CN1833468A - 发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了发光装置及其相关元件、系统和方法。

Description

发光装置

技术领域

本发明涉及一种发光装置以及相关元件、系统和方法。

背景技术

与白炽光源和/或荧光源相比，发光二极管通常可以提供较高性能的光。由于与LED相关的相对高的电力效率，导致在许多照明设施中使用LED来代替常规的光源。例如，在一些应用中，使用LED作为交通灯，用来照明蜂窝电话键盘和显示器。

一般而言，LED由多层结构形成，其中，多层结构中的至少部分层是由不同的材料形成。通常，选定用于各个层的材料和厚度决定了LED发射的光线的波长。此外，可以选择多层的化学成分，以试图避免所射入的电载子进入特定区域(一般称为量子井)，从而相当有效地将其转换为光能。通常，在量子井所生成的接合处的一侧上的多层掺杂有施主原子，从而导致高电子浓度(这类层通常称为n型层)，而在相对侧上的多层则掺杂有受主原子，导致相对高的空穴浓度(这类层通常称为p-型层)。

以下将对制作LED的一般方法进行说明注入的接触。以圆片的形式制作多个材料层。一般而言，使用一种外延淀积技术诸如金属有机物化学气相淀积(MOCVD)来形成多层，将开始淀积的层形成在生长衬底上。然后，对多层采用各种蚀刻和金属化技术以形成用于电流注入的接触，然后将所述圆片切割成一个个的LED晶片(LED chip)。通常，对所述的LED晶片进行封装。

在使用中，一般将电能注入到LED中，然后被转换成电磁辐射(光线)，部分的电磁辐射(光线)被从LED中发出。

发明内容

本发明涉及一种发光装置以及相关元件、系统和方法。

在一个实施例中，本发明的发光装置特征在于包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层。第一层包括一表面，由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述表面具有根据一图形(pattern)在空间上变化的介电函数，所述图形具有理想的晶格常数和大于零的解谐参数。

在另一个实施例中，本发明的发光装置特征在于包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层。第一层包括一表面，由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述表面具有根据一非周期图形在空间上变化的介电函数。

在又一个实施例中，本发明的发光装置特征在于包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层。第一层包括一表面，由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述表面具有根据一复杂周期图形在空间上变化的介电函数。

在一个实施例中，本发明的发光装置特征在于包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一n-掺杂材料层、一p-掺杂材料层和光产生区域。所述发光装置还包括一反射材料层，该反射材料层能够反射由光产生区域产生的、并且撞击到所述反射材料层的至少50％光线。n-掺杂材料层的表面被配置，使得由光产生区域产生的光线可以经由所述具有n-掺杂材料层的表面从所述发光装置发出。所述n-掺杂材料层的表面具有根据一图形在空间上变化的介电函数。在p-掺杂材料层和n-掺杂材料层之间的距离小于在n-掺杂材料层和反射材料层之间的距离。

在另一个实施例中，本发明的发光装置特征在于包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层。第一层包括一表面，由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述第一层的表面具有根据一图形在空间上变化的介电函数。所述发光装置还包括一反射材料层，该反射材料层能够反射由光产生区域产生的、并且撞击到所述反射材料层的至少50％光线。所述光产生区域位于反射材料层和第一层之间，所述图形不延伸超出第一层。

在又一个实施例中，本发明的发光装置特征在于包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层。第一层的表面被配置，使得由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述光产生区域还包括与第一层的表面接触的材料，该材料具有小于1.5的折射系数。对所述发生装置进行封装。

在一个实施例中，本发明的发光装置特征在于包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层。第一层的表面被配置，使得由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述第一层的表面具有根据一图形在空间上变化的介电函数。所述发光装置还包括由所述第一层的表面支承的磷材料。所述发光装置的侧面实质上不具有磷材料。

在另一个实施例中，本发明的特征在于制造圆片的方法。该方法包括在圆片的表面上淀积磷材料。该圆片包括多个发光装置。每一个发光装置包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层。第一层的表面被配置，使得由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述第一层的表面具有根据一图形在空间上变化的介电函数。

在又一个实施例中，本发明的发光装置特征在于包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层。第一层的表面被配置，使得由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述第一层的表面具有根据一图形在空间上变化的介电函数。所述发光装置还包括一磷材料，使得由发光装置产生的、从第一层的表面发出的光线与所述磷材料接触，从而使得从所述磷层发出的光线实质上为白光。发光装置的高度与其面积的比值小到足以使白光在任何方向上延伸。

在一个实施例中，本发明的发光装置特征在于包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层。第一层的表面被配置，使得由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述发光装置还包括第一薄片和第二薄片，其中第一薄片由实质上对从第一层的表面发出的光线透明的材料形成，第二薄片包括磷材料。第二薄片与第一薄片相邻。发光装置被封装，且第一薄片和第二薄片形成了发光装置的封装的一部分。

在另一个实施例中，本发明的发光装置特征在于包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层。第一层的表面被配置，使得由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述第一层的表面具有根据一图形在空间上变化的介电函数。所述图形被配置使得由所述光产生区域产生的、经第一层的表面从发光装置发出的光线的平行性比光线的拉普拉斯分布(lambertian distribution)好。

在又一个实施例中，本发明的特征在于圆片包括多个发光装置。至少一些发光装置包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层。第一层的表面被配置，使得由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述第一层的表面具有根据一图形在空间上变化的介电函数。所述图形被配置使得由所述光产生区域产生的、经第一层的表面从发光装置发出的光线的平行性比光线的拉普拉斯分布好。所述圆片在每平方厘米上有至少大约5个(例如，至少大约25个，至少大约50个)发光装置。

在一个实施例中，本发明的特征在于发光装置包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层，使得在使用发光装置期间，由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述第一层的表面具有根据一图形在空间上变化的介电函数。由光产生区域产生的、从所述发光装置发出的光线总量的至少大约45％(例如，至少大约50％，至少大约60％，至少大约70％)经发光装置的表面发出。

在一个实施例中，本发明的特征在于发光装置包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层，使得在使用发光装置时，由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述发光装置具有一边缘，该边缘长至少大约1毫米(例如，至少大约1.5毫米，至少大约2毫米，至少大约2.5毫米)。设计所述发光装置，使得它的引出效率(extraction efficiency)实质上与边缘的长度无关。

在又一个实施例中，本发明的特征在于发光装置包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层，使得在使用发光装置时，由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述发光装置具有一边缘，该边缘长至少大约1毫米(例如，至少大约1.5毫米，至少大约2毫米，至少大约2.5毫米)。设计所述发光装置，使得它的量子效率(quantun efficiency)实质上与边缘的长度无关。

在一个实施例中，本发明的特征在于发光装置包括一多重材料堆叠层。所述多重材料堆叠层包括一光产生区域和由光产生区域支承的第一层，使得在使用发光装置时，由光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出。所述发光装置具有一边缘，该边缘长至少大约1毫米(例如，至少大约1.5毫米，至少大约2毫米，至少大约2.5毫米)。设计所述发光装置，使得它的光电转换效率(wall plug efficiency)实质上与边缘的长度无关。

在另一个实施例中，本发明的特征在于制造发光装置的方法。该方法包括将反射材料层与p-掺杂材料层结合。所述发光装置包括一多重材料堆叠层，该多层包括p-掺杂材料层、光产生区域和第一层。第一层包括一表面，该表面具有根据一图形在空间上变化的介电函数。所述反射材料能够反射由光产生区域产生的、并且撞击到所述反射材料层的至少50％光线。

