TWI729650B - 經由led及轉換器之間的黏著劑層以改進光提取 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種可包含複數個短鏈分子的黏著劑層，該複數個該等短鏈分子之各者包含一第一端部及一第二端部，使得該第一端部與該第二端部之間之距離小於100 nm且使得該第一端部經組態以附接至一第一表面且該第二端部經組態以附接至一第二表面。揭示另一黏著劑層，其可包含施加一局部相位梯度之一奈米結構層，該局部相位梯度增大在藉由該黏著劑層彼此接合且各具有比該黏著劑層更高之一折射率之層之間之一介面處入射於該黏著劑層上之光之全內反射之一臨界角。揭示組合上文概述之該兩個黏著劑層之特徵的另一黏著劑層。

Description

經由LED及轉換器之間的黏著劑層以改進光提取
一典型發光二極體(LED)可包含在LED之不同層之間(諸如(舉例而言)在一基板與一波長轉換層之間)的一膠合層。膠合層可具有比基板及波長轉換層兩者更低之一折射率。因此，全內反射之臨界角可為低的(例如，~52度)。此TIR導致從基板傳輸至波長轉換層之功率之降低。
此外，膠合層可表現為一通道以沿基板與波長轉換層之間之介面導引光子。此通道最終可導致光子從LED之邊緣洩漏。
上文所述效應可減少由一LED在正向方向上發射之總通量。
揭示一種可包含複數個短鏈分子的黏著劑層，該複數個短鏈分子之各者包含一第一端部及一第二端部使得該第一端部與該第二端部之間之距離小於100nm且使得該第一端部經組態以附接至一第一表面且該第二端部經組態以附接至一第二表面。
揭示可包含施加一局部相位梯度之一奈米結構層的另一黏著劑層，該局部相位梯度增大在藉由該黏著劑層彼此接合且各具有比該黏 著劑層更高之一折射率之層之間之一介面處入射於該黏著劑層上之光之全內反射之一臨界角。
揭示組合上文概述之兩個黏著劑層之特徵的另一黏著劑層。
本文中揭示之發光裝置可有利地採用上文概述之黏著劑層之任一者以將一透明基板附接至一波長轉換器。與習知黏著劑層相比，黏著劑層增加光從基板至波長轉換器中之透射。包括短鏈分子之一黏著劑層可極薄，而阻礙黏著劑層介面處之全內反射。如上所述，奈米結構層增大介面處之全反射之臨界角，因此亦減少全內反射。
100A:發光二極體(LED)層
100B:發光二極體(LED)裝置
100C:流程圖
100D:發光二極體(LED)裝置
100E:發光二極體(LED)裝置
100F:發光二極體(LED)裝置
102:波長轉換層
102A:波長轉換層
102B:波長轉換層
103:短鏈分子
104:黏著劑層
105:黏著劑層
105A:黏著劑層
105B:黏著劑層
107A:光束
107B:光束
110:奈米結構層
110B:奈米結構層
111:步驟
112:步驟
120:基板
120A:基板
120B:基板
130:磊晶生長半導體層
131:第一接觸件
132:第二接觸件
133:間隙
134:p型層
135:作用層
136:n型層
140:側壁材料
141:奈米圓柱體
142:奈米圓柱體
145:多奈米光子結構
200:發光二極體(LED)裝置
201A:像素
201B:像素
201C:像素
202:磊晶層
202B:磊晶層
203:空間
204:作用層
204B:作用層
206:基板
206B:基板
206C:波長轉換層
210:發光二極體(LED)陣列
210A:波長轉換層
210B:波長轉換層
210C:波長轉換層
220:照明系統
550:系統
552:發光二極體(LED)系統
556:發光二極體(LED)系統
560:應用平台
561:光束
561a:箭頭
561b:箭頭
562:光束
562a:箭頭
562b:箭頭
565:線
可從藉由實例結合隨附圖式給出之以下描述得到一更詳細理解，其中：圖1A係展示包括將一透明基板接合至一波長轉換層之短鏈分子之一黏著劑層之一例示性發光裝置之一部分的一圖式；圖1B係包括如圖1A中展示之層之一例示性發光裝置之一圖式；圖1C係用於產生一發光裝置之部分之一流程圖；圖1D係包括黏著劑層內之一奈米結構層之如圖1B中之一例示性發光裝置之一圖式。
圖1E比較光透過一習知黏著劑層及透過包括短鏈分子及一奈米結構層之一例示性黏著劑層從一基板至一波長轉換層之透射。
圖1F展示如本文中描述之奈米結構層中可採用之一例示性多奈米光子結構。
圖2A係展示一例示性發光二極體裝置之一圖式；圖2B係展示多個LED裝置之一圖式；及圖3係一例示性應用系統之一圖式。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2019年2月14日申請之歐洲專利申請案19157215.5及2018年12月21日申請之美國專利申請案16/230,876之優先權利，該等案各者之全文以引用的方式併入本文中。
