改良された光抽出効果を有する発光ダイオード
【課題】改良された光抽出効率を有する発光デバイスの提供。
【解決手段】発光デバイスは活性領域１２を備える半導体層を含む層のスタックを有する。スタックは、活性領域１２により放射される光について約１．５より大きく好ましくは約１．８より大きい屈折率を有する光学素子２に結合される。透明光学素子（例えばレンズ又は光学濃縮器）を発光デバイスに結合させる方法は、光学素子及びスタックの温度を上昇させる工程と、光学素子と発光デバイスを共に押し付けるための圧力を加える工程とを含む。光学素子材料のブロックについては、発光デバイスに結合させた後、光学素子として形成させることができる。高屈折率の光学素子を発光デバイスに結合させることができ、全内部反射に起因する損失を低減させて、発光デバイスの光抽出効率を改良できる。
【解決手段】発光デバイスは活性領域１２を備える半導体層を含む層のスタックを有する。スタックは、活性領域１２により放射される光について約１．５より大きく好ましくは約１．８より大きい屈折率を有する光学素子２に結合される。透明光学素子（例えばレンズ又は光学濃縮器）を発光デバイスに結合させる方法は、光学素子及びスタックの温度を上昇させる工程と、光学素子と発光デバイスを共に押し付けるための圧力を加える工程とを含む。光学素子材料のブロックについては、発光デバイスに結合させた後、光学素子として形成させることができる。高屈折率の光学素子を発光デバイスに結合させることができ、全内部反射に起因する損失を低減させて、発光デバイスの光抽出効率を改良できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは発光ダイオードに関し、より詳細には高められた光抽出効率を有する発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）の光抽出効率は、ＬＥＤの内部量子効率に対するＬＥＤの外部量子効率の比率として定義される。典型的には、実装されたＬＥＤの光抽出効率は大幅に１より小さく、すなわち、ＬＥＤの活性領域で発生された光の多くは外部環境に到達しない。
【０００３】
光抽出効率は、ＬＥＤと周囲の材料との間の界面における全内部反射とこれに引続くその全内部反射した光のＬＥＤでの再吸収により低下する。例えば、エポキシ中に包み込まれた透明基層上の立方体の幾何形態であるＬＥＤについては、放射波長での屈折率（ｎ）は、例えば、ＬＥＤの半導体におけるnsemiの〜３．５から、エポキシにおけるnepoxyの〜１．５まで変化する。この例における、ＬＥＤ半導体からエポキシ封入材に入射する光の全内部反射についての対応する臨界角θｃは、θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（nepoxy／nsemi）〜２５゜である。散乱及び多重反射を無視すれば、立方体のＬＥＤの活性領域中の一点から４πステラジアンで放射された光は、半導体／エポキシ封入材の界面を、この光が、各界面に１つあり各光円錐の有する角度の半分が臨界角に等しい、６つの狭い光円錐の１つに放射されたときのみ通過する。全内部反射に起因する付加的な損失は、エポキシ／空気の界面でも起こりうる。したがって、エポキシに包み込まれた、有効通常幾何形態（例えば、直方体）の透明基板のＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤは、１００％近い内部量子効率を有するにも拘らず、例えば、〜４０％の外部量子効率を有しうるのみである。
【０００４】
ＬＥＤの光抽出効率に対する全内部反射の影響は、本明細書に引用により組み込まれた米国特許第５,７７９,９２４号、第５,７９３,０６２号、および、第６,０１５,７１９号中で更に論じられている。
【０００５】
光抽出効率を改良するための１つの手法においては、ＬＥＤが半球形状に削り落とされる。半球形状とされたＬＥＤの活性領域中の点から放射された光は、ほぼ垂直入射で半球表面を横断する。これにより、全内部反射が低減される。しかし、この技術は、面倒であり、材料を無駄にする。加えて、この削り落としの間に発生する欠陥が、ＬＥＤの信頼性や性能を劣化させる可能性がある。
【０００６】
別の手法においては、ＬＥＤは、ドームまたは半球形状の表面を有する材料で包み込まれる（収納される）。例えば、上述の例のエポキシ封入材をドームに形作ることができ、エポキシ封入材／空気の界面における全内部反射に起因する損失が低減される。しかし、エポキシのような低屈折率の封入材の表面を形作ることは、半導体／低屈折率封入材の界面の全内部反射に起因する損失を低減しない。さらに、エポキシ封入材は、ＬＥＤ中の半導体材料の熱膨張係数との整合性に乏しい熱膨張係数を有する。したがって、エポキシ封入材は、加熱または冷却によりＬＥＤに機械的応力を加え、ＬＥＤを損傷させることがある。ＬＥＤはまた、ドームに形作られた高屈折率のガラスに封入されるので、半導体／封入材の界面の臨界角が増大される。不運にも、高屈折率ガラス中での光の吸収、および、機械的応力は、そのようなガラス中へ封入されたＬＥＤの性能を典型的に低下させる。
【０００７】
上記方法の欠点を有しない、発光ダイオードの光抽出効率を高める方法が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５,７７９,９２４号
【特許文献２】米国特許第５,７９３,０６２号
【特許文献３】米国特許第６,０１５,７１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
改良された光抽出効率を有する発光デバイスが提供される。発光デバイスは、活性領域を備える半導体層を含む層のスタックを有する。該スタックは透明な光学素子に結合される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
いくつかの実施形態では、光学素子は、例えば、半球体のレンズ、または、フレネルレンズである。別の実施形態では、光学素子は、例えば、全内部反射器（ＴＩＲ）を用いた光学濃縮器である。光学素子は、例えば、光学ガラス、III−Ｖ族半導体、II−VI族半導体、IV族半導体および化合物、金属酸化物、金属フッ化物、ダイアモンド、サファイア、酸化ジルコニウム、イットリウムアルミニウムガーネット、または、これらの組合せにより形成される。活性領域により放射される光についての光学素子の屈折率は、好ましくは約１.５より大きく、より好ましくは約１.８より大きい。
【００１１】
一実施形態では、透明光学素子は、上記スタックの半導体層のうちの少なくとも１つに直接結合される。別の実施形態では、透明光学素子は、半導体層の上に配置される透明上層に直接結合される。透明上層は、活性領域により放射される光について好ましくは約１.８より大きい屈折率を有する。
【００１２】
他の実施形態では、発光デバイスは、光学素子と上記スタックの表面との間に配置される透明結合層を含む。この透明結合層は、上記スタックの表面に光学素子を結合させる。一実施形態では、該表面は半導体層の１つの表面を含む。別の実施形態では、上記表面は半導体層の上に配置される透明上層の表面を含む。この透明結合層は、例えば、金属、リン化物系化合物、ヒ化物系化合物、アンチモン化物系化合物、窒化物系化合物、または、透明光学素子について上記のように列挙した材料のいずれかにより形成される。一実施形態では、透明結合材料は、活性領域により放射された光について約１.５より大きい、好ましくは約１.８より大きい屈折率を有する。
【００１３】
活性領域を備える半導体層を含む層のスタックを有する発光デバイスに対して透明光学素子を結合させる方法が提供される。この方法は、光学素子およびスタックの温度を上昇させる工程と、光学素子とスタックとをともに押し付けるために圧力を加える工程と、を含む。一実施形態では、この方法は、さらにスタックと光学素子との間に透明結合材料の層を配置する工程を含む。この結合方法については、予め作製された光学素子に対してか、または、後に形成されるか、もしくは、レンズもしくは光学濃縮器のような光学素子として形成される、光学素子材料のブロックに対して、適用することができる。
【００１４】
発光デバイスに対して高屈折率の光学素子を結合を結合させることにより、全内部反射に起因する損失を低減させて、発光デバイスの光抽出効率を改良することができる。封入材を使用することなくこのような改良を達成できるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】本発明の一実施形態にかかる互いに結合される光学素子および発光ダイオードの概略図
【図１Ｂ】本発明の一実施形態にかかる結合層を用いて発光ダイオードに結合される光学素子の概略図
【図１Ｃ】本発明の別の実施形態にかかる発光ダイオードに結合される光学素子の概略図
【図１Ｄ】本発明の別の実施形態にかかる発光ダイオードに結合される光学濃縮器の概略図
【図２】本発明の別の実施形態にかかる発光ダイオードに直接に結合される光学素子の概略図
【図３】本発明の一実施形態にかかる結合層を用いて傾斜した側部を有する発光ダイオードに結合される光学素子の概略図
【図４】本発明の一実施形態にかかる結合層を用いて基層および上層を有する発光ダイオードに結合される光学素子の概略図
【図５】本発明の一実施形態にかかる基層および上層を有する発光ダイオードに直接に結合される光学素子の概略図
【図６】本発明の一実施形態にかかる結合層を用いて「フリップチップ」幾何形態を有する発光ダイオードに結合される光学素子の概略図
【図７】本発明の一実施形態にかかる「フリップチップ」幾何形態を有する発光ダイオードに直接に結合される光学素子の概略図
【図８】光学素子にほぼ垂直な活性領域を有する発光ダイオードに対して結合層を用いて結合される該光学素子の概略図
【図９】光学素子にほぼ垂直な活性領域を有する発光ダイオードに対して直接に結合される該光学素子の概略図
【図１０】光学素子の表面における凹部内に配置され、かつ、該光学素子に直接に結合される発光ダイオードの概略図
【図１１】光学素子の表面における凹部内に配置され、かつ、結合層を用いて該光学素子に結合される発光ダイオードの概略図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１Ａには、本発明の実施形態にかかる、互いに結合される透明な光学素子２および発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイ４が示されている。図１Ｂでは、本発明の一実施形態に基づいて、透明光学素子２が、透明結合層６を用いてＬＥＤダイ４に結合される。
【００１７】
本明細書においては、「透明」という用語は、「透明光学素子」、「透明結合層」、「透明基層」または「透明上層」のように記述される光学素子が、吸収や散乱に起因する単一経路損失が約５０％未満、好ましくは１０％未満であるＬＥＤの放射波長で、光を透過させることを示すために用いられる。ＬＥＤの放射波長は、電磁スペクトルの、赤外、可視または紫外領域にあってよい。当業者は、伝達経路長や吸収定数を種々組合せることによって、「５０％未満の単一経路損失」および「１０％未満の単一経路損失」である条件を満しうることを理解できるであろう。本明細書で用いているような「光学濃縮器（optical concentrator）」は、全内部反射器に限定することなくこれを含み、かつ、入射光を反射または再指向（redirect）させる反射金属または誘電体材料によりコーティングされた壁（wall）を有する光学素子を含む。
【００１８】
図１Ａおよび図１Ｂに示されるＬＥＤダイ４は、ｎ−型伝導性（ｎ−層）の第１の半導体層８およびｐ−型伝導性（ｐ-層）の第２の半導体層１０を含む。半導体層８および１０は、活性領域１２に電気的に接続される。活性領域１２は、例えば、層８と層１０との界面におけるｐ−ｎダイオード接合である。これに代えて、活性領域１２は、ドーピングされたｎ−型もしくはｐ−型の、または、ドーピングされない、１つ以上の半導体層を含む。ｎ−接点１４およびｐ−接点１６は、それぞれ半導体層８および１０に電気的に接続される。接点１４と１６との間に適切な電圧を印加することにより、活性領域１２は光を放射する。別の実施例では、層８、１０および接点１４および１６の伝導性の型が逆になる。すなわち、層８はｐ−型層であり、接点１４はｐ−接点であり、層１０はｎ−型層であり、そして接点１６はｎ−接点である。
