CN113785442B - 具有角动量光子滤光器的高亮度定向直接发射器 - Google Patents

Abstract

公开了一种纳米结构层。纳米结构层包括多个配置为第一配置纳米光子材料，使得以低于截止角入射到纳米结构层上的光穿过纳米结构层，并且以高于截止角入射到纳米结构层上的光沿入射方向反射回来。

Description

具有角动量光子滤光器的高亮度定向直接发射器

相关申请的交叉引用

本申请要求对2019年2月13日提交的欧洲专利申请19156830.2和2018年12月21日提交的美国专利申请US16/230,760的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。

背景技术

典型的发光二极管(LED)发射器通常会产生朗伯辐射发射分布图案，因此当从理想的漫射辐射器观察时，辐射与入射光方向与表面法线之间的夹角的余弦成正比。二次光学器件可用于对辐射进行整形，使其更具方向性。这种光学器件可能体积庞大，并且可能会限制LED的小外形尺寸的优势。此外，通常情况下，二次光学器件可能是有损的或根本没有针对效率进行优化，因此最终可能会吸收大部分发射的辐射。

发明内容

公开了一种纳米结构层。纳米结构层包括多个配置为第一配置的纳米结构材料，使得相对于法线以低于截止角入射到纳米结构层上的光穿过纳米结构层，并且以高于截止角入射到纳米结构层上的光沿入射方向反射回来。

附图说明

根据结合附图以示例的方式给出的以下描述，可以获得更详细的理解，在附图中:

图1A是具有纳米结构层的发光元件的示意图；

图1B是示出朗伯辐射发射与期望的辐射发射分布图案的图；

图1C是示出反射率作为角度的函数的图；

图1D为不同角度的光束示意图；

图1E是示出基于角频率的透射率的两个图；

图1F是示出基于截止角的锥角上的相对通量增益的图表；

图1G是示出透射率作为角度的函数的图表；

图1H示出了示例纳米天线；

图1I是示出基于入射角的透射率的图；

图1J是散射的透射角图；

图1K是反射角图；

图1L为多纳米结构材料阵列；

图1M是通过纳米结构层发光的流程图；

图2A是示出发光二极管(LED)器件的示意图；

图2B是示出多个LED器件的示意图；和

图3是示例应用系统的示意图。

具体实施方式

不同的光照明系统和/或发光二极管实施方式的示例将在下文中参考附图更全面地描述。这些示例不是相互排斥的，并且在一个示例中发现的特征可以与在一个或多个其他示例中发现的特征组合以实现另外的实施方式。因此，应当理解，附图中所示的示例仅用于说明的目的，并且它们不旨在以任何方式限制本公开。相同的数字始终指代相同的元件。

将理解的是，虽然术语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语可用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件并且第二元件可以被称为第一元件。如本文所用，术语“和/或”可包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

应当理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为在另一个元件“上”或“延伸到”另一个元件时，它可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另一个元件上或“直接在”另一个元件上延伸时，可以不存在中间元件。还应当理解的是，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件和/或通过一个或多个中间元件连接或耦合到另一个元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，在该元件和另一个元件之间不存在中间元件。应当理解，除了图中描绘的任何取向之外，这些术语旨在涵盖元件的不同取向。

本文中可以使用诸如“下方”、“上方”、“上部”、“下部”、“水平”或“垂直”等相对术语来描述图中所图示的一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系。应当理解，这些术语旨在涵盖除图中描绘的取向之外的器件的不同取向。

半导体发光器件或光功率发射器件，例如发射紫外(UV)或红外(IR)光功率的器件，是目前可用的最有效的光源(下文称为“LED”)。这些LED可以包括发光二极管、谐振腔发光二极管、垂直腔激光二极管、边缘发射激光器等。例如，由于其紧凑的尺寸和较低的功率要求，LED可能是许多不同应用的有吸引力的候选者。例如，它们可用作手持电池供电设备(例如照相机和手机)的光源(例如闪光灯和照相机闪光灯)。它们还可用于例如汽车照明、平视显示器(HUD)照明、园艺照明、街道照明、视频手电筒、一般照明(例如，家庭、商店、办公室和工作室照明、剧院/舞台照明和建筑照明)、增强现实(AR)照明、虚拟现实(VR)照明、作为显示器的背光和红外光谱。单个LED可以提供比白炽光源亮度更低的光，因此，多结器件或LED阵列(例如单片LED阵列、微型LED阵列等)可用于期望或需要更高亮度的应用。

公开了经由纳米结构层增加窄角度范围内的辐射的LED。所公开的实施方式可以允许控制用于垂直或侧向发射的束方向。所公开的实施方式可用于任何直接发射器应用，包括但不限于红外(IR)应用、单波长应用等。