下文將參考隨附圖式更充分地描述不同光照明系統及/或發光二極體實施方案之實例。此等實例並不互斥，且在一個實例中發現之特徵可與在一或多個其他實例中發現之特徵組合以達成額外實施方案。因此，將瞭解，在隨附圖式中展示之實例僅經提供用於闡釋性目的且其等不意欲以任何方式限制本發明。通篇，相同元件符號指代相同元件。
將瞭解，儘管本文中可使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，然此等元件不應受此等術語限制。此等術語可用來區分一個元件與另一元件。舉例而言，在不脫離本發明之範疇之情況下，一第一元件可被稱為一第二元件且一第二元件可被稱為一第一元件。如本文中使用，術語「及/或」可包含相關聯列出項目之一或多者之任何及全部組合。
將瞭解，當諸如一層、區或基板之一元件被稱為「在」另一元件「上」或延伸「至」另一元件「上」時，其可直接在該另一元件上或直接延伸至該另一元件上，或亦可存在中介元件。相比之下，當一元件被稱為「直接在」另一元件「上」或「直接」延伸至另一元件「上」時， 可能不存在中介元件。亦將瞭解，當一元件被稱為「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至該另一元件及/或經由一或多個中介元件連接或耦合至該另一元件。相比之下，當一元件被稱為「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，該元件與該另一元件之間不存在中介元件。將瞭解，此等術語意欲涵蓋元件之除圖中描繪之任何定向以外之不同定向。
本文中可使用諸如「在…下方」、「在…上方」、「上」、「下」、「水平」或「垂直」之相對術語來描述如圖中繪示之一個元件、層或區與另一元件、層或區之一關係。將瞭解，此等術語意欲涵蓋裝置之除圖中描繪之定向以外之不同定向。
半導體發光裝置或光學功率發射裝置(諸如發射紫外(UV)或紅外(IR)光學功率之裝置)躋身當前可用之最有效光源(下文「LED」)。此等LED可包含發光二極體、諧振腔發光二極體、垂直腔雷射二極體、邊緣發射雷射或類似者。歸因於其等緊湊大小及較低功率要求，舉例而言，LED可為許多不同應用之有吸引力的候選者。舉例而言，其等可用作手持式電池供電裝置(諸如相機及行動電話)之光源(例如，閃光燈及相機閃光燈)。其等亦可用於舉例而言汽車照明、抬頭顯示器(HUD)照明、園藝照明、街道照明、用於視訊之手電筒、普通照明(例如，家庭、商店、辦公室及工作室照明、劇院/舞台照明及建築照明)、擴增實境(AR)照明、虛擬實境(VR)照明、作為顯示器之背光及IR光譜。一單個LED可提供不如一白熾光源明亮之光，且因此多接面裝置或LED陣列(諸如單片LED陣列、微型LED陣列等)可用於其中期望或需要更大亮度之應用。
本文中揭示LED，其增加透過一黏著劑層傳輸之光學功率 且藉此改進由LED發射之總通量。黏著劑層可經設計使得減少來自LED之一側之光子洩漏。揭示黏著劑層組合物及增加傳輸之光學功率之奈米結構層。
通常，可在無本文中揭示之鏈連分子之情況下使用一膠合層將基板連接至波長轉換層。此等膠合層通常具有.5微米與3微米之間之一厚度。此膠合層通常為具有取決於材料類型及組合物而從1.4變化至1.6之一折射率之有機聚矽氧。基板(例如，藍寶石)及波長轉換層之折射率通常高於此一膠合層之折射率。舉例而言，一波長450nm下之折射率(n)之典型值對於藍寶石、此等典型膠合層及波長轉換層分別為1.78、1.41及1.76。值得注意的係，由於nsapphire>nglue，故在使用典型膠合層時全內反射(TIR)之臨界角θc=52.4度。TIR導致透過膠合層從基板(例如，藍寶石)傳輸至波長轉換層之功率之縮減。另外，此等典型膠合層亦可展現通道行為以沿此等膠合層及基板之介面導引光子，該等光子最終在LED之邊緣處從此一膠合層洩漏出。TIR及光子之洩漏減少由一LED在正向方向上發射之總通量。
本文中揭示之LED可包含具有短鏈分子之黏著劑材料，其允許黏著劑層之厚度之縮減。厚度可減小至小於100nm或可小於10nm使得其接近零厚度。替代地或另外，本文中揭示之LED可包含安置於一黏著劑層與一基板之間之介面處的一奈米結構層，使得該奈米結構層修改全內反射(TIR)之臨界角以允許增加發射。
圖1A展示例示性短鏈分子103。短鏈分子可包含任何短聚合物鏈使得鏈之各端部處係一連接分子。替代地或另外，短鏈分子可包含在各端部上具有連接分子的短DNA股。短鏈分子之實例包含但不限於烷 基鏈，諸如辛基膦酸、癸基膦酸或十八烷基膦酸，但在兩個端部由膦酸、羧酸及/或硫醇基團封端。舉例而言，發現羧酸經由一拓撲反應與氧化鋁反應使得羧酸鹽充當一橋連配體。此反應允許從勃姆石(AlOOH)直接製備羧酸鹽官能化氧化鋁奈米粒子。
