８】
場合により、光源は、（ａ）ｐｎ接合内に位置する第１ポテンシャル井戸、及びｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸を有し、発光面を有するＬＥＤコンポーネントと、（ｂ）発光面と光学的に接触した入力面を有する光抽出部材と、を備える。
【０１４９】
場合により、光源は、（ａ）第１波長の光を放射可能な、発光面を有するＬＥＤと、（ｂ）ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体と、（ｃ）発光面と光学的に接触した入力面を有する光抽出部材と、を備える。
【０１５０】
場合により、光源は、（ａ）第１波長の光を放射可能なＬＥＤと、（ｂ）ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有し、発光面を有する再発光半導体構造体と、（ｃ）発光面の全体よりも小さい発光面の第１部分と光学的に接触したパターン形成された低屈折率層と、を備える。場合により、パターン形成層は発光面の屈折率よりも低い屈折率を有する。
【０１５１】
場合により、光源は、（ａ）ｐｎ接合内に位置する第１ポテンシャル井戸、及びｐｎ接合内に位置しない第２ポテンシャル井戸を有し、発光面を有するＬＥＤコンポーネントと、（ｂ）発光面の全体よりも小さい発光面の第１部分と光学的に接触したパターン形成された低屈折率層と、を備える。場合により、パターン形成層は、発光面の屈折率よりも低い屈折率を有する。
【０１５２】
場合により、光源は、（ａ）第１波長の光を放射可能な、発光面を有するＬＥＤと、（ｂ）ｐｎ接合内に位置しないポテンシャル井戸を有する再発光半導体構造体と、（ｃ）発光面の全体よりも小さい発光面の第１部分と光学的に接触したパターン形成された低屈折率層と、を備える。場合により、パターン形成層は、発光面の屈折率よりも低い屈折率を有する。場合により、光源は、グラフィックディスプレイ装置又は照明装置に用いられる。
【０１５３】
本発明の範囲及び原理から逸脱することなく本発明の様々な改変及び変更が当業者には明らかであり、本発明が上記に述べた例示的な実施形態に過度に限定されるものではない点は理解を要する。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】構造中の半導体の伝導帯及び価電子帯の平坦バンド図。層の厚さは正しい縮尺を表していない。
【図２】異なるＩＩ〜ＶＩ族２元化合物及びそれらの合金の格子定数及びバンドギャップエネルギーを示すグラフ。
【図３】装置から放射される光のスペクトルを示すグラフ。
【図４】構造中の半導体の伝導帯及び価電子帯の平坦バンド図。層の厚さは正しい縮尺を表していない。
【図５】輝度向上層を有するＬＥＤパッケージの概略断面図。
【図６】輝度向上層を有するＬＥＤパッケージの概略断面図。
【図７】輝度向上層及びテーパ形光学素子を有する更なるＬＥＤパッケージの概略断面図。
【図８】輝度向上層及びテーパ形光学素子を有する更なるＬＥＤパッケージの概略断面図。
【図９】ＬＥＤコンポーネントのモデル化された輝度及び発光出力をＬＥＤコンポーネントの前発光面上におけるテーパ形素子の占有面積の関数として示すグラフ。
【図１０】複合型テーパ形素子を用いたＬＥＤパッケージを示す概略断面図。
【図１１】複合型テーパ形素子を用いたＬＥＤパッケージを示す概略断面図。
【図１２】複合型テーパ形素子を用いたＬＥＤパッケージを示す概略断面図。ＬＥＤコンポーネントに結合された複数のテーパ形素子が更に示されている。
【図１３】輝度向上層及び複数の光学素子を有する別のＬＥＤパッケージの概略断面図。
【図１４】光学素子及びＬＥＤコンポーネントの一構成を示す概略側面図。
【図１５ａ】更なる光学素子の斜視図。
【図１５ｂ】更なる光学素子の斜視図。
【図１５ｃ】更なる光学素子の斜視図。
【図１６】別の光学素子を有する光源の斜視図。
【図１７ａ】更なる光学素子の上面図。
【図１７ｂ】更なる光学素子の上面図。
【図１７ｃ】更なる光学素子の上面図。
【図１７ｄ】更なる光学素子の上面図。
【図１７ｅ】更なる光学素子の上面図。
【図１７ｆ】更なる光学素子の上面図。
【図１７ｇ】更なる光学素子の上面図。
【図１７ｈ】更なる光学素子の上面図。
【図１７ｉ】更なる光学素子の上面図。
【図１８ａ】代替光学素子を示す概略正面図。
【図１８ｂ】代替光学素子を示す概略正面図。
【図１８ｃ】代替光学素子を示す概略正面図。
【図１９ａ】光学素子及びＬＥＤコンポーネントを組み込む更なる光源の概略側面図。
【図１９ｂ】光学素子及びＬＥＤコンポーネントを組み込む更なる光源の概略側面図。
【図１９ｃ】光学素子及びＬＥＤコンポーネントを組み込む更なる光源の概略側面図。
【図１９ｄ】光学素子及びＬＥＤコンポーネントを組み込む更なる光源の概略側面図。
【図１９ｅ】光学素子及びＬＥＤコンポーネントを組み込む更なる光源の概略側面図。
【図２０ａ】光学素子／ＬＥＤコンポーネントの組み合わせの底面図。
【図２０ｂ】光学素子／ＬＥＤコンポーネントの組み合わせの底面図。
【図２０ｃ】光学素子／ＬＥＤコンポーネントの組み合わせの底面図。
【図２０ｄ】光学素子／ＬＥＤコンポーネントの組み合わせの底面図。
【図２１】光学素子及びＬＥＤコンポーネントのアレイの斜視図。
【図２２】別の光学素子／ＬＥＤコンポーネントの組み合わせの部分側面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１７ｃ】
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【図１７ｄ】
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【図１７ｅ】
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【図１７ｆ】
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【図１７ｇ】
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【図１７ｈ】
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【図１７ｉ】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１８ｃ】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図１９ｃ】
2009540615.tif 000039
【図１９ｄ】
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【図１９ｅ】
2009540615.tif 000041
【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
2009540615.tif 000043
【図２０ｃ】
2009540615.tif 000044
【図２０ｄ】
2009540615.tif 000045
【図２１】
2009540615.tif 000046
【図２２】
2009540615.tif 000047
【国際調査報告】
2009540615.tif 000048
2009540615.tif 000049