纳米结构层可以包括纳米结构材料，例如超表面、等离子体纳米结构、超分子、光子晶体等。如本文所用，光子晶体和超表面可以是超原子和/或纳米天线的周期性布置。元原子纳米结构层可以包括元原子阵列。纳米天线纳米结构层可以包括一个或多个纳米天线。如本文所公开的，纳米结构层可以结合具有放置在LED表面(例如，蓝宝石衬底)上的纳米级光学天线的LED器件的设计。

公开了控制LED束方向的设计和优化。作为示例并且为了提供具体描述，描述了具有蓝宝石衬底的芯片级封装(CSP)LED的倒装芯片，然而本文的原理和教导可以应用于任何适用的LED设计。具有光滑光逸出表面(LES)的基于蓝宝石的CSP发射器可允许沉积纳米结构层，使得LED发射的光经由蓝宝石衬底入射到纳米结构层上。

纳米结构层可以在有限的角度范围内透射辐射。有限角度范围可以是在远场中呈现预定角度辐射图案的角度范围。作为示例，可以使用如本文所公开的纳米结构层来制造被配置为增加发光表面的法线(例如，0度，或直线)亮度的LED。如本文进一步公开的，为了增加法线的亮度，纳米结构层可以创建角滤光器，该滤光器透射低于角度截止角的角度的光，并且反射高于角度截止角的辐射。如本文进一步公开的，以低于角度截止角的角度入射的光可以透射穿过纳米结构层，并且可以重新辐射到优选的锥角(例如，+/-5度、+/-45度和+/-60度等)。

本文公开的纳米结构层可以包括以预定布置放置的纳米天线，以将发射重新辐射到优选角方向。基于优选角方向的辐射可以是与朗伯辐射发射的偏差，使得它可以由纳米结构层整形以将光重新辐射到优选的锥角中。本文公开的纳米结构层可以利用部分带隙来限制辐射的角动量范围。部分带隙可以基于纳米结构层的配置来确定，使得仅允许在特定角度范围内的辐射，例如，以法线为中心或接近掠过(高度倾斜的辐射)。

图1A图示了包括在LED器件顶部的纳米结构层110的LED器件100，该LED器件100包括外延生长的半导体层130和衬底120。外延生长的半导体层130可以包括由间隙133分隔的第一触点131和第二触点132，间隙133可以是气隙或者可以填充有介电材料。p型层134可以靠近有源层135和n型层136。有源层135可以被配置为远离触点131和132发射光，使得从有源层135发射的光束被通常向衬底120发射。知道拥有相关领域的普通技术的人将理解包括在LED内的其他元件，为了易于理解本发明，以简化形式呈现LED器件100。

外延生长的半导体层130可以由被配置为在被激发时发射光子的任何适用材料形成，包括蓝宝石、SiC、GaN、硅树脂，并且可以更具体地由III-V半导体(包括但不限于AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb)、II-VI族半导体(包括但不限于ZnS、ZnSe、CdSe、CdTe)、IV族半导体(包括但不限于Ge、Si、SiC及其混合物或合金)形成。这些示例材料在它们所在的LED的典型发射波长下可具有范围从约2.4到约4.1的折射率。

例如，可以使用氮化铝(AlN)并且氮化铝(AlN)是宽带隙(在室温下为6.01-6.05eV)材料。AlN可具有约1.9-2.2的折射率(例如，在632.8nm处为2.165)。III-氮化物半导体，例如GaN，在500nm处可以具有大约2.4的折射率，并且III-磷化物半导体，例如InGaP，可以在600nm处具有大约3.7的折射率。示例氮化镓(GaN)层可以采用pGaN层的形式。相关领域的普通技术人员将理解，GaN是发光二极管中常用的二元III/V族直接带隙半导体。GaN可以具有带有3.4eV的宽带隙的晶体结构，这使得该材料成为光电子、高功率和高频设备应用的理想选择。GaN可以掺杂有硅(Si)或氧以创建n型GaN，并且可以掺杂镁(Mg)以产生如本示例中所使用的p型GaN。有源层135是发生电致发光时发射光的区域。耦合到LED器件100的触点131和/或132可以由焊料形成，例如AuSn、AuGa、AuSi或SAC焊料。

如图1A所示，衬底120可以位于半导体层130和纳米结构层110之间。衬底可以是具有能够沉积纳米结构层110的光滑LES的CSP发射器。衬底120可以包括蓝宝石，它是一种氧化铝(A12O3)，也称为刚玉，可以表现出包括非常坚硬、坚固、易于加工平整、良好的电绝缘体和优良的热导体的特性。当与来自晶格中的杂质的天然蓝宝石中的蓝色(以及红宝石(这是刚玉的另一种形式)中的红色)合成生产时，蓝宝石通常是透明的。在其他LED中，蓝宝石可以被氮化镓(GaN)替代。半导体层130可以在发生电致发光时发光的区域中。