在又一个实施例中，本发明的特征在于制造发光装置的方法。该方法将与第一层结合的衬底剥离。第一层形成具有多重材料堆叠层的一部分，该多重材料堆叠层包括一光产生区域。该方法形成的发光装置的第一层的表面具有一介电函数，该介电函数根据一图形在空间上变化。

下面说明本发明的一个或多个优点。

所述多重材料堆叠层可以由多重半导体材料堆叠层形成。第一层可以是n-掺杂半导体材料层，多重材料堆叠层可以进一步包括p-掺杂半导体材料层。光产生区域可以在n-掺杂半导体材料层和p-掺杂半导体材料层之间。

发光装置可以进一步包括支承所述多重材料堆叠层的支承件。

发光装置进一步包括一反射材料层，所述反射材料能够反射由光产生区域产生的、并且撞击到所述反射材料层的至少50％光线。反射材料层可以位于支承件和多重材料堆叠层之间。P-掺杂半导体材料层和反射材料层之间的距离可以小于n-掺杂半导体材料层和反射材料层之间的距离。发光装置可以进一步包括位于p-掺杂材料层和反射材料层之间的p型欧姆接触。

发光装置还可包括位于第一层和光产生区域之间的电流散布层(current-spreading layer)。

多重材料堆叠层可以由半导体材料如III-V半导体材料、有机半导体材料和/或硅形成。

在一些实施例中，图形不延伸进入光产生区域中。

在一些实施例中，图形不必延伸至第一层上。

在一些实施例中，图形延伸超出第一层。

发光装置进一步包括多个电接触，用于将电流注入发光装置。所述电接触可用于将电流垂直注入发光装置。

所述图形可以部分地由从(例如)第一层的表面中的孔、第一层中的柱子、第一层中的连续纹理、第一层中非连续纹理及其组合中选出的之一形成。

在一些实施例中，所述图形可以从三角图形、方形图形和格状图形中选出。

在一些实施例中，图形可从非周期图形、准晶图形(quasicrystallinepatterns)、罗宾逊图形(Robinson pattern)和安曼图形(Amman patterns)中选出。在一些实施例中，图形是彭罗斯图形(Penrose pattern)。

在一些实施例中，图形可以从蜂窝图形、阿基米德图形中选出。在一些实施例中，图形(例如，蜂窝图形)可以有不同直径的孔。

在一些实施例中，图形部分地由在第一层的表面上的孔形成。

例如，解谐参数可以至少是理想晶格常数的1％或者最多是理想晶格常数的25％。在一些实施例中，图形可以对应于实质上任意解谐的理想图形。

可以这样配置图形，使得第一层的表面发出的光具有辐射模态的光谱，并且该辐射模态的光谱实质上与光产生区域的特征发射谱相同。

例如，发光装置可以是发光二级管、激光器或光放大器。发光装置的例子包括有机发光装置(OLED)、平面型发光LED和高亮度发光二极管(HBLED).

在一些实施例中，第一层的表面具有尺寸小于λ/5的特征，其中，λ为第一层可以发出的光线的波长。

在一些实施例中，发光装置被封装(例如，以封好的管芯的形式)。在一些实施例中，已封的发光装置可以不采用密封材料。

在一些实施例中，与第一层的表面接触的材料是气体(例如，空气)，并且此气体的压力大约小于100托(Torr)。

在一些实施例中，与第一层的表面接触的材料具有至少大约为1的折射率。

在一些实施例中，封装的LED包括一盖板(cover)。该盖板可包括磷材料。该盖板被配置使得光产生区域产生的、经由第一层的表面发出的光线可以与磷材料相互作用，使得经由第一层的表面发出并且与磷材料相互作用的光线从所述封面发出，实质上是白光。

在某一些实施例中，发光装置进一步包括第一薄片和第二薄片。第一薄片具有实质上对从发光装置发出的光线透明的材料，第二薄片包括磷材料。第二薄片可以与第一薄片相邻，在第一薄片和第一层的表面之间可以有折射率大约小于1.5的材料。第一和第二薄片被配置使得光产生区域产生的、经由第一层的表面发出的光线可以与磷材料相互作用，使得经由第一层的表面发出并且与磷材料相互作用的光线从所述第二薄片发出，实质上是白光。

磷材料可以放置在第一层的表面上。

制造圆片的方法包括放置磷材料以形成厚度的变化大约小于20％的一层。所述方法可以包括平坦化所述磷材料层，使得磷材料层的厚度变化大约小于20％。所述方法还包括在第一层的表面上放置磷材料之后平坦化所述磷材料。所述磷材料可以被(例如)旋涂在圆片的表面上。所述方法包括从圆片中形成多个发光装置，并且将至少一部分发光装置相互分离开。

在一些实施例中，当由光产生区域产生的光线经由第一层的表面从发光装置发出时，从第一层的表面发出的光线的至少大约40％以与第一层的表面的法线成最多大约30度角发出。

在某些实施例中，发光装置的填充因子为至少大约10％和/或者最多大约75％。

制造发光装置的方法进一步包括在将反射材料层和p-掺杂材料层结合之前，将第一层和衬底结合，多重材料堆叠层位于衬底和反射材料层之间。所述方法还包括在第一层和衬底之间形成结合层。所述方法也包括去除所述衬底。所述方法进一步包括在去除所述衬底之后的研磨和抛光步骤。在将反射材料层和第一层结合之后，去除所述衬底。去除所述衬底包括对位于第一层和所述衬底之间的结合层进行加热。对结合层进行加热可以分解至少部分结合层。对结合层加热可以包括将结合层曝光于由激光器发出的辐射下。去除衬底可以包括激光器掀去过程对衬底进行曝光。去除衬底导致第一层的表面变得实质上是平坦的。所述方法进一步包括在形成第一层的表面中的图形之前，在第一衬底被去除之后对第一层的表面进行平坦化。对第一层的表面平坦化包括对第一层的表面进行化学机械抛光。对第一层的表面进行平坦化可以减少第一层的表面的粗糙度到大约大于λ/5，其中λ是可以由第一层发出的光线的波长。形成所述图形可以包括使用纳米微影。所述方法还可以包括将衬底置于反射材料层上。所述方法可以进一步包括将电流分布层置于第一层和光产生区域之间。

各个实施例反映了本发明的下述优点。

在某些实施例中，LED和/或相对大的LED晶片可发出相对地高光引出量。

在一些实施例中，LED和/或相对大的LED晶片可以发出相对高平面亮度、相对高平均表面亮度、相对低的散热需求或相对高的散热率、相对低的音域(etendue)和/或相对高功率效率。

在某些实施例中，LED和/或相对大的LED晶片被设计使得由LED/LED晶片发出的相对少量光线被封装吸收。

在一些实施例中，可以不使用封装材料制作封装的LED(例如，相对大的封装的LED)。这可以使得封装的LED避免与采用某些封装材料相关的问题(如降低的性能和/或作为时间的函数的不一致性能)，从而提供了在相当长的时间中具有相对好的和/或可靠性能。

在某些实施例中，LED(例如，可以是相对大的封装LED的封装LED)可以包括相对均匀旋涂的磷材料。

在一些实施例中，LED(例如，可以是相对大的封装LED的封装LED)可以被设计从而在特定的角度范围内(例如，在相对于LED表面法向的特定角度范围内)提供希望的光线输出。

