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特許7278301パターン形成された表面を有するスーパーストレートを備える半導体発光デバイス
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-05-11
(45)【発行日】2023-05-19
(54)【発明の名称】パターン形成された表面を有するスーパーストレートを備える半導体発光デバイス
(51)【国際特許分類】
H01L 33/58 20100101AFI20230512BHJP
H01L 33/50 20100101ALI20230512BHJP
【ＦＩ】
H01L33/58
H01L33/50
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020552264
(86)(22)【出願日】2019-04-22
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-08-12
(86)【国際出願番号】 US2019028502
(87)【国際公開番号】W WO2019209708
(87)【国際公開日】2019-10-31
【審査請求日】2020-11-18
(31)【優先権主張番号】62/661,359
(32)【優先日】2018-04-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】321012546
【氏名又は名称】クリーエルイーディー インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ウェルチ、エリン
(72)【発明者】
【氏名】フィニー、ポール トーマス
(72)【発明者】
【氏名】ターサ、エリック
(72)【発明者】
【氏名】デイビス、ケネス、モーガン
【審査官】高椋 健司
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－１５７９９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－０５９３７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１０９５３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１８７２４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－３６２８８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１１４２１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０６９９６４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】独国特許出願公開第１０２０１６１０１４４２（ＤＥ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００８／００４２５４６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１３８９８１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
発光ダイオード（ＬＥＤ）チップと、前記ＬＥＤチップ上のレシピエント発光媒体と、
前記ＬＥＤチップと反対側の、前記レシピエント発光媒体上のパターン形成されたスーパーストレートと
を備える半導体発光デバイスであって、前記パターン形成されたスーパーストレートは、前記レシピエント発光媒体との境界面を形成するパターン形成された表面であって、連続する透明の材料に沿って形成された複数の光学要素を伴う、前記パターン形成された表面を有し、前記境界面は、前記ＬＥＤチップの光軸からはずれた角度の関数としての、前記半導体発光デバイスによって放出される光の色点の変動を低減するよう構成される、半導体発光デバイス。
【請求項2】
前記複数の光学要素は、前記連続する透明の材料に沿って０．５μｍから１０μｍの範囲のピッチで配置されている、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項3】
前記複数の光学要素は、前記ＬＥＤチップに向かって後方に向けられる光の量を低減する、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項4】
前記複数の光学要素のうちの少なくとも１つは凸状の突起又は凹状のへこみを含む、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項5】
前記複数の光学要素のうちの少なくとも１つは円形の断面又は多角形の断面を有する、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項6】
前記パターン形成された表面は、第１のパターン形成された表面であり、前記パターン形成されたスーパーストレートは、前記パターン形成されたスーパーストレートの前記第１のパターン形成された表面と反対の側面上に、第２のパターン形成された表面を有し、且つ
前記複数の光学要素は、前記第１のパターン形成された表面上の第１の光学要素、及び前記第２のパターン形成された表面上の第２の光学要素を含む、
請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項7】
前記パターン形成されたスーパーストレートは、第１のパターン形成されたスーパーストレートを含み、且つ前記半導体発光デバイスはさらに、前記第１のパターン形成されたスーパーストレート上に第２のスーパーストレートを備える、
請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項8】
前記第１のパターン形成されたスーパーストレートは、複数の第１の光学要素を有し、且つ前記第２のスーパーストレートは、複数の第２の光学要素を有する第２のパターン形成されたスーパーストレートを含む、
請求項７に記載の半導体発光デバイス。
【請求項9】
前記パターン形成された表面は、前記ＬＥＤチップを通って延びる、前記ＬＥＤチップの主面に垂直な光軸から４０度以内のほぼすべての視角に対して、前記半導体発光デバイスによって放出される前記光のｃｃｘ及びｃｃｙ座標の両方の前記変動を０．０１以内に低減するよう構成される、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この出願は、２０１８年４月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／６６１，３５９号、名称「ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥＳ ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ ＳＵＰＥＲＳＴＲＡＴＥＳ ＷＩＴＨ ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ ＳＵＲＦＡＣＥＳ」の、米国特許法第１１９（ｅ）の下での利益を主張し、その全内容が本明細書に参照として組み入れられる。
【0002】
本開示は、発光デバイス、より詳細には、パターン形成された表面を有するスーパーストレートを備える、半導体発光デバイスに関する。
【背景技術】
【0003】
半導体発光デバイスは、今日広く使用されている。半導体発光デバイスは、典型的には、１つ又は複数の発光ダイオード・チップ（「ＬＥＤ：ｌｉｇｈｔ ｅｎｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ」又は「ＬＥＤチップ」）を備える。各ＬＥＤチップは、たとえば、サファイア、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム、又はガリウムヒ素基板などの基板上に、エピタキシャル成長させ得る一連の半導体層を備え得る。こうしたエピタキシャル層には、１つ又は複数の半導体ｐ－ｎ接合が形成される。ｐ－ｎ接合間に十分な電圧が印加されると、ｎ型半導体層の電子及びｐ型半導体層の正孔がｐ－ｎ接合部に向かって流れる。電子及び正孔が互いに向かって流れると、電子は対応する正孔と「衝突」して再結合し、それにより光子が放出されるようになる。ＬＥＤチップから放出される光の波長分布は、一般に、使用される半導体材料、並びに電子と正孔との再結合が発生する場所である、デバイスの「活性領域」を構成する薄いエピタキシャル層の構造体によって変わる。
【0004】
ＬＥＤチップは、単一色の光を放出するように見える、ほぼ単色の光源である。ＬＥＤによって放出される光のスペクトル出力分布は、光検出器で検出されると、ＬＥＤチップのスペクトル出力分布が最大に達する波長である、「ピーク」波長が中心に位置し得る。ＬＥＤチップのスペクトル出力分布の幅は、通常、約１０ｎｍから３０ｎｍの間であり、この幅は、発光ピークの両側の、最大照明の半分のところで測定され得る（この幅は、半値全幅、又は「ＦＷＨＭ：ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ」幅と呼ばれ得る）。
【0005】
可視光は、多くの様々な波長を有する光を含み得る。可視光の見かけ上の色は、色の加重和として色を定義するための基準を提供する、図１に示す１９３１ＣＩＥ色度図などの、２次元色度図を参照して説明できる。図１に示すように、ＣＩＥ色度図上の色は、概ねＵ字型のエリア内にある、ｘ（ｃｃｘ）座標及びｙ（ｃｃｙ）座標（すなわち色度座標）によって定義される。エリアの外側又はその付近の色は、単一の波長又は非常に小さい波長分布を持つ光で構成される飽和色であり、一方エリアの内側の色は、様々な波長の混合物で構成される不飽和色である。多くの様々な波長の混合物であり得る白色光は、概ね、図の中央付近、図１で１０と表示された領域に見られる。領域１０のサイズから明らかなように、「白」と見なされ得る多くの様々な光の色相がある。たとえば、高出力ナトリウム蒸気照明デバイスによって生成された光などの一部の「白色」光は、黄色がかった色に見える可能性があるが、一部の蛍光灯デバイスによって生成された光などの他の「白色」光は、より青みがかった色に見える可能性がある。
【0006】
第１及び第２の色の光を放出する光源からの光の組合せは、２つの構成色のどちらとも異なる色を有するように見える可能性がある。組み合わされた光の色は、２つの光源の波長及び相対強度によって変わり得る。たとえば、青色の光源と赤色の光源との組合せによって放出される光は、観察者には、紫色又はマゼンタに見える可能性がある。同様に、青色の光源と黄色の光源との組合せによって放出される光は、観察者には、白色に見える可能性がある。図１のグラフの各点は、その色を有する光を放出する光源の「色点」と呼ばれる。図１に示すように、様々な温度に加熱される黒体放射体によって放出される光の色点の位置に対応する、「黒体」軌跡１５と呼ばれる色点の軌跡が存在する。黒体軌跡１５は、黒体軌跡に沿った色度座標（すなわち色点）がＰｌａｎｃｋの式：Ｅ（λ）＝Ａλ－５／（ｅＢ／Ｔ－１）に従うので、「Ｐｌａｎｃｋｉａｎ」軌跡とも呼ばれ、ここでＥは発光強度、λは発光波長、Ｔは黒体の色温度、Ａ及びＢは定数である。黒体軌跡１５上又はその付近にある色点は、ヒトの観察者にとって心地よい白色光をもたらす。
【0007】
加熱された物体が白熱光を発するようになると、該物体は温度の上昇と共に、最初に赤みがかった色に、次いで黄色がかった色に、最後に青みがかった色に輝く。これは、Ｗｉｅｎの変位則と一致し、黒体放射体のピーク放射に関連する波長が、温度の上昇と共に次第に短くなるため発生する。したがって、黒体軌跡１５上又はその付近にある光を生成する発光体は、発光体の相関色温度（ＣＣＴ：ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｃｏｌｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）によって表すことができる。本明細書で使用されるとき、用語「白色光」は、白色として知覚され、１９３１ＣＩＥ色度図上の黒色体軌跡のＭａｃＡｄａｍ楕円の７ステップの範囲内（ｗｉｔｈｉｎ ７ ＭａｃＡｄａｍ ｅｌｌｉｐｓｅｓ）にあり、２０００Ｋから１０，０００Ｋの範囲のＣＣＴを有する光を指す。ＣＣＴが４０００Ｋの白色光は黄色がかった色に見える可能性があるが、ＣＣＴが８０００Ｋ以上の白色光はより青みがかった色に見える可能性があり、「寒色系」白色光と呼ばれ得る。「暖色系」白色光は、ＣＣＴが約２５００Ｋから４５００Ｋの間で、色がより赤みがかった又は黄色がかった白色光を表すのに使用され得る。
【0008】
白色光を放出する半導体発光デバイスは、ＬＥＤチップによって放出された光の一部を吸収し、それに応答して他の１色又は複数色の光を放出する、蛍光体などの１種又は複数種類の発光材料でＬＥＤチップを囲繞することにより、実現され得る。このプロセスは、本明細書では、ＬＥＤチップによって放出された光の一部を、他の色の光に「変換する」こととも呼ばれる。発光材料で変換されない、ＬＥＤによって放出される光と、発光材料によって放出される他の色の光との組合せは、観察者にとって白色又はほぼ白色に見える光を生成し得る。
【0009】
一実例として、白色発光ＬＥＤパッケージは、窒化ガリウムベースの青色ＬＥＤ（すなわち、本明細書で定義される、青色の範囲のピーク波長を有する光を放出するＬＥＤ）を、化学式がＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅである、一般にＹＡＧ：Ｃｅと呼ばれる、セリウムがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体などの、「黄色」の蛍光体（すなわち、黄色の範囲のピーク波長を有する光を放出する蛍光体）でコーティングすることによって形成され得る。青色ＬＥＤは、たとえば、約４６０ｎｍのピーク波長を有する光を放出する。ＬＥＤによって放出された青色光の一部は変換されずに、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体粒子間及び／又はＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体粒子を通って進み、一方ＬＥＤによって放出された青色光の他の部分は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体によって吸収され、励起されて、約５５０ｎｍのピーク波長を持つ広域スペクトルの蛍光を放出する。ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体によって放出される広域スペクトル光には、多くの種々の色の光（たとえば、緑色、黄色、橙色、さらには赤色光）が含まれる可能性があり、放出光のピーク強度が黄色の範囲にあるので、ほぼ黄色がかった色に見える。ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体によって変換されないＬＥＤからの青色光と、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体によって放出される他の色の光との組合せは、観察者には白色に見え得る。かかる光は、主に可視発光スペクトルの下半分の光（より短波長側）を含むので、通常、寒色系の白色であると知覚される。放出された白色光をより「暖色系」に見せ、且つ／又はより優れた演色性を示すために、Ｅｕ２＋がドープされたＣａＡｌＳｉＮ３ベースの蛍光体など、赤色範囲内にピーク波長がある光を放出する蛍光体粒子が、青色ＬＥＤに塗布されるコーティングに添加され得る。
【0010】
一般に蛍光体は、第１の波長を有する光を吸収し、第１の波長とは異なる（典型的には、より長い）第２の波長を有する光を再放出する。たとえば、「ダウンコンバージョン」蛍光体は、より短い波長を有する光を吸収し、より長い波長を有する光を再放出できる。用語「蛍光体」は、本明細書では、従来燐光と呼ばれてきた材料だけでなく、たとえば、量子ドットなど、可視スペクトルのある波長の光を吸収して異なる波長の光を再放出する、他の発光材料も包含するように、広義に使用されていることが理解されよう。
