特表 2024-516521 ＬＥＤアレイ及びディスプレイ用パターン反射グリッド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-04-16

(54)【発明の名称】ＬＥＤアレイ及びディスプレイ用パターン反射グリッド

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/60 20100101AFI20240409BHJP

   H01L 33/50 20100101ALI20240409BHJP

   H01L 33/46 20100101ALI20240409BHJP

   G03B 15/02 20210101ALI20240409BHJP

   G03B 15/05 20210101ALI20240409BHJP

【ＦＩ】

H01L33/60

H01L33/50

H01L33/46

G03B15/02 L

G03B15/02 G

G03B15/05

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023560386

(86)(22)【出願日】2022-03-08

(85)【翻訳文提出日】2023-11-28

(86)【国際出願番号】 US2022019264

(87)【国際公開番号】W WO2022211988

(87)【国際公開日】2022-10-06

(31)【優先権主張番号】17/217,922

(32)【優先日】2021-03-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】500507009

【氏名又は名称】ルミレッズ リミテッド ライアビリティ カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 修

(72)【発明者】

【氏名】ワイルドソン，アイザック

(72)【発明者】

【氏名】ロトフィ，ホセイン

(72)【発明者】

【氏名】ロペス，トニー

(72)【発明者】

【氏名】シェキン，オレグ ボリソビッチ

【テーマコード（参考）】

2H053

5F142

5F241

【Ｆターム（参考）】

2H053BA32

2H053CA08

2H053CA12

2H053CA15

5F142AA12

5F142BA32

5F142CB23

5F142CE04

5F142CE13

5F142DA14

5F142DB12

5F142DB18

5F142DB24

5F142DB32

5F142GA01

5F142GA21

5F142GA29

5F241CA65

5F241CA66

5F241CA74

5F241CA77

5F241CB15

5F241CB22

5F241FF01

5F241FF11

(57)【要約】

ＬＥＤアレイは、アレイ内の隣り合うピクセル又は隣り合うピクセル群間のコントラスト比を強調するパターン化された反射グリッドを備える。反射グリッド上のパターンはまた、反射グリッドと、反射グリッド上に配置され取り付けられた材料の１つ以上の層との間の接着を改善することもできる。反射グリッドは、例えば、反射金属グリッド、誘電体リフレクタのグリッド、又は分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）のグリッドとして形成され得る。金属グリッドとして形成される場合、反射グリッドは、ＬＥＤダイオード接合部の片側に電気的コンタクトを提供することができる。本明細書は、かかるＬＥＤアレイの製造プロセスも開示する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光ダイオードアレイであって、
各々が発光表面を有する複数の発光ダイオードと、
複数の開口を画定する反射グリッドであって、前記開口内において前記発光ダイオードのうちの対応するものが、前記反射グリッドの外側の同じ方向に発光表面が向くように配置されている、反射グリッドと、を備え、
前記反射グリッドは、各発光ダイオードに対して反射側壁を提供するとともに、前記発光表面と隣り合い、前記発光表面と前記同じ方向に向けて配置されたパターン化された光散乱表面を備える、
発光ダイオードアレイ。

【請求項2】

前記発光表面は光を散乱するようにパターン化されている、
請求項１記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項3】

前記発光表面及び前記反射グリッドの表面は異なる光散乱パターンを有する、
請求項２記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項4】

前記発光表面及び前記反射グリッドの表面は同じ光散乱パターンを有する、
請求項２記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項5】

前記反射グリッドのパターン化された前記光散乱表面は、隣り合う発光表面と同一平面上にある、
請求項１記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項6】

前記反射グリッドのパターン化された前記光散乱表面は、前記光散乱表面が向かう前記方向において前記発光表面を超えて延在している、
請求項１記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項7】

前記反射グリッドは、前記発光ダイオードへの電気的にコンタクトを提供する反射金属グリッドを含むか又はである、
請求項１記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項8】

前記反射グリッドのパターン化された前記光散乱表面上及び前記発光表面上に配置された波長変換構造を備える、
請求項１記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項9】

前記発光表面は、５０ミクロン以下の、反射側壁に平行な最長寸法を有し、
隣り合う発光表面は互いに１０ミクロン以下だけ離間している、
請求項１記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項10】

前記反射グリッドのパターン化された前記光散乱表面上及び前記発光表面上に配置された波長変換構造を備え、
前記発光表面は光を散乱するようにパターン化されており、
前記波長変換構造は、前記発光表面が面する方向において３０ミクロン以下の厚さを有し、
前記波長変換構造はバインダ内に分散された蛍光体粒子を含み、
前記蛍光体粒子は約２０ミクロン未満かつ１ミクロンを超える直径を有する、
請求項９記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項11】

ディスプレイシステムであって、
請求項１乃至１０いずれか１項記載の前記発光ダイオードアレイと、
ディスプレイと、
前記発光ダイオードアレイから間隔を置いて配置され、前記発光ダイオードアレイからの光を前記ディスプレイ内へ結合するように配置された光学素子又は光学系と、
を備えるディスプレイシステム。

【請求項12】

モバイルデバイスであって、
カメラと、
フラッシュ照明システムと、を備え、
前記フラッシュ照明システムは、
請求項１乃至１０いずれか１項記載の前記発光ダイオードアレイと、
前記発光ダイオードアレイから間隔を置いて配置され、前記発光ダイオードアレイによって放出された光を前記カメラの視野内へと方向付けるように配置された光学素子又は光学系と、を備える、
モバイルデバイス。

