专利名称：用于液晶显示器的发光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光装置，以及相关组件、工艺、系统及方法。
背景技术：
较之白炽光源和/或荧光源，发光二极管(LED)通常以更高效的方式提供 光照。与LED相关的较高的能效促使人们在各种照明应用中使用LED来取代 现有光源。例如，有时将LED用作交通信号灯，以及用来照亮移动电话键盘及 显示屏。
LED通常由多层构成，这些层中至少有一些是由不同材料构成的。选作这 些层的材料及厚度通常决定了该LED所发光的波长。此外，为了相对有效地转 换为光能，可对这些层的化学组合物做出选择以试图阻止注入的电荷载流子进 入某些区域(通常称为量子阱)。 一般，生长有量子阱的结一侧上的层掺杂有 形成高电子浓度的施主原子(通常称这些层为n型层)，并且相对侧上的层掺 杂有形成相对高的空穴浓度的受主原子(通常称这些层为p型层)。
制备LED的常见方法如下。以晶片(wafer)的形式制备这些材料层。一 般，通过使用外延沉积技术而形成这些层，例如有机金属化学气相沉积法 (MOCVD)，初始沉积层形成于生长基底上。然后对这些层进行多种蚀刻及 金属化技术以形成用于电流注入的接触部，随后将该晶片分成单个的L E D芯片 (chip)。通常对所述LED芯片进行封装。
使用时，通常将电能注入LED，然后被转换为电磁辐射(光)，从该LED 提取部分的所述电磁辐射。
发明内容
本发明涉及发光装置，以及相关组件、系统及方法。
在某些实施例中，系统包括系统及具有边的面板，且所述边具有厚度。所 述系统也具有发光装置，其设置成使得从发光装置发出的光投射到面板的边 缘，且发光装置具有一表面。发光装置表面的宽度与面板的边缘的厚度之比为 约0.5至约1.1。
实施例可包括下列中的一个或多个。
面板可为液晶显示器(LCD)。发光装置表面的长度可至少为约1毫米。 发光装置表面的长度可至少为约2毫米。发光装置表面的长度可至少为约3毫 米。发光装置表面的长度可至少为约5毫米。发光装置表面的长度可至少为约 IO毫米。
发光装置表面的宽度与面板的边缘的厚度之比可为约0.75至约1.05。发光装置表面的宽度与面板的边缘的厚度的之比可为约0.9至约1。
系统也可包括至少一个设置于发光装置和面板之间的光学组件。所述至少 一个光学组件可为均光器。发光装置可为非朗伯发光装置。发光装置可为光子 晶格发光装置。
发光装置可包括具有光生成区的多层材料堆叠，及由光生成区支撑的第一 层，以及第一层的表面，其配置成使光生成区生成的光经由该第一层的表面从 发光装置出射。第一层的表面可具有介电函数，所述介电函数根据图形而空间 变化，并且所述图形具有理想晶格常数和大于零的失谐参数值。第一层的表面 可具有根据非周期图形而空间变化的介电函数。第一层的表面可具有根据复杂 周期图形而空间变化的介电函数。第一层的表面可具有根据周期图形而空间变 化的介电函数。发光装置可包括发光二极管。发光装置可为单个发光装置。
发光装置可包括多个发光装置。多个发光装置可被设置为沿着面板的边缘 成锯齿状排列。多个发光装置可设置于多个列中。所述多个列可包括至少第一 列和第二列。第一列可具有配置成发出第一颜色的光的多个发光装置，并且第 二列可具有配置成发出第二颜色的光的多个发光装置，且第一颜色的光和第二 颜色的光是不同颜色的。系统也可包括第三列，其具有配置成发出第三颜色的 光的多个发光装置，且第一，第二及第三颜色的光是不同颜色的。第一，第二 及第三颜色可从由红、绿、蓝组成的组合中选取。所述边缘可为第一边缘，且 面板可包括第二边，边缘具有厚度。系统也可包括发光装置，其设置成使发光 装置发出的光投射到面板的第二边缘。
系统也可包括冷却系统，其配置成使得在使用时冷却系统能够调节发光二 极管的温度。发光装置可被安装于散热器上。
在一些实施例中，系统包括具有边缘的面板和发光装置阵列，该发光装置 阵列配置成使发光装置阵列发出的光投射到面板。发光装置阵列包括第一列发 光装置，第一列具有第一边缘与近似垂直于第一边缘的第二边缘；以及第二列 发光装置，第二列具有第一边缘、第二边缘和第三边缘，第二列的第一和第二 边缘近似平行于第一列的第一边缘，第二列的第二边缘近似平行于第一列的第 二边缘，并且第二列的第二边缘，在与第一列的第二边近似垂直的方向，偏离 第一列的第二边缘至少约0.05毫米。
实施例可包括下列一个或多个。
系统可包括第三列发光装置，第三列发光装置包括第一边缘和第二边缘， 第三列的第一边缘近似平行于第二列的第三边缘，第三列的第二边缘近似平行 于第二列的第二边缘，且第三列的第二边缘，从在与第一列的第二边近似垂直 的方向，偏离第二列的第二边缘至少约0.05毫米。面板可包括液晶显示器 (LCD)。第一列可包括多个配置为发出第一颜色的光的发光装置，第二列可
8包括多个配置为发出第二颜色的光的发光装置。第一和第二颜色的光是不同颜 色的。第三列可包括多个配置为发出第三颜色的光的发光装置。第一、第二和 第三颜色的光是不同颜色的。第一、第二和第三颜色可从由红、绿、蓝组成的 组合选取。
第一列可具有第一宽度，第二列可具有第二宽度，且第三列可具有第三宽 度。第一、第二及第三宽度之和与面板的边缘的厚度之比可为约0.5至约1.1。 发光装置阵列中的至少一个发光装置可包括由光生成区支撑的第一层，第一层 的表面被配置成使得光生成区生成的光能够经由第一层的表面，从发光装置出 射。第一层的表面可具有介电函数，所述介电函数根据图形而空间变化，并且 所述图形具有理想晶格常数和大于零的失谐参数值。第一层的表面可具有根据 非周期图形而空间变化的介电函数。第一层的表面可具有根据复杂周期图形而 空间变化的介电函数。第一层的表面可具有根据周期图形而空间变化的介电函 数。
第二列可偏离第一列和第三列至少约0.1毫米。第二列可偏离第一列和第
三列至少约0.2毫米。第二列可偏离第一列和第三列至少约0.3毫米。第二列 可偏离第一列和第三列至少约0.5毫米。第二列可偏离第一列和第三列至少约 l毫米。
系统也可包括至少一个设置f"发光装置和面板之间的光学组件。所述至少 一个光学组件可为均光器。发光装置可为非朗伯发光装置。发光装置可为光子 晶格发光装置。所述发光装置可为发光二极管。发光二极管阵列可包括从红色 发光二极管、蓝色发光二极管和绿色发光二极管组成的集合中选取的至少一个 发光二极管。发光二极管阵列可包括红色发光二极管、蓝色发光二极管和绿色 发光二极管。发光二极管阵列可放置为沿面板的边缘成锯齿状排列。系统也可 包括冷却系统，其配置成使用时冷却系统能够调节发光二极管阵列的温度。
在另一实施例中，系统包括具有边缘的面板，具有表面的发光装置，所述 表面具有由表面的外围界定的面积，及设置于从发光装置到面板边缘的光路中 的光学组件，所述光学组件包括孔，其具有由该孔的外围界定的面积。其中发 光装置的表面的面积与孔的面积之比为约0.5至约1.1。
实施例可包括下列的一个或多个。
面板可包括液晶显示器(LCD)。孔的外围可为矩形，并且发光装置可为 矩形。孔的外围可为圆形，并且发光装置可为圆形。孔的外围可为梯形，并且 发光装置可为梯形。孔的外围可为三角形，并且发光装置可为三角形。孔的外 围可为正方形，并且发光装置可为正方形。孔的外围可为多边形，并且发光装 置可为圆形。孔的外围可为多边形，并且发光装置可为多边形。孔的外围可为 六边形，并且发光装置可为六边形。孔的外围可为八边形，并且发光装置可为八边形。
发光装置可为非朗伯发光装置。发光装置可为光子晶格发光装置。发光装 置可包括一具有光生成区的多层材料堆叠，及由光生成区支撑的第一层，第一 层的表面配置成使光生成区生成的光经由该第一层表面从发光装置出射。第一 层的表面可具有介电函数，所述介电函数根据图形而空间变化，并且所述图形 具有理想晶格常数和大于零的失谐参数值。第一层的表面可具有根据非周期图 形而空间变化的介电函数。第一层的表面可具有根据复杂周期图形而空间变化 的介电函数。第一层的表面可具有根据周期图形而空间变化的介电函数。发光 装置可为发光二极管。
可配置光学组件使得从LED出射均匀光。可配置光学组件使得从LED发 出的光沿着面板的边缘传播。系统也可包括冷却系统，其设置成使用时冷却系 统调节发光装置的温度。发光装置可安装在散热器上。
在某些实施例中，系统包括具有边缘的面板和发光装置阵列，所述发光装 置阵列具有由发光装置阵列的外围界定的组合表面面积，以及设置于从发光装
置到面板边缘的光路中的光学组件，所述光学组件包括孔，所述孔具有由孔的 外围界定的面积，其中发光装置的组合表面面积与孔的面积之比为约0.5至约 1.1。
实施例可包括下列的 -个或多个。
面板可为液晶显示器(LCD)。孔的外围可为矩形，并且发光装置阵列的 外围可为矩形。孔的外围可为六边形，并且发光装置阵列的外围可为六边形。 发光装置阵列可包括六个发光装置，并且发光装置阵列中的各发光装置可具有 界定为三角形状的外围。孔的外围可为八边形，并且发光装置阵列的外围可为 八边形。发光装置阵列可包括八个发光装置，并且发光装置阵列中的各发光装 置可具有界定为三角形状的外围。孔的外围可为圆形，并且发光装置阵列可为 圆形。发光装置阵列可包括四个发光装置，并且发光装置阵列中的各发光装置 可具有界定为约1/4圆形状的外围。发光装置阵列可包括两个发光装置，并且 发光装置阵列中的各发光装置可具有界定为约1/2圆形状的外围。发光装置阵 列可包括六个发光装置，并且发光装置阵列中的各发光装置可具有界定为约1/6 圆形状的外围。发光装置阵列可包括八个发光装置，并且发光装置阵列中的各 发光装置可具有界定为约1/8圆形状的外围。孔的外围可为梯形，并且发光装 置阵列的外围可为梯形。孔的外围可为三角形，并且发光装置阵列的外围可为 三角形。孔的外围可为正方形，并且发光装置阵列的外围可为正方形。
至少一个发光装置可为非朗伯发光装置。至少一个发光装置可为光子晶格 发光装置。发光装置阵列中的至少一个发光装置可包括由光生成区支撑的第一 层以及第一层的表面，第一层的表面配置成使光生成区生成的光经由第一层的
10表面从发光装置出射。第一层的表面可具有介电函数，所述介电函数根据图形 而空间变化，并且所述图形具有理想晶格常数和大于零的失谐参数值。第一层 的表面可具有根据非周期图形而空间变化的介电函数。第一层的表面可具有根 据复杂周期图形而空间变化的介电函数。第一层的表面可具有根据周期图形而 空间变化的介电函数。
至少一个发光装置可为发光二极管。发光二极管阵列可包括从由红色发光 二极管、蓝色发光二极管、绿色发光二极管组成的组合中选取的至少一个发光 二极管。发光二极管阵列可包括至少一个红色发光二极管，至少一个蓝色发光 二极管，及至少一个绿色发光二极管。光学组件可被设置为从LED发出均匀光。
光学组件可被设置成将从LED发出的光沿着面板的边缘传播。系统也可包括冷
却系统，其配置成使得使用时冷却系统调节发光二极管的温度。发光装置阵列 可被安装于散热器上。
说明书、附图及权利要求书中记载了本发明的特征及优点。
图1为发光系统的示意图； 图2A-2D为光显系统的示意图； 图3为光显系统的示意图； 图4A为LED的俯视示意图4B为光显系统的示意图5为光显系统的不意图6为光显系统的示意图7为光显系统的示意图8A及8B为光显系统的示意图;
图9为光显系统的示意图IO为光显系统的示意图11为光显系统的示意图12A为光显系统的示意图12B为光显系统的示意图13为光显系统的示意图14A为光显系统的示意图14B为LED阵列的俯视图15为光显系统的示意图16为LED阵列的俯视图； 图17为LED阵列的俯视图；图18为LED阵列的俯视图；图19为LED阵列的俯视图20为LED阵列的俯视图21为光显系统的示意图22A为光学组件和LED阵列的示意图22B为图22A的LED阵列的剖视图22C为图22A的光学组件的剖视图23A为光学组件和LED阵列的示意图23B为图23A的LED阵列的剖视图23C为图23A的光学组件的剖视图24A为光学组件和LED阵列的示意图24B为图24A的LED阵列的剖视图24C为图24A的光学组件的剖视图25A为光学组件和LED阵列的示意图25B为图25A的LED阵列的剖视图25C为图25A的光学组件的剖视图26A为光学组件和LED阵列的示意图26B为图26A的LED阵列的剖视图26C为图26A的光学组件的剖视图27A为光学组件和LED阵列的示意图27B为图27A的LED阵列的剖视阁；
图27C为图27A的光学组件的剖视图28A为光学组件和LED阵列的示意图28B为图28A的LED阵列的剖视图28C为图28A的光学组件的剖视图29A为光学组件和LED阵列的示意图29B为图29A的LED阵列的剖视图29C为图29A的光学组件的剖视图30为光显系统的示意图31为光显系统的示意图32为具有已刻图表面的LED的剖视图33为图12的LED的已刻图表面的俯视图34为具有已刻图表面的LED的提取效率与失谐参数的函数关系的曲线
图35为LED的已刻图表面的傅立叶变换的示意12图36为具有已刻图表面的LED的提取效率与最近邻距离的函数关系的曲线图37为具有已刻图表面的LED的提取效率与填充因子的函数关系的曲线
图38为LED的已刻图表面的俯视图；图39为具有不同表面图形的LED的提取效率的曲线图；图40为具有不同表面图形的LED的提取效率的曲线图；图41为具有不同表面图形的LED的提取效率的曲线图；图42为具有不同表面图形的LED的提取效率的曲线图；图43为两个具有不同已刻图表面的LED的傅立叶转换与这些LED的辐射发射光谱相比较的示意图44为具不同表面图形的LED的提取效率与角度的函数关系的曲线图；图45为具有已刻图表面以及已刻图表面上的磷层的LED的侧视图；图46为多层堆叠的剖视图；图47为多层堆叠的剖视图48为多层堆叠的剖视图；图49为多层堆叠的剖视图；图50为基底去除工艺的侧视图；图51为多层堆叠的局部剖视图；图52为多层堆叠的局部剖视图；图53为多层堆叠的局部剖视图；图54为多层堆叠的局部剖视图；图55为多层堆叠的局部剖视图；图56为多层堆叠的局部剖视图；图57为多层堆叠的局部剖视图；图58为多层堆叠的局部剖视图；图59为多层堆叠的局部剖视图；图60为多层堆叠的局部剖视图；图61为多层堆叠的局部剖视图；图62为多层堆叠的局部剖视图；图63为多层堆叠的局部剖视图；图64为多层堆叠的局部剖视图；图65为多层堆叠的局部剖视图；图66为多层堆叠的局部剖视图；图67为多层堆叠的局部剖视图；图68为多层堆叠的局部剖视69为多层堆叠的局部剖视图
图70为多层堆叠的局部剖视71为多层堆叠的局部剖视72为多层堆叠的局部剖视73为多层堆叠的局部剖视74为多层堆叠的局部剖视75为多层堆叠的局部剖视76为多层堆叠的局部剖视77为多层堆叠的局部剖视78为多层堆叠的局部剖视79为多层堆叠的局部剖视80为多层堆叠的局部剖视81为多层堆叠的局部剖视82为多层堆叠的局部剖视83为多层堆叠的局部剖视84为多层堆叠的局部剖视85为多层堆叠的局部剖视86为多层堆叠的局部剖视87为多层堆叠的局部剖视图阁88为多层堆叠的局部剖视89为多层堆叠的局部剖视90为多层堆叠的局部剖视91为多层堆叠的局部剖视92为多层堆叠的局部剖视93为多层堆叠的局部剖视94为多层堆叠的局部剖视95为晶片的立体图；图96为晶片的立体图；图97A为LED的立体图；图97B为LED的俯视图；图98A为LED的俯视图；图98B为LED的局部剖视图；图98C为等效电路图；图99A为LED的俯视14图99B为等效电路图100A为LED的俯视图100B为等效电路图IOIA为LED的俯视图101B为LED的局部剖视图101C为LED的局部剖视图102为结电流密度的曲线图103A为多层堆叠的俯视图103B为LED的局部剖视图104为接触部的视图105为封装LED的视图106为封装LED及散热器的视图107为电阻的曲线图108为结温的曲线图。
图109为封装LED的视图IIOA为LED的局部剖视图IIOB为LED的已刻图表面的俯视图
图110C为LED的己刻图表面的俯视图
图110D为LED的已刻图表面的俯视图
图111为LED的局部剖视图112为LED的局部剖视图113为LED的局部剖视图114为多层堆叠的局部剖视图115为多层堆叠的局部剖视图； 图116为多层堆叠的局部剖视图； 图117为多层堆叠的局部剖视图； 图118为多层堆叠的局部剖视图； 图119为多层堆叠的局部剖视图； 图120为多层堆叠的局部剖视图； 图121为多层堆叠的局部剖视图； 图122为多层堆叠的局部剖视图123为LED的局部剖视图； 图124为LED的局部剖视图； 图125为LED的局部剖视图； 图126为多层堆叠的局部剖视15图127为多层堆叠的局部剖视图128为多层堆叠的局部剖视图129为多层堆叠的局部剖视图130为多层堆叠的局部剖视图131为多层堆叠的局部剖视图132为多层堆叠的局部剖视图133为多层堆叠的局部剖视图134为LED的局部剖视图135为LED的局部剖视图136A和136B为反射表面的示意图137为发光量与波长的关系的曲线图;
图138A为反射表面的示意图138B为反射表面的示意图139A为约束条件的示意图139B为截止频率的曲线图140为发光量与波长的关系的曲线图141为发光量与波长的关系的曲线图。
各附图中的相同的标号表示相同的元件。
具体实施例方式
图1为其中合并有LED 100阵列60的发光系统50的示意图。阵列60配 置成在使用时，从LED 100 (参见以下的论述)出射的光经由表面55从系统 50出射。
发光系统的实例包括投影仪(例如背投(rear projection)投影仪、正投(front projection)投影仪)、便携电子设备(例如移动电话、个人数字助理、膝上型电 脑)、计算机监视器、大面积标志牌(例如公路标志牌)、车辆内部照明(例 如仪表盘照明)、车辆外部照明(例如车辆前灯，包括可变色前灯)、通用照 明(例如办公室天花板照明设备)、高强度照明(例如街灯)、照相机闪光灯、 医用装置(例如内窥镜)、电信(例如用于短程数据传输的塑料光纤)、安全 传感(例如生物测量)、集成光电(例如片外及片内光互连及光计时)、军事 领域通信(例如点对点通信)、生物传感(例如有机或无机物质的光检测)、 光动力疗法(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、手术镜、可穿用光源(例如救生衣)。背投投影仪的实例 有背投电视机。正投投影仪的实例有用于在表面(例如屏幕或墙)上显示的投 影仪。在一些实施例中，膝上型电脑可包括正投投影仪。表面55通常由这样一种材料构成，所述材料对从LED 100出射且射到表 面55的光至少传输约20% (例如至少约30%、至少约40%、至少约50%、至 少约60%、至少约70%、至少约80%、至少约90%、至少约95%)。可构成表 面55的材料的例子包括玻璃、硅石、石英、塑料及聚合物。
一些实施例中，可以期望从各LED 100出射的光(例如总光强、作为波长 函数的光强、和/或峰值发射波长)基本相同。 一个实例为显示应用(例如实 现鲜明的纯色显示)中的基本为单色的光源(例如LED)的时序控制。另一实 例为实施于电信中，该例有利于光系统中特定波长的光从光源行进至光导(light guide)，且从光导行进至检测器。再一实施例为使用颜色指示信令的车辆照明。 另外的实施例为医疗应用中(例如光敏药物活化或生物传感应用，其中波长或 颜色响应是较佳的)。
在某些实施例中，可以期望从至少一些LED100出射的光(例如总光强、 作为波长函数的光强和/或峰值发射波长)与从其他LED 100出射的光(例如 总光强、作为波长函数的光强、和/或峰值发射波长)是不相同的。 一个实例 为在通用照明中(例如多波长可增进显色指数(CRI)的情况)。CRI是当发光系 统照射时物体颜色与当在可比相关温度的参照发光系统(例如日光)下观看相 同物体时比较出的颜色的色差量的度量。另一实施例为照相机闪光灯(例如需 要用于被照相物体或对象的真实表现的相当高的CRI，如基本与正午阳光的 CRI接近)。再一实例为医用设备(例如基本恒定的CRI对组织、器官、流体 等的鉴别和/或鉴定是较好的)。另外的实施例为背光显示器(例如对人眼通 常较舒适或自然的某种CRI白光)。
尽管图1以阵列的形式显示，但LED 100可为不同的配置。例如，在一些 实施例中，系统50包括单个LED100。 乂如，在某些实施例中，可将阵列设置 为弧形以帮助来自多个光源的光以不同角度指向同一点(例如透镜之类的光学 镜)。再如，在一些实施例中，可将该装置阵列布置为六角形以容许紧灌封装 (close-packing)及高效表面亮度。还如，在某些实施例中，可使这些装置分 布在镜子(如二向色镜(dichroic mirror))的周围，所述镜子将来自阵列中 LED的光进行组合或反射。
在图1中，从LED100出射的光显示为从LED100直接行进至表面55。然 而在一些实施例中，从LED100出射的光可由间接路径从LED行进至表面55。 例如，在一些实施例中，系统50包括单个LED100。又如，在某些实施例中， 来自LED100的光聚焦于微显示器上(例如聚焦于诸如数字光处理器(DLP)或液 晶显示器(LCD)的光阀上)。再如，在一些实施例中，通过多种光学镜、镜子 或偏振镜(polarizer)(例如用于LCD)来引导光。还如，在某些实施例中， 通过主镜或从镜投射光，例如， 一片透镜或一组透镜。