如图1A所示，衬底120的侧壁可以被侧壁材料140覆盖。侧壁材料140也可以覆盖一层或多层半导体层130，使得相同的侧壁材料140覆盖衬底120和半导体层130或与覆盖半导体层130的材料不同的材料可以覆盖衬底120的侧壁。侧壁材料140可以是任何适用的反射或散射材料。根据实施例，侧壁材料140可以是分布式布拉格反射器(DBR)。

如本文所公开的，为了以预定的角度辐射发射光，例如增加法线处的亮度，纳米结构层可以创建角滤光器，其透射相对于法线低于角度截止角的角度的光，并且反射高于角度截止角的辐射。反射的辐射可以反射回衬底120中，使得辐射内的辐射光束入射到侧壁材料140和/或背反射器125上，背反射器125上位于有源层135下方并且远离衬底120的面向纳米结构层110的表面。背反射器125可以是等离子体层，包括平面金属镜、分布式布拉格反射器(DBR)和/或其他已知的LED反射器。背反射器被设计成反射被反射回衬底120中的光束。背反射器125可以在光束从侧壁材料140反弹之前或之后反射光束，或者可以反射由纳米结构层110直接反射的光束。

纳米结构层110可以包括结合到光子晶体和/或超表面中的光子材料，超表面可以包括超原子和/或纳米天线，使得超原子或纳米天线的最大尺寸小于1000nm。如本文进一步公开的，纳米天线可以实施为位于纳米结构层中的纳米颗粒阵列。纳米天线可以以周期性或非周期性图案布置。类似于由原子组成的化学分子，超表面由超原子组成，超原子结合在一起并相互作用，赋予超表面独特的光学特性。单独的超表面的尺寸可以是亚波长或可以形成为与使用的波长相同的量级。

纳米结构层110还可以包括分布在整个主体电介质中的纳米天线。纳米天线的尺寸可以是波长数量级的亚波长。

纳米结构层110可以设计成具有一种配置，使得其光学特性在一个或多个波长下具有共振或可控特性，使得该配置导致发射光重新辐射到优选角方向(例如，所需的+/-5度、+/-45度和+/-60度等锥角)。结果，纳米结构层110充当光学天线并且可以将入射在纳米结构层上的光辐射通过进入自由空间，使得光满足某些发射条件。这可以通过调整纳米结构层110的结构和化学成分以同时激发纳米结构层110内的电和磁偶极子、四极子和高阶多极子来实现。偶极子和高阶多极子的同时激发可以调整纳米结构层110的发射特性以控制角辐射，使得LED器件100发射的光在给定的受限角范围内增强。

调整纳米结构层110中的光子晶体和/或超表面的配置使得能够在有限的角度范围内透射入射到衬底上的辐射。角发射图案(或方向性)的控制可以通过将发射重新辐射到优选角方向(例如，经由束弯曲)或通过限制辐射的角动量范围(例如，基于光束的入射角过滤入射光束)中的一种或两种来实现。

纳米结构层110可以包括布置成阵列的纳米天线。纳米天线可以被配置为使得它们将发射重新辐射到优选角方向。可以设计部分带隙以限制辐射的角动量范围，使得辐射仅被允许在特定范围内，例如以法线为中心或大约法线处。图1B示出了在X方向上以0为中心的角度范围并且在Y方向上的透射率。如图1B所示，与根据本文公开的主题使用纳米结构层提供的期望辐射发射分布图案121相比，示例朗伯辐射发射分布图案122具有较低但较宽的透射范围。如图所示，期望的辐射发射分布图案121示出了窄角范围内的辐射，并且在较窄的角范围内具有较高的透射值。

图1C示出了具有反射率的Y轴和入射到图1A的纳米结构层110上的光151的入射角的X轴的图。如图所示，以接近法线的角度(例如，接近于0度)入射到纳米结构层110上的光具有接近于零的反射率，使得以这种角度入射的所有光都穿过纳米结构层110，而没有任何或最少量的光被反射回衬底120中。如图1C所示，反射量可以随着入射角的增加而增加，使得Θ_C159表示截止角，其中相对于法线位于或超过截止角的所有光被反射回衬底(例如，衬底120)中。在角度Θ_TH处，入射到纳米结构层110上的光的一半可以被反射，在154处，少于一半的光可以被反射，并且在156处，超过一半的光被反射。

