(57)【要約】成形プラスチック光学素子と組み合わされた、Ａｉｌ（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＮおよびＺｎＯを直接ウエハ接合した発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、ＬＥＤ表面と接触するＺｎＯ錐体または任意の高屈折率材料から成形プラスチック光学素子に入る指向性光が空気中に抽出される、発光ダイオード（ＬＥＤ）が開示される。具体的には、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＮおよびＺｎＯを直接ウエハ接合した発光ダイオード構造が、テーパ形のレンズと組み合わされ、レンズに入る大部分の光が臨界角以内となり、抽出される。ここで、テーパ形のレンズ材料は、ＬＥＤ表面と接触するＺｎＯまたは任意の高屈折率材料よりも低い屈折率を有する。
2009515344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
（ｂ）該ＬＥＤに隣接し、高屈折率材料で構成された、該ＬＥＤによって放出される光を抽出するための、第１の成形光学素子と、
（ｃ）低屈折率材料で構成され、該ＬＥＤおよび該第１の成形光学素子の両方を覆うか、またはカプセル化する、該ＬＥＤおよび該第１の成形光学素子によって放出される光を抽出するための、１つ以上の第２の成形光学素子と、
を備える、オプトエレクトロニクスデバイスであって、
（ｄ）該低屈折率材料は、該高屈折率材料よりも低い屈折率を有する、
オプトエレクトロニクスデバイス。
【請求項２】
前記第１の成形光学素子は、前記ＬＥＤから該第１の成形光学素子に入る大部分の光が、前記第２の成形光学素子への屈折の臨界角以内で該第２の成形光学素子の界面上に当たるように成形される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第２の成形光学素子は、該第２の成形光学素子に入る大部分の光が、該第２の成形光学素子からの屈折の臨界角以内で外部媒体の界面上に当たるように成形される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１の成形光学素子は、前記ＬＥＤを囲む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１の成形光学素子は、錐体形状である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１の成形光学素子は、六角錐台である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
複数の第１の成形光学素子をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記高屈折率材料は、６０％を超える透過度と、前記ＬＥＤとオーム接点を形成するために十分な導電率を有するように選択され、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第２の成形光学素子は、プラスチックレンズである、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記ＬＥＤは、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎで構成され、前記第１の成形光学素子は、該（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎにウエハ接合されたＺｎＯを備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記ＬＥＤは、極性Ｃ面｛０００１｝（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、Ａ面｛１１−２０｝（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、非極性Ｍ面｛１−１００｝（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、または半極性（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎで構成され、半極性とは、２つのゼロでないｈ、ｉ、またはｋのミラー指数、およびゼロでないｌのミラー指数、｛ｈｉｋｌ｝を有する様々な面のことである、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記ＺｎＯは、透明であり、前記ＬＥＤ内部の光吸収を低減する、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記ＺｎＯは、前記ＬＥＤの放出に加えて、青色、黄色、赤色、および白色光のような他の色を放出するようにドーピングされる、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記ＺｎＯは、導電性であり、前記ＬＥＤ内の活性領域からの光放出を均一化することができる、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記ＺｎＯは、粗面化または成形される、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記粗面化または成形されたＺｎＯは、前記ＬＥＤ内部で繰り返して生じる光反射を低減し、それゆえに該ＬＥＤからより多くの光を抽出する、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記ＬＥＤは、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ａｓ材料、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｐ材料、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＡｓＰＮＳｂ材料を備える化合物半導体材料、あるいはＺｎＧｅＮ２またはＺｎＳｎＧｅＮ２材料を備える化合物半導体材料で構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記ＬＥＤは、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ガリウムリン化物、リン化インジウム、または尖晶石ウエハ上で、あるいは窒化ガリウム上で、あるいは、別の基板から取り外された独立の窒化ガリウム上で成長させられる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記高屈折率光抽出材料は、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、高屈折率金属酸化物、高屈折率ポリマー、高屈折率プラスチック材料、シリコン、ガラス、または石英、あるいは、任意の上述の複合物で構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２０】
（ａ）ウエハ接合構造を形成するために、透明な導体を備える第１の光学素子を、ＬＥＤにウエハ接合するステップと、
（ｂ）第２の光学素子への光の屈折を最大にするように、該第１の光学素子を成形するステップと、
（ｃ）該ウエハ接合構造を該第２の光学素子でカプセル化するか、または覆うステップであって、該第２の光学素子は、該第１の光学素子よりも低い屈折率を有し、該第２の光学素子からの光の屈折を最大にするように成形される、ステップと、