如圖1A中展示之LED層100A包含一基板120及一黏著劑層104，黏著劑層104包含短鏈分子103且將基板120連接至一波長轉換層102。圖1B展示LED裝置100B，其包含LED層100A以及包含一磊晶生長半導體層130之裝置。磊晶生長半導體層130可包含藉由一間隙133分離的一第一接觸件131及一第二接觸件132，間隙133可為一氣隙或可用介電材料填充。一p型層134可接近一作用層135及一n型層136。作用層135可經組態以發射遠離接觸件131及132之光，使得通常朝向基板120發射從作用層135發射之光束。為易於理解本發明，以一簡化形式呈現LED裝置100，已知相關技術之一般技術者將理解包含於一LED內之其他元件。
磊晶生長半導體層130可由經組態以在被激發時發射光子之任何適用材料形成，包含藍寶石、SiC、GaN、聚矽氧，且更明確言之可由以下各者形成：一Ⅲ-V族半導體，包含但不限於AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb；Ⅱ-Ⅵ族半導體，包含但不限於ZnS、ZnSe、CdSe、CdTe；Ⅳ族半導體，包含但不限於Ge、Si、SiC；及其等之混合物或合金。此等例示性材料在其中存在其等之LED的典型發射波長下可具有在自約2.4至約4.1之範圍內的折射率。
舉例而言，可使用氮化鋁(AlN)且其係一寬帶隙(在室溫下為6.01eV至6.05eV)材料。AlN可具有約1.9至2.2(例如，在632.8nm下 為2.165)之折射率。諸如GaN之Ⅲ族氮化物半導體在500nm下可具有約2.4之折射率，且諸如InGaP之Ⅲ族磷化物半導體在600nm下可具有約3.7之折射率。一例示性氮化鎵(GaN)層可採取一pGaN層之形式。如相關技術之一般技術者將理解，GaN係常用於發光二極體中之一二元III/V直接帶隙半導體。GaN可具有具3.4eV之一寬帶隙之一晶體結構，此使材料對於光電子、高功率及高頻率裝置中之應用而言為理想的。GaN可摻雜有矽(Si)或氧以產生一n型GaN且摻雜有鎂(Mg)以產生如本發明實例中使用之一p型GaN。作用層135係其中在發生電致發光時發射光的區。耦合至LED裝置100之接觸件131及/或132可由諸如AuSn、AuGa、AuSi或SAC焊料之一焊料形成。
圖1B之LED裝置100B可為一高亮度發射器或一中等功率發射器，諸如具有一藍寶石基板之一晶片級封裝(CSP)晶粒。如圖1B中展示，具有短鏈分子103之黏著劑層104可定位於基板120與波長轉換層102之間。基板120可包含一光滑光逸出表面(LES)，其實現具有短鏈分子103之黏著劑層104之沈積。基板120可包括藍寶石(其係亦稱為剛玉之氧化鋁(Al2O3))且可展現包含非常堅硬、牢固、易於機器加工、一良好電絕緣體及一極佳熱導體的性質。藍寶石在合成產生時通常為透明的，其中自然出現藍寶石中之藍色(及另一形式之剛玉之紅寶石中之紅色)來自晶格中之雜質。在其他LED中，可用氮化鎵(GaN)替換藍寶石。半導體層130可在發生電致發光時發射光的區中。
如圖1B中展示，基板120之側壁可由側壁材料140覆蓋。側壁材料140亦可覆蓋半導體層130之一或多個層，使得相同側壁材料140覆蓋基板120及半導體層130或與半導體層130不同之一材料可覆蓋基板 120之側壁。側壁材料140可為任何適用反射或散射材料。根據一實施例，側壁材料140可為一分佈式布拉格(Bragg)反射器(DBR)。
藉由實例且為提供具體描述，描述具有一藍寶石基板之晶片級封裝(CSP)LED之一覆晶，而本文中之原理及教示可應用於任何適用LED設計。具有一光滑光逸出表面(LES)之一基於藍寶石之CSP發射器可允許沈積具有短鏈分子103之黏著劑層104，使得從作用層135發射之光經由藍寶石基板入射於具有短鏈分子103之黏著劑層104上。
如圖1A中展示，D1表示具有短鏈分子103之黏著劑層104之厚度。厚度D1可儘可能小且可小於100nm或更佳地可小於10nm，或更佳地可接近零。可藉由使用提供來自黏著劑層104之所需黏著量同時允許其厚度接近零之鏈分子103而獲取此小的厚度D1(例如，接近零)。
黏著劑層104可包含具有短分子長度或短長度/鏈聚合物之聚合物材料(統稱為「短鏈分子103」)。如揭示，黏著劑層104之厚度可小於100nm、小於10nm且較佳地可接近0。在為亞波長之此厚度，歸因於光子穿過基板120與波長轉換層102之間之黏著劑層104厚度之穿隧，阻礙TIR(FTIR)之效應將開始佔主導地位。所揭示實施方案之FTIR之效應可使得黏著劑層104之較低折射率可視為一電位障壁，光子可穿隧通過該電位障壁。光子之穿隧可消除或減輕TIR之效應使得有效地增大臨界角。替代地或另外，經由FTIR效應之穿隧可消除或減輕由在典型黏著劑層處產生之通道導致之光子洩漏。
