JP2003017740A - 光取出率を改善するための発光デバイスにおける光学エレメントの形成 - Google Patents
光取出率を改善するための発光デバイスにおける光学エレメントの形成Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
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- G02B5/32—Holograms used as optical elements
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- H01L33/44—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the coatings, e.g. passivation layer or anti-reflective coating
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 光の取出率を改善するために半導体発光素子
の面に形成されたフレネルレンズ及びホログラフィック
ディフューザの一方又は両方を含む発光デバイス、この
ような発光デバイスを形成するための方法を提供する。 【解決手段】 半導体発光素子の面に形成された光学エ
レメントは、反射損失及び全反射による損失を低減し
て、光の取出効率を改善する。フレネルレンズ、ホログ
ラフィックディフューザは、化学的ウェットエッチング
又はドライエッチング技術をリソグラフィー技術と共に
用いて面上に形成できる。フレネルレンズ、ホログラフ
ィックディフューザの形成は、表面に削り加工等を行っ
てもできる。光学エレメントを形成する別の方法である
スタンピング工程を用いても、半導体発光素子の面にフ
レネルレンズやホログラフィックディフューザを形成で
きる。スタンピングは、所望の光学エレメントを逆にし
た形状及びパターンスタンピングブロックを発光ダイオ
ードの面に対してプレスする工程を含む。
の面に形成されたフレネルレンズ及びホログラフィック
ディフューザの一方又は両方を含む発光デバイス、この
ような発光デバイスを形成するための方法を提供する。 【解決手段】 半導体発光素子の面に形成された光学エ
レメントは、反射損失及び全反射による損失を低減し
て、光の取出効率を改善する。フレネルレンズ、ホログ
ラフィックディフューザは、化学的ウェットエッチング
又はドライエッチング技術をリソグラフィー技術と共に
用いて面上に形成できる。フレネルレンズ、ホログラフ
ィックディフューザの形成は、表面に削り加工等を行っ
てもできる。光学エレメントを形成する別の方法である
スタンピング工程を用いても、半導体発光素子の面にフ
レネルレンズやホログラフィックディフューザを形成で
きる。スタンピングは、所望の光学エレメントを逆にし
た形状及びパターンスタンピングブロックを発光ダイオ
ードの面に対してプレスする工程を含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光デバイス一般
に、より詳しくは、光取出率が改善された発光デバイス
に関する。
に、より詳しくは、光取出率が改善された発光デバイス
に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１は、従来からの半導体発光素子１０
０であり、基板２０、多層構造２６、最上層２４から構
成されている。半導体発光素子１００としては、例えば
発光ダイオード（ＬＥＤ）又は半導体レーザーが考えら
れる。ＬＥＤは、電気エネルギーの入力流を電磁放射の
出力流に変換するよう設計されたｐｎ接合デバイスであ
る。ＬＥＤは、電磁スペクトルの紫外領域、可視領域、
赤外領域の電磁放射を発することができる。可視ＬＥＤ
は通常、照明及びディスプレーに用いられ、また、電子
機器とそのユーザーとの間の情報リンクとしての応用も
ある。赤外ＬＥＤは、オプトアイソレータ及び光ファイ
バー通信において有用である。半導体レーザーは、ＬＥ
Ｄと同様の方法で作製される。
０であり、基板２０、多層構造２６、最上層２４から構
成されている。半導体発光素子１００としては、例えば
発光ダイオード（ＬＥＤ）又は半導体レーザーが考えら
れる。ＬＥＤは、電気エネルギーの入力流を電磁放射の
出力流に変換するよう設計されたｐｎ接合デバイスであ
る。ＬＥＤは、電磁スペクトルの紫外領域、可視領域、
赤外領域の電磁放射を発することができる。可視ＬＥＤ
は通常、照明及びディスプレーに用いられ、また、電子
機器とそのユーザーとの間の情報リンクとしての応用も
ある。赤外ＬＥＤは、オプトアイソレータ及び光ファイ
バー通信において有用である。半導体レーザーは、ＬＥ
Ｄと同様の方法で作製される。
【０００３】多層構造２６は、ここでは下部封止層（co
nfining layer）２１、上部封止層２３、光子が発せら
れる活性層２２を含んでいるが、この構造に限られるも
のではない。上部封止層２３は、最上層２４を含んでい
てもよい。半導体発光素子１００が分離した最上層２４
を有していない場合は、上部封止層２３が最上層とな
る。
nfining layer）２１、上部封止層２３、光子が発せら
れる活性層２２を含んでいるが、この構造に限られるも
のではない。上部封止層２３は、最上層２４を含んでい
てもよい。半導体発光素子１００が分離した最上層２４
を有していない場合は、上部封止層２３が最上層とな
る。
【０００４】多層構造２６の封止層２１，２３及び活性
層２２は、通常、III-V半導体、III-窒化物半導体、II-
VI半導体から形成される。最上層２４は、上部封止層２
３上にエピタキシャル成長させることができるが、これ
もまた普通はIII-V半導体、III-窒化物半導体、II-VI半
導体、あるいはこれらの化合物である。しかしながら、
最上層２４は、封止層２１又は封止層２３を形成する材
料とは異なる半導体化合物とすることもできる。最上層
２４は、活性層２２によって発せられた光に対して透明
となるよう、活性層２２よりも大きなバンドギャップを
有する材料とすることが望ましい。ここでは「透明」と
いう用語は、特定の半導体発光素子の放射波長におい
て、吸収又は散乱による単光路損失が約５０％より少な
い、より望ましくは約１０％より少ない状態で、光学エ
レメントが光を透過することを意味する。最上層２４
は、上部封止層２３にウェハ・ボンディングされた透明
なサブストレート（スーパーストレート）とすることが
できる。最上層２４はまた、その上にエピタキシャル層
を成長させたサブストレートとしてもよい。
層２２は、通常、III-V半導体、III-窒化物半導体、II-
VI半導体から形成される。最上層２４は、上部封止層２
３上にエピタキシャル成長させることができるが、これ
もまた普通はIII-V半導体、III-窒化物半導体、II-VI半
導体、あるいはこれらの化合物である。しかしながら、
最上層２４は、封止層２１又は封止層２３を形成する材
料とは異なる半導体化合物とすることもできる。最上層
２４は、活性層２２によって発せられた光に対して透明
となるよう、活性層２２よりも大きなバンドギャップを
有する材料とすることが望ましい。ここでは「透明」と
いう用語は、特定の半導体発光素子の放射波長におい
て、吸収又は散乱による単光路損失が約５０％より少な
い、より望ましくは約１０％より少ない状態で、光学エ
レメントが光を透過することを意味する。最上層２４
は、上部封止層２３にウェハ・ボンディングされた透明
なサブストレート（スーパーストレート）とすることが
できる。最上層２４はまた、その上にエピタキシャル層
を成長させたサブストレートとしてもよい。
【０００５】下部封止層２１及び上部封止層２３は、活
性層２２に、そしてコンタクト３１及びコンタクト３２
に電気的に接続されている。通常、一方の封止層にはド
ナーがドープされてｎ型の封止層とされ、他方の封止層
にはアクセプタがドープされてｐ型の封止層とされる。
したがって、コンタクト３１と３２との間に適当な電圧
を印加すると、ｎ型封止層からの電子とｐ型封止層から
のホールが活性層２２内で結合して、等方的に光を発す
る。ＬＥＤとしての半導体発光素子１００についてのよ
り詳細な説明については、Michael R. Kramesらに付与
された「AlGaInN-based LED Having Thick Epitaxial L
ayer for Improved Light Extraction」と題された米国
特許第６，１３３，５８９号、Fred A. Kish, Jr.らに
付与された、いずれも「Transparent Substrate Light
Emitting Diode with Directed Light Output」と題さ
れた米国特許第５，７９３，０６２号及び第６，０１
５，７１９号を参照することができる。これらすべての
特許を、参考としてここに援用する。
性層２２に、そしてコンタクト３１及びコンタクト３２
に電気的に接続されている。通常、一方の封止層にはド
ナーがドープされてｎ型の封止層とされ、他方の封止層
にはアクセプタがドープされてｐ型の封止層とされる。
したがって、コンタクト３１と３２との間に適当な電圧
を印加すると、ｎ型封止層からの電子とｐ型封止層から
のホールが活性層２２内で結合して、等方的に光を発す
る。ＬＥＤとしての半導体発光素子１００についてのよ
り詳細な説明については、Michael R. Kramesらに付与
された「AlGaInN-based LED Having Thick Epitaxial L
ayer for Improved Light Extraction」と題された米国
特許第６，１３３，５８９号、Fred A. Kish, Jr.らに
付与された、いずれも「Transparent Substrate Light
Emitting Diode with Directed Light Output」と題さ
れた米国特許第５，７９３，０６２号及び第６，０１
５，７１９号を参照することができる。これらすべての
特許を、参考としてここに援用する。
【０００６】半導体発光素子１００をＬＥＤ１００とす
ることができる。ＬＥＤについての問題は、光の取出効
率が低いことである。この光の取出効率が低い原因は、
ＬＥＤ１００から出ようとする光が、活性層２２によっ
て発せられた光エネルギーのうちのわずかのみ（例えば
透明基板を有するAlGaAsＬＥＤの場合、大体３０％程
度）だということである。光の取出効率が低い結果、消
費される電気的な入力のうちのわずかの部分だけが、外
部から観測できる光に寄与する。光の取出効率は、ＬＥ
Ｄにおいて生成される光子の数に対する、ＬＥＤから出
てくる光子の数の比として定義される。
ることができる。ＬＥＤについての問題は、光の取出効
率が低いことである。この光の取出効率が低い原因は、
ＬＥＤ１００から出ようとする光が、活性層２２によっ
て発せられた光エネルギーのうちのわずかのみ（例えば
透明基板を有するAlGaAsＬＥＤの場合、大体３０％程
度）だということである。光の取出効率が低い結果、消
費される電気的な入力のうちのわずかの部分だけが、外
部から観測できる光に寄与する。光の取出効率は、ＬＥ
Ｄにおいて生成される光子の数に対する、ＬＥＤから出
てくる光子の数の比として定義される。
【０００７】図１の経路３は、活性層２２の点光源２７
から放射される光子の方向を示している。経路３によっ
て示されるように、コンタクト３１，３２の吸収特性
が、低い光の取出率に寄与する。経路３に沿って進む光
子は、ＬＥＤ１００の内側面で反射されコンタクト３１
によって吸収される。コンタクト３１及び３２は、金、
ニッケル、アルミニウム、チタン、クロム、パラジウ
ム、そしてこれらの合金又は化合物などの金属から形成
することができる。
から放射される光子の方向を示している。経路３によっ
