(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロＬＥＤ（μＬＥＤ）であって、
実質的に放物面状のメサ構造と、
前記メサ構造内の発光源と、
メサ構造の頂部と対向するμＬＥＤの一側の主放射面と
を備え、
前記メサ構造は、（Ｈ２＊Ｈ２）／Ａｃで定義される、０．５未満のアスペクト比を有し、μＬＥＤはさらに、前記発光源から前記主放射面までの領域に位置する反射面を備え、前記反射面は、５００ｎｍ未満の粗さＲａを有し、Ｈ２は、前記メサ構造の底面から該メサ構造の前記底面の上方にある前記発光源までの高さであり、Ａｃは、前記発光源の高さにおけるメサ構造の断面積である、μＬＥＤ。
【請求項２】
前記反射面は、主放射面である、請求項１に記載のμＬＥＤ。
【請求項３】
前記粗さＲａは、３００ｎｍ未満である、請求項１に記載のμＬＥＤ。
【請求項４】
前記反射面は、第１の屈折率を有する第１の材料と第２の屈折率を有する第２の材料との間の界面である、請求項１に記載のμＬＥＤ。
【請求項５】
前記第１の材料は、エピ層を含み、前記第２の材料は、前記μＬＥＤが形成される基板を含む、請求項４に記載のμＬＥＤ。
【請求項６】
μＬＥＤが、サファイア基板上のＧａＮから形成され、２つの材料間の界面が、前記ＧａＮと前記サファイア基板との間の界面である、請求項４に記載のμＬＥＤ。
【請求項７】
前記反射面は、前記メサ構造の底面の断面積以上の領域において５００ｎｍ未満の粗さＲａを有し、かつ前記メサ構造の中心軸に位置合わせされている、請求項１に記載のμＬＥＤ。
【請求項８】
アスペクト比が０．３未満である、請求項１に記載のμＬＥＤ。
【請求項９】
前記メサ構造は、切頭頂部を含む、請求項１に記載のμＬＥＤ。
【請求項１０】
前記発光源は、前記メサ構造の中心軸からオフセットされている、請求項１に記載のμＬＥＤ。
【請求項１１】
前記発光源は、前記主放射面に平行な平面内にある１つまたは両方の垂直軸上の距離だけオフセットされている、請求項１０に記載のμＬＥＤ。
【請求項１２】
前記垂直軸の各々におけるオフセット距離は、１μｍ〜５μｍの範囲内にある、請求項１１に記載のμＬＥＤ。
【請求項１３】
前記垂直軸の各々におけるオフセット距離は、前記垂直軸の各々において前記中心軸からメサの端部までの全距離の１０％から５０％の範囲内にある、請求項１１に記載のμＬＥＤ。
【請求項１４】
前記発光源は、前記発光源から光が、μＬＥＤからの光の放射方向に対して実質的に垂直な方向に放射されるように、異方性に光を放射するように構成されている、請求項１に記載のμＬＥＤ。
【請求項１５】
前記発光源からの光の放射が、屈折率ガイドおよびダイポール異方性の１つまたは複数を用いて制御される、請求項１４に記載のμＬＥＤ。
【請求項１６】
前記主放射面に適用された追加層をさらに備え、前記追加層は、任意の角度および／または任意の波長を超える波長で前記追加層上に入射する光を減衰させる、請求項１に記載のμＬＥＤ。
【請求項１７】
前記追加層が多層誘電体フィルタである、請求項１６に記載のμＬＥＤ。
【請求項１８】
前記メサ構造の発光層内の前記発光源の光源占有率は、２０％から５０％の範囲内である、請求項１に記載のμＬＥＤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロＬＥＤ（μＬＥＤ）デバイスに関する。より具体的には、本発明は、限定されるものではないが、光出力の平行性（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）が改善されたμＬＥＤに関する。
【背景技術】
【０００２】
標準的なＬＥＤデバイスと比較すると、μＬＥＤは、向上された抽出効率（ＥＥ：ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）と、「準平行化された」光出力（すなわち、少なくとも部分的に指向性のある光出力）との利点を提供することができる。これらの利点は、活性層または発光層が存在するμＬＥＤに放物面状のメサ構造を導入することによって達成され得る。発光層から放射された光は、メサの内面で反射され、メサと対向する出射面からμＬＥＤの外部に出射される。そのようなμＬＥＤは、特許文献１（米国特許第７５１８１４９号明細書）に示されている。
【０００３】
改善された光の平行性を提供するためにメサ構造を含むμＬＥＤの改良が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７５１８１４９号明細書
【発明の概要】
【０００５】
第１の態様における発明によれば、マイクロＬＥＤ（μＬＥＤ）が設けられ、μＬＥＤは、実質的に放物面状のメサ構造と、メサ構造内の発光源と、メサ構造の頂部と対向するデバイスの一側の主放射面とを備え、メサ構造は、（Ｈ２＊Ｈ２）／Ａｃで定義される、０．５未満のアスペクト比を有し、μＬＥＤはさらに、発光源から主放射面までの領域に位置する反射面を備え、反射面は、５００ｎｍ未満の粗さＲａを有する。
【０００６】
本明細書で使用される反射面は、空気に対するμＬＥＤの表面を包含するが、より広義には、２つの媒体間の界面も包含し得る。例えば、反射面は、発光媒体と他の媒体との間のμＬＥＤの表面であってもよい。光は、その入射角に応じて部分的または完全に反射されてもよい。
【０００７】
主放射面は、光の大部分が放射されるμＬＥＤの表面である。典型的には、主放射面は、エピ層（ｅｐｉｌａｙｅｒ）の表面であってもよい。所望の表面粗さを達成するために、主放射面を研磨してもよい。エピ層が異なる材料の基板に接する実施形態では、主放射面および基板の表面の一方または両方が５００ｎｍ未満の表面粗さＲａを有してもよい。さらに、所望の表面粗さを達成するために、主放射面および基板の表面の一方または両方を研磨してもよい。
【０００８】
以下に示すように、低アスペクト比は、反射面の粗さは低いものであるというような技術の開示に対して、直感に反する。これらの特徴の組み合わせにより、発光源から放射された寄生ビームを内部反射させて、μＬＥＤの半角を低減させる（および平行性を増加させる）。