【0011】
典型的には、蛍光体の粒子は、たとえば、エポキシベース又はシリコーンベースの硬化性樹脂などのバインダ材料に混合され、次いで、ＬＥＤ又は灯具の別の表面上にコーティング、噴霧、又は注がれる。本明細書では、かかる混合物は、「レシピエント発光媒体」と呼ばれる。レシピエント発光媒体は、１種若しくは複数種類の蛍光体が混合される１つの層又は同等のもの、それぞれが１種又は複数種類の同じ又は相異なる蛍光体を含み得る、複数の積み重ねられた層、及び／或いはそれぞれが同じ又は相異なる蛍光体を含み得る、複数の間隔を置いて配置された層を含み得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【文献】米国特許出願第１５／６５７，０２７号
【文献】米国特許出願第１４／０５３，４０４号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明のいくつかの実施例によれば、半導体発光デバイスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップと、ＬＥＤチップ上のレシピエント発光媒体と、ＬＥＤチップと反対側の、レシピエント発光媒体上のパターン形成されたスーパーストレートとを備え、パターン形成されたスーパーストレートは、ＬＥＤチップの光軸からはずれた角度の関数としての、半導体発光デバイスによって放出される光の色点の変動を低減するよう構成される、パターン形成された表面を有する。
【0014】
いくつかの実施例では、パターン形成された表面は、複数の光学要素を有する。
【0015】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、半導体発光デバイスによって放出される光の量を低減する一方で、視角の関数としての、半導体発光デバイスによって放出される光の色点の変動を低減するよう構成される。
【0016】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つは、凸状の突起を含む。
【0017】
いくつかの実施例では、凸状の突起は、非線形の側壁を備える。
【0018】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つは、凹状のへこみを含む。
【0019】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つは、円形の断面を有する。
【0020】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つは、多角形の断面を有する。
【0021】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、パターン形成されたスーパーストレート上に格子状に配置される。
【0022】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートの、パターン形成された表面と反対側の表面は、ほぼ平面である。
【0023】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、パターン形成されたスーパーストレートの上面にある。
【0024】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、パターン形成されたスーパーストレートの底面にある。
【0025】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つの高さは、１から３マイクロメートル（μｍ）の間であり、複数の光学要素のうちの少なくとも１つの幅は、２から４μｍの間である。
【0026】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のピッチは、０．５から１０μｍの間である。
【0027】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のピッチは、複数の光学要素のそれぞれの幅の０．５から１０倍の間である。
【0028】
いくつかの実施例では、パターン形成された表面は第１のパターン形成された表面であり、パターン形成されたスーパーストレートは、パターン形成されたスーパーストレートの、第１のパターン形成された表面と反対の側面上に、第２のパターン形成された表面を有し、複数の光学要素は、第１のパターン形成された表面上の第１の光学要素及び第２のパターン形成された表面上の第２の光学要素を含む。
【0029】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは、レシピエント発光媒体に直接接触する。
【0030】
いくつかの実施例では、半導体発光デバイスはさらに、パターン形成されたスーパーストレートとレシピエント発光媒体との間に、空隙を有する。
【0031】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは、第１のパターン形成されたスーパーストレートを含み、半導体発光デバイスはさらに、第１のパターン形成されたスーパーストレート上に第２のスーパーストレートを備え、第２のスーパーストレートは、第１のパターン形成されたスーパーストレートのパターン形成された表面に隣接する主面を有する。
【0032】
いくつかの実施例では、第１のパターン形成されたスーパーストレートは、複数の第１の光学要素を有し、第２のスーパーストレートは、複数の第２の光学要素を有する第２のパターン形成されたスーパーストレートを含む。
【0033】
いくつかの実施例では、第１のパターン形成されたスーパーストレートは、第１の屈折率を有し、第２のスーパーストレートは、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する。
【0034】
いくつかの実施例では、半導体発光デバイスはさらに、レシピエント発光媒体とＬＥＤチップとの間に接着剤層を備える。
【0035】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは透明である。
【0036】
いくつかの実施例では、パターン形成された表面は、ＬＥＤチップを通って延びる、ＬＥＤチップの主面に垂直な光軸から４０度以内のほぼすべての視角に対して、半導体発光デバイスによって放出される光のｃｃｘ及びｃｃｙ座標の両方の変動を０．０１以内に低減するよう構成される。
【0037】
本発明のいくつかの実施例によれば、半導体発光デバイスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップと、ＬＥＤチップ上に直接取り付けられたチップ・カバーとを備える。チップ・カバーは、複数の光学要素を有するパターン形成されたスーパーストレートと、パターン形成されたスーパーストレート上のレシピエント発光媒体とを備え、レシピエント発光媒体は、ＬＥＤチップとパターン形成されたスーパーストレートとの間にある。
【0038】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つは、凸状の突起を含む。
【0039】
いくつかの実施例では、凸状の突起は、非線形の側壁を備える。
【0040】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つは、凹状のへこみを含む。
【0041】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つは、円形の断面を有する。
【0042】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つは、多角形の断面を有する。
【0043】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、パターン形成されたスーパーストレート上に格子状に配置される。
【0044】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートはパターン形成された表面を有し、パターン形成されたスーパーストレートの、パターン形成された表面と反対側の表面は、ほぼ平面である。
【0045】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、パターン形成されたスーパーストレートの上面にある。
【0046】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、パターン形成されたスーパーストレートの底面にある。
【0047】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは、レシピエント発光媒体に直接接触する。
【0048】
いくつかの実施例では、半導体発光デバイスはさらに、パターン形成されたスーパーストレートとレシピエント発光媒体との間に、空隙を有する。
【0049】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは、サファイア、炭化ケイ素、溶融シリカ、及び／又はガラスを含む。
【0050】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、半導体発光デバイスによって放出される光の量を低減する一方で、視角の関数としての、半導体発光デバイスによって放出される光の色点の変動を低減するよう構成される。
【0051】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つの高さは、１から３マイクロメートル（μｍ）の間であり、複数の光学要素のうちの少なくとも１つの幅は、２から４μｍの間である。
【0052】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のピッチは、０．５から１０μｍの間である。
【0053】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のピッチは、複数の光学要素のそれぞれの幅の０．５から１０倍の間である。
【0054】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは、パターン形成された表面を有する第１のパターン形成されたスーパーストレートを含み、半導体発光デバイスはさらに、第１のパターン形成されたスーパーストレート上に第２のスーパーストレートを備え、第２のスーパーストレートは、第１のパターン形成されたスーパーストレートのパターン形成された表面に隣接する主面を有する。
【0055】
いくつかの実施例では、第１のパターン形成されたスーパーストレートは、複数の第１の光学要素を有し、第２のスーパーストレートは、複数の第２の光学要素を有する第２のパターン形成されたスーパーストレートを含む。
【0056】
いくつかの実施例では、第１のパターン形成されたスーパーストレートは、第１の屈折率を有し、第２のスーパーストレートは、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する。
【0057】
いくつかの実施例では、半導体発光デバイスはさらに、レシピエント発光媒体とＬＥＤチップとの間に接着剤層を備える。
【0058】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは透明である。
【0059】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは、第１のパターン形成された表面と、パターン形成されたスーパーストレートの、第１のパターン形成された表面と反対の側面上に第２のパターン形成された表面とを有し、複数の光学要素は、第１のパターン形成された表面上の第１の光学要素及び第２のパターン形成された表面上の第２の光学要素を含む。
【0060】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは、ＬＥＤチップを通って延びる、ＬＥＤチップの主面に垂直な光軸から４０度以内のほぼすべての視角に対して、半導体発光デバイスによって放出される光のｃｃｘ及びｃｃｙ座標の両方の変動を０．０１以内に低減するよう構成される。
【0061】
本発明のいくつかの実施例によれば、半導体発光デバイスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップと、ＬＥＤチップ上のレシピエント発光媒体と、ＬＥＤチップと反対側の、レシピエント発光媒体上のパターン形成されたスーパーストレートとを備え、パターン形成されたスーパーストレートは、ＬＥＤチップを通って延びる、ＬＥＤチップの主面に垂直な光軸から４０度以内のほぼすべての視角に対して、半導体発光デバイスによって放出される光のｃｃｘ及びｃｃｙ色座標の両方の変動を０．０１以内に低減するよう構成される、パターン形成された表面を有する。
【0062】
いくつかの実施例では、レシピエント発光媒体は、蛍光体材料及びバインダ材料を含み、バインダ材料の第１の屈折率とパターン形成されたスーパーストレートの第２の屈折率との間の差異は、少なくとも０．３である。
【0063】
いくつかの実施例では、パターン形成された表面は、複数の光学要素を有する。
【0064】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、光軸から少なくとも４５°である、ＬＥＤチップから放出される光の一部の向きを、ＬＥＤチップを通って延びる、ＬＥＤチップの主面に垂直な光軸から３０°以内に変える。
【0065】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、光軸から少なくとも１０°である、ＬＥＤチップから放出される光の一部の向きを、ＬＥＤチップを通って延びる、ＬＥＤチップの主面に垂直な光軸から３０°を超える向きに変える。
【0066】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つは、凸状の突起を含む。
【0067】
いくつかの実施例では、凸状の突起は、非線形の側壁を備える。
【0068】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つは、凹状のへこみを含む。
【0069】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つは、円形の断面を有する。
【0070】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つは、多角形の断面を有する。
【0071】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートの、パターン形成された表面と反対側の表面は、ほぼ平面である。
【0072】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、パターン形成されたスーパーストレートの上面にある。
【0073】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、パターン形成されたスーパーストレートの底面にある。
【0074】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、半導体発光デバイスによって放出される光の量を低減する一方で、視角の関数としての、半導体発光デバイスによって放出される光の色点の変動を低減するよう構成される。
【0075】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のうちの少なくとも１つの高さは、１から３マイクロメートルの間であり、複数の光学要素のうちの少なくとも１つの幅は、２から４μｍの間である。
【0076】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のピッチは、０．５から１０マイクロメートルの間である。
【0077】
いくつかの実施例では、複数の光学要素のピッチは、複数の光学要素のそれぞれの幅の０．５から１０倍の間である。
【0078】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、パターン形成されたスーパーストレート上に格子状に配置される。