在图1D中通过光束111和112示出了这种现象的示例视觉表示。光束111和112可以穿过衬底120到达纳米结构层110。具有低于截止角的入射角(即，更接近法线)的光束111穿过并离开纳米结构层110，并且以高于截止角的入射角(即，更远离法线)的光束112被反射回衬底120中。如本文所公开，反射回衬底120中的光束可在衬底内和/或在背反射器上经历一次或多次反弹，使得它们可在被纳米结构层110反射到衬底120中后第二次入射到纳米结构层110上。第一次被纳米结构层110反射到衬底中的光束可能在衬底内(例如，在侧壁材料处、背反射器处等)经历一次或多次反弹并且可以在第一次之后第二次入射到纳米结构层110上。第二次光束相对于法线的入射角可能小于截止角，因此，光束可以穿过纳米结构层110。

图1M示出光束透射穿过衬底120和纳米结构层110的示例过程1400。在步骤1410，第一光束可以在穿过衬底120之后入射到纳米结构层110上。第一光束可以以高于纳米结构层110的截止角的角度入射。在步骤1420，基于与纳米结构层110的相互作用，第一光束可以相对于法线以高于截止角的角度反射回衬底120中。在步骤1430，第二光束可以通过衬底120入射到纳米结构层110上。第二光束可以相对于法线以低于纳米结构层110的截止角的角度入射。在步骤1440，基于第二光束与纳米结构层110的相互作用，第二光束可以相对于法线以低于纳米结构层110的截止角的角度入射。根据一个实施例，如本文所讨论的，第一光束可以从衬底、侧壁材料和/或背反射器的一个或多个内表面反弹并且可以以低于截止角的角度入射到纳米结构层110上。第一光束然后可以基于低于截止角的入射角发射穿过纳米结构层110。

图1E示出了对应于光入射到纳米结构层110上时的行为的图表165和160。在图表160中，W代表角频率并且K代表平面内角力矩。图表160的光线161是基于纳米结构层110的配置确定的，并且代表可以穿过纳米结构层110的光和不穿过纳米结构层110的光之间的边界。此外，将光限制为低于给定角频率W允许LED实现图1B的期望辐射发射分布图案121。如图表165所示，入射到纳米结构层110上的光的透射输出在Θ_TH以下为单位1，并且由于达到图表160所示的相应角截止Kth而在Θ_TH之后下降到零。因此，在K>Kth发射的光将穿过纳米结构层110。

图1F示出了通过Y轴表示的对于各种锥角(5度、45度和60度)以百分比表示的通量的相对增益，以及半峰全宽(FWHM)减小。如图所示，在该示例中，截止1代表10度的截止角，截止2代表20度的截止角。图1F中示出的实验结果是通过使用具有侧壁材料的AlN外延的1mm² CSP Gen 4管芯获得的。如图所示，配置为发射5度锥角的纳米结构层110的相对通量增益对于10度截止171为214％，对于20度截止172为45％。配置为发射45度锥角的纳米结构层110的相对通量增益对于10度截止173为-12％，对于20度截止174为27％。配置为发射60度锥角的纳米结构层110的相对通量增益对于10度截止175为-34％，对于20度截止176为-4％。如图所示，以更宽的锥角发射但具有窄截止的光经历较低的流量增益。同样如图1F所示，在截止点1 177处经历的FWHM为62％，而在截止点2 178处经历的FWHM为34％。

图1G示出了基于纳米结构层110的角度的透射特性，考虑用于模拟图1F中提供的结果。如图所示，182代表纳米结构层110的10度截止配置，184代表纳米结构层110的20度截止配置。如182的10度截止所表示的，直到大约10度，透射率为单位1，当20度时，透射量显著梯度下降到小于其峰值的10％，并且在35度时下降到其峰值的0％。类似地，如184的20度截止所表示的，直到大约20度，透射率为单位1，当30度时，透射量显著梯度下降到小于其峰值的10％，并且在35度时下降到其峰值的0％。

纳米结构层110中的光子晶体和/或超表面可以配置有相位的空间梯度。图1H图示了一些不同的可能纳米天线的各种横截面。纳米天线可由布置成六边形或矩形点阵的纳米圆柱体191、纳米锥体192或具有垂直或同轴调光器的纳米锥体193和195形成。晶格周期可以是亚波长或大于波长。纳米天线可能是惠更斯的超原子或支持波导模式。具有半径空间变化的惠更斯纳米结构层也可用于实现所需的光束变窄。每个光子晶体或超表面可以呈现一定量的束弯曲特性，使得可以将入射光束整形为所需的角度分布。在纳米锥体193中的纳米圆柱体垂直调光器194和纳米锥体195中的同轴调光器196的情况下，超原子或纳米天线内的干扰模式使用结构参数提供对穿过纳米结构层110发射的光的额外控制。例如，纳米天线可以被配置为建立给定截止角的布置，使得在截止角以下入射的光穿过纳米天线，并因此穿过纳米结构层，并且在截止角以上入射的光不穿过纳米结构层或被纳米结构层反射回来。替代地或另外地，纳米天线可以被配置为导致基于分布的给定锥角(例如，+/-5度、+/-45度和+/-60度等)的布置。基于截止角和锥角的分布可以确定通过纳米结构层110发射的光经历的总通量增益。

