专利名称：具有改进的光提取效率的发光器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有改进的光提取效率的基于多层叠层的发光器件，以及制造该发光器件的方法。
背景技术：
发光器件(例如发光二极管(LED))使用一种或多种折射率(通常n约为2.5)远高于空气折射率(n＝1.0)的材料产生光。光通常在多层叠层中、在至少一个外表面上产生，发光叠层表面倾向于释放在所述多层叠层中产生的光。所述发光叠层表面可以与例如包封材料相接触。这种包封材料的折射率n通常为1.4-1.8。因此，当光照射到发光叠层表面和所述包封层之间的界面上的时候，折射率的降低会使得所述多层叠层中产生的光大部分被该界面反射回所述多层叠层。也即是说，很大一部分的光不是离开所述多层叠层、随即进入所述包封层内，而是被反射回多层叠层内，在该多层叠层内，类似的很大一部分的光被吸收，从而显著降低可用于照明的外部光量子产量(quantum yield)。
美国专利第6831302号揭示了对n-掺杂的GaN层(其为多层叠层的外层)的外表面进行图案化。除去该n-掺杂的层的一些部分，形成一些开口，然后用包封材料覆盖(但不是填充)这些开口，在所述n-掺杂的GaN层表面中的凹陷开口处形成平滑的包封表面层。这种在最外半导体层中进行的图案化形成了大量与包封表面相垂直的不连续的(disruptive)高折射率区域和低折射率区域。这些不连续的区域妨碍了光在该界面的小角度反射，以及小角度反射的光在n-掺杂的半导体层中沿着与发光叠层表面平行且接近所述发光叠层表面的方向来回传播，直至截留的光被吸收而不会离开所述多层叠层的趋势。
尽管在多层叠层的外表面中形成凹陷可以提高基于半导体的发光器件的量子产量，但是这种图案化过程可能是耗时而且要求很高的，例如对外延表面的蚀刻通常需要昂贵的设备。所述图案化过程还会破坏发光层的电子结构，这会降低发光效率。
我们令人惊讶地发现，通过对包封层的一个区域(与多层叠层的发光叠层表面光学相邻的区域)进行图案化，使得该区域内的折射率有变化，以及通过进一步形成一部分密度小于0.6克/厘米3的包封层，产生多个光散射提取中心，从而高效地将光传输到空气环境中，从而提高可用于照明的外部光量子产量。
发明内容
本发明一个方面涉及一种发光器件，该器件包括a)多层叠层，该叠层包括n-掺杂层；光产生层；p-掺杂层，所述多层叠层具有发光叠层表面；b)包封层，该包封层包括相邻的图案化的包封区域，该区域包括包括至少一个第一凹陷的第一凹陷组，所述第一凹陷中含有第一凹陷填料；任选的包含至少一个第二凹陷的第二凹陷组，所述第二凹陷中含有第二凹陷填料；位于所述发光叠层表面上的相邻的图案化的包封表面；所述第一凹陷组和第二凹陷组中的至少一组具有图案，其中所述图案选自随机图案、周期性图案或它们的组合，所述图案在至少一个横向维度上具有至少为5纳米，且不大于5000微米的特征尺寸；所述周期性图案在至少一个横向维度上具有至少10纳米，且不大于5000微米的周期；所述第一凹陷的最大凹陷深度至少为25纳米，且不大于10000微米；
所述第二凹陷的最大凹陷深度至少为25纳米，且不大于10000微米；所述第一凹陷和第二凹陷中的至少一种具有与所述外部图案化的包封表面相重合的凹陷开口；任选的包含包封材料的未图案化的包封区域；所述第一凹陷填料的折射率与所述第二凹陷填料和所述包封材料中至少一种的折射率之差至少为0.001，且不大于3.0；所述第一凹陷填料、第二凹陷填料和所述包封材料中至少一种的平均密度至少为0.03克/厘米3，且不大于0.60克/厘米3。
本发明的第二方面涉及一种制造包封的发光器件的方法，该方法包括以下步骤A)提供包含包封材料的包封块；B)在所述包封块的表面上形成具有图案化的包封区域的光提取包封片，所述区域具有外部图案化的包封表面，所述形成图案化的包封区域的步骤包括a)形成包括至少一个第一凹陷的第一凹陷组；b)用第一凹陷填料填充所述第一凹陷；c)任选地形成包括至少一个第二凹陷的第二凹陷组；用第二凹陷填料填充所述第二凹陷；所述第一凹陷组和第二凹陷组中的至少一组具有图案，其中所述图案选自随机图案、周期性图案或它们的组合，所述图案在至少一个横向维度上具有至少为5纳米，且不大于5000微米的特征尺寸；所述周期性图案在至少一个横向维度上具有至少10纳米，且不大于5000微米的周期；所述第一凹陷的最大凹陷深度至少为25纳米，且不大于10000微米；所述第二凹陷的最大凹陷深度至少为25纳米，且不大于10000微米；所述第一凹陷和第二凹陷中的至少一种具有与所述外部图案化的包封表面相重合的凹陷开口；
所述第一凹陷填料的折射率与所述第二凹陷填料和所述包封材料中至少一种的折射率之差至少为0.001，且不大于3.0；所述第一凹陷填料、第二凹陷填料和所述包封材料中至少一种的平均密度至少为0.03克/厘米3，且不大于0.60克/厘米3。
C)将所述光提取包封片固定于多层叠层，所述多层叠层包括n-掺杂层；光产生层；p-掺杂层，所述多层叠层具有发光叠层表面；所述外部图案化的包封表面位于所述发光叠层表面上；所述发光叠层表面的形貌选自平滑表面和图案化的多级(multilevel)表面；所述图案化的多级表面具有选自随机图案、周期性图案以及它们的组合的图案；D)任选地除去所有的或部分的与所述第一凹陷组和所述第二凹陷组中任一种或两种相接触的所述包封材料。
图1的1a-1b各自是包括包封层109的发光器件的侧视图，所述包封层109具有相邻的图案化的包封区域117。
图2的LED侧视图2a-2f各自显示一部分发光器件，所述发光器件包括n-掺杂层107和包封层109，包封层109具有相邻的图案化的包封区域117。
图3的发光器件视图3a-3d各自显示相邻的图案化的包封表面113，该图案化的包封表面113包括第一凹陷开口119-1和凹陷间的体积部分118。
图4的4a、4c、4e和4h各自显示第一凹陷112-1，其具有位于相邻的图案化的包封表面113上的第一凹陷开口119-1、和凹陷间的体积部分118。视图4b、4d、4f和4g各自显示了相邻的图案化的包封表面113上的第一凹陷开口119-1。
图5的发光器件视图5a-5e各自显示相邻的图案化的包封表面113，其包括第一凹陷开口119-1和凹陷间的体积部分118。
图6的6a-6d显示了包封块120和图案化的模具的侧视图，所述模具在所述包封块120的表面中形成第一凹陷112-1，该包封块120的表面被转化为包封层109的相邻的图案化的包封表面113。
图7的7a-7e各自显示了在将涂敷有第一凹陷填料层125的包封块120转化为具有相邻的图案化的包封区域117的包封层109的过程的侧视图，所述包封区域117包括具有第一凹陷壁111-1的第一凹陷112-1。第一凹陷112-1使用源自第一凹陷填料层125的第一凹陷填料完全或部分地填充。图7a-7c各自还包括用来在所述包封块120中形成浮雕图案的图案化的模具的侧视图。图7d显示了相邻的图案化的包封区域117，其第一凹陷112-1包括源自第一凹陷填料层125的第一凹陷填料，第二凹陷112-2包含第二凹陷填料。图7d显示了第一凹陷填料表面过量部分126没有除去、或者部分除去的情况。图7e显示通过在平面化过程中除去第一凹陷填料表面过量部分126形成的相邻的图案化的包封区域117。
图8的8a-8d各自显示相邻的图案化的包封区域117的侧视图。图8a显示具有一种以上尺寸的第一凹陷112-1、和凹陷间的体积部分118。图8b和8c包括第一凹陷112-1和第二凹陷112-2。在图8b和8c中，第二凹陷112-2具有相同的形状和尺寸。在图8d中，第二凹陷112-2具有不同的形状和尺寸。图8a还显示出了特定的第一凹陷112-1的第一凹陷深度129-1和第一凹陷最大深度130-1。图8c和8d显示了第二凹陷壁111-2和第二凹陷开口119-2，图8d显示了特定的第二凹陷112-2的第二凹陷深度129-2和第二凹陷最大深度130-2。