圖1C展示概述用於製造LED層100A及/或LED裝置100B之步驟111及112之一流程圖100C。如展示，在步驟111，可將具有短鏈分子之一黏著劑層施用至一基板。可經由諸如澆鑄、沈積(例如，原子層沈積 (ALD))、化學施用、網格沈積或類似者之任何適用方式施用具有短鏈分子之黏著劑層。在步驟112，可將一波長轉換層施用至黏著劑層。可以諸如藉由澆鑄、沈積(例如，原子層沈積(ALD))、化學施用、網格沈積或類似者之任何適用方式施用波長轉換層。
根據實施例，一基板(例如，圖1B之120)及波長轉換層(例如，圖1B之102)表面可經表面處理或塗覆以具有一有機矽烷自組裝單層(SOM)，以增加或改進短鏈分子之施用或接合。如本文中揭示，基板區中之漸逝波及/或光子可穿隧通過黏著劑層，從而增加由LED發射之總通量。穿隧概率可指數地取決於黏著劑層之厚度及性質或黏著劑層佔用之間隙以及光之波矢。因此，LED之總通量取決於波矢及黏著劑層/間隙之乘積或其他適用關係。
根據所揭示標的之一實施例，可在一黏著劑層與一LED之一基板之間之介面處沈積一奈米結構層，使得黏著劑層將基板附接至一波長轉換層。黏著劑層可在基板與波長轉換層之間形成一可行接合且可具有諸如(舉例而言)介於1.41與1.5之間之一低折射率。黏著劑層可包含如本文中揭示之一奈米結構層且亦可包含一或多個類型之聚矽氧。波長轉換層可為一陶瓷磷光體薄板或轉換入射於層上之光之波長之任何其他適用材料，如本文中揭示。
如本文中揭示，一奈米結構層可在一黏著劑層與一基板之間之介面處沈積於該基板之頂部上。奈米結構層可為由由大折射率材料(諸如二氧化鈦、氮化鎵或矽)組成之圓柱體或立方體構成之超材料或超表面。奈米結構層可透射入射於一基板上之輻射(例如，源自一LED作用層之輻射)且將TIR臨界角擴展至超過由折射率(RI)之變化(即，基板之高RI 至黏著劑層之低RI)產生之自然TIR臨界角。為達成此，奈米結構層在光束照射奈米結構層之介面之位置處具有一局部相位梯度。方程式1展示反射及折射之一般規律：
Figure 108147253-A0305-02-0012-1
在方程式1中，下標「t」係指定位於介面頂部處之介質 (即，黏著劑材料)且「i」係指入射介質，其中ni>nt。
Figure 108147253-A0305-02-0012-2
係由奈米結構層施加之局部相位梯度。可藉由方程式2展示臨界角。
Figure 108147253-A0305-02-0012-3
可應用方程式2使得可使用由奈米結構施加之(即，如本文中揭示之一奈米結構層之)局部相位梯度來修改TIR之臨界角。舉例而言， 對於450nm之一工作波長及nt=1.41之ni=1.78且無相位梯度
Figure 108147253-A0305-02-0012-5
，方程式簡化為傳統斯涅爾定律，預測一臨界角θc=52.4度。
然而，在450nm之相同波長下，若
Figure 108147253-A0305-02-0012-6
，則θc= ~83度。此產生
Figure 108147253-A0305-02-0012-7
之一相變，此可藉由使用諧振或非諧振奈米結構層而達成，如本文中揭示。奈米結構層經配置使得其具有具足以增大TIR臨界角之一斜率之一局部相位梯度。例示性臨界角θc=~83度等效於具有1.765之一有效折射率。如在一黏著劑層內應用，如本文中揭示，一奈米結構層藉由將臨界角修改為θc=~83度而為黏著劑層提供1.765之一經修改有效RI。臨界角之此變化允許透過具有一奈米結構層之黏著劑層發射光，宛如黏著劑層之RI係一有效較高RI，其更緊密地匹配基板及/或波長轉換層之RI且因此導致減少反射。
一奈米結構層可包含超表面、電漿奈米結構、超分子、光子晶體、及/或其他適用奈米結構。如本文中使用，光子晶體及超表面可 為超原子及/或奈米天線之週期性配置。一超原子奈米結構層可包含一超原子陣列。一奈米天線奈米結構層可包含一或多個奈米天線。如本文中揭示，奈米結構層可併入具有放置於一LED表面(例如，一藍寶石基板)上及/或一黏著劑層內之奈米級光學天線之LED裝置之設計。
本文中揭示之奈米結構層可包含以一預定配置放置之具有一黏著劑層內之一最佳化局部相位梯度的奈米天線。一奈米結構層可包含併入至光子晶體及/或可包含超原子及/或奈米天線之超表面中的光子材料，使得一超原子或奈米天線之最大尺寸小於1000nm。奈米天線可經實施為定位於奈米結構層中之一奈米粒子陣列，如本文中進一步揭示。奈米天線可經配置成週期性或非週期性圖案。類似於由原子構成之化學分子，一超表面由超原子構成，其中該等超原子組合在一起且相互作用以賦予超表面獨特光學性質。個別超表面之大小可為亞波長或可按相同使用波長順序形成。
一奈米結構層可包含分佈於整個一主體介電介質中的奈米天線。奈米天線之大小可為波長數量級之一亞波長。