て示されるように、コンタクト３１，３２の吸収特性
が、低い光の取出率に寄与する。経路３に沿って進む光
子は、ＬＥＤ１００の内側面で反射されコンタクト３１
によって吸収される。コンタクト３１及び３２は、金、
ニッケル、アルミニウム、チタン、クロム、パラジウ
ム、そしてこれらの合金又は化合物などの金属から形成
することができる。
【０００８】低い光の取出効率を生じさせる損失の機構
には、半導体発光素子内における吸収、光が一つの材料
から屈折率の異なる別の材料へ入るときの反射損失、発
光デバイス内で吸収されることになる全反射が含まれ
る。しかしながら、全反射は、活性層２２によって発せ
られた光子が発光デバイス１００とその周囲の材料との
境界に臨界角（θｃ）よりも大きい角度で到達したとき
のみ、光子が半導体発光素子１００から出ることを妨げ
る。本実施例に関連する臨界角（図１にθｃで示す）
は、 θｃ＝ａｒｃｓｉｎｅ（ｎsurrounding／ｎLED） によって定義される。ここで、ｎsurrounding及びｎLED
はそれぞれ、発光デバイスの周囲の材料と発光デバイス
の屈折率を示している。ＬＥＤはしばしばエポキシ内に
封入されるが、その屈折率（ｎepoxy）は大体１．５程
度である。前述のIII-V半導体材料の一つで作られたＬ
ＥＤでは、その屈折率は約２．４から約４．１までの範
囲である。平均的な屈折率（ｎLED）を約３．５とする
と、θｃの典型的な値は約２５°である。したがって、
活性層２２内の点光源２７から発せられる光子のうち半
角が２５°の「取出円錐」内の任意の表面を通るもの
は、ＬＥＤから外部へ放射される。ＬＥＤ１００と取出
円錐の外側の材料との間の境界面に当たる光子は、全反
射を繰り返し受け、例えば半導体層（活性層２２を含
む）又はコンタクト３１及び３２によって吸収されるこ
とになる。すなわち、表面に垂直な軸に対して２５°よ
りも大きい角度で表面に当たる多くの光子は、最初の段
階でＬＥＤから外部へは放射されない。発せられた光子
のうちのより多くの部分が取り出される高い光の取出効
率を有するＬＥＤが必要とされている。
には、半導体発光素子内における吸収、光が一つの材料
から屈折率の異なる別の材料へ入るときの反射損失、発
光デバイス内で吸収されることになる全反射が含まれ
る。しかしながら、全反射は、活性層２２によって発せ
られた光子が発光デバイス１００とその周囲の材料との
境界に臨界角（θｃ）よりも大きい角度で到達したとき
のみ、光子が半導体発光素子１００から出ることを妨げ
る。本実施例に関連する臨界角（図１にθｃで示す）
は、 θｃ＝ａｒｃｓｉｎｅ（ｎsurrounding／ｎLED） によって定義される。ここで、ｎsurrounding及びｎLED
はそれぞれ、発光デバイスの周囲の材料と発光デバイス
の屈折率を示している。ＬＥＤはしばしばエポキシ内に
封入されるが、その屈折率（ｎepoxy）は大体１．５程
度である。前述のIII-V半導体材料の一つで作られたＬ
ＥＤでは、その屈折率は約２．４から約４．１までの範
囲である。平均的な屈折率（ｎLED）を約３．５とする
と、θｃの典型的な値は約２５°である。したがって、
活性層２２内の点光源２７から発せられる光子のうち半
角が２５°の「取出円錐」内の任意の表面を通るもの
は、ＬＥＤから外部へ放射される。ＬＥＤ１００と取出
円錐の外側の材料との間の境界面に当たる光子は、全反
射を繰り返し受け、例えば半導体層（活性層２２を含
む）又はコンタクト３１及び３２によって吸収されるこ
とになる。すなわち、表面に垂直な軸に対して２５°よ
りも大きい角度で表面に当たる多くの光子は、最初の段
階でＬＥＤから外部へは放射されない。発せられた光子
のうちのより多くの部分が取り出される高い光の取出効
率を有するＬＥＤが必要とされている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体発光素
子の光取出率を改善するとともに、所望の放射パターン
を得るために光を導き、フォーカスし、そして散乱させ
るのに用いられる。本発明には、例えばフレネルレン
ズ、ホログラフィックディフューザなどの一又は二以上
の光学エレメントに適合するようにされた半導体発光素
子、そして半導体発光素子の表面をスタンピング（stam
ping）して光学エレメントに形成する方法が含まれる。
半導体発光素子１００の一又は二以上の表面を、フレネ
ルレンズ又はホログラフィックディフューザに形成する
ことができる。フレネルレンズは、活性層２２から発せ
られたより多くの光子が垂直に近い入射角で半導体発光
素子１００の表面に当たるようにし、全反射による光の
損失を最小限に抑えることができるので、表面をフレネ
ルレンズにすることは望ましい。さらに、フレネルレン
ズに形成された半導体発光素子の表面は、半導体発光素
子を構成する材料とは異なる屈折率を有するレンズの材
料によって通常引き起こされる光の反射損失を低減す
る。フレネルレンズ及びホログラフィックディフューザ
の一方又は両方を、フォトリソグラフィー、電子ビーム
リソグラフィー、イオンビームリソグラフィー、Ｘ線リ
ソグラフィー、ホログラフィックリソグラフィーなどを
含む（ただし、これらに限定されるものではない）リソ
グラフィー技術に関連したエッチングによって形成する
ことができる。プラズマエッチング、反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）、及び化学的手段を援用したイオンビ
ームエッチング（ＣＡＩＢＥ）などの化学的ウェットエ
ッチング又はドライエッチング技術を用いることができ
る。あるいは、イオンビーム削り加工（ion beam milli
ng）又はフォーカスされたイオンビーム削り加工（ＦＩ
Ｂ）を用いてフレネルレンズを表面に刻印し、走査させ
た電子又はレーザービームを用いて表面にフレネルレン
ズをアブレーション加工し、または削り加工やスクライ
ビング加工を行って機械的に半導体発光素子１００の表
面にフレネルレンズを形成することもできる。
子の光取出率を改善するとともに、所望の放射パターン
を得るために光を導き、フォーカスし、そして散乱させ
るのに用いられる。本発明には、例えばフレネルレン
ズ、ホログラフィックディフューザなどの一又は二以上
の光学エレメントに適合するようにされた半導体発光素
子、そして半導体発光素子の表面をスタンピング（stam
ping）して光学エレメントに形成する方法が含まれる。
半導体発光素子１００の一又は二以上の表面を、フレネ
ルレンズ又はホログラフィックディフューザに形成する
ことができる。フレネルレンズは、活性層２２から発せ
られたより多くの光子が垂直に近い入射角で半導体発光
素子１００の表面に当たるようにし、全反射による光の
損失を最小限に抑えることができるので、表面をフレネ
ルレンズにすることは望ましい。さらに、フレネルレン
ズに形成された半導体発光素子の表面は、半導体発光素
子を構成する材料とは異なる屈折率を有するレンズの材
料によって通常引き起こされる光の反射損失を低減す
る。フレネルレンズ及びホログラフィックディフューザ
の一方又は両方を、フォトリソグラフィー、電子ビーム
リソグラフィー、イオンビームリソグラフィー、Ｘ線リ
ソグラフィー、ホログラフィックリソグラフィーなどを
含む（ただし、これらに限定されるものではない）リソ
グラフィー技術に関連したエッチングによって形成する
ことができる。プラズマエッチング、反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）、及び化学的手段を援用したイオンビ
ームエッチング（ＣＡＩＢＥ）などの化学的ウェットエ
ッチング又はドライエッチング技術を用いることができ
る。あるいは、イオンビーム削り加工（ion beam milli
ng）又はフォーカスされたイオンビーム削り加工（ＦＩ
Ｂ）を用いてフレネルレンズを表面に刻印し、走査させ
た電子又はレーザービームを用いて表面にフレネルレン
ズをアブレーション加工し、または削り加工やスクライ
ビング加工を行って機械的に半導体発光素子１００の表
面にフレネルレンズを形成することもできる。
【００１０】スタンピングは、発光デバイスの表面上に
光学エレメントを形成する別の方法である。スタンピン
グプロセスは、スタンピングを行うとする半導体材料の
延性遷移点（ductile transition point）よりも高い温
度で実行される。一つの実施例では、スタンピングは、
ウェハ・ボンディングプロセスと統合される。ウェハ・
ボンディングプロセスは通常６００℃近傍又はこれより
も高温で行われるので、ウェハ・ボンディングプロセス
を容易にウェハ・ボンディングプロセスと統合すること
ができ、これによって生産効率を向上させることができ
る。ウェハ・ボンディングプロセスでは、所望の品質の
エピタキシャル層を成長させるためのテンプレートとし
て用いられた最初の吸収性のサブストレートを除去する
こと、そして光の取出率を改善するためにこれを透明な
サブストレートと置き換えることを伴う。オプションと
して、透明なサブストレートを半導体発光素子１００の
第一の表面にボンディングする時点において、所望の光
学エレメントの形状又はパターンの逆の形状又はパター
ンを有するスタンピングブロックを、半導体発光素子１
００の第二の表面、透明サブストレートの表面、又はこ
れらの両方に対してプレスしてもよい。圧力を開放した
ときに、所望の光学エレメントに形作られた表面を有す
る発光デバイスが形成される。スタンピングに用いられ
るスタンピングブロックは、通常、光学エレメントの形
成時に適用されるプロセス温度よりも高い融点を有す
る。スタンピングブロックに適する材料としてモリブデ
ン合金、グラファイト、シリコンカーバイド、そしてサ
ファイアなどがあるが、これらに限定されるものではな
い。半導体発光素子の一又は二以上の表面上に、光学エ
レメントを形成することができる。スタンピングプロセ
スは独立したプロセスであるが、ウェハ・ボンディング
プロセスの前、後、あるいは同時に行うことも可能であ
る。あるいはまた、スタンピングプロセスを、後に半導
体発光素子１００に対してボンディングされる材料をス
タンピングするのに用いてもよい。
光学エレメントを形成する別の方法である。スタンピン
グプロセスは、スタンピングを行うとする半導体材料の
延性遷移点（ductile transition point）よりも高い温
度で実行される。一つの実施例では、スタンピングは、
ウェハ・ボンディングプロセスと統合される。ウェハ・
ボンディングプロセスは通常６００℃近傍又はこれより
も高温で行われるので、ウェハ・ボンディングプロセス
を容易にウェハ・ボンディングプロセスと統合すること
ができ、これによって生産効率を向上させることができ
る。ウェハ・ボンディングプロセスでは、所望の品質の
エピタキシャル層を成長させるためのテンプレートとし
て用いられた最初の吸収性のサブストレートを除去する
こと、そして光の取出率を改善するためにこれを透明な
サブストレートと置き換えることを伴う。オプションと
して、透明なサブストレートを半導体発光素子１００の
第一の表面にボンディングする時点において、所望の光
学エレメントの形状又はパターンの逆の形状又はパター
ンを有するスタンピングブロックを、半導体発光素子１
００の第二の表面、透明サブストレートの表面、又はこ
れらの両方に対してプレスしてもよい。圧力を開放した
ときに、所望の光学エレメントに形作られた表面を有す
る発光デバイスが形成される。スタンピングに用いられ
るスタンピングブロックは、通常、光学エレメントの形
成時に適用されるプロセス温度よりも高い融点を有す
る。スタンピングブロックに適する材料としてモリブデ
ン合金、グラファイト、シリコンカーバイド、そしてサ
ファイアなどがあるが、これらに限定されるものではな
い。半導体発光素子の一又は二以上の表面上に、光学エ