【請求項13】

発光ダイオードアレイを製造する方法であって、
パターン化基板上に半導体層のスタックを配置するステップであって、前記半導体層は、ｎ型領域、ｐ型領域、及び、前記ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された活性領域を備える、ステップと、
前記半導体層のスタックを貫通してトレンチをエッチングして、各トレンチの底部において前記パターン化基板を露出する、ステップであって、前記トレンチはグリッドを形成し、前記発光ダイオードアレイの個別の発光ダイオードを画定する、ステップと、
前記トレンチ内にリフレクタを配置して、前記発光ダイオードの反射側壁を形成するステップであって、前記反射側壁は、前記パターン化基板によってパターン化された前記パターン化基板とコンタクトする表面を有する、ステップと、
前記発光ダイオード及び前記反射側壁から前記パターン化基板を除去するステップと、
を含む方法。

【請求項14】

前記反射側壁は、前記発光ダイオードへの電気的コンタクトを提供する、
請求項１３記載の方法。

【請求項15】

前記発光ダイオードは、前記基板によってパターン化された発光表面を備える、
請求項１３記載の方法。

【請求項16】

前記反射側壁のパターン化された表面は前記発光ダイオードの隣り合う表面を超えて延在するように、前記基板内に前記トレンチをエッチングするステップを含む、
請求項１３記載の方法。

【請求項17】

前記パターン化基板を除去するステップの後に、
前記反射側壁のパターン化された表面が前記発光ダイオードのエッチングされた前記表面を超えて延在するように、前記パターン化基板と以前コンタクトしていた前記発光ダイオードの表面をエッチングするステップを含む、
請求項１３記載の方法。

【請求項18】

前記パターン化基板を除去するステップの後に、
前記発光ダイオード上に、前記発光ダイオードの発光表面及び前記反射側壁のパターン化された表面とコンタクトする波長変換構造を形成するステップを含む、
請求項１３記載の方法。

【請求項19】

発光ダイオードアレイを製造する方法であって、
平面基板上に半導体層のスタックを配置するステップであって、前記半導体層は、ｎ型領域、ｐ型領域、及び、前記ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された活性領域を備える、ステップと、
前記半導体層のスタックを貫通してトレンチをエッチングして、各トレンチの底部において前記平面基板を露出する、ステップであって、前記トレンチはグリッドを形成し、前記発光ダイオードアレイの個別の発光ダイオードを画定する、ステップと、
前記トレンチ内にリフレクタを配置して、前記発光ダイオードの反射側壁を形成する、ステップと、
前記発光ダイオード及び前記反射側壁から前記平面基板を除去するステップと、
前記平面基板と以前コンタクトしていた前記反射側壁の表面をパターン化して、光を散乱させる、ステップと、
を含む方法。

【請求項20】

前記反射側壁は、前記発光ダイオードへの電気的コンタクトを提供する、
請求項１９記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年３月３０日に出願された米国特許出願第１７／２１７，９２２号の優先権の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

技術分野
本発明は概して、発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイ、ＬＥＤアレイを備える光源、及びＬＥＤアレイを備えるディスプレイに関する。

【背景技術】

【0003】

無機ＬＥＤは、自動車用適用ヘッドライト、拡張現実（ＡＲ）ディスプレイ、仮想現実（ＶＲ）ディスプレイ、複合現実（ＭＲ）ディスプレイ、スマートグラス、携帯電話用ディスプレイ、スマートウォッチ、モニタ、テレビ、携帯電話のカメラ用フラッシュ照明など、さまざまな種類のディスプレイ、マトリックス、ライトエンジンの製作に広く使用されてきた。これらのアーキテクチャ内の個々のＬＥＤピクセルの面積は、マトリックス又はディスプレイのサイズとインチあたりのピクセル要件に応じて、数平方ミリメートルから数平方マイクロメートルまでになる。このようなタイプのＬＥＤマトリックス／ディスプレイは、一般に、個々のピクセルをドナー基板からコントローラバックプレーンや電子基板に移し、取り付けることによって実現される。かかるアレイは、モノリシックに集積されたＬＥＤピクセルのアレイをドナーエピタキシャルウェーハ上でＬＥＤモジュールに処理し、その後、転送してコントローラバックプレーンに取り付けるモノリシックアプローチによって作製することもできる。

【0004】

かかるアレイ／ディスプレイの重要な仕様の一つは、コントラスト比（ＣＲ）である。ＣＲは、１つ以上の”ＯＮ”状態のピクセルと、隣り合う”ＯＦＦ”状態のピクセルとの輝度比として定義される。つまり、ＣＲは、”ＯＮ”状態のピクセルから隣り合う”ＯＦＦ”状態のピクセルに光子が流出すると、大きく劣化する。ＣＲが低いと、一般的に画像がぼやけたり、投影ビームパターンが悪くなったりする。

【発明の概要】

【0005】

本明細書では、アレイ内の隣り合うピクセル又は隣り合うピクセル群間のコントラスト比を高めるパターン化された反射グリッドを含むＬＥＤアレイを開示する。反射グリッド上のパターンはまた、反射グリッドと、反射グリッド上に配置されて取り付けられる１つ以上の材料層との間の接着性を向上させることができる。反射グリッドは、例えば、反射金属グリッド、誘電体リフレクタのグリッド、又は分散ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）のグリッドとして形成することができる。金属グリッドとして形成される場合、反射グリッドは、ＬＥＤダイオード接合の片側に電気的コンタクトを提供することができる。本明細書では、かかるＬＥＤアレイの製造プロセスも開示する。

【0006】

本明細書で開示するＬＥＤアレイは、蛍光体変換ＬＥＤ又は直接発色ＬＥＤを備えるできる。アレイの個々のＬＥＤは、数平方マイクロメートル（μＬＥＤ）から平方ミリメートル（従来のＬＥＤ）の範囲の面積を有する発光面を有することができる。