【0079】
いくつかの実施例では、格子は６角形である。
【0080】
いくつかの実施例では、複数の光学要素は、パターン形成されたスーパーストレート上で変則的なパターンに配置される。
【0081】
いくつかの実施例では、パターン形成された表面は第１のパターン形成された表面であり、パターン形成されたスーパーストレートは、パターン形成されたスーパーストレートの、第１のパターン形成された表面と反対の側面上に第２のパターン形成された表面を有し、複数の光学要素は、第１のパターン形成された表面上の第１の光学要素及び第２のパターン形成された表面上の第２の光学要素を含む。
【0082】
いくつかの実施例では、パターン形成された表面は、ＬＥＤチップを通って延びる、ＬＥＤチップの主面に垂直な光軸から４０度以内のほぼすべての視角に対して、半導体発光デバイスによって放出される光のｃｃｘ及びｃｃｙ座標の両方の変動を０．００５以内に低減するよう構成される。
【0083】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは透明である。
【0084】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは、レシピエント発光媒体に直接接触する。
【0085】
いくつかの実施例では、半導体発光デバイスはさらに、パターン形成されたスーパーストレートとレシピエント発光媒体との間に、空隙を有する。
【0086】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは、サファイア、炭化ケイ素、溶融シリカ、及び／又はガラスを含む。
【0087】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートは、第１のパターン形成されたスーパーストレートを含み、半導体発光デバイスはさらに、第１のパターン形成されたスーパーストレート上に第２のスーパーストレートを備え、第２のスーパーストレートは、第１のパターン形成されたスーパーストレートのパターン形成された表面に隣接する主面を有する。
【0088】
いくつかの実施例では、第１のパターン形成されたスーパーストレートは、複数の第１の光学要素を有し、第２のスーパーストレートは、複数の第２の光学要素を有する第２のパターン形成されたスーパーストレートを含む。
【0089】
いくつかの実施例では、第１のパターン形成されたスーパーストレートは、第１の屈折率を有し、第２のスーパーストレートは、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する。
【0090】
特許又は出願書類のファイルは、カラーで作成された少なくとも１つの図面を含む。カラーの図面を含むこの特許又は特許出願公開のコピーは、要求及び必要な料金の支払いに応じて、特許庁により提供される。
【図面の簡単な説明】
【0091】
【図1】色度座標によって色を定義する、１９３１ＣＩＥ色度図である。
【図2】チップ・カバーを備える従来の半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図3A】デバイスから放出される光の様々な視角を示す、従来の半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図3B】従来の半導体発光デバイスから放出される光の、知覚される色の変化と、放出光の視角との間の関係を示すグラフである。
【図3C】従来の半導体発光デバイスから放出される光の、知覚される色の変化と、放出光の視角との間の関係を示すグラフである。
【図4】本発明の実施例による、半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図5A】
従来の半導体発光デバイスからの発光を示すシミュレーション図である。
【図5B】従来のデバイスと比較した、本発明の実施例による半導体発光デバイスの動作を示すシミュレーション図である。
【図6A】本発明の特定の実施例による、半導体発光デバイスが有する光学要素の例示的な構成の概略断面図である。
【図6B】本発明の特定の実施例による、半導体発光デバイスが有する光学要素の例示的な構成の概略断面図である。
【図6C】本発明の特定の実施例による、半導体発光デバイスが有する光学要素の例示的な構成の概略断面図である。
【図7A】本発明の特定の実施例による、半導体発光デバイスが有する光学要素の例示的な構成の概略断面図である。
【図7B】本発明の特定の実施例による、半導体発光デバイスが有する光学要素の例示的な構成の概略断面図である。
【図7C】本発明の特定の実施例による、半導体発光デバイスが有する光学要素の例示的な構成の概略断面図である。
【図8A】本発明の特定の実施例による、半導体発光デバイスが有する光学要素の例示的な構成の概略断面図である。
【図8B】本発明の特定の実施例による、半導体発光デバイスが有する光学要素の例示的な構成の概略断面図である。
【図8C】本発明の特定の実施例による、半導体発光デバイスが有する光学要素の例示的な構成の概略断面図である。
【図9A】光学要素がパターン形成されたスーパーストレートの上面にある、本発明の実施例による半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図11A】パターン形成されたスーパーストレートがへこんだ光学要素を有する、例示的な半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図11B】パターン形成されたスーパーストレートがへこんだ光学要素を有する、例示的な半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図12A】光学要素が突起として２層のスーパーストレート間に設けられた、例示的な半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図12B】光学要素が突起として２層のスーパーストレート間に設けられた、例示的な半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図12C】光学要素がへこみとして２層のスーパーストレート間に設けられた、例示的な半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図12D】光学要素がへこみとして２層のスーパーストレート間に設けられた、例示的な半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図12E】複数のパターン形成されたスーパーストレートを備える、例示的な半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図12F】複数のパターン形成されたスーパーストレートを備える、例示的な半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図12G】両面に光学要素を有する、パターン形成されたスーパーストレートを備えた、例示的な半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図12H】両面に光学要素を有する、パターン形成されたスーパーストレートを備えた、例示的な半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図13】パターン形成されたスーパーストレートが内部光学要素を有する、半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図14】パターン形成されたスーパーストレートとレシピエント発光媒体との間に、空隙をさらに有する、半導体発光デバイスの概略断面図である。
【図16】複数のＬＥＤチップを備える半導体発光デバイスに使用される、パターン形成されたスーパーストレートの概略断面図である。
【図17A】従来のデバイス及び本発明の実施例による半導体発光デバイスの、角度の変化に対する色を示すグラフである。
【図17B】従来のデバイス及び本発明の実施例による半導体発光デバイスの、角度の変化に対する色を示すグラフである。
【図17C】相異なる種類のパターン形成されたスーパーストレートを備える本発明の実施例による半導体発光デバイスの、角度の変化に対する色の差異の、性能を示すグラフである。
【図18A】従来のディフューザの使用によって発生する可能性がある鮮鋭度の低下を、本発明の実施例による例示的な半導体発光デバイスと比較して示すグラフである。
【図18B】従来のディフューザの使用によって発生する可能性がある鮮鋭度の低下を、本発明の実施例による例示的な半導体発光デバイスと比較して示すグラフである。
【図19A】従来のデバイスと本発明の実施例による例示的な半導体発光デバイスとの間の、さらなる性能比較を示すグラフである。
【図19B】従来のデバイスと本発明の実施例による例示的な半導体発光デバイスとの間の、さらなる性能比較を示すグラフである。
【図20A】従来の半導体発光デバイスの性能を示すグラフである。
【図20B】従来の半導体発光デバイスの性能を示すグラフである。
【図21A】本明細書に記載のいくつかの実施例によるデバイスの性能を示すグラフである。
【図21B】本明細書に記載のいくつかの実施例によるデバイスの性能を示すグラフである。
【図22A】円形の基部をもつ光学要素を有する半導体発光デバイス及び６角形の基部をもつ光学要素を有する半導体発光デバイスにおける、カラーオーバーアングル（ＣｏＡ：Ｃｏｌｏｒ－ｏｖｅｒ－Ａｎｇｌｅ）の変動を示すグラフである。
【図22B】円形の基部をもつ光学要素を有する半導体発光デバイス及び６角形の基部をもつ光学要素を有する半導体発光デバイスにおける、カラーオーバーアングル（ＣｏＡ）の変動を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0092】
これらの図は、特定の例示的な実施例で利用される方法、構造体、及び／又は材料の全般的な特性を図示し、以下に提示される書面による説明を補足することを意図していることに留意されたい。ただし、これらの図面は原寸に比例しておらず、所与の実施例の構造上の又は性能上の特性も正確に反映していない可能性があり、本明細書に記載の例示的な実施例に包含される値又は性質の範囲を定義又は制限するものとして解釈されるべきではない。たとえば、層、領域、及び／又は構造上の要素の相対的厚さ及び配置は、明確にするために縮小又は誇張され得る。様々な図面での類似又は同一の参照番号の使用は、類似又は同一の要素又は形体の存在を示すことを意図している。
【0093】
本発明の実施例によれば、ある範囲の視角にわたって半導体発光デバイスによって放出される光の色の一貫性は、半導体発光デバイスのＬＥＤチップと反対側のレシピエント発光媒体上に配置される、パターン形成されたスーパーストレートを追加することによって改善され得る。パターン形成されたスーパーストレートを追加することにより、様々な角度から見たときの放出光に、より均一な色をもたらすように、半導体発光デバイスによって放出される光の特性を変えることができる。
【0094】
レシピエント発光媒体を備えたＬＥＤチップを利用する従来の半導体発光デバイスは、放出光の視角が変化するにつれて、放出光の色が変動を示す光を放出する可能性がある。たとえば、半導体発光デバイスから放出される光の色は、半導体発光デバイスを直接、たとえば真っ直ぐに半導体発光デバイスを見ると、第１の色であり得るが、視角が直視に対して大きくなるにつれて、色は、第２の色になる可能性がある。言い換えれば、半導体発光デバイスから放出される光の知覚される色は、真正面から見た場合と違って、斜めの角度から見た場合には異なる可能性がある。半導体発光デバイスによって、様々な視角にわたって放出される光の色の変動は、デバイスのカラーオーバーアングル（ＣｏＡ）の変動として知られている。
【0095】
本明細書に記載の実施例によれば、半導体発光デバイスのＣｏＡ性能は、半導体発光デバイス内に、複数の光学要素が中に形成された、パターン形成されたスーパーストレートを備えることによって改善され得る。パターン形成されたスーパーストレートは、レシピエント発光媒体中の蛍光体によって放出される光と、ＬＥＤチップからの変換されていない光との両方を含む、レシピエント発光媒体から放出される光を受光するよう配置され得る。本明細書で論じられるように、このパターン形成されたスーパーストレートを使用することにより、広範囲の視角にわたる放出光のＣｏＡの変動を改善するために、放出光への追加の屈折及び／又は反射がもたらされ得る。
【0096】
本発明のいくつかの実施例によれば、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップ上のレシピエント発光媒体と、ＬＥＤチップと反対側の、レシピエント発光媒体上のパターン形成されたスーパーストレートとを備える、半導体発光デバイスが提供される。パターン形成されたスーパーストレートとは、ＬＥＤチップの放出面に垂直な線からはずれる角度の関数としての、半導体発光デバイスによって放出される光の色点の変動を低減する、パターン形成された表面であり得る。
【0097】
本発明のさらなる実施例によれば、ＬＥＤチップ及びＬＥＤチップ上に直接取り付けられたチップ・カバーを備える、半導体発光デバイスが提供される。チップ・カバーは、複数の光学要素を有するパターン形成されたスーパーストレートと、パターン形成されたスーパーストレート上のレシピエント発光媒体とを備え得る。レシピエント発光媒体は、ＬＥＤチップとパターン形成されたスーパーストレートとの間に配置され得る。
【0098】
本発明の追加の実施例によれば、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップ上のレシピエント発光媒体と、ＬＥＤチップと反対側の、レシピエント発光媒体上のパターン形成されたスーパーストレートとを備える、半導体発光デバイスが提供される。パターン形成されたスーパーストレートは、ＬＥＤチップの主面に垂直に延びる軸の４０度以内のほぼすべての視角に対して、放出光のｃｃｘ及びｃｃｙ色座標の両方の変動を０．０１以内に低減するよう構成された、パターン形成された表面を有する。
【0099】
ここで、本発明の例示的な実施例について、図を参照してより詳細に説明することにする。
【0100】
図２は、チップ・カバー２２０を備える従来の半導体発光デバイス２００の概略断面図である。図２に示すように、チップ・カバー２２０は、その上に配置されたレシピエント発光媒体１１０を具備するスーパーストレート１３０を備える。チップ・カバー２２０は、実質的にＬＥＤチップ１００を覆うことができ、レシピエント発光媒体１１０がＬＥＤチップ１００とスーパーストレート１３０との間にあるように配置され得る。次に、ＬＥＤチップ１００は、たとえば、セラミック基板などの支持基板１６０上に取り付けられ得る。支持基板１６０は、支持基板１６０に突き当たる光がＬＥＤチップ１００を通して向け直されるように、反射性の上面を有し得る。スーパーストレート１３０は、レシピエント発光媒体１１０の表面を保護することができる。スーパーストレートについては、たとえば、Ａｎｄｒｅｗｓ等の米国特許出願第１５／６５７，０２７号、名称「Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ， Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ」で論じられている。レシピエント発光媒体１１０は、典型的には、スーパーストレート１３０の表面上に噴霧及び／又はさもなければコーティングされる。レシピエント発光媒体については、たとえば、Ｈｅｉｋｍａｎ等の米国特許出願第１４／０５３，４０４号、名称「Ｃｈｉｐ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ」で論じられている。次いで、チップ・カバー２２０が、透明な接着剤１０５の層を使用してＬＥＤチップ１００に付着されて、半導体発光デバイス２００を提供できる。用語「スーパーストレート」は、本明細書では、スーパーストレートとＬＥＤチップとの間にレシピエント発光媒体を備える、ＬＥＤチップ上に配置された層を指すために使用される。スーパーストレートは、ＬＥＤチップのいずれの側にあってもよいことが理解されよう。たとえば、フリップ・チップ構造では、スーパーストレートがＬＥＤチップの下にあってもよい。用語「スーパーストレート」は、本明細書において、部分的には、ＬＥＤチップの基板などの半導体発光デバイスの一部であり得る他の基板との混同を回避するために使用されている。用語「スーパーストレート」は、該用語が表す構造体の向き、位置、及び／又は構成を制限することを意図するものではない。