17图2A示出了包括非朗伯(non-Lambertian)LED 1110 (参见下文的描述)、 透镜1120及微显示器1130的光显系统1100 (参见上文的描述)。LED1110 与透镜1120相距距离L1，而微显示器1130与透镜1120相距距离L2。选择距 离Ll及L2，使得对于LED1110所发出的射到透镜1120的光，透镜1120的像 平面与微显示器1130其上射有该LED所发光的表面重合。
对于这一结构，系统1100可利用LED1110所发光以相对有效地照亮该微 显示器1130的表面，发出光的LED1110的表面形状与由该LED1110所发光照 亮的微显示器1130的表面形状基本相同。例如，在一些实施例中，LED1U0 的纵横比(aspectratio)与微显示器1130的纵横比之比为约0.5至约2(例如从约 9/16至约16/9，从约3/4至约4/3，约l)。例如，该微显示器1130的纵横比 可为1920x1080、 640x480、 800x600、 1024x700、 1024x768、 1024x720、 1280x720、 1280x768、 1280x960或1280x1064。
一般，微显示器1130的表面和/或LED1110的表面可具有任何所需的形 状。这些形状的实例包括正方形、圆形、矩形，三角形、梯形及六边形。
在一些实施例中，光显系统可相对有效地照亮微显示器1130的表面而无 需LED1110与微显示器1130之间的透镜，同时发光的LED1110的表面形状与 由该LED1110所发光照亮的微显示器1130的表面形状是基本相同的。例如， 图2B示出了系统1102，其中可使正方形LED1110成像于正方形微显示器1130 上而LED1110与微显示器1130之间无需有透镜。又如，图2C示出了光显系 统1104，其中使矩形LED1110成像于矩形微显示器1130 (具有相似比例的纵 横比)而无需LED1110与微显示器1130之间的透镜。
在某些实施例中，LED1U0与微显示器1130之间可置有变形透镜 (anamorphic lens)。例如，这在当LED 1110的纵横比与微显示器U 30的纵横比 基本不相同时是需要的。例如，图2D示出了系统1106，它包括基本正方形表 面的LED1110、基本矩形表面的微显示器1130(例如纵横比为约16:9或约4:3) 以及置于LED1110与微显示器1130之间的变形透镜1120。在此实例中，变形 透镜1120可用于将LED1110所发光的形状转换为与微显示器1130的表面形状 基本相配。通过增加LED1110表面所发出的、投射到微显示器1130表面的光 的量来增进该系统的效率。
图3示出了包括LED1110、透镜1120及微显示器1130的光显系统1200。 LED1110的发光表面具有连接电导线1115的接触区域(参见下文的描述)。 LED1110与透镜1120相距距离L3，而微显示器1130与透镜1120相距距离L4。 电导线1115挡住了从LED1U0的接触区域发出的光。若其上射有LED1110所 发光的微显示器1130的表面的平面与透镜1120的像平面重合，微显示器1130 的这一表面上会出现与LED1110发光表面的接触区域相对应的一组黑点1202。为了减少微显示器1130的这一表面上黑点所覆盖的面积，选择距离L3及L4， 使得对于LED1110所发出的射到透镜1120的光，透镜1120的像平面与其上射 有LED1110所发光的微显示器1130的表面平面不重合(即，在透镜1120的像 平面与其上射有该LED1110所发光的微显示器1130的表面的平面之间存在距 离AL)。对于这一设置，来自LED1110的光在其上射有LED1110所发光的微 显示器1130的表面平面中散焦，而且与透镜1120的像平面相比，该微显示器 1130的这一表面上的合成光强更均匀。LED与微显示器1130之间的总距离可 表示为LED1110与像平面1120之间的距离(L5)加上距离AL。 一般，随着 增加LED1110与微显示器1130之间的距离而使得AL增加，该黑点的强度减 少，但LED所发的射到微显示器1130表面的光的强度减少。或者，当平移微 显示器以使LED1110与微显示器1130之间的距离减少时，强度大于像平面处 的强度，但仅部分地照亮微显示器。在一些实施例中，AL/L5的绝对值为从约 0.00001至约l(例如从约0.00001至约0.1，从约0.00001至约0.01，从约0.00001 至约0.001，或从约0.00001至约0.0001)。在一些实施例中，可使用多个LED 来照亮单个微显示器(例如3x3LED矩阵)。这种系统是需要的，因为当布置 多个LED来照亮单个微显示器时，若一个LED失效，则该系统仍然可用(尽 管由于缺失来自特定LED的光而存在黑点)。若使用多个LED来照亮单个微 显示器，可将该光系统配置成使得微显示器的表面上不显示黑点。例如，可将 该微显示器平移至像平面之外以使这些LED之间的区域不会导致黑点。
在一些实施例中，可通过适当地设置LED1110表面的接触区域来减少微显 示器1130表面上的黑点的强度。例如，图4A示出了沿LED1110周边设置有 接触区域的LED1110的俯视阁。对于这一结构，不论是否存在透镜(散焦或不 散焦)，光显系统可设置为(例如通过适当确定微显示器1130表面面积的大 小)使得表面1130上由LED1110表面的接触区域造成的黑点的强度相对较小。 这一方法可运用于包括多个LED (例如3x3LED矩阵)的系统。
又如，图4B示出了包括LED1110及微显示器1130的光显系统300。 LED1110包括由导线1115形成的接触区域，选择接触区域使得黑点1202出现 在微显示器1130表面上不成像的区域中。在本实例中，微显示器1130的表面 可位于透镜1120的像平面，因为黑点落在透镜1120像平面处的微显示器1130 成像区域之外。若LED1110的形状与微显示器1130的形状相配，则可，例如， 将导线1115绕LED1100的周边设置于其表面上。在本实例中，表面1110的接 触区域的内部范围与微显示器1130的表面相配(例如纵横比相似)。这一方 法可运用于包括多个LED (如3x3LED矩阵)的系统。
再如，图5示出了包括LED1110及微显示器1130的光显系统1700。 LED1110亦包括由导线1115形成的接触区域，以及将LED1110所发的光导向透镜1120的均光器(Homogenizer)1702 (亦称为光隧(light tunnel)或光管(light pipe))。从均光器1702的内表面折回的LED1110所发光的全内反射可生成基 本均匀的光输出分布，并且能够减少由导线1115造成的黑点的显现，从而使 得微显示器1130基本可通过LED1110均匀地照亮(例如生成于像平面1131 中的图像基本是均匀的)。
视需要，系统1700可包括一或多个附加光学组件。例如，在一些实施例 中，光显系统1700亦可包括置于该均光器之前的光路中的透镜以将光聚焦到 该均光器中。在某些实施例中，均光器1702的孔的纵横比与LED1110的纵横 比相配以使得当LED1110贴着均光器1702安装时，无需附加透镜，或者以使 得可利用均光器1702前的透镜更有效地将光耦合入均光器1702。
还如，图6示出了包括LED1110及微显示器1130的光显系统1710。 LED1110亦包括由导线1115形成的接触区域以及置于LED1110与透镜1120 之间的一组多个透镜1712。透镜1712可为多种尺寸、形状及数量。例如，透 镜1712的数量及尺寸可与LED1110的截面积成比例。在一些实施例中，透镜 1712包括一组透镜，所述透镜的尺寸例如为在约lmm至约10cm之间、数量 为在约1个至约100个之间。LED1110所发的光进入透镜1712且被折射。由 于透镜1712的表面呈弧形，该光以不同的角度折射使得从透镜1712出射的光 束交叠。光束的交叠减少了由导线1115所造成黑点的显现以使LED1110基本 均匀地照亮微显示器1130 (例如生成于像面1131中的图像基本是均匀的)。
尽管光显系统已描述为包括单个透镜，但在一些实施例中，可使用多个透 镜。此外，在某些实施例中，除透镜之外亦可使用一个或多个其他光学元件。 这些光学元件的实例包括镜子、反射镜(reflector)、准直器(collimator)、 分束器(beamsplitter)、合束器(beam combiner) 、 二色镜、滤光器(filter)、 偏振镜、偏振分束器、棱镜、全内反射棱镜、光纤、光导及均束器(beam homogenizer)。适当光学元件的选择以及在系统内元件的相应排列对于本技术 领域中技术人员是公知的。
此外，尽管己描述光显系统为包括一个非朗伯(non-Lambertian) LED，但 在一些实施例中，可使用一个以上的非朗伯LED来照亮微显示器1130。例如， 图7示出了系统1500，它包括与该微显示器1130的表面光连通的蓝色LED1410 (主输出波长从约450到约480nm的LED)、绿色LED1420 (主输出波长从 约500到约550nm的LED)及红色LED1430(主输出波长从约610到约650nm 的LED)。可将LED1410、 1420及1430设置为同时激活、顺序激活，或两者。 在其他实施例中，这些LED中的至少一些与独立的微显示器表面光连通。
在一些实施例中，顺序激活LED1410、 1420及1430。在这些实施例中， 观察者的眼睛通常会保留且混合由这些LED的多个色彩生成的图像。例如，若
20一帧画面的特定像素(或一组像素)或微显示器(或部分的微显示器)欲显示
为紫色，则可在刷新周期的适当部分以红色LED1430及蓝色LED1410照亮该 微显示器的表面。观察者的眼睛混合红色及蓝色并且"看见"紫色的微显示器。 为了使人无法察觉这些LED是顺序照亮的，可使用适当频率(如大于120Hz 的刷新率)的刷新周期。
LED1410、 1420及1430可有多种强度及亮度。例如，绿色LED1420的效 率可能低于红色LED1430或蓝色LED1410。由于特定的LED (例如绿色 LED1420)的效率较低，其很难用该较低效率LED (例如LED1420)发出的足 够高亮度的彩色光(如绿色)来照亮该微显示器的表面。为了补偿效率的不一 致(生成不因光亮度的不同而失真的图像)，可对多个LED的激活周期进行调 整。例如，效率最低的LED所分配到的激活时间比效率更高的LED的激活时 间更长(即更长的时间段)。在特定实例中，对于红/绿/蓝投影系统，将占空 因数(duty cycle)分配之比为1/6:2/3:1/6 (红:绿:蓝)，而不是1/3:1/3:1/3。在 另一实例中，占空因数之比可为0.25:0.45:0.30 (红:绿:蓝)。在其他实例中， 可进一步增加专用于激活绿色LED的占空因数。例如，专用于对绿色LED1420 成像的占空因数可大于约40%(例如大于约45%、如大于约50%、大于约60%、 大于约70%、大于约80%、大于约90%)。 一些实施例中，各LED的占空因 数不同。例如，红色LED1430的占空因数可大于蓝色LED1410的占空因数。 尽管已描述了根据LED的强度和/或亮度来选择LED激活周期的系统，但在 一些实施例中，可根据一或多个其他参数来选择LED的激活时间。在一些实施 例中，效率最低发光装置的激活时间为另一发光装置激活吋间的至少约1.25倍 (例如，至少约1.5倍、至少约2倍、至少约3倍)。
图8A示出了基于液晶显示器(LCD)的光显系统1720的实施例，其包括 与相关LCD面板1728、 1730及1732的表面光连通的蓝色LED1410、绿色 LED1420及红色LED1430 (例如，如上所述的)。光显系统1720亦包括在 LED1410、 1420及1430与相关LCD面板1728、 1730及1732之间相应光路中 的透镜1722、 1724及1726。透镜1722、 1724及1726将光聚焦在相关LCD面 板1728、 1730及1732上。光显系统1720进一步包括装置1734 (例如分光合 色棱镜(x-cube))，所述装置1734将多束来自LCD面板1728、 1730及1732 的光合并为可导向投影镜1735或其他显示器的单束光1736 (以箭头示出)。 视需要，光显系统1720可包括在传输所需偏振(例如'p'偏振)的同时反射另 一偏振(例如's'偏振)的偏振镜。该偏振镜可置于LED1410、 1420及1430与 相关透镜1722、 1724及1726之间、透镜1722、 1724及1726与相关LCD面 板1728、 1730及1732之间，或者沿光路的其他位置。如图8B所示，在一些 实施例中，如上所述，LED (例如LED1430)的纵横比可与微显示器(例如微
21显示器1732)的纵横比相匹配。
图9示出了基于数字光处理器(DLP)的光显系统1750的实施例，它包括 分别与相关透镜1722、 1724和1726光连通(如上所述)的蓝色LED1410、绿 色LED1420及红色LED1430 (如上所述)。LED1410、 1420及1430所发的光 穿过相关透镜1722、 1724及1726并且由装置1734 (例如分光合色棱镜)收集， 所述装置1734将LED1410、1420及1430所发的多束光合并为可导向全内反射
(TIR)棱镜1752的单束光。例如，可通过镜子1754或诸如光导的其他装置 将从分光合色棱镜1734出射的光导向TIR棱镜1752。 TIR棱镜1752反射光且 将该光导向DLP面板1756。 DLP面板1756包括可被启动而生成特定图像的多 面镜子。例如，特定镜子既可反射光1760 (以箭头示)以把光导向投影镜1755， 也可使得该光从投影镜1755反射。LED1410、 1420及1430与DLP面板1756 的结合能够更佳地控制信号。例如，可通过打开或关闭LED1410、 1420及1430 以及DLP面板1756中的这些镜子减少送至DLP面板1756的数据量。例如， 若特定图像中不需要红色，则可关闭红色LED1430，无需向DLP面板1756发 送信号来切换相关的镜子。例如，调节这些LED的能力可增进，例如，颜色质 量、图像质量或对比度。
图10示出了基于硅基液晶(LCOS)的光显系统1770的特定实施例，该系 统包括分别与相关偏振分束器1774、 1778及1782光连通的蓝色LED1410、绿 色LED1420及红色LED1430 (如上所述)。LED1410、 1420及1430所发的光 穿过相关的偏振分束器1774、 1778及1782并且投影在相关的LCOS面板1772、 1776或1780上。由于LCOS面板1772、 1776及1780并不是对所有的光偏振 都敏感的，所以偏振分束器1774、 1778及1782根据LCOS面板1772、 1776 及1780的灵敏度将光偏振为特定偏振(例如通过在传输所需偏振(例如该'p' 偏振)的同时反射另-偏振(例如该's'偏振)，阻碍一些光的偏振且通过其他 偏振)。利用装置1734 (例如分光合色棱镜)收集从LCOS面板1772、 1776 及1780反射的光，所述装置1734将来自多个LCOS面板1772、 1776及1780 的光束合并以生成导向投影镜1795的光束1790 (通过箭头表示)。
尽管在上述实例中，光显系统包括红色、绿色及蓝色发光装置，但其他颜 色或组合亦是可行的。例如，该系统不必仅包括三种颜色。亦可包括如黄色等 其他颜色且分配一部分占空因数给它。或者，可将具有不同主波长的多个LED 进行光组合以产生合成色。例如，可将蓝-绿LED (例如主波长为在蓝色与绿 色的波长之间的LED)与黄色LED组合以产生"绿色"光。 一般，可根据需要 选择LED的数量及各LED的颜色。亦可包括附加微显示器。
在一些实施例中，可通过多种数据压縮技术及算法来增加该较低效率LED
(例如绿色)的占空因数。例如，仅发送图像信息中与前图像的差异而不是发送重构各图像所需的所有信息可使数据率得到增加。使用这种方法仅需发送较 少数据，对于给定刷新周期的补色，允许更高的数据率并降低占空因数。
在使用多个LED来照亮给定微显示器的实施例中，在沿一个或多个LED
与微显示器之间的光路上可设置或可不设置光学元件。例如，可使用分光合色
棱镜或一组分色镜来将来自多个LED的光合并在单个微显示器上。在沿光路设 有光学元件的实施例中，各LED可使用不同的光学元件(例如，若这些LED 表面的尺寸或形状不同)，或相同的光组件可用于不止一个的LED。
在--些实施例中，通过在分配给该特定LED的激活时间中的一部分时间照 亮显示器，来获得基于图像所需色度的特定颜色的不同亮度。例如，为了获得 深蓝(intense blue)，可激活该蓝色LED达整个激活时间，对于较浅蓝(less intense blue)，可仅在总分配激活时间的一部分中激活该蓝色LED。例如，可 以通过一组镜子来调节所述激活时间中用于照亮显示器的那部分时间，可以把 这组镜子定位成使光通过到达微显示器，或使光反射离开微显示器。
在某些实施例中，可启动可移动微显示器(例如可移动镜)阵列来生成需 要的强度。例如，各微镜可代表一像素，且可通过对该微显示器的定位来确定 该像素的强度。例如，微镜可处于打开或关闭状态，并且在特定颜色的LED的 激活时间期间，打开状态所占时间的比例决定图像的强度。
一般，在使用多个LED的实施例中， 一个或多个LED (例如各LED)具 有如上所述的相对于微显示器1130纵横比的纵横比关系。
图11示出了包括LEDlllO、微显示器1130、冷却系统1510以及传感器 1520的光显系统1600，所述传感器1520与LEDlllO热连通，且与冷却系统 1510电连通，以使得在系统1600使用期间，可使用传感器1520及冷却系统 1510来调节LEDlllO的温度。例如，当LEDlllO为相对较大的LED (参见下 文的描述)时需要这样，因为这种LED可产生巨大的热量。对于如图ll所示 的结构，通过使用传感器1520及冷却系统1510来冷却LEDlllO可增加 LEDIUO的功率输入量(主要的，在更高驱动电流下工作效率提高)，同时减 少LEDlllO损坏的危险。冷却系统的实例包括热电冷却器、风扇、热管及液体 冷却系统。传感器1520，例如，可为手动控制或电脑控制的。在一些实施例中， 该系统可不包括传感器(例如，始终开启或者手动控制冷却系统)。使用冷却 系统具有多种优点，如减少由过热造成的LED的损坏可能性以及在更高驱动电 流下LED的效率提高。该冷却系统亦可减少由温度诱导的波长变化。
在一些实施例中，非朗伯LED的使用导致光的角度分布不均匀。在这些实 施中，可将该微显示器平移离开像面以减少角度不均匀的现象。在某些实施例 中，可使用电或光连接来获得送至微显示器的信息流。在某些实例中，使用光 连接可增加信息流率。在一些实施例中，可增大PLLED或其他非朗伯源的尺寸，而且可以较小 的角度来收集光。这可增大显示器上图像的强度。
图12A和12B示出了包括多个LED 2202、均光器2208及液晶显示器(LCD) 面板2212的光显系统2200。 LED 2202沿LCD面板2212的边缘2211设置， 并且发出光(箭头2206所示)以照亮LCD面板2212，从而让LCD面板2212 显示图像。由LED 2202发出的光2206投射到将光2006导至LCD面板2212 (箭头2210所示)的均光器2208 (如光隧道、光管道)上。脱离均光器2208 内表面的光2006的全内部反射生成基本均匀的光2210的输出分布，使得LCD 面板2212由LED 2202基本均匀地照亮(例如，LCD面板2212的进光边2211 的分布基本均匀)。例如，在一些实施例中，基本均匀的光分布包括的光分布 具有在边缘2211的不同位置处至多约20% (例如，至多为约10%，至多为约 5%，至多为约1%)变化的强度和/或颜色分布。进入LCD面板2212的边缘2211 后，光2210脱离内表面和/或LCD面板2212内的散射中心(由箭头2215表示) 反射；并且从LCD面板2212的前表面2213出射(由箭头2217表示)。
LED 2202可包括多个装置，分别发出不同波长的光(例如，红、绿、蓝、 青、黄、紫)或发出单色光(例如，基本为白色)。虽然在如图12A和12B所 示的光显系统2200中，从LED 2202发出的光2206穿过光均化器2208，如图 13所示；但是在-些实施例中，从LED 2202发出的光(如箭头2214所示)投 射到LCD面板2212的边缘2211上，无需穿过额外的光学元件。据信，在一 些实施例中，当光反弹远离反射面或LCD面板2212 (例如，如图12B所示) 内的散射中心时，通过在LCD面板2212内，混合由LED 2202发出的不同波 长或颜色的光，形成基本均匀的光分布。