を包含する、高い光抽出効率の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を作製するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｈｉｓａｓｈｉ  Ｍａｓｕｉ、Ｎａｔａｌｉｅ  Ｎ．Ｆｌｌｏｗｓ、およびＡｋｉｈｉｋｏ  Ｍｕｒａｉによる、「ＨＩＧＨ  ＬＩＧＨＴ  ＥＸＴＲＡＣＴＩＯＮ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＭＩＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥ（ＬＥＤ）」の名称の米国特許仮出願第６０／７３４，０４０号（２００５年１１月４日出願、代理人識別番号３０７９４．１６１−ＵＳ−Ｐ１（２００６−２７１−１））の、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ  Ｓｅｃｔｉｏｎ１１９（ｅ）の下での利益を主張し、該仮出願は、本明細書において、参考として援用される。
【０００２】
本出願は、以下の同時係属中の、および同一人に譲渡された特許出願と関連する。
【０００３】
Ｔｅｔｓｕｏ  Ｆｕｊｉｉ、Ｙａｎ  Ｇａｏ、Ｅｖｅｌｙｎ  Ｌ．Ｈｕ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｎｕｒａによる、「ＨＩＧＨＬＹ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＴ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＡＳＥＤ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ  ＶＩＡ  ＳＵＲＦＡＣＥ  ＲＯＵＧＨＥＮＩＮＧ」の名称の米国特許出願第１０／５８１，９４０号（２００６年６月７日出願、代理人識別番号３０７９４．１０８−ＵＳ−ＷＯ（２００４−０６３））。該出願は、Ｔｅｔｕｏ  Ｆｕｊｉｉ、Ｙａｎ  Ｇａｏ、Ｅｖｅｌｙｎ  Ｌ．Ｈｕ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによる、「ＨＩＧＨＬＹ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＴ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＡＳＥＤ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ  ＶＩＡ  ＳＵＲＦＡＣＥ  ＲＯＵＧＨＥＮＩＮＧ」の名称のＰＣＴ特許出願第ＵＳ２００３／０３９２１号（２００３年１２月９日出願、代理人識別番号３０７９４．１０８−ＷＯ−０１（２００４−０６３））の、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ  Ｓｅｃｔｉｏｎ３６５（ｃ）の下での利益を主張する。
【０００４】
Ｒａｊａｔ  Ｓｈａｒｍａ、Ｐ．Ｍｏｒｇａｎ  Ｐａｔｔｉｓｏｎ、Ｊｏｈｎ  Ｆ．Ｋａｅｄｉｎｇ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによる、「ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＥＶＩＣＥ」の名称の米国特許出願第１１／０５４，２７１号（２００５年２月９日出願、代理人識別番号３０７９４．１１２−ＵＳ−０１（２００４−２０８））。
【０００５】
Ｃａｒｏｌｅ  Ｓｃｈｗａｃｈ、Ｃｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｈｅｎｒｉ  Ｂｅｎｉｓｔｙ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによる、「ＷＨＩＴＥ，ＳＩＮＧＬＥ  ＯＲ  ＭＵＬＴＩＣＯＬＯＲ  ＬＥＤ  ＢＹ  ＲＥＣＹＣＬＩＮＧ  ＧＵＩＤＥＤ  ＭＯＤＥＳ」の名称の米国特許出願第１０／９３８，７０４号（２００４年９月１０日出願、代理人識別番号３０７９４．１１５−ＵＳ−０１（２００４−０６４））。
【０００６】
Ａｋｉｈｉｋｏ  Ｍｕｒａｉ、Ｌｅｅ  ＭｃＣａｒｔｈｙ、Ｕｍｅｓｈ  Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる、「ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＷＡＦＥＲ  ＢＯＮＤＩＮＧ  （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ  ａｎｄ  Ｚｎ（Ｓ，Ｓｅ）  ＦＯＲ  ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」の名称の米国特許出願第１１／１７５，７６１号（２００５年７月６日出願、代理人識別番号３０７９４．１１６−ＵＳ−Ｕ１（２００４−４５５））。該出願は、Ａｋｉｈｉｋｏ  Ｍｕｒａｉ、Ｌｅｅ  ＭｃＣａｒｔｈｙ、Ｕｍｅｓｈ  Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる、「ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＷＡＦＥＲ  ＢＯＮＤＩＮＧ  （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ  ａｎｄ  Ｚｎ（Ｓ，Ｓｅ）  ＦＯＲ  ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」の名称の米国特許仮出願第６０／５８５，６７３号（２００４年７月６日出願、代理人識別番号３０７９４．１１６−ＵＳ−Ｐ１（２００４−４５５−１））の、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ  Ｓｅｃｔｉｏｎ１１９（ｅ）の下での利益を主張する。
【０００７】
Ｃｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ  Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる、「ＨＯＲＩＺＯＮＴＡＬ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ，ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ，ＢＥＡＭ  ＳＨＡＰＥＤ，ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＥＤ  ＦＥＥＤＢＡＣＫ（ＤＦＢ）  ＬＡＳＥＲＳ  ＢＹ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＶＥＲ  Ａ  ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」の名称の米国特許出願第１１／０６７，９５７号（２００５年２月２８日出願、代理人識別番号３０７９４．１２１−ＵＳ−０１（２００５−１４４−１））。
【０００８】
Ｃｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ  Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる、「ＳＩＮＧＬＥ  ＯＲ  ＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲ  ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ    ＤＩＯＤＥ（ＬＥＤ）  ＢＹ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＶＥＲ  Ａ  ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」の名称の米国特許出願第１１／０６７，９１０号（２００５年２月２８日出願、代理人識別番号３０７９４．１２１−ＵＳ−０１（２００５−１４５−０１））。