【００１９】
半導体層８と１０、および活性領域１２は、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂをこれらに限定されずに含むIII−Ｖ族半導体、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅをこれらに限定されずに含むII−VI族半導体、Ｇｅ、Ｓｉ、ＳｉＣをこれらに限定されずに含むIV族半導体、およびこれらの混合物またはアロイから形成される。これらの半導体は、それら半導体が存在するＬＥＤの典型的な放射波長において、約２.４〜約４.１の範囲の屈折率を有する。例えば、ＧａＮのようなIII族窒化物半導体は、５００ｎｍで約２.４の屈折率を有し、ＩｎＧａＰのようなIII族リン化物は、６００ｎｍで約３.７の屈折率を有している。
【００２０】
接点１４および１６は、一実施例では、金、銀、ニッケル、アルミニウム、チタン、クロム、白金、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウム、タングステン、およびこれらの混合物または合金を、これらに限定されずに含む金属から形成される。他の実施例では、接点１４および１６の一方または両方が、インジウム錫酸化物のような透明な伝導体により形成される。
【００２１】
図１Ａおよび図１Ｂは特定のＬＥＤ構造を示しているが、本発明は、ＬＥＤダイ４中の半導体層の数とは無関係であり、活性領域１２の細部の構造と無関係である。また、ＬＥＤダイ４は、例えば、図１Ａおよび図１Ｂで示されない透明基層および透明上層を含むことができる。種々の数字で示されたＬＥＤダイ４の種々の構成要素の寸法が一定の縮尺となっていないことに、留意されたい。
【００２２】
一実施形態では、結合材料の層が、ＬＥＤダイ４の上部表面１８に付与されて透明結合層６（図１Ｂ）が形成され、この結合層で光学素子２とＬＥＤダイ４が結合される。透明結合層６の厚さは、例えば、約１０オングストローム（Å）〜約１００ミクロン（μｍ）である。結合材料は、例えば、従来の堆積技術、これらに限定するものではないが、スピニング、スパッタリング、蒸発法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、または、材料成長法の一部として、例えば、有機金属気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、気相エピタキシー（ＶＰＥ）、液相エピタキシー（ＬＰＥ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）による方法などを含む技術により、付与される。透明結合層６は、例えば、従来のフォトリソグラフィおよびエッチング技術により選択的にパターン付けられ、接点１４を結合材で覆わないようにし、これにより、接点１４が、光学素子２上の選択的な金属化層２０に電気的に接触できるようにする。金属化層２０は、一実施形態では、網状であり、他の実施形態では、連続的なまたはパターン付けされた層であって、例えば、約２Å〜約５０００Åの厚さを有し、入射光を約１０％より多く、好ましくは約５０％より多く透過させ、接点１４に接続された、物理的に利用できる電気的接触を提供する。
【００２３】
金属化層２０は、例えば、金属、または、インジウム錫酸化物のような透明な伝導体により形成される。
【００２４】
別の実施形態では、透明結合層６は、光学素子２のほぼ平坦な表面２２の上に、または、金属化層２０の上に形成され、例えば、従来のフォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて選択的にパターン付けされ、接点１４と金属化層２０との間に電気的接触を設けることができる。他の実施形態では、結合層６のような透明結合層は、ＬＥＤダイ４の表面１８と光学素子２の表面２２の両方の上に形成される。他の実施形態では、接点１４は分離して設けられず、結合層６はがパターン付けされて、金属化層２０とｎ−層８との間に電気的接触が設けられる。図１Ｃに示す実施形態では、接点１４も結合層１２も、分離して設けられず、金属化層２０が付加的に結合層として機能する。他の実施形態では、接点１４が表面１８の上に設けられず、金属化層２０は用いられない。
【００２５】
以下の説明では、結合層６は、ＬＥＤダイ４上に形成されていて、光学素子２の表面２２の上、または、ＬＥＤダイ４および表面２２の両方の上に形成されていないとみなすが、以下に記載される工程については、後者の実施形態を実現するために簡単に修正することができる。
【００２６】
一実施例では、透明結合層６を形成する結合材料は、高屈折率を有する光学ガラス、すなわち、活性領域１２により放射された波長範囲において約１.５より大きい屈折率を有する光学ガラスである。その屈折率は、好ましくは、約１.８より大きい。透明結合層６は、例えばショットガラスＳＦ５９、すなわち、屈折率の大きいフリントガラス（flint glass）により形成される。このフリントガラスは、波長〜６００ナノメートル（ｎｍ）において〜１．９５の屈折率（ｎ）を有し、ガラス転移温度（ＴＧ）として〜３６２℃を有する。これに代えて、透明結合層６は、〜６００ｎｍにおけるｎとして〜１．８１およびＴＧとして６３０℃を有するショットガラスＬａＳＦ３と、〜６００ｎｍにおけるｎとして〜１．９１およびＴＧとして６６０℃を有するショットガラスＬａＳＦ Ｎ１８と、これらの混合物とを、これらに限定されずに含む、高屈折率光学ガラスにより形成される。これらのガラスは、ペンシルバニア州・ジュリアにあるショット・グラス・テクノロジーズ・インコーポレーテッドより入手できる。結合層６については、また、例えば、（Ｇｅ，Ｓｂ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）カルゴゲナイドガラスのような高屈折率カルゴゲナイドガラスにより形成することができる。
【００２７】
他の実施例では、結合層６は、ＧａＰ（５００ｎｍでｎ〜３.３）、ＩｎＧａＰ（６００ｎｍでｎ〜３.７）、ＧａＡｓ（５００ｎｍでのｎ〜３.４）およびＧａＮ（５００ｎｍでｎ〜２.４）を、これらに限定されずに含むIII−Ｖ族半導体；ＺｎＳ（５００ｎｍでｎ〜２.４）、ＺｎＳｅ（５００ｎｍでｎ〜２.６）、ＺｎＴｅ（５００ｎｍでｎ〜３.１）、ＣｄＳ（５００ｎｍでｎ〜２.６）、ＣｄＳｅ（５００ｎｍでｎ〜２.６）およびＣｄＴｅ（５００ｎｍでｎ〜２.７）を、これらに限定されずに含むII−VI族半導体；Ｓｉ（５００ｎｍでｎ〜３.５）およびＧｅ（５００ｎｍでｎ〜４.１）を、これらに限定されずに含むIV族半導体および化合物；有機半導体、ならびに、酸化タングステン、酸化チタン（５００ｎｍでｎ〜２.９）、酸化ニッケル（５００ｎｍでｎ〜２.２）、酸化ジルコニウム（５００ｎｍでｎ〜２.２）、インジウム錫酸化物および酸化クロムを、これらに限定されずに含む金属酸化物；フッ化マグネシウム（５００ｎｍでｎ〜１.４）、およびフッ化カルシウム（５００ｎｍでｎ〜１.４）を、これらに限定されずに含む金属フッ化物；Ｚｎ、Ｉｎ、ＭｇおよびＳｎを、これらに限定されずに含む金属；イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、リン化物系化合物、ヒ化物系化合物、アンチモン化物系化合物、窒化物系化合物、高屈折率有機化合物；およびそれらの混合物およびアロイ、により形成される。
【００２８】
一実施例では、結合層６は、活性領域１２から放射された光の波長を他の波長に変換するルミネセンス材料を含む。ルミネセンス材料は、例えば、従来の蛍光体粒子、有機半導体、II−VIまたはIII−Ｖ族半導体、II−VもしくはIII−Ｖ族半導体量子ドットまたはナノクリスタル、染料、ポリマー、および欠陥中心からルミネセンスを示すＧａＮのような材料を含む。結合層６が従来の蛍光体粒子を含むならば、結合層６は、典型的には約５ミクロン〜約５０ミクロンの寸法を有する蛍光体粒子を収容するのに十分な厚みを有しなければならない。
【００２９】
一実施例では、結合層６は、ＬＥＤダイ４の上部層、例えば、半導体層８の屈折率より小さい屈折率を有する、高屈折率材料（ＬＥＤの放射波長で、約１.５より大きく、好ましくは１.８より大きい屈折率の）から形成される。ＬＥＤダイ４内から半導体層８／結合層６の界面への入射光の全内部反射の臨界角が存在する。しかし、この臨界角は、ＬＥＤダイ４とエポキシまたは空気との間の怪異面についての臨界角に比べれば増大され、エポキシ封入材または空気中に抽出されるよりも多くの光が表面１８を通過して結合層６中に抽出される。他の実施形態では、結合層６（例えば、ＺｎＳまたはＺんＳｅ）の屈折率は、半導体層８（例えばＧａＮ）より大きいかまたは等しく、ＬＥＤダイ４の内側から結合層６への入射光は、全内部反射されない。フレネル反射損失は、結合層６とＬＥＤダイ４との屈折率をほぼマッチさせることにより最小にすることができるものではあるが、フレネル反射損失を無視すれば、後者の場合にもまた、エポキシ封入材または空気中に抽出されるものよりも多くの光が表面１８を通過して結合層６中に抽出される。
【００３０】
他の実施例では、透明結合層６は、低屈折率の結合材料、すなわち、ＬＥＤの放射波長で、約１.５未満の屈折率を有する結合材料により形成される。例えば、フッ化マグネシウムが、このような結合材料の１つである。低屈折率光学ガラス、エポキシ、およびシリコーンも、好適な低屈折率結合材料となりうる。低屈折率の材料から形成された透明結合層をわたる、ＬＥＤダイ４から光学素子２への効率的な光の透過については、結合層６の厚さが十分に薄ければ、達成できる、ということを当業者は理解するであろう。したがって、この実施例では、ＬＥＤダイ４／結合層６の界面での全内部反射に起因する損失は、結合層６の厚さを約５００Å未満、好ましくは約１００Å未満とすることにより低減される。表面１８もしくは表面２２の粗さ、または、表面１８もしくは表面２２上の不規則性の代表的な高さが、結合層６の厚さを超えるならば、光学素子２はＬＥＤダイ４に十分には結合しないであろう。この実施形態では、表面１８および２２は、選択的に研磨され、結合層６の厚さ以下の程度の表面厚さが得られる。
【００３１】
ＬＥＤダイ４が、活性領域１２により放射された光を吸収する材料を含み、結合層６が低屈折率の材料から形成され、上記のように薄くされてはいなければ、活性領域１２から放射された光の大部分がＬＥＤダイ４内に典型的に閉じ込められ、結合層自身に吸収がなくても、その光は吸収されて失われるであろう。対照的に、高屈折率の材料から形成された結合層６は、その高屈折率の結合材料が、例えば、放射光の一部を吸収するカルコゲナイドガラスのような材料であっても、典型的には、活性領域１２によりＬＥＤダイ４から放射された光のうちのより大きい部分を光学素子２に結合することになる。
【００３２】
透明結合層６がＬＥＤダイ４に付与された後、光学素子２のほぼ平坦な表面２２は結合層６へ向けて配置される。次いで、結合層６の温度は、ほぼ室温と約１０００℃との間の温度にまで上昇され、光学素子２とＬＥＤダイ４は、約１秒〜約６時間の間、約１ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）〜約６０００ｐｓｉの圧力で、一緒に押付けられる。本発明者らは、この工程において、剪断応力、蒸発−凝縮、液化（または溶融または軟化）、およびそれに続く固体化、拡散または合金化を経た物質移動により、例えば、光学素子２と結合層６（ＬＥＤダイ４上に形成された）との間にもたらされた接合によって、光学素子２がＬＥＤダイ４に結合されると信じている。本発明者らは、別の実施例では、例えば、光学素子２とＬＥＤダイ４の各々の上に同様に形成された結合層の間、または、結合層６（光学素子２の上に形成された）とＬＥＤダイ４との間の物質移動により同様にもたらされた結合により、光学素子２がＬＥＤダイ４に結合されると信じている。よって、物質移動により特徴付けられた結合界面を、結合素子２とＬＥＤダイ４の間に配置することができる。一実施例では、例えば、ｎ−層８と結合層６の界面での表面１８がそのような結合界面である。他の実施例では、光学素子２およびＬＥＤダイ４それぞれの上に形成された結合層の界面が結合界面である。他の実施例では、光学素子２と結合層６との界面が、結合界面である。