图14A显示包括多个为LCD面板2212提供照明的LED2216a、2216b、 2216c 和2216d的光显系统2229。图14B显示光通过LED 2216a、 2216b、 2216c和 2216d的表面2222出射的俯视图。LED2216a、 2216b、 2216c和2216d的形状 和布局可沿着面板2212的边2211根据需要改变。图14A和14B显示多个矩形 裸芯(die)沿面板2212的边2211排列的示例设置。LED 2216a、 2216b、 2216c 和2216d可被安装于距边缘2211的距离处2230。作为例子，距离2230可以较 小(例如，约一毫米或更少，约两毫米或更少，约三毫米或更少，约五毫米或 更少，或约十毫米)。可选地，如图15所示，LED 2216a、 2216b、 2216c和 2216d可被附加于和/或直接嵌在LCD面板2212上。
光显系统2229可包括发出各色光的LED。例如，光显系统2229可包括蓝 色LED(主输出波长约450至约480nm的LED)，绿色LED(主输出波长约500 至约550nm的LED)和红色LED(主输出波长约610至650nm的LED)，这些LED 与LCD面板2212的边缘2211光学连通。可有其它颜色和组合。例如，系统
24不必具有所有这三种颜色或仅有这三种颜色。可包括另外的颜色诸如黄色(主
输出波长约570至约600nm的LED)和/或青色(主输出波长约480至约500nm 的LED)。在五色LED系统(红、绿、蓝、黄、青)中，对于蓝色需要主输 出波长为约430至约480。
如上所述，LED的各种颜色可具有不同的强度和/或亮度。例如，与红色或 蓝色LED相比，绿色LED可具有较低的效率。由于个别的LED具有较低的效 率，在一些实施例中，增加个别颜色的LED的数目或尺寸以补偿效率的不一致 是较佳的。例如，与更有效率的LED相比，效率最低的LED所布署发射区占 较大比例(例如，较大的总表面积)。作为例子，在光显系统2229内，LED 2216a、 2216b、 2216c和2216d可包括一个红色的LED、 一个蓝色的LED以及两个绿 色的LED。可根据需要改变颜色的数量和组合。
在一些实施例中，光显系统2229可包括一个或多个裸芯(例如， 一个或 多个LED 2216a、 2216b、 2216c和2216d)，其具有配置成与LCD面板2212 的厚度2224相匹配的宽度2220。例如，宽度2220与厚度2224之比可为约0.5 至约1.3 (例如，约0.5，约0.6，约0.7，约0.8，约0.9，约l，约l.l，约1.2， 约1.3)。
可选取LED的宽度，使得耦合进LCD面板的光相对于LED的照明剖面增 加。在一些实施例中，LED2216a、 2216b、 2216c和2216d的宽度2220可能需 小于LCD面板2212的厚度2224，使得从LED发出的光基本耦合进LCD。例 如，宽度2220可比厚度2224少至少约0.5毫米(例如至少约1毫米，至少约 2毫米，至少约3毫米，至少约4毫米，至少约5毫米)。在.胜实施例中，LED 2216a、 2216b、 2216c和2216d的宽度2220可能需大于LCD面板2212的厚度 2224，使得从LED发出的光投射到LCD面板2212的实体部或整个边2211上。 例如，宽度2220可比LCD面板2212的厚度2224大至少约1毫米(例如，至 少约1.5毫米，至少约2毫米，至少约2.5毫米，至少约3毫米，至少约5毫 米，至少约10毫米)。LED的长度2221可根据各种因素变化，诸如总长度2226 或LCD面板2212的宽度2228，和沿着边2211排列的LED数目。
在一些实施例中，据信表面具有图形的LED可增加从LED提取出的光(如 下所示)。提取光的增加可为LCD面板提供更佳的照明。
如图14A和14B所示的光显系统2229包括多个LED 2216a、2216b、2216c 和2216d，其厚度2220近似等于LCD面板2212的厚度2224，也可为其它的 裸芯形状和排列布局。
在一些实施例中，LCD2212的边缘2211的尺寸可为足够小，使得需要并/ 或可能用单个LED照亮LCD2212。如此足够小的LCD面板的例子可包括手持 显示器、时钟、手表、移动电话、掌上游戏机和个人数字助理。例如，图16
25显示通过LED2236的表面从LED2236出射光的俯视图。LED2236可沿LCD 面板2212的边缘2211放置，并为LCD面板2212提供照明。LED2236的宽度 2220近似等于LCD面板2212的厚度2224。例如，LED2236的宽度2237与 LCD面板2212的厚度2224之比可为约0.5至约1.3 (例如，约0.5，约0.6， 约0.7，约0.8，约0.9，约l，约l.l，约1.2，约1.3) 。 LED2236的长度2238 近似等于LCD面板2212的长度2226。例如，LED2236的长度2238与LCD面 板2212的长度2226之比可为约0.1至1.2 (例如，约O.l，约0.2，约0.3，约 0.4，约0.5，约0.6，约0.7，约0.8，约0.9，约l，约l.l，约1.2) 。 LED2236 可发出不同波长的光(例如，红，绿，蓝，青，黄，紫)或发出单色光(例如， 基本白色)。
在另一个例子中，图17示出了长薄型LED2242a， 2242b和2242c的阵列 2240表面的俯视图，其各具有相关的宽度2244a、 2244b和2244c。阵列2240 可沿着LCD边缘2211放置并且阵列2240的总宽度2245 (例如，宽度2244a， 宽度2244b，宽度2244c与LED 2242a， 2242b和2242c之间的空隙的总和)近 似等于LCD面板2212的厚度2224。例如，总宽度2245与LCD面板2212的 厚度2224之比n了为约0.5至约1.3 (例如，约0.5，约0.6，约0.7，约0.8，约 0.9，约，约l.l，约1.2，约1.3) 。 LED 2242a， 2242b和2242c可有相关的 长度2243，其近似等于LCD面板2212的长度2226。例如，LED 2242a， 2242b 和2242c的K:度2243勺LCD面板2212的长度2226之比可为约0.1至1.2 (例 如，约O.l，约0.2，约0.3，约0.4，约0.5，约0.6，约0.7，约0.8，约0.9， 约l，约l.l，约1.2)。在另外一种方式或在补充方式中，如图18所示，在-些实施例中，LED 2242a， 2242b和2242c的K:度2239可小-f LCD面板2212 的长度2226,并且可沿LCD面板2212的边缘2211放置多个阵列2247a ， 2247b， 2247c， 2247d， 2247e， 2247f的LED。
阵列2240和2241中的LED可包括多个LED，所述多个LED发出不同波 长的光(例如，红、绿、蓝、青、黄、紫)或发出单色光(例如，基本白色的)。 特定列中的LED可发出相同波长或不同波长，并且该列可包括发出与其它列中 的LED相同或不同的波长光的LED。
在一些实施例中，如图19和20所示，需在具有多列的LED阵列中偏移一 个或多个列。例如，偏移一个或多个列可使出射更好地重叠，从而使发光均匀。
在--些实施例中，如图19所示，LED阵列2246可放置成偏移方式。阵列 2246包括设置成三列2248a， 2248b， 2248c的多个LED。歹U 2248a， 2248b， 2248c中的至少一个从列2248a， 2248b， 2248c中另一个不同的列偏移距离2252
(例如，偏移约0.1毫米，约0.5毫米，约1毫米，约2毫米，约3毫米)。 在如图19所示的示例实施例中，列2248b中的LED从列2248a和2248c偏移长度2252。
列2248a， 2248b和2248c中的LED分别具有相关的宽度2250a， 2250b和 2250c。宽度2250a， 2250b和2250c以及位于LED之间的空隙的总和近似等于 LCD面板2212的厚度2224。例如，宽度2250a， 2250b和2250c以及位于LED 之间的空隙的总和(如箭头2253所示)与LCD面板2212的厚度2224之比可 为约0.5至约1.3 (例如，约0.5，约0.6，约0.7，约0.8，约0.9，约l，约l.l， 约1.2，约1.3)。
阵列2246中的LED可包括发出不同波长的光(例如，红、绿、蓝、青、 黄、紫)或发出单色光(例如，基本白色的)的多个LED。在特定列中的LED 可发出相同波长或发出不同波长，并且/或该列可包括发出与其它列中的LED 相同波长或不同波长的LED。
在另一个例子中，图20示出了以偏移方式设置的LED的阵列2254的表面 的俯视图。阵列2254包括设置成三列(例如，列2264a， 2264b， 2264c)的多 个LED。列2264b从列2264a偏移长度2258 (例如，偏移约0.1毫米，约0.5 毫米，约1毫米，约2毫米，约3毫米)。列2264c从列2264b偏移长度2260 (例如，偏移约0.1毫米，约0.5毫米，约1毫米，约2毫米，约3毫米)并 且从列2264a偏移长度2258和2260之和。在列2254中的LED可包括发出不 同波长的光(例如，红、绿、蓝、青、黄、紫)或发出单色光(例如，基本白 色的)的多个LED。特定列中的LED可发出相同波长或不同波长，并且/或该 列可发出与其它列中的LED相同波长或不同波长的LED。
图17， 18， 19和20示出了三列LED，其宽度总和近似等于LCD面板2212 的厚度2224， LED阵列可包括更少或更多的列(例如，两列LED,四列LED, 五列LED，六列LED,七列LED,十列LED)。
图21示出了系统2270，其包括LED 2272 (在-一些实施例中，系统2270 包括相对于单个LED 2272的LED阵列)，色彩混合器，楔形光学镜2276和 LCD面板2280。使用时，由LED2272生成的光(由箭头2282表示)通过色彩 混合器2274并进入楔形光学镜2276。楔形光学镜2276将光2282导入LCD面 板2280的边缘2281。使用楔形光学镜2276将光导入LCD面板2280，使得 LED2272从LCD面板2280的边缘2281偏移。在一些实施例中，色彩混合器 可包括在楔形光学镜2276内。
定制形状的LED可用以减少相邻裸芯间的空隙，并且使得由色彩混合器 2274收集的、从LED发出的光量增加。例如，LED可通过沿结晶测验方向切 开和/或采用钻石锯或激光切片系统来成形。图22B， 23B， 24B， 25B， 26B， 27B， 28B， 29B示出了各种封装结构和LED裸芯的表面的俯视图。图22C， 23C， 24C， 25C， 26C， 27C， 28C， 29C示出了色彩混合器2274的孔的剖面图，所述孔用来收集从LED发出的光。在一些实施例中，LED阵列可成形为使得 LED阵列的外周边匹配孔的外周边。例如，LED阵列的剖面面积与孔的剖面面 积之比可为约0.5至约1.3(例如，约0.5，约0.7，约0.9，约1，约1.1，约1.3)。 孔的外周边可为各种形状，诸如矩形、六边形、三角形、八边形、圆形、梯形、 正方形，并且LED的形状或LED阵列的外周边与孔的形状相匹配。
例如，如图22A-22C， 23A-23C和24A-24C所示，孔的外周边可为圆形， 并且LED阵列的外周边可为圆形。在圆形阵列中，LED排列中的各LED可为 饼状，其由两直边(例如边2290和2292)和一圆边(例如边2294)界定。
在某些实施例中，如图25A-25C与26A-26C所示，孔可为圆形，并且五边 形、六边形(图26B)、七边形、八边形(图25B)、九边形、十边形的LED 阵列可与该圆形孔相匹配。据信采用多边形阵列可为装配提供各种便利。例如 多边形阵列由多个三角形LED裸芯组成。三角形裸芯比饼状模型易于装配，因 为三角形仅需要直边(例如边2296， 2298和2300)，而无需形成曲线边。 在某些实施例中，如图27C和28C所示的孔可为六边形或八边形，以匹配六边 形(图27B)或八边形(图28B)阵列。
在某些实施例中，如图29A-29C所示，阵列可包括多个LED，其以棱柱状 (图29B)放置，以匹配棱柱状的孔(图29C)。在上述的实施例中，LED裸芯单独封装或可在单个封装中包含多个LED 裸芯。阵列可包括相同或不同颜色的裸芯。在^些实施例中，可选取用于大裸 芯或多裸芯的发光波长，以平衡全部阵列的光谱输出。
图30示出了光显系统2310，其包括LED 2314， LCD面板2212 1130以及 冷却系统2316。 LED 2314与冷却系统2316保持热连通，从而在使用系统2310 时，冷却系统2316可用于调节LED 2314的温度。冷却系统的实例包括热电冷 却器、风扇、热管道和液体冷却系统。在一些实施例中，冷却单元2314可包 括环绕面板外周边的一个或多个冷却管(液流或气流)。在一些实施例中，冷 却单元2314可包括单循环系统或多循环系统，所述单循环系统中，环绕LCD 面板2312放置单根连续管道；所述多循环系统中，环绕LCD面板2312放置 多根管道(例如LCD面板2212各边分别设置一个回路)。在一些实施例中， 冷却单元2316可包括鳍片散热器。据信采用冷却系统有多个优点，诸如降低 温度过高而造成损坏的可能性，并且提高在较高驱动电流下工作的LED的效 率。冷却系统也可降低由温度引起的波长变化。
当光显系统2310中的LED沿LCD面板2212的所有四条边放置时，LED 可沿LCD面板的单边或多边(例如， 一边，两边，三边，四边，所有边)放 置，其采用围绕在LCD这些边周围的冷却单元。
在图14A和图15中所示的实施例中，LED的多个矩形裸芯沿面板2212的边缘2211设置，使得LED的表面2222近似平行于面板2212边缘的表面 2211，也可能是其它设置方式。例如，如图31所示，多个LED 2330可沿面板 2212的边缘2211以锯齿状设置。可将LED 2330设置成使得第一 LED 2338的 表面2334位于第一平面，第二LED 2340的表面2336位于第二平面，并且两 平面以角度2332相交。以这种锯齿状形式设置LED可容许沿LCD面板2212 的边缘2211放置更多和/或更大的LED。虽然如图21所示为锯齿状形式，但也 可用其它形状的、可增加沿LCD面板2212边缘的LED 2330的表面积的突起。 在一些实施例中，沿LED面板的各锯齿边缘上可设置多个LED。
图32示出了封装裸芯形式的LED100的侧视图。LED100包括置于子基座 120上的多层堆叠122。多层堆叠122包括320nm厚掺杂硅(n掺杂)的GaN 层134，所述层134的顶表面IIO上具有开口 150的图形。多层堆叠122亦包 括结合层124、 100nm厚银层126、 40nm厚摻杂镁(p掺杂)的GaN层128、 由多个InGaN/GaN量子阱形成的120nm厚光生成区130及AlGaN层132。 n 侧接触垫136置于层134上，且p侧接触垫138置于层126上。层134与盖板 140及支架142之间有灌封材料(折射指数为1.5的环氧树脂(epoxy)) 144。层 144并不延伸入开口 150。
LED100以如下方式生成光。p侧接触垫138相对n侧接触垫136处f正电 位，导致电流注入LEDIOO。随着电流通过光生成区130，来自n掺杂层134 的电F与来自p掺杂层128的空穴在区域130中结合，使得区域130发光。光 生成区BO含有大量在区域130内发光(例如全向)的点偶极辐射源，所发光 具有构成该光生成区130的材料的波K特性的光谱。对于-InGaN/GaN量子阱， 由区域130所生成光的波K:的光谱具有约445纳米(nm)的峰值波长，以及约 30nm的半高宽(FWHM)。
应注意，与n掺杂半导体层134的载荷子相比，p掺杂层126的载荷子的 迁移率相对较低。结果，沿p掺杂层128的表面放置银层126 (它是导电的) 可增强从接触垫138注入p掺杂层128及光生成区130的电荷的均匀性。这亦 可降低装置100的电阻和/或增大装置100的注入效率。由于n掺杂层134的 载荷子的迁移率相对较高，电子可相对快速地从n侧接触垫136扩散至整个层 132及134，以致光生成区130内的电流密度在整个区域内基本是均匀的。亦 应注意，银层126具有相对高的热传导性，使得层126用作LED100的散热器 (将热量垂直地从多层堆叠122转移至子基座120)。
至少把由区域130所生成光中的一些导向银层126。可由层126反射这一 光，且经由表面IIO从LEDIOO出射，或者可由层126反射该光，然后LEDIOO 中的半导体材料吸收该光以产生可在区域130内复合的电子-空穴对，使得区域 130生成光。类似地，把由区域130所生成光中的至少一些导向垫136。垫136
29的底面由可至少反射由区域130所生成光中的一些的材料(例如Ti/Al/Ni/Au 合金)构成。因此，垫136可反射导向垫136的光，且随后经由表面U0从LED100 出射(例如从银层126反射)，或者垫136可反射导向垫136的光，然后LED100 中的半导体材料吸收该光以产生可在区域130内复合的电子-空穴对，使得区域 130生成光(例如由或不由银层126反射)。
如图32及33所示，LED100的表面不是平的，而是由修正的三角形图形 的开口 150形成的。 一般，可以选择各种值作为开口 150的深度、开口 150的 直径，以及可以改变开口 150中最近邻之间的间隔。除非另行说明，对于下文 显示数值计算结果的附图，开口 150具有等于约280nm的深度146、约160nm 的非零直径、约220nm的最近邻间隔以及等于l.O的折射率。对三角形图形进 行失谐处理以使图形150中的最近邻的中心至中心(center-to-center)距离的值 在(a-Aa)与(a+Aa)之间，其中"a"为理想三角形图形的晶格常数，"Aa"是具 有长度量纲的失谐参数，并且失谐是在随机方向上发生。为了加强从LED100 的光提取(参见下文的描述)，失谐参数Aa通常至少为理想晶格常数a的约 1% (例如至少约2%、至少约3%、至少约4%、至少约5%)，和/或至多为 理想晶格常数a的约25y。(例如至多约20%、至多约15%、至多约10%)。在 一些实施例中，最近邻间隔基本上在(a-Aa)与(a+Aa)之间随机变化，使得 图形150基本是随机失谐的。
对于开口 150的修正三角图形，发现非零的失谐参数增加了 LED100的提 取效率。对于上述的LED100，随着失谐参数Aa从零增大至约0.15a， LED100 中的电磁场的数值模型(下文中描述)显示出装覽的提取效率从约0.60增大至 约0.70，如图34所示。
图34所示的提取效率数据是通过使用三维时域有限差分(FDTD)方法来计 算以逼近LED100内及外的光的麦氏(Maxwell，s )方程的解。参见，例如K.S. Kunz禾口 RJ. Luebbers, The Finite-Difference Time-Domain Methods (CRC， Boca Raton, FL, 1993) ; A. Taflove, Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Dom'ain Method (Artech House, London, 1995)， 上述两者 通过引用合并在此。为了表示具特定图形150的LED100的光学特性，FDTD 计算中的输入参数包括光生成区130中点偶极辐射源所发光的中心频率及带 宽，多层堆叠122中的层的尺寸及介电特性，以及图形150中的直径、深度及 开口之间的最近邻距离(NND)。
在某些实施例中，使用如下的FDTD方法来计算LED100的提取效率数据。 FDTD方法用来解全矢量瞬态(time-dependent)麦氏方程组
- - 磁- - 逮
3 ， W ^
30其中极化率？ = 1 + 2+... + ^捕获量子阱光生成区130、 p接触层126以及
LED100内的其他层的频率相关(frequency-dependent)响应。个体^项是材料 总极化率的不同贡献量的经验推导值(例如束缚电子振荡的极化响应、自由电 子振荡的极化响应)。特别地，
^P附 《 2 j;
其中极化对应于介电常数
,祝 w w,
为了便于数值计算，仅考虑灌封剂144、银层126以及灌封剂144与银层 126之间的各层。这一近似估计是基于假设灌封剂144及层126足够厚，使得 周围层不影响LED100的光学性能。假设LED100内具有频率相关介电常数的 相关结构为银层126及光生成区130。假设LED100内其他相关结构不具有频 率相关介电常数。应注意，在LED100包括灌封剂144与银层126之间的附加 金属层的实施例中，各附加金属层具有相应的频率相关介电常数。亦应注意， 银层126 (及LED100内的任何其他层)具有束缚电子与fi由电子两者的频率 相关项，然而，光生成区130具有束缚电子的频率相关项何不具有自由电子的 频率相关项。在某些实施例中，当对介电常数的频率相关性(frequency dependence)进行建模时，可包括其他项。这些项可包括，例如，电子-声了-交 与:作用、原子极化、离子极化和/或分f极化。
通过结合光发生区130内的多个随机放置的恒流偶极源来对光生成区130 的量子阱发出的光进行建模，各源发出与实际量子阱光谱宽度相等的短高斯脉 冲，各具有随机初相及起始时间。