【０００９】
従来のμＬＥＤは、抽出効率を高めるために、高アスペクト比、および／または粗いか、または成形した反射面および／または放射面を選択する。本明細書に開示された例示的なμＬＥＤにおいて、低い粗さの反射面および低アスペクト比の近放物面状のメサが組み合わされる。これらの２つのパラメータは、抽出効率を個々に減少させるが、組み合わせると、光の平行性の向上という驚くべき効果をもたらすことが本明細書において実証される。
【００１０】
任意選択的に、反射面は、主放射面である。
任意選択的に、反射面は、３００ｎｍ未満の粗さＲａを有する。
任意選択的に、反射面は、第１の屈折率を有する第１の材料と第２の屈折率を有する第２の材料との間の界面である。
【００１１】
任意選択的に、第１の材料は、エピ層を含み、第２の材料は、μＬＥＤが形成される基板を含む。
任意選択的に、μＬＥＤが、サファイア基板上のＧａＮから形成され、２つの材料間の界面が、ＧａＮとサファイア基板との間の界面である。
【００１２】
任意選択的に、反射面は、メサの底面の断面積以上の領域において５００ｎｍ未満（例示的な装置において、３００ｎｍ未満）の粗さＲａを有し、メサの中心軸に位置合わせされている。この領域は、メサの底面の断面積に実質的に等しい領域から、メサの底面の断面積の１．５倍の領域までの範囲にあってもよい。
【００１３】
任意選択的に、アスペクト比が０．３未満である。
任意選択的に、メサ構造は、切頭頂部を含む。
任意選択的に、発光源は、メサ構造の中心軸からオフセットされている。
【００１４】
任意選択的に、発光源は、主放射面に平行な平面内にある１つまたは両方の垂直軸上の距離だけオフセットされている。
任意選択的に、垂直軸の各々におけるオフセット距離は、１μｍ〜５μｍの範囲内にある。
【００１５】
任意選択的に、垂直軸の各々におけるオフセット距離は、垂直軸の各々において中心軸からメサの端部までの全距離の１０％から５０％の範囲内にある。
任意選択的に、発光源は、発光源から光が、μＬＥＤからの光の放射方向に対して実質的に垂直な方向に放射されるように、異方性に光を放射するように構成されている。
【００１６】
任意選択的に、発光源からの光の放射が、屈折率ガイドおよび／またはダイポール異方性を用いて制御される。
任意選択的に、μＬＥＤは、主放射面に適用された追加層をさらに備え、追加層は、任意の角度および／または任意の波長を超える波長で追加層上に入射する光を減衰させる。
【００１７】
任意選択的に、追加層が多層誘電体フィルタである。
任意選択的に、メサ構造の発光層内の発光源の光源占有率は、２０％から５０％の範囲内である。
【００１８】
第２の態様における発明によれば、マイクロＬＥＤ（μＬＥＤ）が提供され、μＬＥＤは、実質的に放物面状のメサ構造と、メサ構造内の発光源と、メサ構造の頂部と対向するデバイスの一側の主放射面とを備え、メサ構造は、（Ｈ２＊Ｈ２）／Ａｃによって定義される、０．３未満のアスペクト比を有する。
【００１９】
第３の態様における発明によれば、マイクロＬＥＤ（μＬＥＤ）が提供され、μＬＥＤは、実質的に放物面状のメサ構造と、メサ構造内の発光源と、メサ構造の頂部と対向するデバイスの一側の主放射面とを備え、発光源は、メサ構造の中心軸からオフセットされている。
【００２０】
第４の態様における発明によれば、マイクロＬＥＤ（μＬＥＤ）が提供され、μＬＥＤは、実質的に放物面状のメサ構造と、メサ構造内の発光源と、メサ構造の頂部と対向するデバイスの一側の主放射面とを備え、発光源は、発光源からの光が、μＬＥＤからの光の放射方向に対して実質的に垂直な方向に放射されるように、異方性に光を放射するように構成されている。
【００２１】
第５の態様における発明によれば、上記したいずれかのμＬＥＤによる複数のμＬＥＤを含み、かつ共通の基板上に形成されたマイクロＬＥＤ（μＬＥＤ）クラスタが提供される。
【００２２】
第６の態様における発明によれば、上記したいずれかのμＬＥＤによる複数のμＬＥＤを含む表示装置が提供される。
本発明のさらなる態様によれば、マイクロＬＥＤ（μＬＥＤ）が提供され、μＬＥＤは、実質的に放物面状のメサ構造と、メサ構造内の発光源と、メサ構造の頂部と対向するデバイスの一側の主放射面とを備える。発光源から放射された光は異方性である。
【００２３】
発光源から放射される光の異方性は、主放射面に実質的に平行な方向であって、μＬＥＤの主放射方向に実質的に垂直であるか、または実質的に発光源の面内であってもよい。発光源によって放射された光は、主放射面に実質的に平行な方向、μＬＥＤの主放射方向に対して実質的に垂直な方向に、または実質的に発光源の面内でメサ構造内において案内および／または誘導され得る。
【００２４】
発光源は、実質的に平面であってもよい。さらに、μＬＥＤの主放射方向は、発光源の中心からの方向および主放射面に垂直な方向とすることができる。
発光源は、主放射面に実質的に平行な方向に重み付けされた光を、μＬＥＤの主放射方向に実質的に垂直に、または実質的に発光源の面内において主放射面に向って放射するように構成されてもよい。この重み付けは、放射光の少なくとも５０％が、主放射面に実質的に平行な方向、μＬＥＤの主放射方向に実質的に垂直に、または実質的に発光源の面内におけるいずれかの側で、３０度、２５度、２０度、１５度または１０度の範囲で放射されることとなる。
【００２５】
この重み付けは、放射された光の少なくとも４０％、５０％、６０％または７０％がメサ構造の内部側壁に直接入射することになる。
異方性の発光源は、ガイドの一部を形成してもよく、またはガイドを補助してもよい。すなわち、ガイドは、発光源からの光の異方性の放射によって少なくとも部分的に設けられてもよく、またはガイドは、メサ内の材料の構成によって提供され、かつ発光源からの光の異方性の放射によって補助される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】μＬＥＤの断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、アスペクト比が異なるメサ構造を有するμＬＥＤの断面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、半角および抽出効率に対するアスペクト比の変化の影響を示す。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、研磨されていない（粗い）主放射面と、研磨された（比較的粗さが低い）主放射面とを有するμＬＥＤの断面図である。
