CN102596641A - 发光器件阵列 - Google Patents

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Luminus Devices Inc
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Abstract

公开了发光器件阵列以及相关部件、处理、系统以及方法。

Description

发光器件阵列
相关申请
本申请要求2009年10月1日提交的美国临时申请第61/247,862号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及发光器件以及相关部件、处理、系统和方法。
背景技术
发光二极管(LED)通常可以以比白炽光源和/或荧光光源更高效的方式提供光。与LED相关联的较高功率效率已在多种照明应用中引起了使用LED来取代传统光源的关注。例如，在某些情况下，将LED用作交通灯以及用于照亮移动电话键盘和显示器。
通常，LED由多个层构成，其中至少一部分层由不同的材料形成。一般，针对层所选择的材料和厚度确定LED发出的光的波长。另外，可以选择层的化学成分以尽力隔离注入区域(通常称为量子阱)中的电荷载流子，从而相对高效地转换为光功率。一般，在量子阱生长的结的一侧的层掺杂有导致高电子浓度的施主原子(这样的层通常称为n型层)，并且在相对侧的层掺杂有导致相对高空穴浓度的受主原子(这样的层通常称为p型层)。
用于制备LED的常用方法如下。以晶片的形式来制备材料层。通常，使用诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)的外延沉积技术来形成层，其中在生长衬底上形成初始沉积层。然后，将层暴露于各种蚀刻和金属化技术，以形成用于电流注入的接触部，随后将晶片切割成单独的LED芯片。通常，LED芯片是封装好的。
在使用期间，电能通常注入LED中、然后被转换成电磁辐射(光)，其中的一部分电磁辐射(光)是从LED提取的。
传统的系统可以被配置成使得发光器件阵列包括具有相等发射面积并且通常具有相同的发光器件表面的纵横比的发光器件。例如，对于四个发光器件的阵列，其中每个发光器件均具有12mm2的发射面积和为3×4的发光器件表面的纵横比。这样的系统可具有非最优的发射效率，尤其是在通过选择具有特定色点或色度的每个发光器件并且同时最大化光输出来产生具有特定颜色的光发射时。
图3、图3A和图3B示出了现有技术中所采用的用于多芯片阵列的示例性发光器件(LED)裸片取向。图3示出了包括布置成单行的两个LED 102和104的发光器件阵列100。LED 102的发射面积等于LED 104的发射面积。图3A示出了包括布置成2×2矩阵(即，布置成两行两列)的四个LED 112、114、116和118的发光器件阵列110。该阵列被配置成使得阵列中的每个LED具有彼此相等的发射面积(LED 112的发射面积等于LED 114、LED 116和LED 118的发射面积)。图3B示出了包括布置成3×4矩阵(即，布置成三行四列)的十二个LED 122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133的发光器件阵列120。该阵列被配置成使得阵列中的每个LED均具有彼此相等的发射面积(LED 122的发射面积等于LED 123、124、125、126、127、128、129、130、131、132和133的发射面积)。
发明内容
本发明涉及发光器件阵列以及相关部件、系统和方法。
在一个实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列被配置成使得该阵列中的至少一个发光器件具有与阵列中的其它发光器件的发射面积不同的发射面积。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。该发光器件阵列的所有发光器件具有彼此不同的发射面积。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括发射面积不相等的两个发光器件。阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括三个发光器件。该阵列可以由红色LED、绿色LED、蓝色LED、白色LED、UV LED或其组合构成。发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积，而另一发光器件具有与所述两个发光器件的发射面积不同的发射面积。三个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行两列的矩阵，或者布置成具有一行三列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括发光器件。发光器件阵列被配置成使得所述阵列的三个发光器件具有彼此不同的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。三个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行两列的矩阵，或者布置成具有一行三列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括四个发光器件。发光器件阵列被配置成使得三个发光器件具有相等的发射面积，而另一发光器件具有与所述三个发光器件的发射面积不同的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。四个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行两列的矩阵，或者布置成具有一行四列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括四个发光器件。发光器件阵列被配置成使得阵列中的两个发光器件具有相等的发射面积，而其它两个发光器件具有相等的发射面积；两个器件的发光面积不同于其它两个器件的发射面积。阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。四个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行两列的矩阵，或者布置成具有一行四列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括四个发光器件。