在一些实施例中，可以用相对便宜的工艺制作LED和/或相对大的LED晶片。

在某些实施例中，LED和/或相对大的LED可以在不增加成本之下、经由工业规模的方式制作，并且不会造成经济上不可行。

本方面的优点在说明书、附图以及权利要求书中记载。

附图说明

图1是具有图形表面的LED的侧视图。

图2是根据图1的LED的图形表面的顶视图。

图3是具有图形表面的LED的引出效率图，其中图形表面是解谐参数的函数。

图4是LED的图形表面的付立叶变换的示意图。

图5是具有图形表面的LED的引出效率，其中，图形表面是最近距离的函数。

图6是具有图形表面的LED的引出效率，其中，图形表面是填充因子的函数。

图7是LED的图形表面的顶视图。

图8是具有不同的表面图形的LED的引出效率。

图9是具有不同的表面图形的LED的引出效率。

图10是具有不同的表面图形的LED的引出效率。

图11是具有不同的表面图形的LED的引出效率。

图12是具有与LED的辐射光谱相比不同的图形表面的两个LED的富立叶变换的示意图。

图13是具有作为角度的函数的不同表面图形的LED的引出效率的图形。

图14是具有图形表面和在图形表面上的磷材料的LED的侧视图。

图15是具有图形表面的LED的外延层前体(precursor)的侧视图。

图16是具有图形表面的LED的外延层前体的侧视图。

图17是具有图形表面的LED的外延层前体的侧视图。

图18是具有图形表面的LED的外延层前体的侧视图。

图19是具有图形表面的LED的外延层前体的侧视图。

在各个附图中相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

图1示出呈封装管芯形式的LED的侧视图。LED100包括置于载具之上的多重材料堆叠层122。多重材料堆叠层122包括320纳米厚的硅掺杂(n-掺杂)GaN层134，在硅掺杂(n-掺杂)GaN层134的上表面110形成了多个开口150的图形。多重材料堆叠层122也包括结合层124、100内米厚的银层126、40内米厚的镁掺杂(p-掺杂)GaN层128、由多个InGaN/GaN量子阱形成的120纳米厚的光产生区域130、和AlGaN层132。N-侧接触垫置于层134上，p-侧接触层138置于层126上。封装材料(具有1.5折射率的环氧树脂)位于层134和盖板滑片(cover slip)140以及支撑件142之间。层144没有延伸进入开口150。

LED如下产生光线。P-侧接触垫138相对n-侧接触垫136出于正电位，导致电流注入LED100中。当电流经过光产生区域130中时，来自n-掺杂层134的电子与来自p-掺杂层128的空穴便在区域130结合，使得光产生区域130产生光线。光产生区域130包括在光产生区域发出光线(例如，各向同性)的多个偶极点辐射源，所述光线具有形成光产生区域130的材料的波长的光谱特征。在InGaN/GaN量子阱的作用下，由区域130产生的光线的波长的光谱可以具有大约445纳米的尖峰波长和大约30内米的一半最大全宽(FWHM)。

注意，在p-掺杂层126中的载荷子与n-掺杂半导体层134中的载荷子相比具有相对低的移动性。因此，沿p-掺杂层128的表面放置银层126(其是导电的)可以提高由接触垫138注入p-掺杂层128和光产生区域130中的电荷均匀性。这还可以降低设备100的电阻和/或增加设备100的注入效率。由于n-掺杂层134相对较高的电荷移动性，电子可以相对快地从n-侧接触垫136扩散通过层132和134，从而在光产生区域130中的电流浓度实质上均匀通过区域130。还要注意，银层126具有相对高的热导电性，允许层126作为LED100的热源(将热从多重材料堆叠层122垂直传递到载具120)。

由区域130产生的至少一部分光线可被引导至银层126。该光线可以被层126反射并且经表面110从LED100发出，或者可以由层126反射然后在LED100的半导体材料中吸收，从而形成可以在区域130中组合导致区域130产生光线的电子-空穴对。类似地，由区域130产生至少一部分光线被引导至垫136。垫136的下侧由可以反射光产生区域130产生的至少一部分光线的材料(例如，Ti/Al/Ni/Au合金)形成。因此，被引导至垫136的光线可以被垫136反射然后在经表面110从LED100中发出(例如，被从银层126中反射)，或者所述被引导至垫136的光线可以被垫136反射，然后在LED100的半导体材料中吸收，从而产生可以在区域130中组合导致区域130产生光线(例如，由或者不由银层126反射)的电子-空穴对。

如图1和2所示，LED100的表面110是不平坦的，但是由修正的三角形图形的开口150形成。总之，可以为开口150的深度选择不同的值，开口150的直径以及最相邻开口150之间最近的距离可以变化。除非采用其他方式加以注解，否则采用数值计算对各个图进行说明：开口150具有等于大约280纳米的深度146，大约160纳米的非零直径，最相邻开口之间的距离大约为220纳米，和等于1.0的折射率。对三角形图形进行解谐处理，从而图形150中最相邻之间具有值为(a-Δa)到(a+Δa)之间的中心距离，其中“a”为理想三角图形的晶格常数，“Δa”为具有长度尺度的解谐参数，所述解谐可以在任意方向上发生。为了提高从LED100发出的光线引出量(参见下述说明)，解谐参数Δa通常为理想晶格常数a的至少大约1％(例如，至少大约2％，至少大约3％，至少大约4％，至少大约5％)，并且最多大约为理想晶格常数a的25％(例如，最多大约为20％，最多大约为15％，最多大约为10％)。在一些实施例中，最相邻的间隔在(a-Δa)到(a+Δa)之间的任意值，从而图形150实质上可以被任意解谐。

对于带有开口150的修正三角形图形，已经发现非零解谐参数提高了LED100的取出能效。对于上述的LED100，当解谐参数Δa从零增加到大约0.15a，在LED100中的电磁场的数学模型(在下文中介绍)示出了装置的引出效率从大约0.60则加到大约0.70，如图3所示。

图3中的引出效率通过使用三维有限差分时域(FDTD)方法来计算以为LED100内或者外的光线估计马克士威方程的解例如，参见K.S.Kunz and R.J.Luebbers，The Finite-Difference Time-DomainMethods(CRC，Boca Raton，FL，1993)、A.Taflove，ComputationalElectrodynamics：The Finite-Difference Time-Domain Method(ArtechHouse，London，1995)，这些文献通过引用结合到本发明中来。为了呈现具有特定图形150的LED100的光学性，在FDTD计算中的输入参数包括中心频率和在光产生区域130中的偶极点辐射源发出的光线的带宽，在多重堆叠材料层122中的各层的尺寸和介电特性，和直径，深度，以及图形150中的开口之间的最相邻的距离(NND)。

在某些实施例中，使用FDTD方法如下计算LED100的引出效率数据。使用FDTD来解决全向量基于时间的马克士威方程：

$\stackrel{\→}{\▿}\×\stackrel{\→}{E}=-\mathrm{\μ}\frac{\∂\stackrel{\→}{H}}{\∂t},\stackrel{\→}{\▿}\×\stackrel{\→}{H}={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}\frac{\∂\stackrel{\→}{E}}{\∂t}+\frac{\∂\stackrel{\→}{P}}{\∂t},$

其中，极性化 $\stackrel{\→}{P}={\stackrel{\→}{P}}_1+{\stackrel{\→}{P}}_2+...+{\stackrel{\→}{P}}_m$ 捕捉光产生区域130的量子阱、p-接触层126和LED100中的其他层的依赖于频率的响应。项是对材料的整体极性化有不同贡献的经验导出值(例如，束缚电子振荡的极性化响应，自由电子振荡的极性化响应)。特别地，

$\frac{d^2{\stackrel{\→}{P}}_m}{{\mathrm{dt}}^2}+{\mathrm{\γ}}_m\frac{d{\stackrel{\→}{P}}_m}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_m^2{\stackrel{\→}{P}}_m=\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)\stackrel{\→}{E},$