图9显示了图1b所示多层叠层115的侧视图，其不同之处在于，多层叠层115还包括任选的辅助光传输层131和任选的盖片127。除了图1b中所示的发光叠层表面114以外，图中还显示了辅助光传输层131的两个发光叠层表面114，每个表面114上具有相邻的图案化的包封区域117。辅助光传输层131还具有与p-掺杂层105相背的发光叠层表面114，该表面114位于反射层103上，其上没有相邻的图案化的包封区域117。
图10的10a-10e显示了凹陷图案，显示了横向特征尺寸和周期，该图案特征以所述的尺寸和周期沿横向的x维度和y维度重复。图10a和图10c-10e是相邻的图案化的包封区域117的侧视图。图10b是从区域117的最高表面上方的有利位置观察到的相邻的图案化的包封区域117的视图。
具体实施例方式
表1附图中部件的编号
图1的1a-1b显示了封装管芯(packaged die)形式的发光器件100的一个例子的侧视图。图1显示了完整的封装管芯。图1b显示了该封装管芯的一部分，着重显示了包封层109的位置。发光器件100包括多层叠层115。多层叠层115包括p-掺杂层105、光产生层106和n-掺杂层107。多层叠层115的p-掺杂层105位于反射层103上，反射层103位于粘合层102上，粘合层102位于子底座101上。n-侧接触垫108提供了与n-掺杂层107的电接触。p-侧接触垫116提供了与p-掺杂层105的电接触。包括未图案化的包封区域110的包封层109位于多层叠层115的发光叠层表面114上，在此情况下，所述表面114是n-掺杂层表面的外表面。包封层109还延伸到位于反射层103上的p-侧接触垫116。通过形成被第一凹陷壁111-1所限定的第一凹陷112-1，使相邻的图案化的包封区域117图案化，该区域117包括图案化的包封表面113。此处，发光器件100还包括支承体104。
图2的2a-2f各自显示了发光器件100的一部分的侧视图，所述发光器件100包括n-掺杂层107、发光叠层表面114(在此情况下为n-掺杂层表面的外表面)、相邻的图案化的包封表面113、第一凹陷112-1、第一凹陷壁111-1、未图案化的包封区域110和包封层109。图2a、2b、2c、2e和2f包括分别具有以下形状的第一凹陷112-1的周期性阵列的截面图锥形、直角柱形、具有弯曲底面的直角柱形、截顶锥形和半球形。图2d显示了具有随机形状的第一凹陷112-1的随机排列。
图3的3a-3d各自显示了包封层109的相邻的图案化的包封表面113，所述相邻的图案化的包封表面113中包括第一凹陷开口119-1。图3a显示了圆形第一凹陷开口119-1的正方阵列。具有图3a的第一凹陷开口的单独的第一凹陷112-1的形状参见图4a和图4b。图3b显示了具有随机形状的第一凹陷开口119-1的随机分布。图3c显示了圆形第一凹陷开口119-1的对角阵列(diagonal array)。包括图3c的第一凹陷开口的单独的第一凹陷的形状参见图4a和4b。图3d显示了具有圆形外壳形状的第一凹陷开口119-1的对角阵列。包括图3d的第一凹陷开口119-1的单独的第一凹陷的形状参见图4c和4d。
图4a、4c、4e和4g是从与图1和图2相同的侧视视角观察到的单独的第一凹陷112-1的侧视图。图4b、4d、4f和4h是包括第一凹陷开口119-1的相邻的图案化的包封区域117的相邻的图案化的包封表面113的视图。图4a显示直角柱形的第一凹陷112-1，图4b显示该规则柱形的第一凹陷112-1的第一凹陷开口119-1。图4c显示直角柱形壳的第一凹陷112-1，该凹陷在外部和内部都由凹陷间的体积部分118所限定，图4d显示该直角柱形壳的第一凹陷开口119-1。图4e显示了直角平行六面体形的第一凹陷112-1，图4f显示了所述直角平行六面体形的第一凹陷112-1的矩形的第一凹陷开口119-1。图4g显示了第一凹陷112-1，该凹陷112-1是直角平行六面体壳，该第一凹陷在外部和内部都由凹陷间的体积部分118所限定，图4h显示所述直角平行六面体壳112-1的第一凹陷开口119-1。
图5a-5e各自显示了相邻的图案化的包封表面113，该表面113包括第一凹陷开口119-1和凹陷间的体积部分118。所有这些图都是沿着与图3a-3d相同的视角观察的，即朝向发光叠层表面114观察的(见图1和图2)。
图6a-6d各自显示了在成形过程中将会形成第一凹陷112-1的包封块以及图案化的模具的侧视图，其将会成为相邻的图案化的包封区域117。图6a(上方)显示了具有包封块未图案化相邻表面121的包封块120；图6a(下方)显示了包括模具图案化表面123的图案化的模具122，所述表面123具有模具凸块124。图6b显示了模具凸块124穿入包封块120中，将图6a中包封块未图案化的相邻表面121转化为将会成为相邻的图案化的包封区域117的表面，并形成第一凹陷壁111-1。图6c显示了将模具凸块124从新形成的具有第一凹陷壁111-1的第一凹陷112-1中部分拉出的状况。图6d显示了完全拉出的图案化的模具122和包封块120，包封块120包括将会成为相邻的图案化的包封区域117的部分。
图7a-7e各自显示了将涂敷有第一凹陷填料层125的包封块120转化为具有相邻的图案化的包封区域117的相邻的图案化的包封层109的过程的侧视图，所述相邻的图案化的包封区域117自身包括相邻的图案化的包封表面113、第一凹陷壁111-1、用源自第一凹陷填料层125的第一凹陷填料部分或完全地填充的第一凹陷112-1。图7a-7c还包括图案化的模具122的侧视图，所述模具122用来在形成所述相邻的图案化的包封层109的相邻的图案化的包封区域117的过程中形成浮雕图案，然后将包封层109装入发光器件中。图7a(上方)显示了涂敷有第一凹陷填料层125的包封块120。图7a(下方)显示了图案化的模具122，该模具122包括具有模具凸块124的模具表面123。图7b显示了图案化的模具122作用于第一凹陷填料层125，形成浮雕图案化的第一凹陷填料层125，所述第一凹陷填料层125又穿过包封块120，在包封块120的包封材料中形成浮雕图案。图7c(上方)显示了具有图案化的第一凹陷填料层125的包封块120。在对所述包封块120的表面进行图案化的过程中，第一凹陷填料穿过包封块120，形成包含包封材料的凹陷间的体积部分118(见图7d和7e)，延伸留下第一凹陷填料表面过量部分126。图7c(下方)显示了拉出的图案化的模具122。图7d显示了包封层109，其包括相邻的图案化的包封区域117、第一凹陷112-1和第二凹陷112-2。第一凹陷填料表面过量部分不再是过量部分，而是已成为延伸的第一凹陷112-1的第一凹陷填料。第二凹陷112-2用第二凹陷填料填充，以形成相邻的图案化的包封表面113。图7e显示了包封层109，其包括未图案化的包封区域110和相邻的图案化的包封区域117，后者具有第一凹陷112-1和第二凹陷112-2。第一凹陷112-1用源自第一凹陷填料层125的第一凹陷填料填充，过量的第一凹陷填料已通过平面化除去，以形成相邻的图案化的包封表面113。当术语“相邻”用于图7或其它附图的时候，而且包封层109未与多层叠层115相连的时候，“相邻”表示该包封层109上适于被设置在发光叠层表面114上的区域或表面。