一奈米結構層可經設計具有一組態，使得其光學性質在一或多個波長具有諧振或可控制性質，使得組態導致基於奈米結構層之組態之TIR臨界入射角。此可藉由調諧奈米結構層之結構及化學組合物以便在奈米結構層內同時激發電及磁偶極、四極及更高階多極而達成。偶極及更高階多極之同時激發可在奈米結構層處提供局部相位梯度以增大黏著劑層之TIR臨界角。
圖1D展示一LED裝置100D，其可為一高亮度發射器或一中等功率發射器(諸如具有一藍寶石基板之一晶片級封裝(CSP)晶粒)。 LED裝置100D可類似於圖1C之LED裝置100B。如圖1D中展示，具有一奈米結構層110之黏著劑層105可定位於基板120與波長轉換層102之間。基板120可包含實現具有一奈米結構層110之黏著劑層105之沈積的一光滑LES。基板120可包括藍寶石(其係亦稱為剛玉之氧化鋁(Al2O3))且可展示包含非常堅硬、牢固、易於機器加工、一良好電絕緣體及一極佳熱導體的性質。藍寶石在合成產生時通常為透明的，其中自然出現藍寶石中之藍色(及另一形式之剛玉之紅寶石中之紅色)來自晶格中之雜質。在其他LED中，可用氮化鎵(GaN)替換藍寶石。半導體層130可在發生電致發光時發射光的區中。
如圖1D中展示，基板120之側壁可由側壁材料140覆蓋。側壁材料140亦可覆蓋半導體層130之一或多個層，使得相同側壁材料140覆蓋基板120及半導體層130或與半導體層130不同之一材料可覆蓋基板120之側壁。側壁材料140可為任何適用反射或散射材料。根據一實施例，側壁材料140可為一分佈式布拉格反射器(DBR)。
藉由實例且為提供具體描述，描述具有一藍寶石基板之晶片級封裝(CSP)LED之一覆晶，而本文中之原理及教示可應用於任何適用LED設計。具有一光滑光逸出表面(LES)之一基於藍寶石之CSP發射器可允許沈積具有一奈米結構層110之黏著劑層105，使得從作用層135發射之光經由藍寶石基板入射於具有一奈米結構層110之黏著劑層105上。將瞭解，LED裝置100D包含與LED裝置100B相同的組件及/或層，如藉由相同元件符號指示。
圖1E展示具有一基板120A、黏著劑層105A、及波長轉換層102A之一LED裝置100E。基板120A及波長轉換層102A之RI可高於黏 著劑層105A之RI使得TIR臨界角θc=52.4。光束107A可橫越基板120A且可按大於TIR臨界角θc=52.4之一角度(諸如以60度)入射於黏著劑層105A上。因此，光束107A可被反射，如展示。圖1E亦展示具有一基板120B、黏著劑層105B、及波長轉換層102B之一LED裝置100F。黏著劑層105B包含經組態具有黏著劑層105B之一最佳化局部相位梯度的一奈米結構層110B。基板120B及波長轉換層102B之RI可高於無奈米結構層110B之黏著劑層105B材料之RI。然而，基於奈米結構層110B之局部相位梯度，穿過黏著劑層105B之TIR臨界角可大於θc=52.4且可為舉例而言θc=~83度。一光束107B可橫越基板120A且可按與光束107A入射於LED裝置100E之黏著劑層105A上相同之角度(即，根據此實例為60度)入射於黏著劑層105B上。基於由奈米結構層110B提供之θc=~83度之增大臨界角，光束107B可穿過黏著劑層105B而未被反射且可入射於波長轉換層102B上。
一奈米結構層中之光子晶體及/或超表面可經組態具有相位之一空間梯度。奈米天線可由配置成一六邊形或矩形晶格之奈米圓柱體、奈米錐或具有垂直或同軸調光器之奈米錐形成。晶格週期可為亞波長或大於波長。奈米天線可為惠更斯超原子或支持波導模式。亦可使用具有半徑之空間變動之一惠更斯奈米結構層來達成光束之所要變窄。各光子晶體或超表面可呈現一定量光束彎曲性質使得入射光束可經塑形為所需角分佈。在奈米錐中之奈米圓柱體垂直二聚體同軸二聚體之情況中，超原子或奈米天線內之干涉模式使用結構參數來提供對透過奈米結構層發射之光之額外控制。
奈米天線可形成或排列為單奈米光子結構，使得相同奈米天線重複多次以形成一奈米結構層。替代地或另外，奈米天線可形成或排 列為多奈米光子結構，使得一奈米天線陣列重複多次以形成一奈米結構層。圖1F繪示一例示性多奈米光子結構145。如展示，多奈米光子結構145包含奈米圓柱體141及142，使得不同奈米圓柱體141及142在相互比較時具有一或多個不同性質。作為一視覺實例，如圖1F中展示，奈米圓柱體142之體積小於奈米圓柱體141。此多奈米光子結構可經排列使得圖1D之奈米結構層110包含多奈米光子結構145之多個反覆(在一維、二維或三維中)。一奈米結構層110之各小的多奈米光子結構145可促成一光束照射奈米結構層110之位置處之最佳化局部相位梯度。可由一優化器選擇奈米結構層110之設計及放置。