发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积，而其它两个发光器件具有彼此不同的且与其它两个发光器件的发射面积不同的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。四个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行两列的矩阵，或者布置成具有一行四列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括四个发光器件。发光器件阵列被配置成使得所述阵列的四个发光器件具有彼此不同的发射面积。阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。四个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行两列的矩阵，或者布置成具有一行四列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括五个发光器件。发光器件阵列被配置成使得阵列中的四个发光器件具有相等的发射面积，而另一发光器件具有与所述四个发光器件的发射面积不同的发射面积。阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。五个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩阵，或者布置成具有一行五列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括五个发光器件。发光器件阵列被配置成使得三个发光器件具有相等的发射面积，而其它两个发光器件具有相等的发射面积；所述三个器件的发射面积不同于其它两个器件的发射面积。阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。五个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩阵，或者布置成具有一行五列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件。发光器件阵列包括五个发光器件。发光器件阵列被配置成使得三个发光器件具有相等的发射面积，而其它两个发光器件具有彼此不同的且与其它三个发光器件的发射面积不同的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。五个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩阵，或者布置成具有一行五列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括五个发光器件。发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积，而其它三个发光器件具有彼此不同的且与其它两个发光器件的发射面积不同的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。五个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩阵，或者布置成具有一行五列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括五个发光器件。发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积，而其它两个发光器件具有相等的面积；前两个器件的发射面积不同于所述其它两个器件的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。五个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩阵，或者布置成具有一行五列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括五个发光器件。发光器件阵列被配置成使得所述阵列的五个发光器件具有彼此不同的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。五个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩阵，或者布置成具有一行五列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括六个发光器件。发光器件阵列被配置成使得所述阵列中的五个发光器件具有相等的发射面积，而另一发光器件具有与所述五个发光器件的发射面积不同的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。六个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩形矩阵，或者布置成具有一行六列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括六个发光器件。发光器件阵列被配置成使得四个发光器件具有相等的发射面积，而其它两个发光器件具有相等的发射面积；所述四个器件的发射面积不同于其它两个器件的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。六个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩形矩阵，或者布置成具有一行六列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括六个发光器件。发光器件阵列被配置成使得四个发光器件具有相等的发射面积，而其它两个发光器件具有彼此不同的且与其它四个发光器件的发射面积不同的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。六个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩形矩阵，或者布置成具有一行六列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括六个发光器件。发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积，而其它四个发光器件具有彼此不同的且与其它两个发光器件的发射面积不同的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。