纳米天线可以形成或排列为单个纳米结构材料，使得相同的纳米天线重复多次以形成纳米结构层。替代地或另外地，纳米天线可以形成或排列为多纳米结构材料，使得纳米天线阵列重复多次以形成纳米结构层。图1L示出了示例多纳米结构材料1300。如图所示，多纳米结构材料1300包括纳米圆柱体1301和1302，使得不同的纳米圆柱体1301和1302在相互比较时具有一种或多种不同的特性。作为视觉示例，如图1L所示，纳米圆柱体1301的体积小于纳米圆柱体1302。这种多纳米结构材料可以排列成使得纳米结构层110包括多纳米结构材料1300的多次迭代。纳米结构层110的每个小的多纳米结构材料1300可以为入射在纳米结构层110上的光提供束弯曲。通过在纳米结构层110内的多纳米结构材料1300内，适当地放置具有不同束弯曲特性的多个不同的纳米圆柱体1301，入射到纳米结构层110上的光可以整形为预定的或优选的角分布。纳米结构层110内的设计和放置可由优化器选择以获得来自图1A的LED器件100的最佳可能通量。光子晶体和/或超表面的设计可以由所需的角分布决定，并且可以基于优化器来确定它们的放置，以获得在所需的角分布上的最佳透射率。

如本文所公开的，由于纳米结构层110用作光学天线，所以可以通过调整纳米结构层110中的光子晶体和/或超表面的配置来调整发射光的方向性。光子晶体和/或超表面可以被设计成提供来自LED的准直或非准直的多个波长的光发射、针对不同波长发射的光的光束形成等。为了澄清起见，从纳米结构层110发射的光束的形状由纳米结构层110中的单个光子晶体和/或元原子散射的束的干涉以及与纳米结构层110中相邻的光子晶体和/或超表面进一步相互作用来确定。

纳米结构层110中的电偶极子和磁偶极子的同时激发可能足以抑制光反向散射回到LED管芯中，从而产生大的前向散射。这样的纳米结构层110可以使用纯介电纳米颗粒构建，而不使用金属，从而减少吸收损失。

纳米结构层110中的光子晶体和/或超表面可以是纯等离子体，由金属纳米颗粒组成，或金属电介质，由金属和电介质纳米颗粒组成，或纯电介质，由电介质纳米颗粒组成，通常是高指数电介质。纳米结构层110中的光子晶体和/或超表面可以使用自上而下或自下而上的制造方法制造，并且可以利用纳米颗粒自组装来提供针对制造和可扩展性的优势。光子晶体可以制造为一维、二维或三维。一维光子晶体可以由沉积或粘在一起的层组成。二维光子晶体可以通过光刻或在合适的衬底上钻孔来制作。三维光子晶体的制造方法包括在不同角度下钻孔、将多个2D层堆叠在彼此的顶部、直接激光写入、或者例如促使球体在矩阵中自组装并溶解球体。纳米结构层110中的光子晶体和/或超表面内的超原子可以通过不同的技术保持在一起，包括但不限于分子接头、DNA等。可替代地，它们可以通过自顶向下的制造技术制造，例如纳米压印光刻、纳米球光刻等，以及使用剥离技术释放的单个元原子。纳米结构层可以用诸如二氧化硅或氧化铝之类的电介质封装以防止超原子特性随时间退化。

图1I示出了具有TiOx纳米圆柱体的纳米结构层的phi平均透射率1000对角度的曲线图，该曲线图在450nm处获得。如图所示，纳米结构层110的配置在大约35度的截止角之前实现单位一或接近单位一的透射率，并且在截止角之后不允许透射率。

图1J示出了图1I的基于TiOx纳米圆柱体的纳米结构层散射的透射角度图。角度图是在450nm处在空气背景介质中针对蓝宝石衬底上的这种纳米结构层生成的。所用六方晶格的间距为200nm，棒的高度为250nm，半径为56nm。应当注意，对于高度为150nm的硅纳米棒，在840nm处可以获得类似的结果。

图1K示出了图1I的基于TiOx纳米圆柱体的纳米结构层散射的反射角度图。角度图是在450nm处在空气背景介质中针对蓝宝石衬底上的这种纳米结构层生成的。所用六方晶格的间距为200nm，棒的高度为250nm，半径为56nm。应当注意，对于高度为150nm的硅纳米棒，在840nm处可以获得类似的结果。