为了处理LEDIOO的表面110的开口 150的图形，可使用侧向的较大的超 元胞(supercell)以及周期性边界条件。这有助于对较大的(例如在边缘大于 O.Olmm)装置尺寸进行仿真。在所有偶极源发出其能量的较长时间之后直至系 统中不再留有能量，及时解出全演化方程。在仿真期间，对发出的总能量、经 由顶表面110提取的能量流以及量子阱和n掺杂层吸收的能量进行监视。通过 时间及空间傅立叶变换来获得提取流的频率及角度解析数据，因此可以计算角 度与频率解析提取效率。通过将发出的总能量与通过实验获知的光生成区130 发光进行匹配，获得对于给定电输入的单位为流明/每立体角(solidangle) /每 芯片面积的绝对角度解析提取。
不希望受理论的束缚，据信由于开口 150建立了根据图形150而在层134中空间变化的介电函数，失谐图形150可提高光生成区130所生成的经由表面
110从LED100出射的光的效率。据信这一结果改变了 LED100内的辐射模态 (即从表面IIO出射的光模态)及导引模态(即限制于多层堆叠122内的光模 态)的浓度，并且认为LED内辐射模态及导引模态的浓度的这一改变导致了某 些本来在没有图形150的情况下会被发射到导引模态中的光被散射(例如布拉 格(Bragg)散射)到可泄漏至辐射模态的模态中。在某些实施例中，据信图形 150 (例如上述图形，或下述图形之一)可消除LEDIOO内的所有导引模态。
据信通过考虑具有点散射部位的晶格的布拉格散射，可以理解晶格的失谐 效应。对于在以距离d间隔的晶格平面中的理想晶格，波长为X的单色光根据 布拉格条件nX=2dsine通过角度9进行散射，其中n为表示散射阶数的整数。 然而，认为对于光谱带宽为AVX且以立体角度A 射入的光源而言，通过失谐 参数Aa使晶格格点之间的间隔失谐而可放宽布拉格条件。据信在源的频谱带 宽和空间发射分布方面，晶格的失谐提高了图形的散射效力和角度可接受性。
尽管将具有非零失谐参数Aa的修正三角形图形150描述为可增加从 LED100的光提取，然而其他图形亦可用于增加从LED100的光提取。当判断 给定图形是否增加了从LED100的光提取和/或何种开口图形可用于增加从 LED100的光提取时，在进行这些数值计算之前，可首先使用物理图像(physical insight)来近似估计可增加光提取的基本图形。
通过考虑根据图形15 0而空间变化的介电函数的傅立叶变换可进 一 步理解 (如弱散射体系中)LED100的提取效率。图35示出了理想三角形晶格的傅立 叶变换。进入带有面内波矢量k的特定方向的光的提取与进入带有面内波矢量 k'的所有这些图形的源发射Sk，有相互的关连(即，平行于图形150)，其中， 通过加上或减去倒晶格矢量G，面内波矢量k，可与k一致，即，k=k，±G。提取 效率与介电函数eG的相应傅立叶分量(Fk)的级数(magnitude)成比例，其 由下式给出
由于材料中的光传播一般满足方程1<2(面内)+ k、法向h s(co/c)2，所考虑的 最大G由光生成区130发射的频率((D)及光生成区的介电常数所固定。如图35 所示，这在倒晶格空间中定义了一个环，其通常称为光线(light line)。由于 光生成区的带宽有限，该光线为环状结构，但为了清楚起见，以单色光源的光 线来说明。类似地，灌封剂内的光传播亦受光线(图35中的内圆)的限制。 因此，通过增加灌封剂光线中所有方向的k的Fk，增加数量为灌封剂光线内G 点所增加的数量，以及增加材料光线内的G点的散射强度sc，可以提高提取效 率。当选择可以提高提取效率的图形时，可使用该物理图像。例如，图36示出了增加理想三角形图形的晶格常数的效果。除了射出光
的峰值波长为450nm，以及孔的深度，孔的直径，以及n掺杂层134的厚度与 最近邻距离"a"的关系分别为1.27a、 0.72a及1.27a+40nm之外，图36所示的数 据是使用图32中所示LED100的给定参数计算得到的。增加晶格常数则增加了 灌封剂的光线内的G点的密度。观察到具有NND的提取效率的清晰趋势。据 信NND近似等于真空中的光的波长时，发生最大的提取效率。获得最大值的 原因在于当NND变得比光的波长大得多时，由于材料变得更均匀，所以降低 了散射效果。
又如，图37示出了增加孔尺寸或填充因子的效应。由(27t/V^)气r/a) 2给出 三角形图形的填充因子，其中r为孔的半径。除了根据图的x轴给定的填充因 子值而改变的开口的直径之外，图37中所示数据是使用图32中所示LED100
的给定参数计算得到的。具有填充因子的提取效率随散射强度(ScO增大而增大。
填充因子为 48%时观察到这一特定系统的最大值。在某些实施例中，LED100 的填充因子为至少约10%(例如至少约15%、至少约20%)和/或为至多约90% (例如至多约80% 、至多约70% 、至多约60%)。
尽管将修正三角形表述为其失谐参数与图形中开口相对于理想三角形晶 格的定位有关，但在保持理想三角形图形位置的中心的同时，通过修正理想三 角形图形中的孔，亦可获得修正(失谐)的三角形图形。图38示出了如此图 形的实施例。对于具有图38所示图形的发光装置，光提取的增强、执行相应 数值计算的方法及所增强的光提取的物理解释基本与上述方法一致。在一些实 施例中，修正(失谐)图形可具有偏离理想位置的开口以及位于理想位置处但 直径不同的开口。
在其他实施例中，可通过使用不同类型的图形来获得发光装置的增加的光 提取，不同类型的图形包括，例如，复杂周期图形及非周期图形。如在此所述 的，复杂周期图形是指这样一种图形，该图形在以周期方式进行重复的各单元 体(unit cell)中具有一个以上的特征。复杂周期性图形的例子包括蜂巢图形、 蜂巢基部图形、(2x2)基部图形、环形图形及阿基米德(Archimidean)图形。 如下文所述，在一些实施例中，复杂周期图形的一些孔可以具有一种直径，而 另一些孔可以具有较小的直径。如在此所述的，非周期图形是指这样一种图形， 该图形在单元体中不具有平移对称性，所述单元体的长度至少为区域130所产 生的光的峰值波长的50倍。非周期图形的例子包括不规则(aperiodic)图形、 准晶图形、罗宾逊(Robinson)图形及安曼(Amman)图形。
图39示出了两种不同复杂周期图形的LED100的数值计算，在所述图形中， 图形中的一些开口具有特定直径，而图形中的其他开口具有较小的直径。图39 所表示的数值计算显示了较小孔(dR)的直径从Onm变化到95nm时提取效率
33(具有80nm直径的较大孔)的特性。除了根据该图的x轴给定的填充因子值 改变开口的直径之外，图37所示的数据是使用图32中所示LED100的给定参 数计算的。不希望受理论的束缚，多种孔尺寸允许从图形中的多种周期性进行 散射，从而增加了图形的角度可接受性及光谱有效性。对于具有图39所示图 形的发光装置，光提取的增加、执行相应数值计算的方法及所增加的光提取的 物理解释基本与上述方法一致。
图40示出了具有不同环形图形(复杂周期图形)的LED100的数值计算。 对于不同的环形图形，围绕中心孔的第一环中的孔的数量是不同的(6个、8 个或10个)。除了所发光具有450nm的峰值波长之外，图40所示的数据是使 用图32中所示LEDIOO的给定参数计算的。图40所代表的数值计算示出了当 重复跨越单元体的每单元体的环形图形的数量从2变化至4时LED100的提取 效率。对于具有图40所示图形的发光装置，光提取的增加、执行相应数值计 算的方法及所增加的光提取的物理解释基本与上述方法一致。
图41示出了具有阿基米德图形的LED100的数值计算。阿基米德图形A7 是由六角形单元体230构成的，单元体具有以最近邻距离a等间隔的7个孔。 在单元体230内，以正六边形的形状排列有6个孔，且第7个孔位于六边形的 中心。然后以a'二a、l + V^)为单元体之间中心至中心间隔、沿其边将这些六角 形单元体230安装在一起以形成LED的整个表面的图形。这就是所谓的A7平 铺(tiling)，因为单几体是由7个孔构成的。类似的，阿基米德平铺A19由具 有以a的NND等间隔的19个孔构成。这些孔以7个孔的内六边形、12个孔的 外六边形及内六角形内的中心孔的形式排列。然后，以&'=&*(1 + ^)为申.元体 之间中心至中心间隔、沿其边将这些六角形单儿体230安装在--起以形成LED 的整个表面的图形。对于具有图41所不图形的发光装置，光提取的增加、执 行相应数值计算的方法及所增加的光提取的物理解释基本与上述方法一致。如 图41所示，A7及A19的提取效率为约77%。除了所发光具有450nm的峰值 波长之外，以及除了定义NND作为单个单元体之内的开口之间的距离之外， 图41所示的数据是使用图42中所示LED100的给定参数计算的。
图42示出了具有准晶图形的LED100的数值计算。准晶图形，例如，描述 于M. Senechal的"Quasicrystals and Geometry" (Cambridge University Press, Cambridge, England 1996)，该文通过引用合并在此。数值计算显示了随基于8 重准周期结构的类变化的提取效率性能。据信由于该结构允许较高的面内旋转 对称性，因此准晶图形呈现了较高的提取效率。对于具有图42所示图形的发 光装置，光提取的增加、执行相应数值计算的方法及所增加的光提取的物理解 释基本与上述方法一致。图22所示的FDTD计算结果表明准晶结构的提取效 率可达约82%。除了所发光具有450nm的峰值波长，和除了NND是根据单个单元体内的开口之间的距离来限定的，图42所示的数据是使用图32中所示
LED100的给定参数计算的。
尽管在此描述了某些图形的实例，相信若其他图形满足上述基本原理，则 亦可增加LED100的光提取。例如，相信增加对准晶或复杂周期结构的失谐可 以增加提取效率。
在一些实施例中，由光生成区130生成的、从LED100发出的光总量的至 少约45% (例如至少约50%、至少约55%、至少约60%、至少约70%、至少约 80%、至少约90%、至少约95%)经由表面110出射。
在某些实施例中，LED100截面积可较大，同时仍然呈现LED100的有效 光提取。例如，LED100的一个或多个边缘可为至少约l毫米(例如至少约1.5 毫米、至少约2毫米、至少约2.5毫米、至少约3毫米)，并且由光生成区130 生成的、从LED100发出的光总量的至少约45。/。(例如至少约50%、至少约55%、 至少约60%、至少约70%、至少约80%、至少约90%、至少约95%)经由表面 110出射。这可使得LED在呈现良好功率转换效率的同时具有较大的截面(至 少约1毫米x至少约1毫米)。
在某些实施例中，具有LED100设计的LED的提取效率基本与LED边长 无关。例如，具有LED100设计的、且一个或多个边长为约0.25毫米的LED 的提取效率与具有LED100设计的、且一个或多个边长为约1毫米的LED的提 取效率之问的差别可小f约10% (例如小于-约8%、小于约5%、小于约3%)。 如在此所述的，LED的提取效率是指LED所发出的光与该装置所生成的光量 之比(可根据能量或光子来测量)。这使得LED在呈现良好功率转换效率的同 时具有较大的截面(至少约1毫米x至少约1毫米)。
在某些实施例中，具有LED100设计的LED的量子效率基本与LED边长 无关。例如，具有LED100设计的、且一个或多个边长为约0.25毫米的LED 的量子效率与具有LED100设计的、且一或多个边长为约1毫米的的LED的量 子效率之间的差别可小于约10% (例如小于约8%、小于约5%、小于约3%)。 如在此所述的，LED的量子效率是指LED所生成的光子数量与该装置中所发 生的电子-空穴复合的数量之比。这使得LED在呈现良好性能的同时具有相对 大的截面(至少约1毫米x至少约1毫米)。
在某些实施例中，具有LED100设计的LED的电光转换效率(wall plug efficiency)基本与LED边长无关。例如，具有LED100设计的、且一个或多个 边长为约0.25毫米的LED的电光转换效率与具有LED100设计的、且一个或 多个边长为约1毫米的LED的插座效率之间的差别可小于约10% (例如小于 约8%、小于约5%、小于约3%)。如在此所述的，LED的电光转换效率是指 LED的注入效率(注入装置的载流子的数量与在装置的光发生区中复合的载流子的数量之比)、LED的辐射效率(在辐射事件中产生的电子-空穴复合的数
量与电子-空穴复合的总数量之比)、以及LED的提取效率(从LED提取的光 子与所生成光子的总数量之比)的乘积。这使得LED在呈现良好性能的同时具 有较大的截面(至少约1毫米x至少约1毫米)。
在一些实施例中，需要操控经由表面110从LED出射的光的角度分布。为 了增加进入给定立体角(例如，进入围绕表面110的法线方向的立体角)的提 取效率，检查根据图形150 (如前所述)进行空间变化的介电函数的傅立叶变 换。图43示出了晶格常数不同的两个理想三角形晶格的傅立叶变换构造。为 了提高提取效率，寻求增加灌封剂光线(light line)内的G点数量以及材料光 线中G点的散射强度(ec)。这暗示增加NND从而得到图36所示的效果。然而， 在此关心的是进入以法线方向为中心的立体角的提取效率。因此，亦希望通过 减少灌封剂光线的半径来限制高阶G点的引入，这样G的级数大于(o)(ne))/c。 通过减少灌封剂的折射率(最低需求是将所有灌封剂去除)，可允许较大的 NND，因而增加了材料光线内G点的数量，所述材料光线有助于在法线方向 (F^0)的提取，同时避免进入灌封剂中高阶(倾斜角)的衍射。图44示出了上 述趋势，该图显示了进入立体角(由图中的集合半角给出)的提取效率。除了 所发光具有530nm的峰值波长和34nm的带宽，灌封剂的折射率为1.0， p掺杂 层的厚度为160nm，光生成区为30nm厚，图44示出三条曲线的NND(a)，以 及深度，孔的直径以及n掺杂层的厚度分别为与a成比例的1.27a、 0.72a及 1.27a+40nm。随着晶格常数的增加，窄角度的提取效率以及进入所有角度的总 提取效率亦增加。然而，对于相当大的晶格常数，即使进入所有角度的总提取 效率增加，灌封剂中进入较卨阶图形的衍射限制了窄角度的提取效率。对于 460nm的晶格常数，计算得出进入30度的集合半角的提取效率大于25%。即， 仅在立体角的上半球约13.4%内收集所提取光的大约一半，呈现了图形的准直 效应(collimation effect)。相信增加材料光线内G点数量、同时将灌封剂内的 G点数量限制为k—时的G点数量的任何图形都可以改善进入以法线为中心的 立体角的提取效率。
上述方法尤其可应用于降低相信与112成比例的源扩散(source etendue)， 其中n为周围材料(例如灌封剂)的折射率。因此，相信降低LED100的灌封 层的折射率可以导致更为准直的发射、较低的源扩散，且因此导致较高的表面 亮度(在此定义为进入源扩散所提取的总流明)。在一些实施例中，使用空气 灌封剂可以在增加进入以法线方向为中心的给定收集角度的提取效率的同时 降低源扩散。
在某些实施例中，当区域130所生成的光经由表面IIO从LEDIOO出射时， 光的分布较朗伯分布更准直。例如，在一些实施例中，当区域30所产生的光
36经由表面110从LED出射时，经由介电层的表面出射的光的至少约40% (例 如至少约50%、至少约70%、至少约90%)以与表面110的法向成至多约30 度(例如至多约25度、至多约20度、至多约15度)的角度内出射。
在所需的角度下提取较高百分比的光的能力本身，或者与较高的光提取相 结合，可以允许在给定的晶片上制备较高密度的LED。例如，在一些实施例中， 每平方厘米的晶片上至少具有约5个LED (例如至少约25个LED、至少约50 个LED)。
在一些实施例中，可能需要相对于光生成区130所生成光的波长来修正从 封装的LED100出射的光的波长。例如，如图45所示，可将具有含磷材料的层 180的LED300放置于表面110上。磷材料可在由区域130所生成的波长处与 光进行交互作用，以提供所需波长的光。在一些实施例中，需要从封装的LED 出射的光基本为白光。在这些实施例中，层180中的磷材料可由，例如， (Y,Gd)(Al,Ga)G:Ce3+或"YAG"(钇、铝、石榴石)磷构成。当由光生成区130所 发出的蓝光充能(pumped)时，层180中的磷材料可被激活且发出(例如全向 地)具有以黄色波长为中心的广谱光。对于从封装的LED100出射的总光谱的 观察者可以看见黄色磷广谱发射以及蓝光InGaN窄谱发射，且通常将两种光谱 混合以感知到白光。
在某些实施例中，层180基本可均匀地置于表面IIO上。例如，整个表面 110中阁形150的顶部151与层180的顶部181之间的距离变化小于约20%(例 如小—f约10。/。、小于约5%、小于约2%)。
一般，层180的厚度小于LED100的表面130的截面积，截面积一般为1 毫米xi毫米。由于层180基本均匀地沉积于表面110上，层180中的磷材料 基本可由经由表面110出射的光来均匀地充能。较之LED100的表面110的尺 寸，磷层180相对较薄，这样光生成区130所发的光在大致均匀遍及LED100 整个表面110上的磷层180内被转换成较短波长的光。由此，较薄的、均匀的 磷层180产生LED100所发白光的均匀光谱，作为表面110位置的函数。
一般，可按需制造LED100。通常，LED100的制造涉及各种沉积、激光处 理、光刻(lithography)及蚀刻步骤。
例如，图46示出了 LED晶片500,该LED晶片500含有沉积在基底(例如 蓝宝石、化合物半导体、氧化锌、碳化硅、硅)502上的材料的LED层堆叠。 这些晶片为市售的。供应商例如包括晶元光电公司(Epistar Corporation)、华上 光电公司(Arima Optoelectronics Corporation)及元石申光电公司(South Epitaxy Corporation^在基底502上连续设置缓冲层504 (例如含氮层，诸如GaN层、 A1N层、AlGaN层)、n掺杂半导体层506 (例如n掺杂Si:GaN)、电流扩散 层508 (如AlGaN/GaN异质结(heterojunction)或超晶格)、发光区510 (例如InGaN/GaN多量子阱区域)及半导体层512 (例如p掺杂Mg:GaN层)。晶片 500的直径一般至少为约2英寸(例如从约2英寸至约12英寸、从约2英寸至 约6英寸，从约2英寸至约4英寸，从约2英寸至约3英寸)。
图47示出了包括层502、 504、 506、 508、 510和512以及层520、 522、 524及526的多层堆叠550，其一般由能够进行如下所述的加压结合或热结合 的材料构成。例如，层520可为镍层(例如电子束蒸镀的)、层522可为银层
(例如电子束蒸镀的)、层524可为镍层(例如电子束蒸镀的)，以及层526 可为金层(例如电子束蒸镀的)。在一些实施例中，层520相对较薄，而层524 相对较厚。层524例如可作为扩散阻挡层(diffusion barrier)以减少杂质(例 如金)扩散进入层520、 522和/或层524本身。层520、 522、 524及526沉 积后，可对多层堆叠550进行处理以实现欧姆接触。例如，可在适当的气体环 境下(例如氮气、氧气、空气、合成气体)对堆叠550进行一段时间(例如从 约30秒至约300秒)的退火处理(例如在约40CTC至约60(TC的温度下)。 图48示出了包括其上沉积有层604、 606、 608及610的子基座(例如锗
(诸如多晶锗)、硅(诸如多晶硅)、碳化硅、铜、钩铜、金刚石、镍-钴)602 的多层堆叠600。子基座602例如可通过溅镀或电铸形成。层604为接触层且 可例如由铝(例如电子蒸镀的)来形成。层606为扩散阻挡层且可例如由Ni
(例如电子蒸镀过)来形成。层608可为金层(例如电子束蒸镀的)，且层610 可为层608上的AuSn结合层(例如热蒸镀的、溅镀的)。层604、 606、 608 及610沉积后，可对多层堆叠600进行处理以实现欧姆接触。例如，可在适当 的气体环境下(例如氮气、氧气、空气、合成气体)对堆叠550进行-H时间
(例如从约30秒至约300秒)的退火处理(例如在约35(TC至约50(TC的温度)。 图49示出了由将层526及610结合在一起(例如使用钎焊结合、使用共 晶结合、使用包晶结合)形成的多层堆叠650。层526及610可例如由使用热-机械按压(thermal-mechanical pressing)来结合。例如，使层526与610接触后， 可将多层堆叠650置于压力下受压(例如使用达到约5MPa的压力，达到约2MPa 的压力)加热(例如至从约200'C至约40(TC的温度)。然后可以使堆叠650 冷却(例如至室温)且解除压力。
然后从堆叠650至少部分地去除基底502及缓冲层504。 一般，这可使用 任何所需的方法来实现。例如，如图50所示，在一些实施例中，通过将堆叠 650曝露于(例如经由基底502的表面501)适当波长的电磁辐射中以部分地 分解层504从而去除基底502。相信这导致了层504的局部加热，导致了靠近 层504与基底502的界面的层504的材料的部分分解，从而允许从堆叠650上 去除基底502 (参见下文的描述)。例如，在层504是由氮化镓构成的实施例 中，认为形成了包括镓及氮气的组分。在一些实施例中，可在将表面501曝露