六个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩形矩阵，或者布置成具有一行六列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括六个发光器件。发光器件阵列被配置成使得三个发光器件具有相等的发射面积，而其它三个发光器件具有相等的发射面积；所述三个器件的发射面积不同于其它三个器件的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。六个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩形矩阵，或者布置成具有一行六列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括六个发光器件。发光器件阵列被配置成使得三个发光器件具有相等的发射面积，而其它三个发光器件具有彼此不同的且与其它三个发光器件的发射面积不同的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。六个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩形矩阵，或者布置成具有一行六列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括六个发光器件。发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积，其它两个发光器件具有相等的发射面积，且其它两个发光器件具有相等的发射面积；每对发光器件的发射面积彼此不同。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。六个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩形矩阵，或者布置成具有一行六列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括六个发光器件。发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积(面积1)，另两个发光器件具有相等的发射面积(面积2)，而其它两个发光器件具有不相等的发射面积(面积3和面积4)；发射面积1、2、3和4彼此不相等。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。六个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩形矩阵，或者布置成具有一行六列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括六个发光器件。发光器件阵列被配置成使得三个发光器件具有相等的发射面积(面积1)，另两个发光器件具有相等的发射面积(面积2)，并且其它发光器件具有与各对的发射面积不同的发射面积(面积3)；发射面积1、2和3彼此不相等。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。六个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩形矩阵，或者布置成具有一行六列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括六个发光器件。发光器件阵列被配置成使得所述阵列的六个发光器件具有彼此不同的发射面积。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。六个发光器件可以随机地布置，或者布置成具有两行三列的矩形矩阵，或者布置成具有一行六列的矩形矩阵。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列可以包括以下中的一个或多个：红色LED、绿色LED、蓝色LED以及白色LED。在一些情况下，该阵列被配置成使得红色LED的发射面积与绿色LED的发射面积之比在从0.7至1.3的范围内。在一些情况下，该阵列被配置成使得蓝色LED的发射面积与红色LED的发射面积之比在从0.15至0.75的范围内。在一些情况下，该阵列被配置成使得蓝色LED的发射面积与绿色LED的发射面积之比在从0.15至0.75的范围内。在一些情况下，该阵列被配置成使得蓝色LED的发射面积与白色LED的发射面积之比在从0.3至0.9的范围内。在一些情况下，该阵列被配置成使得白色LED的发射面积与红色LED的发射面积之比在从0.45至1.05的范围内。在一些情况下，该阵列被配置成使得白色LED的发射面积与绿色LED的发射面积之比在从0.45至1.05的范围内。应理解，阵列可包括上述发射面积比(包括所有上述比)之一或任意组合。
在本发明的另一实施例中，系统包括衬底和由衬底支撑的发光器件阵列。发光器件阵列包括发射面积等于大约12mm2的红色LED、发射面积等于大约12mm2的绿色LED、发射面积等于大约5.4mm2的蓝色LED以及发射面积等于大约9mm2的白色LED。
一些实施例还可以包括包含衬底和发光器件阵列的封装件。该封装件可以具有如下层：其被配置成使得从发光器件射出并撞击在该层上的光的至少大约75％穿过该层，其中，该层被布置成使得发光器件阵列的表面与该层的距发光器件阵列的表面最近的表面之间的距离为从大约五微米至大约400微米。
在一些实施例中，发光器件阵列被配置成使得对于具有不相等的发射面积的任意给定LED对，较小的LED的发射面积与较大的LED的发射面积之比在从0.07至0.96的范围内。
在一些实施例中，发光器件阵列可以包括2*N个发光器件，其中，N是正整数，并且2*N个发光器件布置成具有N行两列的矩形矩阵。
在一些实施例中，发光器件阵列被放置成使得发光器件阵列中的所有发光器件的总面积的和与由外周界限定的面积之比至少为大约0.75。
在一些实施例中，发光器件阵列被放置成使得阵列中的相邻发光器件的最靠近边缘之间的间距不大于200微米。
在一些实施例中，具有相等的发射面积的发光器件还可以具有不同的发光器件表面的纵横比。