再次参考图1A，侧壁材料140、背反射器125或侧壁材料140和背反射器125可以是非镜面反射纳米结构层，其设计用于进一步增强通过纳米结构层110的定向光输出。

例如，侧壁材料140可以是纳米结构层，其设计为使得以低入射角(例如，法线或接近法线)入射在它们上的光以大的斜反射角朝向纳米结构层110反射，在截止角内的入射角处入射到纳米结构层110上，以透射穿过纳米结构层。作为另一个例子，背反射器125可以是纳米结构层，其设计为使得以大斜角入射在其上的光以低反射角朝向纳米结构层110反射，在截止角内的入射角处入射在纳米结构层110上，以透射穿过纳米结构层110。刚刚描述的侧壁材料140可以与刚刚描述的背反射器125结合使用。

刚刚描述的侧壁材料140和背反射器125可以采用被设计成引导角辐射的纳米结构光子层的形式。仅作为非限制性示例，这样的纳米结构的侧反射器或背反射器可以包括光子晶体、超材料、超表面或非对称散射元件(散射元件在本文中也称为纳米天线)的亚波长光栅或由光子晶体、超材料、超表面或非对称散射元件(散射元件在本文中也称为纳米天线)的亚波长光栅组成。这种纳米结构侧反射器或背反射器的主要功能是将入射到其上的辐射从给定的角度范围反射到选定的角度范围。可选择该受限的角度范围以将尽可能多的光从LED的后表面或侧面朝向纳米结构层110定向，在截止角内的入射角处入射在纳米结构层110上，以透射穿过纳米结构层110。

这样的纳米结构背反射器或侧反射器可以包括形成或排列成单位单元的散射元件。每个单位单元可以为入射在侧反射器上的光提供束弯曲。通过适当地布置具有不同束弯曲特性的多个不同单位单元，可以将光整形为所需的角分布。

在这样的纳米结构侧反射器或背反射器中，反射束弯曲器(单位单元)可以例如以周期性二维图案或光栅排列，并且可以由包封或以其他方式包含一个或多个散射元件的背景材料形成并邻近衬底120定位。多个散射元件可以被背景材料包围。镜面反射器可以与衬底120远侧的背景材料相邻。例如，可以通过使用设计为将来自镜面反射器的反射场链接到来自散射元件的散射场的不对称散射元件来实现非对称散射。这些场之间的干扰导致光在特定方向上散射。散射元件的布置可以产生相位的空间梯度。

用于纳米结构侧反射器中的束弯曲器的周期性阵列的单位单元在尺寸上可以是矩形的并且包括一系列层，所述层包括如上所述的镜面反射器、一个或多个散射元件和背景材料。周期性可以以使用中的波长为中心，例如由LED发射的峰值波长(例如，450nm)。在单元格中，一个或多个散射元件可以邻近衬底120定位在镜面反射器远侧和/或一个或多个散射元件可以与镜面反射器接触或接近接触。

散射元件可以具有任何合适的高度和宽度并且可以由例如硅(Si)或氧化钛(TiO₂)或其组合形成。背景材料可以是低折射率材料，例如氟化镁(MgF₂)。镜面反射器(如果存在)可以例如是金属反射镜(例如金或银反射镜)、介电反射镜或布拉格反射器。

散射元件可以采用本文所述的任何散射元件的形式。例如，散射元件可以包括单个光散射器(单个偶极子)，或者包括可以类似于八木(yagi-uda)天线配置的光散射器(偶极子)的阵列。

散射元件可以设计为两个干涉惠更斯元原子。可以选择散射元件以满足第一克尔克条件，以便磁偶极子辐射和电偶极子辐射在后向抵消，产生大的前向散射，称为惠更斯元原子。散射元件可以形成为例如二维散射器(诸如光栅)或三维散射器。示例三维散射可以是纳米圆柱体。也可以采用其他几何散射器，例如包括L形散射器。

散射元件可以由例如排列成例如六边形或矩形晶格的纳米圆柱体、纳米锥体或纳米立方体形成。晶格周期可以是亚波长或大于波长。在纳米圆柱体垂直调光器和同轴调光器的情况下，超原子或纳米天线内的干扰模式使用结构参数提供对散射模式的额外控制。

散射元件还可以由光子超材料(PM)形成，也称为光学超材料，其是一种与光相互作用的电磁超材料，覆盖太赫兹(THz)、红外(IR)或可见波长。这些材料采用周期性的蜂窝结构。亚波长周期性将光子超材料与光子带隙或光子晶体结构区分开来。这些晶胞的尺度比原子大几个数量级，但比辐射波长小得多，并且是纳米级的。在超材料中，晶胞在比晶胞更大的尺度上均质的材料中扮演原子的角色，从而产生有效的介质模型。