作為圖1F中展示之組態之一實例，奈米結構層可包含具有150nm、250nm或600nm之高度之二氧化鈦之奈米圓柱體或奈米錐。圓柱體之半徑可在橫軸上變化且可在50nm至120nm之範圍中，其中週期性在250nm至300nm之範圍內。可將具有不同週期及半徑分佈之不同單元胞配置於一基板表面上。可使用習知最佳化軟體來最佳化此等球體之位置以改進由一LED發射之總通量。根據一實施例，奈米結構可僅經最佳化以在一所要波長(諸如(舉例而言)一藍色LED發射光譜區(中心波長從440nm變化至450nm，其中頻寬為30nm至50nm))內運作。
再次參考圖1B及圖1D，側反射器140可為經設計以進一步增強透過奈米結構層110之光輸出的非鏡面反射奈米結構層。
舉例而言，側反射器140可為奈米結構層，該等奈米結構層經設計使得按低入射角(例如，法向或接近法向)入射於其等上之光在透射穿過黏著劑層之角範圍內按奈米結構層110上之一入射角按一大的傾斜反射角反射朝向奈米結構層110。作為另一實例，定位於作用區與接觸件 之間之一背反射器(未展示)可為一奈米結構層，該奈米結構層經設計使得按大的傾斜角入射於其上之光按透射穿過黏著劑層之範圍內之一入射角按一低反射角反射朝向黏著劑層。如剛剛描述之奈米結構側反射器可與如剛剛描述之一奈米結構背反射器組合使用。
如剛剛描述之奈米結構側反射器及背反射器可採取經設計以使角輻射轉向之一奈米結構光子層之形式。僅藉由非限制實例，此一奈米結構側或背反射器可包含非對稱散射元件(本文中亦稱為奈米天線)之一光子晶體、超材料、超表面或亞波長光柵或由其等組成。此一奈米結構側或背反射器之主要功能係將入射於其上之輻射從一給定角範圍反射至一選取角範圍。此受限角範圍可經選取以按小於與黏著劑層之介面處之全內反射之臨界角的入射角將儘可能多的光從LED之後表面或側引導朝向黏著劑層。
此一奈米結構背或側反射器可包括形成為或排列為單元胞的散射元件。各單元胞可向入射於側反射器上之光提供光束彎曲。藉由適當地配置具有不同光束彎曲性質之大量不同單元胞，光可經塑形為所需角分佈。
在此一奈米結構側或背反射器中，反射光束彎曲器(單元胞)可舉例而言配置成一週期性二維圖案或光柵，且可由囊封或以其他方式含有一或多個散射元件之背景材料形成且定位成鄰近基板120。複數個散射元件可被背景材料包圍。一鏡面反射器可鄰近基板120遠端之背景材料。可舉例而言藉由使用經設計以將來自鏡面反射器之反射場連結至來自散射元件之散射場之非對稱散射元件而達成非對稱散射。此等場之間之干涉導致光沿一特定方向散射。散射元件之配置可產生相位之一空間梯度。
一奈米結構側反射器中之光束彎曲器之一週期性陣列之一單元胞在尺寸上可為矩形且包含一系列層，包含一鏡面反射器、一或多個散射元件及如上文描述之背景材料。週期性可以一使用中波長為中心，諸如(舉例而言)由LED發射之峰值波長(例如，450nm)。在單元胞中，一或多個散射元件可經定位成鄰近鏡面反射器遠端之基板層120及/或一或多個散射元件可與鏡面反射器接觸或接近接觸。
散射元件可具有任何適合高度及寬度且可舉例而言由矽(Si)或氧化鈦(TiO2)或其等之一組合形成。背景材料可為一低折射率材料，諸如(舉例而言)氟化鎂(MgF2)。舉例而言，鏡面反射器(若存在)可為一金屬鏡(舉例而言，一金或銀鏡)、一介電鏡或一布拉格反射器。
散射元件可採取本文中描述之散射元件之任一者之形式。舉例而言，一散射元件可包括一單一光散射體(一單一偶極)、或可類似於一八木天線組態之一光散射體(偶極)陣列。
一散射元件可經設計為兩個干涉惠更斯超原子。散射元件可經選擇以滿足第一科克條件，使得磁及電偶極輻射沿向後方向抵消，從而產生一大的正向散射，此稱為惠更斯超原子。一散射元件可形成為一二維散射體(諸如(舉例而言)一光柵)或一三維散射。一例示性三維散射可為一奈米圓柱體。亦可採用其他幾何散射體，包含舉例而言L形散射體。
散射元件可舉例而言由舉例而言配置成一六邊形或一矩形晶格之奈米圓柱體、奈米錐或奈米立方體形成。晶格週期可為亞波長或大於波長。在一奈米圓柱體垂直二聚體及同軸二聚體之情況中，超原子或奈米天線內之干涉模式使用結構參數來提供對散射模式之額外控制。
散射元件亦可由光子超材料(PM)(亦稱為一光學超材料， 其係與光相互作用、覆蓋太赫茲(THz)、紅外(IR)或可見波長之一類型之電磁超材料)形成。材料採用一週期性蜂巢式結構。亞波長週期性區分光子超材料與光子帶隙或光子晶體結構。胞在大於原子而遠小於輻射波長之量值之尺度上，且在奈米數量級。在超材料中，胞在大於胞之標度上均勻之一材料中發揮原子之作用，從而產生一有效介質模型。
圖2A係一例示性實施例中之一LED裝置200之一圖式。LED裝置200可包含一或多個磊晶層202、一作用層204、及一基板206。在其他實施例中，一LED裝置可包含一波長轉換器層及/或初級光學器件。如圖2A中展示，作用層204可鄰近基板206且在激發時發射光。磊晶層202可接近作用層204及/或一或多個中間層可介於作用層204與磊晶層202之間。基板206可接近作用層204及/或一或多個中間層可介於作用層204與基板206之間。作用層204將光發射至基板206中。圖1D之黏著劑層105或奈米結構層110可放置於基板206與波長轉換層206C之間以實施本文中揭示之技術。