在一些实施例中，发光器件阵列中的至少一个发光器件可以包括多层材料堆，其包括由光产生区域支撑的第一层。第一层的表面可以被配置成使得光产生区域产生的光可以经由第一层的表面从发光器件射出。第一层的表面可以具有根据图案而在空间上变化的电介质功能。该图案可以具有理想的晶格常数和值大于零的失谐参数。第一层的表面可以具有根据非周期图案而在空间上变化的电介质功能。第一层的表面可以具有根据准晶体图案而在空间上变化的电介质功能。第一层的表面可以具有根据复杂的周期图案而在空间上变化的电介质功能。第一层的表面可以具有根据周期图案而在空间上变化的电介质功能。
发光器件可以具有长度至少为大约一毫米的边缘。发光器件可以具有至少为大约1.5毫米的边缘。
该层可以包括至少一个光学部件。光学部件可以包括光子晶格、滤色器、偏振选择层、波长转换层和/或防反射涂层。
封装件还可以包括散热层。该封装件可以安装在散热器件上。该封装件可以安装在散热器件上。封装件可以包括封装衬底。封装衬底可以由Al、N、Cu、C、Au或其组合形成。封装件可以安装在热电冷却器上。发光器件可以是发光二极管。发光二极管可以是光子晶格发光二极管。发光器件可以是表面发射激光器。发光器件可以是发光二极管、激光器、光学放大器和/或其组合。发光器件可以是OLED、平坦表面发射LED、HBLED和/或其组合。系统还可以包括冷却系统，该冷却系统被配置成使得在使用期间，冷却系统调节发光二极管的温度。
发光器件阵列可以包括串联电连接的多个发光器件。发光器件阵列可以包括并联电连接的多个发光器件。
本发明的特征和优点在说明书、附图和权利要求中。
在一些实施例中，公开了一种优化LED系统以得到最小的总裸片面积和器件结温、同时最大化光通量的方法。该方法包括以下步骤：选择要优化系统的白点；选择白色LED的颜色小区间(color bin)；计算需要多少红色、绿色、蓝色和白色流明来实现目标优化的白点；建立每种原色的最小通量阈值以进一步限制解空间；针对每个LED确定光通量对电流密度的依赖性；针对每个LED确定裸片温度对电力的依赖性；以及通过针对每个LED优化裸片面积和裸片结温来执行对色度的优化，同时最大化光通量并最小化系统的总裸片面积。
前述概括以及对本发明的以下详细描述当结合附图阅读时将更好理解。出于说明本发明目的，在图中示出了当前的优选实施例。然而，应理解，本发明不限于示出的精确布置和手段。
附图说明
图1是发光系统的示意表示。
图2是封装发光器件的截面图。
图3是发光器件阵列的顶视图。
图3A是发光器件阵列的顶视图。
图3B是发光器件阵列的顶视图。
图4是发光器件阵列的顶视图。
图5是发光器件阵列的顶视图。
图5A是发光器件阵列的顶视图。
图6是发光器件阵列的顶视图。
图6A是发光器件阵列的顶视图。
图7是发光器件阵列的顶视图。
图7A是发光器件阵列的顶视图。
图8是发光器件阵列的顶视图。
图8A是发光器件阵列的顶视图。
图9是发光器件阵列的顶视图。
图9A是发光器件阵列的顶视图。
图10是发光器件阵列的顶视图。
图10A是发光器件阵列的顶视图。
图10B是发光器件阵列的顶视图。
图11是封装发光器件的截面图。
图12是构成紧密堆积配置的发光器件阵列的顶视图。
图13是与系统优化方法对应的框图。
具体实施方式
图1是并入有LED 100的阵列60的发光系统50的示意表示。阵列60被配置成使得在使用期间，从LED 100射出的光从系统50射出。
发光系统的示例包括投影仪(例如，背投式投影仪、正投式投影仪)、便携式电子设备(例如，移动电话、个人数字助理、膝上型计算机)、计算机监视器、大面积标志(例如，公路标志)、车辆内部照明(例如，仪表板照明)、车辆外部照明(例如，车辆车头灯，包括可变色车头灯)、常规照明(例如，办公室头顶照明)、高亮度照明(例如，路灯)、摄像装置闪光灯、医疗设备(例如，内窥镜)、电讯(例如，用于短程数据传输的塑料光纤)、安全感测(例如，生物测量)、集成光电子器件(例如，芯片内和芯片间的光学互连和光学时钟控制(optical clocking))、军用领域通信(例如，点对点通信)、生物感测(例如，有机或无机物质的光检测)、光动力学疗法(例如，皮肤治疗)、夜视镜、太阳能交通照明、紧急照明、机场跑道照明、航线照明、手术护目镜、可佩带光源(例如，救生衣)。背投式投影仪的示例是背投电视机。正投式投影仪的示例是用于在表面(诸如屏幕或墙壁)上进行显示的投影仪。在一些实施例中，膝上型计算机可以包括正投式投影仪。
图2示出了封装裸片形式的LED 100的侧视图。LED 100包括布置在副底座(submount)120上的多层堆(multi-layer stack)122。多层堆122包括在其上表面110中具有开口150的图案的、320nm厚的硅掺杂(n掺杂)GaN层134。多层堆122还包括接合层124、100nm厚的银层126、40nm厚的镁掺杂(p掺杂)GaN层128、由多个InGaN/GaN量子阱形成的120nm厚的光产生区域130以及AlGaN层132。n侧接触垫136布置在层134上。封装LED 100还包括封装衬底151以及由衬底151支撑的金属化部分152和138。金属化部分152使用连接器156(例如，线接合(wire bond))电连接到n侧接触部136。金属化部分138与导电副底座120电接触并形成到p掺杂层128的电流路径。框架142由衬底151支撑。框架142支撑透明盖140。典型地，透明盖140由透射从LED 100射出并撞击在透明盖140上的光的至少大约60％(例如，至少大约70％、至少大约80％、至少大约90％、至少大约95％)的材料形成。
光由LED 100如下产生。P侧接触部138相对于n侧接触部136而保持在正电位，这使得电流注入LED 100中。随着电流流过光产生区域130，来自n掺杂层134的电子在区域130中与来自p掺杂层128的空穴结合，这使得区域130产生光。光产生区域130包含多个点偶极辐射源，其在区域130内发出具有形成光产生区域130的材料的波长特性的谱的光(例如，各向同性)。对于InGaN/GaN量子阱，区域130产生的光的波长的谱可以具有大约445纳米(nm)的峰值波长和大约30nm的半高全宽(FWHM)。
应注意，与n掺杂半导体层134中的电荷载流子相比，p掺杂层126中的电荷载流子具有相对低的迁移率。结果，沿p掺杂层128的表面放置银层126(其是导电的)可以增强从接触部138到p掺杂层128和光产生区域130的电荷注入的均匀性。这还可以减小器件100的电阻和/或增加器件100的注入效率。由于n掺杂层134的相对高的电荷载流子迁移率，电子可以相对快速地从n侧接触垫136扩散通过层134，以使得光产生区域130内的电流密度在区域130中是基本上均匀的。还应注意，银层126具有相对高的导热性，从而允许层126用作LED 100的散热器(以将热从多层堆122垂直地传递到副底座120)。