【０００９】
Ａｕｒｅｌｉｅｎ  Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｃｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、およびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる、「ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥ（ＬＥＤ）  ＷＩＴＨ  ＯＰＴＩＭＩＺＥＤ  ＰＨＯＴＯＮＩＣ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＥＸＴＲＡＣＴＯＲ」の名称の米国特許出願第１１／０６７，９５６号（２００５年２月２８日出願、代理人識別番号３０７９４．１２１−ＵＳ−０１（２００５−１９８−１））。
【００１０】
Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｔｒｏｙ  Ｊ．Ｂａｋｅｒ、およびＢｅｎｊａｍｉｎ  Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌによる、「ＷＡＦＥＲ  ＳＥＰＡＲＡＴＩＯＮ  ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＦＲＥＥ−ＳＴＡＮＤＩＮＧ  （ＡＬ，ＩＮ，ＧＡ）Ｎ  ＷＡＦＥＲＳ」の名称の米国特許出願第１１／４０３，６２４号（２００６年４月１３日出願、代理人識別番号３０７９４．１３１−ＵＳ−Ｕ１（２００５−４８２−２））。該出願は、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｔｒｏｙ  Ｊ．Ｂａｋｅｒ、およびＢｅｎｊａｍｉｎ  Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌによる、「ＷＡＦＥＲ  ＳＥＰＡＲＡＴＩＯＮ  ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＦＲＥＥ−ＳＴＡＮＤＩＮＧ  （ＡＬ，ＩＮ，ＧＡ）Ｎ  ＷＡＦＥＲＳ」の名称の米国特許仮出願第６０／６７０，８１０号（２００５年４月１３日出願、代理人識別番号３０７９４．１３１−ＵＳ−Ｐ１（２００５−４８２−１））の、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ  Ｓｅｃｔｉｏｎ１１９（ｅ）の下での利益を主張する。
【００１１】
Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、  Ｂｅｎｊａｍｉｎ  Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ、Ｐ．Ｍｏｒｇａｎ  Ｐａｔｔｉｓｏｎ、およびＴｒｏｙ  Ｊ．Ｂａｋｅｒによる、「ＥＴＣＨＩＮＧ  ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＴＨＩＮ  （ＡＬ，ＩＮ，ＧＡ）Ｎ  ＬＡＹＥＲＳ」の名称の米国特許出願第１１／４０３，２８８号（２００６年４月１３日出願、代理人識別番号３０７９４．１３２−ＵＳ−Ｕ１（２００５−５０９−２））。該出願は、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、  Ｂｅｎｊａｍｉｎ  Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ、Ｐ．Ｍｏｒｇａｎ  Ｐａｔｔｉｓｏｎ、およびＴｒｏｙ  Ｊ．Ｂａｋｅｒによる、「ＥＴＣＨＩＮＧ  ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＴＨＩＮ  （ＡＬ，ＩＮ，ＧＡ）Ｎ  ＬＡＹＥＲＳ」の名称の米国特許仮出願第６０／６７０，７９０号（２００５年４月１３日出願、代理人識別番号３０７９４．１３２−ＵＳ−Ｐ１（２００５−５０９−１））の、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ  Ｓｅｃｔｉｏｎ１１９（ｅ）の下での利益を主張する。
【００１２】
Ａｋｉｈｉｋｏ  Ｍｕｒａｉ、Ｃｈｒｉｓｔｉｎａ  Ｙｅ  Ｃｈｅｎ、Ｄａｎｉｅｌ  Ｂ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ、Ｌｅｅ  Ｓ．ＭｃＣａｒｔｈｙ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＵｍｅｓｈ  Ｋ．Ｍｉｓｈｒａによる、「（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ  ＡＮＤ  ＺｎＯ  ＤＩＲＥＣＴ  ＷＡＦＥＲ  ＢＯＮＤＩＮＧ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＦＯＲ  ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ  ＡＮＤ  ＩＴＳ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＭＥＴＨＯＤ」の名称の米国特許出願第１１／４５４，６９１号（２００６年６月１６日出願、代理人識別番号３０７９４．１３４−ＵＳ−Ｕ１（２００５−５３６−４））。該出願は、Ａｋｉｈｉｋｏ  Ｍｕｒａｉ、Ｃｈｒｉｓｔｉｎａ  Ｙｅ  Ｃｈｅｎ、Ｌｅｅ  Ｓ．ＭｃＣａｒｔｈｙ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＵｍｅｓｈ  Ｋ．Ｍｉｓｈｒａによる、「（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ  ＡＮＤ  ＺｎＯ  ＤＩＲＥＣＴ  ＷＡＦＥＲ  ＢＯＮＤＩＮＧ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＦＯＲ  ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ，ＡＮＤ  ＩＴＳ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＭＥＴＨＯＤ」の名称の米国特許仮出願第６０／６９１，７１０号（２００５年６月１７日出願、代理人識別番号３０７９４．１３４−ＵＳ−Ｐ１（２００５−５３６−１））と、Ａｋｉｈｉｋｏ  Ｍｕｒａｉ、Ｃｈｒｉｓｔｉｎａ  Ｙｅ  Ｃｈｅｎ、Ｄａｎｉｅｌ  Ｂ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ、Ｌｅｅ  Ｓ．ＭｃＣａｒｔｈｙ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＵｍｅｓｈ  Ｋ．Ｍｉｓｈｒａによる、「（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ  ＡＮＤ  ＺｎＯ  ＤＩＲＥＣＴ  ＷＡＦＥＲ  ＢＯＮＤＥＤ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＦＯＲ  ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ，ＡＮＤ  ＩＴＳ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＭＥＴＨＯＤ」の名称の米国特許仮出願第６０／７３２，３１９号（２００５年１１月１日出願、代理人識別番号３０７９４．１３４−ＵＳ−Ｐ２（２００５−５３６−２））と、Ａｋｉｈｉｋｏ  Ｍｕｒａｉ、Ｃｈｒｉｓｔｉｎａ  Ｙｅ  Ｃｈｅｎ、Ｄａｎｉｅｌ  Ｂ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ、Ｌｅｅ  Ｓ．