其中，极性化对应于一介电常数

$\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}+\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\frac{s_m}{{\mathrm{\ω}}_m^2-{\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{i\γ}}_m\mathrm{\ω}}$

为了方便数值计算，仅考虑了封装材料144、银层126和位于封装材料144和银层126之间的各层。该近似估计基于假设封装材料144和层126足够厚，使得周围层不影响LED100的光学性能。假设具有依赖频率的介电常数的LED100中的相关结构是银层126和光产生区域130。假设LED100中的其他相关层没有依赖频率的介电常数。注意，在LED100包括位于封装材料144和银层126之间的附加金属层的实施例中，每一个附加金属层将具有依赖频率的介电常数。还须注意，银层(和LED100中的任何其他层)具有用于束缚电子和自由电子的依赖频率的项，而光产生区域具有用于束缚电子的依赖频率的项，但不具有用于自由电子的依赖频率的项。在某些实施例中，当模型化介电常数的频率依赖性时，可以包括其他的项。例如，这样的项可包括电声子相互作用、原子极化、离子极化和/或分子极化。

通过结合在光产生区域130中任意放置的恒定电流的偶极源，模型化光产生区域130的量子阱发出的光线，光谱宽度的各发射短高斯脉冲等于实际量子阱的高斯脉冲，每一个具有任意初始相位、开始时间。

为了处理LED100的表面110的开口150的图形，使用侧向中的较大的超级单元(supercell)以及周期性边界条件。这可以有助于模拟较大(例如，在边沿上大于0.01毫米)装置尺寸。在所有偶极源已经发出他们的能量之后，直到系统中没有能量，实时解出全演化方程。在该仿真中，发出的总能量、经由上表面110的能量流、以及由量子阱与n-掺杂层吸收的能量被监视。通过在时域和空间上的付立叶变换，获得引出流的频率和角度解析数据，因此，可以计算频率解析引出效率。通过将发出的总能量与光产生区域130的实验已知发光进行匹配，获得对于给定的输入的单位亮度、单位晶片区域的绝对角度解析引出。

可以确信的是，由于开口150建立了根据图形150而在层134中空间上变化的介电函数，变化解谐图形150可以提高经由表面110丛LED100发出的、在光产生区域130中产生的光线的效率，这并不等同于理论结果。还可以确信，上述结果改变了在LED100的辐射模态(例如，从表面110发出光的光模态)和导引模态(例如，限制于多重堆叠层122中的光模态)的浓度。并且这种对LED100的辐射模态和导引模态的浓度的改变导致一些光被散射(例如，布拉格散射)射入可以泄漏到辐射模态的模态中，所述一些光线在没有图形150的情况下被发射到导引模态中。在某些实施例中，确信图形150(例如，上述的图形，或者一个上述的图形)可以消除LED100中的所有导引模态。

可以确信，通过考虑具有点散射部位的晶体的布拉格散射，可以理解晶格的解谐效应。对于在以距离d相互间隔的晶格平面中的完美的晶格，波长为λ的单色光根据布拉格条件n^λ＝2dsinθ而采用一角度θ进行散射，其中n是表示散射的阶数的整数。然而，对于具有光谱带宽Δλ/λ、并且以立体角度ΔΘ射入源而言，通过解谐晶格部位之间的间隔，可以将布拉格条件放宽一解谐参数Δa。对晶格的解谐提高了在光谱带宽和源的空间发射分布上的图形的散射有效性和接受角度。

虽然已经介绍了具有非零解谐参数Δa的修正三角图形150可以增加从LED100的光线引出量，还可以使用其他的图形来增加从LED100的光线引出量。当确定给定图形是否增加从LED100的光线引出量和/或何种开口图形可以用来增加从LED100的光线引出量时，在进行数值计算前，首先使用物理图像(physical insight)来近似估计可以增加光线引出量的基本图形。

通过考虑根据图形150而在空间上变化的的介电常数的付立叶变换，LED100的取出效率可以进一步被理解(例如，在弱散射条件中)。图4说明了对理想三角形晶格的付立叶变换。沿着平面内波向量k的特定方向进入的光线的引出与沿着平面内波向量k’(即，平行于图形150)进入所有辐射模态的发射源S_k’有相互的关连，其中，平面内波向量k可由平面内波向量k’加上或减去倒晶格向量G得到，即k＝k’±G。引出效率正比于介电函数εG的相应付立叶分量(F_k)的幅度，由下式给出

$F_{\stackrel{\→}{k}}=c_{\stackrel{\→}{k}}\underset{\stackrel{\→}{G}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ϵ}}_{\stackrel{\→}{G}}{S}_{\stackrel{\→}{k}-\stackrel{\→}{G}},{\mathrm{\ϵ}}_{\stackrel{\→}{G}}=\∫\mathrm{\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)e^{-i\stackrel{\→}{G}\stackrel{\→}{r}}d\stackrel{\→}{r}$

由于光在材料中的传播通常满足方程k²(平面内)+k²(法向)＝ε(ω/c)²，所考虑的最大G被光产生区域发射的频率(ω)和光产生区域的介电常数所固定。如图4所示，定义了通常被称为光能阶(light line)的倒晶格空间的环。由于光产生区域130的有限带宽，所述光能阶为环状结构，但是为了便于说明，在此以单色光源的光能阶进行说明。类似地，在封装材料内的光传播也受到光能阶(图4中的内环)的限制。因此，通过增加在该封装材料光能阶中所有方向k的Fk和增加封装材料光能阶上的G点的散射强度ε_G，引出效率可以提高，其中，封装材料层中的光能阶等于封装材料层中的G点的增量总和。当选择可以提高取出效率的图形时可以使用该物理图像。

例如，图5示出了增加理想三角图形的晶格常数的效应。图5中的数据是使用图1中示出的LED100的给定参数计算得来的，但是不包括具有450纳米的尖峰波长的射出光线，与最近相邻距离“a”分别为1.27a、0.72a、1.27a+40nm时的开孔的深度、开孔的直径、和n-掺杂层134的厚度。增加晶格常数则增建了封装材料的光能阶的G点的浓度。观察到具有NND的引出效率的清楚趋势。可以确信，对于NND的最大引出效率近似等于真空中的光波长。获得最大引出效率的原因在于：当NND变得大于光波长时，由于材料变得更加均匀，降低了散射效应。

例如，图6示出了增加孔尺寸或填充因子的效应。三角形图形的填充因子由(2π/√3)*(r/a)²给出，其中，r是孔的半径。图6中的数据是使用用于图1的LED100的给定参数计算出来的，这些参数不包括根据x轴上的给定填充因子变化的开口直径。当散射强度(ε_G)增加时，引出效率随着填充因子而增加。当填充因子为～48％时，则此特定系统具有最大值。在某些实施例中，LED100具有至少大约10％(例如，至少大约15％，至少大约20％)和/或最多大约90％(例如，最多大约80％，最多大约70％，最多大约60％)的填充因子。

虽然上述介绍的修正三角形图形中解谐参数与在理想三角形晶格的位置的图形开口的定位相关，通过修正理想三角形图形中的孔同时保持理想三角形图形的位置的中心，也可以获得修正的(解谐)三角形图形。图7示出了这种图形的一个实施例。光线引出量的增加，用于执行相应的数值计算和对于具有图7所示图形的发光装置的增加的光线引出量的物理解释而言的方法与上述方法相同。在一些实施例中，修正的(解谐)图形可以具有置于距离理想位置的开口和在理想位置但是具有不同直径的开口。