区域130产生的光的至少一部分被导向银层126。该光可以被层126反射并且经由表面110从LED 100射出，或者可以被层126反射、然后经由表面110在LED 100中的半导体材料内被吸收，或者可以被层126反射、然后在LED 100中的半导体材料内被吸收，以产生可以在区域130中结合的电子-空穴对，从而使得区域130产生光。类似地，区域130产生的光的至少一部分被导向垫136。垫136的下侧由可以反射光产生区域130产生的光的至少一部分的材料(例如，Ti/Al/Ni/Au合金)形成。因此，被导向垫136的光可以被垫136反射并且随后经由表面110从LED 100射出(例如，通过由银层126反射)，或者被导向垫136的光可以被垫136反射、然后在LED 100中的半导体材料内被吸收，以产生可以在区域130中结合的电子-空穴对，从而使得区域130产生光(例如，在被银层126反射或者不被银层126反射的情况下)。
如图2所示，LED 100的表面110不是平坦的，而是包括具有开口150的图案。一般，可以为开口150的深度、开口150的直径选择各种值，并且开口150中的最近相邻物之间的间隔可以变化。转印到表面中的图案的示例包括可以增加从发光器件的提取效率的各种图案。例如，具有失谐准晶体或复杂周期结构的图案、周期图案以及非周期图案。复杂周期图案是以周期性形式重复的、在每个单位单元(unit cell)中具有多于一个特征的图案。复杂周期图案的示例包括蜂窝图案、蜂窝基本图案、(2×2)基本图案、环形图案以及阿基米德图案。复杂周期图案可以包括具有一种直径的特定开口和具有较小直径的其它开口。如这里所提及的，非周期图案是长度为区域130产生的光的峰值波长的至少50倍的、关于单位单元不呈平移对称的图案。非周期图案的示例包括不规则图案、准晶体图案、鲁滨逊图案以及安曼图案。如这里所提及的，失谐图案是图案中最近相邻物的中心间距离的值在(a-Δa)与(a+Δa)之间的图案，其中，“a”是图案的晶格常数，并且“Δa”是具有长度尺寸的失谐参数，并且其中，失谐可以在任意方向上发生。为了增强从LED 100的光提取，失谐参数Δa一般为理想晶格常数a的至少大约百分之一(例如，至少大约百分之二、至少大约百分之三、至少大约百分之四、至少大约百分之三、至少大约百分之五)。在一些实施例中，最近邻间隔在(a-Δa)与(a+Δa)之间基本上随机地变化，以使得图案基本上随机地失谐。
图4、图5、图5A、图6、图6A、图7、图7A、图8、图8A、图9、图9A、图10、图10A和图10B、图11以及图12示出了本发明的一些示例性实施例，其示出了多芯片阵列的裸片取向。这样的实施例包括其中一个或多个器件具有不相等的发射面积的发光器件阵列。如所示出的，发射面积可以是发出光的表面(例如，器件的顶表面)的面积。这可提高来自阵列的效率，同时通过设计光强度(流明)和色点或色度来实现要求，从而得到与现有技术发明所利用的系统相比更高效且可靠的系统。
应理解，根据本发明的其它阵列布置是可能的。
注意，在所有这些实施例中，阵列可以包括以下发光器件中的任意一个或多个：红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件以及其组合。图4示出了包括布置成单行的两个LED 132和134的发光器件阵列130。注意，LED 132的发射面积不等于LED 134的发射面积。图5示出了包括布置成单行的三个LED 142、144和146的发光器件阵列140。阵列中的所有LED具有彼此不相等的发射面积。图5A示出了包括布置成2×2矩阵(即，布置成两行两列)的三个LED 152、154和156的发光器件阵列150，其中，每个LED的发射面积彼此不相等。图6示出了包括布置成单行(即，布置成一行三列)的三个LED 162、164和166的发光器件阵列160，其中，LED 164的发射面积等于LED 166的发射面积而不等于LED 162的发射面积。图6A示出了包括布置成2×2矩阵(即，布置成两行两列)的三个LED 172、174和176的发光器件阵列170，其中，LED 174的发射面积等于LED 176的发射面积而不等于LED 172的发射面积。图7示出了包括布置成2×2矩阵(即，布置成两行两列)的四个LED 182、184、186和188的发光器件阵列180，其中，每个LED的发射面积彼此不同。该阵列可以由红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件、UV发光器件或其组合构成。例如，LED 182可以是红色LED，LED 184可以是绿色LED，LED 186可以是蓝色LED，以及LED 188可以是白色LED。对每个LED的颜色选择不受阵列中的LED的各个位置限制(即，红色LED例如可以是LED 182或LED 184或LED 186或LED 188)。阵列中的全部四个LED可以具有同一颜色(例如，LED 182、LED 184、LED 186和LED 188都是红色LED)。阵列中的发光器件可以布置成单行，如图7A所示。图8示出了包括布置成2×2矩阵(即，布置成两行两列)的四个LED 202、204、206和208的发光器件阵列200。LED 202和LED 204的发射面积彼此相等，并且LED 206和LED 208的发射面积彼此相等但不同于LED 202和LED204的发射面积。阵列中的发光器件可以布置成单行，如图8A所示。在图9所示的另一实施例中，发光器件阵列220包括布置成2×2矩阵的四个LED。其中，LED 226、222和228的发射面积彼此相等并且不同于LED224的发射面积。阵列中的发光器件可以布置成单行，如图9A所示。阵列中的发光器件可以布置成矩阵或布置成单行，或者如图10B所示，可以随机地布置(即，相对于其它LED水平地或垂直地偏移)，其中，LED262和244例如相对于LED 266和268横向地偏移，从而以非矩阵配置来布置。一般，可以根据期望来选择LED矩阵的行数和列数。例如，五个或六个LED的阵列或者布置成具有N行(例如，第一行、第二行以及第N行)和M列(例如，第一列、第二列以及第M列)LED(其中，N和M均是正整数)的N×M矩阵的N乘M个LED的阵列。在一些实施例中，可以选择多芯片阵列中的LED数量和每个LED的放置以形成阵列长度与阵列宽度所定义的期望纵横比。可以通过适当地形成LED裸片的尺寸和/或隔开LED裸片来获得期望的纵横比。
如上所述，多个LED可以在阵列中紧密地堆积在一起。如图12所示，多个LED 424、426、428和430由衬底422支撑。LED可以放置在衬底422上以减小或最小化相邻LED之间的间隔。在一些实施例中，LED 424、426、428和430可以被布置成使得LED阵列中的相邻裸片的最近边缘之间的间隔(例如，间隔436和/或间隔438)相对小。例如，间隔436或438可以最多为大约250微米(例如，最多为大约200微米、最多为大约150微米、最多为大约100微米、最多为大约75微米、最多为大约50微米)。