38于电磁辐射(例如以减少堆叠650内的应力)期间对堆叠650加热。例如可通 过将堆叠650置于热板(hot plate)上和/或通过将堆叠650曝露于附加激光 源(例如C02激光)来加热堆叠650。例如，在表面501曝露于电磁辐射期间 对堆叠650加热可减少(例如，防止)液态镓再固化。这可以减少堆叠650内 在镓的再固化时发生的应力的聚集。
在某些实施例中，在曝露于电磁辐射后，有残留镓且残留镓将基底502结 合在堆叠650内。在这些实施例中，可对堆叠650加热至超过镓的熔化温度以 允许从堆叠去除基底502。在某些实施例中，可将堆叠650曝露于蚀刻剂(例 如化学蚀刻剂，诸如HCL)以蚀刻残留镓且去除基底502。亦可使用其他去除 残留镓的方法(例如物理方法)。
例如，在某些实施例中，将表面501曝露于包括层504的吸收波长(例如 约248纳米，约355纳米)的激光辐射。例如，激光辐射方法揭露于第6,420,242 及6,071,795号美国专利中，其通过引用合并在此。然后将多层堆叠加热至超 过镓的熔点，在该点上通过向基底502施加横向力(例如使用棉花棒(cotton swab))使基底502及缓冲层504从基底502去除。
在一些实施例中，表面501的多个部分同时曝露于电磁辐射。在某些实施 例中，表面501的多个部分按顺序曝露于电磁辐射。可结合使用同时曝露与按 顺序曝露。此外，可以图形(例如蛇形图形、圆形图形、螺旋形图形、网格(grid)、 栅格(grating)、三角形阁形、基本(elementary)阁形、随机图形、复杂图形、周 期图形、非周期图形)的形式将电磁辐射曝露于表面501。在一些实施例中， 电磁辐射可光栅式地扫过(raster)表面501的一个或多个部分。在某些实施例 中，表面501曝露于电磁辐射的重叠场(overlapping fields)。
在-些实施例中，电磁辐射在到达表面501之前穿过掩膜(mask)。例如， 电磁辐射在到达表面501前可穿过包括掩膜(例如高导热掩膜，诸如钼掩膜、 铜-铍掩膜)的光系统。在一些实施例中，掩膜为孔(例如对光束进行截头 (tmncating)或整形(shaping))。例如，光系统可包括至少两个透镜，所述透镜 之间置有掩膜。又如，可把掩膜制成表面501上材料的图形，掩膜使表面501 的某些部分曝露而某些部分未曝露。例如，掩膜可通过光刻工艺形成。在一些 实施例中，电磁辐射可扫过掩膜的一个或多个部分。
不希望受理论的束缚，相信在表面501的给定面积内减少曝露于电磁辐射 的表面501上的区域的至少一个尺寸可以限制不需要的裂纹扩展(crack propagation)，如基底502的去除期间进入层504、层506或堆叠650的其他 层的裂纹扩展，而仍允许基底502与缓冲层504的界面处的裂纹扩展。相信若 表面501上的电磁辐射的特征的尺寸太大，于是形成气泡(例如氮泡)，会生 成可导致非所需裂纹的局部压力。例如，在表面501曝露于在表面501上形成
39一点或一条线的电磁辐射的实施例中，点或线的至少一个尺寸的最大值可为至
多约1毫米(例如至多约500微米、至多约100微米、至多约25微米、至多 约10微米)。在一些实施例中，点的尺寸为从约5微米至约1毫米(例如从 约5微米至约100微米、从约5微米至约25微米、从约5微米至约10微米)。
在某些实施例中，在表面501曝露于电磁辐射时堆叠650会振动。不希望 受理论的束缚，相信曝露于电磁辐射时振动的堆叠650会加剧沿层504与基底 502之间界面的裂纹扩展。 一般，选择条件来限制进入层504的裂纹扩展(例 如以使基本没有进入层504、 506及堆叠650的其余层的裂纹扩展)。
去除基底502后，层506表面的至少一部分上一般留有缓冲层504的一部 分。缓冲层504的剩余部分和/或层506的表面上可有基底502的材料残留(例 如含铝和/或氧)。 一般需要将缓冲层504的剩余部分及基底502上的所有残 留去除，以使层506的表面曝露，清洗并对层506的曝露表面进行清洗，因为 层506 (—般由n掺杂半导体材料构成)显示了用于随后形成电接触部的良好 电特性(例如所要求的接触电阻)。通常使用一步或多步工艺步骤来去除所有 存在的残留和/或缓冲层504的剩余部分，以及来清洗层506的表面(例如去 除杂质，诸如有机物和/或颗粒)。可利用多种技术和/或技术的结合来执行 这些工艺。例子包括化学-机械抛光、机械抛光、反应离子蚀刻(例如利用基本 为化学性的蚀刻组分)、物理性蚀刻及湿蚀刻。例如，这些方法揭露于Ghandhi， S., VLSI Fabrication Principles: Silicon & Gallium Arsenide (1994)， 该文通过弓l 用合并在此。在某些实施例中，不完全去除缓冲层504。而是，在这些实施例 中，可使用这些工艺仅去除缓冲层504上与随后设置电导线的位置相应的一些 部分(例如，通过使用自对准工艺)。
通常，当去除基底502时，可改变堆叠650内的应力量(例如由于晶格的 失配和/或堆叠650内层之间的热失配)。例如，若减少堆叠650内的应力量， 则可改变(例如增大)区域510的峰值输出波长。又如，若增大堆叠650内的 应力量，则可改变(例如减小)区域510的峰值输出波长。
为了限制去除基底502期间不想要的裂纹，在一些实施例中，需考虑基底 502的热膨胀系数及子基座602的热膨胀系数、层504、 506、 508、 510及512 的组合厚度，和/或层504、 506、 508、 510及512中的一层或多层的热膨胀 系数。例如，在一些实施例中，选择基底502及子基座602使得子基座602的 热膨胀系数比基底502的热膨胀系数小约15% (例如小约10%、小约5%)。 又如，在某些实施例中，选择基底502及子基座602使得子基座602的厚度基 本大于基底502的厚度。再如，在一些实施例中，选择半导体层504、 506、 508、 510及512以及子基座602使得子基座602的热膨胀系数比层504、 506、 608、 510及512中的一层或多层的热膨胀系数小约15%(例如小约10%、小约5%)。一般，基底502及子基座602可具有任何所需的厚度。在一些实施例中， 基底502为至多约5毫米(例如至多约3毫米、至多约1毫米、至多约0.5毫 米)厚。在某些实施例中，子基座602为至多约IO毫米(例如至多约5毫米、 至多约1毫米、至多约0.5毫米)厚。在一些实施例中，子基座602比基底502 厚，以及，在某些实施例中，基底502比子基座602厚。
去除去除缓存层504及曝露/清洗层506的表面后，可将层506的厚度减少 至所需的用于发光装置的最终厚度。例如，这可通过单独使用机械蚀刻工艺， 或者与蚀刻工艺一起使用来实现。在一些实施例中，在蚀刻/清洗层506的曝露 表面后，506层的表面具有较高的平面度(例如与所使用的光刻标线(reticle)成 比例的较高平面度)。例如，在一些实施例中，在蚀刻/清洗层506的曝露表面 后，层506的表面的平面度为至多约10微米/每6.25平方厘米(例如至多约5 微米/每6.25平方厘米、至多约l微米/每6.25平方厘米)。又如，在某些实施 例中，在蚀刻/清洗层506的曝露表面后，层506的表面的平直度为至多约10 微米/每平方厘米(例如至多约5微米/每平方厘米、至多约1微米/每平方厘米)。 在某些实施例中，在蚀刻/清洗层506的曝露表面后，层506的表面的RMS粗 糙度为至多约50纳米(例如至多约25纳米、至多约10纳米、至多约5纳米、 至多约1纳米)。
在一些实施例中，在根据层506的表面中的图形而形成空间变化的介电函 数之前，对于使用纳米光刻来形成具有足够精度和/或再现性的图形来说，层 506的曝露表面可能太粗糙和/或不够平。为了提高精确地和/或可再现地形 成层506中的图形的能力，纳米光刻工艺可包括在层506的表面沉积平整层并 且在平整层的表面沉积光刻层。例如，阁51示出了平整层702置于层506的 表面且光刻层704置于层702的表面的实施例，在清洗/蚀刻层506后，层506 的曝露表面505可相当粗糙(例如RMS粗糙度为约IO纳米或更大)。在一些 实施例中，平整层702由顺序沉积的多个层(例如相同材料的)构成。
平整层702可选择的材料包括聚合物(例如布鲁尔科技公司(Brewer Sciences)的DUV-30J、防反射涂料、高粘性可成型聚合物)，光刻层704可选 择的材料包括UV固化聚合物(例如分子压印公司(Molecular Imprints Inc.)的 低粘性MonoMatTM)。可使用任何所需的技术来形成层702及704，例如，旋涂、 气相沉积等。
例如，层702可为至少约IOO纳米厚(例如至少约500纳米厚)和/或至 多约5微米厚(例如至多约1微米厚)。例如，层704可为至少约1纳米厚(例 如至少约10纳米厚)和/或至多约l微米厚(例如至多约0.5微米厚)。
然后将确定所需图形的一部分的模型压印(pressed)到光刻层中(一般对模 具和/或层704进行加热或UV固化)，且以 一 部分接一 部分(portion by portion )
41的方式步进地越过(stepped across)层704的表面以形成层704中与层506的 表面中所需图形相应的锯齿。在一些实施例中，单个步骤覆盖整个晶片(例如 全晶片纳米光刻技术)。然后对层704进行蚀刻(例如使用反应离子蚀刻、湿 蚀刻)以曝露层702的表面与层704的锯齿部分相对应的部分(图53)。例如， 这种压印/蚀刻工艺揭露于第5,722,905号美国专利以及张等人的Applied Physics Letters, Vol. 83, No. 8, pp. 1632-34，两者皆通过引用合并在此。 一般地， 层704中的图形亦留有一些区域，用于在后续工艺步骤沉积n接触部。在替代 实施例中，可使用其他技术(例如x射线光刻、深紫外光刻、超紫外光刻、沉 浸光刻、干扰光刻、电子束光刻、照相平板术(photol池ography)、微接触印刷、 自组装技术)来生成层704中的图形。
如图54所示，将已刻图的层704用作掩膜以将图形转移至平整层702 (例 如干蚀刻、湿蚀刻)。反应离子蚀刻是干蚀刻方法的一个例子。参见图55，顺 序将层702及704用作掩膜以将图形转移到层506的表面中(例如使用干蚀刻、 湿蚀刻)。如图56所示，在蚀刻层506之后，将层702及704去除(例如使 用氧基反应离子蚀刻、湿溶剂蚀刻)。
参见图57，在一些实施例中，该工艺可包括将材料708 (例如金属，诸如 铝、镍、钛、钨)置于层702及704的蚀刻部分(例如通过蒸镀)以及层704 的表面。如图58所示，然后蚀刻(例如使用反应离子蚀刻、湿蚀刻)层702 及704，将抗蚀刻材料708留在层506的表面匕它可用作掩膜将图形蚀刻到 层506的表面(图59)。参见图60，然后去除抗蚀刻材料708 (例如使用—fH虫 刻、湿蚀刻)。
在一些实施例中，该工艺包括，在层704中形成锯齿后，将抗蚀刻材料(例 如Si掺杂聚合物)710放置(例如旋涂)于层704的表面上以及层704中的锯 齿中，然后将材料710深蚀(etch back)(例如使用干蚀刻)以使得层704的 表面曝露同时保持在层704的锯齿内的抗蚀刻材料(图61)。如图62所示， 然后蚀刻层702及704的部分(例如使用反应离子蚀刻，干蚀刻、湿蚀刻)， 留有防蚀刻材料710以及材料710之下的层702及704的部分，用作将图形蚀 刻到层506表面中的掩膜(图63)。参见图64，然后可去除层702及704的 剩余部分以及抗蚀刻材料(例如使用反应离子蚀刻、干蚀刻、湿蚀刻)。在一 些实施例中，去除可包括使用等离子体工艺(如氟等离子体工艺)去除层708。
当图形被转移至n掺杂层506后，可视需要将一层磷材料放置(例如旋涂) 于n掺杂层506的已刻图的表面。在一些实施例中，磷可共形地涂布已刻图的 表面(沿已刻图表面开口的底部及侧壁以基本无空隙的方式涂布)。或者，可 将一层灌封材料置于已刻图的n掺杂层506的表面上(例如通过CVD、溅镀、 通过随后蒸镀的液态粘结剂悬浮)。在一些实施例中，灌封剂可含有一种或多种磷材料。在一些实施例中，可将磷压縮以获得小于磷平均厚度的约20%、约 15%、约10%、约5%、约2%的厚度均匀性。在一些实施例中，含磷灌封剂可 共形地涂布已刻图的表面。
在n掺杂层506中生成完介电函数图形之后，从晶片切割出单个LED裸片。 一旦完成晶片处理和晶片测试，就分离及制备单个LED裸片以用于封装及测 试。可使用侧壁钝化(sidewall passivation)步骤及预分离深台面蚀刻(deep mesa etching)步骤来降低在晶片切割过程中发生的对已刻图LED的电和/或光特性 的潜在损害。单个LED的尺寸可为最大至晶片本身尺寸的任何尺寸，但单个 LED—般是正方形或矩形的，其侧边长度为约0.5mm至5mm之间。为了形成 裸片，可使用标准光刻来限定晶片上为装置提供能量的接触垫的位置，并且将 欧姆接触部蒸镀(例如使用电子束蒸镀)至所需的位置上。
尽管描述了制造LED100的某些实施例，但亦可使用其他制造方法。例如， 在一些实施例中，可将LED100形成在单个台面(mesa)上(例如与包括其他 LED或其他装置的其他台面隔开)。
图65示出了包括多层堆叠的LED晶片2000，所述多层堆叠包括基底2008、 层2006、层2004及层2002。基底2008 —般可为如上文所述的基底500，且层 2006、 2004及2002 -般可分别为如上文所述的层506、 510及512。
图66示出了包括匕述层2002、 2004、 2006及基底2008的多层堆叠2010。 多层堆叠2010亦包括已刻图阻挡层2012。已刻图阻挡层2012提供用-f选择性 材料沉积(例如金属沉积)的掩膜。巳刻图阻挡层2012可形成决定从台面形 成的LED的最终横截面形状的重复图形(例如正方形、矩形、岡形、六角形或 其他限定图形)。
图67显示了包括多层堆叠2010以及层2018及2020的多层堆叠2016。例 如，层2018及2020可为沉积于多层堆叠2010的上表面的金属层。层2018及 2020--般选择为能够形成与p掺杂GaN层2002接触以及能够结合。例如，可 选择层2020为形成接触且包括p接触金属层(例如由Ni、氧化锡铟(Indium-Tin Oxide，ITO)、 Ag、 Al、 Ti、 Cu、 Rh、 Pt或它们的合金构成的层)以及镜层(例 如由Ag、 Al、 ITO、 Cu、 W、 Pt、 TiN或它们的合金构成的层)。此外，亦可 包括扩散层(例如Pt或Ti-N)来防止或限制分层堆叠中任何金属之间的扩散 或化学反应。例如，扩散层可防止Sn较快地从结合层扩散。此外，可沉积各 种黏着层(adhesion layer)(例如，Ti)以帮助多层堆叠的不同层之间的粘合。 基于结合特性，层2018 —般被选择用作结合界面层。例如，层2018可包括Au、 Ag、 AgSn、 Au-Sn、 Pb-Sn、 Pd-In或Au-Ge。可使用多种金属沉积工艺(例如 电子束、溅镀、热/电阻蒸镀或电镀)来沉积层2018及2020。在一些实施例中， 使用溅镀工艺来沉积层2018且使用电子束工艺来沉积层2020。此外，可包括扩散层(例如Pt或Ti-N)。扩散层可防止或限制分层堆叠中这些金属的扩散 或化学反应。此外，可沉积各种黏着层(例如Ti)以帮助多层堆叠的不同层之 间的粘合。
图68示出了多层堆叠2024，其通过在多层堆叠2016上执行剥离(liftoff) 工艺去除已刻图阻挡层2012及由已刻图阻挡层2012支撑的层2018及2020的 区域(例如阻挡层置于层2020与层2002之间的区域)而构成。不具阻挡层以 使金属沉积于层2022上的区域(例如在沉积层2018及2020之前阻挡层己刻 图或已去除的区域)中所沉积的金属层2018及2020得以保留。由此，金属层 2018及2020在多层堆叠2024的表面形成阻挡图形的负像(negative image)。
图69示出了通过在多层堆叠2024的区域上沉积阻挡层2028而形成的多 层堆叠2026。阻挡层2028可延伸通过金属层2018及2020的边缘且在后续的 蚀刻过程中掩盖金属层2018及2020。
图70示出了包括由基底2008支撑的台面2032的多层堆叠2030。例如， 可通过对多层堆叠2026的层2002、 2004及2006进行蚀刻以将金属层2018及 2020的图形转移入多层堆叠2026而形成台面2032。例如，可利用包括C12、 Ar、 BC13或SiC14的氯基蚀刻来蚀刻台面2032。台面2032的高度是由起始多 层堆叠2000及沉积层2018及2020的厚度决定的。例如，台面2032可为至少 约1 mm高(例如至少约2mm高、至少约3mm高、至少约4mm高、至少约5mm 高、至少约6mm高、至少约7mm高、至少约8mm高、至少约9mm高、至少 约10mm高)。对形成台面2032的层2002、 2004及2006进行蚀刻可增加包 括多层堆叠2030及台面2032在内的晶片的挠性。晶片挠性的增加有利于如下 所述地将多层堆叠2030结合至子基座。对形成台面2032的层2002、 2004及 2006进行蚀刻可形成包括多层堆叠2030及台面2032在内的晶片内的通道的连 接网络。晶片内通道的连接网络有利于如下所述地将多层堆叠2030结合至子 基座。
图71示出了包括由基底2008支撑的台面2035的多层堆叠2036。台面2035 是通过从台面2032去除阻挡层2028而形成的。可对层2018的上表面进行结 合制备工艺。例如，层2018的表面可经化学清洗、机械清洗，或者以等离子 体、化学物质或气体处理以准备层的结合。
图72示出了多层堆叠2038，其包括具有沉积结合层2040的子基座2042。 多层堆叠2038可包括与图48所示的多层堆叠600中的层类似的层，且可使用 与上述工艺类似的工艺形成。在某些实施例中，该子基座可以包括焊料(例如， AgSn焊料、Au-Sn焊料、Pb-Sn焊料、Pd-In焊料、或Au-Ge焊料)。
图73示出了通过将多层堆叠2036的层2018与多层堆叠2038的层2040 结合形成的多层堆叠2046。例如可利用热机械按压工艺来结合层2018及2036。如以上根据图49中所示工艺所描述的，可选择各种温度及压力。由于台面2035
而增加的晶片的挠性允许更大的晶片翘曲公差及被结合的晶片的平面度的公
差。台面2035之间的空间可允许聚积于结合介面的气体扩散到台面2035之间 的蚀刻通道，由此，可能减少由结合层所聚集的气体而造成的结合层内的空腔 (void)。不希望受理论的束缚，据信空腔的形成可以减少结合层的热传导性 和降低发光设备的效率。
图74及75示出了将结合的多层堆叠2046曝露于电磁辐射(由箭头2048 表示)以及将基底2008去除。曝露于电磁辐射2048及基底2008的去除与上 述工艺类似。尽管未于图65-64示出，但是在一些实施例中，可在基底2008 与层2006之间放置半导体层(例如与上文中关于层504所描述的相似)。在 这些实施例中，曝露于电磁辐射2048,至少部分地分解基底2008与层2006之 间的半导体层以致可去除基底2008。在某些实施例中，层2006与基底2008之 间不放置半导体层，并且通过辐射2048分解层2006的一部分。
曝露于电磁辐射期间的半导体材料的分解可在多层堆叠内产生应力。此 外，作为分解的产物，会产生气体(例如氮气)。这气体，特别是若聚集在经 分解的层中，则可产生应力，并且，若应力足够大，则会发生裂纹或其他不希 望出现的结果。台面2035之间存在的区域允许气体从台面2035扩散且积聚在 台面2035之间的蚀刻通道或空间中(亦称为气体积聚层)。本来聚集的气体 的扩散及逸出减少了半导休层的分解过程中多层堆叠中的应力。在 -些实施例 中，台面2035之间的通道形成遍及晶片的通道网络，允许气体从通道经由延 伸至晶片边缘的开口逸出。
半导体材料分解后，去除基底2008，从而形成包括支撑已转移台面2053 的子基座的多层堆叠2050 (图75)。台面2053从基底2008转移至子基座2040 后，层2006中包括的n掺杂区域临近台面2053的顶部。去除子基座2008或 子基座2008的一部分后，残留物2052仍留在台面2053上(见上文根据图51 及52的描述)。如图76所示，可使用一或多步步骤来去除层2052以及清洗 层2006的表面，形成台面2055。已根据图61及32描述了去除残留物2052的 方法。接着，可对台面2055的层2006的上表面进行刻图以从台面2055的总 数量中的至少约10% (例如至少约20%、至少约30%、至少约40%、至少约 50%、至少约60%、至少约70%、至少约80%、至少约90%)形成LED。或者， 可对晶片上的所有台面进行刻图。 一些实施例中，LED形成工艺与上文所述工 艺类似且可包括上述工艺中的多种变换。 一般的，在台面2055上沉积或生长 有至少一硬掩膜层2060 (例如低温氧化物(LTO)、 Si02、氧化物、SiNx、 Ni、 铬)。在至少一硬掩膜层2060上沉积阻挡层2058形成如图77所示的多层堆 叠2056。使用如上文所述的压印工艺将图形压印到阻挡层2058中。压印工艺
45可为台面接台面(mesa-by-mesa)工艺(例如将图形压印入一个台面，然后将 模子2062移至不同的台面且将图形压印入不同的台面)。若使用台面接台面 工艺，可将模子2062与台面2063对齐(registered)或对准(aligned)以在压 印前决定台面2063的朝向及高度。或者，可使用其他光刻技术来对表面进行 刻图。