【0101】
図３Ａは、図２の半導体発光デバイス２００の概略断面図であり、デバイス２００から放出される光の様々な視角Θを示す。図３Ａに示すように、ＬＥＤチップ１００は、それを通して光が放出される発光面１００ｓを有し得る。発光面１００ｓは、ＬＥＤチップ１００によって放出された光の大部分がそれを通ってレシピエント発光媒体１１０内へ進む、ＬＥＤチップ１００の主面であり得る。発光面１００ｓは、たとえば、ＬＥＤチップ１００の上面又は底面であり得る。ＬＥＤチップ１００によって放出された光は、レシピエント発光媒体１１０内へ進む。レシピエント発光媒体１１０は、ＬＥＤチップ１００から放出された光の一部を、１色又は複数色の相異なる色の光に変換でき、一方、ＬＥＤチップ１００によって放出された光の他の部分は、変換されずにレシピエント発光媒体を通過できる。したがって、半導体発光デバイス２００から出力される放出光１２０は、ＬＥＤチップ１００によって生成される変換されない光ばかりでなく、レシピエント発光媒体１１０によって放出される光も、両方含む。
【0102】
図３Ａに示すように、放出光１２０は、複数の角度で放出される光を含み得る。たとえば、放出光１２０は、ＬＥＤチップ１００の発光面１００ｓに垂直な光軸Ｎ（たとえば、光軸）に対して比較的小さい角度Θ１で放出される、第１の光成分１２０ａを含み得る。光軸Ｎは、本明細書では、半導体発光デバイスの「表面垂直線」と呼ばれることもある。光軸Ｎは、ＬＥＤチップ１００の発光面１００ｓに関連して説明され得るが、いくつかの実施例では、発光面１００ｓは、非線形及び／又は変動する表面を有し得ることが理解されよう。さらに、いくつかの実施例では、光のかなりの部分が、表面１００ｓの近隣の垂直のＬＥＤ表面など、他の表面を通って放出され得る。通常、光軸Ｎは、デバイスのピーク放出光度に対応する方向を指す。第１の放出光成分１２０ａは、主として半導体発光デバイス２００に直面する場所、たとえば図３Ａの場所Ａから、半導体発光デバイス２００を観察する観察者によって知覚され得る。
【0103】
加えて、放出光１２０は、ＬＥＤチップ１００の発光面１００ｓに垂直な光軸Ｎに対して角度Θ２の線に沿って放出される、第２の放出光成分１２０ｂを含み得る。第２の光成分１２０ｂは、主として、ＬＥＤチップ１００の発光面１００ｓに対して比較的大きな角度に向けられた場所、たとえば図３Ａの場所Ｂから、半導体発光デバイス２００を観察する観察者によって知覚され得る。
【0104】
視角Θが増加するにつれて、放出光１２０の色も変化し得る。図３Ｂ及び図３Ｃは、従来の半導体発光デバイス２００から放出される光の色の変化と、放出光１２０の視角Θとの間の関係を示すグラフである。図３Ｂを参照すると、ｘ軸は、ＬＥＤチップ１００の発光面１００ｓに対する光の視角Θを示す。０度の視角Θは、光軸Ｎに沿って向けられた視角を示す。視角Θの増加する（及び減少する）角度は、ＬＥＤチップ１００の発光面１００ｓに垂直な光軸Ｎからずれた角度に沿って向けられた視点（たとえば、図３Ａの箇所Ａ及びＢなど）を示す。
【0105】
図３Ｂにおいて、ｙ軸は、視角Θの関数としての、１９３１ＣＩＥ色度図で指定された、ＬＥＤチップ１００の放出光１２０のｃｃｘ成分（ｄｃｃｘ）の変化を示す。変化は、半導体発光デバイス２００の光軸Ｎに沿って知覚される色（たとえば、０度の視角Θ）に関係している。たとえば、図１を参照すると、放出光１２０のｃｃｘ成分の変化は、１９３１ＣＩＥ色度図内のＸ方向の、放出光１２０の色点の移動を表し得る。図３Ｃは、視角Θの関数としての、放出光１２０の色のｃｃｙ成分（ｄｃｃｙ）の同様の変化（０度の視角Θで知覚される色に対する）を示す。したがって、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、視角Θが光軸Ｎに対して増加するにつれて、放出光１２０の色は、ｃｃｘ方向及びｃｃｙ方向の両方に変化し得る。こうした変化の結果、光の色点は、半導体発光デバイス２００に対して視角Θが変化するにつれて変わり得る。これは、第１の角度（たとえば、図３Ａの場所Ａ）から見た光と、第２の角度（たとえば、図３Ａの場所Ｂ）から見た光との間に知覚可能な色の差異をもたらし得る。
【0106】
色の変化は、部分的には、放出光１２０がレシピエント発光媒体１１０を通過するときに、放出光１２０の相異なる成分がたどる、違う経路に起因し得る。再び図３Ａを参照すると、光軸Ｎから比較的小さい角度Θ１の線に沿ってレシピエント発光媒体１１０を通過する第１の放出光成分１２０ａは、レシピエント発光媒体１１０を通る比較的最短の経路をたどることができる。対照的に、光軸Ｎから比較的大きな角度Θ２でレシピエント発光媒体１１０を通過する第２の放出光成分１２０ｂは、第１の放出光成分１２０ａよりもレシピエント発光媒体１１０を横切る距離が長い。結果として、第１の放出光成分１２０ａよりも、第２の放出光成分１２０ｂが、より大きな割合だけ、レシピエント発光媒体１１０の発光材料によって変換され得る。したがって、光軸Ｎからより大きな角度で放出される光は、光軸Ｎからより小さな角度で放出される光よりも多くの「変換される光」（すなわち、レシピエント発光媒体１１０内の発光材料によって放出される光）、及びより少ない「通過する光」（すなわち、波長変換されることなくレシピエント発光媒体を通過する、ＬＥＤチップ１００によって放出される光）を含み得る。
【0107】
従来の半導体発光デバイスは、レシピエント発光媒体１１０の上にディフューザ層（たとえば、ＴｉＯ２の粒子、溶融シリカなどを含む層）を設けることによって、このＣｏＡの変動に対処しようと試みてきた。しかし、かかるディフューザ層は、かかる層がない従来の半導体発光デバイスと比較して、いくつかの用途において重要であり得る、デバイスから放出される光の鮮鋭度及び／又はコントラストの低下をもたらす可能性があり、且つデバイスのコストを増やす可能性もある。さらに、拡散する層は、光のかなりの部分を後方に、ＬＥＤチップ１００に向かって散乱させる場合があり、そこで光のかなりの部分が吸収される可能性があり、それにより、散乱体が存在しない場合と比べて、ＬＥＤチップ１００の全体的な効率が低下する。したがって、一般に、屈折及び全反射（ＴＩＲ：ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）などの光学的効果を利用して、吸収することが予測される表面に向かって後方に向けられる光の量を最小限に抑えながら、光を十分に混合することが望ましい。
【0108】
図４は、本発明の実施例による、半導体発光デバイス４００の概略断面図である。図４の半導体発光デバイス４００は、図２の従来のデバイスと同様に、支持基板１６０上にＬＥＤチップ１００を備える。しかし、図４の半導体発光デバイス４００は、改良されたチップ・カバー４２０を備える。改良されたチップ・カバー４２０は、レシピエント発光媒体４１０及びパターン形成されたスーパーストレート４３０を備える。パターン形成されたスーパーストレート４３０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０に入射する光の一部の向きを、レシピエント発光媒体４１０から、有利なやり方で変えるよう構成された、複数の構造体を有し得る。いくつかの実施例では、構造体は、パターン形成されたスーパーストレート４３０の１つ又は複数の表面上にあり得る。他の実施例では、構造体は、パターン形成されたスーパーストレート４３０の内部領域の中にあり得る。
【0109】
パターン形成されたスーパーストレート４３０が有する構造体は、本明細書では光学要素４５０と呼ばれ得る。光学要素４５０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０に形成される形体であり、自然に且つ／又は製造工程での意図しない副産物として発生する可能性のある、不規則な変動と区別され得る。いくつかの実施例では、光学要素４５０は、格子又は他の反復構造で設けられ得る。いくつかの実施例では、光学要素４５０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０の表面における突起（たとえば、パターン形成されたスーパーストレート４３０からの凸状の延在部）及び／又はへこみ（たとえば、パターン形成されたスーパーストレート４３０内への凹状の形体）であり得る。いくつかの実施例では、光学要素４５０は、光の反射を助けるように意図的に配置された、パターン形成されたスーパーストレート４３０の表面の構造的変動であり得る。いくつかの実施例では、光学要素４５０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０の表面の縁部及び中心部を含む、パターン形成されたスーパーストレート４３０の表面の複数の部分上にあり得る。いくつかの実施例では、光学要素４５０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０全体にわたって均一な形状及び間隔を有し得るが、一方、他の実施例では、間隔又は形状は、パターン形成されたスーパーストレート４３０全体にわたって、設計によって変わってもよい。
【0110】
光学要素４５０の形状は、図４では三角形の断面を有する構造体として示しているが、本明細書でさらに説明するように、サイズ及び構造は変わってもよく、図４の光学要素４５０の形状は、単なる例示のためにすぎない。光学要素４５０は、半導体発光デバイス４００のＣｏＡの変動を改善するために、レシピエント発光媒体から放出される放出光４８０（通過する光及び変換される光の両方を含み得る）をさらに反射するように構成され得る。
【0111】
図４に示すように、レシピエント発光媒体４１０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０の光学要素４５０とＬＥＤチップ１００との間に配置され得る。いくつかの実施例では、レシピエント発光媒体４１０は、１０マイクロメートル（μｍ）から１００μｍの間の厚さを有し得る。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０は、１２５μｍから１６５μｍの間の厚さを有し得る。
【0112】
いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０は、たとえば、サファイア、炭化ケイ素、シリコーン、及び／又はガラス（たとえば、ホウケイ酸塩及び／又は溶融石英）から構成され得る。パターン形成されたスーパーストレート４３０は、パターン形成され、次いで個片化されたバルク基板から形成され得る。いくつかの実施例では、バルク基板のパターン形成は、エッチング工程（たとえば、湿式又は乾式エッチング）で実行され得る。いくつかの実施例では、バルク基板のパターン形成は、他の方法で、レーザ又は鋸などで表面を変化させることによって実行され得る。いくつかの実施例では、バルク基板は、パターン形成工程が実行される前又は後に薄くされ得る。次いで、レシピエント発光媒体４１０は、たとえば、バルク基板にレシピエント発光媒体４１０を噴霧及び／又はさもなければコーティングすることによって、バルク基板上に配置され得る。典型的には、レシピエント発光媒体４１０がバルク基板に塗布され、その後、たとえば、レーザ又は機械式鋸を使って個片化され、レシピエント発光媒体４１０及びパターン形成されたスーパーストレート４３０を備える個々のチップ・カバー４２０が形成されるが、本発明の実施例はこれに限定されるものではない。チップ・カバー４２０は、たとえば、透明な接着剤１０５の層を使用して、ＬＥＤチップ１００に付着され得る。いくつかの実施例では、透明な接着剤の層１０５は、約５μｍの厚さであり得る。個々のチップ・カバー４２０は、たとえば、ピックアンドプレース製造工程を使用して、ＬＥＤチップ１００上に配置され得る。
【0113】
パターン形成されたスーパーストレート４３０は、チップ・カバー４２０の一部として示しているが、本発明の実施例は、それに限定されるものではない。半導体発光デバイス４００は、中間の改良されたチップ・カバー４２０を形成することなく、パターン形成されたスーパーストレート４３０及びレシピエント発光媒体４１０を利用して形成され得ることが理解されよう。たとえば、いくつかの実施例では、レシピエント発光媒体４１０は、たとえば、噴霧、注ぎ、又はコーティングなどによってＬＥＤチップ１００上に配置され得、パターン形成されたスーパーストレート４３０は、ピックアンドプレース工程などによってレシピエント発光媒体４１０上に配置され得る。言い換えれば、レシピエント発光媒体４１０及びパターン形成されたスーパーストレート４３０は、最初に別個のチップ・カバー４２０を形成することなく、ＬＥＤチップ１００上に個々に配置され得る。かかる実施例では、透明の接着剤層１０５は存在しなくてもよいが、本明細書に記載の実施例はそれに限定されるものではない。たとえば、ＬＥＤチップ１００がフリップ・チップ構造で構成されている場合、透明な接着剤層１０５は存在しなくてもよい。
【0114】
図４はまた、不透明な充填領域４７０を備える。不透明な充填領域４７０は、半導体発光デバイス４００からの、好ましい上部の発光に有利になるように、側部の発光を抑制できる、反射率の高い囲繞する材料を含み得る。いくつかの実施例では、不透明な充填領域４７０は、シリコーン材料及び／又は散乱粒子から構成され得る。図４に示す不透明な充填領域４７０は、本明細書に記載される実施例のそれぞれに備えられ得る。しかし、不透明な充填領域４７０は、簡潔にするために、本明細書に含まれる半導体発光デバイスの様々な図から省略される場合がある。
【0115】
図４に示す半導体発光デバイス４００の構造体は、代表的なものであることを意図しているが、本発明の実施例はそれに限定されるものではない。たとえば、接着剤層、拡散する層（たとえば、散乱粒子を含む接着剤）、反射及び／又は波長変換層などの追加の層が、ＬＥＤチップ１００とパターン形成されたスーパーストレート４３０との間及び／又はパターン形成されたスーパーストレート４３０上に存在してもよい。
【0116】
図５Ａ及び図５Ｂは、従来の半導体発光デバイスと比較した、本発明の実施例による半導体発光デバイスの動作を示すシミュレーション図である。図５Ｃ及び図５Ｄは、図５Ｂの拡大した部分である。図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、シミュレーションは、青色及び黄色の領域／線を含む。青色の領域／線（その実例を、参照番号５４０を使って図５Ａに示す）は、下にあるＬＥＤの発光面に垂直な軸から比較的小さな角度で放出される光（たとえば、図３Ａの放出光１２０ａの第１の成分）を表す。一方、黄色の領域／線（その実例を、参照番号５５０を使って図５Ａに示す）は、下にあるＬＥＤの発光面に垂直な軸から比較的大きな角度で放射する光（たとえば、図３Ａの放出光１２０ｂの第２の成分）を表す。図５Ａ及び図５Ｂは、ＬＥＤの個々の発光点から放出される光を概略的に示す。言い換えれば、図５Ａ及び図５Ｂは、必ずしも、下にあるＬＥＤ（図示せず）の表面全体にわたって放出される光のすべてを表しているのではなく、特定の発光点５１０に着目している。ＬＥＤは、ＬＥＤの表面全体に複数の発光点を有し、発光点５１０はその１つにすぎないことが理解されよう。図５Ａ及び図５Ｂに概略的に示す現象は、ＬＥＤの表面上の複数の点にわたって繰り返され得る。
【0117】