在另外的一些实施例中，如图12所示的LED 424、426、428和430可以布置在衬底422上以减小或最小化布置在LED 424、426、428和430之间的表面面积量(如面积434所表示的那样)。一般，LED阵列的总面积可以由LED的外周界包围的面积来定义(例如，如虚线432所表示的那样)。LED的总表面面积可以大约等于LED阵列中的各LED的面积之和(例如，LED 424、426、428和430的面积之和)。在LED的紧密堆积阵列中，发光器件阵列中的LED可以被放置成使得阵列中的所有发光器件的总面积的和(例如，LED 424、426、428和430的面积之和)与总面积432之比可以至少为大约0.8(例如，至少为大约0.85、至少为大约0.9、至少为大约0.95)。在一些实施例中，阵列中的所有发光器件的总面积的和与总面积432之比可以至少为大约0.5(例如，至少为大约0.6、至少为大约0.7)。
在一些实施例中，阵列可以被配置成使得红色LED的发射面积与绿色LED的发射面积之比在从0.7至1.3的范围内；蓝色LED的发射面积与红色LED的发射面积之比在从0.15至0.75的范围内；蓝色LED的发射面积与绿色LED的发射面积之比在从0.15至0.75的范围内；蓝色LED的发射面积与白色LED的发射面积之比在从0.3至0.9的范围内；白色LED的发射面积与红色LED的发射面积之比在从0.45至1.05的范围内，并且白色LED的发射面积与绿色LED的发射面积之比在从0.45至1.05的范围内。例如，发光器件阵列可以包括发射面积等于大约12mm2的红色LED、发射面积等于大约12mm2的绿色LED、发射面积等于大约5.4mm2的蓝色LED以及发射面积等于9mm2的白色LED。
在一些实施例中，发光器件阵列可以被配置成使得对于具有不相等的发射面积的任意给定LED对，较小LED的发射面积与较大LED的发射面积之比在从0.07至0.96的范围内。例如，如果阵列中的LED 424(图12)具有等于1mm2的发射面积并且阵列中的另一LED 430具有等于12mm2的发射面积，则较小LED的发射面积与较大LED的发射面积之比将为0.08。
图11示出了封装裸片170形式的LED 174的侧视图。封装件包括支撑LED 174的衬底172。封装件还包括框架176和由框架176支撑的透明盖178。通常，透明盖178由透射从LED 174射出并且撞击在透明盖178上的光的至少大约60％(例如，至少大约70％、至少大约80％、至少大约90％、至少大约95％)的材料形成。可以形成透明盖178的材料的示例包括玻璃、二氧化硅、石英、塑料以及聚合物。一般，封装件应该能够透射光，同时还提供对LED 174的机械和环境保护并使得在LED 174中产生的热耗散。
在一些实施例中，透明盖178可以涂覆有一个或多个防反射涂层，以增加光透射。在一些实施例中，附加的光学部件可以包括在透明盖178中或者由透明盖178支撑。这样的光学部件的示例包括透镜、反射镜、反射器、准直仪、分束器、光束组合器、分色镜、滤波器、偏振器、偏振分束器、棱镜、全内反射棱镜、光纤、光导以及均束器。
在一些实施例中，透明盖178接近LED 174的上表面175来布置。例如，在一些实施例中，LED 174的上表面175与最靠近LED 174的上表面175的透明盖178的下表面173之间的间隔178可以相对小。例如，间隔190可以从大约一微米到大约500微米(例如，最多大约500微米、最多大约400微米、最多大约300微米、最多大约250微米、最多大约150微米、最多大约100微米、最多大约50微米、最多大约25微米)。在一些实施例中，透明盖178与LED 174的上表面175的至少一部分相接触地布置。
尤其是对于客户关注于从照明器获得尽可能多的光的娱乐照明应用，有益的是，单独地优化阵列中的一个或多个(例如，全部)发光器件的尺寸以设计高效的LED系统。特别地，“白色”模式下的性能是关键的，这是由于尽管LED照明器在产生饱和颜色方面表现杰出(不像在白炽减色系统中那样由于滤波而产生光损失)，但是它们与白色未滤波的灯相比看起来较弱。对于娱乐灯，应该优化两个参数。第一，为了最佳的颜色混合，必须最小化发射孔径的总尺寸。第二，必须最小化红色裸片上的热负荷，这是由于红色裸片结温总是限制在白色模式下工作的系统输出。利用可靠性期望来设置最大可允许结温。如图13所示，本发明公开了如下方法：其优化LED系统以得到最小总裸片面积和器件结温、同时最大化光通量。该方法包括以下步骤：选择要优化系统的白点；选择白色LED的颜色小区间；计算需要多少红色、绿色、蓝色以及白色流明来实现目标优化的白点；建立每种原色的最小通量阈值以进一步限制解空间；针对每个LED确定光通量对电流密度的依赖性；针对每个LED确定裸片温度对电力的依赖性；以及通过针对每个LED优化裸片面积和裸片结温来执行对色度的优化，同时最大化光通量并最小化系统的总裸片面积。因此，根据LED电流密度表示光通量、以及根据LED电流和额定正向电压(解决裸片间的热干扰)表示裸片温度，可以根据每个LED的面积参数化色度优化并进行优化以得到最小裸片面积和红色裸片结温，同时最大化光通量。
应理解，在不背离本发明的精神或中心特性的情况下，可以以其它具体的形式来实施本发明。因此，本示例和实施例在所有方面均应被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于此处给出的细节。

Claims (66)

1.一种系统，包括：
衬底；以及
由所述衬底支撑的发光器件阵列，所述发光器件阵列被配置成使得至少一个发光器件具有与所述阵列中的其它发光器件的发射面积不同的发射面积。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阵列中的所有发光器件具有不同的发射面积。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列包括两个发光器件。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，发光器件选自包括红色发光器件、绿色发光器件、蓝色发光器件、白色发光器件以及UV发光器件的组。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列包括三个发光器件。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得所述阵列中的两个发光器件具有相等的发射面积，而所述阵列中的另一发光器件具有与所述两个发光器件的发射面积不同的发射面积。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述阵列包括发射面积彼此不同的三个发光器件。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述三个发光器件布置成具有两行两列的矩阵。