【図５】μＬＥＤの反射面の粗さの減少によるμＬＥＤにより放射される光の半角の減少を示す。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、中心に位置合わせされた発光源およびオフセット発光源を有するμＬＥＤの断面図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、中心に位置合わせされた発光源およびオフセット発光源を有するμＬＥＤの平面図である。
【図８】μＬＥＤにおけるＥＥに対するＰコンタクトの芯ずれの影響を示す。
【図９】メサ構造の中心軸から３０％、３０％オフセットされた発光源を有するモデル化されたμＬＥＤの極座標プロットを示す。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、等方性発光源および異方性発光源を有するμＬＥＤを示す。
【図１１】２０°の放射半角を有するμＬＥＤへの追加層として適用された多層誘電体フィルタと、ランバートプロファイルを有する典型的な平面ＬＥＤとを介した透過性のプロットを示す。
【図１２】処理されたμＬＥＤに関する電力に対する電流特性を示す。
【図１３】様々な光源の占有率を有するμＬＥＤのＥＥを示す。
【図１４】メサのアスペクト比と光源の占有率の放射半角への影響を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の例示的な実施形態を、添付の図面を参照して本明細書で説明する。
本明細書で開示される例示的なμＬＥＤは、μＬＥＤによって生成され、かつデバイスから周囲の媒体に抽出される光の平行性を改善するための特徴を説明する。これは、メサ構造からμＬＥＤの主放射面までの領域における反射面と組み合わせられた低アスペクト比のメサを使用することによって、寄生光ビームの基板内に戻る反射を許容することによって可能になる。例えば、反射面は、メサ構造から主放射面までの領域における材料間の境界における研磨された主放射面または反射面であってもよい。
【００２８】
本明細書では、用語「光」は、可視光だけでなく、可視範囲外の波長を有する電磁放射線をも意味するように光学システムで使用されるという意味で使用される。さらに、「寄生光ビーム」という用語は、μＬＥＤ内のメサ構造の焦点から離れた点で発光源から放射される光ビームを指してもよい。このような寄生光ビームは、メサの内面から反射されて、光が焦点から放射される場合に期待される平行化された出力から光ビームを偏向させるものであってもよい。さらに、用語「低アスペクト比」は、０．５未満のメサのアスペクト比、および特定の例示的なμＬＥＤにおいて、０．３未満を包含する。これについては後で詳細に説明する。
【００２９】
μＬＥＤは、フォトダイオードとして動作させることもできることに留意されたい。したがって、本明細書でなされたμＬＥＤに対するいかなる言及も、フォトダイオードを包含する。
【００３０】
先行技術は、最良の性能を有するためには、μＬＥＤが、高アスペクト比のメサ構造と、光が通過するか、又は周囲の媒体に抽出される粗い又は成形した表面とを有するべきであることを示している。これは、高ＥＥがμＬＥＤの最も望ましい特徴であるという見解が多数を占める。本明細書に示すように、低アスペクト比のメサ構造及び比較的高い反射率（例えば、研磨状態）の放射面を有するμＬＥＤは、満足のいくＥＥ（抽出効率）を維持しつつ、改善された平行性を有する。改善された平行性は、以下に詳述するように、迷光および光路管理またはディスプレイを必要とする電気光学システムを含むが、これに限定されない複数の用途に対するμＬＥＤの最も望ましい特徴である。
【００３１】
図１は、発光層が配置された放物面状のメサ構造を有するμＬＥＤ１００を示す。図１は、本明細書に開示されるμＬＥＤの説明を補助するために、メサ構造のパラメータを定義する。図１を参照すると、μＬＥＤ１００は、基板１０１上に、半導体層１０２、メサ１０３、発光層１０４、および電気コンタクト１０６を含む。図１の例示的なμＬＥＤ１００において、基板１０１と半導体層１０２との間にμＬＥＤ１００の発光面１０８が示されている。しかしながら、代替的に、発光面１０８は、発光層および基板の性質に応じて、μＬＥＤ１００と周囲媒体１１０との間に形成されてもよい。さらに、μＬＥＤ１００は、以下の特徴および属性を含む。
【００３２】
Ｈ１：メサの底面（ｂａｓｅ）から上方の放物面の焦点面の高さ。
Ｈ２：メサの底面から上方の発光層の高さ。
Ｈ３：メサの底面から上方の切頭頂部の高さ。
【００３３】
Ｈ４：メサの底面から上方の放物面の高さ。
Ｄ１：頂部電気コンタクトの直径。
Ｄ２：発光源の直径。
【００３４】
Ｄ３：半導体メサの切頭頂部の直径。
Ｄ４：発光層の直径。
Ｄ５：放物面の焦点面の直径（焦点面は、焦点と交差する水平面である）。
【００３５】
Ｄ６：半導体メサの底面の直径。
さらに、μＬＥＤのさらなる属性は、
Ａｃ：発光層内の発光源の高さにおけるメサの断面積（ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ  ａｒｅａ）が定義される。
【００３６】
メサ構造は、頂部が切頭状態であっても、切頭状態でなくてもよい。頂部が切頭状態のメサ構造では、Ｈ３はＨ４に等しい。頂部が切頭状態でないメサ構造では、Ｄ３はゼロに等しい。さらに、Ｈ１は、焦点がＬＥＬ（発光層）の上方、内、または下方である場合にそれぞれ規定される、Ｈ２よりも小さな高さ、Ｈ２と等しい高さ、またはＨ２より大きな高さとすることができる。他の例示的なメサ構造では、Ｄ１は、材料内の電流拡散または電流閉じ込めに応じて、Ｄ２未満であるか、Ｄ２と等しいか、またはＤ２を超える直径とすることができる。