图2A是示例实施例中的LED器件200的示意图。LED器件200可以包括一个或多个外延层202、有源层204和衬底206。在其他实施例中，LED器件可以包括波长转换器层和/或初级光学器件。如图2A所示，有源层204可以与衬底206相邻并且在被激发时发光。外延层202可以靠近有源层204和/或一个或多个中间层可以在有源层204和外延层202之间。衬底206可以靠近有源层204和/或一个或多个中间层层可以在有源层204和衬底206之间。有源层204将光发射到衬底206中。

图2B示出了包括具有像素201A、201B和201C的LED阵列210的照明系统220的截面图。LED阵列210包括像素201A、201B和201C，每个像素包括各自的衬底206B、有源层204B和外延层202B。LED阵列210中的像素201A、201B和201C可以使用阵列分割或者替代地使用拾取和放置技术形成并且可以例如以不同的峰值波长(例如红色、绿色和蓝色)发射光。在一个或多个像素201A、201B和201C之间示出的空间203可以包括气隙或者可以由诸如金属材料的材料填充，该材料可以是触点(例如，n-触点)。根据一些实施例，可以提供诸如一个或多个透镜和/或一个或多个波导的次级光学器件。

LED器件200或像素201A、201B和201C可以是单波长发射器并且可以单独供电或经由作为阵列供电。LED器件200或像素201A、201B和201C可以是照明系统的一部分，该照明系统包括一个或多个电子板、电源模块、传感器、连接和控制模块、LED附接区域等。阵列中的像素可以基于不同的通道信号供电并且它们的操作可以由微控制器确定。像素201A、201B和201C可以根据本文公开的主题制造，使得它们可以具有各自的纳米结构层210A、210B和210C。

图3示出了示例系统550，其包括应用平台560和LED系统552和556。LED系统552产生在箭头561a和561b之间示出的光束561。LED系统556可以在箭头562a和562b之间产生光束562。作为示例实施例，LED系统552和556可以是汽车的一部分并且可以发射红外(IR)光通信束，使得光束561和/或562的路径中迎面而来的车辆能够接收来自汽车的通信。在示例实施例中，系统550可以是照相机闪光灯系统的移动电话、室内住宅或商业照明、诸如街道照明的室外灯、汽车、医疗设备、AR/VR设备和机器人设备。

如本文所讨论的，应用平台560可以经由线路565或其他适用的输入经由电力总线向LED系统552和/或556提供电力。此外，应用平台560可以经由线路565提供输入信号用于LED系统552和LED系统556的操作，该输入可以基于用户输入/偏好、感测读数、预编程或自主确定的输出等。一个或多个传感器可以在应用平台560的外壳内部或外部。

在各种实施例中，应用平台560传感器和/或LED系统552和/或556传感器可以收集诸如视觉数据(例如，LIDAR数据、IR数据、经由相机收集的数据等)、音频数据、基于距离的数据、运动数据、环境数据等或其组合。可以基于由例如LED系统552和/或556发射光信号(例如IR信号)和基于发射的光信号收集数据来收集数据。数据可由与发射光信号的组件不同的组件收集，用于数据收集。继续该示例，传感设备可以位于汽车上，并且可以使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)发射束。一个或多个传感器可以感测对发射束或任何其他适用输入的响应。

尽管以上以特定组合描述了特征和元件，但本领域普通技术人员将理解，每个特征或元件可以单独使用或与其他特征和元件一起或不与其他特征和元件一起以任何组合使用。此外，本文描述的方法可以在计算机程序、软件或固件中实现，该计算机程序、软件或固件并入计算机可读介质中以供计算机或处理器执行。计算机可读介质的示例包括(通过有线或无线连接传输的)电子信号和计算机可读存储介质。计算机可读存储介质的示例包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、寄存器、高速缓存存储器、半导体存储设备、磁介质(例如内部硬盘和可移动磁盘)、磁光介质和光介质(例如CD-ROM磁盘和数字多功能磁盘(DVD))。

Claims (20)

1.一种发光器件，包括：

半导体二极管结构；

衬底，所述衬底对由半导体二极管结构发射的光是透明的，并且包括顶面、相对定位的底面以及连接顶面和底面的侧表面，所述底面设置在半导体二极管结构上或邻近半导体二极管结构；和

角滤光器，所述角滤光器设置在衬底的顶表面上或邻近衬底的顶表面，并被布置为将由半导体二极管结构发射到衬底中且以小于截止角的入射角入射到角滤光器上的光透射，并且将由半导体二极管结构发射且以大于或等于截止角的入射角入射到角滤光器上的光反射回透明衬底中，使得入射角为35度或更高的光通过角滤光器的透射率为0％。