ＭｃＣａｒｔｈｙ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＵｍｅｓｈ  Ｋ．Ｍｉｓｈｒａによる、「（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ  ＡＮＤ  ＺｎＯ  ＤＩＲＥＣＴ  ＷＡＦＥＲ  ＢＯＮＤＥＤ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＦＯＲ  ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ  ＡＮＤ  ＩＴＳ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＭＥＴＨＯＤ」の名称の米国特許仮出願第６０／７６４，８８１号（２００６年２月３日出願、代理人識別番号３０７９４．１３４−ＵＳ−Ｐ３（２００５−５３６−３））との、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ  Ｓｅｃｔｉｏｎ１１９（ｅ）の下での利益を主張する。
【００１３】
Ｆｒｅｄｅｒｉｃ  Ｓ．Ｄｉａｎａ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ  Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｐｉｅｒｒｅ  Ｍ．Ｐｅｔｒｏｆｆ、およびＣｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈによる、「ＰＨＯＴＯＮＩＣ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＦＯＲ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＴ  ＬＩＧＨＴ  ＥＸＴＲＡＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ  ＩＮ  ＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＥＶＩＣＥＳ」の名称の米国特許出願第１１／２５１，３６５号（２００５年１０月１４日出願、代理人識別番号３０７９４．１４２−ＵＳ−０１（２００５−５３４−１））。
【００１４】
Ｃｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによる、「ＩＭＰＲＯＶＥＤ  ＨＯＲＩＺＯＮＴＡＬ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ，ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ，ＢＥＡＭ  ＳＨＡＰＥＤ，ＤＦＢ  ＬＡＳＥＲＳ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＥＤ  ＢＹ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＶＥＲ  ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ  ＷＩＴＨ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＯＶＥＲＧＲＯＷＴＨ」の名称の米国特許仮出願第６０／７４１，９３５号（２００５年１２月２日出願、代理人識別番号３０７９４．１４３−ＵＳ−Ｐ１（２００５−７２１−１））。
【００１５】
Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋによる、「ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥ（ＬＥＤ）」の名称の米国特許仮出願第６０／７４８，４８０号（２００５年１２月８日出願、代理人識別番号３０７９４．１６４−ＵＳ−Ｐ１（２００６−３１８−１））。
【００１６】
Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋによる、「ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥ（ＬＥＤ）」の名称の米国特許仮出願第６０／７６４，９７５号（２００６年２月３日出願、代理人識別番号３０７９４．１６４−ＵＳ−Ｐ２（２００６−３１８−２））。
【００１７】
Ｈｏｎｇ  Ｚｈｏｎｇ、Ｊｏｈｎ  Ｆ．Ｋｅａｄｉｎｇ、Ｒａｊａｔ  Ｓｈａｒｍａ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによる、「ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ  ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＤＥＶＩＣＥＳ」の名称の米国特許仮出願第６０／７７４，４６７号（２００６年２月１７日出願、代理人識別番号３０７９４．１７３−ＵＳ−Ｐ１（２００６−４２２−１））。
【００１８】
Ｕｍｅｓｈ  Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＣｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈによる、「ＩＭＰＲＯＶＥＤ  ＬＡＴＥＲＡＬ  ＯＶＥＲＧＲＯＷＴＨ  ＦＯＲ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ（ＬＥＤＳ）  ＡＮＤ  ＬＡＳＥＲＳ」の名称の米国特許仮出願第６０／８０２，９９３号（２００６年５月２４日出願、代理人識別番号３０７９４．１７６−ＵＳ−Ｐ１（２００６−４１３））。
【００１９】
Ｎｉｃｈｏｌａｓ  Ａ．Ｆｉｃｈｔｅｎｂａｕｍ、Ｕｍｅｓｈ  Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ、Ｃａｒｌ  Ｊ．Ｎｅｕｆｅｌｄ、およびＳｔａｃｉａ  Ｋｅｌｌｅｒによる、「ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＦＯＲＭＥＤ  ＢＹ  ＲＥＧＲＯＷＴＨ  ＯＮ  Ｎ−ＰＯＬＡＲ  ＮＡＮＯＰＩＬＬＡＲ  ＡＮＤ  ＮＡＮＯＳＴＲＩＰＥ  ＡＲＲＡＹＳ」の名称の米国特許仮出願第６０／８０９，７７４号（２００６年５月３１日出願、代理人識別番号３０７９４．１８２−ＵＳ−Ｐ１（２００６−６３８））。
【００２０】
Ａｕｒｅｌｉｅｎ  Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｃｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、およびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる、「ＨＩＧＨ  ＬＩＧＨＴ  ＥＸＴＲＡＣＴＩＯＮ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＬＥＤ  ＴＨＲＯＵＧＨ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＥＸＴＲＡＣＴＯＲＳ」の名称の米国特許仮出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号（本出願と同じ日付で出願、代理人識別番号３０７９４．１９１−ＵＳ−Ｐ１（２００７−０４７−１））。
【００２１】
Ｃｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる、「ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＷＨＩＴＥ，ＳＩＮＧＬＥ  ＯＲ  ＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＵＲ  ＬＥＤ  ＢＹ  ＩＮＤＥＸ  ＭＡＴＣＨＩＮＧ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」の名称の米国特許仮出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号（本出願と同じ日付で出願、代理人識別番号３０７９４．１９６−ＵＳ−Ｐ１（２００７−１１４−１））。
【００２２】
Ａｕｒｅｌｉｅｎ  Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｃｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｔａｃｉａ  Ｋｅｌｌｅｒによる、「ＨＩＧＨ  ＬＩＧＨＴ  ＥＸＴＲＡＣＴＩＯＮ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＬＥＤ  ＷＩＴＨ  ＥＭＩＴＴＥＲＳ  ＷＩＴＨＩＮ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ」の名称の米国特許仮出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号（本出願と同じ日付で出願、代理人識別番号３０７９４．１９７−ＵＳ−Ｐ１（２００７−１１３−１））。
【００２３】
これらの出願は、本明細書において、参考として援用される。
【００２４】
（技術分野）
本発明は、オプトエレクトロニクス用途のための発光ダイオード（ＬＥＤ）の光抽出に関する。より具体的には、本発明は、高効率な（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＮベースのＬＥＤ用途のための、最適化された光学部品と組み合わされた（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＮおよびＺｎＯ構造、およびその製造方法に関する。さらなる拡張は、成形された高屈折率光抽出材料と、成形された光学素子との一般的な組み合わせに関する。
【背景技術】
【００２５】
（注：本出願は、本明細書の全体にわたって示されるように、複数の異なる刊行物を参照する。これらの異なる刊行物のリストは、以下の「参考文献」のセクションに見ることができる。これらそれぞれの刊行物は、本明細書において参考として援用される。）
ＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＰ、ＧａＡｓ／ＧａＮ、ＺｎＳＳｅ／ＧａＮのような、異なる材料の組み合わせを使用するウエハ接合技術が、オプトエレクトロニクス集積化、発光ダイオード（ＬＥＤ）、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、および電子デバイスのような用途に対して研究されてきた（非特許文献１〜４）［１〜４］。
【００２６】
窒化物ＬＥＤシステムにおいては、ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層上への透明な電極の作製に関する複数の報告がなされている。一般的な方法は、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）の薄い金属を用いるものである（非特許文献５）［５］。しかしながら、金属内での光吸収のために、透過率は６０％程度に過ぎない。また、ＧａＮ材料が硬いこと、およびｐ型ＧａＮの導電率が不安定であることから、光抽出効率を向上させるための表面特徴成形が困難である。
【００２７】
別の手法は、ｐ型ＧａＮ上での酸化亜鉛（ＺｎＯ）層の成長を用いるものである（非特許文献６）［６］。しかしながら、この方法は、超高真空状態を用いるＺｎＯ結晶成長装置を必要とする。さらには、光抽出の目的のための特徴成形に適した、厚い層（例えば、厚さ５００μｍの層）の成長が困難である。
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５６，７３７−３９（１９９０）．
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４，２８３９−４１（１９９４）．
【非特許文献３】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１，３１５２−５４（２００２）．
【非特許文献４】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４３，Ｌ１２７５−７７（２００４）．
【非特許文献５】Ｊ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３４，Ｌ７９７−９９（１９９５）．
【非特許文献６】Ｊ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４３，Ｌ１８０−８２（２００４）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明は、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ＬＥＤによって放出される光を抽出するための、ＬＥＤに隣接する高屈折率材料で構成される第１の成形光学素子と、ＬＥＤおよび第１の成形光学素子によって放出される光を抽出するための、ＬＥＤおよび第１の成形光学素子の両方をカプセル化するか、または覆う第２の成形光学素子とを備える、オプトエレクトロニクスデバイスであって、第２の成形光学素子は低屈折率材料で構成され、この低屈折率材料は高屈折率材料よりも低い屈折率を有する、オプトエレクトロニクスデバイスを開示する。
【００２９】
第１の成形光学素子は、ＬＥＤから第１の成形光学素子に入る大部分の光が、１つ以上の第２の成形光学素子への屈折の臨界角以内にあるように成形され得る。１つ以上の第２の成形光学素子は、ＬＥＤから１つ以上の第２の成形光学素子に入る大部分の光が、１つ以上の第２の成形光学素子からの屈折の臨界角以内にあるように成形され得る。
【００３０】
第１の成形光学素子は、ＬＥＤを囲み得て、錐体形状、例えば、六角錐台であり得る。デバイスは、複数の第１の成形光学素子をさらに備え得る。第２の成形光学素子は、プラスチックレンズであり得る。
【００３１】
高屈折率材料は、６０％を超える透過度と、ＬＥＤとオーム接点を形成するために十分な導電率を有するように選択され得る。
【００３２】
ＬＥＤは、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎを備え得て、高屈折率の光抽出材料は、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎにウエハ接合されたＺｎＯを備え得る。（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎは、極性Ｃ面｛０００１｝（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、Ａ面｛１１−２０｝（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、非極性Ｍ面｛１−１００｝（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、または半極性（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎであり得、半極性とは、２つのゼロでないｈ、ｉ、またはｋのミラー指数、およびゼロでないｌのミラー指数、｛ｈｉｋｌ｝を有する様々な面のことである。
【００３３】