【００３７】
図１の特徴および属性のサイズおよび寸法は例示であり、かつ説明のためであり、本明細書に開示されるμＬＥＤ１００の特徴および属性を示す必要はないことに留意されたい。
【００３８】
ほぼ放物面状のメサのアスペクト比は、（Ｈ２＊Ｈ２）／Ａｃと定義される。アスペクト比は、メサ構造の頂部が切頭状態である場合には（Ｈ３＊Ｈ３）／Ａｃとして定義される。実際的には、（Ｈ２＊Ｈ２）／Ａｃで決まるアスペクト比と（Ｈ３＊Ｈ３）／Ａｃで決まるアスペクト比との間の差は、多くの場合無視することができ、（Ｈ３＊Ｈ３）／Ａｃは、より正確な（Ｈ２＊Ｈ２）／Ａｃの代用として使用してもよい。
【００３９】
さらに、アスペクト比の決定には、円形の断面を有するメサ構造を必要としないことに留意されたい。アスペクト比は、不規則なメサ構造、例えば、わずかに変形または伸長したメサ構造に対して決定され得る。メサ構造が円形の断面を有する場合、Ａｃは、Π＊（Ｄ４／２）＊（Ｄ４／２）によって決定される。
【００４０】
図２ａおよび図２ｂは、アスペクト比が異なるほぼ放物面状のメサ構造を有するμＬＥＤを示す。図２ａは、比較的高アスペクト比を有するメサ構造を有するμＬＥＤ３００を示し、図２ｂは、比較的低アスペクト比を有するメサ構造を有するμＬＥＤ３０２を示す。例示的なケースでは、μＬＥＤ３００は０．５以上のアスペクト比を有し、μＬＥＤ３０２は０．５未満のアスペクト比を有し、特に例示的な場合、アスペクト比は０．３以下であり得る。
【００４１】
図２ａおよび図２ｂにおいて、μＬＥＤ３００，３０２は、発光源３０６ａ、３０６ｂを封入するほぼ放物面状のメサ構造３０４ａ、３０４ｂを有する。放物面状のメサ構造は、発光源の高さより上方で放物面の頂部が平坦化されている切頭頂部を有しているか、または有していなくてもよい。既知のデバイスでは、μＬＥＤデバイス３００，３０２の発光源から放射された光は、点光源に由来すると考えられる。しかしながら、本発明者らは、これが発光源３０６ａ、３０６ｂから放射される光の真の状態の反映ではないことを理解した。むしろ、光は、発光源３０６ａ、３０６ｂの全領域にわたって放射され、これは、拡張光源または複数の点光源としてモデル化されなければならない。図２ａおよび図２ｂに示されるように、放射光がこのようにモデル化された場合、低アスペクト比のほぼ放物面状のメサ構造に低粗度の抽出面を組み合わせることの利点につながる優れた効果がある。
【００４２】
μＬＥＤからの光出力の平行性は、放物面の固有の特性を用いて説明することができる。放物面の焦点における点光源から発する光は、平行ビームに平行化される。これと点光源からの光を放射するμＬＥＤの分析とに基づいて、メサ構造が完全な無限の放物面に近づくにつれて、高アスペクト比のメサを用いるデバイスがより良好な平行性が可能であると見なされていた。
【００４３】
しかしながら、図２ｂに示すように、特定の領域を有する光源である非点光源からの発光を含んで、全体のμＬＥＤ構造を考慮すると、直感に反した挙動が観察される。寄生発光ビーム３０８ｂは、主放射面３１０ｂの内面から内部反射され、メサ構造３０４ｂの内面から反射された光のみがデバイス３０２から放射されたままとなる。この効果は、主放射面３１０ｂが研磨されている場合に増大する。この効果の結果として、デバイス３０２から放射された抽出ビームは、ほぼ放物面状のメサ構造のアスペクト比が減少すると、より平行化される。本発明者らは、光源が単一の点光源として考えることができず、これにより、低アスペクト比のメサ構造および反射性（低粗度）の表面を組み合わせることによって光平行性出力を改善することができるという事実により直感に反した挙動を認識した。
【００４４】
対照的に、図２ａのμＬＥＤ３００は、μＬＥＤ３０２に対して高アスペクト比を有するほぼ放物面状のメサ構造を有する．μＬＥＤ３００のアスペクト比は、０．５以上である。図２ａから分かるように、μＬＥＤ３０２において寄生的であると考えられる発光層３０６ａから放射された光ビームは、メサ構造３０４ａの内面から反射され、内部反射されるかわりに主放射面３１０ａから放射される。これは、抽出効率を向上させるが、出力光の平行性を減少させ、このことは、多くの用途にとって重要なパラメータとなる。
【００４５】
より高い平行性を得るためにアスペクト比を減少させ、かつ比較的高い反射性（例えば、研磨された）の放射面を使用することは、当業者にとって直感に反している。さらに、改善された平行性は、満足できるものであっても、ＥＥ（抽出効率）の減少によって相殺される。これは、当該技術分野では望ましくないと考えられるが、実際には広範囲の用途を有する。
【００４６】
例示的なμＬＥＤ３０２では、アスペクト比は０．５未満であってもよい。他の例示的なμＬＥＤ３０２では、アスペクト比は０．３未満であってもよい。他の例示的なμＬＥＤ３０２では、アスペクト比は０．２未満であってもよい。他の例示的なμＬＥＤ３０２では、アスペクト比は０．１未満であってもよい。他の例示的なμＬＥＤ３０２において、アスペクト比は、０．１〜０．２５の範囲内、または０．０１〜０．２５の範囲内であり得る。
【００４７】
上記によれば、μＬＥＤのビーム平行性は、０．５未満のアスペクト比を有するようにメサ構造を設計および処理すること、および／または表面粗さが減少し、かつ反射特性が増加するように主放射面を研磨することによって増加され得る。発光層は、ほぼ放物面状のメサ構造に封入されている。ほぼ放物面状の構造は、活性層の周囲の実質的な部分に沿って角度α＝４５°＋／−２０°でμＬＥＤの発光層と交差する側壁の接線を有するメサとして定義することができるが、上述したように、放物面状のメサ構造もまた、変形されるか、または伸長されていてもよい。
【００４８】
なお、発光層は、発光源と同じでなくてもよい。例示的なμＬＥＤにおいて、発光層は、発光源が位置するメサ構造内の層を画定する。発光層は、その高さにおいてメサ構造を貫通する断面の領域と同じ領域をカバーし得る。発光源は、実際に発光する発光層の領域であってもよい。例示的なμＬＥＤにおいて、発光源は、発光層よりも小さくてもよい。