【0007】

本明細書で開示されるＬＥＤアレイは、上記の「背景技術」の項に列挙された装置及び用途のいずれにも有利に採用され得る。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、ｐｃＬＥＤの一例を模式的に示す断面図である。

【図2A】図２Ａは、ｐｃＬＥＤのアレイを模式的に示す断面図である。

【図2B】図２Ｂは、ｐｃＬＥＤのアレイを模式的に示す上面図である。

【図3A】図３Ａは、ｐｃＬＥＤのアレイが実装された電子基板を模式的に示す上面図である。

【図3B】図３Ｂも同様に、図３Ａの電子基板に実装されたｐｃＬＥＤのアレイを示す。

【図4A】図４Ａは、導波路と投影レンズに対して配置されたｐｃＬＥＤアレイを模式的に示す断面図である。

【図4B】図４Ｂは、導波路を除いた図４Ａと同様のアレンジメントを示す図である。

【図5】図５は、適応照明システムを備えるカメラフラッシュシステムの一例を模式的に示す図である。

【図6】図６は、適応照明システムを含むディスプレイ（例えば、ＡＲ／ＶＲ／ＭＲ）システムの一例を模式的に示す図である。

【図7】図７は、パターン化された反射グリッドを備えるＬＥＤアレイの一例を模式的に示す上面図である。

【図8A】図８Ａは、図７と同様のＬＥＤアレイの一部を模式的に示す断面図である。

【図8B】図８Ｂは、図８Ａと同様のＬＥＤアレイの変形例の一部を模式的に示す断面図である。

【図8C】図８Ｃは、波長変換構造を備える、図８Ａと同様のＬＥＤアレイの一部を模式的に示す断面図である。

【図8D】図８Ｄは、波長変換構造を備える、図８Ｂと同様のＬＥＤアレイの一部を模式的に示す断面図である。

【図9A】図９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、図８ＡのＬＥＤアレイを製造する方法の一例における段階を示す図である。

【図9B】図９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、図８ＡのＬＥＤアレイを製造する方法の一例における段階を示す図である。

【図9C】図９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、図８ＡのＬＥＤアレイを製造する方法の一例における段階を示す図である。

【図10A】図１０Ａ及び１０Ｂは、図８ＡのＬＥＤアレイを製造する別の例示的方法における段階を示す図である。

【図10B】図１０Ａ及び１０Ｂは、図８ＡのＬＥＤアレイを製造する別の例示的方法における段階を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下の詳細な説明は、図面を参照して読まれるべきであり、図面において、同一の参照番号は、異なる図面を通して同様の要素を指す。
図面は、必ずしも縮尺通りではなく、選択的な実施形態を示しており、本発明の範囲を限定することを意図していない。
詳細な説明は、限定としてではなく、例として、本発明の原理を示す。

【0010】

図１は、基板１０４上に配置された発光半導体ダイオード（ＬＥＤ）構造１０２と、ＬＥＤ上に配置された蛍光体層１０６とを備える個々のｐｃＬＥＤ１００の一例を示す。発光半導体ダイオード構造１０２は、典型的には、ｎ型層とｐ型層との間に配置される活性領域を備える。ダイオード構造にわたって（ａｃｒｏｓｓ）適切な順方向バイアスを印加すると、活性領域から光が放出される。放出される光の波長は、活性領域の組成と構造によって決定される。

【0011】

ＬＥＤは、例えば、紫外線、青色光、緑色光、又は赤色光を発するＩＩＩ－窒化物ＬＥＤであり得る。他の適切な材料系から形成され、他の適切な波長の光を放射するＬＥＤを使用することもできる。他の適切な材料系としては、例えば、ＩＩＩ－リン化物材料、ＩＩＩ－ヒ素化物材料、ＩＩ－ＶＩ材料などがある。

【0012】

ｐｃＬＥＤからの所望の光出力及び色仕様に応じて、任意の適切な蛍光体材料を使用することができる。

【0013】

図２Ａ～２Ｂはそれぞれ、基板２０２上に配置された蛍光体ピクセル１０６を含むｐｃＬＥＤ１００のアレイ２００の断面図及び上面図を示す。このようなアレイは、任意の適切な方法で配置された任意の適切な数のｐｃＬＥＤを含むことができる。図示の例では、アレイは共有基板上にモノリシックに形成されたものとして描かれているが、代替的に、ｐｃＬＥＤのアレイを個別のｐｃＬＥＤから形成してもよい。基板２０２は、ＬＥＤを駆動するためのＣＭＯＳ回路を任意に備えることができ、任意の適切な材料から形成されることができる。

【0014】

図２Ａ～２Ｂは、９個のｐｃＬＥＤの３×３アレイを示しているが、かかるアレイは、例えば、数十個、数百個、又は数千個のＬＥＤを含むことができる。個々のＬＥＤ（ピクセル）は、例えば、１ミリメートル（ｍｍ）以下、５００ミクロン以下、１００ミクロン以下、または５０ミクロン以下の、アレイの平面内の幅（例えば、辺の長さ）を有することができる。かかるアレイ内のＬＥＤは、例えば、数百ミクロン、１００ミクロン以下、５０ミクロン以下、１０ミクロン以下、又は５ミクロン以下のアレイの平面内の幅を有するストリート又はレーンによって互いに間隔をあけて配置することができる。図示の例では、対称マトリックスに配置された長方形のピクセルを示しているが、ピクセル及びアレイは、任意の適切な形状又は配置を有することができる。

【0015】

アレイの平面内の寸法（例えば、辺の長さ）が約５０ミクロン以下のＬＥＤは、通常、マイクロＬＥＤと称され、かかるマイクロＬＥＤのアレイは、マイクロＬＥＤアレイと称されることがある。