9.根据权利要求5所述的系统，其中，所述三个发光器件布置成具有一行三列的矩形矩阵。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列包括四个发光器件。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得三个发光器件具有相等的发射面积，而所述阵列中的另一发光器件具有与所述三个发光器件的发射面积不同的发射面积。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积，而其它两个发光器件具有相等的发射面积；所述两个发光器件的发射面积不同于所述其它两个发光器件的发射面积。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积，而另两个发光器件具有彼此不同的且与具有相等的发射面积的两个发光器件的发射面积不同的发射面积。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得所述阵列的四个发光器件具有彼此不同的发射面积。
15.根据权利要求10所述的系统，其中，所述四个发光器件布置成具有两行两列的矩形矩阵。
16.根据权利要求10所述的系统，其中，所述四个发光器件布置成具有一行四列的矩形矩阵。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列包括五个发光器件。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述发光器件阵列被配置成使得四个发光器件具有相等的发射面积，而所述阵列中的另一发光器件具有与所述四个发光器件的发射面积不同的发射面积。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得三个发光器件具有相等的发射面积，而其它两个发光器件具有相等的发射面积；所述三个发光器件的发射面积不同于所述其它两个发光器件的发射面积。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得三个发光器件具有相等的发射面积，而另两个发光器件具有彼此不同的且与所述三个发光器件的发射面积不同的发射面积。
21.根据权利要求17所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积，而另三个发光器件具有彼此不同的且与其它两个发光器件的发射面积不同的发射面积。
22.根据权利要求17所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积，而其它两个发光器件具有相等的发射面积；所述两个发光器件的发射面积不同于所述其它两个发光器件的发射面积。
23.根据权利要求17所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得所述阵列的五个发光器件具有彼此不同的发射面积。
24.根据权利要求17所述的系统，其中，所述五个发光器件布置成具有两行三列的矩阵。
25.根据权利要求17所述的系统，其中，所述五个发光器件布置成具有一行五列的矩形矩阵。
26.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列包括六个发光器件。
27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得五个发光器件具有相等的发射面积，而另一发光器件具有与所述五个发光器件的发射面积不同的发射面积。
28.根据权利要求26所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得四个发光器件具有相等的发射面积，而其它两个发光器件具有相等的发射面积；所述四个发光器件的发射面积不同于所述其它两个发光器件的发射面积。
29.根据权利要求26所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得四个发光器件具有相等的发射面积，而另两个发光器件具有彼此不同的且与所述四个发光器件的发射面积不同的发射面积。
30.根据权利要求26所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积，而另四个发光器件具有彼此不同的且与所述两个发光器件的发射面积不同的发射面积。
31.根据权利要求26所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得三个发光器件具有相等的发射面积，而其它三个发光器件具有相等的发射面积；所述三个器件的发射面积不同于所述其它三个器件的发射面积。
32.根据权利要求26所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得三个发光器件具有相等的发射面积，而其它三个发光器件具有彼此不同的且与具有相等的发射面积的三个发光器件的发射面积不同的发射面积。
33.根据权利要求26所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积，其它两个发光器件具有相等的发射面积，并且其它两个发光器件具有相等的发射面积；每对发光器件的发射面积彼此不同。
34.根据权利要求26所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得两个发光器件具有相等的发射面积(面积1)，而另两个发光器件具有相等的发射面积(面积2)，其中，其它两个发光器件具有不相等的发射面积(面积3和面积4)；并且发射面积1、2、3和4彼此不同。
35.根据权利要求26所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得三个发光器件具有相等的发射面积(面积1)，另两个发光器件具有相等的发射面积(面积2)，并且另一个发光器件具有与每对的发射面积不同的发射面积(面积3)；发射面积1、2和3彼此不相等。