【００４９】
メサ構造は、低アスペクト比（典型的には、ＨｘＨ／Ａｃ＜０．５）を有し、Ｈはメサの高さであり、Ａｃは発光層の面積である。主放射面は、完全にまたは部分的に研磨されるか、または角度付けられたビームの内部反射を可能にするように処理されてもよい。
【００５０】
研磨された表面とメサの低アスペクト比との組み合わせは、主放射面および／または発光層の垂線からの大きな角度を有する望ましくない寄生ビームの内部反射を可能にする。主放射面が、（例えば、レンズまたは他の構造として）成形されている場合、主放射面に対する垂線はそれほど容易に規定することができない。これらの場合、垂線は、発光層に対する垂線、または抽出されるビームの対称軸として定義することができる。これにより、放射されるビームの平行性の向上が可能になる。
【００５１】
実際、発光源領域は、メサの焦点の平面の近くまたは平面内にある複数の光源または拡張された光源としてモデル化される。この平面は、発光層と一致してもよい。
正確な焦点ではなく、メサ構造の焦点付近の任意の方向に放射されたビームは、平行ビームに反射されず、抽出されたビーム（寄生ビーム）の半角を増加させる。これは、発光源からメサ構造の頂部表面（切頭頂部）に向かって放射される光にも当てはまる。発光源を複数の光源または拡張された光源として考えると、寄生光が放射され、μＬＥＤの光平行性が減少する。
【００５２】
メサのアスペクト比を減少させることによって、寄生ビームの一部はメサ構造によって反射されず、μＬＥＤを介して直接的に主放射面に伝搬し、そこで内部反射される。これらの寄生ビームは、材料内部の界面、例えば多材料基板の場合にはＧａＮ／サファイア界面によって、または基板と周囲媒体との間の反射コーティング層によって、または他の反射性構造によって反射される。
【００５３】
図３ａおよび図３ｂは、半角に対するＨｘＨ／Ａｃ（アスペクト比）の変化の影響を示しており、特定の近放物面状のメサ構造および光源領域に対する平行性（図３ａ）および抽出効率（図３ｂ）を定量化することができる。図３ａは、アスペクト比が０．５未満では、放射ビームの半角が予想外に減少し、光平行性の改善を示している。異なるメサ構造および／または発光源領域に関しては、これらの結果はわずかに変化し得る。
【００５４】
既知のμＬＥＤは、メサ構造のアスペクト比を０．５を超えて増加させることによってＥＥ（抽出効率）の増強に関連付けられる。しかしながら、多くの用途において、抽出効率だけでなく、光平行性も増強を必要とする。いくつかの場合、ＥＥは、より良好な平行性のためにある程度犠牲にされ得る。
【００５５】
μＬＥＤによって生成され、デバイスから周囲の媒体に抽出される光の平行性の改善は、主放射面を研磨することによって得ることができる。
平行性を犠牲にして、抽出効率を最大限にするために、ＬＥＤ産業において、従来のように粗い発光面または成形された発光面が使用される。粗い主放射面は、光の内部反射を低減する。例示的なμＬＥＤでは、主放射面を研磨することにより、寄生光の内部反射が可能になり、これにより、改善された平行性がもたらされる。例示的なμＬＥＤにおいて、Ｒａによって定義される主放射面の粗さは、５００ｎｍ以下、１５０ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、または５０ｎｍ以下であり得る。
【００５６】
図４ａおよび図４ｂは、研磨されていない（粗い）主放射面５１０ａおよび研磨された（比較的粗さが低い）主放射面５１０ｂを有するμＬＥＤ５００，５０２を示す。図４ａに示すように、主放射面５１０ａが研磨されていない場合、メサ構造５０４ａの内面から反射されなかった光ビーム５０８ａは、主放射面５１０ａと相互作用し、粗さによって、光がデバイス５００から放射されるような、主放射面５１０ａに入射する光ビーム５０８ａの角度となる。これは、ＥＥを増加させることができるが、出力光の半角を増加させ、したがって平行性を減少させる。対照的に、図４ｂのμＬＥＤ５０２の主放射面５１０ｂは、主放射面５１０ａよりも粗が低い研磨された主放射面５１０ｂを有する。したがって、デバイス５００によって放射された同じ光ビーム５０８ｂは内部反射される。これは、デバイスのＥＥを低減するが、光出力の半角を減少させて、平行性を改善する。
【００５７】
いくつかのμＬＥＤの半角は、粗さＲａ＝４７ｎｍの例示的な研磨された主放射面で測定されていた。μＬＥＤの主放射面は、Ｒａ＝５５６ｎｍに粗面化されている。同じマイクロＬＥＤの半角が再び測定された。結果は図５にプロットされている。図５を参照すると、主放射面が研磨されると、ビーム平行性の大きな改善が観察される。ビーム平行性の２０〜４０％の改善が２５度未満の半角に対して観察され、半角が２５度を超える場合に５〜２０％の改善が観察される。この結果は、自然に良好な平行性を有するＬＥＤ（すなわち、μＬＥＤ）について、研磨の効果がより顕著であることを強調している。
【００５８】
主放射面からの内部反射は、主放射面を形成する材料および主放射面の外側の材料に応じて多数の異なる角度で生じ得る。すなわち、表面の界面が、光が内部反射される臨界角を決定する。例示的なμＬＥＤにおいて、反射表面は主放射面であってもよいが、他の例示的なμＬＥＤにおいては、反射表面は２つの材料間の界面表面であってもよい。他の例示的なμＬＥＤにおいて、界面は、屈折率が変化する単一の材料によって提供されてもよい。そのようなμＬＥＤにおいて、材料の屈折率は、界面領域にわたって連続的に変化し得る。放射された光の波長もまた、臨界角に影響を及ぼし得る。
【００５９】
それぞれの材料および波長について、以下にいくつかの臨界角を示す。
【００６０】
【表１】
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反射面を有するメサ形状のμＬＥＤと最適化された光源形状または位置とを組み合わせて、抽出された光の平行性を最適化することも可能である。
【００６１】