【0016】

ＬＥＤのアレイ、又はかかるアレイの一部は、個々のＬＥＤピクセルがトレンチ及び／又は絶縁材料によって互いに電気的に絶縁されているが、電気的に絶縁されたセグメントは半導体構造の一部によって互いに物理的に接続されたままである、セグメント化されたモノリシック構造として形成することができる。

【0017】

ＬＥＤアレイ内の個々のＬＥＤは、個々にアドレス指定可能（操作可能（ｏｐｅｒａｂｌｅ））であることができ、アレイ内のピクセルの群又はサブセットの一部としてアドレス指定可能であることができ、又はアドレス指定可能でなくてもよい。したがって、発光ピクセルアレイは、光分布のきめの細かい強度、空間的、及び時間的制御を必要とする、又はそれから利益を得る任意の用途に有用である。これらの用途は、ピクセルブロック又は個々のピクセルから放出された光の正確な特別なパターニングを含み得るが、これらに限定されない。用途に応じて、放出された光は、スペクトル的に別個であり、経時的に適応可能であり、及び／又は環境的に応答性であり得る。かかる発光ピクセルアレイは、様々な強度、空間的、又は時間的パターンで事前にプログラムされた光分布を提供することができる。放出された光は、少なくとも部分的に受光センサデータに基づくことができ、光ワイヤレス通信のために使用されることができる。関連する電子機器及び光学機器は、ピクセル、ピクセルブロック、又はデバイスレベルで別個であってもよい。

【0018】

図３Ａ～３Ｂに示すように、ｐｃＬＥＤアレイ２００は、パワー及び制御モジュール３０２、センサモジュール３０４、及びＬＥＤ取り付け領域３０６を備える電子機器ボード３００上に実装することができる。パワー及び制御モジュール３０２は、外部ソースからのパワー及び制御信号、及びセンサモジュール３０４からの信号を受信することができ、これに基づいてパワー及び制御モジュール３０２はＬＥＤの動作を制御する。センサモジュール３０４は、例えば温度センサや光センサなど、任意の適切なセンサから信号を受信することができる。あるいは、ｐｃＬＥＤアレイ２００は、パワー及び制御モジュールやセンサモジュールとは別の基板（図示せず）に実装することもできる。

【0019】

個々のｐｃＬＥＤは、蛍光体層に隣り合うか又は蛍光体層上に配置されたレンズ又は他の光学素子を任意に組み込むか、又はそれと組み合わせて配置することができる。このような光学素子は、図には示されていないが、「一次光学素子」と称されることがある。さらに、図４Ａ～４Ｂに示すように、ｐｃＬＥＤアレイ２００（例えば、電子基板３００上に実装される）は、意図された用途で使用するために、導波路、レンズ、又はその両方などの二次光学素子と組み合わせて配置される場合がある。図４Ａでは、ｐｃＬＥＤｓ１００によって放出された光は導波路４０２によって収集され、投影レンズ４０４に方向付けられる。投影レンズ４０４は、例えばフレネルレンズであり得る。この配置は、例えば自動車のヘッドライトでの使用に適し得る。図４Ｂでは、ｐｃＬＥＤｓ１００によって放出された光は、介在する導波路を使用することなく、投影レンズ４０４によって直接収集される。この配置は、ｐｃＬＥＤが互いに十分に近い間隔で配置できる場合に特に適しており、自動車のヘッドライトやカメラのフラッシュ用途にも使用できる。マイクロＬＥＤディスプレイの用途は、例えば、図４Ａ～４Ｂに描かれたものと同様の光学配置を使用することができる。一般に、光学素子の任意の適切な配置を、所望の用途に応じて、本明細書に記載のＬＥＤアレイと組み合わせて使用することができる。

【0020】

独立に動作可能なＬＥＤのアレイは、レンズ、レンズシステム、又は他の光学システム（例えば、上述のような）と組み合わせて使用され、特定の目的に適応可能な照明を提供することができる。例えば、かかる適応照明システムは、動作において、照明されたシーン又は物体全体にわたって色及び／又は強度によって変化する、及び／又は所望の方向に向けられる照明を提供することができる。コントローラは、シーン内の物体又は人物の位置及び色特性を示すデータを受信し、その情報に基づいてＬＥＤアレイ内のＬＥＤを制御して、シーンに適合した照明を提供するように構成することができる。かかるデータは、例えば、画像センサ、光学式（レーザ走査など）又は非光学式（ミリ波レーダなど）のセンサによって提供することができる。かかる適応照明は、自動車、モバイル機器のカメラ、ＶＲ、ＡＲアプリケーションにとってますます重要になっている。

【0021】

図５は、ＬＥＤアレイとレンズシステム５０２とを備えたカメラフラッシュシステム５００の例を概略的に示しており、上述したシステムと同様又は同一であり得る。フラッシュシステム５００はまた、マイクロプロセッサなどのコントローラ５０４によって制御されるＬＥＤドライバ５０６を備える。コントローラ５０４はまた、カメラ５０７及びセンサ５０８に結合され、メモリ５１０に格納された命令及びプロファイルに従って動作することができる。カメラ５０７及び適応照明システム５０２は、それらの視野を一致させるように、コントローラ５０４によって制御され得る。

【0022】

センサ５０８は、例えば、位置センサ（例えば、ジャイロスコープ及び／又は加速度計）及び／又はシステム５００の位置、速度、及び向きを決定するために使用され得る他のセンサを含み得る。センサ５０８からの信号は、コントローラ５０４に供給され、コントローラ５０４の適切な動作コース（例えば、どのＬＥＤが現在ターゲットを照明しており、どのＬＥＤが所定時間後にターゲットを照明するか）を決定するために使用され得る。