尽管所描述的实施例使用刚性模子2062，但在刻图过程中可使用与台面特 征一致的挠性掩膜或模子作为代替。共形掩膜可包括诸如膜或其他挠性材料的 层。例如，可使用厚度为约0.5mm至100mm之间的Ni层。使用挠性模子对层 2058刻图过程中，模子与台面的表面一致且将图形转移到一个或多个台面的层 2058的表面中。例如，挠性模子可大于晶片且可在单个步骤中对所有台面进行 刻图。由于模子为挠性，可适应整个晶片中的台面高度不同而无需要求掩膜与 单个台面对齐。此外，子基座2042可由诸如金属(例如CuW)的挠性材料构 成以允许包括台面2055的子基座2042以及模子两者倶可以在压印过程中弯曲 或相一致。
例如使用上文所述的方法(图80)将阻挡层2058中的图形(图79所示) 转移到至少 一个硬掩膜层2060及层2006的一部分。可使用如上文所述的各种 图形来刻层2006的图形。
可去除层2058及2060的剩余部分，并且随后沉积接触层。图81示出了 包括层2006的巳刻图表面以及沉积接触层2068及2070的多层堆叠2066。可 如h文所述地沉积接触层2068及2070。接触层2070有利于与层2006的欧姆 接触。在-些实施例中，接触层2070共形地涂布层2006中的图形。层2006 (例如由A1、 Ti、 Ni、氧化锡铟(ITO)、 Ag、 Cu、 Rh、 Pt或它们的合金)亦可 包括-^层或多层黏着层(例如Ti)和/或-层或多层扩散阻挡层(例如Ni、 Ti-N、 Pt)。不希望受理论的束缚，据信接触层(例如Au、 Al、 Ag)有利于电 流扩散以及减少沿接触层的欧姆发热。或者，可在上述关于图77-79描述的刻 图步骤之前沉积接触层。在刻图前沉积接触层的实施例中，层2006的已刻图 区域与接触区域隔开。在一些实施例中，欧姆接触沉积以及刻图步骤为自对齐 的。
图82示出了单独装置2072a及2072b通过划片(scribing )及分裂(cleaving) 工艺、裸芯切割(DieSaw)工艺、激光划片工艺或其他分离技术，与子基座2042 所支撑的其他装置分离。可封装单独装置2072a及2072b。单独装置2072a及 2072b的封装包括形成从封装的金属接触区域(例如Au、 Al、 Ag)延伸至金属 垫或迹线(例如Au、 Al、 Au)以形成至LED的电接触(例如球结合、楔结合) 的引线结合(wire bond)。单独装置2072a及2072b的封装亦包括将装置焊接 (soldering)(例如裸芯粘接工艺(die-attach process))至封装内的适当位置。例如,
46裸芯粘接工艺中使用的焊料可为AuSn、 PbSn、 Au-Ge、 AgSn或其他焊料。封 装亦可包括防反射涂布窗2068以允许LED所发光更有效地从封装逸出。
尽管以上图65-82中所描述的工艺包括对台面2063的表面进行曝露及刻图 以在一个台面接一个台面的基础上形成LED，但其他实施例可包括同时对多个 台面进行刻图。例如，如图83所示，可将平整层2073 (例如阻挡层、聚酰亚 胺层、聚合物层或氧化物层)沉积至支撑台面2055的子基座2042上。如图84 所示，对平整层2073进行平整以与台面2055大致一般齐(例如与层2006的 顶表面一般齐或一般平)。用于对平整层2073进行平整的技术一般根据层2073 所选材料的不同而不同。例如，若平整层2073包括阻挡层，则可机械或热-机 械按压阻挡层以形成平坦表面。又如，若平整层2073包括氧化物，则可抛光 (例如通过CMP工艺)氧化物以平整表面且使层2006的上表面曝露。
基本平坦的表面形成后，将硬掩膜层2076及阻挡层2075沉积在多层堆叠 2074上。使用上述技术之一将阻挡层2075刻成如图86及87所示的图形。这 一工艺将图形转移至晶片的实质部分。例如，若掩膜2077大于晶片，则在单 个步骤中对整个晶片刻图。若掩膜2077没有覆盖整个晶片，则掩膜2077步进 地越过晶片以便将图形转移入阻挡层2075。随后使用上文所述的蚀刻工艺将在 阻挡层2075中曝露的图形转移到至少一个硬掩膜层2076及层2006中。对层 2006刻图后，去除硬掩膜层2076及平整层2073以形成图88所示的多层堆叠 2077。例如，可使用氧气等离子体蚀刻、溶剂清洗或化学蚀刻来去除平整层 2073。
尽管上文图65-88所描述的工艺包括使用光刻技术对台面2063的表面进行 曝露及刻图，以在一个台面接-个台面的基础上形成LED，其他实施例包括使 用其他技术来对台面的表面刻图。例如，如图89-94所示，可使用颗粒的自组 装单层来对台面2055的表面刻图。多层堆叠2056 (图89)浸入包括球壳为微 米级胶质颗粒或珠粒2092的溶液2091中(图90)。微米级胶质颗粒包括聚合 物珠粒(例如聚苯乙烯珠粒)及介电珠粒(例如，氧化物或蓝宝石珠粒)。或 者，可在旋涂工艺中将液体分配于多层堆叠的表面。颗粒在滴状物的表面上自 组装以使总介面能量最小(图91)。随着溶液从台面2055的表面蒸发，珠粒 2092的单层留在台面的表面上。珠粒的自组装阵列的排序可根据多个因素而改 变，例如包括温度、溶液2091中珠粒2092的百分比、湿度、干燥速率及基底 或表面的拓扑结构。亦可使用多种尺寸的珠粒以形成多种超晶格图形。此外， 根据干燥技术，自组装可生成具有无序晶界的有序晶粒。在一些实施例中，非 均衡干燥条件可致使纳米颗粒自组装为复杂周期图形、非周期图形、准晶图形 或轻微无序的周期图形。不希望受理论的束缚，据信这些图形可便于有效的光 提取。在台面2055的表面上形成珠粒2092的自组装阵列之后，在台面2055
47的表面(图92)或如Si02层的另一硬掩膜层上沉积材料2093薄层(例如诸如 Ni、 Ti、 W或铬的金属层)。例如，使用蚀刻工艺或剥离工艺来去除珠粒2092 以及层2093上由珠粒2092支撑的部分。将层2093上由珠粒2092支撑的部分 去除使层2093的剩余部分生成珠粒排列的负像(图93)。随后可将层2093用 作掩膜层来蚀刻层2006。将图形转移入层2006后，可去除层2093以形成如图 94所示的多层堆叠2096。尽管上文描述了球形珠粒， 一般的，球形珠粒可指 代类似自组装工艺所使用的任何类型的纳米颗粒。 一般，纳米颗粒可描述为一 维长度为至少约0.01mm (例如至少约O.lmm、至少约0.5mm、至少约lmm、 至少约2mm、至少约5mm、至少约10mm)的颗粒。尽管如上所述的颗粒是球 形的，但是可以使用其他形状的颗粒。
如上文所示，可通过使多层堆叠2046中的一层曝露于电磁辐射来分解该 层从而从台面2032去除基底2008。在一些实施例中，根据台面2055的形状来 选择电磁辐射束的形状。例如，如图95所示，可选择电磁辐射束2090以交叠 在一个台面的至少一条边缘(例如一个台面的至少两条边缘、 一个台面的至少 一条边缘以及另一台面的另一条边缘)上。在这一实例中，细长光束是步进的 以顺序地曝露台面部分(例如部分2080a-d)。在另--实例中，如图96所示， 光束的形状与台面的横截面匹配或基本匹配。在这-实例中，光束覆盖台面 2055的实体部分或与台面交叠，以及在一个台面接一个台面的基础上照射台 面。
在一些实施例中，整个晶片表面的台面2055高度可不同。例如，由于起 始多层堆叠2000或其他沉积层(例如，层2018及2020)的不均匀沉积厚度， 使得高度不同。台面2055的高度亦可因不均匀地平整而不同。此外，由于晶 片中的翘曲，整个晶片中的台面2055的高度及朝向可不同。在一些实施例中， 在对台面2055的表面刻图以形成LED之前映射台面2055的高度。考虑到整个 晶片上台面2055的高度及取向的不同而对光刻进行补偿。例如，系统可映射 整个晶片上的总厚度变化、巻曲(warp)、焦点平面偏差，或局部厚度变化， 并且可根据测量结果来调整光刻。
在一些实施例中，起始多层堆叠2000中的翘曲量使得难以将多层堆叠2000 结合至子基座。在该实例中，在将多层堆叠结合至子基座2042之前将晶片中 的翘曲减少为可接收量是有利的。当蚀刻多层堆叠以形成晶片上的台面时，沉 积层(例如层2002、 2004及2006)内的应力减少且晶片2000的挠性增加。由 于晶片的挠性增加，晶片的翘曲程度降低。由此，为了将翘曲减少至可接收水 平，可选择多个台面且将这些台面蚀刻到晶片中，或者蚀刻至使得翘曲有实质 性减少的深度(可能伸入基底2008)。晶片形成台面并且减少晶片不平度的晶 片2000的选择性蚀刻可为迭代工艺(iterativeprocess)。例如，晶片2000的-部分可专用于减少翘曲但不用于LED形成，且可将多个蚀刻通道迭代地蚀刻到晶
片2000中的专用部分直至充分减少晶片2000中翘曲。在其他实施例中，晶片 2000的一些部分中用以去除曲度的台面隔离蚀刻可与其他区域中用以去除翘 曲的台面隔离蚀刻不同(例如不同的深度)。
尽管在上述的一些实施例中，对从单个台面形成的LED进行封装。亦可对 多个台面分组且以组分开以使一个封装装置中可包括多个由不同邻近台面形 成的LED。这样做的好处是提供了超静定性(redundancy)，使得若一些台面 没有形成有功能的装置或在使用时失效，则封装装置仍能够发光。此外，这一 技术可用于比最终LED尺寸小的网格上(例如0.5mm)以构建各种矩形儿何形 状(例如16比9、 4比3及1比1)的较大LED。此外，可将多个能够发不同 颜色(例如红色、绿色、蓝色)或波长光的LED封装到同一封装中。
尽管在上述的一些实施例中，多个起始由基底(例如基底2008)支撑的台 面被转移，以使台面通过单个子基座(例如子基座2042)支撑，也可将台面转 移至多个不同的子基座、或放置于另--基底或装置上的所需位置。
在一些实施例中，可将台面的形状选择为与微显示器的形状相匹配或接近
匹配。例如，台面的纵横比可选择为16比9或4比3以匹配成类似比例的微 显示器、例如投影微显示器。
在一些实施例中，各台面可以这样-种形式定位在电网络中，即各LED代表显不器(例如投影显示器)中的一个像素。
尽管在上述实施例中，蚀刻由基底支撑的沉积层以形成台面，但是在一些 实施例中，亦可蚀刻基底的--部分。这可进一歩增加晶片的挠性。
在-些实施例中，如图97A所示，LED1802的接触部布局包括两个导电垫 1804a及1804b以及从导电垫1804a及1804b向LED1802的中心区域延伸的导 电条(或指)1806。与导电垫1804a及1804b连接的引线结合(未示出)向 LED1802提供电流及电压。导电条1806将电流从导电垫1804a及1804b扩散 至LED1802的顶表面1808。条1806允许电流充分地扩散穿过顶表面1080同 时限制被接触部覆盖的表面1808的量。
图97B示出了包括导电垫1804a及1804b以及导电条1806的LED1802的 俯视图。在一些实施例中，导电垫1804a及1804b的宽度可大于导电条1806 的宽度。垫1804a及1804b的较大宽度允许垫1804a及1804b用作电源总线并 且将较大量的电能沿总线扩散至条1806。垫1804a及1804b以及条1806的宽 度可与LED1802的尺寸相关和/或根据其他因素，如光刻及工艺参数。
例如，LED的尺寸范围为一侧约0.5mm至lcm。如上所述，LED1802的 纵横比可不同。导电垫1804a及1804b的宽度例如可为约50um至约500um， 且条1806的宽度例如可为约lum至50um。例如，导电垫1804a及1804b的高度可根据输送至该LED的电流及电能或者根据沉积及工艺参数而变化。例如，
导电垫1804a及1804b以及条1806的高度可为约0.1 um到约10um。
一般，条1806的长度及形状可根据需要改变。如图97B所示，条1806可
为矩形且从导电垫1804a及1804b向LED1802的中心区域延伸。或者，条1806
可为不同的形状，如正方形、三角形或梯形。
图98A至98C示出了接触部结构的另一实例。在该实例中，多个条1812
穿过LED1810的整个长度，从而将导电垫1804a与导电垫1804b连接。接触条
1812具有关联电阻率r吣厚度tb及长度l。通过将该结构简化为如图98C所示
的等效电路模型可以估算基于导电垫1804a及1804b以及接触条的LED1810
的电流分布特性。
LED1810的纵横比可影响该系统的电流损耗。可根据下列方程来计算 LED1810的纵横比'L， iWAb/a
其中，A为裸芯的表面积(例如长度乘以宽度)且a及b为裸芯的纵横比。 例如对于纵横比为16x9的LED, a=16， b=9。
如前所述，为了使得LED所发光可以经由表面发出，接触条1812不覆盖 LED1810的整个表面。由于接触部仅覆盖LED1810表面的一部分，将接触电 阻除以表面覆盖率/,如下列方程所示
可根据—F列方程来估算结的电流密度
其中/o为结饱和电流且T为绝对温度。匕述估算忽略了横向电流扩散中的
n型材料的贡献量。然而， 一般，由于接触部的导电率比n型材料的导电率大 得多，电流扩散绝大部分发生于金属接触部。例如，接触部导电率与n型材料 的导电率之比可在约100至约500的范围内。
在类似系统中(但这些垫之间有无穷个隔离(infinite separation)),若处于正
向偏置(例如巧〉〉中执行计算，且若串联电阻的电压降比；tr/e (例
如' /Ve // + +/V")^eeVt7" ^"大得多，则可根据下列方程
来估算结的电流密度分布的线性近似
其中L为垫之下的电流密度，x为相距垫的距离，且Ls为如下方程所示的
电流扩散长度
50丄，=V…"+ a-c +/v, +/v"k / a.
这一估算假设这些垫之间有无穷个隔离。然而，对于具有非无穷个隔离的线性近似，可将单个垫的解相加在一起。上述过程引入接近裸芯中心的误差，但不认为其会显著地改变物理趋势。
在装置的中心^=172处出现最小电流密度，并且可根据下列方程估算
4 =2^6
mm i
其中用如下方程估算均匀因子(uniformity factor)
J(O) l + e, ■
对于具有相同表面积的裸芯，正方形形状变为接触条沿着较小一侧的、纵横比为a,b的矩形形状，最小电流密度增大而以下列方程修正均匀因子
广 一 7 7>
、in 一 Z^1K
r〃 J(丄72) 2e-^7^
7(0) i +
由此，以下列方程估算均匀增大因子
例如，在正方形(例如3=1 )情况下的均匀增大因子'S'的最小值为S=l。
对于16x9的矩形，设下列值pm=2.2'10—6Qcm (金)，Pl>c=l.(H0-3Qcm2，pp=5.0Qcm， pn_c=1.0.10-4Dcm2， pn=5.0'l(r3Qcm， n接触表面覆盖率10%，且p-、n-及金属的厚度为0.3pm、 3.0pm及2)im (10%覆盖率)。贝(」Ls等于1.4mm。若裸芯表面积为A=25mm2。在正方形情况下，U=0.325，而16x9的情况下，U'=0.5，或者均匀增大因子S=1.54，即电流均匀性增大54%。
由此，不希望受理论的束缚，据信使用矩形形状的LED有利于电流扩散。代替地或附加地，通过在接触部的一部分下面设置绝缘层1820(例如氧化物层，图99A)可以改变接触电阻率以增进电流扩散。如图99A及67B所示，条1812的一部分之下包括绝缘层1820 (以虚线示出)。绝缘层1820在条的顶部处(例如靠近垫1804处)宽度较宽，且朝着裸芯的中心区域变窄。图99B示出了等效电路图。
51接触电阻率一般与接触面积成比例。例如，如下列公式所示，随着接触面积减小，接触电阻率增大，
c — — 2w — 2, 一 /
其中w为条的重复率(例如每单位面积的条的数量)。由于下层的绝缘层
1820，接触部面积在最接近垫1804a及1804b的接触部边缘处较小，且随着距垫1804a及1804b的距离增大而增大。由于接触面积不同，靠近垫1804a及1804b处的接触电阻率较高、且朝着LED的中心处逐步降低。接触电阻率的不同迫使电流进一步行进，减少了电流集聚(current crowding )、增大了经由表面所发出光的均匀性，及减小了性能降级。可根据下列方程来估算电流扩散长度
丄5 (x) = + <: zz2x)+p力+ aa K' z '
可根据下列方程来估算沿裸芯的结电流密度
= j> 。
+々1
以及
最小电流在装置的中心(例如，在x:L/2处)，可根据下列方程估算
4
可根据下列方程来估算图9 9 B所示结构的电流均匀因-/-
如上文所述，氧化物层1820可迫使电流流向接触部的端部(例如朝裸芯的中心区域)从而增加了电流扩散。氧化物层1820亦可减少吸光接触部下的光生成，从而允许更大百分比的所生成光从LED的表面出射。
图IOOOA及100B示出了垫1804a及1804b、接触部1830及氧化物层1820(由虚线表示且置于接触部1830的一部分之下)的另一结构。此处的接触部1830亦为锥形。尽管图IOOOA所示为线性锥形，亦可使用其他锥形。线性锥形保持与图99A所示接触部1812的接触面积相近的总接触面积，裸芯中心处的
52接触宽度大致为条1812 (图99A)宽度的一半，而垫处的接触宽度为图99A所示宽度的3倍。可使氧化物的锥形角度更大以使接触电阻在垫处最大，而在裸芯中心处最小。接触电阻朝着裸芯中心减少，且条的接触电阻越接近垫越小。使接触部及绝缘层同为锥形有助于迫使电流流向裸芯中心。可根据下列方程估算局部扩散长度。
=V…"+ /Vp +/V"X" /(2/>, /(3-4义/丄))
可使用上文所述的电流分布的类似的积分公式来估算图100A及100B所示
结构的电流分布。
图101A示出了附加接触部结构1801的俯视图，101B及101C示出了附加接触部结构1801的剖视图。导电接触部1836朝着裸芯的中心延伸，但并不连续地覆盖条1804a与1804b之间的LED的上表面。绝缘层1834位于LED的顶部与接触部内部的金属接触部之间。接触部1836及绝缘层1834两者倶为锥形。箭头1837代表从金属接触部1836进入裸芯表面的电流扩散。
图102示出了估算归一化结电流密度的曲线图1850，其为多种根据前述方程的接触部及裸芯结构的条1804a与1804b之间的归一化距离的函数。线1856代表具有矩形条且没有氧化物的正方形裸芯的电流密度，线1858代表具有矩形条Pl没有氧化物的矩形裸芯的电流密度，线1860代表具有矩形条以及锥形氧化物的矩形裸芯的电流密度，且线1862代表具有锥形条以及锥形氧化物的矩形裸芯的电流密度。曲线图1850示出了接触部的一部分之下矩形芯片(chip )及氧化物层两者的电流密度分布的改进。
图103A不出了附加接触部结构1803的俯视图，图103B示出了附加接触部结构1803的剖视图。绝缘层1805a及1805b分别位于LED的顶部与金属垫1804a及1804b之间。绝缘层1805a及1805b分别位于金属垫1804a及1804b的一部分之下，且朝着裸芯的边缘，以使金属垫1804a及1804b的一部分分别由绝缘层1805a及1805b支撑，且金属垫1804a及1804b的一部分分别由发光二极管的顶表面支撑。氧化物层1805a及1805b减少了吸光金属垫1804a及1804b之下的光生成，从而允许更大百分比的所生成光从LED的表面出射。
尽管上述实施例包括单组从金属垫1804a及1804b延伸的接触部，但亦可使用多组接触部。例如，第二组接触部可从与金属垫1804连接的接触部的组延伸等等。此外，尽管所述的为氧化物层，但一般，亦可使用任何适当的电绝缘材料(例如氮化物)来构成层。
图104示出了接触部1899实例的尺寸，可用于估算n接触部内的电传输。设接触部1899在接触段(period) D 1870内分布均匀电流密度 /。。可以下列方程估算接触部所载送的总电流这一最大电流在接触部的顶部(在垫处)流动，与由下列方程估算的电流 密度相对应
在离条端部的任意距离x处，可由下列公式估算电流密度 耵
可由下列公式估算单位长度的电压降 《—人渔
血 盯
并且可由下列公式估算单位长度的发热量
血 野
求上述方程的积分，可山下列方程估算总电压降 F = ^皿2
并且由下列公式估算条内的总发热量
2C =
一
当总发热量变得相当大时，由于装置的性能(例如装置过热)而破坏了均 匀电流假设。因此，需要将最大电流密度(电流密度一般与长度成线性比例)、 电压降(电压降一般与长度的平方成比例)、和/或所发热量(热量一般与长 度的立方成比例)减至最小。基于上述关系，具有更多但更短条的9x16的矩 形裸芯具有比例分别减少至3/4、 9/16及27/64的a、 b及c。由于条的数量增 大至4/3，相信总发热量可减少9/16。