レメントを形成することができる。スタンピングプロセ
スは独立したプロセスであるが、ウェハ・ボンディング
プロセスの前、後、あるいは同時に行うことも可能であ
る。あるいはまた、スタンピングプロセスを、後に半導
体発光素子１００に対してボンディングされる材料をス
タンピングするのに用いてもよい。
【００１１】本発明は、容易に、別の応用に合うよう適
合させることができる。例えば、照明用に光をコリメー
トするように光学エレメントを作ったり、あるいは光フ
ァイバーに光をフォーカスするように作ることもでき
る。さらに、ＬＥＤの任意の表面を一又は二以上の光学
エレメントに形作ったり、二以上の表面を一又は二以上
のフレネルレンズに形作ったりもできる。コリメートさ
れた光又はフォーカスされた光を所望の方向に導くため
に、反射コーティングを用いることもできる。半導体発
光素子１００上に多数の光学エレメントを形成すること
によって作られるダイオードアレーを、高出力の応用目
的に用いることもできる。
合させることができる。例えば、照明用に光をコリメー
トするように光学エレメントを作ったり、あるいは光フ
ァイバーに光をフォーカスするように作ることもでき
る。さらに、ＬＥＤの任意の表面を一又は二以上の光学
エレメントに形作ったり、二以上の表面を一又は二以上
のフレネルレンズに形作ったりもできる。コリメートさ
れた光又はフォーカスされた光を所望の方向に導くため
に、反射コーティングを用いることもできる。半導体発
光素子１００上に多数の光学エレメントを形成すること
によって作られるダイオードアレーを、高出力の応用目
的に用いることもできる。
【００１２】光学エレメントの予め決められた部分に向
かって放射される光子の割合を増大させることによっ
て、本発明の有用性はさらに高まる。例えば、フレネル
レンズが存在してもその縁部に到達する光子は有益性が
小さいので、放射されたより多くの割合の光子がフレネ
ルレンズの中心に向かって放射されるような制限放射ス
ポット（confined-emission spot）ＬＥＤを作ることが
できる。光子の放射を活性層の選択した領域へ閉じ込め
る方法には、イオンの注入又は拡散、酸化物不活性化
（oxide passivation）、選択領域成長（selective are
a growth）、選択領域ボンディング（selective area b
onding）が含まれる。あるいは、半導体発光素子１００
又は活性層２２の外側の縁部を、エッチングで取り除い
てもよい。外側の縁部をエッチングで取り除くことによ
って、傾斜した側面を有する発光デバイスを作ることが
できる。
かって放射される光子の割合を増大させることによっ
て、本発明の有用性はさらに高まる。例えば、フレネル
レンズが存在してもその縁部に到達する光子は有益性が
小さいので、放射されたより多くの割合の光子がフレネ
ルレンズの中心に向かって放射されるような制限放射ス
ポット（confined-emission spot）ＬＥＤを作ることが
できる。光子の放射を活性層の選択した領域へ閉じ込め
る方法には、イオンの注入又は拡散、酸化物不活性化
（oxide passivation）、選択領域成長（selective are
a growth）、選択領域ボンディング（selective area b
onding）が含まれる。あるいは、半導体発光素子１００
又は活性層２２の外側の縁部を、エッチングで取り除い
てもよい。外側の縁部をエッチングで取り除くことによ
って、傾斜した側面を有する発光デバイスを作ることが
できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本明細書で参照する図面は、縮尺
通りには描かれていない。
通りには描かれていない。
【００１４】本明細書において「取出面」とは、光出力
面となるよう意図した発光デバイスの面を指す。発光デ
バイスは、二以上の取出面を備えることもできる。図示
を簡単にするために、図では取出面を一番上の面として
いる。発光デバイスはＬＥＤとすることができる。ここ
で説明するＬＥＤの光を生成する部分は、ＬＥＤの通常
の活性層である。ここで用いている「発光デバイス」
は、少なくとも一つの半導体発光素子１００を有するデ
バイスを含んでいる。本発明は、発光デバイスの表面を
スタンピングして光学素子にすることと、発光デバイス
の表面にスタンピングを含む任意の方法を用いてフレネ
ルレンズ又はホログラフィックディフューザを形成する
ことの両方を含んでいる。本発明はまた発光デバイスの
表面上に形成されたホログラフィックディフューザを含
んでいるが、この例及び説明では、分かり易い例示とす
るために、主としてフレネルレンズを参照する。同じく
分かり易い例示のために、半導体発光素子１００を発光
ダイオード１００として説明する。異なる図で同じ符号
を有する要素は、同じものである。
面となるよう意図した発光デバイスの面を指す。発光デ
バイスは、二以上の取出面を備えることもできる。図示
を簡単にするために、図では取出面を一番上の面として
いる。発光デバイスはＬＥＤとすることができる。ここ
で説明するＬＥＤの光を生成する部分は、ＬＥＤの通常
の活性層である。ここで用いている「発光デバイス」
は、少なくとも一つの半導体発光素子１００を有するデ
バイスを含んでいる。本発明は、発光デバイスの表面を
スタンピングして光学素子にすることと、発光デバイス
の表面にスタンピングを含む任意の方法を用いてフレネ
ルレンズ又はホログラフィックディフューザを形成する
ことの両方を含んでいる。本発明はまた発光デバイスの
表面上に形成されたホログラフィックディフューザを含
んでいるが、この例及び説明では、分かり易い例示とす
るために、主としてフレネルレンズを参照する。同じく
分かり易い例示のために、半導体発光素子１００を発光
ダイオード１００として説明する。異なる図で同じ符号
を有する要素は、同じものである。
【００１５】図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４
Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂに示したように、フレネル
レンズ２８は、収束レンズの単一の曲面とは対照的に、
表面上に一連の同心のグルーブが形成されて構成されて
いる。グルーブ１は、屈折面として作用する湾曲した、
あるいは角度をつけた面を有している。グルーブ１は、
図２Ａ及び図３Ａに示すように、一定間隔とすることが
できる。図２Ｂ及び３Ｂに示すように、フレネルレンズ
２８のグルーブが一定間隔のときは、フレネルレンズ２
８を希望の焦点距離とするようにグルーブの高さを変え
ることができる。グルーブの形状は、例えば光線を集束
させるために図２Ｂのように、または光線を発散させる
ために図３Ｂに示すように変えることができる。あるい
は、フレネルレンズ２８のグルーブが図４Ｂ、図５Ｂに
示すように同じ高さのときは、グルーブ１間の間隔を調
整して、希望の焦点距離のフレネルレンズ２８とするこ
とができる。図４Ａ及び図５Ａに示すフレネルレンズ２
８は、レンズの縁に近づくにつれてグルーブの間隔が狭
くなる。図４Ｂ及び図５Ｂは、光を希望する通りに導く
ためにグルーブ１の形状を調整できることを示してい
る。図４Ｂのフレネルレンズは光線を集束させ、図５Ｂ
のフレネルレンズは光線を発散させる。フレネルレンズ
２８のグルーブ１は、レンズ中心の周囲に同心的に配置
することは必要ではない。例えば図６には、同心でない
グルーブ１を有するフレネルレンズ２８が示してある。
フレネルレンズは、非球面に基づくものとすることも、
球面に基づくものとすることもできる。さらに、フレネ
ルレンズが形成される表面は平面である必要もない。フ
レネルレンズを任意の形状のＬＥＤ上、例えば長方形の
ＬＥＤ上、楕円形のＬＥＤ上、ピラミッド型のＬＥＤ
上、そして円柱形のＬＥＤ上に形成することもできる。
フレネルレンズ２８を半導体発光デバイス上に形成する
ときは、オプションとして、図２Ｂ、図３Ｂのフレネル
レンズ２８の縁の近傍の高いグルーブ、および図４Ｂ、
図５Ｂのフレネルレンズ２８の縁の近傍の間隔の狭いグ
ルーブを省くことができる。
Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂに示したように、フレネル
レンズ２８は、収束レンズの単一の曲面とは対照的に、
表面上に一連の同心のグルーブが形成されて構成されて
いる。グルーブ１は、屈折面として作用する湾曲した、
あるいは角度をつけた面を有している。グルーブ１は、
図２Ａ及び図３Ａに示すように、一定間隔とすることが
できる。図２Ｂ及び３Ｂに示すように、フレネルレンズ
２８のグルーブが一定間隔のときは、フレネルレンズ２
８を希望の焦点距離とするようにグルーブの高さを変え
ることができる。グルーブの形状は、例えば光線を集束
させるために図２Ｂのように、または光線を発散させる
ために図３Ｂに示すように変えることができる。あるい
は、フレネルレンズ２８のグルーブが図４Ｂ、図５Ｂに
示すように同じ高さのときは、グルーブ１間の間隔を調
整して、希望の焦点距離のフレネルレンズ２８とするこ
とができる。図４Ａ及び図５Ａに示すフレネルレンズ２
８は、レンズの縁に近づくにつれてグルーブの間隔が狭
くなる。図４Ｂ及び図５Ｂは、光を希望する通りに導く
ためにグルーブ１の形状を調整できることを示してい
る。図４Ｂのフレネルレンズは光線を集束させ、図５Ｂ
のフレネルレンズは光線を発散させる。フレネルレンズ
２８のグルーブ１は、レンズ中心の周囲に同心的に配置
することは必要ではない。例えば図６には、同心でない
グルーブ１を有するフレネルレンズ２８が示してある。
フレネルレンズは、非球面に基づくものとすることも、
球面に基づくものとすることもできる。さらに、フレネ
ルレンズが形成される表面は平面である必要もない。フ
レネルレンズを任意の形状のＬＥＤ上、例えば長方形の
ＬＥＤ上、楕円形のＬＥＤ上、ピラミッド型のＬＥＤ
上、そして円柱形のＬＥＤ上に形成することもできる。
フレネルレンズ２８を半導体発光デバイス上に形成する
ときは、オプションとして、図２Ｂ、図３Ｂのフレネル
レンズ２８の縁の近傍の高いグルーブ、および図４Ｂ、
図５Ｂのフレネルレンズ２８の縁の近傍の間隔の狭いグ
ルーブを省くことができる。
【００１６】図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂは、通常
の収束又は発散レンズ２の厚さを、フレネルレンズ２８
と比較している。図示のように、フレネルレンズ２８
は、ほぼ同じ焦点距離を有する通常のレンズ２よりも薄
くなっている。レンズ材料（すわち半導体材料）は本来
的にいくぶんかの光を吸収するので、ＬＥＤへの応用目
的では、厚い普通のレンズよりも薄いフレネルレンズ２
８は好ましい。
の収束又は発散レンズ２の厚さを、フレネルレンズ２８
と比較している。図示のように、フレネルレンズ２８
は、ほぼ同じ焦点距離を有する通常のレンズ２よりも薄
くなっている。レンズ材料（すわち半導体材料）は本来
的にいくぶんかの光を吸収するので、ＬＥＤへの応用目
的では、厚い普通のレンズよりも薄いフレネルレンズ２
８は好ましい。
【００１７】図７Ａは、フレネルレンズ２８として示し
た、表面上に形成された光学エレメント２８を有する発
光デバイスを例示している。半導体発光素子１００の取
出面に形成されたフレネルレンズ２８は半導体発光素子
１００からの光の取り出しを助けるが、これは、取出面
が平坦でなくグルーブ１を有している場合には、放射さ
れたより多くの光子が垂直に近い入射角で取出面に当た
るからである。垂直に近い入射角で表面に当たる光子は
全反射を受けず、したがってより取り出しやすくなる。
反射材４０で底面をコーティングすると、底面における
反射損失又は吸収損失による光の損失を軽減するのを助