【００３３】
例えば、透明結合層６が、ＬＥＤダイ４の上に光学ガラスにより形成されると、一実施例では、結合層６の温度が光学ガラスの歪み点温度付近にまで上昇される。歪み点温度は、ガラス転移温度に近いがそれより低く、光学ガラスの粘度が約１０14.5ポアズとなる温度である。歪み点温度は、また、光学ガラスについての温度対膨張のプロットにおける最初の非線形性に対応し、、アニーリング範囲の下限を表すものである。歪み点温度の近くまたはその上の温度で得られた、層６の光学ガラスの柔軟性および低下した表面張力が、光学ガラスを表面２２に顕微鏡的に整合させ、光学素子２と結合層６との間の結合をもたらす。
【００３４】
光学素子２をＬＥＤダイ４に結合させる上記の工程については、本明細書に引用により組み込まれた米国特許第５,５０２,３１６号および第５,３７６,５８０号に開示され、従来、半導体ウェハを高温高圧のもとで互いに結合するために用いられた装置を用いて実行することができる。これら特許に開示された装置については、必要に応じＬＥＤダイおよび光学素子を設けるよう変更することができる。これに代えて、上記の結合工程については、通常の垂直加圧機を用いて行うことができる。
【００３５】
透明光学素子２は、例えば、ＳｉＣ（５００ｎｍでｎ〜２.７）、酸化アルミニウム（サファイア、５００ｎｍでｎ〜１.８）、ダイアモンド（５００ｎｍでｎ〜２.４）、または、透明結合層６における結合材料としての使用のために上記で列挙されたもののうち、金属を除く何れかの材料から形成される。光学素子２と、該光学素子２が結合されるＬＥＤダイ４の熱膨張係数の間の不整合が大きいと、加熱または冷却に際して光学素子２がＬＥＤダイ４から分離することが起こりうる。また、熱膨張係数をほぼ整合させることにより、結合層６および光学素子２によりＬＥＤダイ４に引起される応力が低減される。よって、一実施例では、光学素子２は、光学素子２が結合されるＬＥＤダイ４の熱膨張係数にほぼ整合する熱膨張係数を有する材料により形成される。
【００３６】
一実施形態では、透明光学素子２は、ＬＥＤダイ４から光学素子２に入射する光が垂直入射に近い入射角で光学素子２の表面２４を横断するような、形状と寸法を有する。表面２４と周囲の媒体、典型的には空気との界面での全内部反射は、これにより低減される。加えて、入射角の範囲が狭いので、表面２４でのフレネル反射損失については、表面２４に対して通常の反射防止コーティングを付与することにより低減できる。光学素子２の形状は、例えば、半球、ワイエルストラス球（上部を切り取られた球）、または、半球より小さい球の一部のような、球体の一部分である。これに代えて、光学素子２の形状は、上部を切り取られた楕円面のような楕円面の一部である。ＬＥＤダイ４から光学素子２に入射する光についての表面２４での入射角は、光学素子２の寸法が大きくなるにつれて、垂直入射により近づいていく。よって、ＬＥＤダイ４の表面１８の長さに対する透明光学素子２の基部の長さの最少比率は、好ましくは、約１より大きく、約２よより好ましくは、約２より大きい。
【００３７】
特定の材料の光学素子２が上記で定義されるような透明であり続ける最大の寸法が、ＬＥＤの放射波長での光学素子材料の吸収係数により定められることは、当業者に理解されるであろう。一実施例では、光学素子２はフレネルレンズである。フレネルレンズは、例えば、比較できる焦点距離の球面光学素子よりも典型的に薄いので、吸収が少ない。
【００３８】
いくつかの実施例では、光学素子２は、光学濃縮器、例えば全内部反射器（ＴＩＲ）を用いた光学濃縮器を含むことができる。図１Ｄは、ＬＥＤダイ４に接続される光学濃縮器の一例を示す。図１Ｄは、放物形状を有する光学濃縮器（光学素子２）の表面２３を描いているが、表面２３については、錐体形状または傾斜形状のような、濃縮された光に対してデザインされた任意の形状とすることができ、かつ、金属化材料または誘電体材料によりコーティングすることができる。ＬＥＤダイ４の活性層１２については、表面２４での全内部反射を経験する光の量を低減するように配置する。例えば、活性層１２は、光学素子２の焦点のあたりに配置される。表面２３がない場合に臨界角より大きい角で表面２４を横切った部分は、この部分が最初に表面２３に反射すれば、上記臨界角内の角度で表面２４を横切る。したがって、表面２３は、光子がＬＥＤダイ４を逃れる見込みを増加させる。
【００３９】
他の実施例では、光学素子２は、例えば、表面２２に直交する方向において減少する、または、表面２２の中心近くの最大値から放射状に減少する屈折率を有する、屈折率勾配レンズである。
【００４０】
一実施例では、光学素子２は、活性領域１２により放射された光の波長を他の波長に変換するルミネセンス材料を含む。他の実施例では、表面２２上のコーティングは、例えば、ルミネセンス材料を含む。ルミネセンス材料は、例えば、通常の蛍光体粒子、有機半導体、II−VIまたはIII−Ｖ族半導体、II−VIまたはIII−Ｖ族半導体量子ドットまたはナノクリスタル、染料、ポリマー、および、欠陥中心からルミネセンス発光するＧａＮのような材料、を含む。これに代えて、光学素子２の表面２２に近い領域が、例えば、ルミネセンス材料でドーピングされる。
【００４１】
光学素子２、結合層６、およびＬＥＤダイ４の上部層の屈折率の大きさ（それぞれｎoptical element、ｎbond、およびｎLED）は、６つの順列に並べることができる。ｎLED≦ｎbond≦ｎoptical elementまたはｎLED≦ｎoptical element≦ｎbondであれば、全内部反射に起因する損失は除かれるが、フレネル損失が発生しうる。特に、ｎLED＝ｎbond＝ｎoptical elementであれば、フレネルまたは全内部反射に起因する損失なしに、ＬＥＤダイ４からの光が光学素子２に入射する。これに代えて、ｎbond≦ｎLED≦ｎoptical elementではあるが、ｎbond＞ｎepoxyであるかまたは結合層６が上述のように薄ければ、フレネル損失が無視され、エポキシ封入材または空気中に抽出されるであろうよりも多くの光が光学素子２中に抽出される。同様に、ｎbond≦ｎoptical element≦ｎLEDではあるが、ｎbond＞ｎepoxyであるか、または、結合層６が上述のように薄く、かつ、ｎoptical element＞ｎepoxyであれば、フレネル損失が無視され、エポキシ封入材または空気中に抽出されるであろうよりも多くの光が光学素子２中に抽出される。ｎoptical element≦ｎbond≦ｎLEDまたはｎoptical element≦ｎLED≦ｎbondではあるが、ｎoptical element＞ｎepoxyであれば、フレネル損失が無視され、エポキシ封入材または空気中に抽出されるよりも多くの光が光学素子２中に抽出される。よって、透明光学素子２は、ＬＥＤダイ４の放射波長で、好もしくは、約１.５より大きい屈折率を有し、より好ましくは、約１.８より大きい屈折率を有する。周囲の媒体がエポキシ封入材でなく空気（ｎair〜１）であれば、ｎepoxyにｎairを代入して、同様な解析が適用される。
【００４２】
結合層６が蛍光体粒子を含み、かつ、好ましくは高屈折率のカルコゲナイズドガラスである結合材料の屈折率が、蛍光体の屈折率とほぼ一致すれば、活性領域または蛍光体粒子により放射された光の蛍光体粒子による散乱は無視できるであろう。蛍光体粒子、結合材材料、ＬＥＤダイ４の上部層（例えばｎ−層８）、および、光学素子の屈折率が、全てほぼ等しいことが好ましい。これは、ＬＥＤダイ４の上部層がＩｎＧａＮである場合において、蛍光体粒子がＳｒＳ：Ｅｕおよび／またはＳｒＧａＳ：Ｅｕであり、光学素子がＺｎＳである場合に相当する。
【００４３】
図２を参照すれば、別の実施形態において、透明光学素子２が、分離された結合層を用いることなく、ＬＥＤダイ４の上部表面１８に、直接結合されている。本発明者らは、剪断応力、蒸発−凝縮、液化（または溶融または軟化）、およびそれに続く固体化、拡散または合金化を経た物質移動により、光学素子２とＬＥＤダイ４との間に結合がもたらされたものと信じている。金属化層２０を設ける場合には、この金属化層は、パターン付けされ、光学素子２の表面２２が直接表面１８に接触できるようにされる。表面２２もまた、選択的に、例えばエッチングによりパターン付けされる。本実施形態における一実施例では、透明光学素子２は、分離された結合層を形成するために用いられる、上記で列挙されたような材料により形成される。別の実施例では、ＬＥＤダイ４の上部層（例えば、図２におけるｎ−層８）を形成する材料は、結合材料として好適である。よって、光学素子２またはＬＥＤダイ４の上部層のいずれかは、付加的に結合層として機能し、分離された結合層は不用である。一実施例では、表面１８における光学素子２とＬＥＤダイ４の界面は、例えば、光学素子２とＬＥＤダイ４との間の物質移動により特徴付けられた結合界面である。
【００４４】
ＬＥＤダイ４に直接結合された光学素子２については、ｎLED≦ｎoptical elementであるか、または、ｎoptical element＜ｎLEDではあるがｎoptical element＞ｎepoxyであれば、フレネル反射損失が無視され、エポキシ封入材中に抽出されるであろうよりもより多くの光が光学素子２中に抽出される。周囲の媒体が、エポキシ封入材でなく空気（ｎair〜１）であれば、ｎepoxyにｎairを代入して同様な解析が適用される。
【００４５】
透明光学素子２は、結合層６を用いる結合工程について上述したような温度と圧力で、ＬＥＤダイ４に直接結合される。一実施例では、ＬＥＤダイ４の表面１８または光学素子２の表面２２は、例えばＺｎまたはＳｉのような高い拡散率を示す材料でドーピングされる。このようなドーピングは、例えば、ＭＯＣＶＤ、ＶＰＥ、ＬＰＥもしくはＭＢＥによる材料成長の間に、または、例えば注入による材料成長の後で行われる。他の実施例では、高拡散率の材料の薄層が、表面１８および２２の少なくとも１つの表面上に堆積されることにより、光学素子２とＬＥＤダイ４との間に配置される。堆積は、例えば、蒸発法またはスパッタリング法のような従来の方法により実行される。発明者らは、結合工程の間に、高拡散率の材料が光学素子２とＬＥＤダイ４との界面を越えて拡散し、光学素子２とＬＥＤダイ４との間の物質移動を促進させると考えている。ここで用いる高拡散率材料の量は、例えば、光学素子２とＬＥＤダイ４の上部層の透明度を維持するのに十分少なければならない。例えば、光学素子２とＬＥＤダイ４の上部層の透明度を維持するのに十分少なくなければならない。
【００４６】
結合方法を適用することは、予め作製された光学素子に限定されない。透明光学素子２は、上述した方法によりＬＥＤダイ４に結合され、かつ、この後、光学素子２として形成される、透明光学素子材料のブロックでありうる。光学素子２については、おそらく、フォトリソグラフィもしくは他のリソグラフィ技術、電子ビームリソグラフィ、イオンビームリソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、または、ホログラフィックリソグラフィとともに、エッチングを用い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）および化学援用イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）のような、ウェットエッチングまたはドライエッチング技術についても、同様に用いることができる。また、光学素子２は、イオンビームミリング（milling）もしくは極細イオンビームミリング（ＦＩＢ）を用いて透明光学素子材料の表面にミリングされるか、走査型電子ビームもしくはレーザビームを用いて表面中に除去（ablate）されるか、または、のこ引き、ミリングもしくはスクライビングにより表面中に機械的に切削される。加えて、光学素子２は、本明細書中で引用することにより組み込まれる米国特許第０９／８２３,８４１号に開示された方法を用いて、透明光学素子材料のブロック中にダイス型で圧断（stamp）される。