圖2B展示包含具有像素201A、201B及201C之一LED陣列210之一照明系統220之一橫截面視圖。LED陣列210包含像素201A、201B及201C，其等各包含一各自基板206B、作用層204B及一磊晶層202B。LED陣列210中之像素201A、201B及201C可使用陣列分段或替代地使用取置技術來形成且可舉例而言發射諸如紅色、綠色及藍色之不同峰值波長之光。一或多個像素201A、201B及201C之間展示之空間203可包含一氣隙或可由諸如可為一接觸件(例如，n接觸件)之一金屬材料的一材料填充。根據一些實施例，可提供諸如一或多個透鏡及/或一或多個波導之次级光學器件。如展示，波長轉換層210A、210B及210C可放置於各自 像素201A、201B及201C上方且可由各自黏著劑層及/或奈米結構層附接。各自黏著劑層可包含鏈連分子及/或奈米結構層，如本文中揭示。像素201A、201B及201C可各自對應於一不同色彩輸出(例如，紅色、綠色、藍色)。
LED裝置200或像素201A、201B及201C可為單波長發射器且可個別地或經由一陣列供電。LED裝置200或像素201A、201B及201C可為包含一或多個電子板、電力模組、感測器、連接能力及控制模組、LED附接區或類似者之一照明系統之部分。一陣列中之像素可基於不同通道信號供電且其等操作可由一微控制器進行判定。
圖3展示包含一應用平台560及LED系統552及556的一例示性系統550。LED系統552產生箭頭561a與561b之間展示之光束561。LED系統556可在箭頭562a與562b之間產生光束562。作為一例示性實施例，LED系統552及556可為一汽車之部分且可發射紅外(IR)光通信光束使得光束561及/或562之路徑中之一迎面駛來車輛能夠接收來自汽車之通信。在例示性實施例中，系統550可為一相機閃光燈系統之一行動電話、室內住宅或商業照明、室外燈(諸如街道照明)、一汽車、一醫療裝置、AR/VR裝置、及機器人裝置。
應用平台560可經由線565或其他適用輸入經由一電源匯流排將電力提供至LED系統552及/或556，如本文中論述。此外，應用平台560可經由線565提供輸入信號用於LED系統552及LED系統556之操作，該輸入可基於一使用者輸入/偏好、一經感測讀取、一預程式化或自主判定輸出或類似者。一或多個感測器可在應用平台560之外殼之內部或外部。
在各項實施例中，應用平台560感測器及/或LED系統552及/或556感測器可收集資料，諸如視覺資料(例如，LIDAR資料、IR資料、經由一相機收集之資料等)、音頻資料、基於距離之資料、移動資料、環境資料、或類似者或其等之一組合。可基於藉由舉例而言LED系統552及/或556發射一光學信號(諸如一IR信號)且基於發射之光學信號收集資料而收集資料。可藉由與發射用於資料收集之光學信號之組件不同的一組件收集資料。繼續實例，感測設備可定位於一汽車上且可使用一垂直腔表面發射雷射(VCSEL)來發射一光束。一或多個感測器可感測對於發射光束或任何其他適用輸入之一回應。
儘管上文以特定組合描述特徵及元件，然一般技術者將明白，各特徵或元件可單獨或以與或不與其他特徵及元件之任何組合使用。另外，可在併入一電腦可讀媒體中之一電腦程式、軟體或韌體中實施本文中描述之方法以由一電腦或處理器執行。電腦可讀媒體之實例包含電子信號(經由有線或無線連接傳輸)及電腦可讀儲存媒體。電腦可讀儲存媒體之實例包含但不限於一唯讀記憶體(ROM)、一隨機存取記憶體(RAM)、一暫存器、快取記憶體、半導體記憶體裝置、磁性媒體(諸如內置硬碟及可抽換式磁碟)、磁光媒體、及光學媒體(諸如CD-ROM光碟及數位多功能光碟(DVD))。
儘管上文以特定組合描述特徵及元件，然一般技術者將明白，各特徵或元件可單獨或以與或不與其他特徵及元件之任何組合使用。另外，可在併入一電腦可讀媒體中之一電腦程式、軟體或韌體中實施本文中描述之方法以由一電腦或處理器執行。電腦可讀媒體之實例包含電子信號(經由有線或無線連接傳輸)及電腦可讀儲存媒體。電腦可讀儲存媒體之 實例包含但不限於一唯讀記憶體(ROM)、一隨機存取記憶體(RAM)、一暫存器、快取記憶體、半導體記憶體裝置、磁性媒體(諸如內置硬碟及可抽換式磁碟)、磁光媒體、及光學媒體(諸如CD-ROM光碟及數位多功能光碟(DVD))。
100A:發光二極體(LED)層
102:波長轉換層
103:短鏈分子
104:黏著劑層
120:基板

Claims (18)