図５Ａは、従来の半導体発光デバイスからの発光を示す。図５Ａの下部は、図５Ａの上部の区域「Ａ」の分解図を示す。図５Ａに示すように、ＬＥＤの発光面に垂直である光軸に近い角度で放出する発光点５１０の光（たとえば、青色の領域／線５４０で示す光）は、主に、半導体発光デバイスの光軸から中心部の視角に沿って外方に向けられる（たとえば、約－４５°から約４５°）。図５Ａにさらに示すように、ＬＥＤの発光面に垂直な軸から、より大きな角度で放出する発光点５１０の光（たとえば、黄色の領域／線５５０を使って示す光）は、レシピエント発光媒体１１０と従来のスーパーストレート１３０との間の境界面で反射される。このより大きい角度の光は、半導体発光デバイスの光軸からのより広い視角内（たとえば、約－４５°から－９０°の間の第１の区域から約４５°から９０°の間の第２の区域まで）に集中する。図５Ａから分かるように、従来のスーパーストレート１３０内で放出光の内部反射があるが、反射は主により大きい角度の光の反射（たとえば、黄色の領域／線５５０を使って示す光）である。図５Ａの下部では、光線のわずかな屈曲及び／又は屈折が、発光媒体１１０と従来のスーパーストレート１３０との間の境界で明らかである。この屈折は、２つの層間の屈折率の差異に起因する。図５Ａに示すケースでは、発光層１１０は、従来のスーパーストレートの屈折率（たとえば、１．８）に比べて、より低い屈折率（たとえば、１．４１）を有する。
【0118】
図５Ｂは、本発明の特定の実施例による、半導体発光デバイスからの発光を示す。図５Ｂの下部は、図５Ｂの上部の区域「Ｂ」の分解図を示す。図５Ｂに示すように、ＬＥＤの発光面に垂直である軸から小さい角度で放出する発光点５１０の光（たとえば、青色の領域／線５４０で示す光）は、半導体発光デバイスの光軸からの複数の視角に沿って外方に向けられる（たとえば、約－７０°から約７０°）。ＬＥＤの発光面に垂直である軸からより大きい角度で放出する発光点５１０の光（たとえば、黄色の領域／線５５０を使って示す光）もまた、半導体発光デバイスの光軸からより広い視角にわたって分散している（たとえば、約－９０°から約９０°）。図５Ｂに示すように、より大きい角度の光（たとえば、黄色の領域／線５５０を使って示す光）について、パターン形成されたスーパーストレート４３０内で放出光の内部反射がある。この効果の組合せ、すなわち、垂直の角度の光（たとえば、青い領域／線５４０を使って示す光）の、より大きい角度への屈折による屈曲は、より大きい角度の光（たとえば、黄色の領域／線５５０を使って示す光）の垂直線に向かう内部反射と共に、垂直の光とより大きい角度の光との角度分散を混合することにより、従来のＣｏＡの不均一性に対処する。別の言い方をすれば、パターン形成されたスーパーストレート４３０内の光の内部反射により、パターン形成されたスーパーストレート４３０を出る光の分散が、従来の場合（たとえば、図５Ａ）よりも広い視角にわたってより一貫し得る。
【0119】
パターン形成されたスーパーストレート４３０内の反射の増加は、少なくとも部分的に光学要素４５０によるものである。光学要素４５０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０に入る光の屈折が増加するように、レシピエント発光媒体４１０との境界面を有する、付加的な表面をもたらす。この効果は、ディフューザを加えるなど、他の材料を使って実行される可能性のある光の単に不規則な散乱（たとえば、等方性散乱）を上回るものであることに留意されたい。むしろ、パターン形成されたスーパーストレート４３０とレシピエント発光媒体４１０との間の境界面は、相異なる屈折率を有する材料との規則的に分散される境界面を提供する。この屈折率に差のある表面積の増加は、従来の場合よりも、レシピエント発光媒体４１０を出てパターン形成されたスーパーストレート４３０に入る光の、より多くの屈折する機会をもたらす。次いで、この付加的な屈折光は、パターン形成されたスーパーストレート４３０内で（たとえば、全反射で）反射され、放出光の分散の増加をもたらし得る。
【0120】
したがって、デバイスのＣｏＡの変動を改善する及び／又はそれに影響を与え得る変数には、パターン形成されたスーパーストレート４３０に使用される材料、並びに光学要素４５０の構造の両方が含まれる。たとえば、パターン形成されたスーパーストレート４３０の材料は、パターン形成されたスーパーストレート４３０とレシピエント発光媒体４１０との間の屈折率の差異に寄与し得る。パターン形成されたスーパーストレート４３０の屈折率とレシピエント発光媒体４１０の屈折率との間の差異がより大きいほど、一層屈折量が多くなり、これにより半導体発光デバイスのＣｏＡ性能を改善できるように、向きが変えられ得る光の量が増加する可能性がある。記載された実施例は、主に、発光レシピエント媒体４１０の屈折率がパターン形成されたスーパーストレート４３０の屈折率よりも低い場合を包含するが、いくつかの実施例では、発光レシピエント媒体４１０がパターン形成されたスーパーストレート４３０よりも高い屈折率を有するように、差異が逆転する場合があることを理解されたい。いくつかの実施例では、さらに異なる屈折率又は屈折率の段階的変化さえも有する、中間層又はコーティングが存在し得る。
【0121】
いくつかの実施例では、屈折は、光の一部の全反射をもたらし得る。いくつかの実施例では、反射は、下にあるＬＥＤの発光面に垂直である軸から比較的大きな角度で放出する光について増加し得る。たとえば、図４に示すような光学要素４５０に当たる光は、２回変化し得る。最初に、光は、光学要素４５０の第１の表面にぶつかり、パターン形成されたスーパーストレート４３０の屈折率とレシピエント発光媒体４１０の屈折率との間の差異に起因して屈折され得る。２度目に、光は、光学要素４５０を通って移動し続け、光学要素４５０の反対側（たとえば、反対側の側壁）にぶつかったときに再び変化し得る。光学要素４５０の反対側は、パターン形成されたスーパーストレート４３０内で光を反射して戻すことができ、この光は、パターン形成されたスーパーストレート４３０を通ってデバイスを最終的に出る前に、半導体発光デバイスの他の形体によってさらに反射され得る。最終的な結果として、より均一な色点を有する光が、広範囲の視角にわたってデバイスから放出され得る。光学要素４５０の構造及びパターン形成されたスーパーストレート４３０で使用される材料を調整することにより、屈折率の差が、パターン形成されたスーパーストレート４３０内の光の分散をより良くするよう調節され得る。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０の屈折率とレシピエント発光媒体４１０の屈折率との間の差異は、少なくとも約０．３であり得るが、本開示はそれに限定されるものではない。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０の屈折率とレシピエント発光媒体４１０の屈折率との間の差は、０．１から２の間であり得る。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０の屈折率とレシピエント発光媒体４１０の屈折率との間の差は、０．０１から０．５の間であり得る。
【0122】
パターン形成されたスーパーストレート４３０の材料に加えて、光学要素４５０の配置及び構造もまた、相異なる視角で半導体発光デバイスを出る光の種類について役割を果たし得る。たとえば、光学要素４５０の形状は、レシピエント発光媒体４１０を通って放出される光に対して提供される表面に影響を与え得る。本明細書でさらに説明するように、光学要素４５０の形状は、半導体発光デバイスによって放出される光の分散を調整するよう選択され得る。加えて、光学要素４５０の配置（たとえば、ピッチ）もまた、レシピエント発光媒体４１０を通って放出される光に対して提供される表面の多様性に寄与し得る。したがって、光学要素４５０のピッチもまた、半導体発光デバイスによって放出される光の分散を調整するよう選択され得る。
【0123】
図５Ｃ及び図５Ｄは、図５Ｂの拡大した部分である。図５Ｃは、より大きい角度の光（たとえば、図で「黄色」５５０として示す光）が光学要素４５０に衝突したときに移動し得る経路の、様々なシミュレーションを示す。図５Ｄは、より小さい角度の光（たとえば、図で「青色」５４０として示す光）の経路の、同様のシミュレーションを示す。図５Ｃ及び図５Ｄ内に、向きを示す目的で、半導体発光デバイスの光軸Ｎを示す。図５Ｃを参照すると、より大きい角度の光が、レシピエント発光媒体４１０を出るときに光学要素４５０に当たり得る。レシピエント発光媒体４１０と光学要素４５０の材料との間の屈折率の差異のために、屈折が起こり得る。場合によっては、光の屈折は、光が光学要素４５０の反対側の側壁に当たるように、光の進行方向を変え得る。これが起こると、全反射（ＴＩＲ）が生じる場合があり、全反射により、光がパターン形成されたスーパーストレート４３０の上面に向かって反射して戻り得る。この経路を進む光の実例は、図５Ｃにおいて「屈折＋ＴＩＲ」と記されている。場合によっては、光の進行方向が変化し得る（たとえば、屈折される）が、該変化は、光を光学要素４５０の反対側の側壁にぶつけるには十分でない場合がある。この場合、光は、光学要素４５０の反対側の側壁で反射されて離れる光よりも浅い角度で、パターン形成されたスーパーストレート４３０の上面に向かって屈折され得る。この経路を進む光の実例は、図５Ｃにおいて「屈折のみ」と記されている。いくつかの実施例では、光学要素４５０は、ＬＥＤから放出される、光軸Ｎから少なくとも４５°の光の一部の向きを、光軸Ｎから３０°以内に変え得る。いくつかの実施例では、光学要素４５０は、ＬＥＤから放出される、光軸Ｎから少なくとも１０°の光の一部の向きを、光軸Ｎから３０°を超える向きに変え得る。
【0124】
図５Ｄを参照すると、より小さい角度の光（たとえば、ＬＥＤの発光面に対して垂直により近い角度を有する光）は、レシピエント発光媒体４１０を出るときに、光学要素４５０に当たる可能性がある。この光は、図５Ｃを参照して上記で論じた、より大きい角度の光と比較して、「より急峻な」角度で光学要素４５０に当たり得る。以前に論じたように、レシピエント発光媒体４１０と光学要素４５０の材料との間の屈折率の差異により、光が光学要素４５０の第１の表面に当たるときに、より小さい角度で光を屈折し得る。しかし、より小さい角度の光のより急峻な角度のために、屈折は、図５Ｃに示す、より大きい角度の光の場合ほど大きくない可能性があり、したがって、光学要素４５０の反対側の側壁には、より小さい角度の光のよりわずかしか（又はまったく）ぶつかり得ない。したがって、光は、光軸Ｎに対して角度は増加しているものの、パターン形成されたスーパーストレート４３０の上面に向かって屈折され得る。この経路を進む光の実例は、図５Ｄにおいて「屈折のみ」と記されている。
【0125】
前述のように、図５Ａ～図５Ｄにおける光線の「黄色」（５５０）及び「青色」（５４０）の表示は、色を表すことを意図しているのではなく、ＬＥＤチップ１００及びレシピエント発光媒体１１０、４１０の組合せから放出される光の角度を表す。光軸Ｎからより大きい角度で放射する光は、レシピエント発光媒体１１０、４１０を通ってもっと先に進み、したがって、レシピエント発光媒体１１０、４１０内で相異なる波長に変換された光の成分を、比例的により多く含むようになる。同様に、光軸Ｎに対してより小さい角度で放出する光は、レシピエント発光媒体１１０、４１０内で相異なる波長に変換された光の成分を、比例的によりわずかしか含まないようになる。両方の種類の光をより広い範囲の視角にわたって分散させることにより、より一貫性のあるＣｏＡを実現できる。
【0126】
図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、本発明の実施例による光学要素４５０ａの例示的な構造を示す。図６Ａに示すように、光学要素４５０ａは、ほぼ円錐形であり得る。円錐形の光学要素４５０ａは、パターン形成されたスーパーストレート４３０から突出し得る。言い換えれば、パターン形成されたスーパーストレート４３０は、そこから突出する円錐形の光学要素４５０ａを有するように、スーパーストレートにパターンづけすることにより、形成され得る。いくつかの実施例では、光学要素４５０ａは、図６Ａに示す突起を形成するために、エッチング工程（たとえば、湿式又は乾式エッチング）によって形成され得る。図６Ｂは、パターン形成されたスーパーストレート４３０上の円錐形の光学要素４５０ａの配置の平面図を示す。いくつかの実施例では、円錐形の光学要素４５０ａのそれぞれ１つは、円錐形の光学要素４５０ａの隣接する１つからピッチＰａだけ離され得る。図６Ａに示す円錐形の光学要素４５０ａは、線形の側壁を備えるが、本発明の実施例はそれに限定されるものではない。たとえば、いくつかの実施例では、円錐形の光学要素４５０ａを含む光学要素４５０の側壁は、図６Ｃのプロファイル図に示すように、湾曲及び／又は非線形の側壁６３０ａを備え得る。いくつかの実施例では、円錐形の光学要素４５０ａの高さは、約１μｍから約２μｍであり得る。円錐形の光学要素４５０ａの基部の直径は、約２．２μｍから約３μｍであり得る。ピッチＰａは、約２μｍから約４μｍの間であり得る。他の実施例では、円錐形の光学要素４５０ａの高さは、約０．５μｍから約４μｍであり得る。円錐形の光学要素４５０ａの基部の直径は、約１．０μｍから約４μｍであり得る。ピッチＰａは、約１．５μｍから約８μｍの間であり得る。いくつかの実施例では、ピッチＰａは、０．５μｍから約１０μｍの間で変化し得る。いくつかの実施例では、ピッチＰａは、円錐形の光学要素４５０ａの寸法に基づき得る。たとえば、いくつかの実施例では、ピッチＰａは、円錐形の光学要素４５０ａの寸法（たとえば、幅）の０．５から１０倍の間であり得る。
【0127】
図７Ａ、図７Ｂ、及び図７Ｃは、本発明の実施例による光学要素４５０ｂのさらなる例示的な構造を示す。図７Ａに示すように、光学要素４５０ｂは、ほぼ４辺形のピラミッド形状に構成され得る。４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂは、パターン形成されたスーパーストレート４３０から突出するよう構成され得る。４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂの基部は、たとえば、４つの辺をもつ４辺形の設計を有し得る。図７Ｂは、パターン形成されたスーパーストレート４３０上の４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂの配置の平面図を示す。４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂのそれぞれ１つは、４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂの隣接する１つからピッチＰｂだけ離され得る。図６Ｃに関して論じたように、４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂの側壁６３０ｂは、図７Ｃのプロファイル図に示すように、湾曲している及び／又は非線形であり得る。側壁６３０ｂの湾曲は、図６Ｃに示す側壁６３０ａの湾曲と同じでも又は異なってもよい。いくつかの実施例では、４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂの高さは、約１μｍから約２μｍであり得る。４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂの基部の辺の寸法（たとえば、長さ又は幅）は、約２．２μｍから約３μｍであり得る。ピッチＰｂは、約２μｍから約４μｍの間であり得る。他の実施例では、４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂの高さは、約０．５μｍから約４μｍであり得る。４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂの基部の直径は、約１．０μｍから約４μｍであり得る。ピッチＰｂは、約１．５μｍから約８μｍの間であり得る。いくつかの実施例では、ピッチＰｂは、０．５μｍから約１０μｍの間で変化し得る。いくつかの実施例では、ピッチＰｂは、４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂの寸法に基づき得る。たとえば、いくつかの実施例では、ピッチＰｂは、４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂの寸法（たとえば、幅）の０．５から１０倍の間であり得る。
【0128】