例示的なμＬＥＤは、メサ内の発光源の位置を最適化し、かつ反射して基板内に戻る寄生ビームの利点を得る（周囲の媒体に抽出されない）ようにすることによって、マイクロＬＥＤデバイスによって生成され、かつデバイスから周囲の媒体に抽出される光の平行性を改善することができる。すなわち、例示的なμＬＥＤは、ほぼ放物面状のメサ構造の中心軸からオフセットされた発光源を有してもよい。
【００６２】
発光源の芯ずれは、メサの片側で放射される寄生光のより多くの内部反射をもたらす。これは、μＬＥＤから放射されたビームの非対称なプロファイルにおいて生じ得る。図６ａおよび図６ｂは、主要部を示す。図６ａは、異なる位置に配置された発光源７０６ａ、７０６ｂを有するμＬＥＤ７００，７０２を示す。図６ａにおいて、発光源７０６ａは、メサ構造７０４ａを垂直に貫通する中心軸に対して中心が置かれている。例示的なμＬＥＤにおいて、発光源７０６ａは円形であってもよい。他の例示的なμＬＥＤにおいて、発光源７０６ａは非対称であってもよい。他の例示的なμＬＥＤにおいて、光源は、中心では発光しない（焦点面での放射はない）中心の回りのリングであってもよい。
【００６３】
発光源７０６ａで生成された光は、メサ構造７０４ａの内壁で反射され、主放射面７１０ａを通ってデバイス７００から放射される。発光源７０６ａの周辺で生成され、かつ／またはメサ構造７０４ａの下縁に接触した７０８ａ等の光ビームは、デバイス７００から放射され、デバイス７０６のビームの半角の限界を提供することが分かる。対照的に、図６ｂを参照すると、デバイス７０２の発光源７０６ｂは、メサ構造７０４ｂの中心軸からオフセットされている。このような構成では、メサ構造７０４ｂの下縁に接触する光ビーム７０８ｂは、入射角が減少するにつれて、主放射面７１０ｂから内部反射される。その結果、デバイス７０２から放射されたビームは斜めに進むが、平行性が増大し、半角が減少する。
【００６４】
図７ａおよび図７ｂは、μＬＥＤ７００，７０２の平面図を示す。発光源７０６ｂの芯ずれが図７ｂに示されている。図７ａは、メサ構造７０４ａの中心軸と位置合わせされた発光源７０６ａを示す。典型的なｘオフセットは、１〜５μｍの範囲内、または発光層の半径の０％〜（Ｄ４−Ｄ２）／Ｄ４％の範囲内であってもよい。典型的なｙオフセットは、１〜５μｍの範囲内、または発光層の半径の０％〜（Ｄ４−Ｄ２）／Ｄ４％の範囲内であり得る。これらの範囲内のｘおよびｙオフセットの任意の組み合わせも可能である。ｘおよびｙオフセットは、発光層の半径の１０％〜５０％の範囲内であり得る。
【００６５】
発光源７０６ｂがメサ構造７０４ｂの中心にないモデルが構築される。様々な芯ずれ値は、１０％、１０％；２０％、２０％；３０％、３０％；５０％、５０％のｘ、ｙオフセットでモデル化されている。これらの芯ずれパラメータは、図８に示されるように、適正な抽出効率を維持しながら、非対称なビーム形状をもたらす。図９は、メサ構造の中心軸から３０％、３０％だけオフセットした発光源を有するモデル化されたμＬＥＤの極座標プロットを示す。
【００６６】
μＬＥＤから放射される光の平行性は、異方性発光源を有することによっても改善され得る。すなわち、選択された方向のみに発光する発光源である。異方性光源は、ほぼ放物面状のメサ構造の表面に入射するビーム経路を主に生成することによって、μＬＥＤの平行性および抽出効率を高めることができる。
【００６７】
例示的なμＬＥＤにおいて、光源の放射は、デバイス放射方向、すなわちμＬＥＤの活性層の平面に垂直に、または主に垂直に案内または誘導されてもよい。いくつかの例示的なμＬＥＤにおいて、光源放射は、μＬＥＤの主放射面に実質的に平行に案内される。典型的には光は放射面に向かって案内されるので、デバイス放射の方向に垂直な平面において発光源からの光放射を意図的に案内することは直感に反することである。μＬＥＤのメサ構造と結合されたデバイスの放射方向に垂直または実質的に垂直な光源の放射によって、抽出されたビームの平行性および抽出効率を高めることが可能となる。放射源が等方性である場合、放射光のわずかな割合のみがメサの内部反射面に直接的に入射することとなる。
【００６８】
図１０ａおよび図１０ｂは、それぞれ等方性および異方性の発光源を有するμＬＥＤ１１００，１１０２を示す。図１０ａは、発光源１１０６ａから全方向に放射された光を示す。発光源１１０６ａから放射された８つの例示的な光ビームのうち、光ビーム８および４のみがメサ構造の内部反射面に直接的に入射する。残りの光ビームは、主に、内部散乱および内部損失の一因となり、抽出効率を低下させ、またはメサによって案内されることなく表面を出て、平行化された放射ビームを広げる。８および４以外の光ビームは、典型的には、メサ１１０４ａの平面の頂部表面から反射され（光ビーム１および３）、メサによって反射されずに基板に伝搬するか（光ビーム５および７）、または、（広げるものの）平行化されたビームに直接的に（光ビーム６）または平面反射後に（光ビーム２）に同時に寄与する。
【００６９】
例示的なμＬＥＤでは、発光源から放射される光の５０％以上が、発光層の法線によって定義され得る放射方向に実質的に垂直である。他の例示的なμＬＥＤでは、発光源から放射される光の８０％以上が放射方向に対して実質的に垂直である。他の例示的なμＬＥＤでは、発光源から放射される光の９０％以上が放射方向に対して実質的に垂直である。
【００７０】
メサ構造のアスペクト比が減少するにつれて内部散乱の一因となる光ビームの割合が増加して、μＬＥＤ１１００の抽出効率に悪影響を与える場合がある。したがって、抽出効率を高めるために、光源の異方性によって寄生光ビーム１、３，５、および７を除去することが有利である。
【００７１】
図１０ｂに示される異方性発光源１１０６ｂは、発光源１１０６ｂの量子井戸の平面において大部分が発光する。生成された光のより大きな割合は、メサ構造１１０４ｂの内側反射面に入射し、生成された光のより小さな割合は、μＬＥＤの内部散乱および内部損失の一因となる。
【００７２】
異方性光源は、以下に示す例に限定されないいくつかの方法で作成することができる。