【００４７】
ＬＥＤダイ４を光学素子２に結合することは、従来のＬＥＤダイ４を封入材に収納することに比べて好都合である。例えば、結合層を用いまたは用いずに、上述のように光学素子２に結合されたＬＥＤダイ４の表面１８を通過する光の抽出効率は、従来のエポキシ封入されたＬＥＤに比較して改良されている。例えば、結合層を用いまたは用いずに、上述のように光学素子２に結合されたＬＥＤダイ４の表面１８を通過する光の抽出効率は、通常のエポキシ封入されたＬＥＤに比較して改良されている。加えて、ＬＥＤダイ４は、エポキシ封入（収納）されたＬＥＤにより経験される有害な応力を受けることを要しない。さらに、比較的低い温度で劣化するエポキシ封入材がないときには、ＬＥＤダイ４をより高い温度で作動させることができる。この結果、ＬＥＤダイ４の光出力については、高い電流密度でＬＥＤを作動させることにより、増加させることができる。
【００４８】
しかしながら、所望とあらば、光学素子２に結合されたＬＥＤダイ４については、付加的に例えばエポキシまたはシリコーンの中に封入することができる。光学素子２に結合されたＬＥＤダイ４のこのような封入は、光学素子２へのＬＥＤダイ４の表面１８を通過する光の抽出効率に影響を与えない。表面２４と封入材との界面での全内部反射については、上述したような光学素子２の形状および寸法により、最小化することができる。
【００４９】
いくつかの実施例では、ＬＥＤダイ４は、例えば、高い温度で劣化する電気的接点のための金属化部位を含む。他の実施例では、ＬＥＤダイ４は、はんだ、または、銀を有しかつ高音で劣化するダイ接着エポキシを用いて、図示しないサブマウントに結合される。（ダイ接着エポキシは、エポキシ封入材と区別されることに留意せよ）。この結果、一実施例では、ＬＥＤダイ４に光学素子２を、結合層６を用いてまたは用いずに結合させる工程は、例えば、金属化部位またはダイ接着エポキシの劣化を避けるために、約５００℃未満の温度で行われる。他の実施例では、光学素子２は、未完成のＬＥＤダイ、例えば、金属化の一部または全部が行われていないＬＥＤダイに結合される。後者の実施例では、ＬＥＤダイ４の製作は光学素子結合工程の後に完了される。
【００５０】
図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０および図１１に示すように、ＬＥＤダイ４の構造は、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃおよび図２に表された構造と異なるものでもよい。図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０および図１１における同様の参照符号は、種々の実施形態において同一部分を示す。
【００５１】
図３の実施形態において、ＬＥＤダイ４の側部２６および２８は傾斜しているので、それらは結合層６に対してそれぞれ９０度未満の角αおよび角βで交差し、活性領域１２に対してそれぞれ９０度を超える角γおよび角δで交差する。図３には、２つの斜めの側部が示されるが、他の実施形態では、ＬＥＤダイ４は、２つより多いか、または少ない斜めの側部を有し、例えば、実質的に円錐形または角錐形である。２つより多いかまたは少ない傾斜した側部を有し、例えば、実質的に円錐形または角錐形である。
【００５２】
傾斜した側部２６および２８は、活性領域から放射した光を結合層６の方向に反射する。傾斜した側部２６および２８がない場合には、ＬＥＤダイ４内に閉じ込められたまたはダイの側部から外へ失われる光が、これにより、都合よく結合層６および光学素子２を通じて抽出される。一実施形態では、ＬＥＤダイ４は、空気のような低屈折率の媒体により取り囲まれており、活性領域１２から傾斜した側部２６および２８に入射した光の一部は全内部反射して結合層６へ向かう。他の実施形態では、傾斜した側部２６および２８は、結合層６の方向に光を反射させる反射性のコーティング、すなわち、一実施例では金属層、他の実施例では誘電体層を用いて、コーティングされる。
【００５３】
一実施形態では、接点１６は高度に反射性である。したがって、この実施形態では、接点１６に入射した光は、直接または側部２６もしくは２８からの付加的な反射の後、結合層６の方向に反射される。この結果、ＬＥＤダイ４の光抽出効率は、増加する。
【００５４】
図４および図５に示した実施形態では、ＬＥＤダイ４は、金属化層２０に電気的に接続され、かつ、ｎ−層８に電気的に接続された伝導性の透明な上層３０と、ｐ−層１０および接点１６に電気的に連結された、伝導性を有する、選択的に設けられる透明な基層３２とを含む。上層３０および（選択的に設けられる）基層３２は、例えば、ＬＥＤダイ４により放射される光子のエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する半導体により形成される。上層３０は、好ましくは約１.５より大きく、より好ましくは約１.８より大きい、活性領域１２の放射波長での屈折率を有する材料により形成される。他の実施例では、上述のように、ＬＥＤダイ４の側部２６および２８は、傾斜しており、かつ、高度に反射性であり、接点１６は高度に反射性である。図４に示した実施形態では、透明光学素子２は、結合層６により上層３０に結合され、ｎ-層８は、ｎ−接点１４により金属化層２０に電気的に接続される。図５に示した実施形態では、透明光学素子２は、上層３０に直接結合され、ｎ−接点１４は、分離しては設けられない。
【００５５】
図６および図７に示した「フリップチップ」実施形態では、接点１４および接点１６は、ＬＥＤダイ４の同一側に配置される。光学素子２は、ＬＥＤダイ４において接点１４および１６の反対側に結合されるので、これらの実施形態では、光学素子２の上には金属化層が不要となる。金属化層がないことにより、光学素子２への光抽出効率が向上する。他の実施例では、上述したように、ＬＥＤダイ４における側部２６および２８は、傾斜しており、かつ、高度に反射性を有する。接点１６は高度に反射性である。透明上層３４は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮまたはＧａＰのような、活性領域１２の放射波長で、好ましくは約１.５より大きく、より好ましくは約１.８より大きい屈折率を有する材料により形成される。図６に示した実施形態では、光学素子２は、結合層６を用いて透明上層３４に結合される。図７に示した実施形態では、光学素子２は、透明上層３４に直接に結合される。
【００５６】
図６および図７に示した実施形態のうちの一実施例では、光学素子２はＺｎＳにより形成され、上層３４はＳｉＣまたはＧａＮにより形成され、ｎ-層８はＧａＮのようなIII族窒化物半導体により形成される。他の実施例では、光学素子２はＧａＰから形成され、上層３４はＧａＰにより形成され、ｎ-層８はＡｌＩｎＧａＰアロイのようなIII族リン化物半導体により形成される。結合層６を設ける場合には、この結合層は、例えばＺｎＳにより形成される。
【００５７】
図８および図９に示した実施形態では、ｎ-層８、ｐ−層１０および活性領域１２の方向は、光学素子２とほぼ直交する。図６および図７に示した実施形態と同様に、光学素子２の上には、金属化層は必要とされない。図８に示した実施形態では、光学素子２は、結合層６を用いてＬＥＤダイ４に結合される。図９に示した実施形態では、光学素子２は、ＬＥＤダイ４に直接に結合される。一実施例では、ＬＥＤダイ４は、層８と層１０に、かつ、活性領域１２に対してほぼ直交する方向に作られた切片を用いて、ウェハから切り出される（「ダイスされる」）。この実施例では、光学素子２に結合されるＬＥＤダイ４の表面は、選択的に研磨され、その粗さが低減される。他の実施例では、ＬＥＤダイ４の側部２６および２８は傾斜しており、接点１４および接点１６は高度に反射性を有し、光を光学素子２に反射させるために反射層３６が配置される。
【００５８】
図１０および図１１の実施形態では、ＬＥＤダイ４は、ＬＥＤダイ４が結合される光学素子２の表面２２中の凹部３８に配置される。図１０に示した実施形態では、光学素子２は、ＬＥＤダイ４に直接に結合される。図１１の実施形態では、光学素子２は、結合層６を用いてＬＥＤダイ４に結合される。
【００５９】
詳細な実施形態を用いて本発明を説明しているが、本発明は、添付した請求項の範囲に含まれる変形および変更のすべてを包含するものである。
【００６０】
本明細書は、２０００年９月１２日に出願された米国特許一部継続出願第０９／６６０３１７号に基づくものであり、この出願の内容については、引用することにより本明細書に含めておく。
【符号の説明】
【００６１】
２ 光学素子
４ ＬＥＤダイ
６ 透明結合層
８、１０ 半導体層
１２ 活性層
１４ ｎ−接点
１６ ｐ−接点
１８ 上部表面
２０ 金属化層
２２、２３、２４ 表面
２６、２８ 傾斜した側部
３０ 上層
３２ 基層
３４ 透明上層
３６ 反射層
３８ 凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは発光ダイオードに関し、より詳細には高められた光抽出効率を有する発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）の光抽出効率は、ＬＥＤの内部量子効率に対するＬＥＤの外部量子効率の比率として定義される。典型的には、実装されたＬＥＤの光抽出効率は大幅に１より小さく、すなわち、ＬＥＤの活性領域で発生された光の多くは外部環境に到達しない。
【０００３】
光抽出効率は、ＬＥＤと周囲の材料との間の界面における全内部反射とこれに引続くその全内部反射した光のＬＥＤでの再吸収により低下する。例えば、エポキシ中に包み込まれた透明基層上の立方体の幾何形態であるＬＥＤについては、放射波長での屈折率（ｎ）は、例えば、ＬＥＤの半導体におけるnsemiの〜３．５から、エポキシにおけるnepoxyの〜１．５まで変化する。この例における、ＬＥＤ半導体からエポキシ封入材に入射する光の全内部反射についての対応する臨界角θｃは、θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（nepoxy／nsemi）〜２５゜である。散乱及び多重反射を無視すれば、立方体のＬＥＤの活性領域中の一点から４πステラジアンで放射された光は、半導体／エポキシ封入材の界面を、この光が、各界面に１つあり各光円錐の有する角度の半分が臨界角に等しい、６つの狭い光円錐の１つに放射されたときのみ通過する。全内部反射に起因する付加的な損失は、エポキシ／空気の界面でも起こりうる。したがって、エポキシに包み込まれた、有効通常幾何形態（例えば、直方体）の透明基板のＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤは、１００％近い内部量子効率を有するにも拘らず、例えば、〜４０％の外部量子効率を有しうるのみである。
【０００４】
ＬＥＤの光抽出効率に対する全内部反射の影響は、本明細書に引用により組み込まれた米国特許第５,７７９,９２４号、第５,７９３,０６２号、および、第６,０１５,７１９号中で更に論じられている。
【０００５】
光抽出効率を改良するための１つの手法においては、ＬＥＤが半球形状に削り落とされる。半球形状とされたＬＥＤの活性領域中の点から放射された光は、ほぼ垂直入射で半球表面を横断する。これにより、全内部反射が低減される。しかし、この技術は、面倒であり、材料を無駄にする。加えて、この削り落としの間に発生する欠陥が、ＬＥＤの信頼性や性能を劣化させる可能性がある。
【０００６】