  1. 一種發光裝置，其包括：一半導體二極體結構；一基板，其對由該半導體二極體結構發射之光透明且包括一平坦頂部表面、一相對定位底部表面、及連接該頂部表面及該底部表面之側表面，該底部表面安置於該半導體二極體結構上或鄰近該半導體二極體結構；一陶瓷磷光體波長轉換結構(ceramic phosphor wavelength converting structure)，其包括安置成鄰近該基板之該平坦頂部表面的一平坦表面；及一黏著劑層(adhesive layer)，其安置於該基板與該陶瓷磷光體波長轉換結構之間且使該基板及該陶瓷磷光體波長轉換結構彼此接合，該黏著劑層包括複數個短鏈分子(short chain molecules)，其等各具有小於或等於100奈米之一鏈長度、附接至該陶瓷磷光體波長轉換結構之該平坦表面之一第一端部、及附接至該基板之該頂部平坦表面之一第二端部。
  2. 如請求項1之發光裝置，其中該等短鏈分子各具有小於或等於10奈米之一鏈長度。
  3. 如請求項1之發光裝置，其包括塗覆該基板之該頂部表面或該陶瓷磷光體波長轉換結構之該平坦表面且促成將該等短鏈分子附接至該塗覆表面的一有機矽烷自組裝單層。
  4. 一種發光裝置，其包括：一半導體二極體結構；一基板，其對由該半導體二極體結構發射之光透明且包括一平坦頂部表面、一相對定位底部表面、及連接該頂部表面及該底部表面之側表面，該底部表面安置於該半導體二極體結構上或鄰近該半導體二極體結構；一陶瓷磷光體波長轉換結構，其包括安置成鄰近該基板之該平坦頂部表面的一平坦表面；及一黏著劑層，其安置於該基板與該陶瓷磷光體波長轉換結構之間且使該基板及該陶瓷磷光體波長轉換結構彼此接合，該黏著劑層包括施加一局部相位梯度(local phase gradient)之一奈米結構層，該局部相位梯度增大從該半導體二極體結構發射至該基板中且從該基板入射於該黏著劑層上之光之全內反射之一臨界角(critical angle)。
  5. 如請求項4之發光裝置，其中該奈米結構層施加一局部相位梯度，其將從該半導體二極體結構發射至該基板中且從該基板入射於該黏著劑層上之光之全內反射之該臨界角增大至至少60度。
  6. 如請求項5之發光裝置，其中該奈米結構層施加一局部相位梯度，其將從該半導體二極體結構發射至該基板中且從該基板入射於該黏著劑層上之光之全內反射之該臨界角增大至至少80度。
  7. 如請求項4之發光裝置，其中該奈米結構層係或包括一超表面或一超材料。
  8. 如請求項7之發光裝置，其中該超表面或超材料包括複數個奈米天線。
  9. 如請求項8之發光裝置，其中該複數個奈米天線經配置成一晶格。
  10. 如請求項8之發光裝置，其中各奈米天線具有小於或等於由該半導體二極體結構發射之光之一波長的一最大尺寸。
  11. 一種發光裝置，其包括：一半導體二極體結構；一基板，其對由該半導體二極體結構發射之光透明且包括一平坦頂部表面、一相對定位底部表面、及連接該頂部表面及該底部表面之側表面，該底部表面安置於該半導體二極體結構上或鄰近該半導體二極體結構；一陶瓷磷光體波長轉換結構，其包括安置成鄰近該基板之該平坦頂部表面的一平坦表面；及一黏著劑層，其安置於該基板與該陶瓷磷光體波長轉換結構之間且使該基板及該陶瓷磷光體波長轉換結構彼此接合，該黏著劑層包括複數個短鏈分子，其等各具有小於或等於100奈米之一鏈長度、附接至該陶瓷磷光體波長轉換結構之該平坦表面之一第一端部、及附接至該基板之該頂部 平坦表面之一第二端部；及一奈米結構層，其施加一局部相位梯度，該局部相位梯度增大從該半導體二極體結構發射至該基板中且入射於該黏著劑層上之光之全內反射之一臨界角。
  12. 如請求項11之發光裝置，其包括塗覆該基板之該頂部表面或該陶瓷磷光體波長轉換結構之該平坦表面且促成將該等短鏈分子附接至該塗覆表面的一有機矽烷自組裝單層。
  13. 如請求項11之發光裝置，其中該奈米結構層施加一局部相位梯度，其將從該半導體二極體結構發射至該基板中且從該基板入射於該黏著劑層上之光之全內反射之該臨界角增大至至少60度。
  14. 如請求項13之發光裝置，其中該奈米結構層施加一局部相位梯度，其將從該半導體二極體結構發射至該基板中且從該基板入射於該黏著劑層上之光之全內反射之該臨界角增大至至少80度。
  15. 如請求項11之發光裝置，其中該奈米結構層係或包括一超表面或一超材料。
  16. 如請求項15之發光裝置，其中該超表面或超材料包括複數個奈米天線。
  17. 如請求項16之發光裝置，其中該複數個奈米天線經配置成一晶格。
  18. 如請求項17之發光裝置，其中各奈米天線具有小於或等於由該半導體二極體結構發射之光之一波長的一最大尺寸。
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