屈折率ガイド：エピタキシャル構造が、低屈折率材料内に埋め込まれた発光源１１０６ｂの量子井戸と、外側クラッド領域内のより高い屈折率とで変調される。これは、発生した光を量子井戸の平面に戻るように案内する（曲げる）効果を有する。したがって、量子井戸放射は、等方性であってもよいが、クラッディングの屈折率ガイドは、発光源１１０６ｂから放射された光を損失経路から離すように（例えば、μＬＥＤ１１０２の放射方向に対して垂直に）案内する。
【００７３】
ダイポール異方性：いくつかの半導体材料は、ダイポール効果が特定の面で明らかとなるように、電子状態とホール状態との空間的分離を示す。ＧａＮは、極性、半極性および非極性の平面を有する。この空間的分離は、伝搬の方向に関連する特定の偏光における再結合の確率に影響を与える。これは、ある平面では光子放射が増強され、他の平面では光子放射が抑制され、光子は関連する分極効果を示す。この効果は、発光源からμＬＥＤ１１０２の放射方向に垂直な方向に光が放射されるのを促進するために使用され得る。
【００７４】
例示的なμＬＥＤは、量子井戸の平面内の光の伝搬を促進するために、屈折率ガイド効果または結晶異方性効果を利用する。
例示的なμＬＥＤにおいて、発光源からの光の異方性放射は、発光源から主放射面までの範囲において反射領域または低い粗さの表面を必要とせずに、μＬＥＤから放射される光の抽出効率および／または平行性を増加し得る。
【００７５】
μＬＥＤによって生成され、かつμＬＥＤから周囲の媒体に抽出される光の平行性もまた、主放射面上の追加層の適用によって低減され得る。
主放射面に適用される追加層は、角度依存性を示す。すなわち、追加層は、光の入射角に基づいて追加層に入射する光を減衰、反射、または伝搬する。μＬＥＤに適用すると、この効果は、例えば、主放射面の法線に対してより大きな角度で追加層に入射する光を減衰させることによって平行性を改善することができる。反対に、適用される層の透過性は、既知の角度依存性に一致する平行化された光源への適用によって高められ得る。
【００７６】
主放射面上のμＬＥＤの処理は、これに限定されないが、波長帯域通過フィルタ、高域通過フィルタ、低域通過フィルタ、反射フィルタ、または反射防止フィルタのいくつかの代替機能を有する層の追加を含む。そのような追加層は、広い放射角の光源として動作する非平行化型デバイスにフィルタを適用した場合に典型的に損失機構として現れる入射角（ＡＯＩ：ａｎｇｌｅ  ｏｆ  ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）依存性を有することが知られている。これらのフィルタの主な機能はビームプロファイルに影響しないが、ＡＯＩ依存性は、副次的効果として、平行性を改善し、散乱光を抑制し、デバイスのアレイにおけるクロストークを低減することによってμＬＥＤの機能性を高めるビーム成形特性を有することを意味する。さらに、これらの層の性能は、μＬＥＤに適用された場合に、より大きな角度での関連する電力の損失が大幅に低減されるので、平行化されていない光源に対して向上され得る。
【００７７】
図１１は、２０°の放射半角を有するμＬＥＤへの追加層として適用された帯域通過フィルタと、ランバートプロファイル（ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を有する典型的な平面ＬＥＤとを介した透過性のプロットを示す。帯域通過フィルタは、３０°を超える角度で入射する光を大幅に減衰させる。このプロットは、フィルタを介したμＬＥＤの透過性と平面ＬＥＤの透過性との比率も示す。小さい入射角では、μＬＥＤは最大４倍の電力を供給し、半球全体ではμＬＥＤが平面デバイスの２倍の電力を供給することが分かる。
【００７８】
通過する光のＡＯＩ（入射角）に依存する帯域通過フィルタを用いた主放射面への追加層を取り扱うμＬＥＤデバイスにおいて、放射光の平行性の向上が見られる。平行化されていないＬＥＤデバイスの場合、これは出力を減衰させる効果がある。しかしながら、μＬＥＤデバイスでは、部分的に平行化されたビームにおいて主放射面の法線に対するより大きな角度が、より小さい角度を有するものよりも減衰されることが分かった。したがって、μＬＥＤから放射される光の平行性が増大する。この例では、フィルタの適用によって、平均の半値半幅（＝半角）が４４°から２６°に高められる。
【００７９】
マイクロＬＥＤへのフィルタの適用は、より効率的なシステムをもたらすので、フィルタを介した伝搬損失は、平面ＬＥＤを使用する場合よりも、μＬＥＤの方が少ない。
例示的なμＬＥＤでは、多層誘電体フィルタを使用することができる。フィルタは、１０ｎｍ〜３０ｎｍ（特定の例では２０ｎｍ）の通過帯域と、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視領域の範囲の公称透過波長を有する。他のプロプライエタリ・フィルタは、すべてが角度依存性を示す低帯域通過特性または広帯域通過特性を有して、遠紫外線波長から光学波長を介して赤外線波長に適用して、μＬＥＤの平行性を改善することができる。発光層の法線から１０°を超える角度の光は、減衰効果を受け、３０°を超える放射の大部分は伝搬されない。より一般的なタイプの追加層は、誘電体フィルムの複数の層から形成され、各層は、典型的にλ／４のオーダーの厚さを有する。
【００８０】
本明細書に開示される例示的なμＬＥＤは、研磨された主放射面の反射特性に関する発光源領域を設計することによって、改善された電力光変換効率（ｗａｌｌ  ｐｌｕｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を有することができる。その領域、すなわちＳａｒｅａによって画定される発光源は、切頭頂部を有するほぼ放物面状のメサ構造内に封入される。ほぼ放物面状のメサ構造は、活性層の周囲の実質的な部分に沿って角度α＝４５°（±２０°）で活性層と交差する側壁の接線を有するメサとして定義することができる。活性層は、発光層ＬＥＬとも呼称され、その領域ＬＥＬａｒｅａによって画定される。光源の占有率は、発光層領域上の光源領域：Ｓａｒｅａ／ＬＥＬａｒｅａによって定義される。円形メサの場合、光源の占有率を定義する別の方法は、Ｄ２＊Ｄ２／（Ｄ４＊Ｄ４）である。メサは、低アスペクト比（Ｈ２ｘＨ２／Ａｃ＜０．５）を有し得る。主放射面は研磨され得る（または、角度のあるビームの内部反射を可能にするように処理され得る）。電力光変換効率は、光源領域を拡大しつつ最適化される。