別の手法においては、ＬＥＤは、ドームまたは半球形状の表面を有する材料で包み込まれる（収納される）。例えば、上述の例のエポキシ封入材をドームに形作ることができ、エポキシ封入材／空気の界面における全内部反射に起因する損失が低減される。しかし、エポキシのような低屈折率の封入材の表面を形作ることは、半導体／低屈折率封入材の界面の全内部反射に起因する損失を低減しない。さらに、エポキシ封入材は、ＬＥＤ中の半導体材料の熱膨張係数との整合性に乏しい熱膨張係数を有する。したがって、エポキシ封入材は、加熱または冷却によりＬＥＤに機械的応力を加え、ＬＥＤを損傷させることがある。ＬＥＤはまた、ドームに形作られた高屈折率のガラスに封入されるので、半導体／封入材の界面の臨界角が増大される。不運にも、高屈折率ガラス中での光の吸収、および、機械的応力は、そのようなガラス中へ封入されたＬＥＤの性能を典型的に低下させる。
【０００７】
上記方法の欠点を有しない、発光ダイオードの光抽出効率を高める方法が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５,７７９,９２４号
【特許文献２】米国特許第５,７９３,０６２号
【特許文献３】米国特許第６,０１５,７１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
改良された光抽出効率を有する発光デバイスが提供される。発光デバイスは、活性領域を備える半導体層を含む層のスタックを有する。該スタックは透明な光学素子に結合される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
いくつかの実施形態では、光学素子は、例えば、半球体のレンズ、または、フレネルレンズである。別の実施形態では、光学素子は、例えば、全内部反射器（ＴＩＲ）を用いた光学濃縮器である。光学素子は、例えば、光学ガラス、III−Ｖ族半導体、II−VI族半導体、IV族半導体および化合物、金属酸化物、金属フッ化物、ダイアモンド、サファイア、酸化ジルコニウム、イットリウムアルミニウムガーネット、または、これらの組合せにより形成される。活性領域により放射される光についての光学素子の屈折率は、好ましくは約１.５より大きく、より好ましくは約１.８より大きい。
【００１１】
一実施形態では、透明光学素子は、上記スタックの半導体層のうちの少なくとも１つに直接結合される。別の実施形態では、透明光学素子は、半導体層の上に配置される透明上層に直接結合される。透明上層は、活性領域により放射される光について好ましくは約１.８より大きい屈折率を有する。
【００１２】
他の実施形態では、発光デバイスは、光学素子と上記スタックの表面との間に配置される透明結合層を含む。この透明結合層は、上記スタックの表面に光学素子を結合させる。一実施形態では、該表面は半導体層の１つの表面を含む。別の実施形態では、上記表面は半導体層の上に配置される透明上層の表面を含む。この透明結合層は、例えば、金属、リン化物系化合物、ヒ化物系化合物、アンチモン化物系化合物、窒化物系化合物、または、透明光学素子について上記のように列挙した材料のいずれかにより形成される。一実施形態では、透明結合材料は、活性領域により放射された光について約１.５より大きい、好ましくは約１.８より大きい屈折率を有する。
【００１３】
活性領域を備える半導体層を含む層のスタックを有する発光デバイスに対して透明光学素子を結合させる方法が提供される。この方法は、光学素子およびスタックの温度を上昇させる工程と、光学素子とスタックとをともに押し付けるために圧力を加える工程と、を含む。一実施形態では、この方法は、さらにスタックと光学素子との間に透明結合材料の層を配置する工程を含む。この結合方法については、予め作製された光学素子に対してか、または、後に形成されるか、もしくは、レンズもしくは光学濃縮器のような光学素子として形成される、光学素子材料のブロックに対して、適用することができる。
【００１４】
発光デバイスに対して高屈折率の光学素子を結合を結合させることにより、全内部反射に起因する損失を低減させて、発光デバイスの光抽出効率を改良することができる。封入材を使用することなくこのような改良を達成できるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】本発明の一実施形態にかかる互いに結合される光学素子および発光ダイオードの概略図
【図１Ｂ】本発明の一実施形態にかかる結合層を用いて発光ダイオードに結合される光学素子の概略図
【図１Ｃ】本発明の別の実施形態にかかる発光ダイオードに結合される光学素子の概略図
【図１Ｄ】本発明の別の実施形態にかかる発光ダイオードに結合される光学濃縮器の概略図
【図２】本発明の別の実施形態にかかる発光ダイオードに直接に結合される光学素子の概略図
【図３】本発明の一実施形態にかかる結合層を用いて傾斜した側部を有する発光ダイオードに結合される光学素子の概略図
【図４】本発明の一実施形態にかかる結合層を用いて基層および上層を有する発光ダイオードに結合される光学素子の概略図
【図５】本発明の一実施形態にかかる基層および上層を有する発光ダイオードに直接に結合される光学素子の概略図
【図６】本発明の一実施形態にかかる結合層を用いて「フリップチップ」幾何形態を有する発光ダイオードに結合される光学素子の概略図
【図７】本発明の一実施形態にかかる「フリップチップ」幾何形態を有する発光ダイオードに直接に結合される光学素子の概略図
【図８】光学素子にほぼ垂直な活性領域を有する発光ダイオードに対して結合層を用いて結合される該光学素子の概略図
【図９】光学素子にほぼ垂直な活性領域を有する発光ダイオードに対して直接に結合される該光学素子の概略図
【図１０】光学素子の表面における凹部内に配置され、かつ、該光学素子に直接に結合される発光ダイオードの概略図
【図１１】光学素子の表面における凹部内に配置され、かつ、結合層を用いて該光学素子に結合される発光ダイオードの概略図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１Ａには、本発明の実施形態にかかる、互いに結合される透明な光学素子２および発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイ４が示されている。図１Ｂでは、本発明の一実施形態に基づいて、透明光学素子２が、透明結合層６を用いてＬＥＤダイ４に結合される。
【００１７】
本明細書においては、「透明」という用語は、「透明光学素子」、「透明結合層」、「透明基層」または「透明上層」のように記述される光学素子が、吸収や散乱に起因する単一経路損失が約５０％未満、好ましくは１０％未満であるＬＥＤの放射波長で、光を透過させることを示すために用いられる。ＬＥＤの放射波長は、電磁スペクトルの、赤外、可視または紫外領域にあってよい。当業者は、伝達経路長や吸収定数を種々組合せることによって、「５０％未満の単一経路損失」および「１０％未満の単一経路損失」である条件を満しうることを理解できるであろう。本明細書で用いているような「光学濃縮器（optical concentrator）」は、全内部反射器に限定することなくこれを含み、かつ、入射光を反射または再指向（redirect）させる反射金属または誘電体材料によりコーティングされた壁（wall）を有する光学素子を含む。
【００１８】
図１Ａおよび図１Ｂに示されるＬＥＤダイ４は、ｎ−型伝導性（ｎ−層）の第１の半導体層８およびｐ−型伝導性（ｐ-層）の第２の半導体層１０を含む。半導体層８および１０は、活性領域１２に電気的に接続される。活性領域１２は、例えば、層８と層１０との界面におけるｐ−ｎダイオード接合である。これに代えて、活性領域１２は、ドーピングされたｎ−型もしくはｐ−型の、または、ドーピングされない、１つ以上の半導体層を含む。ｎ−接点１４およびｐ−接点１６は、それぞれ半導体層８および１０に電気的に接続される。接点１４と１６との間に適切な電圧を印加することにより、活性領域１２は光を放射する。別の実施例では、層８、１０および接点１４および１６の伝導性の型が逆になる。すなわち、層８はｐ−型層であり、接点１４はｐ−接点であり、層１０はｎ−型層であり、そして接点１６はｎ−接点である。
【００１９】
半導体層８と１０、および活性領域１２は、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂをこれらに限定されずに含むIII−Ｖ族半導体、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅをこれらに限定されずに含むII−VI族半導体、Ｇｅ、Ｓｉ、ＳｉＣをこれらに限定されずに含むIV族半導体、およびこれらの混合物またはアロイから形成される。これらの半導体は、それら半導体が存在するＬＥＤの典型的な放射波長において、約２.４〜約４.１の範囲の屈折率を有する。例えば、ＧａＮのようなIII族窒化物半導体は、５００ｎｍで約２.４の屈折率を有し、ＩｎＧａＰのようなIII族リン化物は、６００ｎｍで約３.７の屈折率を有している。
【００２０】
接点１４および１６は、一実施例では、金、銀、ニッケル、アルミニウム、チタン、クロム、白金、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウム、タングステン、およびこれらの混合物または合金を、これらに限定されずに含む金属から形成される。他の実施例では、接点１４および１６の一方または両方が、インジウム錫酸化物のような透明な伝導体により形成される。
【００２１】
図１Ａおよび図１Ｂは特定のＬＥＤ構造を示しているが、本発明は、ＬＥＤダイ４中の半導体層の数とは無関係であり、活性領域１２の細部の構造と無関係である。また、ＬＥＤダイ４は、例えば、図１Ａおよび図１Ｂで示されない透明基層および透明上層を含むことができる。種々の数字で示されたＬＥＤダイ４の種々の構成要素の寸法が一定の縮尺となっていないことに、留意されたい。
【００２２】
一実施形態では、結合材料の層が、ＬＥＤダイ４の上部表面１８に付与されて透明結合層６（図１Ｂ）が形成され、この結合層で光学素子２とＬＥＤダイ４が結合される。透明結合層６の厚さは、例えば、約１０オングストローム（Å）〜約１００ミクロン（μｍ）である。結合材料は、例えば、従来の堆積技術、これらに限定するものではないが、スピニング、スパッタリング、蒸発法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、または、材料成長法の一部として、例えば、有機金属気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、気相エピタキシー（ＶＰＥ）、液相エピタキシー（ＬＰＥ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）による方法などを含む技術により、付与される。透明結合層６は、例えば、従来のフォトリソグラフィおよびエッチング技術により選択的にパターン付けられ、接点１４を結合材で覆わないようにし、これにより、接点１４が、光学素子２上の選択的な金属化層２０に電気的に接触できるようにする。金属化層２０は、一実施形態では、網状であり、他の実施形態では、連続的なまたはパターン付けされた層であって、例えば、約２Å〜約５０００Åの厚さを有し、入射光を約１０％より多く、好ましくは約５０％より多く透過させ、接点１４に接続された、物理的に利用できる電気的接触を提供する。
【００２３】
金属化層２０は、例えば、金属、または、インジウム錫酸化物のような透明な伝導体により形成される。
【００２４】
別の実施形態では、透明結合層６は、光学素子２のほぼ平坦な表面２２の上に、または、金属化層２０の上に形成され、例えば、従来のフォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて選択的にパターン付けされ、接点１４と金属化層２０との間に電気的接触を設けることができる。他の実施形態では、結合層６のような透明結合層は、ＬＥＤダイ４の表面１８と光学素子２の表面２２の両方の上に形成される。他の実施形態では、接点１４は分離して設けられず、結合層６はがパターン付けされて、金属化層２０とｎ−層８との間に電気的接触が設けられる。図１Ｃに示す実施形態では、接点１４も結合層１２も、分離して設けられず、金属化層２０が付加的に結合層として機能する。他の実施形態では、接点１４が表面１８の上に設けられず、金属化層２０は用いられない。