图105示出了封装LED装置1890。 一般，封装应能够在便于光收集的同 时亦提供裸芯的机械及环境保护且允许驱散裸芯内所生成的热。如上所述， LED1890包括导电垫1804a及1804b以允许电流扩散至多个接触指1812且驱散至LED的表面。多个引线结合1892提供LED与封装之间的电流通路。引线 结合1892可由多种导电材料构成，诸如金、铝、银、铂、铜和其他金属或金 属合金。封装还可包括多个堡形部(castellation)1894以将电流从封装的底面传 输至封装的顶面以方便电路板上的表面安装。堡形部1894包括中心区及电镀 层。中心区可由例如钨的难熔金属构成，且可较厚(例如约100um至约lmm)。 可用诸如金的导电材料来电镀中心区。电镀的厚度范围可为约0.5um至约10um 且提供支持较高功率电平的电流通路。此外，封装包括封装在LED裸芯上的透 明盖板1896以在不使用灌封剂时保护已刻图表面506 (图56)。例如使用熔 化于熔炉的玻璃料(glassy frit)来将透明盖板1896附接到封装上。或者，例 如可使用盖面焊接(cap weld)或环氧树脂来连接盖板1896。透明盖板1896可 进一步涂布一种或多种防反射涂料以增进光传输。不希望受理论的束缚，据信， 没有灌封剂层，允许已刻图表面LEDIOO中单位面积的容许功率负载较高。灌 封剂的降解是标准LED的常见失效机理，且可以通过不使用灌封剂层来避免。 封装装置1890可安装于电路板，或其他装置上，或者直接安装于散热器上。
图106示出了置于散热器装置上的封装装置1890的散热模型。封装装置 1890由芯板1900支持，所述芯板包括附接至散热器的绝缘及导电区域(例如 使用诸如Al或Cu等金属的导电区域)。例如，可使用焊料(焊料的例子包括 AuSn焊料、PbSn焊料、NiSn焊料、InSn焊料、InAgSn焊料及PbSnAg焊料) 或使用导电环氧树脂(例如填银环氧树脂)将封装装置1890附接至芯板1900。 芯板1900由散热器金属层1902及散热器翅片1904支撑。例如，可使用焊料 (焊料的例了包括AuSn焊料、PbSn焊料、NiSn焊料、InSn焊料、InAgSn焊 料及PbSnAg焊料)或使用环氧树脂(例如填银环氧树脂)将芯板1900附接至 散热器金属层1902。在此模型中，假设随着热朝散热器消散而使热从封装装置 1890扩散。扩散角1906代表热从封装装置1890散出的角度。扩散角1906 — 般根据系统的材料特性及垂直布局而不同。散热器中不同层的扩散角1906不 同。可由下列方程估算厚度为4的片的热阻
<formula>formula see original document page 55</formula>
其中K。为导热率而S'为元件顶部的导热前沿(heat front)的尺寸。将其 积分得到以下的阻率方程
<formula>formula see original document page 55</formula>
对于矩形的情况，计算这一阻率得到图107所示的结果。图107示出了厚度较大和扩散角为45度的系统的Rth—rectangle/Rth_square (其中Rth为热阻) 计算比。热阻随纵横比的增大而减小。例如，若正方形裸芯系统的热阻为20°C/W 且需消散3W的功率，那么结温(设室温为25°C)可为25+20*3 = 85°C。然而， 面积相同且所散热相同的矩形裸芯的结温一般较低。图108示出了作为纵横比 函数的结温的曲线图。据信较低的结温有利于减少波长变动以及有利于较高的 装置效率。
如上所述，使用矩形形状的LED可提供某些优点(例如，较之正方形)。 这些优点包括下列中的一或多个。矩形LED可允许单位面积中更多的引线结 合，增加了可输入LED的功率。可选择矩形形状以与像素或微显示器的特定纵 横比相匹配，由此，无需使用复杂的光束整形光学器件。矩形形状亦可增进LED 的散热以减少由装置过热而导致失效的可能性。
由于从晶片上切割下来的单个LED的横截面仅比LED的发光面积稍大， 可将许多单个的且独立定位的LED互相紧密地封装入阵列。若一个LED不起 作用(例如由于较大缺陷)，则其不会明显地损害阵列的性能，因为这些单独 装置是紧密地封装在 -起的。
尽管已描述了某些实施例，但其他实施例也是可行的。
例如，尽管上文描述了发光装置及相光层的某些厚度，其他厚度也是可行 的。总之，发光装置可为任何所需的厚度，并且发光装置内的单独层亦可为任 何所需的厚度。 一般，多层堆叠122内的这些层的厚度可选择为增加光生成区 130的光学图形的空间重叠，以增加冈域130中所牛:成光的输出。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的厚度为至少约lOOnm (例如至少约200nm、至少约300nm、至少约400nm、至少约500nm)和/或 至多约10微米(例如至多约5微米、至多约3微米、至多约1微米)。在某 些实施例中，层128的厚度为至少约10nm (例如至少约25nm、至少约40nm) 和/或至多约1微米(例如至多约500nm、至多约lOOnm)。在某些实施例中， 层126的厚度为至少约10nm (例如至少约50nm、至少约lOOnm)和/或至多 约1微米(例如至多约500nm、至多约250nm)。在某些实施例中，光生成区 130的厚度为至少约10nm (例如至少约25nm、至少约50nm、至少约lOOnm) 和/或至多约500nm (例如至多约250nm、至多约150nm)。
例如，尽管描述了发光二极管，亦可使用具有上述特征(例如图形、工艺) 的其他发光装置。这种发光装置包括激光器及光学放大器。
又如，尽管将电流扩散层描述为独立于n掺杂层134的单独层，但在一些 实施例中，可将电流扩散层整合到(例如一部分的)层134中。在这种实施例 中，电流扩散层可为层134的较高浓度的n掺杂部分或其间的异质结(例如 AlGaN/GaN)以形成二维电子气。
56再如，尽管描述了某些半导体材料，亦可使用其他半导体材料。总之，可 使用用于发光装置的任何半导体材料(例如III-V半导体材料、有机半导体材
料、硅)。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-羟基喹啉(tris-8-hydroxyquinoline)铝(Alq3)的小 分子、以及诸如聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-亚乙烯基亚苯 基]([2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-l,4- vinylenephenylene])或MEH-PPV之类的
共轭聚合物。
又如，尽管描述了较大面积的LED, LED亦可为小面积LED (例如，边 缘比标准小约300微米的LED)。
还如，尽管描述了根据图形发生空间变化的介电函数，其中所述图形由孔 形成，但图形亦可以其他方法形成。例如，可在适当的层中由连续的脉纹(vein) 和/或不连续的脉纹来形成图形。此外，可不使用孔或脉纹而获得不同介电函 数的图形。例如，可在适当层上对具有不同介电函数的材料刻图。亦可使用这 些图形的组合。
又如，尽管将层126描述为由银构成，亦可使用其他材料。 一些实施例中， 层126由可将反射光生成区所生成的光中至少约50%投射到反射材料层上的材 料构成，反射材料层在支撑件与材料的多层堆叠之间。这种材料的例子包括分 布式布拉格反射镜堆叠及诸如铝、及含铝合金的多种金属及合金。
再如，支撑件120可由多种材料构成。可构成支撑件120的材料的例了-包 括铜、铜-钨、氮化铝、碳化硅、氧化铍、金刚石、TEC及铝。
还如，尽管将层126描述为由散热材料构成，但在-些实施例中，发光装 置可包括用作散热器的独立层(例如置于层126与子基座120之间)。在这种 实施例中，层126可由或者不由用作散热器的材料构成。
再如，尽管除了利用整个光生成区之外，还描述了介电函数中的变化图形 仅延伸到n掺杂层134中(其基本上减小了表面重组合载流子损失的可能性)， 在一些实施例中，介电函数中的变化图形可延伸穿过n惨杂层(例如进入电流 扩散层132、光生成区130和/或p掺杂层128)。
又如，尽管描述了将空气置于表面110与盖板片140之间的实施例，在一 些实施例中，可在表面110与盖板片140之间设置不同于空气或除空气外的其 他材料。 一般，这种材料的折射率为至少约1及小于约1.5 (例如小于约1.4、 小于约1.3、小于约1.2、小于约1.1)。这些材料的例子包括氮气、空气或一 些高热导气体。在这些实施例中，可对或不对表面220刻图。例如表面110可 为不刻图的，但是是粗糙的(即具有小于的各种尺寸及形状的随机分布特 征)。
再如，尽管描述了涉及平整层与光刻层的沉积与蚀刻的实施例，但在一些
57实施例中，可将预先刻图的蚀刻掩膜铺在n掺杂半导体层的表面上。
又如，在一些实施例中，蚀刻掩膜层可置于n惨杂半导体层与平整层之间。 在这些实施例中，方法可包括去除蚀刻掩膜层的至少一部分(例如在与n掺杂
半导体层中的图形相应的蚀刻终止层中形成图形)。
还如，尽管揭示了表面110是已刻图且光滑的实施例，但在有些实施例中， 表面110可为已刻图且粗糙的(即具有小于X/5、小于X/2、小于X的各种尺寸 及形状的随机分布特征)。此外，在某些实施例中，无论表面110是否粗糙， 开口的侧壁可为粗糙的(即具有小于X/5、小于V2、小于X的各种尺寸及形状 的随机分布特征)。再者，在一些实施例中，开口 150的底表面可为粗糙的(即 具有小于^/5、小于V2、小于X的多种尺寸及形状的随机分布特征)。例如可 通过蚀刻(例如，湿蚀刻、干蚀刻、反应离子蚀刻)来使表面110、开口 150 的侧壁和/或开口 150的底表面变粗糙。不希望受理论的束缚，相信相对原子 平滑表面，变粗糙的表面110和/或开口 150的侧壁可增大光线最终以小于斯 涅尔定律(Snell'sLaw)给出的临界角的角度照射且被提取的概率。
又如，在一些实施例中，可将子基座加工为包括弹簧状结构。不希望受理 论的束缚，相信这种弹簧状结构可减少去除基底期间的开裂。再如，在一些实施例中，子基座可由声学吸收平台(例如聚合物、金属泡 沫)支撑。不希望受理论的束缚，相信这种声学吸收结构可减少去除基底期间 的开裂。
还如，在一些实施例中，在去除基底前对基底进行处理(例如蚀刻、磨光 (ground)、喷沙)。在某些实施例中，在去除基底前对基底进行刻图。在一 些实施例中，这些层的厚度选择为使得，在去除基底及缓冲层前，多层堆叠的 中性机械轴线(neutral mechanical axis)基本靠近(例如小'f约500微米、小于约 100微米、小f约10微米、小于约5微米)p掺杂半导体层与结合层之间的介 面。在某些实施例中，单独去除基底的几个部分(例如为了减少开裂的可能性)。
又如，尽管描述了缓冲层独立于n掺杂半导体层(例如基底上生长有缓冲 层，而缓冲层上独立地生长有n惨杂半导体层)的实施例，但在一些实施例中， 可用单个层来替代。例如，可通过首先在基底上沉积较低浓度掺杂(例如未掺 杂)的半导体层，然后(在一工艺中)沉积较高浓度掺杂(n掺杂)的半导体 层而形成单个层。
还如，尽管描述了由包括将基底的表面曝露于电磁辐射(例如激光)的工 艺来去除基底的实施例，但在一些实施例中，可使用其他方法来去除基底。例 如，基底的去除可包括蚀刻和/或研磨(lapping)基底。在某些实施例中，蚀 刻和/或研磨基底，随之将基底曝露于电磁辐射(例如激光)。
还如，在一些实施例中，在沉积平整层之后但沉积光刻层之前，可使平整层的上表面变平。例如，将诸如光学平玻璃(optical flat)之类的平物体置于平
整层的上表面的同时对平整层加热(例如用热板)。在一些实施例中，可施加 压力(例如使用物理重量或按压)以帮助变平工艺。
再如，在一些实施例中，可在去除基底前处理基底。例如，可对基底进行 蚀刻、抛光、磨光、及喷沙等工艺中的一种或多种。在某些实施例中，处理基 底包括对基底刻图。在一些实施例中，处理基底包括在基底上沉积防反射涂料。 这种防反射涂料例如可在使用涉及将基底曝露于电磁辐射的去除工艺时，允许 去除基底的较大的区域，因为涂料可减少电磁辐射的反射。在某些实施例中， 亦可使用基底表面上的图形来实现防反射效应。
在一些实施例中，或许需要为发光装置或系统提供直线偏振光。此处提到
的偏振光指光总数的60%在直线偏振中并且光总数的40%在正交偏振中的光 (例如，光总数的约65%在直线偏振中并且光总数的约35%在正交偏振中，光 总数的约70%在直线偏振中并且光总数的约30%在中，光总数的约75%在直线 偏振中并且光总数的约25%在正交偏振中，光总数的约80%在直线偏振中并且 光总数的约20%在正交偏振中，光总数的约90%在直线偏振中并且光总数的约 10%在正交偏振中)。
此处提到的非偏振光指未偏振的光。
光生成区(例如上述的光牛成区) 一般生成非偏振光。如下所述，为了生 成极化光，可配置一材料，使其传输^个偏振并反射(也可再循环)其它的偏 振。或者，可抑制一个偏振光的生成。
图109示出了包括LED3002的系统3000。 LED3002置于封装体3004内。 封装体3004-般应当能够既方便光的收集，乂为裸芯提供机械和环境保护。 封装体3006包括放置于显示屏和LED3002之间的透明的封盖3006。使用中， 由LED3002生成的光(光生成区3003中)从封装体3004出射，通过封盖3006 传输，其有选择地传输极化光。例如，封盖3006可传输一个或多个偏振，并 且反射一个或多个不同的偏振(例如一个或多个正交偏振)。
在一些实施例中，封盖3006可包括一个或多个过滤光的涂层。例如，涂 层可包括多个开槽构成的过滤器，使得一部分与过滤器中的开槽不对齐的光波 通过过滤器，而其它方向可被吸收或反射。如此选择性的传输生成了从封装 LED装置3000发出的偏振光。例如，化学薄膜可被应用于封盖3006的透明塑 料或玻璃表面。化学化合物可由彼此自然平行对齐，形成了可吸收与其对齐的 光的微小的过滤器。在另一例中， 一材料被刻图以形成封盖3006上的线性光 栅。偏振选择材料的其它例子包括偏振选择镜、偏振材料和双折射材料的多层 薄膜。
在一些实施例中，封盖3006除了过滤光外，封盖3006也反射那些不能通过封盖3006的光。如图109所示，光可从LED3002的表面以多方向或偏振发 射(箭头3010和3012所示)。封盖3006选择性地过滤一些偏振，使得第一 部分的光(箭头3014所示)通过封盖3006。未传输通过封盖3006的光被封盖 3006反射(箭头3016所示)。 一部分反射光在发光装置3002的量子阱包含区 域内被吸收(箭头3018所示)。被吸收的光子随后可被LED3002重新发射(例 如被再循环)。被重新发射的光子对于偏振并且可通过封盖传输，或者随后被 重新反射进LED3002有同等的可能性。在一些实施例中，LED3002在其上表 面3015具有开口图形150。不希望受理论的束缚，相信这样的图形有利于被反 射光耦合进入LED 3002，使得被反射光可在发光装置3002的量子阱包含区域 内被吸收。
在一些实施例中，将偏振选择镜或其它偏振选择装置或材料整合到封装体 的的封盖3006中(例如替代将偏振选择镜放置在封装之外)，这能够循环被 反射的偏振，并且使封装的LED装置3000选择性偏振的效率和/或有效的照度 增加。所述效率与发光装置3002采用的材料的内部量子效率相关。在一些实 施例中，透明的封盖3006可进一步涂上一或多层防反射涂层以使传输光增加。
图110A示出了包括刻图层3031的LED3030，所述刻图层3031的设计是 基于光的偏振来反射/传输光。光生成区3040内生成的光基于光的偏振由刻图 层3031反射或传输。图UOB、 IIOC、 IIOD为例示图形。图形包括蚀刻于层 3031表面的孔穴的设置。至少一些孔穴可在与层3031共面的方向(例如近似 垂直于层3031表面的法向的方向)被拉长。不希望受理论的束缚，相信孔穴 的拉长分隔或过滤光的偏振，使得一些偏振传输通过LED3030的表面并且另一 些偏振被反射而没有从LED3030传输。如上所述，被反射光的至少一部分可被 再循环及从LED3030重新发射。
尽管图110B、 IIOC、 IIOD所示的图形包括拉长的椭圆，也可采用其它拉 长的形状诸如矩形。在一些实施例中，可采用光栅和其它的线性图形。除了使 LED3030发出的光偏振外，图形3032也有利于光提取和校准(例如根据上述 一个或多个方法)。此外，图形3032可包括多个图形，各用于校准、提取、 偏振或上述的结合。
尽管图109和IIO所示的实施例通过过滤由LED的光生成区生成的光来生 成偏振光，也可通过抑制与另一偏振相关的特定偏振的光生成来偏振光。例如， 发光装置可生成有至少约60% (至少约65%，至少约70%，至少约80%，至少 约90%)特定偏振的光。
在一些实施例中，发光装置中至少一材料层感应的张力，其能改变材料的 电子带结构，使得材料中发生不同的能量跃迁。张力可用来隔离生成优选偏振 光的能量跃迁。可用多种方式将张力引入一或多层中。例如，张力可在增长过
60程中基于两材料的晶格失配或基于诸如温度和沉积率之类的工艺参数被引入。 另一例中，诸如子基座方向、温度循环、材料选择之类结合参数或其它工艺参 数将张力引入一或多层。另一例中，通过弯曲装置在一或多层中生成物理压力， 在构成LED后，将张力引入材料中。另一例中，通过蚀刻、磨光或化学机械磨 光引入张力。又在另一例中，之前引入的张力被调节(例如，较伸长的或较不 伸长的，较压縮的或较不压縮的，沿着半导体层中的各种结晶轴)。例如，相 信这些技术在对包含生长期间所引入张力的晶片进行后期处理时是有用的。
图111示出了包括n掺杂层3052、量子阱包含区域3054、 p掺杂层3056 和接触层3058。蚀刻在n掺杂层3052上的多个孔穴3060、量子阱包含区域3054、 p掺杂层3056构成了具有蚀刻图形的光晶格。不希望受理论的束缚，相信通过 量子阱包含区域3054蚀刻的孔穴3060生成围绕特定偏振图形的光子带隙(例 如完全光子带隙、部分光子带隙)。允许图形中的间隙使LED3050发射出特定 偏振，同时抑制另一偏振。孔穴3060可沿轴线被拉长(例如构成椭圆形或矩 形)。孔穴的拉长隔离了光生成的图形(例如光生成的退化图形)，使得一种 图形至少部分变换在光生成的带隙外，而另一种图形至少部分保留在光生成的 带隙内。由于光生成区生成具有特定图形的光并且抑制具有另一图形的光，LED 3050发出偏振光。可用另外的线性图形来破坏光生成的退化图形的对称性。由 于所需的偏振被生成(非所需的偏振至少部分被抑制)，不必用如上所述的偏 振薄膜或偏振表面生成偏振光。然而，在一些实施例中，可采用如上所述的偏 振薄膜或偏振表面进一步增强偏振度。
孔穴3062可生成围绕特定偏振图形的光子带隙，孔穴3062也可引入非辐 射表面状态，其允许载体潜在地重组，减少效率并生成热量。孔穴可钝化以减 小表面重组速度(例如，通过暴露于化学蒸汽化学钝化)。孔穴3062可充满 空气、电介质或另一材料(例如，便于钝化)。
如上所述的实施例中，尽管可采用n掺杂层3052蚀刻的孔穴3062，量子 阱包含区域3054， p掺杂层3056抑制不想要的偏振；也可采用其它方法抑制 偏振。在一些实施例中，如图U2所示的背面图形使得生成的光中，有一些偏 振相对于另一些偏振被抑制。
图112示出了包括n惨杂层3052、量子阱包含区域3054和p掺杂层3056 的LED3070。 一组在p掺杂层3074内蚀刻的孔穴3074产生了围绕不想要的偏 振图形的光子带隙。孔穴3074可部分延伸进入或完全通过p掺杂层3056。在 一些实施例中，孔穴3074可延伸进入量子阱包含区域3054或进入n惨杂层 3052。孔穴3074可充满空气或其它电介质材料。孔穴3074也可放置于校准光 的图形。LED3070也可有蚀刻在n掺杂层3052内的图形，采用如上所述的一 种或多种方法或配置从而进一步增强校准、光提取或极化偏振。其它实施例也
61可有颠倒的n掺杂层和p掺杂层。
图113示出了包括n掺杂层3206、量子阱包含区域3204、 p掺杂层3202 和刻图反射层3231的LED3200。刻图反射层3231包括钝化区域3230和反射 区域3214。例如，反射区域3214 (例如已刻图区)可被蚀刻并充满绝缘材料。 不希望受理论的束缚，相信钝化区域3230和反射区域3214的周期影响镜的反 射系数。相信反射系数的变化使镜为对偏振敏感的，并且使得层3206的顶表 面和刻图接触层3231之间形成大量驻波。可设计图形使得对于一个偏振(例 如波3090)，在量子阱包含区域3204形成一个节点；并且对于另一偏振(例 如波3092)，在量子阱容置区域3204形成一个峰值。
LED3200 —般可按需构造。LED3200的制造通常包括各种沉积、激光处理、 平版印刷和蚀刻步骤。
在一些实施例中，LED3200由图114-102所示的方法构造。图114示出了 由多层堆叠构成的LED晶片3201，所述多层堆叠包括子基座3208、层3206、 层3204和层3202。子基座3208 —般可为如上所述关于基座500，并且层3206、 3204和3202可分别相对于如上所述的层506、 510和512。
图115示出了包括如上所述的层3206、 3204以及3202及基座3208的多 层堆叠3210。多层堆叠3210也包括金属层3212。金属层3212可由单层反射 材料组成(例如山Ag、 Al、 Cu、 W、 Pt、 Ti或它们的合金构成的层)或层3212 可包括多层。例如，层3212可包括山层3202支撑的欧姆接触层(例如，由Ni、 氧化铟锡(ITO) 、 Ag、 Al、 Ti、 Cu、 Rh、 Pt或它们的合金构成的层)以及由 欧姆接触层(例如，由Ag组成的层)支撑的反射层。此外，亦可包括(例如 由反射层支撑的)扩散阻挡层(例如由Pt或Ti-N构成的层)来防止或限制分 层堆叠中任何金属之间的扩散或化学反应。此外，可沉积各种黏着层(adhesion layer)(例如，由Ti构成的层)以帮助多层堆叠3210的不同层之间的粘合。