图8的8a-8d各自显示了相邻的图案化的包封区域117的侧视图。图8a显示了相邻的图案化的包封区域117，其具有位于n-掺杂层107的发光叠层表面114上的图案化的区域厚度128，包括具有大于一个尺寸的第一凹陷112-1。第一凹陷深度129-1是第一凹陷112-1的参数，表示该第一凹陷112-1的第一凹陷最大深度130-1。图8b和8c显示了具有第一凹陷开口119-1的第一凹陷112-1和具有第二凹陷开口119-2的第二凹陷112-2。图8c显示了被包括在相邻的图案化的包封区域117内的第二凹陷112-2，该凹陷112-2具有第二凹陷壁111-2和与相邻的图案化的包封表面113相重合的第二凹陷开口119-2。在图8b和8c中，第二凹陷112-2具有相同的形状和尺寸。在图8d中，第二凹陷112-2具有不同的形状和尺寸。对于特定的第二凹陷112-2，第二凹陷壁111-2上特定点的第二凹陷深度129-2可等于或小于该第二凹陷112-2的第二凹陷最大深度130-2(见图8d)。在图8d中显示出了各第二凹陷112-2的第二凹陷最大深度130-2。
图9显示了图1b所示的多层叠层115的侧视图，其不同之处在于，多层叠层115还包括任选的辅助光传输层131和盖片127。p-掺杂层105位于辅助光传输层131上，所述辅助光传输层131位于反射层103上。具有相邻的图案化的包封区域117的包封层109位于辅助光传输层131的发光叠层表面114上，也是位于n-掺杂层107的发光叠层表面114上。
图10的10a-10e显示了凹陷图案，图中显示了横向特征尺寸和周期。图10a和10c-10e是相邻的图案化的包封区域117的侧视图。图10b是从相邻的图案化的包封区域117的最高表面上方的有利位置观察的相邻的图案化的包封区域117的视图。图10a和10b显示了具有与第一凹陷112-1相同图案的相同的相邻的图案化的包封区域117。在图10a中显示了第一凹陷111-1的图案的x维度的特征尺寸132和x维度的周期133。图10b还显示了第一凹陷112-1的凹陷图案的y维度的特征尺寸134和y维度的周期135。图10c显示了第一凹陷112-1，这是一个单独的凹陷，相邻的图案化的包封区域117的最高表面没有进行图案化，而是具有包括位于相邻的图案化的包封表面113上的第一凹陷开口119-1的相邻的凹陷图案。第二凹陷112-2形成互补的图案。图中显示了各图案的x维度特征尺寸132和x维度周期133。图10d的相邻的图案化的包封区域与图10c的相邻的图案化的包封区域相同，其不同之处在于，在相邻的图案化的包封区域117的最高表面上对第一凹陷112-1进一步进行图案化。通过这种方式，使得存在凹陷间的体积部分118，形成互补的图案。这两种第一凹陷112-1的图案各自具有x维度特征尺寸132和x维度周期133。图10e与图10d相同，其不同之处在于，x维度特征尺寸132和x维度周期133是就第二凹陷112-2的图案而言。
所述附图是用来说明本发明的实施方式的，用来直观地提供本文所述发光器件的编号部分。但是这些附图决不会对本发明的范围构成限制。本领域技术人员将会意识到，存在细节上不同于这些附图所示的实施方式的具体实施方式
。
本文中的术语包括本文具体提及的词语、其衍生意、以及其近义词。
本文中所用的术语的含义如下在本文中，术语“一个”和“一种”表示“至少一个(种)”。
“范围”。本文的范围表示为下限和上限的形式。可以存在一个或多个下限，也可独立地存在一个或多个上限。通过选择一个下限和一个上限来限定特定的范围。则所选的下限和上限限定了该特定范围的界限。所有的范围都可通过这种方式限定，包括端值且可以互相组合，这意味者任意的下限可以与任意的上限结合，用以描述一个范围。
“子底座”101是可以在其上直接固定多层叠层或通过中间层以间接方式固定多层叠层的支承基材。
“多层叠层”115是其中可产生光的叠层，其中包括p-掺杂层105、光产生层106和n-掺杂层107。多层叠层115可以是无机物、小分子有机物、或聚合物/小分子有机物。在本文中，术语“多层叠层”和“叠层”可以互换使用。多层叠层115可任选地包括另外的层，例如辅助光传输层131。
“p-掺杂层”105包含p-掺杂的材料。所述p-掺杂的材料可以是有机材料、无机材料或有机-无机混合材料。
“n-掺杂层”107包含n-掺杂的材料。
“p-侧接触垫”116包含导电材料，为p-掺杂层105提供电接触。
“n-侧接触垫”108包含导电材料，为n-掺杂层107提供电接触。
“光产生层”106包括光产生材料，位于p-掺杂层105和n-掺杂层107之间。光产生层对所述p-掺杂层和n-掺杂层之间的电势差和电流作出响应而产生光。
“反射层”103包含能够反射至少50％的照射在所述反射层上的由光产生层产生的光的反射材料。当反射层位于发光叠层表面上的时候，其能够使照射在该表面上的在多层叠层115中产生的光改变方向，投射到另一发光表面114，这被称为光输出。
“粘合层”102包括适用于将外部的相邻的层(例如反射层103和子底座101)与多层叠层115相粘合的粘合材料。粘合层通常是粘合剂材料。当需要光学透明度的时候，使用对所需波长范围内的光具有透光性的粘合材料。一种对可见光具有透光性的粘合剂的例子是Optical Adhesive Norland 74。
多层叠层115的“外部叠层表面”是作为叠层的一部分的表面，该叠层不会延伸超过该表面。
“发光叠层表面”114是多层叠层115的外部叠层表面，多层叠层115中产生的光会投射到该表面上。在图1和图2中，n-掺杂层107的表面是n-掺杂层的外表面。因此，在图1和图2中，n-掺杂层的外表面是发光叠层表面114。本领域技术人员将会意识到，尽管n-掺杂层的外表面经常是特定发光器件的发光叠层表面114，但是多层叠层115的另一个层的表面也可以具有可作为发光叠层表面114的外部叠层表面。例如，如果p-掺杂层105的表面也位于多层叠层115的外部(参见图1)，该外表面也可以是发光叠层表面114。还可意识到多层叠层中也可具有其它的层的结构。多层叠层115还可包括任选的“辅助光传输层”131(见图9)，其具有“外部辅助传输表面”，该表面是发光叠层表面114。多层叠层可以具有一个发光叠层表面114或多个发光叠层表面114。
包封层109的“最高表面”是指该包封层109的距离发光叠层表面114(其上设置有该包封层109)最远的表面。发光叠层表面114被选作适宜的空间参照物，用来表示包封层109的表面的相对位置。如图1a所示，包封层109最高表面的一个例子是包封层109的最顶端的表面。
包封层109的“相邻表面”是指包封层109的与发光叠层表面114(其上设置着该包封层109)最接近的表面。例如(见图1)，n-掺杂层107的表面(该表面是多层叠层115的外表面)是发光叠层表面114。图案化的表面113设置在发光叠层表面114上，是包封层109的最接近发光叠层表面114的表面。因此，图案化的表面113是“相邻的图案化的包封表面113”。而包封层109的相对表面(即图1a中包封层109的最顶端的表面)距离发光叠层表面114“最远”，是图1a的包封层109的最高表面。如图1a中示例性的例子所示，一部分包封层109延伸至p-侧接触垫116和反射层103，因此在与反射层103的界面处包括另外的相邻的包封表面。
本领域技术人员将会意识到，本发明的发光器件在细节方面可以与图1a所示的发光器件有所不同。图1a包括包封层109延伸至包括多层叠层115侧边的器件区域。尽管该侧边也可看做是多层叠层115的发光叠层表面114，但是在图中所示的情况下，沿着该侧边的相邻的包封表面未进行图案化。本领域技术人员还可了解，关于对相邻的包封表面进行图案化的设计决定取决于许多因素，这些因素包括例如，进行该图案化所造成的特定发光叠层表面将会俘获的另外的光的量、将相邻的图案化的包封区域117的相邻的图案化的包封表面113设置在发光叠层表面114上的成本和困难程度，需要在这些因素之间进行权衡。