ＬＥＤは、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎで構成され得、第１の成形光学素子は、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎにウエハ接合されたＺｎＯを備え得る。ＺｎＯは透明で、ＬＥＤ内部の光吸収を低減し得る。さらに、ＺｎＯは、ＬＥＤの放出に加えて、青色、黄色、赤色、および白色光のような他の色を放出するようにドーピングされ得る。ＺｎＯは、導電性であり、ＬＥＤ内の活性領域からの光放出を均一化し得る。
【００３４】
ＺｎＯは、例えばＬＥＤ内で繰り返して生じる光反射を低減し、ＬＥＤからの光抽出を増加させるように、粗面化または成形され得る。
【００３５】
ＬＥＤは、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ａｓ材料、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｐ材料、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＡｓＰＮＳｂ材料を備える化合物半導体材料、あるいはＺｎＧｅＮ２またはＺｎＳｎＧｅＮ２材料を備える化合物半導体材料で構成され得る。ＬＥＤは、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ガリウムリン化物、リン化インジウム、または尖晶石のウエハ上で、あるいは窒化ガリウム上で、あるいは別の基板から取り外された独立の窒化ガリウム上で成長させられ得る。
【００３６】
高屈折率光抽出材料は、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、高屈折率金属酸化物、高屈折率ポリマー、高屈折率プラスチック材料、シリコン、ガラス、または石英、あるいは任意の上述の複合物で構成され得る。
【００３７】
本発明はまた、ウエハ接合構造を形成するために、透明な導体を備える第１の光学素子をＬＥＤにウエハ接合するステップと、第２の光学素子への光の屈折を最大にするように、第１の光学素子を成形するステップと、ウエハ接合構造を第２の光学素子でカプセル化するか、または覆うステップであって、第２の光学素子は、第１の光学素子よりも低い屈折率を有し、第２の光学素子からの光の屈折を最大にするように成形される、ステップとを包含する、高い光抽出効率の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を作製するための方法を開示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に参照する図面において、全体を通じて同じ参照番号は対応する要素を示す。
【００３９】
以下の好適な実施形態の説明において、本発明の一部を形成する添付図面が参照され、その中で、本発明を実施することが可能な特定の実施形態が、例示のために示される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が使用され得、また構造的な変更がなされ得ることが、理解されるべきである。
【００４０】
（概論）
本発明は、成形プラスチック光学素子と組み合わされた、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＮおよびＺｎＯを直接ウエハ接合した発光ダイオード（ＬＥＤ）を記載し、ここで、ＬＥＤ表面と接触するＺｎＯ錐体または任意の高屈折率材料から成形プラスチック光学素子に入る指向性光が、空気中に抽出される。具体的には、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＮおよびＺｎＯを直接ウエハ接合したＬＥＤ構造が、テーパ形の（ｔａｐｅｒｅｄ）レンズと組み合わされ、ここで、レンズに入る大部分の光が臨界角以内となり、抽出される。
【００４１】
本発明は、錐体の数を１つに減じることによって、隣接する錐体による吸収を低減する。本発明は、プラスチックのカプセル化表面からの反射を低減し、ＺｎＯ表面からの反射を低減し、ＬＥＤ内部の光吸収を低減し、活性層からの均一な光放出を可能とし、また、ＬＥＤ内部で繰り返し生じる光反射を低減する。その結果として、この組み合わせ構造は、従来技術に記載されているＬＥＤと比較して、ＬＥＤからより多くの光を抽出する。
【００４２】
（技術的な説明）
本発明の目的は、成形高屈折率素子を（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＮのＬＥＤおよび成形光学素子と組み合わせることによって、ＬＥＤからの光抽出効率を増加する手段を提供することである。光透過および光抽出を増加することによって、その後のデバイスの性能が向上する。
【００４３】
本発明の一実施形態では、高屈折率ＺｎＯ層が、ＧａＮのＬＥＤにウエハ接合される。錐体が高屈折率ＺｎＯ層にエッチングされ、接点がＧａＮのＬＥＤ上に作製される。次いで、ＺｎＯ／ＧａＮハイブリッドＬＥＤが、約４５°の角度の錐体の形状を有するプラスチックレンズ内に配置される。
【００４４】
図１は、本発明の好適な実施形態による、高い光抽出効率ＬＥＤの概略図を示す。一般的に、ＬＥＤは（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＮおよびＺｎＯを直接ウエハ接合したＬＥＤ構造である。本実施例では、ＬＥＤ（１０）は、サファイア基板のような基板（１１）上のｎ型ＩＩＩ族窒化物層、活性層、およびｐ型ＩＩＩ族窒化物層で構成される。第１の成形光学素子は、屈折率ｎ０＝２．１のｎ型ＺｎＯ錐体（１２）を備え、ＬＥＤ（１０）の上部に位置する。ＬＥＤとｎ型ＺｎＯ錐体（１２）との両者は、屈折率ｎｅ＝１．５を有するテーパ形または錐体のプラスチックレンズ（１３）を備える第２の光学素子の中に、またはその下に、カプセル化されるか、あるいはそれによって覆われる。
【００４５】
錐体（１２）の角度（１４）および錐体のプラスチックレンズ（１３）の角度（１５）は、臨界角（θｃ）であり、必要に応じて調整され得る。ＺｎＯ錐体の臨界角θｃ（１４）が約６０°である場合には、大部分の光がエスケープコーンの中にある（すなわち、大部分の光がθｃ以下の角度で界面（１６）に当たる）ので、大部分の光が最初のパスで外に出る。
【００４６】
臨界角（１４）および（１５）は、第１の成形光学素子と第２の成形光学素子との間の界面（１６）、または第２の成形光学素子と外部媒体（１８）との間の界面（１７）での、それぞれの屈折率の比のアークタンジェントによって与えられ、この比は、界面の一方の側の屈折率を、界面の他方の側の屈折率で割ることによって与えられる。例えば、空気／プラスチック界面は、比１／１．５を有し、θｃ＝４２°となり、プラスチック／ＺｎＯ界面は、比１．５／２．１を有し、θｃ＝４６°となり、ＺｎＯ／ＧａＮ界面は、比２．１／２．３を有し、θｃ＝６６°となり、空気／ＺｎＯ界面は、比１／２．１を有し、θｃ＝２８°となる。図１の矢印（１９）は、ＬＥＤ（１０）によって錐体（１２）内に放出され、空気中に抽出される光の可能な軌線（ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ）を示す。
【００４７】
第１の光学素子（１２）は、ＬＥＤ（１０）から第１の成形光学素子（１２）に入る大部分の光が、１つ以上の第２の成形光学素子への屈折の臨界角以内で、１つ以上の第２の成形光学素子の界面に当たるように、臨界角（１４）を伴って成形される。第２の成形光学素子（１３）は、ＬＥＤからの、第１および第２の成形光学素子を通過して透過する大部分の光が、１つ以上の第２の成形光学素子（１３）からの屈折の臨界角以内で、（例えば空気のような）外部媒体（１８）の界面（１７）に当たるように、臨界角（１５）を伴って成形される。
【００４８】