ける。経路５に沿って進む光子も、減衰及び最終的な吸
収を受ける。後述のように、経路５に沿って進む光子を
取り出すために、底面に設けたフレネルレンズを用いる
こともできる。
た、表面上に形成された光学エレメント２８を有する発
光デバイスを例示している。半導体発光素子１００の取
出面に形成されたフレネルレンズ２８は半導体発光素子
１００からの光の取り出しを助けるが、これは、取出面
が平坦でなくグルーブ１を有している場合には、放射さ
れたより多くの光子が垂直に近い入射角で取出面に当た
るからである。垂直に近い入射角で表面に当たる光子は
全反射を受けず、したがってより取り出しやすくなる。
反射材４０で底面をコーティングすると、底面における
反射損失又は吸収損失による光の損失を軽減するのを助
ける。経路５に沿って進む光子も、減衰及び最終的な吸
収を受ける。後述のように、経路５に沿って進む光子を
取り出すために、底面に設けたフレネルレンズを用いる
こともできる。
【００１８】図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃは、フレネルレン
ズ２８の高さ、グルーブの間隔、焦点距離と同様に、距
離δによって、どのように発光デバイスの放射パターン
を操作するかを例示している。距離δは、活性層２２と
フレネルレンズ２８の距離を示している。距離δ、フレ
ネルレンズ２８の水平位置、そしてフレネルレンズ２８
の焦点距離は、発光デバイスの発光パターンに影響す
る。光源を実質的に収束レンズの焦点距離近くに置いた
ときは、図７Ａに示すように、出て行く光線は実質的に
並行になる。距離δを変えることによって、光線を実質
的に図７Ｂに示すように収束させたり、図７Ｃに示すよ
うに発散させることができる。図７Ｂに示すような光を
収束させるような実施例は、光ファイバーへの応用に用
いることができる。
ズ２８の高さ、グルーブの間隔、焦点距離と同様に、距
離δによって、どのように発光デバイスの放射パターン
を操作するかを例示している。距離δは、活性層２２と
フレネルレンズ２８の距離を示している。距離δ、フレ
ネルレンズ２８の水平位置、そしてフレネルレンズ２８
の焦点距離は、発光デバイスの発光パターンに影響す
る。光源を実質的に収束レンズの焦点距離近くに置いた
ときは、図７Ａに示すように、出て行く光線は実質的に
並行になる。距離δを変えることによって、光線を実質
的に図７Ｂに示すように収束させたり、図７Ｃに示すよ
うに発散させることができる。図７Ｂに示すような光を
収束させるような実施例は、光ファイバーへの応用に用
いることができる。
【００１９】フレネルレンズ又はホログラフィックディ
フューザを表面に形成する方法は数多くある。「彫刻
法」は、まず、例えば多層構造２６上に最上層２４を形
成し、そしてプラズマエッチング、反応性イオンエッチ
ング、化学的手段を援用したイオンビームエッチング
（ＣＡＩＢＥ）などの化学的ウェットエッチング又はド
ライエッチング技術によって、最上層２４に希望のパタ
ーンを形作ることが必要となる。オプションとして、エ
ッチング技術については、リソグラフィー技術を用いる
こともできる。リソグラフィー技術には、フォトリソグ
ラフィー、電子ビームリソグラフィー、イオンビームリ
ソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、ホログラフィック
リソグラフィーが含まれる（ただし、これらに限定され
るものではない）。さらに、イオンビーム削り加工又は
フォーカスされたイオンビーム削り加工を用いて表面に
刻印し、走査させた電子又はレーザービームを用いて表
面をアブレーション加工し、放電加工（ＥＤＭ）によっ
て表面に加工し、または削り加工やスクライビング加工
を行って、機械的に半導体発光素子１００の表面に、希
望の光学エレメントを形成することができる。
フューザを表面に形成する方法は数多くある。「彫刻
法」は、まず、例えば多層構造２６上に最上層２４を形
成し、そしてプラズマエッチング、反応性イオンエッチ
ング、化学的手段を援用したイオンビームエッチング
（ＣＡＩＢＥ）などの化学的ウェットエッチング又はド
ライエッチング技術によって、最上層２４に希望のパタ
ーンを形作ることが必要となる。オプションとして、エ
ッチング技術については、リソグラフィー技術を用いる
こともできる。リソグラフィー技術には、フォトリソグ
ラフィー、電子ビームリソグラフィー、イオンビームリ
ソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、ホログラフィック
リソグラフィーが含まれる（ただし、これらに限定され
るものではない）。さらに、イオンビーム削り加工又は
フォーカスされたイオンビーム削り加工を用いて表面に
刻印し、走査させた電子又はレーザービームを用いて表
面をアブレーション加工し、放電加工（ＥＤＭ）によっ
て表面に加工し、または削り加工やスクライビング加工
を行って、機械的に半導体発光素子１００の表面に、希
望の光学エレメントを形成することができる。
【００２０】フレネルレンズ又はホログラフィックディ
フューザを、ボンディング法を用いて形成することもで
きる。ボンディング法には、多層構造２６に、通常ボン
ディング材料を用いて光学エレメントをボンディングす
る必要がある。ボンディング材料は、スピニング、スパ
ッタリング、蒸着、化学気相成長、金属・有機化学気相
成長、気相エピタキシャル、液相エピタキシャル、分子
ビームエピタキシャルなどの一般的な堆積技術を用いて
堆積させることができる。図７Ａに示した実施例ではボ
ンディング材料を示していないが、ボンディング材料
は、光学エレメント２８と上部導電層２３の間の境界２
５ａにある。しかし、発光デバイスが最上層２４を含ん
でいる場合には、ボンディング材料は、光学エレメント
２８と最上層２４の間にあってもよい。
フューザを、ボンディング法を用いて形成することもで
きる。ボンディング法には、多層構造２６に、通常ボン
ディング材料を用いて光学エレメントをボンディングす
る必要がある。ボンディング材料は、スピニング、スパ
ッタリング、蒸着、化学気相成長、金属・有機化学気相
成長、気相エピタキシャル、液相エピタキシャル、分子
ビームエピタキシャルなどの一般的な堆積技術を用いて
堆積させることができる。図７Ａに示した実施例ではボ
ンディング材料を示していないが、ボンディング材料
は、光学エレメント２８と上部導電層２３の間の境界２
５ａにある。しかし、発光デバイスが最上層２４を含ん
でいる場合には、ボンディング材料は、光学エレメント
２８と最上層２４の間にあってもよい。
【００２１】ボンディング法を用いるときは、境界２５
ａ又は２５ｂにおける反射光損失を最小限に抑えるため
に、ボンディング材料がｎLED又はｎlens（ｎLEDとｎ
lensが異なる場合）に非常に近い屈折率（ｎbonding）
を有することが望ましい（図７Ａ）。デバイスが温度変
化を受けたときのひずみを最小限に抑えるために、半導
体発光素子とフレネルレンズ２８の両方と同等の熱膨張
係数を持つボンディング材料とすることができる。さら
に、ボンディング材料を、活性層２２によって発せられ
る光の波長に対して透明にすることもできる。例えば、
レンズとボンディング材料を、以下に列挙するもののう
ちの一つとすることができる（ただしこれらに限定され
るものではない）：屈折率の大きい光学ガラス、ＧａＰ
（６００ｎｍで、ｎ〜３．３）ＩｎＧａＰ（６００ｎｍ
で、ｎ〜３．７）、ＧａＡｓ（５００ｎｍで、ｎ〜３．
４）、ＧａＮ（５００ｎｍで、ｎ〜２．４）などのIII-
V半導体、ＺｎＳ（５００ｎｍで、ｎ〜２．４）、Ｚｎ
Ｓｅ（５００ｎｍで、ｎ〜２．６）、ＣｄＳ（５００ｎ
ｍで、ｎ〜２．６）、ＣｄＴｅ（５００ｎｍで、ｎ〜
２．７）、ＺｎＴｅ（５００ｎｍで、ｎ〜３．１）など
のII-VI半導体、IV族の半導体、そしてＳｉ（５００ｎ
ｍで、ｎ〜３．５）及びＧｅ（５００ｎｍで、ｎ〜４．
１）などの化合物、屈折率の大きい有機半導体、屈折率
の大きい有機化合物、そしてこれらの混合物又は合金。
ｎbondingがｎLED及びｎlensと異なる場合には、半導体
発光素子とボンディング材料の境界、そしてボンディン
グ材料とフレネルレンズ２８の境界の両方において反射
光損失が生じる。
ａ又は２５ｂにおける反射光損失を最小限に抑えるため
に、ボンディング材料がｎLED又はｎlens（ｎLEDとｎ
lensが異なる場合）に非常に近い屈折率（ｎbonding）
を有することが望ましい（図７Ａ）。デバイスが温度変
化を受けたときのひずみを最小限に抑えるために、半導
体発光素子とフレネルレンズ２８の両方と同等の熱膨張
係数を持つボンディング材料とすることができる。さら
に、ボンディング材料を、活性層２２によって発せられ
る光の波長に対して透明にすることもできる。例えば、
レンズとボンディング材料を、以下に列挙するもののう
ちの一つとすることができる（ただしこれらに限定され
るものではない）：屈折率の大きい光学ガラス、ＧａＰ
（６００ｎｍで、ｎ〜３．３）ＩｎＧａＰ（６００ｎｍ
で、ｎ〜３．７）、ＧａＡｓ（５００ｎｍで、ｎ〜３．
４）、ＧａＮ（５００ｎｍで、ｎ〜２．４）などのIII-
V半導体、ＺｎＳ（５００ｎｍで、ｎ〜２．４）、Ｚｎ
Ｓｅ（５００ｎｍで、ｎ〜２．６）、ＣｄＳ（５００ｎ
ｍで、ｎ〜２．６）、ＣｄＴｅ（５００ｎｍで、ｎ〜
２．７）、ＺｎＴｅ（５００ｎｍで、ｎ〜３．１）など
のII-VI半導体、IV族の半導体、そしてＳｉ（５００ｎ
ｍで、ｎ〜３．５）及びＧｅ（５００ｎｍで、ｎ〜４．
１）などの化合物、屈折率の大きい有機半導体、屈折率
の大きい有機化合物、そしてこれらの混合物又は合金。
ｎbondingがｎLED及びｎlensと異なる場合には、半導体
発光素子とボンディング材料の境界、そしてボンディン
グ材料とフレネルレンズ２８の境界の両方において反射
光損失が生じる。
【００２２】レンズ材料は、ボンディング材料なしで、
高温環境でレンズと多層構造とをプレスすることで接着
されるものを選択するのがよい。ボンディング材料を使
わなければ、ボンディング材料の屈折率がｎLEDと異な
ることによって増える光の損失を低減させることができ
る。接着については、「LED with Improved Light Extr
action Efficiency」と題された米国特許出願第０９／
６６０，３１７号においてさらに詳しく説明されてお
り、その内容は、参考としてここに援用する。
高温環境でレンズと多層構造とをプレスすることで接着
されるものを選択するのがよい。ボンディング材料を使
わなければ、ボンディング材料の屈折率がｎLEDと異な
ることによって増える光の損失を低減させることができ
る。接着については、「LED with Improved Light Extr
action Efficiency」と題された米国特許出願第０９／
６６０，３１７号においてさらに詳しく説明されてお
り、その内容は、参考としてここに援用する。
【００２３】本発明に用いることができるさらに別の方
法は、スタンピング法である。図８Ａは、半導体発光素
子１００を含む発光デバイスと、光学エレメント２８が
形成された表面を示している。図８Ｂは、図８Ａの光学
エレメント２８として用いることのできるホログラフィ
ックディフューザの概略図を示す。ホログラフィックデ
ィフューザの表面には、ランダムで非周期的な多数の小
型レンズ（microlenslet）が含まれている。ホログラフ
ィックディフューザは光を発散させ、ノイズ及び色回折
（color diffraction）を取り除く。図８Ｂはホログラ
フィックディフューザとして光学エレメント２８を示し
ているが、光学エレメント２８は、通常のレンズ、フレ
ネルレンズ、あるいは反射部なと、他の任意の光学エレ
メントであってもよい。
法は、スタンピング法である。図８Ａは、半導体発光素
子１００を含む発光デバイスと、光学エレメント２８が