“相邻的图案化的包封区域”117表示以下范围内的包封层109的区域从“相邻的图案化的包封表面”113延伸入包封层109，延伸至一个与相邻的图案化的包封表面113相平行的平面，该平面是距离相邻的图案化的包封表面113最远并且仍然通过凹陷112的平面。包封层109的最高表面依照与上述相同的方式来定义，该平面是相邻的图案化的包封区域117的“最高表面”，在特定的相邻的图案化的包封区域117中相邻的图案化的包封表面和最远的图案化的包封表面之间、沿着与相邻的图案化的包封表面113垂直的直线的距离是“相邻的图案化的包封区域厚度”128。相邻的图案化的包封区域117具有根据图案空间变化的介电函数。相邻的图案化的包封区域117中的全部、一部分与发光叠层表面114光学相邻，或者均不与发光叠层表面114光学相邻。如果相邻的图案化的包封区域117与发光叠层表面114直接结合，通常全部的或者一部分的所述相邻的图案化的包封区域117将与发光叠层表面114光学接触。如果存在插入的高折射率层，则相邻的图案化的包封区域117通常不与发光叠层表面114光学接触。介于发光叠层表面114和相邻的图案化的包封区域117之间的“插入的高折射率层”(图中未显示)对待提取波长的光的折射率为不会比发光叠层表面114的相应的折射率低0.5以上；0.1以上；或0.01以上；优选的是对待提取波长的折射率要等于或大于发光叠层表面114的相应的折射率。在一个实施方式中，如果具有发光叠层表面114的LED之上还设置了高折射率顶层，然后再固定光提取包封片时，则可形成插入的高折射率层。
“凹陷组”是一组“凹陷”112，它们通常在施加填料层125的步骤(见图7)、图案化步骤(见图6和图7)或施加填料层和图案化的组合步骤中形成。一个凹陷组包括单个或多个凹陷。特定凹陷组中的多个凹陷是互相相关的，它们形成随机的或周期性的图案，或者形成随机图案与周期性图案的组合。当凹陷组包括单个凹陷的时候，该凹陷通常是具有一个或多个图案化的凹陷壁111的连续的层。但是在一些情况下，包含单个凹陷112的凹陷组的凹陷112可以未进行图案化(即层的两个主表面上都是平滑的)。
“形貌”表示表面的糙度状态。例如表面可以是平滑的，或者可具有多层(multi-level)图案。
“凹陷间的体积部分”118是相邻的图案化的包封区域117的源自包封块120的体积部分。凹陷间的体积部分118包括“凹陷间填料”。“凹陷间填料”包括“包封材料”。在通过图案化形成凹陷112的过程中，包封块的平滑表面可以保持平滑(即可以不变形)，在此情况下将不存在凹陷间的体积部分118。或者包封快120的表面可以变形，在此情况下一部分的包封材料成为相邻的图案化的包封区域117的一部分。该包封材料所占据的体积为凹陷间的体积部分118。
为了证明特定的相邻的图案化的包封区域可包含一个或多个凹陷组，图中显示了“第一凹陷组”和“第二凹陷组”。这两个示例性的组用编号来区别(见表1)。第一凹陷组中所含的一个或多个凹陷112的编号包括用连字符连接的后缀“-1”(见图1-9)，第二凹陷组中所含的一个或多个凹陷112的编号包括后缀“-2”(见图7和8)。第一凹陷和第二凹陷的命名是出于说明的目的而为之。因此，应当理解特定的相邻的图案化的包封区域可包括单个凹陷组、两个凹陷组、三个凹陷组、或三个以上的凹陷组，对这些凹陷组的数量没有特别限制。
“凹陷壁”111是形成凹陷112在相邻的图案化的包封区域117内的边界的凹陷112的表面。当凹陷112未延伸至相邻的图案化的包封表面113的时候，其凹陷壁是包围着该凹陷的连续边界。当凹陷112延伸至相邻的图案化的包封表面113以形成与该表面相重合的凹陷开口119的时候，其凹陷壁与凹陷开口相邻。“第一凹陷壁”111-1(见图1、2和6-9)和“第二凹陷壁”111-2(见图8)分别显示了第一组凹陷112-1和第二组凹陷112-2的凹陷壁。还应意识到，在相邻的图案化的包封区域117和发光叠层表面114之间具有“插入的高折射率层”(“插入的高RI层”)。
“凹陷开口”119是与相邻的图案化的包封表面113相重合的凹陷112的表面。因此，对于特定的凹陷，该凹陷的凹陷开口是该凹陷在相邻的图案化的包封表面113的边界。“第一凹陷开口”119-1(见图3、4、5和8)和“第二凹陷开口”119-2(见图8)分别显示了第一组凹陷和第二组凹陷的凹陷开口。
特定凹陷112的“凹陷深度”129是指在最初和最后遇到的凹陷壁111-1之间的凹陷内，沿着与相邻的图案化的包封表面113相垂直、并且从该表面113延伸出来的直线的距离。特定凹陷112的“最大凹陷深度”130是其最大凹陷深度。
“横向维度”是指与相邻的图案化的包封表面113相平行的维度。在图10中，x-维度和y-维度是互相垂直的横向维度。
“图案特征尺寸”是当多个凹陷形成图案的时候，沿横向维度测量的凹陷的尺寸(参见图10a、10b和10e，x维度特征尺寸132)。或者“图案特征尺寸”是沿横向维度测量的单个凹陷上的图案特征的尺寸(见图10c和10d，x维度特征尺寸132)。
“图案周期”是当多个凹陷形成图案的时候，沿横向维度测量的凹陷图案的重复周期(见图10a、10b和10e，x维度周期133)。或者“图案周期”是沿横向维度测量的单个凹陷上的图案的重复周期(见图10c和10d，x维度特征尺寸132)。
“凹陷填料”是凹陷112中所含的材料。凹陷112可以用单独的凹陷填料完全填充，或者可以用两种或更多种凹陷填料中的任一种部分填充。
“盖片”127是具有位于包封层109的最高表面上的表面、以及通常与空气或者发光器件100外的其它环境相接触的表面的透明材料层。本领域技术人员将会意识到，发光器件中是否存在盖片127是任选的。
多层叠层115的“外部叠层表面”是作为该叠层一部分的表面，所述叠层不会延伸到该表面以外。发光叠层表面114是外部叠层表面的一个例子。
“光提取包封片”是与具有相邻的图案化的包封区域的包封层相同的独立式的片。“片”意味着任何具有适于包封发光器件的厚度的膜。对片的横向(平面内)维度没有特别限制。通常所述片的厚度为至少1微米、至少10微米、或至少100微米；不大于10000微米、或不大于1000微米。尽管所述光提取包封片适于固定在多层叠层的发光叠层表面上，但是其尚未固定在该多层叠层上。术语“相邻的图案化的包封区域”用来表示所述光提取包封片的图案化的区域，说明该区域以后会固定到多层叠层的发光叠层表面上。
“辅助光传输层”131是多层叠层115中任选的层，该层不会吸收或基本不会吸收多层叠层115所产生的光中、希望包含在发光器件100所发射的光中的波长的光。辅助光传输层131的“外部辅助传输表面”是该传输层131的表面，该表面是发光叠层表面114。图9中的发光器件具有多层叠层115，该多层叠层115包括具有一个以上外部辅助传输表面的辅助光传输层131。在图9中，两个所述外部辅助传输表面是发光多层叠层表面114，每个表面上具有相邻的图案化的包封区域117。第三外部辅助传输表面也是发光叠层表面114，然而，该表面上具有反射表面103。因此，发光叠层表面114上可具有相邻的图案化的包封区域117，也可以没有包封区域。还应注意尽管图9中显示两个包封的外部辅助传输表面是两个不同的表面，但是这些不同的表面可以是分开的，或者是相同表面的一部分，例如在圆形发光器件中会出现这种情况。