【００２５】
以下の説明では、結合層６は、ＬＥＤダイ４上に形成されていて、光学素子２の表面２２の上、または、ＬＥＤダイ４および表面２２の両方の上に形成されていないとみなすが、以下に記載される工程については、後者の実施形態を実現するために簡単に修正することができる。
【００２６】
一実施例では、透明結合層６を形成する結合材料は、高屈折率を有する光学ガラス、すなわち、活性領域１２により放射された波長範囲において約１.５より大きい屈折率を有する光学ガラスである。その屈折率は、好ましくは、約１.８より大きい。透明結合層６は、例えばショットガラスＳＦ５９、すなわち、屈折率の大きいフリントガラス（flint glass）により形成される。このフリントガラスは、波長〜６００ナノメートル（ｎｍ）において〜１．９５の屈折率（ｎ）を有し、ガラス転移温度（ＴＧ）として〜３６２℃を有する。これに代えて、透明結合層６は、〜６００ｎｍにおけるｎとして〜１．８１およびＴＧとして６３０℃を有するショットガラスＬａＳＦ３と、〜６００ｎｍにおけるｎとして〜１．９１およびＴＧとして６６０℃を有するショットガラスＬａＳＦ Ｎ１８と、これらの混合物とを、これらに限定されずに含む、高屈折率光学ガラスにより形成される。これらのガラスは、ペンシルバニア州・ジュリアにあるショット・グラス・テクノロジーズ・インコーポレーテッドより入手できる。結合層６については、また、例えば、（Ｇｅ，Ｓｂ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）カルゴゲナイドガラスのような高屈折率カルゴゲナイドガラスにより形成することができる。
【００２７】
他の実施例では、結合層６は、ＧａＰ（５００ｎｍでｎ〜３.３）、ＩｎＧａＰ（６００ｎｍでｎ〜３.７）、ＧａＡｓ（５００ｎｍでのｎ〜３.４）およびＧａＮ（５００ｎｍでｎ〜２.４）を、これらに限定されずに含むIII−Ｖ族半導体；ＺｎＳ（５００ｎｍでｎ〜２.４）、ＺｎＳｅ（５００ｎｍでｎ〜２.６）、ＺｎＴｅ（５００ｎｍでｎ〜３.１）、ＣｄＳ（５００ｎｍでｎ〜２.６）、ＣｄＳｅ（５００ｎｍでｎ〜２.６）およびＣｄＴｅ（５００ｎｍでｎ〜２.７）を、これらに限定されずに含むII−VI族半導体；Ｓｉ（５００ｎｍでｎ〜３.５）およびＧｅ（５００ｎｍでｎ〜４.１）を、これらに限定されずに含むIV族半導体および化合物；有機半導体、ならびに、酸化タングステン、酸化チタン（５００ｎｍでｎ〜２.９）、酸化ニッケル（５００ｎｍでｎ〜２.２）、酸化ジルコニウム（５００ｎｍでｎ〜２.２）、インジウム錫酸化物および酸化クロムを、これらに限定されずに含む金属酸化物；フッ化マグネシウム（５００ｎｍでｎ〜１.４）、およびフッ化カルシウム（５００ｎｍでｎ〜１.４）を、これらに限定されずに含む金属フッ化物；Ｚｎ、Ｉｎ、ＭｇおよびＳｎを、これらに限定されずに含む金属；イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、リン化物系化合物、ヒ化物系化合物、アンチモン化物系化合物、窒化物系化合物、高屈折率有機化合物；およびそれらの混合物およびアロイ、により形成される。
【００２８】
一実施例では、結合層６は、活性領域１２から放射された光の波長を他の波長に変換するルミネセンス材料を含む。ルミネセンス材料は、例えば、従来の蛍光体粒子、有機半導体、II−VIまたはIII−Ｖ族半導体、II−VもしくはIII−Ｖ族半導体量子ドットまたはナノクリスタル、染料、ポリマー、および欠陥中心からルミネセンスを示すＧａＮのような材料を含む。結合層６が従来の蛍光体粒子を含むならば、結合層６は、典型的には約５ミクロン〜約５０ミクロンの寸法を有する蛍光体粒子を収容するのに十分な厚みを有しなければならない。
【００２９】
一実施例では、結合層６は、ＬＥＤダイ４の上部層、例えば、半導体層８の屈折率より小さい屈折率を有する、高屈折率材料（ＬＥＤの放射波長で、約１.５より大きく、好ましくは１.８より大きい屈折率の）から形成される。ＬＥＤダイ４内から半導体層８／結合層６の界面への入射光の全内部反射の臨界角が存在する。しかし、この臨界角は、ＬＥＤダイ４とエポキシまたは空気との間の怪異面についての臨界角に比べれば増大され、エポキシ封入材または空気中に抽出されるよりも多くの光が表面１８を通過して結合層６中に抽出される。他の実施形態では、結合層６（例えば、ＺｎＳまたはＺんＳｅ）の屈折率は、半導体層８（例えばＧａＮ）より大きいかまたは等しく、ＬＥＤダイ４の内側から結合層６への入射光は、全内部反射されない。フレネル反射損失は、結合層６とＬＥＤダイ４との屈折率をほぼマッチさせることにより最小にすることができるものではあるが、フレネル反射損失を無視すれば、後者の場合にもまた、エポキシ封入材または空気中に抽出されるものよりも多くの光が表面１８を通過して結合層６中に抽出される。
【００３０】
他の実施例では、透明結合層６は、低屈折率の結合材料、すなわち、ＬＥＤの放射波長で、約１.５未満の屈折率を有する結合材料により形成される。例えば、フッ化マグネシウムが、このような結合材料の１つである。低屈折率光学ガラス、エポキシ、およびシリコーンも、好適な低屈折率結合材料となりうる。低屈折率の材料から形成された透明結合層をわたる、ＬＥＤダイ４から光学素子２への効率的な光の透過については、結合層６の厚さが十分に薄ければ、達成できる、ということを当業者は理解するであろう。したがって、この実施例では、ＬＥＤダイ４／結合層６の界面での全内部反射に起因する損失は、結合層６の厚さを約５００Å未満、好ましくは約１００Å未満とすることにより低減される。表面１８もしくは表面２２の粗さ、または、表面１８もしくは表面２２上の不規則性の代表的な高さが、結合層６の厚さを超えるならば、光学素子２はＬＥＤダイ４に十分には結合しないであろう。この実施形態では、表面１８および２２は、選択的に研磨され、結合層６の厚さ以下の程度の表面厚さが得られる。
【００３１】
ＬＥＤダイ４が、活性領域１２により放射された光を吸収する材料を含み、結合層６が低屈折率の材料から形成され、上記のように薄くされてはいなければ、活性領域１２から放射された光の大部分がＬＥＤダイ４内に典型的に閉じ込められ、結合層自身に吸収がなくても、その光は吸収されて失われるであろう。対照的に、高屈折率の材料から形成された結合層６は、その高屈折率の結合材料が、例えば、放射光の一部を吸収するカルコゲナイドガラスのような材料であっても、典型的には、活性領域１２によりＬＥＤダイ４から放射された光のうちのより大きい部分を光学素子２に結合することになる。
【００３２】
透明結合層６がＬＥＤダイ４に付与された後、光学素子２のほぼ平坦な表面２２は結合層６へ向けて配置される。次いで、結合層６の温度は、ほぼ室温と約１０００℃との間の温度にまで上昇され、光学素子２とＬＥＤダイ４は、約１秒〜約６時間の間、約１ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）〜約６０００ｐｓｉの圧力で、一緒に押付けられる。本発明者らは、この工程において、剪断応力、蒸発−凝縮、液化（または溶融または軟化）、およびそれに続く固体化、拡散または合金化を経た物質移動により、例えば、光学素子２と結合層６（ＬＥＤダイ４上に形成された）との間にもたらされた接合によって、光学素子２がＬＥＤダイ４に結合されると信じている。本発明者らは、別の実施例では、例えば、光学素子２とＬＥＤダイ４の各々の上に同様に形成された結合層の間、または、結合層６（光学素子２の上に形成された）とＬＥＤダイ４との間の物質移動により同様にもたらされた結合により、光学素子２がＬＥＤダイ４に結合されると信じている。よって、物質移動により特徴付けられた結合界面を、結合素子２とＬＥＤダイ４の間に配置することができる。一実施例では、例えば、ｎ−層８と結合層６の界面での表面１８がそのような結合界面である。他の実施例では、光学素子２およびＬＥＤダイ４それぞれの上に形成された結合層の界面が結合界面である。他の実施例では、光学素子２と結合層６との界面が、結合界面である。
【００３３】
例えば、透明結合層６が、ＬＥＤダイ４の上に光学ガラスにより形成されると、一実施例では、結合層６の温度が光学ガラスの歪み点温度付近にまで上昇される。歪み点温度は、ガラス転移温度に近いがそれより低く、光学ガラスの粘度が約１０14.5ポアズとなる温度である。歪み点温度は、また、光学ガラスについての温度対膨張のプロットにおける最初の非線形性に対応し、、アニーリング範囲の下限を表すものである。歪み点温度の近くまたはその上の温度で得られた、層６の光学ガラスの柔軟性および低下した表面張力が、光学ガラスを表面２２に顕微鏡的に整合させ、光学素子２と結合層６との間の結合をもたらす。
【００３４】
光学素子２をＬＥＤダイ４に結合させる上記の工程については、本明細書に引用により組み込まれた米国特許第５,５０２,３１６号および第５,３７６,５８０号に開示され、従来、半導体ウェハを高温高圧のもとで互いに結合するために用いられた装置を用いて実行することができる。これら特許に開示された装置については、必要に応じＬＥＤダイおよび光学素子を設けるよう変更することができる。これに代えて、上記の結合工程については、通常の垂直加圧機を用いて行うことができる。
【００３５】
透明光学素子２は、例えば、ＳｉＣ（５００ｎｍでｎ〜２.７）、酸化アルミニウム（サファイア、５００ｎｍでｎ〜１.８）、ダイアモンド（５００ｎｍでｎ〜２.４）、または、透明結合層６における結合材料としての使用のために上記で列挙されたもののうち、金属を除く何れかの材料から形成される。光学素子２と、該光学素子２が結合されるＬＥＤダイ４の熱膨張係数の間の不整合が大きいと、加熱または冷却に際して光学素子２がＬＥＤダイ４から分離することが起こりうる。また、熱膨張係数をほぼ整合させることにより、結合層６および光学素子２によりＬＥＤダイ４に引起される応力が低減される。よって、一実施例では、光学素子２は、光学素子２が結合されるＬＥＤダイ４の熱膨張係数にほぼ整合する熱膨張係数を有する材料により形成される。
【００３６】
一実施形態では、透明光学素子２は、ＬＥＤダイ４から光学素子２に入射する光が垂直入射に近い入射角で光学素子２の表面２４を横断するような、形状と寸法を有する。表面２４と周囲の媒体、典型的には空気との界面での全内部反射は、これにより低減される。加えて、入射角の範囲が狭いので、表面２４でのフレネル反射損失については、表面２４に対して通常の反射防止コーティングを付与することにより低減できる。光学素子２の形状は、例えば、半球、ワイエルストラス球（上部を切り取られた球）、または、半球より小さい球の一部のような、球体の一部分である。これに代えて、光学素子２の形状は、上部を切り取られた楕円面のような楕円面の一部である。ＬＥＤダイ４から光学素子２に入射する光についての表面２４での入射角は、光学素子２の寸法が大きくなるにつれて、垂直入射により近づいていく。よって、ＬＥＤダイ４の表面１８の長さに対する透明光学素子２の基部の長さの最少比率は、好ましくは、約１より大きく、約２よより好ましくは、約２より大きい。
【００３７】
特定の材料の光学素子２が上記で定義されるような透明であり続ける最大の寸法が、ＬＥＤの放射波長での光学素子材料の吸収係数により定められることは、当業者に理解されるであろう。一実施例では、光学素子２はフレネルレンズである。フレネルレンズは、例えば、比較できる焦点距離の球面光学素子よりも典型的に薄いので、吸収が少ない。
【００３８】