形成された表面を示している。図８Ｂは、図８Ａの光学
エレメント２８として用いることのできるホログラフィ
ックディフューザの概略図を示す。ホログラフィックデ
ィフューザの表面には、ランダムで非周期的な多数の小
型レンズ（microlenslet）が含まれている。ホログラフ
ィックディフューザは光を発散させ、ノイズ及び色回折
（color diffraction）を取り除く。図８Ｂはホログラ
フィックディフューザとして光学エレメント２８を示し
ているが、光学エレメント２８は、通常のレンズ、フレ
ネルレンズ、あるいは反射部なと、他の任意の光学エレ
メントであってもよい。
【００２４】図９に例示した典型的なプロセスでは、光
学エレメント２８のパターンとは逆のパターンを有する
スタンピングブロック７０によって、最上層２４がスタ
ンピングされる。図９は、光学エレメント２８としてフ
レネルレンズ２８を示している。このスタンピング法
は、半導体発光素子１００の任意の表面に光学レンズ２
８を形成するのに用いることができる。図９は、スタン
ピングと同時に実行されるウェハーボンディングプロセ
スを示しているが、スタンピングはウェハーボンディン
グの前又は後、あるいは完全に別な独立したプロセスと
して実行することも可能であることが理解されるだろ
う。例えば、ウェハーボンディングされていない半導体
発光素子１００上に、光学エレメントをスタンピングし
てもよい。あるいはまた、最初に材料の上で光学エレメ
ントをスタンピングし、後に材料を半導体発光素子１０
０に接着することもできる。
学エレメント２８のパターンとは逆のパターンを有する
スタンピングブロック７０によって、最上層２４がスタ
ンピングされる。図９は、光学エレメント２８としてフ
レネルレンズ２８を示している。このスタンピング法
は、半導体発光素子１００の任意の表面に光学レンズ２
８を形成するのに用いることができる。図９は、スタン
ピングと同時に実行されるウェハーボンディングプロセ
スを示しているが、スタンピングはウェハーボンディン
グの前又は後、あるいは完全に別な独立したプロセスと
して実行することも可能であることが理解されるだろ
う。例えば、ウェハーボンディングされていない半導体
発光素子１００上に、光学エレメントをスタンピングし
てもよい。あるいはまた、最初に材料の上で光学エレメ
ントをスタンピングし、後に材料を半導体発光素子１０
０に接着することもできる。
【００２５】スタンピング法では、フレネルレンズ２８
が形成されるのがＬＥＤの最上層２４であることから、
フレネルレンズ２８の屈折率とＬＥＤの最上層２４の屈
折率が同じくなる蓋然性は高い。スタンピングプロセス
では、半導体発光素子１００を少なくとも最上層２４の
延性遷移点（ductile transition point）まで加熱し、
そしてスタンピングブロック７０をプレスする。必要で
あれば、スタンピングを容易にするために、１００ｐｓ
ｉ又はそれ以上の圧力を加えてもよい（正確な圧力は、
使用する材料及びプロセス温度に依存する）。半導体発
光素子１００の最上層２４にスタンピングしたあとは、
スタンピングブロック７０を得られた発光デバイスから
離し易くするために、圧力を開放し温度を下げることが
できる。半導体発光素子１００上に正確なフレネルレン
ズのパターンをスタンピングするためには、スタンピン
グブロックの材料は、加えられる温度及び圧力に耐えら
れるものでなければならない。このため、スタンピング
ブロックの材料は、表面にスタンピングがなされる材料
（例えば半導体材料）の延性遷移点よりも高い延性遷移
点を有していることが適当である。スタンピングブロッ
クとして適当な材料の例には、ＴＺＭ（モリブデン、チ
タン、ジルコン、そしてカーボンの化合物）などのモリ
ブデン合金、グラファイト、シリコンカーバイド、そし
てサファイア、ステンレススチール、Hastalloy（商
標）、Kovar（商標）、Nichrome（商標）、タングステ
ン及びタングステン合金、タンタル、ニオブ、チタン合
金などが含まれる。
が形成されるのがＬＥＤの最上層２４であることから、
フレネルレンズ２８の屈折率とＬＥＤの最上層２４の屈
折率が同じくなる蓋然性は高い。スタンピングプロセス
では、半導体発光素子１００を少なくとも最上層２４の
延性遷移点（ductile transition point）まで加熱し、
そしてスタンピングブロック７０をプレスする。必要で
あれば、スタンピングを容易にするために、１００ｐｓ
ｉ又はそれ以上の圧力を加えてもよい（正確な圧力は、
使用する材料及びプロセス温度に依存する）。半導体発
光素子１００の最上層２４にスタンピングしたあとは、
スタンピングブロック７０を得られた発光デバイスから
離し易くするために、圧力を開放し温度を下げることが
できる。半導体発光素子１００上に正確なフレネルレン
ズのパターンをスタンピングするためには、スタンピン
グブロックの材料は、加えられる温度及び圧力に耐えら
れるものでなければならない。このため、スタンピング
ブロックの材料は、表面にスタンピングがなされる材料
（例えば半導体材料）の延性遷移点よりも高い延性遷移
点を有していることが適当である。スタンピングブロッ
クとして適当な材料の例には、ＴＺＭ（モリブデン、チ
タン、ジルコン、そしてカーボンの化合物）などのモリ
ブデン合金、グラファイト、シリコンカーバイド、そし
てサファイア、ステンレススチール、Hastalloy（商
標）、Kovar（商標）、Nichrome（商標）、タングステ
ン及びタングステン合金、タンタル、ニオブ、チタン合
金などが含まれる。
【００２６】製造プロセスにおいて通常は別個のステッ
プであるボンディングプロセスと異なり、スタンピング
は、ウェハーボンディングと同時に実行することも（図
９参照）、あるいはウェハーボンディングプロセスとは
別にその前又は後に行うことも可能である。ウェハーボ
ンディングプロセスの目的は、まず通常は光を吸収する
第一のサブストレート２０．１を取り除き、そしてこれ
を、より多くの光が外部へ到達できる新しいサブストレ
ート２０．２と置き換えることによって、光の取出率を
改善することである。第一のサブストレート２０．１
は、所望の機械的特性を持った半導体発光層を製造する
のに適合する材料である。例えば、高品質のエピタキシ
ャル成長を達成し、確実な格子整合を得るために、標準
的な吸収性のサブストレート材料を利用することができ
る。これらの吸収性の成長サブストレートは通常、半導
体発光素子の放射エネルギーより小さいか又は同等のバ
ンドギャップを有している。多層構造２６を成長させた
後、第一のサブストレート２０．１を取り除く。第一の
サブストレート２０．１は、化学エッチング及びラップ
仕上げ／研磨を含む方法（たたし、これらには限定され
ない）によって取り除くことができる。
プであるボンディングプロセスと異なり、スタンピング
は、ウェハーボンディングと同時に実行することも（図
９参照）、あるいはウェハーボンディングプロセスとは
別にその前又は後に行うことも可能である。ウェハーボ
ンディングプロセスの目的は、まず通常は光を吸収する
第一のサブストレート２０．１を取り除き、そしてこれ
を、より多くの光が外部へ到達できる新しいサブストレ
ート２０．２と置き換えることによって、光の取出率を
改善することである。第一のサブストレート２０．１
は、所望の機械的特性を持った半導体発光層を製造する
のに適合する材料である。例えば、高品質のエピタキシ
ャル成長を達成し、確実な格子整合を得るために、標準
的な吸収性のサブストレート材料を利用することができ
る。これらの吸収性の成長サブストレートは通常、半導
体発光素子の放射エネルギーより小さいか又は同等のバ
ンドギャップを有している。多層構造２６を成長させた
後、第一のサブストレート２０．１を取り除く。第一の
サブストレート２０．１は、化学エッチング及びラップ
仕上げ／研磨を含む方法（たたし、これらには限定され
ない）によって取り除くことができる。
【００２７】第一のサブストレート２０．１を取り除い
たら、続いて、光学的には透明な第２のサブストレート
２０．２を半導体発光素子１００に接着する。接着の手
順には、新たなサブストレート２０．２を、その組成に
依存して２５℃と１０００℃の間の温度に加熱すること
が含まれる。ウェハーボンディングプロセスについて
は、Fred A. Kishらに付与された「Wafer Bonding of L
ight Emitting Diode Layers」と題された米国特許第
５，５０２，３１６号においてさらに詳しく説明されて
おり、その内容はここに援用するものとする。新たなサ
ブストレート２０．２とスタンピングブロック７０の両
方を半導体発光素子１００に同時にプレスすることによ
って、スタンピングプロセスをウェハーボンディングプ
ロセスに組み込むことができる。スタンピングブロック
７０は、新たなサブストレート２０．２、最上層２４、
あるいはこれらの両方に対してフレネルレンズ２８をプ
レスすることができる。図９では分かり易さと簡単のた
めにただ一つの光学エレメントを示しているが、スタン
ピングブロック７０には、二以上の光学エレメントのパ
ターンを含ませることもできる。
たら、続いて、光学的には透明な第２のサブストレート
２０．２を半導体発光素子１００に接着する。接着の手
順には、新たなサブストレート２０．２を、その組成に
依存して２５℃と１０００℃の間の温度に加熱すること
が含まれる。ウェハーボンディングプロセスについて
は、Fred A. Kishらに付与された「Wafer Bonding of L
ight Emitting Diode Layers」と題された米国特許第
５，５０２，３１６号においてさらに詳しく説明されて
おり、その内容はここに援用するものとする。新たなサ
ブストレート２０．２とスタンピングブロック７０の両
方を半導体発光素子１００に同時にプレスすることによ
って、スタンピングプロセスをウェハーボンディングプ
ロセスに組み込むことができる。スタンピングブロック
７０は、新たなサブストレート２０．２、最上層２４、
あるいはこれらの両方に対してフレネルレンズ２８をプ
レスすることができる。図９では分かり易さと簡単のた
めにただ一つの光学エレメントを示しているが、スタン
ピングブロック７０には、二以上の光学エレメントのパ
ターンを含ませることもできる。
【００２８】図１０は、側面を傾斜させた半導体発光素
子１００を示している。側面を傾斜させると、経路３及
び経路４の違いとして示すように、光子が反射する角度
にすることによって光の取出率が向上する。側面が傾斜
しているときは、活性層２２によって放射された光子
は、経路３ではなく経路４（実線）に沿って進むことが
できる。経路３は、側面が傾斜していない半導体発光素
子における経路である（図７Ａ参照）。図１０に点線で
示した経路３は、側面が傾斜していないときに、活性層
２２の点２７から放射される光子が側面で反射されコン
タクト３１によって吸収されることを示している。しか
しながら、図１０に実線で示した経路４は、傾斜させた
発光デバイス内で光源２７から同じ方向に放射された光
子がフレネルレンズ２８の方向へ反射され、発光デバイ
スから取り出されることを示している。このように側面
を傾斜させると、傾斜させない場合に発光デバイスから
は取り出せない光子のいくらかを取出面へ向けることに
よって、光の取出効率が改善される。さらに吸収を少な
くするために傾斜させた側面を金属（例えば銀）又は誘
電体などの反射材４０でコーティングすれば、光の取出
率はさらに改善される。
子１００を示している。側面を傾斜させると、経路３及
び経路４の違いとして示すように、光子が反射する角度
にすることによって光の取出率が向上する。側面が傾斜
しているときは、活性層２２によって放射された光子
は、経路３ではなく経路４（実線）に沿って進むことが
できる。経路３は、側面が傾斜していない半導体発光素