可使用包含磷光体的“磷光体层”改变光产生层106中产生的光的频率。“磷光体基质”的一个例子是YAG(钇铝石榴石，Y3Al5O12)。通常的磷光发射体是例如铈(Ce)、钕(Nd)和铒(Er)。YAG:Ce被波长为460纳米的蓝光激发，辐射出波长为520-550纳米的黄色激发光。黄色激发光与蓝光混合，产生白光。设置磷光体层，使得发光叠层表面114产生的光在离开发光器件之前遇到磷光体层。磷光体层通常包含尺寸约等于或大于1微米的微粒，倾向于是粗糙的微粒。如果使用微米级的磷光体层来改变离开本发明的发光叠层表面114的光的频率，则该微米级磷光体层与发光叠层表面114之间的距离要大于与相邻的图案化的包封区域117的最高表面之间的距离。磷光体通常包含稀土元素的混合物，根据光产生层106中产生的光的波长以及所需的输出波长对该混合物的组成和比例进行选择。磷光体的非穷举性例子包括YAG:Ce；氮化物硅酸盐:Eu；Sr-铝酸盐:Eu；硫代镓酸盐；ZnS:Cu，YBO3；和LaBO3。具体的磷光体的非穷举性例子及其输出波长包括(Y，Gd)3(Al，Ga)5O12:Ce；SrB4O7:Eu(368纳米)；Sr2P2O7:Eu(420纳米)；BaMgAl10O17:Eu(453纳米)；Sr4Al14O25:Eu(490纳米)；Ba2SiO4:Eu(505纳米)；SrGa2S4:Eu(535纳米)；Sr2SiO4:Eu(575纳米)；SrS:Eu(615纳米)和它们的组合。
或者凹陷可以包含含有多种纳米磷光体的凹陷填料。在这种情况下，纳米荧光体位于相邻的图案化的包封区域177中。纳米磷光体是具有以下平均粒径的磷光体微粒其平均粒径至少为1纳米；至少为2纳米；或至少为5纳米；并且不大于50纳米；不大于30纳米；不大于20纳米；不大于10纳米。
“平面化”表示任意能够在相邻的图案化的包封表面之内或之上形成平滑表面的方法。旋涂法和溅射法是能够有效进行平面化的方法。也可通过在表面中的凹陷内填充液体凹陷填料，然后(通常在固化过程之后)使用例如刮刀除去过量的填料，从而进行平面化。还可使用研磨垫进行平面化。
本领域技术人员应当理解，多层叠层115是众所周知的。还应理解以下部件的应用和设置用反射层103使光改变方向；用子底座101提供定位和尺寸稳定性；用粘合层102将相邻的层互相固定；不同的器件将具有不同的盖片127，任意的这些盖片基于特定发光器件100的设计要求来说是任选的。另外，多层叠层115中可包括另外的层。这些另外的层可包括，但不限于金属电极、透明电极(例如氧化铟锡(“ITO”)制造的透明电极)和磷光体层。
本领域技术人员还将意识到，发光器件100是本发明发光器件的一个例子，该器件的设计细节可以有显著变化。
包封层109的相邻的图案化的包封表面113优选具有排列成一定图案的一个或多个第一凹陷112-1。所述图案可以是周期性图案、随机图案、或者周期性图案与随机图案的组合。当图案为随机性的时候，该图案可以在沿相邻的图案化的包封表面113的第一维度上为周期性；沿相邻的图案化的包封表面113、在与第一维度垂直的第二维度上为周期性；在垂直于相邻的图案化的包封表面113的第三维度上为周期性；或者这些情况的任意组合。也即是说，图案可以在一个、两个或三个维度上是周期性的。第一凹陷112-1可具有规则的形状或不规则的形状。当相邻的图案化的包封区域117包括多个第一凹陷112-1的时候，所有这些第一凹陷的尺寸和形状可以是相同的，或者单独的第一凹陷可以在尺寸、形状或者在这两方面都是不同的。当第一凹陷的形状选自两种或更多种规则的形状，而且图案为周期性图案时，具有特定规则形状的第一凹陷可以分散在周期性的“子图案(subpattern)”中，它们与具有不同形状的第一凹陷之间可具有周期性关系，也可不具有周期性关系。或者，当第一凹陷形状选自两种或更多种规则形状、而且图案为周期性图案的时候，具有特定规则形状的第一凹陷可以分散在随机的“子图案”中。本发明第一凹陷的第一凹陷形状还可以是不规则的，根据周期性或随机的图案重复。当第一凹陷形状选自两种或更多种不规则形状、由这些第一凹陷形成的图案是周期性图案的时候，具有特定不规则形状的第一凹陷可以分散在周期性或随机的子图案中。另外，具有规则形状的第一凹陷可以与具有不规则形状的第一凹陷交替散布，形成随机的或周期性的图案，该图案本身包括由具有特定形状的第一凹陷形成的子图案。另外，在相邻的图案化的包封表面上可存在具有相同的第一凹陷形状、但是尺寸不同的第一凹陷。
图3a、3c、3d和图5a-5e所示的图案是相邻的图案化的包封表面113的周期性图案的非穷举性例子。图3b所示的图案代表随机图案。可以根据所得的光提取效率以及形成图案的容易程度等因素选择任意种类的第一凹陷图案、以及第一凹陷的形状和尺寸。
类似地，可以根据所得的光提取效率以及形成第一凹陷的容易程度等因素选择任意的第一凹陷形状。图2a-2c、2e和2f所示的第一凹陷具有规则的形状，图2d所示的第一凹陷具有随机形状。图2a-2f的第一凹陷形状是代表性的第一凹陷形状的非穷举性例子。图4a、4c、4e和4g(侧视图)示例性地显示了规则的第一凹陷形状。图4b、4d、4f和4h分别显示了图4a、4c、4e和4g的第一凹陷112-1在相邻的图案化的包封表面的第一凹陷开口119-1。
本发明的发光器件的发光叠层表面114可以是未图案化的表面或者图案化的表面。当发光表面114为图案化表面的时候，所述图案宜选自本文所述用于邻近的图案化的包封层109的任意图案。可以使用例如激光烧蚀对发光叠层表面114进行图案化。当本发明的发光叠层表面是图案化的表面的时候，该表面可能需要将相邻的图案化的包封区域117的图案与发光叠层表面114图案对齐，也可以无须对齐。还可在所述发光叠层表面114上设置插入的高RI层(图中未显示)。所述插入的高RI层的任意侧表面可以是平滑的或图案化的。可以使用本文所述的任意种类的用来制备例如多层叠层115、子底座101或高RI凹陷填料的高RI材料，在发光叠层表面114上外延生长所述插入的高RI层。所述插入的高RI层还可包含高RI粘合材料作为替代材料，或者另外包含该高RI粘合材料(见下文)。
“迅衰尾波(evanescent tail)”是光波的光场的一部分，其通常由光产生层106产生，存在于多层叠层115之外，距离发光叠层表面114的距离在光学接触距离的范围内。当本发明的相邻的图案化的包封区域117的一部分与发光叠层表面114光学接触(通常在50纳米以内)的时候，相邻的图案化的包封区域117设计成从迅衰波尾俘获光。
对于特定的光波长，“光学接触距离”表示沿着垂直于发光叠层表面114的直线、开始于发光叠层表面114、延伸进入相邻的图案化的包封区域117、延伸至不再与发光叠层表面114光学接触的直线上的第一点的距离。该直线是“光学接触测量线”。光学接触距离由公式1给出。
d=λ/2π(n22-n12)]]>(公式1)式中λ是从发光叠层表面114发射的光的波长；n2是具有发光叠层表面114的层(例如n-掺杂层107)的折射率；n1是凹陷填料和凹陷间填料的平均折射率。由于光学接触距离取决于波长λ，所述沿着特定的光学接触测量线将会有多个接触距离d，光学接触距离d的范围宽度取决于与相邻的图案化的包封区域117光学接触的波长λ的宽度。光学接触距离d随着波长λ的增大而增大。沿着特定的光学接触测量线遇到的凹陷填料或凹陷间填料的折射率n1是沿着该直线遇到的材料的折射率的距离加权平均值。对于特定的波长λ，光学接触距离d随着n2-n1之差的增大而减小。表2列出了根据公式1计算的光学接触距离d的数值。选择用于表2的计算的波长包括近紫外波长(200-400纳米)、可见波长(400-800纳米)和近红外光(800-2000纳米)。折射率数值n1和n2表示在用来制造本发明的发光器件中经常遇到的材料的数值范围。
表2根据公式1计算的光学接触距离。
“折射率”“n”是光在介质中的传播速度与真空中传播速度之比。光在一种材料中的速度用c/n来给出，其中c是光在真空中的速度。
对于特定的光波长λ，对于多层叠层115之外的一点，如果该点与发光叠层表面114之间沿光学接触测量线的距离不大于光学接触距离，则称该点是与发光叠层表面114“光学相邻的”。