在另外一些实施例中，通过使用不同的图形，包括(例如)复杂周期图形和非周期图形，可以获得从发光装置的增加的光线引出量。在此，复杂周期图形是这样一种图形，其以周期性方式进行重复的每一个单元体(unit cell)具有一个以上的特征。例如，复杂周期性图形包括蜂窝图形，蜂窝基底图形，(2×2)基底图形，环形图形和阿基米德图形。如下所述，在一些实施例中，复杂周期图形可以具有带有一直径的一些开口和带有更小直径的其它开口。在此，非周期图形是这样的图形，在具有为区域130产生的光线的尖峰波长的至少50倍的长度的单元体上不具有平移对称性。非周期图形的例子包括非周期图形、准晶图形、罗宾逊图形和安曼图形。

图8示出了对LED100、两种不同复杂周期图形的数值计算，其中图形中的某些开口具有特定直径，图形中的另一些开口具有较小直径。图8中示出的数值计算示出具有较小孔(dR)的直径从0变化到95纳米的取出效率(具有80纳米直径的较大孔)的性能。图6中示出的数据是使用用于图1的LED100的给定参数来计算出来的，所述给定参数不包括根据图形的X轴上的给定的填充因子值而变化的开口的直径。不受理论的束缚，多种孔尺寸允许从图形中的多重周期性进行散射，从而增加了图形的接受角度和光谱效率。光引出量的提高，用于进行相应数值计算的方法，和对于具有图8的图形的发光装置的提高的引出效率的物理解释都与上述的介绍相同。

图9示出具有不同环形图形(复杂周期图形)的LED100的数值计算。环绕中心孔的第一环形中的开孔数目对于不同的环形图形是不同的(6，8或者10)。图9中示出的数据是使用图1中的LED100的给定参数计算出来的，所述给定参数不包括具有450纳米的尖峰波长的发射光。图9中的数值计算表明每单元体的图形数量从2到4时的LED100的引出效率，其中环形图形以重复方式通过单元体。光线引出量的增加，用于执行相应数值计算的方法，和对具有图9所示的图形的发光装置的增加的光线引出率的物理解释与上述介绍相同。

图10示出具有阿基米德图形的LED100的数值计算。阿基米德图形A7是由具有7个相同间隔的孔的六边形单元体230构成，其中相互之间的最相邻距离为a。在单元体230内，6个孔按照正六边形的形状进行排列，第七个开孔位于六边形的中心。然后，六边形单元体230将这些孔以中心距离为 $a^{\′}=a*(1+\sqrt{3}),$ 且沿着边沿共同构成LED的整个表面。这就是所说的A7填充，因为7个孔组成了一个单元体。类似地，阿基米德A19由19个相同间隔的、具有最相邻的距离a的孔组成。这些孔以具有7个孔的内六边形、12个孔的外六边形和中心孔在内六边形的中心的形式排列。然后，将这些孔以中心距离为 $a^{\′}=a*(3+\sqrt{3}),$ 且沿着边沿共同构成LED的整个表面。光线引出量的增加，用于执行相应数值计算的方法，和对具有图10所示的图形的发光装置的增加的光线引出率的物理解释与上述介绍相同。如图10所示，A7和A19的引出效率大约为77％。图10所示的数据是使用图1所示的LED100的给定参数计算出来的，但是所述给定参数不包括具有450纳米的尖峰波长的发射光线和NND被定义为在各个单元体内的开口之间的距离。

图11示出了具有准晶图形的LED100的数值计算。准晶图形在(例如)M.Senechal，Quasicrystals and Geometry(Cambridge UniversityPress，Cambridge，England 1996)进行了介绍，在此通过引用结合进来。该数值计算说明了当基于8重准周期结构变化时引出效率的性能。可以确信，由于准晶结构允许高的平面内轴向对称性，准晶图形呈现出高的引出效率。光线引出量的增加，用于执行相应数值计算的方法，和对具有图11所示的图形的发光装置的增加的光线引出率的物理解释与上述介绍相同。图11的FDTD计算的结果表明准晶图形的引出效率达到大约82％。图11所示的数据是使用图1所示的LED100的给定参数计算出来的，但是所述给定参数不包括具有450纳米的尖峰波长的发射光线和NND被定义为在各个单元体内的开口之间的距离。

虽然在此介绍一些图形的实例，应当理解如果其他图形满足上述的基本原则，也是可以提高LED100的引出效率的。例如，可以确信增加对准晶或者复杂周期结构的解谐可以增加引出效率。

在一些实施例中，由LED100发出的、且由光产生区域130产生的光线的总量的至少大约45％(例如，至少大约50％，至少大约55％，至少大约60％，至少大约70％，至少大约80％，至少大约90％，至少大约95％)经表面110发出。

在某些实施例中，LED100的截面积可以相对地大，仍然可以呈现LED100的有效光引出效率。例如，LED100的一个或多个边沿可以是至少大约1毫米(例如，至少大约1.5毫米，至少大约2毫米，至少大约2.5毫米，至少大约3毫米)，且由LED100发出的、且由光产生区域130产生的光线的总量至少大约45％(例如，至少大约50％，至少大约55％，至少大约60％，至少大约70％，至少大约80％，至少大约90％，至少大约95％)经表面110发出。这允许LED具有相对大的截面积(例如，为至少大约1毫米×至少大约1毫米)，同时呈现良好的功率转换效率。

在一些实施例中，具有LED100设计的LED的引出效率实质上与LED边沿的长度无关。例如，具有LED100的设计和具有大约0.25毫米的长度的一个或多个边沿的引出效率与具有LED100的设计和具有1毫米的长度的一个或多个边沿的引出效率的差别可以小于大约10％(例如，小于大约8％，小于大约5，小于大约3％)。在此，LED的引出效率是LED所发出的光线与该装置发出的光线总量(可以根据光子的能量来测量出来)的比率。这允许LED具有相对大的截面(例如，至少大约1毫米×至少大约1毫米)，而仍然呈现好的性能。

在一些实施例中，具有LED100设计的LED的量子效率实质上与LED边沿的长度无关。例如，具有LED100的设计和具有大约0.25毫米的长度的一个或多个边沿的量子效率与具有LED100的设计和具有1毫米的长度的一个或多个边沿的量子效率的差别可以小于大约10％(例如，小于大约8％，小于大约5，小于大约3％)。在此，LED的量子效率是LED产生的光子数量与在LED中发生的电子-空穴重组合的数目的比率。这允许LED具有相对大的截面(例如，至少大约1毫米×至少大约1毫米)，而仍然呈现好的性能。

在一些实施例中，具有LED100的设计的LED的电光转换效率(wall plug efficiency)实质上与LED的边沿无关。例如，具有LED100的设计和具有大约0.25毫米的长度的一个或多个边沿的光电转换效率与具有LED100的设计和具有1毫米的长度的一个或多个边沿的光电转换效率的差别可以小于大约10％(例如，小于大约8％，小于大约5，小于大约3％)。在此，LED的光电转换效率是：LED的注入效率(注入装置的载子的数目和在发光装置的光产生区域中重组合的载子数目的比率)，LED的辐射效率(导致辐射的电子-空穴重组合与电子-空穴重组合的总数目的比率)，和LED的引出效率(来自LED的光子数目与产生的光子总数目的比率)的乘积。这允许LED具有相对大的截面(例如，至少大约1毫米×至少大约1毫米)，而仍然呈现好的性能。

