JP2009010435A - 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
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Abstract
【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。フレネルレンズ等の形成は、表面に削り加工等を行ってもできる。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。
【選択図】図2A
Description
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LED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。
Claims (29)
- 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み、
前記少なくとも一つの面は、(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む化合物及びIII-窒化物半導体化合物のうちの一方である
ことを特徴とする、発光デバイスを形成する方法。 - 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。
- 前記光取出面と反対の面に光学エレメントを形成する工程をさらに含んでいる請求項2に記載の方法。
- 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。 - 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おり、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方法。
- 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。
- 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おり、前記スタンピングブロックの材料は、モリブデン、チタン、ジルコン、グラファイト、シリコンカーバイド、サファイア、ステンレススチール、タングステン、ニオブ、そして、これらの化合物のグループから選択されたものである、請求項1に記載の方法。
- 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み、
前記形成する工程は、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、から選択した少なくとも一つの方法を含んでおり、
前記少なくとも一つの面は、(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む化合物及びIII-窒化物半導体化合物のうちの一方である
ことを特徴とする、発光デバイスを形成する方法。 - 発光デバイスを形成する方法であって、
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おり、
前記スタンピングされた面は、(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む化合物及びIII-窒化物半導体化合物のうちの一方であることを特徴とする方法。 - さらに、前記発光デバイスの面を反射層でコーティングする工程を含んでいる、請求項12に記載の方法。
- 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12に記載の方法。
- 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12に記載の方法。
- 前記スタンピング工程は、室温よりも高い温度において実行される、請求項12に記載の方法。
- 請求項16に記載の方法において、さらに、前記スタンピング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。
- 前記高い温度は、前記光学エレメント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33に記載の方法。
- 前記スタンピング工程は、モリブデン、チタン、ジルコン、グラファイト、シリコンカーバイド、サファイア、ステンレススチール、タングステン、ニオブ、そして、これらの化合物のグループから選択された材料からなるスタンプングブロックを用いるものである、請求項12に記載の方法。
- 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、前記発光デバイスは、
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加工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み、
前記スタンピングされた面は、(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む化合物及びIII-窒化物半導体化合物のうちの一方あることを特徴とする発光ダイオードアレー。 - 複数の発光デバイスを含んでいる発光アレーであって、前記発光デバイスは、
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光学エレメントとを含み、
前記スタンピングされた面は、(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)及びIII-窒化物半導体化合物を含む化合物であることを特徴とする発光アレー。 - 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加工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み、
前記スタンピングされた面は、(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む化合物及びIII-窒化物半導体化合物のうちの一方であることを特徴とするディスプレーデバイス。 - 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み、
前記スタンピングされた面は、(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む化合物及びIII-窒化物半導体化合物のうちの一方であることを特徴とするディスプレーデバイス。 - 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であって、前記材料は屈折率の大きい光学ガラス、III-V半導体、II-VI半導体、IV族の半導体、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のうちの一つである、そのような工程と、
前記材料を半導体発光素子にボンディングする工程であって、ボンディングは、前記材料と光が発光素子から出る半導体発光素子の面との境界においてなされる、そのような工程と、
を含む、発光デバイスを形成する方法。 - 前記スタンピング工程を、前記ボンディング工程よりも先行して行う、請求項24に記載の方法。
- 前記ボンディング工程を、前記スタンピング工程によりも先行しD行う、請求項24に記載の方法。
- 前記ボンディング工程は、前記材料をボンディング材料を用いて半導体発光素子へボンディングする工程であり、前記ボンディング材料は、前記材料は屈折率の大きい光学ガラス、III-V半導体、II-VI半導体、IV族の半導体、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のうちの一つである、請求項24に記載の方法。
- 前記ボンディング工程は、前記材料を前記半導体発光素子と共に、室温よりも高い温度でプレスすることからなる、請求項24に記載の方法。
- 半導体発光素子と、
発光デバイスから放射される光に対して透明な材料にスタンピングされた光学エレメントとを含み、
前記材料は、前記材料は屈折率の大きい光学ガラス、III-V半導体、II-VI半導体、IV族の半導体、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のうちの一つであり、
前記材料は、前記半導体発光素子にボンディングされ、ボンディングは、前記材料と光が発光素子から出る半導体発光素子の面との境界においてなされることを特徴とする発光デバイス。
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