所述凹陷组的一个或多个凹陷中包含凹陷填料。第一凹陷组包含一个或多个第一凹陷，所述第一凹陷中包含第一凹陷填料。第二凹陷组包含一个或多个第二凹陷，所述第二凹陷中包含第二凹陷填料。本发明的相邻的图案化的包封区域中，所包含的至少一种第一凹陷填料的折射率与第二凹陷填料和凹陷间填料中的至少一种的折射率之差至少为0.001，至少为0.01，至少为0.1，或者至少为0.5；并且不大于3.0，不大于2.5，不大于1.5，不大于1.0，或者不大于0.8。
“压印(imprinting)”是一种使用表面上具有排列成多级图案的特征的模具在膜上形成压痕，从而在膜上形成浮雕图案的方法。
“纳米压印”是一种压印方法，其中至少一种特征尺寸通常不大于200纳米。
“定位标记”是发光器件之内或之上、发光器件层之内或之上、发光器件层的表面之内或之上、或者“组装平台”之内或之上的参照点，用来在组装过程中对发光器件进行定位。事实上，定位标记可以位于任意的位置，作为参照位置，用来在组装发光器件的时候，确保所需的位置关系。例如可以根据一个或多个定位标记来确保发光叠层表面114和相邻的图案化的包封区域117之间，以及相邻的图案化的包封区域117中的图案之间达到所需的定位关系。
“包封块”120是一种包封材料块，在形成具有相邻的图案化的包封区域117的包封层的过程中，对该包封材料块进行图案化。对包封块120的尺寸没有特殊的限制。包封块120可以例如具有适于包封单独的发光器件100、或适于包封这些器件的阵列的长度、宽度和厚度。包封块120还可为独立式的膜的形式。这种独立式的膜可以例如具有一定的长度，以便卷成一个卷，在之后的应用中用来包封发光器件，或者施用在尺寸与所述独立式包封块膜相类似的发光器件阵列上。可以对包封块20进行例如平面化，或者进行其它的尺寸改良，以除去多余的包封材料、第一凹陷填料和/或第二凹陷填料；可以在将其转化为包封层109之前、过程中或之后将其切割或分割成更小的包封块。当使用术语“相邻的包封块表面”的时候，应当理解，在对包封块的表面进行改良的过程中，包封块表面通常不会与特定的发光叠层表面114连接，也不会随之定向。因此，对包封块120的表面使用“相邻的”仅仅是说明，作为一个表面，其将会或正在被转化为相邻的图案化的包封表面113。
在本发明的一些实施方式中，在图案化之后将包封块的一部分或全部的包封材料除去。当除去所有的包封材料的时候(例如当包封材料作为“脱模剂”的时候)，一个或多个凹陷的最高表面成为包封层的最高表面。
“图案化的模具”122具有包括模具凸块124(其具有“模具峰”(“峰”))的“图案化的模具表面”123。应当理解模具凸块124伴有具有“模具谷(“谷”)”的“模具凹陷”。模具表面123上这种凸块与凹陷的结合限定了“模具图案”，当图案化的模具122与包封块120或者涂敷有第一凹陷填料、第二凹陷填料或同时涂有这两种填料的包封块120相接触的时候，这种模具图案形成了浮雕图案。
相邻的图案化的包封区域117具有根据图案空间变化的介电函数，当不存在任何插入的高折射率层的时候，该包封区域117与多层叠层115的发光叠层表面114(该表面是图1中的n-掺杂层的表面114)光学相邻。不希望被任何特定的理论所限制，人们相信与发光叠层表面114光学相邻的相邻的图案化的包封区域117的存在具有将多层叠层115中存在的光导入包封层109中的作用。人们认为区域117中根据图案发生空间变化的介电函数的存在促进了例如从包含在n-掺杂层107(较高折射率)中所含的光的迅衰尾波俘获光和将所述光导入包封层(较低折射率)。需要相邻的图案化的包封区域117具有根据图案空间变化的介电函数，使得光可以被散射入包封层109中，导向包封层109的最高表面，从而提高发光器件100的效率。
当多层叠层115为无机材料的时候，可以根据所需的发射波长由各种材料制成。这些材料的一个非穷举性例子包括GaN、AlGaInN、GaAsP、GaP、AlGaAs/GaAs、AlGaInP/GaAs、AlGaN、GaInN和ZnO。空穴和电子在光产生层中重新结合，从而产生光而发光。在其上生长多层叠层115的基材包括GaAs、GaN、SiC和蓝宝石。层的生长通常是通过在升高的温度下采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)完成的。美国专利申请第2005/0141240A1揭示了无机多层叠层的制备。
图1和图2中所示的多层叠层115是无机的。然而，多层叠层115还可以是有机的或聚合物有机的。有机发光器件(OLED)和聚合物有机发光器件(POLED)通常包括阳极(例如氧化铟锡，ITO)；导电聚合物层或小分子导电层；发射聚合物层或发射小分子层；和阴极(例如Ba/Ca/Al)。阴极向发光聚合物中注入电子，阳极向导电聚合物层注入空穴。当空穴和电子结合的时候，便发射出光。导电聚合物的非穷举性的例子包括聚苯胺和聚乙烯二氧基噻吩。发射聚合物的例子包括聚亚苯基-1，2-亚乙烯基和聚芴。适用于空穴传输的小分子的例子包括金属酞菁和芳胺。适用于发射层的小分子的例子包括金属螯合物、二苯乙烯基苯和荧光染料。另外，优选加入富勒烯(fullerene)之类的电荷传输分子。
反射层103可以是例如Ag、Al和Au之类的金属层。或者反射层103可以是介电镜面层的周期性排列，这些层是高折射率和低折射率的层，用来以光最初照射到该周期性介电镜上的方向对光进行反向散射。周期性介电镜的一个例子是布拉格镜。
当图案的特征在至少一个横向维度上具有以下特征尺寸的时候，可以有益地完成对波长为200-400纳米的光的提取所述特征尺寸至少为5纳米、至少为10纳米、至少为20纳米、或者至少为30纳米；并且不大于5000微米；不大于100微米；不大于10微米；不大于500纳米、不大于200纳米、不大于100纳米、或者不大于50纳米。当图案的特征在至少一个横向维度上具有以下特征尺寸的时候，可以有益地完成对波长为400-800纳米的光的提取所述特征尺寸至少为10纳米、至少为20纳米、至少为40纳米、或至少为60纳米；并且不大于5000微米、不大于100微米、不大于10微米、不大于1000纳米、不大于300纳米、不大于150纳米、或不大于80纳米。当图案的特征在至少一个横向维度上具有以下特征尺寸的时候，可以有益地完成对波长为800-1000纳米的光的提取所述特征尺寸至少为25纳米、至少为50纳米、至少为100纳米、或至少为200纳米；并且不大于5000微米、不大于100微米、不大于10微米、不大于500纳米、不大于2000纳米、不大于1000纳米、不大于500纳米、或者不大于300纳米。
最大凹陷深度130可以在上述至少一种横向维度的特征尺寸的范围之内。然而，对最大凹陷深度130没有特殊限制，只是最大凹陷深度130不可大于包封层109最厚处的厚度。因此，最大凹陷深度130通常至少为25纳米、至少为50纳米、或至少为100纳米；而且不大于10000微米、不大于1000微米、不大于100微米、不大于10微米、或不大于2微米。