在一些实施例中，操控由LED100经表面110发出的光线的角度分布将是理想的。为了增加进入给定立体角度(given solid angle)(例如，进入围绕在表面110的法线方向的一立体角度)的引出效率，检查根据图形150(如上所述)进行空间上变化的介电函数的付立叶变换。图12示出了具有不同晶格常数的两个理想三角形晶格的付立叶变换结构。为了提高引出效率，我们寻求增加封装材料光能阶中的G点的数目和材料光能阶中的G点的散射强度(ε_G)。这意味着增加NND从而获得图5描述的效果。然而，在此关心的是进入以法线方向为中心的立体角度的引出效率。因此，通过减少封装材料光能阶的半径，限制了高阶G点的引入，这样G的幅度大于(ω(n_e))/c。由此可知，通过减少封装材料的折射率(最低需求是将所有封装材料移除)，可以允许较大的NND，因而增加了在材料光能阶中的G点的数目，该材料光能阶可有助于在法线方向(F_k＝0)上的引出，同时避免封装材料中的成为高阶(倾斜角度)的衍射。图13示出了上述的介绍，其示出了进入立体角度(由图中的集合半角给出)的引出效率。图13中的数据是使用图1的LED100的给定参数计算出来的，这些给定参数不包括：具有530纳米的尖峰波长和34纳米的带宽的射出光，1.0的封装材料的折射率，160纳米的p-掺杂层的厚度，30纳米粗的光产生层，图13所示的三条曲线的NND(a)，和分别为a，1.27a，0.72a、1.27a+40nm时的深度、孔直径和n-掺杂层厚度。当晶格常数增加时，在狭窄角度的引出效率以及进入所有角度的引出效率也增加。然而，对于较大的晶格常数，即使进入所有角度的整个引出效率增加，进入封装材料中的较高阶模式的衍射限制了在狭窄角度的引出效率。对于460纳米的晶格常数，计算得出进入集合半角的引出效率大于25％。即，仅在大约13.4％的立体角度的上半球中的大约一半的引出光线被收集，呈现出图形的瞄准效应(collimation effect)。可以确信，任何可以增加材料光能阶的G点的数目、同时限制封装材料光能阶中的G点的数目为k＝0时的G点的图形可以改善进入以法线方向为中心的立体角度的引出效率。

上述方法尤其有用于降低通常正比于n²的源音域，其中n表示周围材料(例如，封装材料)的折射率。因此，可以确信降低LED 100的封装材料层的折射率可以造成更多的平行发射、较少的源音域和较高的表面亮度(在此定义为引入源音域的总亮度)。在一些实施例中，使用空气的封装材料可以降低源音域，同时增加进入以法线方向为中心的给定的收集角度的引出效率。

在一些实施例中，当区域130产生的光线经表面110从LED100发出时，光线的分布的平行性比拉普拉斯分布更加好。例如，在一些实施例中，当区域130产生的光线经表面110从LED100发出时，经介电层的表面发出的光线的至少大约40％(例如，至少大约50％，至少大约70％，至少大约90％)以与表面110法向成最多大约30度(例如，至多大约25度，至多大约20度，至多大约15度)的角度发出。

在期望的角度下引出相对高比例的光线的能力，或者相对高光线引出率可以允许在给定的圆片上制作相对高密度的LED。例如，在一些实施例中，在每平方厘米的圆片上具有至少大约5个LED(例如，至少大约25个LED，至少大约50个LED)。

在一些实施例中，希望修正相对于光产生区域130产生的光线的波长的自封装LED100发出的光线的波长。例如，如图14所示，LED300具有包含磷材料的层180，该层可以被放置在表面110。所述磷材料可以与由区域130产生的波长的光线相互作用，以提供希望波长的光线。在一些实施例中，期望从LED100发出的光线实质上为白光。在这些实施例中，层180中的磷材料可以由(例如)(Y，Gd)(Al，Ga)G:Ce3+或钇铝石榴石(“YAG”(yttrium，aluminum，garent))构成。当由光产生区域130发出的蓝光所激发时，层180中的磷材料可以被激活并且发出具有以黄色光波长为中心的宽频谱的光线(例如，各向同性)。对经由LED 100所发出的总光谱的观测器可以看到黄光磷材料宽发射光谱、蓝光InGaN窄发射光谱，并且通常混合两种光谱为看到白光。

在一些实施例中，层180实质上可以均匀地放置在表面110上。例如，图形150的顶部151和层180的顶部181之间的距离在表面110上的变化小于大约20％(例如，小于大约10％，小于大约5％，小于大约2％)。

总之，相对于LED 100的表面130的截面尺寸，层180的厚度是小的，所述截面尺寸通常大约为1毫米×1毫米。由于层180是均匀地淀积在表面110上，层180中的磷材料实质上可由经表面110发出的光线所泵送(pumped)。磷层180与LED 100的表面110的尺寸相比相对的薄，使得光产生区域130发出的光线在近似均匀地在LED100的整个表面110上的磷层180中被转换成较低波长的光线。因此，相对薄的、均匀的磷层180产生从LED100发射出的均匀光谱的白光，其为表面110的位置的函数。

总之，可以根据需要制作LED 100。通常，LED 100的制作涉及各个淀积、激光处理、微影和蚀刻步骤。

参见图15，包含淀积在蓝宝石衬底502上的LED材料堆叠层的LED圆片500已经可以使用并且可以从供应商处购买得到。在蓝宝石衬底502上依序设置了缓冲层504、n-掺杂Si:GaN层506、提供了电流扩散层180的AlGaN/GaN异质结或者超晶格、InGan/GaN多量子阱光产生区域510、p-掺杂Mg:GaN层512。市面上供应的LED圆片直径大约为2-3英寸，并且在处理圆片之后，可以切割圆片得到多个LED管芯从而形成各个装置。在切割圆片之前，多个圆片批量处理步骤被用来将p-掺杂层128定位在光产生区域130的相同侧，作为映像层126。

参见图16，相对薄的镍层520被淀积(例如使用电子束蒸发)在p-掺杂层512上以形成p-型欧姆接触。银层522被淀积(例如，使用电子束蒸发)在镍层520上。相对厚的镍层524被淀积在银层522上(例如，使用电子束蒸发)。层524可以作为扩散阻挡层，以减少杂质扩散进入银层522。金层526被淀积在镍层524上(例如，使用电阻蒸发)。然后在氮气、氢气、空气或者成型气体之中、以400-600摄氏度之间、对LED圆片500进行退火处理30到300秒，以得到欧姆接触。

参见图17，通过在p-掺杂硅圆片602上连续淀积(例如，使用电子束蒸发)铝接触层604来制造载具圆片600。金层608被淀积(例如，使用热蒸发)在层604上，AuSn结合层610被淀积(例如，使用热蒸发)在层608上。在氮气、氢气、空气或者成型气体之中、以350-500摄氏度之间、对LED圆片500进行退火处理30到300秒，以得到欧姆接触。

通过使用0到0.5Mpa的压力和200-400摄氏度的温度将层526与载具圆片600的层610接触，圆片500和600被结合(例如，利用热机械压合)在一起。层510和层610形成了共晶结合(eutectic bond)。然后冷却组合的圆片夹层，并且从压合中移去结合的夹层。