図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃは、本発明の実施例による光学要素４５０ｃのさらなる例示的な構造を示す。図８Ａに示すように、光学要素４５０ｃは、ほぼ６角形のピラミッド形状に構成され得る。６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃは、パターン形成されたスーパーストレート４３０から突出するよう構成され得る。６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃの基部は、たとえば、６つの辺をもつ６角形の設計を有し得る。図８Ｂは、パターン形成されたスーパーストレート４３０上の６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃの配置の平面図を示す。６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃのそれぞれ１つは、６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃの隣接する１つからピッチＰｃだけ離され得る。図６Ｃに関して論じたように、６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃの側壁６３０ｃは、図８Ｃのプロファイル図に示すように、湾曲している及び／又は非線形であり得る。側壁６３０ｃの湾曲は、図６Ｃに示す側壁６３０ａの湾曲及び／又は図７Ｃに示す側壁６３０ｂの湾曲と同じでも又は異なってもよい。いくつかの実施例では、６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃの高さは、約１μｍから約１．５μｍであり得る。６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃの基部の最も広い寸法は、約１．８μｍから約２．７μｍであり得る。ピッチＰｃは、約２．４μｍから約２．８μｍの間であり得る。他の実施例では、６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃの高さは、約０．５μｍから約３μｍであり得る。６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃの基部の直径は、約１．０μｍから約４μｍであり得る。ピッチＰｃは、約１．５μｍから約５μｍの間であり得る。いくつかの実施例では、ピッチＰｃは、０．５μｍから約１０μｍの間で変化し得る。いくつかの実施例では、ピッチＰｃは、６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃの寸法に基づき得る。たとえば、いくつかの実施例では、ピッチＰｃは、６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃの寸法（たとえば、幅）の０．５から１０倍の間であり得る。
【0129】
図６Ａ～図８Ｃに関して特定の形状について説明してきたが、本発明のさらなる実施例を提供するために、光学要素４５０に他の形状が与えられ得ることが理解されよう。たとえば、光学要素４５０は、様々な数の辺をもつ基部を有するピラミッド、球、回転楕円体、立方体、円柱、放物体などを含む、他の種類の幾何形状であり得る。同様に、様々な光学要素４５０は、様々なやり方で、パターン形成されたスーパーストレート４３０上に配置され得る。たとえば、光学要素４５０は、様々な構造（たとえば、正方形、長方形、６角形など）の格子状に配置され得る。加えて、光学要素４５０は、変則的な且つ／又は非周期的な配置（たとえば、不規則にパターンづけされた、準結晶など）で、パターン形成されたスーパーストレート上に配置され得る。いくつかの実施例では、光学要素４５０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０の第１の位置（たとえば、縁部又は中央）に第１の配置で、且つパターン形成されたスーパーストレート４３０の第２の位置（たとえば、縁部又は中央）に第２の配置で、配置され得る。たとえば、パターン形成されたスーパーストレート４３０の第１の位置では、規則的な格子状に配置された光学要素４５０を有することができ、パターン形成されたスーパーストレート４３０の第２の位置では、不規則に配置された光学要素４５０を有し得る。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０の第１の位置では、第１の構造（たとえば、正方形）の格子状に配置された光学要素４５０を有することができ、パターン形成されたスーパーストレート４３０の第２の位置では、第２の構造（たとえば、６角形）の格子状に配置された光学要素４５０を有し得る。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０上の光学要素４５０は、複数の形状及びサイズから構成され得る。たとえば、第１の種類及び／又は形状の光学要素４５０（たとえば、図６Ａ～図６Ｃの円錐形の光学要素４５０ａ）は、パターン形成されたスーパーストレート４３０の第１の部分で使用されてもよく、第２の種類及び／又は形状の光学要素４５０（たとえば、図８Ａ～図８Ｃの６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃ）は、パターン形成されたスーパーストレート４３０の第２の部分で使用されてもよい。いくつかの実施例では、光学要素４５０の隣接する光学要素間のピッチは、光学要素４５０の寸法（たとえば、幅）の０．５から１０倍の間であり得る。
【0130】
図４は、光学要素４５０がパターン形成されたスーパーストレート４３０の底面（たとえば、ＬＥＤチップ１００に最も近い、パターン形成されたスーパーストレート４３０の表面）にある実例を示しているが、他の構造が可能であることが理解されよう。たとえば、図９Ａは、光学要素４５０がパターン形成されたスーパーストレート４３０’の上面にある、本発明の実施例による半導体発光デバイス９００を示す。図９Ａに示すように、パターン形成されたスーパーストレート４３０’の底面は、レシピエント発光媒体４１０に隣接することができ、光学要素４５０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０’の、レシピエント発光媒体４１０とは反対側（たとえば、上面）に配置され得る。図４の照明デバイス４００と同様に、パターン形成されたスーパーストレート４３０’及びレシピエント発光媒体４１０は、一体にチップ・カバー４２０’を構成し得るが、本発明はそれに限定されるものではない。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０’は、レシピエント発光媒体４１０とは別個に、ＬＥＤチップ１００上に配置され得る。かかる実施例では、透明な接着剤層１０５は必要とされない可能性がある。
【0131】
図９Ｂは、図９Ａの半導体発光デバイス９００の動作を示す概略図である。図９Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、ＬＥＤから発光する角度に基づいて、青色（５４０）又は黄色（５５０）で示す点光源の光線の同様の表示を含む。簡潔にするために、ここではその説明を繰り返さないことにする。図９Ｂに示すように、パターン形成されたスーパーストレート４３０’の上面に光学要素４５０を有する半導体発光デバイス９００の動作は、パターン形成されたスーパーストレート４３０’の底面に光学要素４５０を有する半導体発光デバイス（たとえば、図４の半導体発光デバイス４００）の動作とは異なる。しかし、パターン形成されたスーパーストレート４３０’とレシピエント発光媒体４１０との間の材料の屈折率の変動は、やはりパターン形成されたスーパーストレート４３０’内の反射の増加をもたらす。結果として、半導体発光デバイス９００のＣｏＡの変動は、従来のデバイスと比較して変わる。加えて、パターン形成されたスーパーストレート４３０’の上面に光学要素４５０を有する半導体発光デバイス９００から放出される光の明度は、他の半導体発光デバイスの明度と比較して増加し得る。
【0132】
前述の実施例は、パターン形成されたスーパーストレート４３０から突出する光学要素４５０を示しているが、本発明の実施例はそれに限定されるものではないことが理解されよう。たとえば、いくつかの実施例では、光学要素４５０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０のへこみとして構成され得る。図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃは、光学要素４５０が、パターン形成されたスーパーストレート４３０の表面から突出するのではなく、パターン形成されたスーパーストレート４３０の表面内にへこまされていることを除いて、それぞれ図６Ａ、図７Ａ、及び図８Ａの光学要素と同様の形状を有する、光学要素４５０の実施例を示す。たとえば、図１０Ａは、パターン形成されたスーパーストレート４３０の表面内にへこまされた、円錐形の光学要素４５０ａ’を示している。図１０Ｂは、パターン形成されたスーパーストレート４３０の表面内にへこまされた、４辺形ピラミッドの光学要素４５０ｂ’を示している。図１０Ｃは、パターン形成されたスーパーストレート４３０の表面内にへこまされた、６角形ピラミッドの光学要素４５０ｃ’を示している。へこまされた光学要素４５０ａ’、４５０ｂ’、４５０ｃ’は、バルク基板をエッチングし（たとえば、乾式又は湿式エッチングを用いて）、次いでバルク基板を個片化して、光学要素４５０ａ’、４５０ｂ’、４５０ｃ’を形成することにより、形成され得る。
【0133】
図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃに示すような、へこまされた光学要素４５０を有するパターン形成されたスーパーストレート４３０は、図４及び図９に示すようなデバイス構造で利用され得る。たとえば図１１Ａは、図４の半導体発光デバイスと同様のやり方で、へこまされた光学要素４５０’がパターン形成されたスーパーストレート４３０の底面にある、例示的な半導体発光デバイス１１００を示す。いくつかの実施例では、レシピエント発光媒体４１０は、へこまされた光学要素４５０’のへこみ内にあり、且つ／又はへこみを充填できるが、本明細書に記載の実施例はそれに限定されるものではない。たとえば、いくつかの実施例では、へこまされた光学要素４５０’のへこみは、その中に空所を有する（たとえば、空隙を有する）よう構成され得る。図１１Ｂは、図９の照明デバイスと同様のやり方で、へこまされた光学要素４５０’がパターン形成されたスーパーストレート４３０’の上面にある、例示的な照明デバイス１１００’を示す。
【0134】
図４の半導体発光デバイス４００と同様に、図１１Ａ及び図１１Ｂのパターン形成されたスーパーストレート４３０、４３０’、及びレシピエント発光媒体４１０は、一体にチップ・カバー４２０、４２０’を形成し得るが、本発明の実施例はそれに限定されるものではない。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０、４３０’は、レシピエント発光媒体４１０とは別個に、ＬＥＤチップ１００上に配置され得る。かかる実施例では、透明な接着剤層１０５は必要とされない可能性がある。
【0135】
本発明の実施例による半導体発光デバイスはまた、２層のスーパーストレートを使用し、その少なくとも一方がパターン形成されたスーパーストレートであることにより、利点を得ることができる。２層のスーパーストレートを使用することにより、光学要素は、レシピエント発光媒体から間隔をあけて配置され得る。この分離は、２層のスーパーストレート内での放出光のさらなる反射を可能にし、半導体発光デバイスのＣｏＡの変動をさらに改善（たとえば、低減）できる。図１２Ａ及び図１２Ｂは、光学要素４５０が２層のスーパーストレート間に設けられた、例示的な半導体発光デバイス１２００を示す。図１２Ａを参照すると、パターン形成されたスーパーストレート４３０’は、レシピエント発光媒体４１０の上に備えられ得る。パターン形成されたスーパーストレート４３０’は、パターン形成されたスーパーストレート４３０’の上面に配置された光学要素４５０を有し得る。光学要素４５０は、たとえば、図６Ａ～図８Ｃについて本明細書に記載されている光学要素４５０ａ、４５０ｂ、４５０ｃ、並びに他の形状のいずれかであり得る。半導体発光デバイス１２００では、第２のスーパーストレート４４０が、パターン形成されたスーパーストレート４３０’上に備えられ得る。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０’及び第２のスーパーストレート４４０は、同じ材料から構成されてもよい。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０’及び第２のスーパーストレート４４０は、相異なる材料から構成されてもよい。相異なる材料を使用することにより、２層のスーパーストレートは、パターン形成されたスーパーストレート４３０’の屈折率と第２のスーパーストレート４４０の屈折率との間のさらなる差をもたらすことができ、これにより、半導体発光デバイス１２００のＣｏＡのさらなる有益な調整が導入され得る。
【0136】
パターン形成されたスーパーストレート４３０’から突出する光学要素４５０のために、パターン形成されたスーパーストレート４３０’と第２のスーパーストレート４４０との間に間隙が形成され得る。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０’と第２のスーパーストレート４４０との間の間隙は、アクリル及び／又はシリコーン材料などの、透明な充填材料で充填され得る。いくつかの実施例では、間隙は、たとえば空隙として、実質的に空のままにしておいてもよい。
【0137】
図１２Ｂは、第２のスーパーストレート４４０がレシピエント発光媒体４１０上に配置され、パターン形成されたスーパーストレート４３０が第２のスーパーストレート４４０上に配置される、半導体発光デバイス１２００を示す。この実例では、光学要素４５０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０と第２のスーパーストレート４４０との間の境界面で、パターン形成されたスーパーストレート４３０の底面から突出している。
【0138】
図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、パターン形成されたスーパーストレート４３０’と第２のスーパーストレート４４０との間の境界面は、パターン形成されたスーパーストレート４３０’及び／又は第２のスーパーストレート４４０内での反射を促進する付加的な構造体を提供し得る。図４の半導体発光デバイス４００と同様に、図１２Ａ及び図１２Ｂのパターン形成されたスーパーストレート４３０、４３０’、第２のスーパーストレート４４０、及びレシピエント発光媒体４１０は、一体にチップ・カバー４２０、４２０’を形成し得るが、本発明に記載の実施例はそれに限定されるものではない。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０、４３０’は、レシピエント発光媒体４１０とは別個に、ＬＥＤチップ１００上に配置され得る。かかる実施例では、透明な接着剤層１０５は必要とされない可能性がある。
【0139】
図１２Ｃ及び図１２Ｄは、光学要素４５０’がへこみとして２層のスーパーストレート間に設けられた、例示的な半導体発光デバイス１２００’を示す。図１２Ｃの実施例は、パターン形成されたスーパーストレート４３０’が、突起ではなくへこみである光学要素４５０’を有することを除いて、図１２Ａの構造と同様の構造を有する。したがって、第２のスーパーストレート４４０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０’上にあり、いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０’の上面と同じ高さにあり得る。図１２Ｄの実施例は、図１２Ｂの実施例と同様の構造を有し、光学要素４５０’が、パターン形成されたスーパーストレート４３０の底面に配置されている。図１２Ｃ及び図１２Ｄの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０、４３０’のへこみで形成された光学要素４５０’は、材料（たとえば、アクリル及び／又はシリコーン材料）で充填されてもよく、又はいくつかの実施例では、光学要素４５０’内が空所／間隙のまま残されてもよい。
【0140】