【0023】

動作時には、５０２内のＬＥＤアレイの一部又は全てのピクセルからの照明が調整され、非活性化され、全強度で動作し、又は中間の強度で動作し得る。５０２内のＬＥＤアレイによって放出される光のビーム焦点又はステアリングは、ピクセルの１つ又は複数のサブセットを作動させることによって電子的に実行することができ、光学系を移動させたり、照明装置のレンズの焦点を変更したりすることなく、ビーム形状の動的な調整を可能にする。

【0024】

図６は、適応型発光アレイ６１０、ディスプレイ６２０、発光アレイコントローラ６３０、センサシステム６４０、及びシステムコントローラ６５０を含む例示的なディスプレイ（例えば、ＡＲ／ＶＲ／ＭＲ）システム６００を概略的に示す。制御入力はセンサシステム６４０に提供され、パワー又は電源（ｐｏｗｅｒ）とユーザデータ入力とはシステムコントローラ６５０に提供される。いくつかの実施形態では、システム６００に含まれるモジュールは、単一の構造内にコンパクトに配置することができ、あるいは、１つ以上の要素を別個に搭載し、無線通信又は有線通信を介して接続することができる。例えば、発光アレイ６１０、ディスプレイ６２０、及びセンサシステム６４０を、ヘッドセット又は眼鏡に搭載することができ、発光コントローラ及び／又はシステムコントローラ６５０を別個に搭載することができる。

【0025】

発光アレイ６１０は、例えば、ＡＲ／ＶＲ／ＭＲシステムをサポートすることができるグラフィカル又はオブジェクトパターンで光を投射するために使用することができる、上述したような１つ以上の適応型発光アレイを含むことができる。いくつかの実施形態では、マイクロＬＥＤのアレイを使用することができる。

【0026】

システム６００は、適応型発光アレイ６１０及び／又はディスプレイ６２０に広範な光学系を組み込むことができ、例えば、適応型発光アレイ６１０によって放射された光をディスプレイ６２０に結合させることができる。

【0027】

センサシステム６４０は、例えば、環境を監視するカメラ、深度センサ、又はオーディオセンサなどの外部センサ、及びＡＲ／ＶＲ／ＭＲヘッドセットの位置を監視する加速度センサ又は２軸又は３軸ジャイロスコープなどの内部センサを含むことができる。他のセンサは、気圧、ストレスセンサ、温度センサ、又はローカル又はリモート環境モニタリングに必要な他の適切なセンサを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、制御入力は、検出されたタッチ又はタップ、ジェスチャー入力、又はヘッドセット又はディスプレイの位置に基づく制御を含むことができる。

【0028】

センサシステム６４０からのデータに応答して、システムコントローラ６５０は、発光アレイコントローラ６３０に画像又は命令を送信することができる。画像又は指示の変更又は修正は、必要に応じて、ユーザデータ入力、又は自動データ入力によっても行うことができる。ユーザデータ入力には、音声指示、触覚フィードバック、目又は瞳孔の位置、又は接続されたキーボード、マウス、又はゲームコントローラによって提供されるものを含むことができるが、これらに限定されない。

【0029】

上記のように、本明細書では、アレイ内の隣り合うピクセル（ａｄｊａｃｅｎｔ ｐｉｘｅｌｓ）又は隣り合うピクセル群間のコントラスト比を高めるパターン化された反射グリッドを含むＬＥＤアレイ、及びそのようなＬＥＤアレイの製造方法を開示する。反射グリッドが反射金属グリッドとして形成される場合、ＬＥＤアレイの隣り合うピクセル間の光漏れ（「クロストーク」とも称される）を低減するこのアプローチは、ピクセル側壁を高反射金属又は金属合金でコーティングすることによって形成される各ピクセルの側壁電気接点を使用することができる。これにより、ＬＥＤアレイのピクセル間に金属グリッドが形成される。各ピクセルの光閉じ込めは、金属グリッドの頂部表面をパターニングすることでさらに強化される。パターニングされた金属表面は、光の散乱を促進し、サイドエミッションの吸収を増加させるため、「オン」状態のピクセルから隣接する（ｎｅｉｇｈｂｏｒｉｎｇ）「オフ」状態のピクセルへの光の漏れを低減する。金属リフレクタではなく誘電体リフレクタ又はＤＢＲから形成された反射グリッドの頂部表面も同様にパターン化して光閉じ込めをさらに強化することができる。

【0030】

図７、８Ａ～８Ｄ、９Ａ～９Ｃ、及び１０Ａ～１０Ｂと関連する説明は、主として、パターン化された金属反射グリッドを有するＬＥＤアレイに向けられているが、これらは、例えばＤＢＲ又は誘電体リフレクタから形成されたグリッドなどの、非金属リフレクタで形成されたパターン化された反射グリッドを有するＬＥＤアレイの構造及び製造方法も示している。

【0031】

図７は、パターン化された反射金属グリッドからなるＬＥＤアレイ７００の上面図であり、図２Ｂに示したＬＥＤアレイ２００と同様の構造及び寸法であってもよく、モノリシック構造であり得る。ＬＥＤアレイ７００は、金属グリッド７２０によって互いに光学的に分離されたＬＥＤ７１０からなる。図示のように、金属グリッド７２０の上面は、ＬＥＤ７１０の頂部表面と同様に、パターン化又は粗面化されている（本明細書では両方とも「パターン化」と称する）。この図に示され、さらに後述する実施形態では、金属グリッドはこのアレイのカソードとしても機能するが、これは任意である。金属グリッドは、代わりにアノードとして機能してもよく、あるいはダイオードへの電気的コンタクトとして機能しなくてもよい。