本发明的图案可以是随机的或周期性的。当图案是周期性的，该图案可以在x-维度、y-维度和z-维度中的至少一种维度中是周期性的。当周期性图案的至少一种横向维度的周期(图10中的x维度周期133和y维度周期135)为以下范围的时候，可以有益地完成对波长为200-400纳米的光的提取周期至少为10纳米、至少为50纳米、至少为70纳米、或者至少为100纳米；并且不大于5000微米、不大于100微米、不大于10微米、不大于500纳米、不大于375纳米、不大于300纳米、或者不大于200纳米。当周期性图案的至少一种横向维度的周期为以下范围的时候，可以有益地完成对波长为400-800纳米的光的提取周期至少为20纳米、至少为100纳米、至少为140纳米、或者至少为200纳米；并且不大于5000微米、不大于100微米、不大于10微米、不大于1000纳米、不大于750纳米、不大于600纳米、或者不大于400纳米。当周期性图案的至少一种横向维度的周期为以下范围的时候，可以有益地完成对波长为800-1200纳米的光的提取周期至少为50纳米、至少为2000纳米、至少为280纳米、或者至少为400纳米；并且不大于5000微米、不大于100微米、不大于10微米、不大于2000纳米、不大于1875纳米、不大于1500纳米、或者不大于1000纳米。
“包封材料”可以是任意的对光的波长透明的材料。包封材料的非穷举性例子包括聚硅氧烷，例如聚苯基硅氧烷、其它聚芳基硅氧烷、聚(芳基-氧基-芳基)硅氧烷和聚(芳基-硫基-芳基)硅氧烷；聚甲硅烷基苯；聚(甲基丙烯酸甲酯)和其它聚((甲基)丙烯酸烷基酯)；聚碳酸酯；环烯烃共聚物；无定形PET；聚酰亚胺；聚膦腈；聚酰胺；聚砜；聚苯基砜；聚醚砜；聚碳硼烷；聚金刚烷；以及它们的共聚物。合适的包封材料还包括下文所述的固化的乙阶段(B-staged)光学材料。这些固化的乙阶段材料可以是包封材料或凹陷填料，或者这二者。所述固化的乙阶段光学材料中的“孔穴”(“纳米孔”)的分布可以是均匀的(即固化的乙阶段光学材料中的孔隙率(“孔体积”)是相同或基本相同的)。或者孔穴可以不连续地分散在一系列毗邻的凹陷中(例如以被提取的光的波长为基准计，折射率至少变化0.01个单位)，或者孔穴分布可以是连续的(即具有折射率发生变化的区域，其中折射率平稳地变化)。在一个合适的连续折射率变化的例子中，在远离所述相邻的图案化的包封表面113的过程中，孔穴的密度以不大于1体积％/10纳米的速率从1体积％连续减小到90体积％。对于这个例子，孔隙率(孔体积)变化速率将会转化为不大于0.004/10纳米的折射率变化。包封材料的密度至少为0.03，至少为0.05，至少为0.1，至少为0.2，或至少为0.5克/厘米3；而且不大于3.0、不大于2.0、不大于1.5、或不大于1.2克/厘米3。
本发明的“凹陷填料”可以是任意的对多层叠层115内产生的所需提取的光的波长透明的材料，前提是该材料能够制造用来填充凹陷，而且满足所需发光器件的设计标准。适合用作凹陷填料的聚合物的非穷举性例子包括n约为1.4、而且包含成孔剂的倍半硅氧烷聚合物；n＝1.05-1.4的乙阶段倍半硅氧烷聚合物；聚硅氧烷，例如聚苯基硅氧烷、其它聚芳基硅氧烷、聚(芳基-氧基-芳基)硅氧烷和聚(芳基-硫基-芳基)硅氧烷；聚甲硅烷基苯；聚(甲基丙烯酸甲酯)；聚碳酸酯；环烯烃共聚物；无定形PET；聚酰亚胺；聚膦腈；聚酰胺；聚砜；聚苯基砜；聚醚砜；聚碳硼烷；聚金刚烷；以及它们的共聚物。当凹陷填料是聚硅氧烷的时候，所述聚硅氧烷可包含高含量的苯基或其它芳基。所述聚硅氧烷还可包含金属氧化物之类的无机材料，这些无机材料可以共聚，或者可以以含金属微粒的形式存在。合适的凹陷填料还可以是无机材料，其非穷举性例子包括ZnS、ZnSe、TiO2、GaP、GaAs、InGaP、GaN、CdS、CdTe、ZnTe、Si和Ge。合适的凹陷填料还可以是高折射率玻璃，例如硫属化物玻璃、磷酸盐玻璃和燧石玻璃。这些高折射率玻璃包含例如Pb、La、Nb和Ba。这些无机凹陷填料可以通过许多种本领域已知的技术沉积在包封表面和凹陷壁上，所述技术包括例如金属有机气相沉积(MOCVD)、物理气相沉积(PVD)、氢化物气相外延生长(HVPE)、原子层沉积(ALD)、使用低熔点玻璃、以及溶胶凝胶技术。所述凹陷填料的密度至少为0.03克/厘米3、至少为0.05克/厘米3、至少为0.1克/厘米3、至少为0.2克/厘米3、或至少为0.5克/厘米3；并且不超过7.0克/厘米3、不超过5.0克/厘米3、不超过3.0克/厘米3、不超过2.0克/厘米3、不超过1.5克/厘米3、或不超过1.2克/厘米3。
可用作本发明的凹陷填料的“光学粘合剂”是任意的具有极低粘度(通常不大于100厘泊)、可以在制备所述相邻的图案化的包封区域的过程中施用于表面上，并且/或者将所述区域与发光叠层表面相粘合的流体材料。所述光学粘合剂必须能够形成厚度不大于10纳米的膜。所述光学粘合剂应当可以通过包括聚合和交联在内的一些方法固化，所述固化是通过例如加热或紫外光照射完成的。当加热的时候，所述光学粘合剂中可包含热引发剂(例如过氧化物或偶氮引发剂)。当进行紫外光照的时候，可包含二苯甲酮之类的光敏剂。光学粘合剂的一个非穷举性例子包括(甲基)丙烯酸烷基酯单体，例如可购自Norland(美国新泽西州，Cranbury)的单体。在一个实施方式中，施涂光学粘合剂作为凹陷填料层，其为相邻的图案化的包封区域117的连续凹陷，直接处于发光叠层表面114之上。在另一个实施方式中，在形成相邻的图案化的包封区域117的过程中，将光学粘合剂施涂在所述区域的图案化表面上，使得所述光学粘合剂填充该表面内的凹陷。然后从该表面除去过量的光学粘合剂，留下具有包含凹陷填料(光学粘合剂)的凹陷的凹陷组。在此情况下，所述光学粘合剂存在于所述相邻的图案化的包封表面113中的凹陷开口119内，从而可以用来将相邻的图案化的包封区域117与发光叠层表面114相粘合。
对光学接触所必需的粘合程度(因此在两种介质之间具有低的光损失)的详述为J.Haisma，G.A.C.M.Spierings，Mat.Sci.Eng.R(2002)，第37卷，第1-60页。
本领域技术人员将会意识到，随着粘合材料的折射率接近发光层的折射率、或者接近所述发光层和粘合表面之间的任意插入层的折射率，所述粘合层的厚度可以增加超过10纳米、30纳米、或甚至50纳米，而不会造成所述高折射率LED叠层透过所述粘合层透射的光显著损失。许多种具有较高折射率的粘合剂是已知的。如US5516388所述，基于溶胶-凝胶的粘合剂已被用于粘合。在US5516388中，揭示了可使用许多种SiO2、TiO2、HfO2、YO2或Al2O3的溶胶-凝胶前体来进行例如玻璃、金属或半导体之类的表面的有效粘合。这些粘合剂的优点在于折射率大于有机基粘合剂。另外还可使用极薄的溶胶基材料的层(＜50纳米)，得到极佳的光学偶联。
US7053419B1揭示了许多通过接触将两个表面结合在一起的方法热挤压、冷焊、氧化物辅助或者其它结合技术。该文中还描述了当厚度小于50纳米时的具体聚合物粘合剂，使得光可以在层间耦合。US6709883提到了使用BCB(乙阶段二苯并环丁烯)或环氧树脂将透镜与LED表面粘合。US6682950提到了使用旋涂玻璃(通常为SiO2溶胶前体)、硅氧烷或聚酰亚胺作为粘合剂层。如果这些较低折射率的粘合剂的厚度约小于50纳米，则可以得到极佳的光耦合(optical coupling)。
能够制得高折射率粘合层的溶胶-凝胶前体的非穷举性例子包括四烷氧基硅，例如Si(OCH3)4、Si(OC2H5)4、Si(异-OC3H4)7和Si(叔-OC4H9)4；单金属烷氧化物，例如ZrSi(OCH3)4、Zr(OC2H5)4、Hf(OC2H5)4、VO(OC2H5)3、Nb(OC2H5)5、Ta(OC2H5)5、Si(OC4H9)4、Al(OCH3)3、Ti(OCH3)4；双金属烷氧化物，例如La[Al(异-OC3H7)4]3、Mg[Al(异-OC3H7)4]2、Ni[Al(异-OC3H7)4]2、Ba[Zr2(C2H5)9]2、(OC3H7)2Zr[Al(OC3H7)4]2；以及包含三种或更多种金属的多金属烷氧化物。