【００８１】
従来技術では、ほぼ放物面形状を有するμＬＥＤ構造が、小さい光源の占有率で良好な抽出効率を有することが一般に認められている。例えば、米国特許第７５１８１４９号明細書には、コンタクトが切頭頂部のメサの表面面積の１６％未満を占める場合に特に高い効率があることが開示されている。この開示は、光源の占有率が減少したとき、μＬＥＤデバイスからより多くの光が抽出されること、即ち、電力光変換効率がより高いことを示している。それにもかかわらず、光源の占有率が減少すると、コンタクトが減少し、電流密度が増加する。したがって、同じ入力電力（Ｉ×Ｖ）では、材料のＩ−Ｖ特性に応じて、より多くの電子を大きなコンタクトを通して注入すると、より多くの光子を生成することができる。
【００８２】
材料からの光子生成と光子抽出との間に妥協点がある。同じ入力電力では、大きな光源はより多くの光子を生成するが、これらの光子のうちのより小さな割合が材料から抽出される。本明細書で開示される例示的なμＬＥＤは、光源の占有率を拡大することによってμＬＥＤの電力光変換効率を最適化することが可能であることを示す。
【００８３】
図１２は、処理されたμＬＥＤ（ＮｉＡｕコンタクトを有するＧａＮ）の電力対電流特性を示している。
典型的なμＬＥＤでは、０．５ｍＷの入力電力に対して：１０％の光源の占有率に対して９０μＡを注入することができ、光源の占有率が３０％の場合には９８μＡを注入することができる。抽出効率は、大きな光源に関する平行性の損失により２つの設計間で変化し得る。特定のメサ構造をモデル化すると、抽出効率は、光源の占有率が１０％の場合の４８．２％から光源の占有率が３０％の場合の４５．９％まで変化する。図１３は、特定のメサの設計に対する様々な光源の占有率に応じたμＬＥＤの抽出効率（ＥＥ）を示す。他の設計（メサのアスペクト比、幾何学的係数、．．．）は、わずかに異なる結果をもたらし得る。
【００８４】
大きな光源（例えば３０％）の場合、光子発生量は９．２％増加し得、これは、抽出効率の低下による損失を考慮すると、ほぼ４％の電力光変換効率の全体的な増加を可能にする。
【００８５】
寄生ビームを反射するための粗さが小さい研磨された表面を有する低アスペクト比のメサ構造（例えば、０．５未満）は、高アスペクト比のメサ構造と比べた場合に、放射光の半角の改善を可能にする。光源の占有率を大きくすると、半角が大きくなる。したがって、同じ平行性の要求に対しては、図１４に示すように、拡大された光源の占有率を有する低アスペクト比のメサを使用することができる。同じ半角の要求（例えば１０度）に対しては、メサ構造は、高アスペクト比（例えば、０．５より大きい）及び小さな光源の占有率（例えば、１０％以下）、又は低アスペクト比（例えば、０．５未満）及び大きな光源の占有率（例えば、５０％を超える）を有するように設計することができる。
【００８６】
１００％までの拡大された光源の占有率は、実際のμＬＥＤの応用で利用でき、低アスペクト比のメサ構造と組み合わせた場合に許容可能なレベルの平行性を達成することができる。大きな光源の占有率を有する高アスペクト比の設計は、許容できない平行性を招く可能性がある。これにより、順方向電圧、製造可能性などの要因と平行性とのトレードオフが可能となる。
【００８７】
本明細書で開示される例示的なμＬＥＤは、電気光学システムの迷光および光路管理に関する利点を提供する。例示的なμＬＥＤは、バルク光学系を除去することによって、光学システムおよびパッケージングを単純化する。さらに、例示的なμＬＥＤは、バックグラウンドノイズを除去し、電力要件を低減し、および／または要素間のクロストークを低減することができる。
【００８８】
直視型ディスプレイ、狭視野角ディスプレイ、またはプライバシーディスプレイなどのディスプレイ用途に関して、表示コントラスト向上のための後方散乱の除去および／または画素間のクロストークを低減して画素のぼけを低減するという補完的な利点がある。また、ディスプレイバックライト用途では、例示的なμＬＥＤは、光ガイド用バックプレーンへの光結合を最適化し、外部損失を低減し、かつ／または異なる省電力バックライトアーキテクチャを可能にする。
【００８９】
上記の特徴のいずれかは、μＬＥＤに単独で、またはそれらの任意の組み合わせで、適用され得る。さらに、当業者は、添付の特許請求の範囲に従って本発明の他の実施形態を想定することができる。
【図１】
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【図２（ａ）】
0006612869.tif 000004
【図２（ｂ）】
0006612869.tif 000005
【図３】
0006612869.tif 000006
【図４（ａ）】
0006612869.tif 000007
【図４（ｂ）】
0006612869.tif 000008
【図５】
0006612869.tif 000009
【図６（ａ）】
0006612869.tif 000010
【図６（ｂ）】
0006612869.tif 000011
【図７（ａ）】
0006612869.tif 000012
【図７（ｂ）】
0006612869.tif 000013
【図８】
0006612869.tif 000014
【図９】
0006612869.tif 000015
【図１０（ａ）】
0006612869.tif 000016
【図１０（ｂ）】
0006612869.tif 000017
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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