【0032】

金属グリッド上のパターン及びＬＥＤ上のパターンは、同じ形状、サイズ、間隔であってもよい。あるいは、金属グリッド上とＬＥＤ上のパターンは、ピクセルフィールド及び／又は金属グリッドにわたって異なる形状及びサイズ又は間隔を有することができる。かかるパターンの形状、サイズ及び間隔は、異なる用途及び波長に対して最適化することができる。図７の例では、金属グリッド７２０上のパターンはＬＥＤ７１０上のパターンと異なる。

【0033】

金属グリッド上及びＬＥＤ上のパターンは、例えば、円錐状の形状を有することができ、アレイの平面内において横方向に数百ナノメートルから数ミクロンの範囲のサイズ（例えば、１００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、１ミクロン、２ミクロン、５ミクロン、１０ミクロン）、アレイの平面において垂直な高さが数百ナノメートルから数ミクロンの範囲（例えば、１００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、１ミクロン、２ミクロン、５ミクロン、１０ミクロン）、及び特徴間の間隔が数十ナノメートルから数ミクロンの範囲（例えば、１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、１ミクロン、２ミクロン、５ミクロン、１０ミクロン）であり得る。

【0034】

金属グリッドは、例えば、アルミニウム、アルミニウムコーティングを有する銅、又は、アルミニウム、チタン タングステン、メッキ銅の層スタックから形成されるか、又はそれらを含む。

【0035】

さらに後述するように、金属グリッド及びＬＥＤのパターン化された表面は、パターン化された基板上に半導体ダイオード構造のエピタキシャル層を成長させ、パターン化された基板に達する半導体ダイオード構造内のトレンチでアレイのピクセル（個々のＬＥＤ）を画定し、金属グリッドを形成するためにトレンチ内に金属を堆積させ、その後、基板を（例えば、レーザーリフトオフプロセスによって）除去することによって作成することができる。（反射金属ではなく）誘電体リフレクタ又はＤＢＲのパターン化された反射グリッドも、金属の代わりに誘電体リフレクタ又はＤＢＲをトレンチ内に堆積させることによって同様に形成することができる。

【0036】

あるいは、エピタキシャル構造と金属グリッドを平面基板上に成長させ、平面基板から除去した後に表面パターンを作成することもできる。これは、誘電体リフレクタやＤＢＲから形成された反射グリッドにも当てはまる。

【0037】

反射グリッドとＬＥＤ表面とのパターニングは、コントラスト比の向上、鮮明な画像、及び「オン」状態と「オフ」状態のピクセル間の光学的分離を高めることによるＬＥＤアレイ／ディスプレイのビームプロファイル／投影のより良い制御と組み合わせて、光抽出効率の向上をもたらす。さらに、パターニングは、パターン化された表面の上に堆積又は沈殿した任意の層の接着性を高める。例えば、蛍光体変換ＬＥＤアレイやディスプレイでは、光子変換のために蛍光体層が表面に堆積又は沈殿される。パターン化された反射グリッド及びＬＥＤダイの表面は、ＬＥＤピクセルの異種表面上の蛍光体又は他の層（例えば、封止剤層）又は二次光学系の付着を促進する。

【0038】

図８Ａは、上述のようにパターン化された金属グリッドを備えるＬＥＤアレイ８００の一部の断面図である。ＬＥＤアレイ８００は、反射金属から形成された金属グリッド部分８２０によって互いに分離され光学的に隔離された複数のＬＥＤ８１０を備える。図示の例では、各ＬＥＤ８１０は、ｎ型領域８１６とｐ型領域８１７との間に挟まれた活性領域８１５からなる。金属グリッド部分８２０は、絶縁層８１８によってｐ型領域８１７から分離され、ｎ型領域８１６に対する電気的コンタクトを形成する。このように、金属グリッドはカソードコンタクトとして機能する。アノードコンタクト８１９は、ｐ型領域への電気的コンタクトを提供する。

【0039】

アレイの平面内の光抽出頂部表面８２５は、上述したようにパターン化される。図示の例では、金属グリッド部分８２０の頂部表面のパターンは、ＬＥＤ８１０の頂部発光表面のパターンと同一であるが、上述のように、これらのパターンは異なっていてもよい。

【0040】

いくつかの実施形態では、金属グリッド部分（カソードコンタクト）は、約２ミクロン～約１０ミクロンのアレイの平面内の横方向の幅を有することができ、ピクセル８２の対向する側壁を形成する金属グリッド部分８２０の中心間間隔は、約４０ミクロン（例えば、３０ミクロン～５０ミクロン）であることができ、アレイの平面に垂直なエピタキシャル半導体構造（ｎ型領域、活性領域及びｐ型領域）の厚さは、約６ミクロン以下であることができ、アレイの平面に垂直なパターン化表面内の表面特徴の高さは約１ミクロン～２ミクロンであることができる。任意の他の適切な組み合わせを使用してもよい。

【0041】

図８Ｂに示すように、いくつかの変形例では、金属グリッド部分８２０のパターン化表面は、ＬＥＤ８１０の発光表面よりも上方に又は発光表面を超えて（ａｂｏｖｅ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅｓ）延在している。このピクセル形状により、各ピクセル内での横方向放射の反射／捕捉がより良好になり、したがってコントラスト比が向上する。金属グリッド部分は、例えば、約１ミクロンから約１０ミクロンだけＬＥＤ表面の上方に又はＬＥＤ表面を超えて延在することができる。

【0042】

図８Ｃ及び図８Ｄに示すように、波長変換構造８３０は、半導体ＬＥＤアレイのパターン化された光抽出面８２５上に形成されるか、又は取り付けられ得る。波長変換構造は、例えば、バインダ材料中に配置された蛍光体粒子を含み得る。蛍光体粒子は、半導体ＬＥＤによって放出された光を吸収し、それに応答してより長い波長の光を放出する。バインダ材料は、例えばシリコンであってもよく、半導体ＬＥＤによって放出された光と蛍光体粒子によって放出された光とを透過するように選択される。波長変換構造は、例えば、約５ミクロン～約４０ミクロン、又は約１０ミクロン～約１５ミクロンの表面８２５に垂直な厚さを有することができ、
例えば、約１５ミクロン以下、約１０ミクロン以下、又は約５ミクロン以下の直径を有する蛍光体粒子を含むことができる。