2.根据权利要求1所述的发光器件，其中该截止角小于或等于10度。

3.根据权利要求1所述的发光器件，其中该截止角小于或等于20度。

4.根据权利要求1所述的发光器件，其中由所述半导体二极管结构发射到所述透明衬底中并以小于所述截止角的入射角入射在所述角滤光器上的光在+/-60度的锥角内透射穿过所述角滤光器。

5.根据权利要求4所述的发光器件，其中由所述半导体二极管结构发射到所述透明衬底中并以小于所述截止角的入射角入射在所述角滤光器上的光在+/-45度的锥角内透射穿过所述角滤光器。

6.根据权利要求5所述的发光器件，其中由所述半导体二极管结构发射到所述透明衬底中并以小于所述截止角的入射角入射在所述角滤光器上的光在+/-5度的锥角内透射穿过所述角滤光器。

7.根据权利要求1和4-6中任一项所述的发光器件，其中入射角为20度或更高的光通过所述角滤光器的透射率小于10％。

8.根据权利要求1和4-6中任一项所述的发光器件，其中入射角为30度或更高的光通过所述角滤光器的透射率小于10％。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的发光器件，其中所述角滤光器是一维光子晶体。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的发光器件，其中所述角滤光器是二维或三维光子晶体。

11.根据权利要求1-6中任一项所述的发光器件，包括反射纳米结构层，所述反射纳米结构层设置在所述衬底的侧表面上或邻近所述衬底的侧表面，并且被配置为将由所述半导体二极管结构发射到所述衬底中且以垂直或接近垂直入射方式入射到反射纳米结构层上的光以小于所述截止角的入射角朝向所述角滤光器反射。

12.根据权利要求11所述的发光器件，其中所述反射纳米结构层包括镜面反射器、设置在所述镜面反射器和所述衬底之间的介电层、以及设置在所述镜面反射器和所述衬底之间并且由介电层与镜面反射器间隔开的纳米天线的周期性布置。

13.根据权利要求1-6中任一项所述的发光器件，包括反射纳米结构层，所述反射纳米结构层设置在所述半导体二极管结构的底表面上或邻近所述半导体二极管结构的底表面，与透明衬底相对，所述反射纳米结构层被配置为将由所述半导体二极管结构发射且以斜角入射到反射纳米结构层上的光以小于截止角的入射角朝向所述角滤光器反射。

14.根据权利要求13所述的发光器件，其中所述反射纳米结构层包括镜面反射器、设置在所述镜面反射器和所述衬底之间的介电层、以及设置在所述镜面反射器和所述衬底之间并且由介电层与镜面反射器间隔开的纳米天线的周期性布置。

15.一种发光器件，包括：

半导体二极管结构；

衬底，所述衬底对由半导体二极管结构发射的光是透明的，并且包括顶面、相对定位的底面以及连接顶面和底面的侧表面，所述底面设置在半导体二极管结构上或邻近半导体二极管结构；和

纳米结构层，所述纳米结构层设置在衬底的顶表面上或邻近衬底的顶表面并且包括以周期性或非周期性布置设置在电介质中的多个纳米天线，使得由半导体二极管结构发射到衬底中且以一入射角入射到纳米结构层上的光的至少一部分从纳米结构层重新辐射出去。

16.根据权利要求15所述的发光器件，其中所述纳米结构层具有相位的空间梯度。

17.根据权利要求15所述的发光器件，其中所述纳米天线包括纳米圆柱体和纳米锥体中的至少一种。

18.根据权利要求16-17中任一项所述的发光器件，其中所述纳米天线以六边形或矩形晶格排列。

19.根据权利要求16-17中任一项所述的发光器件，其中设置有所述纳米天线的所述电介质是二氧化硅或氧化铝中的一种。

20.一种发光器件，包括：

半导体二极管结构；

衬底，所述衬底对由半导体二极管结构发射的光是透明的，并且包括顶面、相对定位的底面以及连接顶面和底面的侧表面，所述底面设置在半导体二极管结构上或邻近半导体二极管结构；和

角滤光器，所述角滤光器包括一维光子晶体，所述一维光子晶体设置在衬底的顶表面上或邻近衬底的顶表面，并且被布置为将由半导体二极管结构发射到衬底中且以小于截止角的入射角入射到纳米结构层上的光在+/-60度的锥角内透射，并且将由半导体二极管结构发射且以大于或等于截止角的入射角入射到纳米结构层上的光反射回透明衬底中，使得入射角为35度或更高的光通过角滤光器的透射率为0％。