図１２Ａ～図１２Ｄは、パターン形成されたスーパーストレート４３０、４３０’をパターン形成されていない第２のスーパーストレート４４０と組み合わせて、半導体発光デバイスから放出される光のＣｏＡの変動を低減できる実施例を示している。いくつかの実施例では、複数のパターン形成されたスーパーストレートを照明デバイス内で組み合わせ得る。図１２Ｅ及び図１２Ｆは、複数のパターン形成されたスーパーストレートを備える、本発明の実施例による半導体発光デバイス１２００’’の断面図である。たとえば、図１２Ｅに示すように、複数のパターン形成されたスーパーストレート４３０’は、半導体発光デバイス１２００’’から放出される光をさらに調整するために、互いに積み重ねられ得る。２層のパターン形成されたスーパーストレート４３０’を使用することにより、第１のパターン形成されたスーパーストレート４３０’の光学要素４５０’の第１の組を通過した光は、第２のパターン形成されたスーパーストレート４３０’の光学要素４５０’の第２の組によってさらに反射され得る。図１２Ｅのデバイス１２００’’は、へこみである光学要素４５０’を有する２層のパターン形成されたスーパーストレート４３０’の積み重ねを示しているが、半導体発光デバイスは、３層以上のパターン形成されたスーパーストレート４３０’も同様に利用し得ることが理解されよう。同様に、図４に示すような突起である光学要素を有するパターン形成されたスーパーストレートもまた、互いに積み重ねられ得る。
【0141】
相異なる種類の光学要素を利用するパターン形成されたスーパーストレートもまた、互いに積み重ねられ得る。たとえば、図１２Ｆに示すように、半導体発光デバイス１２００’’は、へこまされた光学要素４５０’を有するパターン形成されたスーパーストレート４３０’上に積み重ねられた、突出する光学要素４５０を有するパターン形成されたスーパーストレート４３０を備え得る。図１２Ｆに示す積み重ねの順序は、単なる実例であることが理解されよう。いくつかの実施例では、積み重ねられた、パターン形成されたスーパーストレートの光学要素は、積み重ねられた、パターン形成されたスーパーストレートの共有される表面上又は反対側の表面上にあり得る。図１２Ｅ及び図１２Ｆの両方を参照すると、積み重ねられた、パターン形成されたスーパーストレート４３０、４３０’は、レシピエント発光媒体４１０と組み合わされて、チップ・カバー４２０’を形成できるが、本明細書に記載の実施例はそれに限定されるものではない。
【0142】
図１２Ｇ及び図１２Ｈは、その両方の主面上に光学要素４５０、４５０’を有する、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’を備えた半導体発光デバイス１２００’’’の概略断面図である。図１２Ｇに示すように、半導体発光デバイス１２００’’’は、たとえば、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’の上面及び下面の両方に突出する光学要素４５０を有する、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’を備え得る。光学要素４５０の２つの組を有することで、追加の屈折面が、半導体発光デバイス１２００’’’によって反射される光をさらに調整することを可能にし得る。図１２Ｈは、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’が、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’の上面及び下面の両方のへこみである光学要素４５０’を有する実例を示す。図１２Ｇ及び図１２Ｈの両方を参照すると、積み重ねられた、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’は、レシピエント発光媒体４１０と組み合わされて、チップ・カバー４２０’’を形成できるが、本明細書に記載の実施例はそれに限定されるものではない。図１２Ｇ及び図１２Ｈは、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’が、同じ種類の光学要素４５０、４５０’を有する実施例を示しているが、他の構造が可能であることが理解されよう。たとえば、いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’の一方の表面は、突起である光学要素４５０を有してもよく、他方の表面は、へこみである光学要素４５０’を有してもよい。同様に、いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレートの一方の表面は、第１の形状（たとえば、図６Ａ～図８Ｃに関して論じられた形状又は他のうちの１つ）である光学要素４５０、４５０’を有してもよく、他方の表面は、第２の別の形状である光学要素４５０、４５０’を有してもよい。
【0143】
図１３は、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’’が内部光学要素４５０’’を有する、半導体発光デバイス１３００を示す。光学要素４５０’’は、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’’の表面ではなく、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’’の内部に形成され得る。いくつかの実施例では、内部光学要素４５０’’は、バルク基板の内部領域にレーザを集束することによって形成され得る。レーザは、バルク基板内に微細な割れ目を引き起こすように、バルク基板の内部領域にエネルギーを集束できる。微細な割れ目は、内部光学要素４５０’’を形成するように、バルク基板の構造体を変形及び／又は変化させ得る。したがって、光学要素４５０’’は、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’’内（たとえば、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’’の上面と下面との間）にある構造的形体を含み得る。
【0144】
バルク基板は、形成後、他のデバイスと共に本明細書に記載されるように（たとえば、図４の半導体発光デバイス４００）、個片化され、ＬＥＤチップ１００上に配置され得る。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’’が個片化されてＬＥＤ上に配置された後に、内部光学要素４５０’’がパターン形成されたスーパーストレート４３０’’’内に形成されてもよい。
【0145】
図１３に示すように、内部光学要素４５０’’は、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’’内での反射を促進するための付加的な構造体を提供し得る。図４の半導体発光デバイス４００と同様に、図１３のパターン形成されたスーパーストレート４３０’’’及びレシピエント発光媒体４１０が組み合わされて、改良されたチップ・カバー４２０’’’となり得るが、本明細書に記載の実施例はそれに限定されるものではない。いくつかの実施例では、パターン形成されたスーパーストレート４３０’’’は、レシピエント発光媒体４１０とは別個に、ＬＥＤチップ１００上に配置され得る。かかる実施例では、透明な接着剤層１０５は必要とされない可能性がある。
【0146】
図１４は、パターン形成されたスーパーストレート４３０とレシピエント発光媒体４１０との間に空隙１４１０を有する、半導体発光デバイス１４００を示す。半導体発光デバイス１４００は、図４の半導体発光デバイスと同様であり、したがって、簡潔にするために、半導体発光デバイス１４００の同様の要素の説明は省略することにする。空隙１４１０を配置することにより、レシピエント発光媒体４１０と空隙１４１０との間に付加的な境界面を設けることができ、追加の屈折率の差が提供される。それによって、レシピエント発光媒体４１０から放出する光は、レシピエント発光媒体４１０と空隙１４１０との間の第１の屈折率の差を有する第１の境界面、並びに空隙１４１０とパターン形成されたスーパーストレート４３０との間の第２の屈折率の差を有する第２の境界面に衝突することになる。空隙１４１０は、支持構造体１４２０を使用して、パターン形成されたスーパーストレート４３０をレシピエント発光媒体４１０より上に持ち上げることによって作り出され得る。図１４は、支持構造体１４２０が、パターン形成されたスーパーストレート４３０を支持する、ＬＥＤチップ１００の側部にあるライザである実例を示している。しかし、他の種類の支持構造体１４２０が、本明細書に記載の実施例から逸脱することなく、空隙１４１０を生成可能であることが理解されよう。
【0147】
図１５は、レンズ１５１０を備える成形照明装置内に備えられる、図４の半導体発光デバイス４００を示す。いくつかの実施例では、レンズ１５１０の材料は、パターン形成されたスーパーストレート４３０の上面に直接接触できる。それによって、レンズ１５１０の材料は、パターン形成されたスーパーストレート４３０から放出する光に対して異なる屈折率を提供できる。したがって、パターン形成されたスーパーストレート４３０の構造は、本明細書に記載されるように、他の構造（たとえば、パターン形成されたスーパーストレート４３０の上に空隙が存在する場合）と比較して、屈折率の変化を明らかにするよう構成され得る。いくつかの実施例では、たとえばスペーサを使用することにより、レンズ１５１０とパターン形成されたスーパーストレート４３０との間に空隙を設けることができる。充填材料１５２０は、半導体発光デバイス４００の側部に設けられ得る。いくつかの実施例では、充填材料１５２０は、半導体発光デバイス４００から放出された光を反射する助けとなるよう構成された反射材料であり得る。いくつかの実施例では、充填材料１５２０は、不透明な充填材であり得る。レンズ１５１０は、ＣｏＡの変動が低減された成形照明装置を提供するように、半導体発光デバイス４００を封じ込むために提供され得る。図１５は、半導体発光デバイス４００の使用を示しているが、他の半導体発光デバイス（たとえば、半導体発光デバイス１１００、１１００’、１２００、１２００’、１２００’’、１２００’’’、１３００、及び１４００）が、本明細書に記載の実施例から逸脱することなく、同様に使用できることが理解されよう。
【0148】
前述の実施例は、パターン形成されたスーパーストレート４３０を、個々のＬＥＤチップ１００と共に使用することを含むが、パターン形成されたスーパーストレート４３０が、複数のＬＥＤチップ１００と組み合わせて使用されてもよいことが理解されよう。図１６は、複数のＬＥＤチップ１００を備えた半導体発光デバイス１６００で使用される、パターン形成されたスーパーストレート４３０を示す。図１６を参照すると、複数のＬＥＤチップ１００が、支持基板１６０（たとえば、セラミック基板）上に備えられ得る。レシピエント発光媒体１６１０は、複数のＬＥＤチップ１００のそれぞれの上面に、封止充填材として備えられ得る。いくつかの実施例では、レシピエント発光媒体１６１０は、複数のＬＥＤチップ１００の隣接するチップ間の空間内にあってもよく、いくつかの実施例では、空間を充填できる。レシピエント発光媒体１６１０は、レシピエント発光媒体１６１０が複数のＬＥＤチップ１００から放出された光の変換を実行できるように、蛍光体及び／又は他の材料を含み得る。以前に論じたデバイスと同様に、パターン形成されたスーパーストレート４３０は、レシピエント発光媒体１６１０上に配置でき、半導体発光デバイス１６００のＣｏＡの変動を低減するよう構成された光学要素４５０を有し得る。したがって、パターン形成されたスーパーストレート４３０及びレシピエント発光媒体１６１０は、複数のＬＥＤチップ１００に関してＣｏＡの変動を改善するために、個々のＬＥＤに関して本明細書に記載されるものと同様の機能を実行するであろう。
【0149】
図１６は、光学要素４５０が、パターン形成されたスーパーストレート４３０の底面から突出する光学要素４５０として提示される、特定の実施例を示しているが、本発明の実施例によるさらなる半導体発光デバイスを提供するために、パターン形成されたスーパーストレート４３０、４３０’、４３０’’、４３０’’’の他の実施例が、図１６のパターン形成されたスーパーストレート４３０の代わりに用いられてもよいことが理解されよう。たとえば、図１６のパターン形成されたスーパーストレート４３０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０の上面、底面、及び／又は中間領域に光学要素４５０を有し得る。光学要素４５０は、円錐、ピラミッド、及び／又は他の幾何形状を含む、様々な形状であり得る。光学要素４５０は、パターン形成されたスーパーストレート４３０から突出するか、又はパターン形成されたスーパーストレート４３０にへこみとして統合され得る。
【0150】
本発明の実施例による半導体発光デバイスは、図１７Ａから図１７Ｃで示すように、従来のデバイスと比較して改善されたＣｏＡの変動を示し得る。図１７Ａ及び図１７Ｂを参照すると、パターン形成されたスーパーストレートを備えるＣｏＡが改良されたデバイス１７２０のＣｏＡの変動が、従来のデバイス１７１０のＣｏＡの変動と比較されている。図１７Ａ～図１７Ｃに示す従来のデバイスは、図２に示すようなチップ・カバーであり、平坦なサファイア製スーパーストレート（すなわち、パターン形成及び／又は光学要素がない）が、レシピエント発光媒体の上に配置される。図１７Ａは、視角Θの関数としての色のｃｃｘ座標（ｄｃｃｘ）の変動を表す。図１７Ｂは、視角Θの関数としての色のｃｃｙ座標（ｄｃｃｙ）の変動を表す。図３Ｂ及び図３Ｃに関して本明細書で論じたように、従来のデバイス１７１０の性能は、ＬＥＤの発光面に垂直な軸に対して視角Θが増加するにつれて著しく変化する。たとえば、視角Θが大きくなると、ｃｃｘ方向及びｃｃｙ方向の両方の偏差が大きくなる。
【0151】
図１７Ａ及び図１７Ｂに見られるように、本発明の実施例による半導体発光デバイスは、ＬＥＤの発光面に垂直な軸の７５度以内のほぼすべての視角に対して、放出光のｃｃｘ及びｃｃｙ成分の変動がかなり減少することを示している。実際、放出光のｃｃｘ成分及びｃｃｙ成分の両方が、ＬＥＤの発光面に垂直な軸の７５度以内のほぼすべての視角に対して、０．０１の範囲内に維持されている。さらに、放出光のｃｃｘ成分及びｃｃｙ成分の両方が、ＬＥＤの発光面に垂直な軸の４０度以内のほぼすべての視角に対して、０．００５の範囲内に維持されている。
【0152】
図１７Ｃは、様々な種類のパターン形成されたスーパーストレートについての、ＣｏＡの変動の差異を示している。たとえば、図１７Ｃは、円錐形（たとえば、円形断面）の光学要素（たとえば、図６Ａ～図６Ｃに関して記載されたものと同様の実施例）を有する、本発明の実施例による半導体発光デバイス１７２０ａ、及び６角形ピラミッドの光学要素（たとえば、図８Ａ～図８Ｃに関して記載されたものと同様の実施例）を有する、本発明の実施例による半導体発光デバイス１７２０ｂと比較した、従来の半導体発光デバイス１７１０のＣｏＡの性能を示す。図１７Ｃに見られるように、実施例１７２０ａ及び１７２０ｂの両方が、従来のデバイス１７１０と比較して、ｃｃｙ方向の最小の偏差を可能にする。ＬＥＤの発光面に垂直な軸の６０度以内の視角範囲において、円錐形の光学要素１７２０ａを利用する実施例は、放射光のｃｃｙ成分にわずかに正の偏差を有し、一方６角形ピラミッドの光学要素１７２０ｂを利用する実施例は、放出光のｃｃｙ成分にわずかに負の偏差を有するが、実施例１７２０ａ及び１７２０ｂの両方が、従来のデバイス１７１０よりも偏差が小さい。
【0153】