【0043】

本明細書で説明するように反射性（例えば、反射金属）グリッドをパターニングすることは、波長変換構造における光の横方向伝搬を低減し、それによって蛍光体変換ＬＥＤアレイのＣＲを強化するのに役立つ。パターン化された反射グリッドは、特に薄い低散乱波長変換構造に有益である。

【0044】

上述したように、本明細書に開示されるようなパターン化された反射グリッドを備えるＬＥＤアレイは、パターン化された基板上に成長させることができる。ここで図９Ａを参照すると、パターン化基板９００は、例えば、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、窒化ガリウム、ガリウムヒ素、又は任意の他の適切な材料から形成することができる。基板上のパターンは、ウェットエッチング及び／又はドライエッチング、又はナノインプリントプロセスによって形成することができ、基板上に作成することも、基板頂部に追加することもできる。すなわち、基板のパターン部分は、下地基板の残りの部分と同じ材料組成から形成することも、異なる組成を有することもできる。パターンの形状、サイズ、及び間隔は、ＬＥＤの色又は用途の要件に応じて最適化することができる。反射性（例えば、金属）グリッド表面とＬＥＤダイ表面が異なるパターンを有する場合、基板の対応する部分をそれに応じてパターン化することができる。

【0045】

エピタキシャル層８１７、８１５、及び８１６は、例えばＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの従来の成長技術のいずれかを用いて基板９００上に成長し得る。パターン化された基板上に直接成長したエピタキシャル層は、基板のパターンと相補的なパターンをとる。

【0046】

図９Ｂに示すように、エピタキシャル層を成長させた後、ウェットエッチング及び／又はドライエッチングプロセスによって、エピタキシャル層を貫通してパターン化基板までトレンチ９１０をエッチングすることにより、ＬＥＤピクセル又はダイをアレイ内に画定し、画定されたピクセル上に側壁を形成する。次に図９Ｃを参照すると、絶縁層８１８をトレンチ内に堆積させ、その後、反射金属をトレンチ内に堆積させて反射金属グリッドを形成することができ、図示の例ではカソードコンタクトとしても機能する。トレンチの底部はパターン化された基板に達するので、基板に接触して形成された金属グリッドの部分は、基板のパターンと相補的なパターンをとる。

【0047】

金属グリッドは電気メッキによって形成することができる。電気メッキにはシード層が必要で、通常は電気メッキされる材料（例えばアルミニウム）と同じ材料である。あるいは、例えばチタン タングステン合金など、より強く吸収する金属材料など、異なる材料のシード層を使用し得る。一変形例では、金属（例えばアルミニウム）ｎコンタクト層をｎ型層の側壁に堆積させ、その後、チタン タングステンのシード層をトレンチの底部に堆積させ、その後、金属グリッドの残りの部分がトレンチに電気めっきされる。この方法により、デバイスのｎコンタクト品質（ひいては順方向電圧Ｖｆ）を損なうことなく、（金属グリッドのパターン化表面に光学吸収材料を使用することにより）ＣＲを向上させることができる。

【0048】

次に、高エネルギーのレーザービームで基板を除去するレーザーリフトオフなどのウェーハ除去プロセスを使って基板を除去する。基板除去により、ダイ／ピクセルフィールド上のパターン化された表面と、ピクセル間の露出した金属グリッドが残る。

【0049】

次図１０Ａ及び１０Ｂを参照すると、上述したプロセスステップは、基板１０００の平面上で実行することができる。基板を除去すると、金属グリッドとＬＥＤの露出面１０２５は平面になる。これらの平坦な表面は、次に、上記に開示したように、所望のパターンを提供するために、ウェットエッチング及び／又はドライエッチングプロセスを使用してパターニングすることができる。

【0050】

基板除去（及び平面基板を使用した場合は表面パターニング）の後、洗浄液を使用してリフトオフプロセスの残留物を除去し、必要に応じて作成したパターンをさらに形成することができる。反射グリッドが反射金属グリッドの場合、洗浄液は金属層を攻撃しないように選択する必要がある。この表面洗浄の後、蛍光体層又は保護層又は二次光学層をこれらのパターンの頂部に追加して、ダイフィールド及び金属グリッド上にブランケット層又はセグメント化された頂部層を形成することができる。

【0051】

再び図８Ｂを参照すると、反射性（例えば、金属）グリッド部分８２０のパターン化された表面がＬＥＤ８１０の発光表面の上方に延在するＬＥＤアレイは、例えば、エピタキシャル層（図９Ｂ）を貫通して基板にトレンチをエッチングすることによって形成することができる。あるいは、基板除去後にＬＥＤの光抽出面８２５を選択的にエッチングし、したがって、反射グリッド部分のパターン化された表面は、ＬＥＤのエッチングされたパターン化表面を超えて延在し、反射グリッドがエッチングプロセスから保護される。

【0052】

本開示は例示的なものであり、限定するものではない。さらなる変更は、本開示に照らして当業者に明らかであり、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図される。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10A】