如图116所示，层3212是刻图的(例如，采用纳米压印、深紫外线 (deep-UV)、电子束(e-beam)和全息光刻)以及蚀刻的(例如采用反应离 子蚀刻、湿蚀刻)，以构成反射区域3214从而使层3202的表面部分3216暴 露在外。
如图117所示，层3226沉积于反射区域3214上。层3226对于发光层发 出的光是透明的(例如由Si3N4、 Si02、 Ti02、 ITO或Ru203构成的层)。可采 用多种方法来沉积层3226。例如可采用CVD原子层沉积(ALD)、或溅镀来 沉积层3226。
如图118所示，层3226被蚀刻(例如采用干蚀刻或CMP)，暴露反射区 域3214的表面，同时保留反射区域3214之间的锯齿中的透明材料，从而构成 对于发光层发出的光为透明的区域3230。透明区域3230和反射区域3214共同
62构成了刻图反射层3231。
如图119所示，在一些实施例中，金属层3232 (例如由Ag/Pt/Ti/Ni/Au构 成的层)沉积于刻图反射层3231上。层3232可促进多层堆叠3234与结合子 基座3240的粘合。在一些实施例中，3232是反射的(例如层3232可构成层 3232和层3230之间边界的反射表面)。如图120所示，多层堆叠3234随后与 包括金属层3242 (例如由AuSn/Au/Ti构成的层)的子基座3240相结合，以构 成结合的多层堆叠3244 (图121)。将多层堆叠3244与子基座3240相结合后， 子基底3208被去除(例如采用蚀刻、LLO、抛光或外延剥离)，以构成如图 122所示的多层堆叠3250。
在另一实施例中，如图123所示，对于发光区域发出的光为透明的材料层 沉积于p掺杂半导体层3262上，并被蚀刻，从而构成透明区域3264。反射层 3266沉积于蚀刻表面上，从而构成调节反射表面3268。可沉积另外的金属层 (例如扩散阻挡层和黏着层)。可照如上所述进行结合以及子基底的去除。在 另一些实施例中，电流扩展层(例如，由Ni、 ITO、 Au、或Ru02构成的层) 先于透明层之前沉积在p掺杂层上。在一些实施例中，该电流扩展层可作为蚀 刻终止层，同时蚀刻透明层。不希望受理论的束缚，相信采用电流扩展层作为 蚀刻终止层可有助于保持p表面欧姆接触的完整性。此外，可依据透明材料采 用的沉积方法控制台面厚度。在一些实施例中，可在反射层之前结合粘合层。
图124示出了包括n掺杂层3110、量子阱包含区域3112、 p掺杂层3114 和反射层3118的LED3100。反射层3118被刻图，以形成如箭头3120所示的 较薄区域和如箭头3122所示的较厚区域。不希望受理论的束缚，相信层3118 的刻图周期可影响该层的反射系数。认为由于层3118中的图形，量子阱包含 区域3112和反射层3118之间的距离有变化，如距离3102和3104所示。
可选取距离3102和3104以优化或加强LED3100内的层3118和量子阱包 含区域3112之间具有较大距离的区域内驻波的形成；以及减小或减少LED3100 内的层3118和量子阱包含区域3112之间具有较小距离的区域3102内驻波的 形成(反之亦然)。
图125示出了包括n掺杂层3302、量子阱包含区域3304、 p掺杂层3306 和刻图反射层3314的LED3300。 LED3300也包括多个放置于刻图反射层3314 的刻图区域内的绝缘层3316。不希望受理论的束缚，相信刻图影响反射层3314 的反射系数，使得刻图反射层为对偏振敏感的。
LED3300 —般可如上所述制造。LED3300的制造通常包括各种沉积、激光 处理、光刻以及蚀刻步骤。
在一些实施例中，LED3300由图126-113所示的方法构造。图125示出了 包括多层堆叠的LED晶片3301，所述多层堆叠包括基底3308、层3306、层3304
63和层3302。基底3308 —般可为如上述所指的基底500，以及层3306、 3304和 3302可分别相对于如上所述的层506、 510和512。
图127示出了包括如上所述的层3306、 3304和3302以及基底3308的多 层堆叠3310。多层堆叠3310也包括金属层3312。金属层3312 —般可为如上 述所指的金属层3312。如图128所示，层3312是刻图的(例如采用纳米压印、 深紫外线、电子束以及全息光刻)和蚀刻的(例如采用反应离子蚀刻、湿蚀刻) 以形成刻图层3314。蚀刻延伸至层3302，使得层3302内形成图形。
如图129所示，钝化层3326 (例如由Si3N4、 Si02、 Ti02、 ITO构成的层) 沉积于刻图层3314上。层3326可为共形层，使得层3326沉积于蚀刻区域3325 的侧壁和底部上。如图130所示，层3326被蚀刻，使得当层3314的上表面暴 露时，蚀刻区域3325的底部和侧壁上形成刻图钝化层3328。如图131所示， 金属层3332沉积于刻图钝化层3328和刻图反射层3314的上表面上。金属层 3332可至少使多层堆叠3334的表面部分平整。如图132所示，多层堆叠3334 与包括金属层3342 (例如由AuSn/Au/Ti构成的层)的子基座3340结合，以形 成结合的多层堆叠3344 (图133)。将多层堆叠3334与子基座3340结合后， 去除基底3308以形成如图125所示的多层堆叠3300。
在如图125-133所示的实施例中，蚀刻区域延伸至层3302 (图128)，然 而，在一些实施例巾，蚀刻区域可进一步延伸至层3304或通过层3304并进入 层3302。
图134和135示出了另一些实施例，其背面图形相对于另一偏振，抑制了 一偏振的光传播。更具体地，图134所不实施例，其中镜(例如金属镜)以-组气孔刻图。不希望受理论的束缚，相信由于材料属性差异导致相对于另一偏 振，较强地抑制一偏振，气孔的图形可生成较强的微扰(perturbation)。图135 所示实施例，其背面图形延伸通过镜或接触层。孔穴一般可以各种深度延伸。 例如，孔穴可以不延伸通过接触层，孔穴可延伸至接触层和镜层，或者孔穴可 延伸至结合层。孔穴可为空气或其它材料，例如来自其它层的材料。在一些实 施例中，含Ni材料被用来形成接触层，并且含Ag材料被用来回填Ni层的孔 穴。由于制造工艺，其对制造带有延伸至结合层图形的装置是较佳的。
不希望受理论的束缚，相信破坏空间一致性，例如采用诸如金属镜之类的 反射层，可改变状态的密度。在使用时，LED中的电子和孔穴一般在激发态被 捕获。电子和孔穴可自激发态通过辐射进程(例如通过光发射)或非辐射进程 (例如热消散)弛豫(relax)。不希望受理论的束缚，相信改变状态的相对密 度可改变两驰豫(relaxation)进程的相关强度。如果现有多个辐射进程(例如 不同偏振的光的辐射)，各偏振发射与相应的状态密度成比例。在一些实施例 中，改变状态的密度从而使具有第一偏振的光发射增加或最大化，以及使具有
64另一偏振(例如，正交偏振)的光发射减少或最小化是较佳的。
如上所述，不希望受理论的束缚，相信改变状态密度的方法，是如下计算 中所述的空间一致性的。对于以下的计算，水平平面发射源位于距水平镜距离 d处。在镜面采用将平行电场设置为0的边界条件。此外，假定在反射时，光 偏移7t相位。基于这些边界条件，在距镜四分之一波长距离处的源与反射波发 生相长干涉，而二分之一波长距离处的源与反射波发生相消干涉。假定必须保 存状态总数，发生相长干涉的波的状态密度将大约增加一倍，并且发生相消干 涉的波的状态密度将大约为零。基于相长干涉和相消干涉，给定距反射表面的 某一距离，存在一可抑制发射的波长，或等同地，对于给定的波长，存在一可 抑制发射的距离。
采用发出宽频带白光的平面源，计算图137所示的数据。采用时域有限差 分(FDTD)的计算，假定由源发出的能量直接与局部状态密度成比例。如图 136A所示，位于自由空间的源3400可用于计算从源的两个方向发出的光谱能 量E。(X)3402a和3402b。如图136B所示，位于距离3406，远离反射表面3408 (例如Ag镜)的源3404，可用于计算从远离镜(例如假定镜为光学厚的)的 方向的源发出的光谱能量E(X)3410。图137所示的数据，对应于源位于距反射 表面不同距离处时，为了区分不同波长的光，将光谱能量3410除以自由空间 3402a内源的光谱能量的计算比率。当源位于距反射表面100nm处时，线3414 表示E(X)/ E。(X)。当源位于距反射表面200nm处时，线3416表示E(X)/ E。(X)。 当源位于距反射表面1000nm处时，线3418表示E(W/Eq(X)。
图137所示的数据中，两个等同偏振没有差别。不希望受理论的束缚，相 信可通过破坏反射表面的对称性生成偏振源。例如，可引入如图138A和138B 所示的反射表面3422中的凸起部3420和槽3424的图形，来破坏对称性。反 射表面3422包括图形，图形具有凸起部3420之间的宽度，和槽3424的表面 和凸起部3420之间的高度3428。由于刻图反射表面3422，两偏振现有不同的 有效镜，因而在与反射表面3422互相作用后将得到不同的相位。
采用位于离反射表面3422某一距离的源，计算图140和141所示的数据。 图140和141所示的计算假定金属侧壁3430 (图139A)的边界条件为连续的 平行电场和正交位移场。这些边界条件为平行偏振3432引入了截止频率，该 频率下不容许有传播态。此外，这些边界条件不会对垂直偏振3434进行限制， 因而对于多个频率存在一个传播解(如图139B所示)。不希望受理论的束缚， 认为在截止点3438以上，两偏振都可穿透槽3424，但两偏振将会有不同的传 播常数，并得到不同的相位。在截止点3438以下，两偏振中仅有一偏振可穿 透槽3424。所以垂线3434将在镜底部反射(例如槽3424)，而平行线3432 将在镜顶部反射(例如凸起部3420)。在一些实施例中，相信镜不一定要在顶侧，因为平行偏振3432不能穿透槽3424并且将被反射。对一些实施例来说， 采用更适合的而不是反射性的欧姆接触也许更好。
对两偏振保持源和镜底部(例如槽3424)之间的间距或距离为200nm，计 算得到图140和141所示的数据。图140示出了反射表面的E()0/ E。(X)图，反 射表面的图形间距为220nm，宽度3426为110nm，高度3428为100nm。图141 示出了反射表面的E(X)/E。(X)图，反射表面的图形间距为220nm，宽度3426为 110nm，高度3428为50nm。两者中，计算显示在一波长处， 一偏振完全被抑 制，而另一偏振具有最大强度(例如，如箭头3440和3442所示)。此外，对 于特定波长，有多个几何形状和波长，其可加强一偏振内的光发射，而抑制另 一偏振内的光发射。
尽管图140和141所示的计算是基于平面波源，也可采用其它源。例如， 偶极子源可在所有方向引导发射。对于不同的事件方向，干涉条件会变化。然 而，不希望受理论的束缚，相信刻图层可被用来至少部分抑制与另一偏振相比 的一个偏振中的光发射。
不希望受理论的束缚，相信对所发光通过的顶表面进行刻图可加强所需某 一偏振的提取，并加强对不同偏振的反射。例如，平行于顶表面图形的偏振光 (在图形平面的任何方向内)将主要在与图形垂直的方向传播，因而将被提取； 而垂直于图形的偏振光(在图形平面的任何方向内)将主要在与顶表面图形平 行的方向传播，因而主要将被引导。
在一些实施例中，发光装置可包括偏振反射层图形、偏振表面图形和/或偏 振窗的组合。可选地或附加地，窗或LED表面也可包括双折射材料层，其作为 四分之一波板，将使直线偏振光变为环形偏振光。
在一些实施例中，LED可包括多个刻图层。可选取多个刻图层中的图形， 以加强或得到所需要的效果(例如，提取、校准、偏振)。例如，LED可包括 第一刻图层和第二刻图层，第一刻图层具有可增加从LED表面出射光的准直的 图形，而第二刻图层加强或抑制特定偏振光的发射。
在一些实施例中，发光装置可包括涂布于表面IIO上的磷材料层、盖板层 140及支撑件142。
在某些实施例中，发光装置可包括其中置有磷材料的盖板层140。在这种 实施例中，可对或不对表面IIO刻图。
在一些实施例中，采用反射层中的图形在两偏振之间的传播常数中引入各 向异性，也可采用其它方法引入各向异性(例如采用各向异性材料)。这些材 料可另外与反射层相结合。
在代替实施例中，光生成区130所发光为UV (或紫、或蓝)且磷层180 包括红磷材料(例如L202S:Eu3+)、绿磷材料(例如ZnS:Cu，Al,Mn)及蓝磷材料(例如(Sr,Ca,Ba,Mg)o(P04)6Cl:Eu2+)的混合物。 权利要求书中有其他实施例。
权利要求
1. 一种系统，包括具有边缘的面板，所述边缘具有厚度；以及发光装置，其设置成使得从所述发光装置发出的光投射到所述面板的边缘上，所述发光装置具有表面；其中所述发光装置的所述表面的宽度与所述面板的所述边缘的所述厚度之比为约0.5至约1.1。
2. 如权利要求l所述的系统，其中所述面板包括液晶显示器(LCD)。
3. 如权利要求1所述的系统，其中所述发光装置的所述表面的长度至少为 约1毫米。
4. 如权利要求1所述的系统，其中所述发光装置的所述表面的长度至少为 约2毫米。
5. 如权利要求1所述的系统，其中所述发光装置的所述表面的长度至少为 约3毫米。
6. 如权利要求1所述的系统，其中所述发光装置的所述表面的长度至少为 约5毫米。
7. 如权利要求1所述的系统，其中所述发光装置的所述表面的长度至少为 约10毫米。
8. 如权利要求1所述的系统，其中所述发光装置所述表面的所述宽度与所 述面板的所述边缘的所述厚度之比为约0.75至约1.05。
9. 如权利要求1所述的系统，其中所述发光装置所述表面的所述宽度与所 述面板的所述边缘的所述厚度之比为约0.9至约1。
10. 如权利要求1所述的系统，进一步包括至少-个设置于所述发光装置和所述面板之间的光学组件。
11. 如权利要求IO所述的系统，其中所述至少一个光学组件包括均光器。
12. 如权利要求l所述的系统，其中所述发光装置为非朗伯发光装置。
13. 如权利要求l所述的系统，其中所述发光装置为光子晶格发光装置。
14. 如权利要求1所述的系统，其中发光装置包括多层堆叠材料，所述多 层堆叠材料包括光生成区，以及由所述光生成区支撑的第一层，所述第一层的 表面配置成使得由所述光生成区生成的所述光能够经由所述第一层的所述表 面从所述发光装置出射。
15. 如权利要求14所述的系统，其中所述第一层的所述表面具有介电函 数，所述介电函数根据图形而空间变化，并且所述图形具有理想晶格常数和大 于零的失谐参数值。
16. 如权利要求14所述的系统，其中所述第一层的所述表面具有介电函数，所述介电函数根据非周期图形而空间变化。
17. 如权利要求14所述的系统，其中所述第一层的所述表面具有介电函 数，所述介电函数根据复杂周期图形而空间变化。
18. 如权利要求14所述的系统，其中所述第一层的所述表面具有介电函 数，所述介电函数根据周期图形而空间变化。
19. 如权利要求l所述的系统，其中所述发光装置包括发光二极管。
20. 如权利要求l所述的系统，其中发光装置包括单个发光装置。
21. 如权利要求l所述的系统，其中发光装置包括多个发光装置。
22. 如权利要求21所述的系统，其中所述多个发光装置被设置为沿着所述 面板的所述边缘成锯齿状排列。
23. 如权利要求1所述的系统，其中所述多个发光装置被设置于多个列中。
24. 如权利要求23所述的系统，其中所述多个列包括至少第一列和第二 列。 '
25. 如权利要求24所述的系统，其中所述第一列包括配置成发出第一颜色的光的多个发光装置；以及 所述第二列包括配置成发出第二颜色的光的多个发光装置，所述第一颜色 的光和第二颜色的光是不同颜色的。
26. 如权利要求25所述的系统，其中第三列包括配置成发出第三颜色的光 的多个发光装置，所述第一，第二及第三颜色的光是不同颜色的。
27. 如权利要求26所述的系统，其中所述第一，第二及第三颜色可从由红、 绿、蓝组成的组合中选取。
28. 如权利要求1所述的系统，其中所述边缘包括第-」边缘，且所述面板 进一步包括第二边缘，边缘具有厚度；以及所述系统进一步包括发光装置，其设置成使得从所述发光装置发出的光投 射到所述面板的所述第二边。
29. 如权利要求1所述的系统，进一步包括冷却系统，其配置成使得使用 时所述冷却系统能够调节所述发光二极管的温度。
30. 如权利要求l所述的系统，其中所述发光装置可被安装于散热器上。
31. —种系统包括 具有边缘的面板；以及发光装置阵列，其配置成使得从所述发光装置阵列射出的光投射到所述面 板上，所述发光装置阵列包括第一列发光装置，所述第一列具有第一边缘和近似垂直于所述第一边的第 二边缘；以及第二列发光装置，所述第二列发光装置具有第一边缘、第二边缘和第三边 缘，所述第二列的所述第一和第二边缘近似平行于所述第一列的第一边缘，所 述第二列的所述第二边缘近似平行于所述第一列的所述第二边缘；并且所述第二列的所述第二边缘，在与所述第一列的所述第二边缘近似垂直的方向，偏离 所述第一列的所述第二边缘至少约0.05毫米。
32. 如权利要求31所述的系统，进一步包括第三列发光装置，所述第三列 发光装置包括第一边缘和第二边缘，所述第三列的所述第一边缘近似平行于所 述第二列的所述第三边缘，所述第三列的所述第二边缘近似平行于所述第二列 的所述第二边缘；并且所述第三列的所述第二边缘，在与所述第一列的所述第 二边缘近似垂直的方向，偏离所述第二列的所述第二边缘至少约0.05毫米。
33. 如权利要求31所述的系统，其中所述面板包括液晶显示器(LCD)。
34. 如权利要求31所述的系统，其中所述第一列包括多个配置为发出第一颜色的光的发光装置； 所述第二列包括多个配置为发出第二颜色的光的发光装置； 所述第一和第二颜色的光是不同颜色的。
35. 如权利要求32所述的系统，其中所述第三列包括多个配置为发出第三 颜色的光的发光装置，并且所述第一、第二和第三颜色的光是不同颜色的。
36. 如权利要求35所述的系统，其中所述第一、第二和第三颜色可从由红、 绿、蓝组成的所述组合选取。
37. 如权利要求32所述的系统，其中 所述第一列具有第一宽度； 所述第二列具有第二宽度； 所述第三列具有第三宽度；并且所述第一、第二及第三宽度之和与所述面板的所述边缘的厚度之比为约0.5 至约1.1。
38. 如权利要求31所述的系统，其中所述发光装置阵列中的至少一个所述 发光装置包括由光生成区支撑的第一层，所述第一层的表面配置成使得由所述 光生成区生成的光能够经由所述第一层的表面从所述发光装置出射。
39. 如权利要求38所述的系统，其中所述第一层的所述表面具有介电函 数，所述介电函数根据图形而空间变化，并且所述图形具有理想晶格常数和大 于零的失谐参数值。
40. 如权利要求38所述的系统，其中所述第一层的所述表面具有根据非周 期图形而空间变化的介电函数。
41. 如权利要求38所述的系统，其中所述第一层的所述表面具有根据复杂 周期图形而空间变化的介电函数。
42.如权利要求8所述的系统，其中所述第一层的所述表面具有根据周期图形而空间变化的介电函数。
43. 如权利要求31所述的系统， 三列至少约0.1毫米。
44. 如权利要求31所述的系统， 三列至少约0.2毫米。
45. 如权利要求31所述的系统， 三列至少约0.3毫米。
46. 如权利要求31所述的系统， 三列至少约0.5毫米。
47. 如权利要求31所述的系统， 三列至少约1毫米。
48. 如权利要求31所述的系统， 和所述面板之间的光学组件。
49. 如权利要求48所述的系统,
50. 如权利要求31所述的系统，
51. 如权利要求31所述的系统，
52. 如权利要求31所述的系统,
53. 如权利要求31所述的系统，其中所述第二列偏离所述第一列和所述第其中所述第二列偏离所述第一列和所述第其中所述第二列偏离所述第一列和所述第其中所述第二列偏离所述第一列和所述第其中所述第二列偏离所述第一列和所述第进一步包括至少设置于所述发光装置其中所述至少一个光学组件为均光器。 其中所述发光装置为非朗伯发光装置。 其中所述发光装置为光子晶格发光装置。 其中所述发光装置包括发光二极管。 其中所述发光二极管阵列包括从红色发光发光-水二极管、蓝色发光二极管和绿色发光二极管组成的组合中选取的至少 二极管。
54. 如权利要求31所述的系统，其中所述发光二极管阵列包括红色发光二 极管、蓝色发光二极管和绿色发光二极管。
55. 如权利要求31所述的系统，其中所述发光装置阵列可设置为沿所述面 板的所述边缘成锯齿状排列。
56. 如权利要求31所述的系统，进一步包括冷却系统，其配置成使得使用 时所述冷却系统调节所述发光二极管阵列的温度。
全文摘要
本发明揭露了发光装置，以及相关组件、工艺、系统及方法。
文档编号G02F1/1335GK101490604SQ200680015559
公开日2009年7月22日 申请日期2006年3月7日 优先权日2005年3月8日
发明者乔·A·维尼夏, 亚历克斯易·A·尔恰克, 罗伯特·F·小卡利塞克, 迈克尔·利姆, 迈克尔·格雷戈里·布朗 申请人:发光装置公司