図２は、本発明の好適な実施形態による、高い光抽出効率ＬＥＤの概略図を示す。図２は、ＬＥＤの屈折率ｎｌｅｄと、錐体の屈折率ｎ０と、レンズの屈折率ｎｅとの間の好適な関係を示す。より具体的には、図２は、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＮベースのＬＥＤ（２０）と、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＮのＬＥＤ（２０）に隣接するか、その表面上にあるか、またはこれを囲む、高屈折率材料で構成された第１の「成形」光学要素（２１）（例えば、錐体）と、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎおよび第１の成形光学素子（２１）の両方をカプセル化するか、または覆う、低屈折率材料で構成された第２の「成形」光学要素（２２）（例えば、レンズ）とを組み合わせることによって、高い光抽出効率を提供する本発明の概念を示す。一般に、高屈折率材料の屈折率ｎ０は、低屈折率材料ｎｅよりも大きく、すなわち、ｎ０＞ｎｅである。図２内の矢印は、ＬＥＤ（２０）によって放出される光の可能な軌線を示す。
【００４９】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、順方向バイアス下で明るい青色光を放出する、本発明の好適な実施形態による、ＺｎＯ錐体を含む第１の成形光学素子と、テーパ形のレンズ（３１）を含む第２の成形光学素子とを有するＬＥＤを示す写真である。
【００５０】
テーパ形の錐体プラスチックレンズＬＥＤを有する組み合わせ錐体ＬＥＤは、駆動電流２０ｍＡで、４６０ｎｍの放出波長に対する２２ｍＷの出力を有することが観察された。これは、同じエピタキシャルウエハから加工された従来のＧａＮチップと比較して、光出力で約５００％の増加を示す。
【００５１】
図４は、ＬＥＤ（４０）を両側から取り囲む高屈折率の第１の成形光学素子（４１）と、テーパ形のレンズ（４２）とを有する、ＬＥＤ（４０）の例示的な実施形態を示す。図４内の矢印は、ＬＥＤ（４０）によって放出される光の可能な軌線を示す。
【００５２】
図５は、電気接点（５０）を有する、錐体形状ＺｎＯをウエハ接合したＬＥＤを示す写真である。
【００５３】
図６は、電気接点（６１）およびワイヤ（６２）を通過する２ｍＡの順方向電流の下で、青色光を放出する、錐体形状ＺｎＯをウエハ接合したＬＥＤ（６０）を示す写真である。
【００５４】
図７は、それぞれの屈折率の高低によって識別される、第１および第２の成形光学素子に使用され得る、種々の組み合わせおよび形状を示す図である。矢印は、第１の成形光学素子内にカプセル化されたＬＥＤによって放出される光の可能な軌線を示す。高屈折率材料を備える第１の成形光学素子は、ＬＥＤによって放出された光を抽出するためのものであり、低屈折率材料を備える第２の成形光学素子は、ＬＥＤおよび第１の成形光学要素によって放出された光を抽出するためのものである。
【００５５】
図８は、本発明の例示的な一実施形態による、高い光抽出効率ＬＥＤの概略図である。ＬＥＤは、ｎ型ＩＩＩ族窒化物層（８０）と、活性領域（８１）と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層（８２）とを備える。ｎ型ＩＩＩ族窒化物層（８０）には電極（８３）および第１のＺｎＯ錐体形素子（８４）が隣接する。第１のＺｎＯ錐体（８４）の頂部には、ｎ型電極（８５）がある。ｐ型ＩＩＩ族窒化物層（８２）には、第２のｎ型ＺｎＯ錐体形素子（８６）が隣接し、ＺｎＯ（８６）の頂部にはｐ型電極（８７）がある。したがって、ＬＥＤは、高屈折率光抽出器を備える第１の成形光学素子（例えば、第１（８４）および第２（８６）のＺｎＯ錐体形状素子）を両側に備える。外側の円（８８）は、レンズを備える第２の成形光学素子を表す。矢印（８９）は、ＬＥＤの活性領域（８１）から放出される光の可能な軌線を示す。
【００５６】
図９は、本発明の例示的な一実施形態による、高い光抽出効率ＬＥＤの概略図である。このＬＥＤは、ＳｉＣまたはＧａＮの基板（９０）と、ｎ型ＩＩＩ族窒化物層（９１）と、活性領域（９２）と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層（９３）とを備える。ｐ型ＩＩＩ族窒化物層（９３）にはｎ型ＺｎＯ層（９４）が隣接し、ＺｎＯ（９４）の頂部にはｐ型電極（９５）がある。基板（９０）にはＺｎＯ錐体形状素子（９６）が隣接し、ＺｎＯ（９６）の頂部にはｎ型電極（９７）がある。外側の三角形（９８）はレンズを表し、矢印（９９）はＬＥＤから放出される光の可能な軌線を表す。
【００５７】
図１０は、本発明の例示的な一実施形態による、高い光抽出効率ＬＥＤの概略図である。ＬＥＤは、ｎ型ＩＩＩ族窒化物層（１００）と、活性領域（１０１）と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層（１０２）とを備える。ｎ型ＩＩＩ族窒化物層（１００）にはｎ型電極（１０３）が隣接する。ｐ型ＩＩＩ族窒化物層（１０２）には六角錐台をなすｎ型ＺｎＯ錐体形状素子（１０４）が隣接し、ＺｎＯ（１０４）の頂部にはｐ型電極（１０５）がある。外側の台形（１０６）はプラスチックレンズを表し、このレンズは、高反射率コーティング（１０７）を有し得る。ＺｎＯ錐体（１０５）は、例えば、｛１０−１１｝面の表面（１０８）を有する、六角錐台であり得る。矢印（１０９）は、ＬＥＤによって放出される光の可能な軌線を示す。
【００５８】
図１１は、高い光抽出効率の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を作製するための方法を示す。
【００５９】
ブロック１１０は、ウエハ接合構造を形成するために、透明な導体を備える第１の光学要素をＬＥＤにウエハ接合するステップを示す。
【００６０】
ブロック１１１は、第２の光学素子への光の屈折を最大にするように、第１の光学素子を成形するステップを示す。
【００６１】
ブロック１１２は、第２の光学素子によってウエハ接合構造をカプセル化するか、または覆うステップであって、第２の光学素子は、第１の光学素子よりも低い屈折率を有し、第２の光学素子からの光の屈折を最大にするように成形される、ステップを示す。
【００６２】
（可能な修正）
本発明の利益は、成形表面から放出する光を抽出するように設計された光学部品と組み合わせて、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＮおよびＺｎＯのＬＥＤ構造を接合および成形することから得られる。この組み合わせは新規なものであり、特にＬＥＤ用途のための既存のデバイス設計に優る利点を有する。
【００６３】
ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、例えば、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ａｓ材料、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｐ材料、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＡｓＰＮＳｂ材料から作製された化合物半導体材料、あるいは、ＺｎＧｅＮ２またはＺｎＳｎＧｅＮ２材料から作製された化合物半導体材料で構成され得る。
【００６４】
（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料に関しては、ＬＥＤは、極性Ｃ面｛０００１｝（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、Ａ面｛１１−２０｝、非極性Ｍ面｛１−１００｝（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、または半極性（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎで構成され得、半極性とは、２つのゼロでないｈ、ｉ、またはｋのミラー指数、およびゼロでないｌのミラー指数、｛ｈｉｋｌ｝を有する様々な面のことである。