【図10B】

【手続補正書】

【提出日】2023-11-28

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光ダイオードアレイであって、
各々が発光表面を備える複数の発光ダイオードと、
複数の開口を画定する反射グリッドであって、前記開口内において前記発光ダイオードのうちの対応するものの発光表面が前記反射グリッドの外側の同じ方向に向くように、前記発光ダイオードが配置されている、反射グリッドと、
を備え、
前記反射グリッドは各発光ダイオードに対して反射性の側壁を提供し、前記反射性の側壁は、前記発光表面と隣り合い、前記発光表面と前記同じ方向に向けて配置されたパターン化された光散乱表面を備える、
発光ダイオードアレイ。

【請求項2】

前記発光表面は光を散乱するようにパターン化されている、
請求項１記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項3】

前記側壁のパターン化された前記光散乱表面及びパターン化された前記発光表面が異なる光散乱パターンを有する、
請求項２記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項4】

前記側壁のパターン化された前記光散乱表面及びパターン化された前記発光表面が同じ光散乱パターンを有する、
請求項２記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項5】

前記側壁のパターン化された前記光散乱表面は、隣り合う発光表面と同一平面上にある、
請求項１記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項6】

前記側壁のパターン化された前記光散乱表面は、前記発光表面が向かう前記方向において前記発光表面を超えて延在している、
請求項１記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項7】

前記反射グリッドは、前記発光ダイオードへの電気的コンタクトを提供する反射金属グリッドを含むか又は反射金属グリッドである、
請求項１記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項8】

前記側壁のパターン化された前記光散乱表面上及び前記発光表面上に配置された波長変換構造を備える、
請求項１記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項9】

前記発光表面は、５０ミクロン以下の、反射側壁に平行な最長寸法を有し、
隣り合う発光表面は互いに１０ミクロン以下だけ離間している、
請求項１記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項10】

前記側壁のパターン化された前記光散乱表面上及び前記発光表面上に配置された波長変換構造を備え、
前記発光表面は光を散乱するようにパターン化されており、
前記波長変換構造は、前記発光表面が面する方向において３０ミクロン以下の厚さを有し、
前記波長変換構造はバインダ内に分散された蛍光体粒子を含み、
前記蛍光体粒子は約２０ミクロン未満かつ１ミクロンを超える直径を有する、
請求項９記載の発光ダイオードアレイ。

【請求項11】

ディスプレイシステムであって、
請求項１乃至１０いずれか１項記載の前記発光ダイオードアレイと、
ディスプレイと、
前記発光ダイオードアレイから間隔を置いて配置され、前記発光ダイオードアレイからの光を前記ディスプレイ内へ結合するように配置された光学素子又は光学系と、
を備えるディスプレイシステム。

【請求項12】

モバイルデバイスであって、
カメラと、
フラッシュ照明システムと、を備え、
前記フラッシュ照明システムは、
請求項１乃至１０いずれか１項記載の前記発光ダイオードアレイと、
前記発光ダイオードアレイから間隔を置いて配置され、前記発光ダイオードアレイによって放出された光を前記カメラの視野内へと方向付けるように配置された光学素子又は光学系と、を備える、
モバイルデバイス。

【請求項13】

発光ダイオードアレイを製造する方法であって、
パターン化基板上に半導体層のスタックを配置するステップであって、前記半導体層は、ｎ型領域、ｐ型領域、及び、前記ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された活性領域を備える、ステップと、
前記半導体層のスタックを貫通してトレンチをエッチングして、各トレンチの底部において前記パターン化基板を露出する、ステップであって、前記トレンチはグリッドを形成し、前記発光ダイオードアレイの個別の発光ダイオードを画定する、ステップと、
前記トレンチ内にリフレクタを配置して、前記発光ダイオードの反射側壁を形成するステップであって、前記反射側壁は、前記パターン化基板によってパターン化された前記パターン化基板とコンタクトする表面を有する、ステップと、
前記発光ダイオード及び前記反射側壁から前記パターン化基板を除去するステップと、
を含む方法。

【請求項14】

前記反射側壁は、前記発光ダイオードへの電気的コンタクトを提供する、
請求項１３記載の方法。

【請求項15】

前記発光ダイオードは、前記基板によってパターン化された発光表面を備える、
請求項１３記載の方法。

【請求項16】

前記反射側壁のパターン化された表面は前記発光ダイオードの隣り合う表面を超えて延在するように、前記基板内に前記トレンチをエッチングするステップを含む、
請求項１３記載の方法。

【請求項17】

前記パターン化基板を除去するステップの後に、
前記反射側壁のパターン化された表面が前記発光ダイオードのエッチングされた前記表面を超えて延在するように、前記パターン化基板と以前コンタクトしていた前記発光ダイオードの表面をエッチングするステップを含む、
請求項１３記載の方法。

【請求項18】

前記パターン化基板を除去するステップの後に、
前記発光ダイオード上に、前記発光ダイオードの発光表面及び前記反射側壁のパターン化された表面とコンタクトする波長変換構造を形成するステップを含む、
請求項１３記載の方法。

【請求項19】

発光ダイオードアレイを製造する方法であって、
平面基板上に半導体層のスタックを配置するステップであって、前記半導体層は、ｎ型領域、ｐ型領域、及び、前記ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された活性領域を備える、ステップと、
前記半導体層のスタックを貫通してトレンチをエッチングして、各トレンチの底部において前記平面基板を露出する、ステップであって、前記トレンチはグリッドを形成し、前記発光ダイオードアレイの個別の発光ダイオードを画定する、ステップと、
前記トレンチ内にリフレクタを配置して、前記発光ダイオードの反射側壁を形成する、ステップと、
前記発光ダイオード及び前記反射側壁から前記平面基板を除去するステップと、
前記平面基板と以前コンタクトしていた前記反射側壁の表面をパターン化して、光を散乱させる、ステップと、
を含む方法。

【請求項20】

前記反射側壁は、前記発光ダイオードへの電気的コンタクトを提供する、
請求項１９記載の方法。

【国際調査報告】