いくつかの実施例では、光学素子２は、光学濃縮器、例えば全内部反射器（ＴＩＲ）を用いた光学濃縮器を含むことができる。図１Ｄは、ＬＥＤダイ４に接続される光学濃縮器の一例を示す。図１Ｄは、放物形状を有する光学濃縮器（光学素子２）の表面２３を描いているが、表面２３については、錐体形状または傾斜形状のような、濃縮された光に対してデザインされた任意の形状とすることができ、かつ、金属化材料または誘電体材料によりコーティングすることができる。ＬＥＤダイ４の活性層１２については、表面２４での全内部反射を経験する光の量を低減するように配置する。例えば、活性層１２は、光学素子２の焦点のあたりに配置される。表面２３がない場合に臨界角より大きい角で表面２４を横切った部分は、この部分が最初に表面２３に反射すれば、上記臨界角内の角度で表面２４を横切る。したがって、表面２３は、光子がＬＥＤダイ４を逃れる見込みを増加させる。
【００３９】
他の実施例では、光学素子２は、例えば、表面２２に直交する方向において減少する、または、表面２２の中心近くの最大値から放射状に減少する屈折率を有する、屈折率勾配レンズである。
【００４０】
一実施例では、光学素子２は、活性領域１２により放射された光の波長を他の波長に変換するルミネセンス材料を含む。他の実施例では、表面２２上のコーティングは、例えば、ルミネセンス材料を含む。ルミネセンス材料は、例えば、通常の蛍光体粒子、有機半導体、II−VIまたはIII−Ｖ族半導体、II−VIまたはIII−Ｖ族半導体量子ドットまたはナノクリスタル、染料、ポリマー、および、欠陥中心からルミネセンス発光するＧａＮのような材料、を含む。これに代えて、光学素子２の表面２２に近い領域が、例えば、ルミネセンス材料でドーピングされる。
【００４１】
光学素子２、結合層６、およびＬＥＤダイ４の上部層の屈折率の大きさ（それぞれｎoptical element、ｎbond、およびｎLED）は、６つの順列に並べることができる。ｎLED≦ｎbond≦ｎoptical elementまたはｎLED≦ｎoptical element≦ｎbondであれば、全内部反射に起因する損失は除かれるが、フレネル損失が発生しうる。特に、ｎLED＝ｎbond＝ｎoptical elementであれば、フレネルまたは全内部反射に起因する損失なしに、ＬＥＤダイ４からの光が光学素子２に入射する。これに代えて、ｎbond≦ｎLED≦ｎoptical elementではあるが、ｎbond＞ｎepoxyであるかまたは結合層６が上述のように薄ければ、フレネル損失が無視され、エポキシ封入材または空気中に抽出されるであろうよりも多くの光が光学素子２中に抽出される。同様に、ｎbond≦ｎoptical element≦ｎLEDではあるが、ｎbond＞ｎepoxyであるか、または、結合層６が上述のように薄く、かつ、ｎoptical element＞ｎepoxyであれば、フレネル損失が無視され、エポキシ封入材または空気中に抽出されるであろうよりも多くの光が光学素子２中に抽出される。ｎoptical element≦ｎbond≦ｎLEDまたはｎoptical element≦ｎLED≦ｎbondではあるが、ｎoptical element＞ｎepoxyであれば、フレネル損失が無視され、エポキシ封入材または空気中に抽出されるよりも多くの光が光学素子２中に抽出される。よって、透明光学素子２は、ＬＥＤダイ４の放射波長で、好もしくは、約１.５より大きい屈折率を有し、より好ましくは、約１.８より大きい屈折率を有する。周囲の媒体がエポキシ封入材でなく空気（ｎair〜１）であれば、ｎepoxyにｎairを代入して、同様な解析が適用される。
【００４２】
結合層６が蛍光体粒子を含み、かつ、好ましくは高屈折率のカルコゲナイズドガラスである結合材料の屈折率が、蛍光体の屈折率とほぼ一致すれば、活性領域または蛍光体粒子により放射された光の蛍光体粒子による散乱は無視できるであろう。蛍光体粒子、結合材材料、ＬＥＤダイ４の上部層（例えばｎ−層８）、および、光学素子の屈折率が、全てほぼ等しいことが好ましい。これは、ＬＥＤダイ４の上部層がＩｎＧａＮである場合において、蛍光体粒子がＳｒＳ：Ｅｕおよび／またはＳｒＧａＳ：Ｅｕであり、光学素子がＺｎＳである場合に相当する。
【００４３】
図２を参照すれば、別の実施形態において、透明光学素子２が、分離された結合層を用いることなく、ＬＥＤダイ４の上部表面１８に、直接結合されている。本発明者らは、剪断応力、蒸発−凝縮、液化（または溶融または軟化）、およびそれに続く固体化、拡散または合金化を経た物質移動により、光学素子２とＬＥＤダイ４との間に結合がもたらされたものと信じている。金属化層２０を設ける場合には、この金属化層は、パターン付けされ、光学素子２の表面２２が直接表面１８に接触できるようにされる。表面２２もまた、選択的に、例えばエッチングによりパターン付けされる。本実施形態における一実施例では、透明光学素子２は、分離された結合層を形成するために用いられる、上記で列挙されたような材料により形成される。別の実施例では、ＬＥＤダイ４の上部層（例えば、図２におけるｎ−層８）を形成する材料は、結合材料として好適である。よって、光学素子２またはＬＥＤダイ４の上部層のいずれかは、付加的に結合層として機能し、分離された結合層は不用である。一実施例では、表面１８における光学素子２とＬＥＤダイ４の界面は、例えば、光学素子２とＬＥＤダイ４との間の物質移動により特徴付けられた結合界面である。
【００４４】
ＬＥＤダイ４に直接結合された光学素子２については、ｎLED≦ｎoptical elementであるか、または、ｎoptical element＜ｎLEDではあるがｎoptical element＞ｎepoxyであれば、フレネル反射損失が無視され、エポキシ封入材中に抽出されるであろうよりもより多くの光が光学素子２中に抽出される。周囲の媒体が、エポキシ封入材でなく空気（ｎair〜１）であれば、ｎepoxyにｎairを代入して同様な解析が適用される。
【００４５】
透明光学素子２は、結合層６を用いる結合工程について上述したような温度と圧力で、ＬＥＤダイ４に直接結合される。一実施例では、ＬＥＤダイ４の表面１８または光学素子２の表面２２は、例えばＺｎまたはＳｉのような高い拡散率を示す材料でドーピングされる。このようなドーピングは、例えば、ＭＯＣＶＤ、ＶＰＥ、ＬＰＥもしくはＭＢＥによる材料成長の間に、または、例えば注入による材料成長の後で行われる。他の実施例では、高拡散率の材料の薄層が、表面１８および２２の少なくとも１つの表面上に堆積されることにより、光学素子２とＬＥＤダイ４との間に配置される。堆積は、例えば、蒸発法またはスパッタリング法のような従来の方法により実行される。発明者らは、結合工程の間に、高拡散率の材料が光学素子２とＬＥＤダイ４との界面を越えて拡散し、光学素子２とＬＥＤダイ４との間の物質移動を促進させると考えている。ここで用いる高拡散率材料の量は、例えば、光学素子２とＬＥＤダイ４の上部層の透明度を維持するのに十分少なければならない。例えば、光学素子２とＬＥＤダイ４の上部層の透明度を維持するのに十分少なくなければならない。
【００４６】
結合方法を適用することは、予め作製された光学素子に限定されない。透明光学素子２は、上述した方法によりＬＥＤダイ４に結合され、かつ、この後、光学素子２として形成される、透明光学素子材料のブロックでありうる。光学素子２については、おそらく、フォトリソグラフィもしくは他のリソグラフィ技術、電子ビームリソグラフィ、イオンビームリソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、または、ホログラフィックリソグラフィとともに、エッチングを用い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）および化学援用イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）のような、ウェットエッチングまたはドライエッチング技術についても、同様に用いることができる。また、光学素子２は、イオンビームミリング（milling）もしくは極細イオンビームミリング（ＦＩＢ）を用いて透明光学素子材料の表面にミリングされるか、走査型電子ビームもしくはレーザビームを用いて表面中に除去（ablate）されるか、または、のこ引き、ミリングもしくはスクライビングにより表面中に機械的に切削される。加えて、光学素子２は、本明細書中で引用することにより組み込まれる米国特許第０９／８２３,８４１号に開示された方法を用いて、透明光学素子材料のブロック中にダイス型で圧断（stamp）される。
【００４７】
ＬＥＤダイ４を光学素子２に結合することは、従来のＬＥＤダイ４を封入材に収納することに比べて好都合である。例えば、結合層を用いまたは用いずに、上述のように光学素子２に結合されたＬＥＤダイ４の表面１８を通過する光の抽出効率は、従来のエポキシ封入されたＬＥＤに比較して改良されている。例えば、結合層を用いまたは用いずに、上述のように光学素子２に結合されたＬＥＤダイ４の表面１８を通過する光の抽出効率は、通常のエポキシ封入されたＬＥＤに比較して改良されている。加えて、ＬＥＤダイ４は、エポキシ封入（収納）されたＬＥＤにより経験される有害な応力を受けることを要しない。さらに、比較的低い温度で劣化するエポキシ封入材がないときには、ＬＥＤダイ４をより高い温度で作動させることができる。この結果、ＬＥＤダイ４の光出力については、高い電流密度でＬＥＤを作動させることにより、増加させることができる。
【００４８】
しかしながら、所望とあらば、光学素子２に結合されたＬＥＤダイ４については、付加的に例えばエポキシまたはシリコーンの中に封入することができる。光学素子２に結合されたＬＥＤダイ４のこのような封入は、光学素子２へのＬＥＤダイ４の表面１８を通過する光の抽出効率に影響を与えない。表面２４と封入材との界面での全内部反射については、上述したような光学素子２の形状および寸法により、最小化することができる。
【００４９】
いくつかの実施例では、ＬＥＤダイ４は、例えば、高い温度で劣化する電気的接点のための金属化部位を含む。他の実施例では、ＬＥＤダイ４は、はんだ、または、銀を有しかつ高音で劣化するダイ接着エポキシを用いて、図示しないサブマウントに結合される。（ダイ接着エポキシは、エポキシ封入材と区別されることに留意せよ）。この結果、一実施例では、ＬＥＤダイ４に光学素子２を、結合層６を用いてまたは用いずに結合させる工程は、例えば、金属化部位またはダイ接着エポキシの劣化を避けるために、約５００℃未満の温度で行われる。他の実施例では、光学素子２は、未完成のＬＥＤダイ、例えば、金属化の一部または全部が行われていないＬＥＤダイに結合される。後者の実施例では、ＬＥＤダイ４の製作は光学素子結合工程の後に完了される。
【００５０】
図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０および図１１に示すように、ＬＥＤダイ４の構造は、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃおよび図２に表された構造と異なるものでもよい。図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０および図１１における同様の参照符号は、種々の実施形態において同一部分を示す。
【００５１】
図３の実施形態において、ＬＥＤダイ４の側部２６および２８は傾斜しているので、それらは結合層６に対してそれぞれ９０度未満の角αおよび角βで交差し、活性領域１２に対してそれぞれ９０度を超える角γおよび角δで交差する。図３には、２つの斜めの側部が示されるが、他の実施形態では、ＬＥＤダイ４は、２つより多いか、または少ない斜めの側部を有し、例えば、実質的に円錐形または角錐形である。２つより多いかまたは少ない傾斜した側部を有し、例えば、実質的に円錐形または角錐形である。
【００５２】
傾斜した側部２６および２８は、活性領域から放射した光を結合層６の方向に反射する。傾斜した側部２６および２８がない場合には、ＬＥＤダイ４内に閉じ込められたまたはダイの側部から外へ失われる光が、これにより、都合よく結合層６および光学素子２を通じて抽出される。一実施形態では、ＬＥＤダイ４は、空気のような低屈折率の媒体により取り囲まれており、活性領域１２から傾斜した側部２６および２８に入射した光の一部は全内部反射して結合層６へ向かう。他の実施形態では、傾斜した側部２６および２８は、結合層６の方向に光を反射させる反射性のコーティング、すなわち、一実施例では金属層、他の実施例では誘電体層を用いて、コーティングされる。