36.根据权利要求26所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得所述阵列的六个发光器件具有彼此不同的发射面积。
37.根据权利要求26所述的系统，其中，所述六个发光器件布置成具有两行三列的矩形矩阵。
38.根据权利要求26所述的系统，其中，所述六个发光器件布置成具有一行六列的矩形矩阵。
39.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列包括2*N个发光器件，其中，N是正整数，并且所述2*N个发光器件布置成具有N行N两列的矩形矩阵。
40.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列被放置成使得所述发光器件阵列中的所有发光器件的总面积的和与由外周界定义的面积之比至少是大约0.75。
41.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列被放置成使得所述阵列中的相邻发光器件的最靠近边缘之间的间隔不大于200微米。
42.根据权利要求1所述的系统，其中，具有相等发射面积的发光器件具有不同的发光器件表面的纵横比。
43.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列包括串联电连接的多个发光器件。
44.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列包括并联电连接的多个发光器件。
45.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个发光器件具有长度至少为大约一毫米的边缘。
46.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列中的至少一个发光器件包括由光产生区域支撑的第一层，所述第一层的表面被配置成使得所述光产生区域产生的光能够经由所述第一层的表面从所述发光器件射出，所述第一层的表面具有根据图案而在空间上变化的电介质功能。
47.根据权利要求1所述的系统，其中，所述衬底是封装件的一部分。
48.根据权利要求47所述的系统，其中，所述封装件还包括散热层。
49.根据权利要求47所述的系统，其中，所述封装件安装在散热器件上。
50.根据权利要求1所述的系统，其中，所述衬底包含Al、N、Cu、C、Au或其组合。
51.根据权利要求47所述的系统，其中，所述封装安装在热电冷却器上。
52.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列中的至少一个发光器件包括发光二极管。
53.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光二极管是光子晶格发光二极管。
54.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件是表面发射激光器。
55.根据权利要求1所述的系统，其中，还包括冷却系统，所述冷却系统被配置成使得在使用期间，所述冷却系统调节所述发光二极管的温度。
56.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列被配置成使得对于具有不相等的发射面积的任意给定LED对，较小LED的发射面积与较大LED的发射面积之比在从0.07至0.96的范围内。
57.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光器件阵列包括红色LED、绿色LED、蓝色LED以及白色LED。
58.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阵列包括红色LED和绿色LED，并且所述阵列被配置成使得所述红色LED的发射面积与所述绿色LED的发射面积之比在从0.7至1.3的范围内。
59.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阵列包括蓝色LED和红色LED，并且所述阵列被配置成使得所述蓝色LED的发射面积与所述红色LED的发射面积之比在从0.15至0.75的范围内。
60.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阵列包括蓝色LED和绿色LED，并且所述阵列被配置成使得所述蓝色LED的发射面积与所述绿色LED的发射面积之比在从0.15至0.75的范围内。
61.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阵列包括蓝色LED和白色LED，并且所述阵列被配置成使得所述蓝色LED的发射面积与所述白色LED的发射面积之比在从0.3至0.9的范围内。
62.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阵列包括白色LED和红色LED，并且所述阵列被配置成使得所述白色LED的发射面积与所述红色LED的发射面积之比在从0.45至1.05的范围内。
63.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阵列包括白色LED和绿色LED，并且所述阵列被配置成使得所述白色LED的发射面积与所述绿色LED的发射面积之比在从0.45至1.05的范围内。
64.根据权利要求57所述的系统，其中，所述发光器件阵列包括发射面积等于大约12mm2的红色LED、发射面积等于大约12mm2的绿色LED、发射面积等于大约5.4mm2的蓝色LED以及发射面积等于大约9mm2的白色LED。
65.根据权利要求1所述的系统，还包括包含所述衬底和所述发光器件阵列的封装件，所述封装件具有下述层：所述层被配置成使得从发光器件射出并撞击在所述层上的光的至少大约75％穿过所述层，
其中，所述层被布置成使得所述发光器件阵列的表面与所述层的距所述发光器件阵列的表面最近的表面之间的距离为从大约五微米至大约400微米。
66.一种用于优化LED系统的方法，包括以下步骤：
选择要优化所述系统的白点；
选择白色LED的颜色小区间；
计算需要多少红色、绿色、蓝色和白色流明来实现目标优化的白点；
建立每种原色的最小通量阈值，以进一步限制解空间；
针对每个LED确定光通量对电流密度的依赖性；
针对每个LED确定裸片温度对电力的依赖性；以及
通过针对每个LED选择裸片面积和裸片结温来执行对色度的优化，同时最大化光通量且最小化所述系统的总裸片面积。
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