子における経路である（図７Ａ参照）。図１０に点線で
示した経路３は、側面が傾斜していないときに、活性層
２２の点２７から放射される光子が側面で反射されコン
タクト３１によって吸収されることを示している。しか
しながら、図１０に実線で示した経路４は、傾斜させた
発光デバイス内で光源２７から同じ方向に放射された光
子がフレネルレンズ２８の方向へ反射され、発光デバイ
スから取り出されることを示している。このように側面
を傾斜させると、傾斜させない場合に発光デバイスから
は取り出せない光子のいくらかを取出面へ向けることに
よって、光の取出効率が改善される。さらに吸収を少な
くするために傾斜させた側面を金属（例えば銀）又は誘
電体などの反射材４０でコーティングすれば、光の取出
率はさらに改善される。
【００２９】図１１は、活性層２２の断面領域がフレネ
ルレンズ２８の断面領域よりも小さい半導体発光素子１
００を含む発光デバイスを示している。ここで断面領域
は、半導体発光素子１００の異なる層の境界に平行な面
内にある。活性層の縁部からの電流を遮断するために、
開口部又は保護リングを用いることができる。あるい
は、活性層２２の縁部からの電流を遮断し又は縁部から
離れるように電流を流すために、イオンの注入又は拡散
を用いることができる。パターン化ウェハボンディング
及びパターン化エピタキシャル成長とも呼ばれる選択領
域成長（selective area growth）及び選択領域ボンデ
ィング（selective area bonding）は、光放射を閉じ込
めるための二つのさらに別の方法である。選択領域成長
及び選択領域ボンディングについては、米国特許第５，
７９３，０６２号において議論されており、その内容は
参考としてここに援用する。さらに、活性層２２の縁部
に酸化物を形成して不活性化することによって、制限放
射スポット（confined-emission spot）ＬＥＤを作るこ
とができる。その一つを図１１に示した制限放射スポッ
トＬＥＤは、ホロニアクプロセス（Holonyak process）
を用いて作ることができる。ホロニアクプロセスでは、
ＬＥＤを３時間まで３７５℃と５５０℃の間の温度にす
ることによって、メサ（mesa）３３を形成する必要があ
る。ホロニアクプロセスは不要なアルミニウム酸化物の
形成を防ぐために実行されるが、このプロセスにおいて
制限層２３の上部には電気的絶縁性の天然の酸化物３４
が形成される。ホロニアクプロセスの詳細及びその応用
については、Nick Holonyak, Jr.らに付与された「AlGa
As Native Oxide」と題する米国特許第５，２６２，３
６０号及びNick Holonyak, Jr.らに付与された「Semico
nductor Devices Fabricated with Passivated High-Al
uminum III-V Material」と題された米国特許第５，５
１７，０３９号を参照することができる。これらの両特
許の内容は、参考としてここに援用する。
ルレンズ２８の断面領域よりも小さい半導体発光素子１
００を含む発光デバイスを示している。ここで断面領域
は、半導体発光素子１００の異なる層の境界に平行な面
内にある。活性層の縁部からの電流を遮断するために、
開口部又は保護リングを用いることができる。あるい
は、活性層２２の縁部からの電流を遮断し又は縁部から
離れるように電流を流すために、イオンの注入又は拡散
を用いることができる。パターン化ウェハボンディング
及びパターン化エピタキシャル成長とも呼ばれる選択領
域成長（selective area growth）及び選択領域ボンデ
ィング（selective area bonding）は、光放射を閉じ込
めるための二つのさらに別の方法である。選択領域成長
及び選択領域ボンディングについては、米国特許第５，
７９３，０６２号において議論されており、その内容は
参考としてここに援用する。さらに、活性層２２の縁部
に酸化物を形成して不活性化することによって、制限放
射スポット（confined-emission spot）ＬＥＤを作るこ
とができる。その一つを図１１に示した制限放射スポッ
トＬＥＤは、ホロニアクプロセス（Holonyak process）
を用いて作ることができる。ホロニアクプロセスでは、
ＬＥＤを３時間まで３７５℃と５５０℃の間の温度にす
ることによって、メサ（mesa）３３を形成する必要があ
る。ホロニアクプロセスは不要なアルミニウム酸化物の
形成を防ぐために実行されるが、このプロセスにおいて
制限層２３の上部には電気的絶縁性の天然の酸化物３４
が形成される。ホロニアクプロセスの詳細及びその応用
については、Nick Holonyak, Jr.らに付与された「AlGa
As Native Oxide」と題する米国特許第５，２６２，３
６０号及びNick Holonyak, Jr.らに付与された「Semico
nductor Devices Fabricated with Passivated High-Al
uminum III-V Material」と題された米国特許第５，５
１７，０３９号を参照することができる。これらの両特
許の内容は、参考としてここに援用する。
【００３０】図１１に示した制限放射スポットＬＥＤに
おいて、最上層２４は、アルミニウムを含んだｐ型の導
電層とすることができる（ただしこれには限定されな
い）。メサ３３は、アルミニウムを含んだ透明なｐ型層
とすることができる。最上層２４の体積酸化速度、ある
いは特定のＬＥＤ１００が別個の最上層２４を持たない
場合には上部制限層２３の体積酸化速度よりも、導電層
の横方向の酸化速度の方が速くなるように、導電層（こ
れは、例えば高アルミニウム濃度のIII-V半導体からな
る）の組成として高いモル比を有するものを選択する。
図１１は、アルミニウムを含む層を露出させたＬＥＤデ
バイスを示している。アルミニウムを含む層の異方性酸
化は、メサ３３及び天然の酸化物３４を形成させる。天
然の酸化物３４の絶縁特性は、電流をこれらの領域に制
限し、これによって制限放射スポットＬＥＤが得られ
る。この例におけるアルミニウムを含むｐ型導電層であ
る最上層２４及びメサ３３は、酸化速度においてそれぞ
れに適切な異方性を有する、アルミニウムを含む任意の
透明な化合物から形成することができる。
おいて、最上層２４は、アルミニウムを含んだｐ型の導
電層とすることができる（ただしこれには限定されな
い）。メサ３３は、アルミニウムを含んだ透明なｐ型層
とすることができる。最上層２４の体積酸化速度、ある
いは特定のＬＥＤ１００が別個の最上層２４を持たない
場合には上部制限層２３の体積酸化速度よりも、導電層
の横方向の酸化速度の方が速くなるように、導電層（こ
れは、例えば高アルミニウム濃度のIII-V半導体からな
る）の組成として高いモル比を有するものを選択する。
図１１は、アルミニウムを含む層を露出させたＬＥＤデ
バイスを示している。アルミニウムを含む層の異方性酸
化は、メサ３３及び天然の酸化物３４を形成させる。天
然の酸化物３４の絶縁特性は、電流をこれらの領域に制
限し、これによって制限放射スポットＬＥＤが得られ
る。この例におけるアルミニウムを含むｐ型導電層であ
る最上層２４及びメサ３３は、酸化速度においてそれぞ
れに適切な異方性を有する、アルミニウムを含む任意の
透明な化合物から形成することができる。
【００３１】図１２及び図１３は、二つの光学エレメン
ト２８，２９を含む本発明の実施例を示しており、二つ
の光学エレメントのうちの一方には反射材４０がコーテ
ィングされて反射部を形成している。図１２は、フレネ
ルレンズ２８を有する表面とは反対の側に設けられた反
射部２９としての光学エレメント２９を示している。フ
レネルレンズ２８と反射部２９の両方のグルーブは、入
射光線をコリメートするようになパターンとされてい
る。したがって、光源２７から放射された光子が破線で
示した経路に沿って進んで反射部２９に当たると、反射
部２９は、光子をコリメートして反射して上のフレネル
レンズ２８の方向へ戻す。反射部２９がないと、点光源
２７から放射された光子は、図７Ａに示した経路５に沿
って進み、発光デバイスからは出られない。経路５に沿
った光子は内部で何度も反射され、吸収され、減衰さ
れ、あるいは取出面ではない面から取り出される。
ト２８，２９を含む本発明の実施例を示しており、二つ
の光学エレメントのうちの一方には反射材４０がコーテ
ィングされて反射部を形成している。図１２は、フレネ
ルレンズ２８を有する表面とは反対の側に設けられた反
射部２９としての光学エレメント２９を示している。フ
レネルレンズ２８と反射部２９の両方のグルーブは、入
射光線をコリメートするようになパターンとされてい
る。したがって、光源２７から放射された光子が破線で
示した経路に沿って進んで反射部２９に当たると、反射
部２９は、光子をコリメートして反射して上のフレネル
レンズ２８の方向へ戻す。反射部２９がないと、点光源
２７から放射された光子は、図７Ａに示した経路５に沿
って進み、発光デバイスからは出られない。経路５に沿
った光子は内部で何度も反射され、吸収され、減衰さ
れ、あるいは取出面ではない面から取り出される。
【００３２】図１３は、図１２と同様に、発光デバイス
の一つの表面上のフレネルレンズ２８と、反対側の表面
の反射部２９を示している。しかし、図１３の反射部２
９のグルーブは、図１２のように入射した光子をコリメ
ートするのではなく、代わりに点光源２７上にフォーカ
スする。図１３の発光デバイスは、図１２では経路６に
沿って進んだであろう光子を、図１３の経路７に沿って
進ませることによって、軸に沿って取り出される光の強
度を高める。図１３の反射部２９は、距離δ、反射部２
９の水平位置、グルーブのパターンのうちの一又は二以
上を調整することによって、入射した光子をフレネルレ
ンズ２８に向かって戻るようコリメートし、フォーカス
し、発散させ、あるいは導くように作ることができる。
同様に、光子を、ＬＥＤ内の吸収領域、例えば活性層２
２、コンタクト３１及び３２から離れるように導くこと
ができる。この分野の当業者であれば、フレネルレンズ
を設計し、所望の放射パターンを特定の応用目的に適合
するように仕立てることができるだろう。例えば、図１
３の実施例は、軸に沿った高い強度を必要とする応用目
的については、図１２の実施例よりも好ましい。
の一つの表面上のフレネルレンズ２８と、反対側の表面
の反射部２９を示している。しかし、図１３の反射部２
９のグルーブは、図１２のように入射した光子をコリメ
ートするのではなく、代わりに点光源２７上にフォーカ
スする。図１３の発光デバイスは、図１２では経路６に
沿って進んだであろう光子を、図１３の経路７に沿って
進ませることによって、軸に沿って取り出される光の強
度を高める。図１３の反射部２９は、距離δ、反射部２
９の水平位置、グルーブのパターンのうちの一又は二以
上を調整することによって、入射した光子をフレネルレ
ンズ２８に向かって戻るようコリメートし、フォーカス
し、発散させ、あるいは導くように作ることができる。
同様に、光子を、ＬＥＤ内の吸収領域、例えば活性層２
２、コンタクト３１及び３２から離れるように導くこと
ができる。この分野の当業者であれば、フレネルレンズ
を設計し、所望の放射パターンを特定の応用目的に適合
するように仕立てることができるだろう。例えば、図１
３の実施例は、軸に沿った高い強度を必要とする応用目
的については、図１２の実施例よりも好ましい。
【００３３】図１４及び図１５に示した例では、本発明
は、取出面に光学エレメントを必要としない。点光源２
７から放射された光子は、図１４ではフォーカスされ、
図１５では発散される。いずれの場合も、光子は取出面
に向かって上向きに反射される。図１４の実施例は図１
３の実施例のように軸に沿った強度が高くなり、例えば