【００５３】
一実施形態では、接点１６は高度に反射性である。したがって、この実施形態では、接点１６に入射した光は、直接または側部２６もしくは２８からの付加的な反射の後、結合層６の方向に反射される。この結果、ＬＥＤダイ４の光抽出効率は、増加する。
【００５４】
図４および図５に示した実施形態では、ＬＥＤダイ４は、金属化層２０に電気的に接続され、かつ、ｎ−層８に電気的に接続された伝導性の透明な上層３０と、ｐ−層１０および接点１６に電気的に連結された、伝導性を有する、選択的に設けられる透明な基層３２とを含む。上層３０および（選択的に設けられる）基層３２は、例えば、ＬＥＤダイ４により放射される光子のエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する半導体により形成される。上層３０は、好ましくは約１.５より大きく、より好ましくは約１.８より大きい、活性領域１２の放射波長での屈折率を有する材料により形成される。他の実施例では、上述のように、ＬＥＤダイ４の側部２６および２８は、傾斜しており、かつ、高度に反射性であり、接点１６は高度に反射性である。図４に示した実施形態では、透明光学素子２は、結合層６により上層３０に結合され、ｎ-層８は、ｎ−接点１４により金属化層２０に電気的に接続される。図５に示した実施形態では、透明光学素子２は、上層３０に直接結合され、ｎ−接点１４は、分離しては設けられない。
【００５５】
図６および図７に示した「フリップチップ」実施形態では、接点１４および接点１６は、ＬＥＤダイ４の同一側に配置される。光学素子２は、ＬＥＤダイ４において接点１４および１６の反対側に結合されるので、これらの実施形態では、光学素子２の上には金属化層が不要となる。金属化層がないことにより、光学素子２への光抽出効率が向上する。他の実施例では、上述したように、ＬＥＤダイ４における側部２６および２８は、傾斜しており、かつ、高度に反射性を有する。接点１６は高度に反射性である。透明上層３４は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮまたはＧａＰのような、活性領域１２の放射波長で、好ましくは約１.５より大きく、より好ましくは約１.８より大きい屈折率を有する材料により形成される。図６に示した実施形態では、光学素子２は、結合層６を用いて透明上層３４に結合される。図７に示した実施形態では、光学素子２は、透明上層３４に直接に結合される。
【００５６】
図６および図７に示した実施形態のうちの一実施例では、光学素子２はＺｎＳにより形成され、上層３４はＳｉＣまたはＧａＮにより形成され、ｎ-層８はＧａＮのようなIII族窒化物半導体により形成される。他の実施例では、光学素子２はＧａＰから形成され、上層３４はＧａＰにより形成され、ｎ-層８はＡｌＩｎＧａＰアロイのようなIII族リン化物半導体により形成される。結合層６を設ける場合には、この結合層は、例えばＺｎＳにより形成される。
【００５７】
図８および図９に示した実施形態では、ｎ-層８、ｐ−層１０および活性領域１２の方向は、光学素子２とほぼ直交する。図６および図７に示した実施形態と同様に、光学素子２の上には、金属化層は必要とされない。図８に示した実施形態では、光学素子２は、結合層６を用いてＬＥＤダイ４に結合される。図９に示した実施形態では、光学素子２は、ＬＥＤダイ４に直接に結合される。一実施例では、ＬＥＤダイ４は、層８と層１０に、かつ、活性領域１２に対してほぼ直交する方向に作られた切片を用いて、ウェハから切り出される（「ダイスされる」）。この実施例では、光学素子２に結合されるＬＥＤダイ４の表面は、選択的に研磨され、その粗さが低減される。他の実施例では、ＬＥＤダイ４の側部２６および２８は傾斜しており、接点１４および接点１６は高度に反射性を有し、光を光学素子２に反射させるために反射層３６が配置される。
【００５８】
図１０および図１１の実施形態では、ＬＥＤダイ４は、ＬＥＤダイ４が結合される光学素子２の表面２２中の凹部３８に配置される。図１０に示した実施形態では、光学素子２は、ＬＥＤダイ４に直接に結合される。図１１の実施形態では、光学素子２は、結合層６を用いてＬＥＤダイ４に結合される。
【００５９】
詳細な実施形態を用いて本発明を説明しているが、本発明は、添付した請求項の範囲に含まれる変形および変更のすべてを包含するものである。
【００６０】
本明細書は、２０００年９月１２日に出願された米国特許一部継続出願第０９／６６０３１７号に基づくものであり、この出願の内容については、引用することにより本明細書に含めておく。
【符号の説明】
【００６１】
２ 光学素子
４ ＬＥＤダイ
６ 透明結合層
８、１０ 半導体層
１２ 活性層
１４ ｎ−接点
１６ ｐ−接点
１８ 上部表面
２０ 金属化層
２２、２３、２４ 表面
２６、２８ 傾斜した側部
３０ 上層
３２ 基層
３４ 透明上層
３６ 反射層
３８ 凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性領域を備える半導体層を含む層のスタックを有するＬＥＤダイと、
前記ＬＥＤダイに結合される透明な光学素子と、
前記透明光学素子を前記ＬＥＤダイに結合する結合層と、を具備し、
前記結合層は、前記活性領域によって放出された波長の光を他の波長に変換するルミネセンス材料を含む
ことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記ルミネセンス材料は、蛍光体粒子、有機半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、量子ドット、ナノクリスタル、染料及びポリマーのうちの一つである、
ことを特徴とする請求項１記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記ルミネセンス材料は、蛍光体粒子であり、
前記結合層は、５ミクロン〜５０ミクロンの寸法を有する粒子を収容するのに十分な厚みを有する
ことを特徴とする請求項１記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記結合層は、１．５より大きい屈折率を有する材料から形成される
ことを特徴とする請求項１記載の発光デバイス。
【請求項５】
活性領域を備える半導体層を含む層のスタックを有するＬＥＤダイと、
前記ＬＥＤダイに結合される透明な光学素子と、
結合における、高い拡散率を示す材料でドーピングされた表面と、
を具備する
ことを特徴とする発光デバイス。
【請求項６】
前記透明な光学素子は、前記ＬＥＤダイに直接結合され、
高い拡散率を示す材料でドーピングされた前記表面は、前記ＬＥＤダイの表面である
ことを特徴とする請求項５記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記透明な光学素子は、前記ＬＥＤダイに直接結合され、
高い拡散率を示す材料でドーピングされた前記表面は、前記透明な光学素子の表面である
ことを特徴とする請求項５記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記高い拡散率を示す材料は、Ｚｎ又はＳｉである
ことを特徴とする請求項５記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記高い拡散率を示す材料は、前記透明な光学素子と前記ＬＥＤダイとの間に配置される
ことを特徴とする請求項５記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記高い拡散率を示す材料は、蒸着及びスパッタリングの一方によって、前記ＬＥＤダイ及び前記透明な光学素子の一方に配置される
ことを特徴とする請求項５記載の発光デバイス。
【請求項１】
活性領域を備える半導体層を含む層のスタックを有するＬＥＤダイと、
前記ＬＥＤダイに結合される透明な光学素子と、
前記透明光学素子を前記ＬＥＤダイに結合する結合層と、を具備し、
前記結合層は、前記活性領域によって放出された波長の光を他の波長に変換するルミネセンス材料を含む
ことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記ルミネセンス材料は、蛍光体粒子、有機半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、量子ドット、ナノクリスタル、染料及びポリマーのうちの一つである、
ことを特徴とする請求項１記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記ルミネセンス材料は、蛍光体粒子であり、
前記結合層は、５ミクロン〜５０ミクロンの寸法を有する粒子を収容するのに十分な厚みを有する
ことを特徴とする請求項１記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記結合層は、１．５より大きい屈折率を有する材料から形成される
ことを特徴とする請求項１記載の発光デバイス。
【請求項５】
活性領域を備える半導体層を含む層のスタックを有するＬＥＤダイと、
前記ＬＥＤダイに結合される透明な光学素子と、
結合における、高い拡散率を示す材料でドーピングされた表面と、
を具備する
ことを特徴とする発光デバイス。
【請求項６】
前記透明な光学素子は、前記ＬＥＤダイに直接結合され、
高い拡散率を示す材料でドーピングされた前記表面は、前記ＬＥＤダイの表面である
ことを特徴とする請求項５記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記透明な光学素子は、前記ＬＥＤダイに直接結合され、
高い拡散率を示す材料でドーピングされた前記表面は、前記透明な光学素子の表面である
ことを特徴とする請求項５記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記高い拡散率を示す材料は、Ｚｎ又はＳｉである
ことを特徴とする請求項５記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記高い拡散率を示す材料は、前記透明な光学素子と前記ＬＥＤダイとの間に配置される
ことを特徴とする請求項５記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記高い拡散率を示す材料は、蒸着及びスパッタリングの一方によって、前記ＬＥＤダイ及び前記透明な光学素子の一方に配置される
ことを特徴とする請求項５記載の発光デバイス。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２５６８９９（Ｐ２０１２−２５６８９９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５８９２５（Ｐ２０１２−１５８９２５）
【出願日】平成２４年７月１７日（２０１２．７．１７）
【分割の表示】特願２００１−３２１２１４（Ｐ２００１−３２１２１４）の分割
【原出願日】平成１３年９月１２日（２００１．９．１２）
【出願人】（５００５０７００９）フィリップス ルミレッズ ライティング カンパニー リミテッド ライアビリティ カンパニー (197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月１７日（２０１２．７．１７）
【分割の表示】特願２００１−３２１２１４（Ｐ２００１−３２１２１４）の分割
【原出願日】平成１３年９月１２日（２００１．９．１２）
【出願人】（５００５０７００９）フィリップス ルミレッズ ライティング カンパニー リミテッド ライアビリティ カンパニー (197)
【Ｆターム（参考）】
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