在结合之后，通过激光掀开工艺将衬底502从结合的结构中移去。激光掀去工艺在(例如)美国专利6,420,242、6,071,795进行了介绍，在此通过引用结合进来。在一些实施例中，248纳米的激光束从衬底502穿过进行照射、在靠近与蓝宝石衬底502接触处局部加热n-掺杂Si:GaN层506，分解n-掺杂层506的子层。随后，将圆片夹层加热到超过镓的熔点，在该温度点通过施加到蓝宝石衬底502的横向力(例如，使用棉花棒)将其从夹层中移去。然后，清除外露的GaN表面(例如，使用氯化氢酸浴)以从表面除去液态镓。通常，当从GaN外延堆叠层移去蓝宝石衬底502时，在堆叠中的应力(由于衬底502和堆叠之间的晶格不匹配产生)被从堆叠中去除。这允许在结合至衬底502时堆叠层可以形成翘曲或弯曲形状，并且在n-掺杂层506的外露表面上是相对平坦的形状。当选择载具120以防止在激光掀去工艺中产生裂痕时，则需要考虑热膨胀系数。此外，通过在步骤中基本上进行场重叠和重复工艺，可以降低在激光掀去工艺中的裂痕。

参见图18，n-掺杂Si:GaN层506的外露表面被蚀刻(例如，使用活性离子蚀刻工艺)以获得该层的期望厚度，该厚度将用在最后的装置中(图19)。在蚀刻之后，蚀刻的GaN层506的表面由于蚀刻而具有粗糙的表面纹理700。可以对粗糙的表面700进行平坦化、薄型化(例如，采用化学-机械工艺)以获得用于层506的最终厚度以及小于大约5纳米均方根的表面平滑度。作为替换，可以维持粗糙的表面700以通过引入一个局部非平面接触到装置100来有助于增加装置的引出效率。与精细的平滑表面，粗糙的表面提高了当光射线以多次方式撞击表面700时，其最终以小于Snell定律的临界角度撞击在表面700上并且穿过表面700的概率。

在蚀刻之后，制作在n-掺杂层506中的介电函数图形：首先在n-掺杂GaN层506上放置(例如，使用旋涂)一材料(例如，聚合物)的平坦层702，并且在该平坦层702上放置(例如，旋涂)阻挡层704。然后，通过纳米刻印印刷及蚀刻工艺在n-掺杂层506中创建形成LED中的光晶格的图形。首先，定义希望的图形的模型被压印在阻挡层704中，并且以一部分接一部分的方式形成在圆片的所有表面上，以印刷出图形150的特征，并且留出了在后续工艺中淀积n-接触的区域。优选地，在该工艺过程中，n-掺杂层506的表面实质上是平坦的。例如，还可以使用X-射线印刷或者深紫外线印刷来创建阻挡层704中的图形。作为在圆片上淀积阻挡层和在圆片的阻挡层上创建图形的替换，可以在层506的表面上预先淀积蚀刻掩模。

已刻图的层704被用来作为掩模以将图形传送到平坦层702(例如，使用活性离子蚀刻工艺(reactive-ion etching process))。平坦层实质上被用作为掩模以将图形传送到n-掺杂层506。在蚀刻GaN层506之后，去除(例如，使用氧基活性离子蚀刻)平坦层。

在将图形传送到n-掺杂层506之后，可以选择地将磷材料层放置(例如，旋涂)到n-掺杂层506的刻图表面上。在一些实施例中，磷可以一致地涂在刻图的表面上(沿着刻图表面的开口的底部和侧面涂敷，实质上没有空孔)。作为替换，封装材料层可以被放置在刻图的n-掺杂层506的表面上(例如，通过CVD，溅射，以随后蒸发的方式形成的液态粘结剂进行悬浮)。在一些实施例中，封装材料可包括一种或多种磷材料。在一些实施例中，可以压缩磷材料以获得小于磷材料的平均厚度的大约20％，大约15％，大约10％，大约5％或大约2％的厚度均匀性。在一些实施例中，包含磷的封装材料可均匀地涂敷在刻图表面上。

在n-掺杂层506中创建介电函数图形之后，可以从圆片切割出各个LED管芯。一旦完成圆片处理和圆片测试，分离和制作各个LED以进行封装和测试。可以使用侧面钝化步骤和/或预分离深斜角蚀刻步骤来降低在圆片切割中发生的对刻图LED的电和/或光特性的潜在损坏。单个LED的尺寸可以是达到圆片本身的尺寸的任何尺寸，但是各个LED通常是方形或者矩形，其侧面边长在大约0.5毫米到5毫米之间。为了创建管芯，使用标准的光印刷技术来限定在用于对装置进行激发的圆片上的接触垫的位置，并且蒸发(例如，利用电子束蒸发)欧姆接触到希望的位置上。

如果封装了LED管芯，该封装通常便于光收集，同时还提供管芯的机械和环境保护。例如，当不使用封装材料时，可以在LED管芯上封装透明盖板来保护层506的刻图表面。使用在熔炉中溶化的玻璃粉料(glassy frit)来将盖板滑片140粘附到支撑件142上。使用顶部焊接或者环氧树脂(例如)来连接支撑件的相对端部。支撑件通常被镀镍以便于焊接到封装的镀金表面上。可以确信，没有封装材料层，允许在刻图的表面LED 100中每单位面积较高的容许电力负载。封装材料的恶化通常是标准LED的共有失效机制，并且可以不使用封装材料层来避免。

由于LED是从较大面积平坦的圆片中切割出来，它们的每单位面积的光线输出不会随着面积而降低。同样，由于从圆片中切割出来的各个LED的截面紧紧稍微大于LED的发光表面积，可以在阵列中紧密地封装很多个可单独寻址的LED。如果一个LED不工作(由于大的缺陷)，由于各个装置被紧密地封装，不会显著地影响阵列的性能。

虽然已经介绍了一些实施例，其他的实施例也是可行的。

例如，虽然上面介绍了发光装置的某些厚度和相关的层，其他的厚度也是可能的。总之，发光装置可以具有任何期望的厚度，并且发光装置中的各个层可以具有任何期望的厚度。通常，在多重材料堆叠层122中的各层的厚度被选择来增加在光产生区域130的光学模式的空间重叠，以增加在区域130中产生的光线的输出量。发光装置中的某些层的示例厚度包括如下。在一些实施例中，层134具有至少大约100纳米(例如，至少大约200纳米，至少大约300纳米，至少大约400纳米，至少大约500纳米)和/或最多大约10微米(例如，至多大约5微米，至多大约3微米，至多大约1微米)的厚度。在一些实施例中，层128具有至少大约10纳米(例如，至少大约25纳米，至少大约40纳米)和/或最多大约1微米(例如，最多大约500纳米，最多大约100纳米)的厚度。在一些实施例中，层126具有有至少大约10纳米(例如，至少大约50纳米，至少大约100纳米)和/或最多大约1微米(例如，最多大约500纳米，最多大约250纳米)的厚度。在某些实施例中，光产生区域130具有有至少大约10纳米(例如，至少大约25纳米，至少大约50纳米，至少大约100纳米)和/或最多大约500纳米(例如，最多大约250纳米，最多大约10纳米)的厚度。

作为例子，虽然介绍了发光二极管，可以使用具有上述特征(例如，图形，工艺)的其它发光装置。这种发光装置包括激光器和光学放大器。

作为其他的例子，虽然已经介绍电流扩散层132作为n-掺杂层134的分离层，在一些实施例中，电流扩散层可以与层134(例如，一部分)成为一体。在这样的实施例中，电流扩散层可以是层134的相对高的n-掺杂部分或者共质界面(例如，AlGaN/GaN)以形成2维电子气体。

在另一个例子中，虽然介绍了某些半导体材料，也可以使用其他的半导体材料。总之，可以使用的任何半导体材料(例如，III-V半导体材料、有机半导体材料、硅)都可以用在发光装置中。其他发光材料的例子包括InGaAsP、AlInGaN、AlGaAs、InGaAlP。有机发光材料包括诸如三-8羟基奎磷化铝(Alq₃)的小分子、诸如聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4-对位苯乙二烯]或者对苯乙炔(MEH-PPV)的共轭聚合物。