光ファイバーへの応用といった軸に沿った高い強度を必
要とする応用目的に有用である。
は、取出面に光学エレメントを必要としない。点光源２
７から放射された光子は、図１４ではフォーカスされ、
図１５では発散される。いずれの場合も、光子は取出面
に向かって上向きに反射される。図１４の実施例は図１
３の実施例のように軸に沿った強度が高くなり、例えば
光ファイバーへの応用といった軸に沿った高い強度を必
要とする応用目的に有用である。
【００３４】図１６は、フリップチップ構造を用いた発
光デバイスを示している。フリップチップ構造では、コ
ンタクト３１と３２を同じ側、この場合の例では底面側
に配置することができる。コンタクト３１及び３２はし
ばしば光を吸収するものであり、また光取出面の一部を
占めることになるので、これらを光取出面から無くすこ
とによって、より多くの光を取出面を通してＬＥＤデバ
イスから取り出すことができる。
光デバイスを示している。フリップチップ構造では、コ
ンタクト３１と３２を同じ側、この場合の例では底面側
に配置することができる。コンタクト３１及び３２はし
ばしば光を吸収するものであり、また光取出面の一部を
占めることになるので、これらを光取出面から無くすこ
とによって、より多くの光を取出面を通してＬＥＤデバ
イスから取り出すことができる。
【００３５】図１７は、封止層２１，２３及び活性層２
２の向きが、取出面に対して実質的に垂直である発光デ
バイスを示している。図１７に示した発光デバイスは、
図１の半導体発光素子１００を９０度回転させて光が半
導体発光素子１００の側面から取り出されるようにした
ものである。フリップチップ構造と同様に、図１７に示
した構造は、取出面にコンタクトがないという点が有利
である。
２の向きが、取出面に対して実質的に垂直である発光デ
バイスを示している。図１７に示した発光デバイスは、
図１の半導体発光素子１００を９０度回転させて光が半
導体発光素子１００の側面から取り出されるようにした
ものである。フリップチップ構造と同様に、図１７に示
した構造は、取出面にコンタクトがないという点が有利
である。
【００３６】本発明のＬＥＤを多数一緒にして、高出力
の応用に用いることができる。例えば図１８は、図１３
に示したタイプの発光デバイス三つをアレー状に配置し
て、高い光出力を発するようにしたものである。ＬＥＤ
チップ上又はウェハー上に形成することができるこれら
のダイオードアレーは、通常、単一の半導体発光素子の
チップに比べてより大きい面積を有する。また、本発明
のＬＥＤデバイスは、赤、緑、青のＬＥＤをピクセルエ
レメントとして用いるカラーディスプレーパネルに適し
ている。このようなディスプレーは周知であり、この例
を図１９に示した。ディスプレーパネル５０は、赤（５
２）、緑（５４）、青（５６）のＬＥＤをそれぞれ含
み、これらを周知の回路によって選択的に光らせること
によって画像を表示させる発光デバイスのアレーを有し
ている。図１９では簡単のために三つのピクセルだけを
示している。一つの実施例として、発光デバイスをカラ
ム状に配置した。他の実施例として、発光デバイスを別
のパターン、例えば三角形などに配置することもでき
る。高い光取出率を有する発光デバイスを、ＬＣＤディ
スプレーのバックライト用に使用することもできる。
の応用に用いることができる。例えば図１８は、図１３
に示したタイプの発光デバイス三つをアレー状に配置し
て、高い光出力を発するようにしたものである。ＬＥＤ
チップ上又はウェハー上に形成することができるこれら
のダイオードアレーは、通常、単一の半導体発光素子の
チップに比べてより大きい面積を有する。また、本発明
のＬＥＤデバイスは、赤、緑、青のＬＥＤをピクセルエ
レメントとして用いるカラーディスプレーパネルに適し
ている。このようなディスプレーは周知であり、この例
を図１９に示した。ディスプレーパネル５０は、赤（５
２）、緑（５４）、青（５６）のＬＥＤをそれぞれ含
み、これらを周知の回路によって選択的に光らせること
によって画像を表示させる発光デバイスのアレーを有し
ている。図１９では簡単のために三つのピクセルだけを
示している。一つの実施例として、発光デバイスをカラ
ム状に配置した。他の実施例として、発光デバイスを別
のパターン、例えば三角形などに配置することもでき
る。高い光取出率を有する発光デバイスを、ＬＣＤディ
スプレーのバックライト用に使用することもできる。
【００３７】本発明について、特定の実施例を挙げて例
示したが、本発明の範囲を、例示したこれらの特定のあ
るいは好適な実施例に限定することを意図するものでは
ない。例えば、光検出器や太陽電池などのデバイスにつ
いて、ここに開示した実施例は有益なものとなろう。
示したが、本発明の範囲を、例示したこれらの特定のあ
るいは好適な実施例に限定することを意図するものでは
ない。例えば、光検出器や太陽電池などのデバイスにつ
いて、ここに開示した実施例は有益なものとなろう。
【図１】従来からの半導体発光素子の概略図である。
【図２Ａ】光を収束するよう設計された、高さの異なる
グルーブを一様な間隔で設けたフレネルレンズの平面図
である。
グルーブを一様な間隔で設けたフレネルレンズの平面図
である。
【図２Ｂ】収束レンズと図２Ａのフレネルレンズの断面
を示した図である。
を示した図である。
【図３Ａ】光を発散するよう設計された、高さの異なる
グルーブを一様な間隔で設けたフレネルレンズの平面図
である。
グルーブを一様な間隔で設けたフレネルレンズの平面図
である。
【図３Ｂ】発散レンズと図３Ａのフレネルレンズの断面
を示した図である。
を示した図である。
【図４Ａ】一様な高さのグルーブを有し、グルーブ間の
間隔をレンズ中心からの距離の関数とした、収束フレネ
ルレンズの平面図である。
間隔をレンズ中心からの距離の関数とした、収束フレネ
ルレンズの平面図である。
【図４Ｂ】収束レンズと図４Ａのフレネルレンズの断面
を示した図である。
を示した図である。
【図５Ａ】一様な高さのグルーブを有し、グルーブ間の
間隔をレンズ中心からの距離の関数とした、発散フレネ
ルレンズの平面図である。
間隔をレンズ中心からの距離の関数とした、発散フレネ
ルレンズの平面図である。
【図５Ｂ】発散レンズと図５Ａのフレネルレンズの断面
を示した図である。
を示した図である。
【図６】レンズ中心について同心でないグルーブを有す
るフレネルレンズの平面図である。
るフレネルレンズの平面図である。
【図７Ａ】本発明に基づいて一つの取出面上に光をコリ
メートするフレネルレンズが形成された発光デバイスの
概略図である。
メートするフレネルレンズが形成された発光デバイスの
概略図である。
【図７Ｂ】本発明に基づいて取出面上に光をフォーカス
するフレネルレンズが形成された発光デバイスの概略図
である。
するフレネルレンズが形成された発光デバイスの概略図
である。
【図７Ｃ】本発明に基づいて取出面上に光を発散するフ
レネルレンズが形成された発光デバイスの概略図であ
る。
レネルレンズが形成された発光デバイスの概略図であ
る。
【図８Ａ】表面が光学エレメントに形作られた発光デバ
イスの概略図である。
イスの概略図である。
【図８Ｂ】本発明で用いることができるホログラフィッ
クディフューザの面の平面図である。
クディフューザの面の平面図である。
【図９】スタンピングプロセス及びウェハーボンディン
グプロセスを統合する典型的な例を示した概略図であ
る。
グプロセスを統合する典型的な例を示した概略図であ
る。
【図１０】表面にフレネルレンズを形成した、傾斜した
側面を有するＬＥＤの概略図である。
側面を有するＬＥＤの概略図である。
【図１１】異方性を持つ天然の酸化物を形成した制限放
射スポットＬＥＤ上に形成されたフレネルレンズの概略
図である。
射スポットＬＥＤ上に形成されたフレネルレンズの概略
図である。
【図１２】半導体発光素子の対向する二つの面に光をコ
リメートするフレネルレンズを形成し、一方を反射材で
コーティングした発光デバイスの概略図である。
リメートするフレネルレンズを形成し、一方を反射材で
コーティングした発光デバイスの概略図である。
【図１３】半導体発光素子の対向する二つの面にフレネ
ルレンズを形成し、反射材をコーティングしたレンズが
光を活性層にフォーカスするようにした発光デバイスの
概略図である。
ルレンズを形成し、反射材をコーティングしたレンズが
光を活性層にフォーカスするようにした発光デバイスの
概略図である。
【図１４】軸に沿った強度を高めるために、半導体発光
素子の取出面ではない面に形成された、光をフォーカス
するフレネルレンズの概略図である。
素子の取出面ではない面に形成された、光をフォーカス
するフレネルレンズの概略図である。
【図１５】半導体発光素子の取出面ではない面に形成さ
れ、反射材でコーティングされた、光を発散するフレネ
ルレンズの概略図である。
れ、反射材でコーティングされた、光を発散するフレネ
ルレンズの概略図である。
【図１６】フリップチップ構造の発光デバイスの概略図
である。
である。
【図１７】実質的にフレネルレンズに垂直な活性層を有
する発光デバイスの概略図である。
する発光デバイスの概略図である。
【図１８】単一のサブストレート上のダイオードアレー
の概略図である。
の概略図である。
【図１９】本発明に基づいた、発光デバイスが組み込ま
れたディスプレーデバイスの概略図である。
れたディスプレーデバイスの概略図である。
２０…サブストレート、２１…下部封止層、２２…活性
層、２３…上部封止層、２４…最上層、２６…多層構
造、２７…光源、２８…フレネルレンズ、３１，３２…
コンタクト、３３…メサ、３４…酸化物、４０…反射
材、７０…スタンピングブロック、１００…半導体発光
素子、５０…ディスプレーパネル、５２…赤色ＬＥＤ、
５４…緑色ＬＥＤ、５６…青色ＬＥＤ
層、２３…上部封止層、２４…最上層、２６…多層構
造、２７…光源、２８…フレネルレンズ、３１，３２…
コンタクト、３３…メサ、３４…酸化物、４０…反射
材、７０…スタンピングブロック、１００…半導体発光
素子、５０…ディスプレーパネル、５２…赤色ＬＥＤ、
５４…緑色ＬＥＤ、５６…青色ＬＥＤ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 マイケル ディー キャムラス
アメリカ合衆国 カリフォルニア州
94087 サニーヴェイル ピピン アヴェ
ニュー 890
(72)発明者 グロリア イー ホフラー
アメリカ合衆国 カリフォルニア州
94087 サニーヴェイル カンバーランド
ドライヴ 863
Ｆターム(参考） 2H049 AA03 AA04 AA26 AA33 AA37
AA40 AA60 AA63
5F041 AA03 AA06 AA07 CA12 CA14
CA33 CA36 CA40 CA46 CA73
CA74 CA77 CB04 CB14 CB15
CB22 CB36 DA09 DC83 FF06
FF11 FF16
Claims (45)
- 【請求項１】 半導体発光素子によって放射される光に
作用を及ぼすよう、前記半導体発光素子の少なくとも一
つの面にフレネルレンズ及びホログラフィックディフュ
ーザのうちの少なくとも一つを形成する工程を含む、発
光デバイスを形成する方法。 - 【請求項２】 前記半導体発光素子は光を取り出すこと
を意図した少なくとも一つの光取出面を有し、前記形成
工程を、前記半導体発光素子の少なくとも一つの光取出
面において行うものである請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 前記形成工程は、スタンピングブロック
を、前記半導体発光素子の少なくとも一つの面にプレス
する工程を含んでいる請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 前記形成工程は、ウェハーボンディング
プロセスと同時に実行され、前記ウェハーボンディング