【００６５】
加えて、ＬＥＤは、例えば、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ガリウムリン化物、リン化インジウム、または尖晶石ウエハ上で、または窒化ガリウム上で、あるいは、他の基板から取り外された独立の窒化ガリウム上で成長させられ得る。
【００６６】
高屈折率材料は、例えば、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、高屈折率金属酸化物、高屈折率ポリマー、または高屈折率プラスチック材料などの、多数の異なる材料で構成され得る。低屈折率材料はまた、多数の異なるタイプの材料、例えばプラスチック、で構成され得る。これらの材料は、任意の複数の異なる方法を使用して粗面化または成形され得る。
【００６７】
一般的に、第１の成形光学素子は、６０％を超える透過度と、前記ＬＥＤとオーム接点を形成するために十分な導電率を有するように選択された、任意の高屈折率材料を備え得る。本開示を通じて使用されるＺｎＯは、任意のドープ半導体層に隣接する、ｎ型、ｐ型、または非ドープのもの（すなわち、Ｐ型半導体またはｎ型半導体に隣接するｎ型ＺｎＯ、あるいはｐ型またはｎ型半導体に隣接するｐ型ＺｎＯ）であり得る。
【００６８】
上記のように、一実施形態では、ＬＥＤは（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ層で構成され、高屈折率光抽出材料は、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ層にウエハ接合されたＺｎＯ層で構成される。成形または粗面化されたＺｎＯは、ＬＥＤ内部で繰り返し生じる光反射を低減し、したがって、ＬＥＤからより多くの光を抽出する。ＺｎＯの高透過特性（６０％を超える）は、ＬＥＤ内部の光吸収を低減する。ＺｎＯの導電特性は、ＬＥＤ内の活性領域からの光放出を均一化し得る。この新たなハイブリッドＧａＮ／ＺｎＯ／成形レンズ設計の結果として得られる外部量子効率は、既存のＧａＮベースのＬＥＤデバイスのそれよりも高くなる。
【００６９】
ＺｎＯは、ＬＥＤの放出に加えて、青色、黄色、赤色、および白色光のような他の色を放出するようにドーピングされ得る。
【００７０】
さらに、透明なＺｎＯ電極と、ＳｉＣまたはＧａＮのような導電性基板上で成長させられた窒化物ＬＥＤとの組み合わせは、電極が導電性材料上に容易に形成され得るために、ＬＥＤの作製に必要なプロセスステップの数を削減し得る。しかしながら、他の実施形態では、ＺｎＯは必ずしもウエハ接合される必要はなく、それに代わる様々な手段によって堆積され得る。
【００７１】
最後に、錐体または他の成形光学素子の数に関しては、それぞれの錐体が隣の錐体からの放出を吸収する可能性があるので、その数は少ない方が良い。錐体が１つだけのときには、他の錐体が存在しないので、別の隣接する錐体による吸収などの影響を受けない。多重錐体ＬＥＤに関するさらなる情報は、［７］に見ることができる。
【００７２】
本発明の利点は、標準的な正方形のＧａＮチップと比較して、光抽出効率が大幅に向上することである。以下の表Ｉは、本発明によって作製された同じエピタキシャル材料が、駆動電流２０ｍＡで、４６０ｎｍの波長で放出する１５〜２２ｍＷの出力をもたらし、それは、２０ｍＡで４〜５ｍＷの標準的な正方形のチップの出力に対して、約５００％向上していることを示す。
【００７３】
【表１】
2009515344.tif 000003
（参考文献）
以下の参考文献は、本明細書において参考として援用される。
［１］Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５６，７３７−３９（１９９０）．
［２］Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４，２８３９−４１（１９９４）．
［３］Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１，３１５２−５４（２００２）．
［４］Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４３，Ｌ１２７５−７７（２００４）．
［５］Ｊ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３４，Ｌ７９７−９９（１９９５）．
［６］Ｊ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４３，Ｌ１８０−８２（２００４）．
［７］Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４，８５５（２００４）．
（結論）
これで、本発明の好適な実施形態の記述を終了する。本発明の１つ以上の実施形態の上記の記述は、図示および説明のために提示された。本記述は、全てを網羅することも、また本発明を開示された形態に限定することも、意図されてはいない。上述の教示を考慮して、多数の修正および変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な記述によってではなく、本明細書に添付された請求項によって限定されることが、意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】図１は、レンズに入る大部分の光が臨界角以内にあって抽出される、テーパ形のレンズと組み合わされた、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）ＮおよびＺｎＯを直接ウエハ接合したＬＥＤ構造の概略断面図である。
【図２】図２は、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２、ＺｎＳ、ＧａＮ、ＳｉＣ、または高屈折率ポリマーまたはプラスチックのような任意の高屈折率材料が、第２の光学素子と組み合わされ得る、より一般的な概念を示す。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、テーパ形の光学部品と組み合わされたＺｎＯの錐体ＬＥＤを示す。
【図４】図４は、成形された高屈折率材料を両側に有するＬＥＤの概略断面図である。
【図５】図５は、錐体形状ＺｎＯをウエハ接合したＬＥＤを示す。
【図６】図６は、２ｍＡの順方向電流下での、錐体形状ＺｎＯをウエハ接合したＬＥＤを示す。
【図７】図７は、成形プラスチック光学素子と組み合わされた、成形された高屈折率抽出器の上面図である。
【図８】図８は、ＬＥＤの両側の高屈折率抽出器と、球状プラスチック光学素子とを有する、成形ＬＥＤを示す。
【図９】図９は、ＺｎＯまたは透明な導体（ＩＴＯのような）をデバイスの両側に有し、成形光学素子と組み合わされた、ウエハ接合されたＬＥＤの概略断面図である。
【図１０】図１０は、順方向への高い光抽出のためのテーパ形の光学部品設計を有する、錐体に成形されたＬＥＤの概略図である。
【図１１】図１１は、高い光抽出効率の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を作製するための方法を示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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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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【国際調査報告】
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