在又一个例子中，虽然已经介绍了较大面积的LED，LED还可以是小面积的LED(例如，边缘小于标准大约300微米的LED)。

在另一个例子中，虽然已经介绍了其中图形由孔形成的、根据图形在空间上变化的介电函数，所述图形还可以其他方式形成。例如，在适当的层中，图形可以采用连续脉纹或者不连续脉纹的方式形成。而且，在不采用孔或脉纹的情况下，可以获得具有变化介电函数的图形。例如，具有不同介电函数的材料可以刻图在适当层上。还可以使用这些图形的组合。

在又一个例子中，虽然已经介绍了层126由银形成，还可以使用其他的材料。在一些实施例中，层126由可以反射光产生区域产生的、撞击在反射材料层上的至少大约50％的光线的材料形成，其中反射材料层位于支撑件和多重材料堆叠层之间。这种材料的例子包括分布布拉格反射镜堆叠层以及诸如铝、和含铝合金的各种金属和合金。

在又一个例子中，支撑件120可以由各种材料形成。形成支撑件120的材料的例子包括铜、铜钨、氮化铝、碳化硅、氧化铍、钻石、TEC、和铝。

在另一个例子中，虽然已经介绍了层126由吸热材料形成，在一些实施例中，发光装置可以包括作为吸热源的分离层(例如，置于层126和载具120之间)。在这种实施例中，层126可以或者不由可以作为吸热源的材料形成。

在又一个例子中，虽然已经介绍了除了利用整个光产生区域之外，在介电函数中的可变图形仅进入n-掺杂层134(其实质上可以降低表面重组合载子损失的可能性)，在一些实施例中，在介电函数中的可变图形可以延伸超出n-掺杂层(例如，进入电流扩散层132，光产生区域130，和/或p-掺杂层128)。

在另一个例子中，虽然已经介绍了可将空气放置在表面110和盖板滑片140之间的实施例，在一些实施例中，除了空气外的其他材料也可以被放置在表面110和盖板滑片之间。通常，这种材料具有至少大约1和小于大约1.5(例如，小于大约1.4，小于大约1.3，小于大约1.2，小于大约1.1)的折射率。这种材料的例子包括氮气、空气或者较高热导的气体。在这些实施例中，可以刻图表面110或不刻图。例如，表面110可以不刻图，但是是粗糙的(即，具有小于λ/5的任意分布、各种尺寸和外形的特征)。

在一些实施例中，发光装置可包括磷材料层，该磷材料涂敷在表面110、盖板滑片140和支撑件142上。

在一些实施例中，发光装置包括具有其中的磷材料的盖板层140。在这些实施例中，表面110可以刻图或者不刻图。

在一个替换的实现中，由光产生区域130发射的光线为UV(或者紫，蓝)，并且磷层180包括红磷材料(例如，L₂O₂S:Eu³⁺)、绿色磷材料(例如：ZnS：Cu，Al，Mn)、蓝色磷材料(例如：(Sr，Ca，Ba，Mg)₁₀(PO₄)₆Cl:Eu²⁺)的混合物。

Claims (29)

1.一种发光装置，包括：

多重材料堆叠层，包含光产生区域和由该光产生区域支撑的第一层，

其中，

第一层的表面被配置使得所述光产生区域产生的光线可以经第一层的表面从所述发光装置发出；

第一层的表面具有根据一图形在空间上变化的介电函数；和

所述图形被配置使得所述光产生区域产生的、经第一层的表面从所述发光装置发出的光线比光线的拉普拉斯分布更好的平行性。

2.如权利要求1的发光装置，其中当所述光产生区域产生的光线经第一层的表面从所述发光装置发出时，经所述第一层的表面发出的光线的至少大约40％在与第一层表面法向成最多大约30度的角度发出。

3.如权利要求1的发光装置，其中，所述发光装置的填充因子至少大约为10％。

4.如权利要求3的发光装置，其中，所述发光装置的填充因子至少大约为75％。

5.如权利要求1的发光装置，其中，所述发光装置的填充因子至少大约为75％。

6.如权利要求1的发光装置，进一步包括支承所述多重材料堆叠层的支承件。

7.如权利要求6的发光装置，进一步包括反射材料层，其能够反射由所述光产生区域产生的、撞击到所述反射材料层上的光线的至少大约50％的光线，该反射材料层位于所述支承件和多重材料堆叠层之间。

8.如权利要求7的发光装置，其中所述反射材料层是吸热材料。

9.如权利要求8的发光装置，其中所述吸热材料被配置使得该吸热材料在使用所述发光装置期间具有垂直热梯度。

10.如权利要求7的发光装置，进一步包括吸热材料。

11.如权利要求10的发光装置，其中所述吸热材料被配置使得该吸热材料在使用所述发光装置期间具有垂直热梯度。

12.如权利要求1的发光装置，进一步包括位于第一层和所述光产生区域之间的电流扩散层。

13.如权利要求1的发光装置，进一步包括配置用于将电流注入所述发光装置的电接触。

14.如权利要求13的发光装置，其中所述电接触被配置用于将电流垂直注入所述发光装置。

15.如权利要求1的发光装置，其中所述发光装置是从由发光二极管、激光器、光学放大器及其组合构成的组中选择出来的。

16.如权利要求1的发光装置，其中所述发光装置包括发光二极管。

17.如权利要求1的发光装置，其中所述发光装置是从右OLED、平坦表面发射LED、HBLED及其组合构成的组中选出的。

18.如权利要求1的发光装置，其中所述图形具有理想晶格常数和值大于0的解谐参数。

19.如权利要求1的发光装置，其中所述不延伸进入所述光产生区域。

20.如权利要求1的发光装置，其中所述图形不延伸出第一层。

21.如权利要求1的发光装置，其中所述图形延伸出第一层。

22.如权利要求1的发光装置，进一步包括反射材料层，其能够反射由所述光产生区域产生的、撞击到所述反射材料层上的光线的至少大约50％的光线，

其中所述光产生区域位于该反射材料层和第一层之间。

23.如权利要求1的发光装置，进一步包括反射材料层，其能够反射由所述光产生区域产生的、撞击到所述反射材料层上的光线的至少大约50％的光线，其中所述光产生区域位于该反射材料层和第一层之间。

24.如权利要求1的发光装置，其中所述图形是非周期图形或者复杂周期图形。

25.一种圆片，包括：

多个发光装置，至少一些所述发光装置包括：

多重材料堆叠层，其包括光产生区域和由该光产生区域支承的第一层，第一层的表面被配置使得由该光产生区域产生的光线可以经由第一层的所述表面从所述发光装置发出，所述第一层的表面具有根据一图形在空间上变化的介电函数，所述图形被配置使得由所述光产生区域产生的、经第一层的表面从所述发光装置发出的光线的平行性比光线的拉普拉斯分布好，

其中，所述圆片在每平方厘米上有至少大约5个发光装置。

26.如权利要求25的发光装置，所述圆片在每平方厘米上有至少大约25个发光装置。

27.如权利要求25的发光装置，所述圆片在每平方厘米上有至少大约50个发光装置。

28.如权利要求1的发光装置，其中所述第一层的表面具有尺寸小于大约λ/5的特征，其中λ是可以由第一层产生的、且可以经第一层的表面从所述发光装置发出的光线波长。

29.如权利要求25的发光装置，其中所述第一层的表面具有尺寸小于大约λ/5的特征，其中λ是可以由第一层产生的、且可以经第一层的表面从所述发光装置发出的光线波长。

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