プロセスは、 前記半導体発光素子の第一のサブストレートを取り除く
工程と、 第二のサブストレートを前記半導体発光素子にボンディ
ングする工程とを含んでいる、請求項１に記載の方法。 - 【請求項５】 前記形成工程は、エッチング加工、削り
加工、アブレーション加工、機械加工、スクライビング
加工、放電加工、及びスタンピング加工から選択した少
なくとも一つの方法を含んでいる請求項１に記載の方
法。 - 【請求項６】 前記半導体発光素子の一又は二以上の側
面を傾斜させる工程を含んでいる請求項１に記載の方
法。 - 【請求項７】 請求項１に記載の方法において、前記半
導体発光素子は発光層を有しており、前記方法は、さら
に、前記発光層の予め選択された部分に光放射を制限す
ることを含んでいる方法。 - 【請求項８】 前記制限することには、ホロニアクプロ
セスの適用、選択領域成長の使用、選択領域ボンディン
グの使用、ディフィージョンの使用、そしてイオン注入
の使用の中から選択された少なくとも一つの方法が含ま
れている、請求項７に記載の方法。 - 【請求項９】 請求項１に記載の方法において、さら
に、前記半導体発光素子の一又は二以上の面に反射材を
コーティングする工程を含んでいる方法。 - 【請求項１０】 請求項１に記載の方法において、さら
に、前記フレネルレンズ又は前記ホログラフィックディ
フューザに反射材をコーティングする工程を含んでいる
方法。 - 【請求項１１】 請求項２に記載の方法において、さら
に、前記取出面とは反対側の面に光学エレメントを形成
する工程を含んでいる方法。 - 【請求項１２】 半導体発光素子と、 前記半導体発光素子の少なくとも一つの表面を形成する
第一の光学エレメントと、を有し、前記第一の光学エレ
メントはフレネルレンズ及びホログラフィックディフュ
ーザのうちの一方を含んでいる発光デバイス。 - 【請求項１３】 請求項１２に記載のデバイスにおい
て、さらに、前記デバイスの少なくもと一つの面をコー
ティングする反射材を含んでいるデバイス。 - 【請求項１４】 前記半導体発光素子の発光層が、主に
前記第一の光学エレメントの予め決められた部分に向か
って光子を放射するように作られた、請求項１２に記載
のデバイス。 - 【請求項１５】 発光デバイスの少なくとも一つの面は
傾斜されている、請求項１２に記載のデバイス。 - 【請求項１６】 前記半導体発光素子は、制限放射スポ
ット発光ダイオードである、請求項１２に記載のデバイ
ス。 - 【請求項１７】 前記半導体発光素子及び前記第一の光
学エレメントは、 （ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１） を含んでいる請求項１２に記載のデバイス。 - 【請求項１８】 前記発光ダイオードは、III-窒化物半
導体化合物を含んでおり、前記第一の光学エレメント
は、シリコンカーバイド及びサファイアのうちの一方を
含んでいる、請求項１２に記載のデバイス。 - 【請求項１９】 前記半導体発光素子及び前記第一の光
学エレメントは、アルミニウム・ガリウム・砒素半導体
化合物を含んでいる請求項１２に記載のデバイス。 - 【請求項２０】 前記半導体発光素子は、フリップチッ
プ構造を含んでいる請求項１２に記載のデバイス。 - 【請求項２１】 前記半導体発光素子は、前記半導体発
光素子の発光層は前記フレネルレンズに対して実質的に
垂直である、請求項１２に記載のデバイス。 - 【請求項２２】 請求項１２に記載のデバイスにおい
て、前記デバイスの放射パターンは、前記第一の光学エ
レメントと前記半導体発光素子の発光層との距離に対す
る前記第一の光学エレメントの焦点距離の比によって制
御されるデバイス。 - 【請求項２３】 前記第一の光学エレメントは、光をフ
ォーカスする作用、光をコリメートする作用、光を発散
する作用のうちの一つを達成するよう設計されたもので
ある請求項１２に記載のデバイス。 - 【請求項２４】 前記第一の光学エレメントは、光を予
め選択した方向に導くよう設計されたものである請求項
１２に記載のデバイス。 - 【請求項２５】 請求項１２に記載のデバイスにおい
て、さらに、前記半導体発光素子の前記第一の光学エレ
メントを有する面とは反対の面に第二の光学エレメント
を有するデバイス。 - 【請求項２６】 前記第一のフレネルレンズ及び第二の
フレネルレンズのうちの一方が光をフォーカスするよう
設計されたものである請求項２５に記載のデバイス。 - 【請求項２７】 半導体発光素子によって放射される光
に作用を及ぼすよう、前記半導体発光素子の少なくとも
一つの面にスタンピングを行う工程を含んでいる、発光
デバイスを形成するための方法。 - 【請求項２８】 請求項２７に記載の方法において、さ
らに、前記発光デバイスの面に反射層をコーティングす
る工程を含んでいる方法。 - 【請求項２９】 前記スタンピングを、前記半導体発光
素子の半導体層及びサブストレート層のうちの少なくと
も一方に対して行う、請求項２７に記載の方法。 - 【請求項３０】 前記半導体層は、アルミニウムを含む
透明な化合物を含んでいる請求項２９に記載の方法。 - 【請求項３１】 前記プレスする工程は、室温よりも高
い温度において実行される、請求項２７に記載の方法。 - 【請求項３２】 請求項３１に記載の方法において、さ
らに、前記プレス工程の後に前記半導体発光素子から前
記スタンピングブロックを引き離すのを容易にするため
に、前記高い温度を低くする工程を含んでいる方法。 - 【請求項３３】 前記高い温度は、前記フレネルレンズ
を形成する前記少なくとも一つの面を構成する材料の延
性遷移温度よりも高いものである請求項３２に記載の方
法。 - 【請求項３４】 半導体発光素子と、 半導体発光素子の少なくとも一つの面にスタンピングさ
れた少なくもと一つの光学エレメントとを含み、 前記光学エレメントは第一の光学エレメントである発光
デバイス。 - 【請求項３５】 前記半導体発光素子の発光層は、主に
前記第一の光学エレメントの予め選択した方向に光子を
放射するよう設計されたものである請求項３４に記載の
デバイス。 - 【請求項３６】 前記発光層及び前記第一の光学エレメ
ントは、 （ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１） を含んでいる請求項３４に記載のデバイス。 - 【請求項３７】 前記半導体発光素子は、III-窒化物半
導体化合物を含んでおり、前記第一の光学エレメント
は、シリコンカーバイド及びサファイアのうちの一方を
含んでいる、請求項３４に記載のデバイス。 - 【請求項３８】 前記半導体発光素子及び前記第一の光
学エレメントは、アルミニウム・ガリウム・砒素半導体
化合物を含んでいる請求項３４に記載のデバイス。 - 【請求項３９】 前記発光ダイオードは、フリップチッ
プ構造を有している請求項３４に記載のデバイス。 - 【請求項４０】 前記発光ダイオードは、前記発光ダイ
オードの発光層が前記フレネルレンズに対して実質的に
垂直な構造を有している請求項３４に記載のデバイス。 - 【請求項４１】 複数の発光デバイスを含んでいる発光
ダイオードアレーであって、 半導体発光素子と、 前記半導体発光素子の面に形成されたフレネルレンズ及
びホログラフィックディフューザのうちの一つと、 を含んでいる発光ダイオードアレー。 - 【請求項４２】 複数の発光デバイスを含んでいる発光
アレーであって、 半導体発光素子と、 前記半導体発光素子の面にスタンピングされた光学エレ
メントと、 を含んでいる発光アレー。 - 【請求項４３】 少なくとも一つの青色発光デバイス、
少なくとも一つの緑色発光デバイス、少なくとも一つの
赤色発光デバイスを含んだディスプレーデバイスであっ
て、前記青色発光デバイス、緑色発光デバイス、赤色発
光デバイスのうちの少なくとも一つは、 半導体発光素子と、 前記半導体発光素子の面に形成されたフレネルレンズ及
びホログラフィックディフューザのうちの一つと、 を含んでいるディスプレーデバイス。 - 【請求項４４】 少なくとも一つの青色発光デバイス、
少なくとも一つの緑色発光デバイス、少なくとも一つの
赤色発光デバイスを含んだディスプレーデバイスであっ
て、前記青色発光デバイス、緑色発光デバイス、赤色発
光デバイスのうちの少なくとも一つは、 半導体発光素子と、 前記半導体発光素子の面にスタンピングされた一つの光
学エレメントと、 を含んでいるディスプレーデバイス。 - 【請求項４５】 発光デバイスから放射される光に対し
て透明な材料に光学エレメントをスタンピングする工程
と、 前記光学エレメントを半導体発光素子にボンディングす
る工程と、を含む、発光デバイスを形成する方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/823,841 US6987613B2 (en) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | Forming an optical element on the surface of a light emitting device for improved light extraction |
| US09/823841 | 2001-03-30 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008267869A Division JP5232592B2 (ja) | 2001-03-30 | 2008-10-16 | 光取出率を改善するための発光デバイスにおける光学エレメントの形成 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003017740A true JP2003017740A (ja) | 2003-01-17 |
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Family
ID=25239876
Family Applications (3)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002098327A Expired - Lifetime JP4260411B2 (ja) | 2001-03-30 | 2002-04-01 | 光取出率を改善するための発光デバイスにおける光学エレメントの形成 |
| JP2008267869A Expired - Lifetime JP5232592B2 (ja) | 2001-03-30 | 2008-10-16 | 光取出率を改善するための発光デバイスにおける光学エレメントの形成 |
| JP2012117744A Expired - Lifetime JP5542871B2 (ja) | 2001-03-30 | 2012-05-23 | 光取出率を改善するための発光デバイスにおける光学エレメントの形成 |
Family Applications After (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| JP2012117744A Expired - Lifetime JP5542871B2 (ja) | 2001-03-30 | 2012-05-23 | 光取出率を改善するための発光デバイスにおける光学エレメントの形成 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6987613B2 (ja) |
| JP (3) | JP4260411B2 (ja) |
| DE (1) | DE10213611A1 (ja) |
| TW (1) | TW541719B (ja) |
Cited By (15)
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