前述のように、一部の従来のデバイスは、ＣｏＡの性能を向上させるために溶融シリカなどのディフューザを利用している。しかし、かかるディフューザは、知覚される光の鮮鋭度及びコントラストを低下させる可能性がある。図１８Ａ及び図１８Ｂは、本明細書に記載したいくつかの実施例と比較して、ディフューザの使用によって発生する可能性がある鮮鋭度の低下を示している。図１８Ａは、相異なる種類の半導体発光デバイス間の相対輝度の比較を示している。図１８Ａにおいて、ｙ軸は、半導体発光デバイスから放出される光の相対輝度を示し、ｘ軸は、半導体発光デバイスの中心からの距離（単位はミリメートル）を示す。理想的な環境では、相対輝度は、半導体発光デバイスの表面全体にわたって均一なはずである。実際には、相対輝度は、半導体発光デバイスの中央部分で最大になる傾向がある。図１８Ａは、溶融シリカのディフューザを含む従来のデバイス１８０５、平坦なサファイア製スーパーストレートを具備するチップ・カバーを備えた従来のデバイス１８１０、円錐形の光学要素を利用するパターン形成されたスーパーストレートを具備するチップ・カバーを備えた、本明細書に記載の実施例によるデバイス１８２０ａ、及び６角形ピラミッドの光学要素を利用するパターン形成されたスーパーストレートを具備するチップ・カバーを備えた、本明細書に記載の実施例によるデバイス１８２０ｂを比較している。図１８Ｂは、図１８Ａのグラフの上部の拡大版である。図１８Ｂを参照すると、ディフューザを使用する従来のデバイス１８０５及び平坦なサファイアを使用する従来のデバイス１８１０の両方が、パターン形成されたスーパーストレートを使用するデバイス１８２０ａ、１８２０ｂよりも、比較的早くデバイスの縁部に向かって相対輝度を失い始めることが分かる。さらに、本明細書に記載された実施例１８２０ａ、１８２０ｂによるデバイスの相対輝度は、半導体発光デバイスの外縁部において、従来のデバイス１８０５、１８１０の相対輝度のピークよりも高い、相対輝度のピークを含む。こうしたピークは、本明細書に記載の実施例による半導体発光デバイス内の、光の反射の増加に起因する可能性がある。
【0154】
図１９Ａ及び図１９Ｂは、従来のデバイスと本明細書に記載するいくつかの実施例との間の、さらなる性能比較を示している。図１９Ａは、放出光のコントラストに関係するデータを示しており、一般に、数値が小さいほど優れていると考えられる。図１９Ａに見られるように、本明細書に記載された、パターン形成されたスーパーストレートを使用する実施例１８２０ａ、１８２０ｂの性能は、ディフューザを使用する従来のデバイス１８０５よりも優れており、本明細書に記載したように、ＣｏＡの変動をより小さく維持しながら、平坦なサファイア製スーパーストレートを使用する従来のデバイス１８１０に匹敵する。同様に、図１９Ｂは、放出光の鮮鋭度に関係するデータを示しており、一般に、数値が小さいほど優れていると考えられる。ここで、本明細書に記載された、パターン形成されたスーパーストレートを使用する実施例１８２０ａ、１８２０ｂの性能は、ディフューザを使用する従来のデバイス１８０５及び平坦なサファイア製スーパーストレートを使用する従来のデバイス１８１０の両方よりも優れている。
【0155】
図２０Ａ及び図２０Ｂは、従来の半導体発光デバイスのＣｏＡの性能を示すグラフである。図２０Ａ及び図２０Ｂのグラフでモデルにしたデバイスは、図２のデバイスと構造的に同様の、従来の半導体発光デバイスであり、レシピエント発光媒体上に平坦なサファイア製スーパーストレートを具備するチップ・カバーを備える。図２０Ａは、視角の関数としての従来の半導体発光デバイスから放出される光の色の変動を示している。図２０Ａは、図１に示した１９３１ＣＩＥ色度図と同様であるが、１９７６ｕＶ ＣＩＥ色度図上の同じ距離がヒトの観察者の知覚上の同じ色の差異を表すよう修正されている、１９７６ｕＶ ＣＩＥ色度図での、放出光のｖ’座標を示している。図２０Ａに示すように、従来の半導体発光デバイスでは、半導体発光デバイスによって放出される光の知覚されるｖ’は、視角が０度から８０度に増加するにつれて、０．４８から０．５１の間で変化する。図２０Ａの０度付近の小さなピーク又は隆起は、データの統計的ノイズに起因する可能性が高い。球形メッシュを使用して図２０Ａに示すデータを収集でき、データを収集するために使用する「ビン」は、極（０度及び１８０度に位置する）の近くでより小さくなる。これは、世界地図上の緯度線及び経度線によって作られるスライスが、極の近くでより小さくなるのと大体同じである。より小さいビンは、「赤道」近くのより大きいビンに比べてデータ・ポイントが少ないことを意味し、それによって、統計的ノイズ（たとえば、より低い信号対ノイズ比）がより多くなる可能性があり、０度の印付近で統計的異常が生じ得る。図２０Ｂは、同じ範囲の視度にわたる、従来の半導体発光デバイスの光度を示している。図２０Ｂに見られるように、従来の半導体発光デバイスによって放出される光の知覚される強度もまた、視角の関数として変化する。
【0156】
図２１Ａ及び図２１Ｂは、本発明の実施例による半導体発光デバイスについて、図２０Ａ及び図２０Ｂと同じ性能パラメータを示すグラフである。図２１Ａ及び図２１Ｂのグラフでモデルにした半導体発光デバイスは、レシピエント発光媒体上にパターン形成されたサファイア製スーパーストレートを備える。パターン形成されたスーパーストレートは、図４に示すデバイスと同様に、パターン形成されたスーパーストレートの下面に光学要素を有し、光学要素は、図６Ａ～図６Ｃに関して本明細書で論じた円錐形の光学要素である。図２１Ａは、視角の関数としての、半導体発光デバイスから放出される光の色の変動を示している。図２１Ａは、半導体発光デバイスによって放出される光のｖ’座標が、視角が０度から８０度に増加するにつれて、０．４９から０．５の間でわずかしか変化しないことを示している。したがって、本発明の実施例による半導体発光デバイスは、従来のデバイスと比較して、ＣｏＡの変動を著しく低減している。図２１Ａは、図２０Ａに関連して論じた、０度の印付近の同様の統計的異常を示している。ここで図２１Ｂを参照すると、本発明の実施例による半導体発光デバイスによって放出された光の強度グラフは、従来のデバイスのグラフと非常に類似していることが分かる。したがって、本発明の実施例による半導体発光デバイスは、知覚される放出光の強度にほとんど又はまったく影響を与えることなしに、放出光のＣｏＡの変動を低減できる。
【0157】
本明細書で論じたように、光学要素４５０は、セグメント化された側面及び／又は丸みを帯びた側壁を備える形状を含む、様々な形状であり得る。光学要素４５０の形状は、２つの構成要素、すなわち基本形状（たとえば、円錐、ピラミッド、半球など）、及びプロファイルで見たときに形体の側壁に沿って観察され得るそり又は湾曲など（図６Ｃ、図７Ｃ、図８Ｃ参照）、基本形状からのずれ（意図的か、又はパターン形成される形体のエッチング／処理などに起因する）に分けられ得る。
【0158】
主軸を中心にして滑らかに回転した対称形状（たとえば、円錐、球など）は、小平面からなる形状（たとえば、ピラミッド、プリズムなどのように）よりも、径方向均一性又は方位均一性を改善する可能性がある、有益な特性を有し得る。たとえば、円錐を垂直線からある角度で見て、次いで円錐の主軸（基部から先端を指す）を中心にして回転した場合、プロファイルは変わらない。これは、ピラミッドには当てはまらない。したがって、ピラミッドは、パターン形成されたスーパーストレート４３０の一部として使用されると、色の均一性の変動をもたらし得る。たとえば、ＬＥＤチップ１００及びピラミッド形状の光学要素４５０を有するパターン形成されたスーパーストレート４３０を、垂直線からある角度で見て、次いで回転した場合、光学要素４５０のそれぞれのプロファイルは、少なくとも部分的に、ピラミッド形状の光学要素４５０のセグメント化された側面に基づいて変化し得る。これは、測定データに関して、ｄｃｃｙのプロットにおいて、様々な曲線（様々な測定方位を表す）がすべて同一ではなく、相互に有意な広がりを有するという結果をもたらす。いくつかの実施例では、この変動は、半導体発光デバイスを特定の方位角で見たときに、ｄｃｃｙ要件には及第し、他では最適下限に機能することを意味し得る。この現象を、円形の基部を有する光学要素（たとえば、図６Ａ～図６Ｃに示すような円錐形の光学要素）を有する半導体発光デバイス、及び６角形の基部を有する光学要素（たとえば、図８Ａ～図８Ｃに示すような６角形ピラミッドの光学要素）を有する半導体発光デバイスにおける、ＣｏＡの変動を示すグラフを含む、図２２Ａ及び図２２Ｂに示す。図２２Ａは、ｄｃｃｘの変動対放出光の角度を示し、図２２Ｂは、ｄｃｃｙの変動対放出光の角度を示す。図２２Ａ及び図２２Ｂでは、円錐形の光学要素（「円形」と表示）及び６角形ピラミッドの光学要素（「６角形」と表示）について、２つのサンプル（Ａ及びＢ）からの、相異なる角度（０°、４５°、９０°、１３５°）で取得された個々のスライスを示している。図２２Ａ及び図２２Ｂに示すように、円錐形の光学要素は、ＣｏＡの性能において、６角形ピラミッドの光学要素の変動よりも滑らかな変動を有する。
【0159】
プロファイルに湾曲を追加すること（又は自然に発生する湾曲）は、下にある基部の形状の寸法に応じて、ＣｏＡの均一性を促進する場合も損なう場合もある。シミュレーションは、湾曲が、特定の円錐の高さと基部との比率ではＣｏＡを改善する可能性があり、他の比率では実際にＣｏＡの不均一性を増大させる可能性があることを示した。概して２つの効果は関連しており、どちらか一方を使用して（制御可能な場合）、他方によってもたらされる悪影響を補正できる。
【0160】
いくつかの実施例では、光学的形体の間隔は、パターンの効果を増加させるか、又は減少させるように使用され得る。光学的形体間の平坦な領域は、パターン形成されていないスーパーストレートと同じように動作し得る。したがって、こうした領域を通って放出される光は、ＣｏＡの均一性が不十分な可能性がある。この影響は、大きい角度で最も顕著になり得る。いくつかの実施例では、光学的形体が互いにより近いほど、パターン形成されていない領域からもたらされ得る半導体発光デバイスの放出光への寄与は、一層少ない。
【0161】
したがって、本明細書に記載するように、パターン形成されたスーパーストレートを利用する半導体発光デバイスは、光の性能の他の特性を低下させることなく、ＣｏＡの変動に関する改善を可能にし得る。本明細書に記載の実施例で使用するスーパーストレートのパターン形成は、加工技法への比較的小さな修正を加えた既存の装置を使用できるので、半導体発光デバイスのＣｏＡの変動に対する利点は、最小限の中断又は追加費用で実現できる。
【0162】
本明細書で使用されるとき、用語「半導体発光デバイス」は、ＬＥＤ、レーザ・ダイオード、及び１つ又は複数の半導体層を備える他の任意の半導体発光デバイス、並びにかかる半導体発光デバイスを備える、パッケージ化されたランプ、電球、設備器具などを含み得る。こうしたデバイス内に備えられる半導体層は、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム、及び／又は他の半導体材料、任意選択の半導体又は非半導体基板、並びに金属及び／又は他の導電性材料を含み得る１層又は複数の接触層を備え得る。本明細書で使用される表現「発光デバイス」及び／又は「照明装置」は、それが発光できるデバイスであることを除いて、限定されるものではない。
【0163】
本開示の実施例による半導体発光デバイスは、ノースカロライナ州ＤｕｒｈａｍのＣｒｅｅ，Ｉｎｃ．によって製造及び／又は販売されている様々なデバイスなどの、炭化ケイ素、サファイア、又は窒化ガリウム基板上に製造されたＩＩＩ－Ｖ窒化物（たとえば、窒化ガリウム）ベースのＬＥＤを含み得る。かかるＬＥＤは、いわゆる「フリップ・チップ」の向きの基板を通って発光が行われるように、動作するよう構成され得る（又は構成されない場合がある）。本開示の実施例による半導体発光デバイスは、ＬＥＤの一方の側にカソード接点を、且つＬＥＤの反対の側にアノード接点を備える垂直デバイス、及び両方の接点がデバイスの同じ側にあるデバイスの、両方を含む。半導体発光デバイスの設計及び製造は、当業者にはよく知られており、したがって、設計及び製造のさらなる説明は省略することにする。
【0164】
上記の説明及び図面に関連して、多くの相異なる実施例を本明細書に開示してきた。こうした実施例のすべての組合せ及び部分的組合せをそっくりそのまま説明及び例示することは、はなはだしく反復的で分かり難くすることが理解されよう。したがって、図面を含む本明細書は、本明細書に記載の実施例並びに実施例を製作して使用するやり方及び工程の、すべての組合せ及び部分的組合せの完全な書面による説明を構成すると解釈されるものとし、またどんなかかる組合せ及び部分的組合せへの特許請求にも対応するものとする。
【0165】
本発明について、特定の実施例を示す添付図面を参照して、上記で説明してきた。ただし、この開示は、本明細書に記載された実施例に限定されるものと解釈すべきではない。むしろ、こうした実施例は、この開示が充分且つ完全であり、本開示の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。図面では、明確にするために、層及び領域の厚さが誇張されている。同じ番号は、全体を通して同じ要素を指す。本明細書で使用されるとき、用語「及び／又は」は、関連する列挙された項目のうちの１つ又は複数の、ありとあらゆる組合せを含む。
【0166】
本明細書で使用される用語は、特定の実施例を説明することのみを目的としており、本発明を限定することを意図するものではない。明細書で使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上明らかにそうでないと示していない限り、複数の形態も同様に含むことを意図する。この明細書で使用されるとき、用語「備える」及び／又は「含む」、並びにその派生語は、述べられた要素、及び／又は構成要素の存在を特定するが、他の１つ又は複数の要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではないことが、さらに理解されよう。
【0167】
層、領域、又は基板などの要素が、別の要素の「上に」にある、又は「上へ」延びると言われる場合、該要素は他の要素の上に直接あり得るか、又は他の要素の上へ直接延出できる、或いは介在要素も存在し得ることが理解されよう。対照的に、ある要素が別の要素の「直接上に」ある、又は「直接上へ」延びると言われる場合、介在する要素は存在しない。ある要素が別の要素に「接続」又は「結合」されていると言われる場合、その要素は他の要素に直接接続又は結合され得るか、又は介在要素が存在し得ることも理解されよう。対照的に、ある要素が別の要素の「直接接続」されている、又は「直接結合」されていると言われる場合、介在する要素は存在しない。
【0168】
第１、第２などの用語は、本明細書では様々な要素、構成要素、領域、及び／又は層を説明するために使用され得るが、こうした要素、構成要素、領域、及び／又は層は、こうした用語によって限定されるべきではないことが理解されよう。こうした用語は、１つの要素、構成要素、領域、又は層を別の要素、構成要素、領域、又は層と区別するためだけに使用される。したがって、以下で論じる第１の要素、構成要素、領域、又は層は、本発明の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、又は層と表現されてもよい。
【0169】
さらに、関係を表す用語である「下」又は「底」及び「上」又は「てっぺん」などは、図に示すように、ある要素と別の要素との関係を説明するために、本明細書で使用され得る。関係を表す用語は、図に描かれている向きに加えて、デバイスの様々な向きを包含することを意図していることが理解されよう。たとえば、図のデバイスをひっくり返した場合、他の要素の「下」側にあると説明されている要素は、他の要素の「上側」側に向けられるであろう。したがって、例示的な用語「下」は、図の特定の向きに応じて、「下」と「上」との両方の向きを包含できる。
【0170】
本明細書では、本開示の理想化された実施例（及び中間構造体）の概略図である断面図を参照しながら、本開示の実施例を説明している。図面内の層及び領域の厚さは、明確にするために誇張され得る。さらに、たとえば製造技法及び／又は許容誤差の結果、図の形状からの変形が予想されるべきである。したがって、本開示の実施例は、本明細書に示す領域の特定の形状に限定されると解釈されるべきではなく、たとえば、製造に起因する形状の誤差を含むべきである。
【0171】
図面及び明細書において、本開示の実施例を開示してきており、特定の用語が使用されているが、該用語は一般的且つ説明的な意味でのみ使用され、限定する目的ではなく、本開示の範囲は以下の特許請求の範囲に記載されている。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図12D】
【図12E】
【図12F】
【図12G】
【図12H】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図18A】
【図18B】
【図19A】
【図19B】
【図20A】
【図20B】
【図21A】
【図21B】
【図22A】
【図22B】