用来进行粘合的金属烷氧化物溶液包括以下前体在合适的溶剂中的溶液四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、四异丙氧基硅烷、四(叔丁氧基)硅烷、Zr(OMe)4、Zr(OEt)4、Zr(OBu)4、Hf(OEt)4、Hf(OBu)4、购自Dupont的TyzorTM(各种钛的烷氧化物)。通常可使用Ti、Zr、Si、Hf、V、Nb、Ta、Al、Mg、La的烷氧化物前体和其它合适的透明的或大体透明的金属氧化物。也可使用La[Al(异-PrO)4]3之类的双金属烷氧化物或多金属烷氧化物。可以将其它挥发性离去基团，例如低分子量胺、羧酸根、β-二酮(乙酰丙酮酸根，acac)等与合适的金属原子结合使用，以提供可水解的金属氧化物前体。例如，可使用Ti(acac)2。
本发明的凹陷填料还可为如美国专利US6967222所述的低折射率的“乙阶段光学材料”。乙阶段光学材料是通过以下步骤制备的a)将大量成孔剂(porogen)微粒与乙阶段光学材料相混合；b)至少部分地固化所述乙阶段的光学材料；c)至少部分地除去所述大量的成孔剂微粒；d)限定使光透射通过所述光学材料的路径。所述成孔剂微粒通常是交联的，但是如果它们未被所述乙阶段光学材料溶胀，它们可以是未交联的。所述成孔剂微粒的平均粒径至少为1纳米、至少为2纳米、或至少为5纳米；并且不大于50纳米、不大于30纳米、不大于20纳米、或不大于10纳米。术语“成孔剂”表示形成孔的材料，这些材料是聚合物材料或聚合物微粒，分散在光学材料中，将会随后除去，在介电材料中形成孔穴、空隙或自由体积。因此在本文中，术语“可除去的成孔剂”、“可除去的聚合物”以及“可除去的微粒”可以互换使用。“孔穴”表示固体材料内的真空或气体填充的体积部分。这些孔穴可具有各种形状。在本文中，术语“孔穴”、“空隙”和“自由体积”可互换使用。术语“乙阶段的”表示未固化的材料。“未固化的”表示任意可通过例如缩合而聚合或固化，形成更高分子量的材料(例如涂层或膜或凹陷填料)的材料。这些乙阶段材料可以是单体、大单体、低聚体或其混合物。乙阶段材料还包括聚合物材料与单体、大单体、低聚体的混合物或者单体与低聚体的混合物。“光学基质材料”或“光学材料”表示对所用波长的光为光学透明性的材料。“可固化的乙阶段光学材料”是尚未固化的乙阶段光学材料。“固化的乙阶段光学材料”是使乙阶段光学材料固化制得的材料。
凹陷填料可以是乙阶段光学材料，其为式(I)或(II)所示的一种或多种硅烷水解或部分缩合得到的有机聚氧化硅树脂RaSiY4-a(I)R1b(R2O)3-bSi(R3)cSi(OR4)3-dR5d(II)式中R为氢、(C1-C24)烷基、芳基和取代芳基Y是任意的可水解的基团；a是0-2的整数；R1、R2、R4和R5独立地选自氢、(C1-C24)烷基、芳基、和取代芳基；R3选自(C1-C18)烷基、-(CH2)h-、-(CH2)h1-Ek-(CH2)h2-、-(CH2)h-Z、亚芳基、取代亚芳基和亚芳醚；E选自氧、NR6和Z；Z选自芳基和取代芳基；R6选自氢、(C1-C8)烷基、芳基、和取代芳基；b和d各自为0-2的整数；c是0-6的整数；h、h1、h2和k独立地为1-6的整数，前提是R、R1、R3和R5中的至少一种不是氢。“取代芳基”和“取代亚芳基”表示任意的一个或多个氢原子被另外的取代基取代的芳基或亚芳基，所述取代基是例如氰基、羟基、巯基、卤素或(C1-C6)烷基、(C1-C6)烷氧基。
式(I)的化合物的进一步水解产物或部分缩合产物是式(III)所示的乙阶段有机聚氧化硅树脂((R7R8SiO)e(R9SiO1.5)f(R10SiO1.5)g(SiO2)r)n(III)式中R7、R8、R9和R10独立地选自氢、(C1-C24)烷基、芳基和取代芳基；e、g和r独立地为0-1的数字；f是0.2-1的数字；n是3-10000的整数；前提是e+f+g+r＝1；前提是R7、R8和R9中至少一个不是氢。R7、R8、R9和R10中任意一种优选的烷基是(C1-C6)烷基。在上式(III)中，e、f、g和r表示各组分的摩尔比。这些摩尔比可以在0和1之间变化。优选的是e为0-0.8。还优选的是g为0-0.8。更优选的是r为0-0.8。在上式中，n表示乙阶段材料中重复单元的数量。较佳的是，n是3-1000的整数。
许多种成孔剂都适用于本发明的乙阶段光学材料。例如，当溶剂作为成孔剂的时候，很难使用溶剂控制所得的孔径和孔径分布。因此，聚合物是优选的成孔剂。这些可用作成孔剂的聚合物是可以除去的。“可以除去”表示所述聚合物微粒可以解聚、降解或通过其它方式分解成挥发性组分，然后这些组分扩散通过基质光学材料。合适的聚合物包括但不限于交联的聚合物微粒、高度分枝的聚合物、嵌段共聚物和直链聚合物。交联的聚合物微粒是优选的。优选的交联聚合物微粒是欧洲专利申请第1088848号(Allen等人)和美国专利第6271273号(You等人)所揭示的聚合物微粒。合适的聚合物成孔剂包括聚(烯烃砜)、硝基纤维素聚合物和聚甲硅烷(polysilynes)。
可用作成孔剂的交联聚合物微粒包含一种或多种烯键式或炔键式不饱和单体以及一种或多种交联剂作为聚合单元。合适的不饱和单体包括但不限于(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酰胺、(甲基)丙烯酸烷基酯、(甲基)丙烯酸烯基酯、(甲基)丙烯酸芳基酯、乙烯基芳族单体、含氮化合物及其含硫类似物、环烯烃聚合物和取代的乙烯单体。这些单体可任选地被取代。
在制备本发明的多孔光学器件的时候，首先例如通过分散或溶解将上述成孔剂与乙阶段光学材料混合。成孔剂的用量是提供所需的孔隙率或自由体积、从而提供折射率所必须的用量。孔隙率是固化的乙阶段光学材料中孔穴体积分数的度量。孔隙率越高，折射率越小。以固化的乙阶段光学材料的体积为基准计，以体积百分数表示的孔隙率为至少0.1体积％、至少1体积％、至少5体积％、至少10体积％、至少20体积％、或至少30体积％；且不大于95体积％、不大于90体积％、不大于80体积％、不大于70体积％、不大于60体积％。凹陷填料(固化的乙阶段光学材料)的密度为至少为0.03、至少为0.5、至少为0.10、至少为0.20、或至少为0.30；而且不大于1.0、不大于0.9、不大于0.8、不大于0.70、或不大于0.60。凹陷填料(固化的乙阶段光学材料)的折射率为至少1.01、至少1.04、至少1.08、至少1.12、且不大于1.6、不大于1.8、不大于1.4、不大于1.34、不大于1.30。这些折射率和本文中的其它折射率是基于由多层叠层的发光表面发射的需要提取的光的波长。
下面的段落将描述本发明的发光器件及其制造方法的示例性实施方式。应当理解，这些实施方式是用来举例说明本发明，并不代表本发明的器件或其制造方法的所有可能的实施方式。
在本发明发光器件的第一实施方式中(见图1)，包封区域117设置在发光叠层表面114上，使得相邻的图案化的包封表面113与发光叠层表面114直接接触。相邻的图案化的包封区域117包括第一凹陷组，该凹陷组具有多个包含第一凹陷填料的第一凹陷112-1。第一凹陷112-1具有第一凹陷壁111-1，该凹陷壁111-1与包括凹陷间填料的凹陷间的体积部分118直接接触。第一凹陷112-1在第一凹陷开口119-1延伸到相邻的图案化的包封表面113(见图4)。在此实施方式中，不存在第二凹陷112-2。
本发明的发光器件的第二实施方式与第一实施方式相同，其不同之处在于，相邻的图案化的包封区域117包括第一凹陷组，该凹陷组包括单个第一凹陷112-1，该凹陷具有单独的第一凹陷开口119-1。通常第一凹陷开口119-1与全部的或基本上全部的相邻的图案化的包封表面113相重合。也即是说，单个第一凹陷112-1形成了与发光表面114相接触的连续层，由于第一凹陷深度129-1的变化而进行图案化。所述相邻的图案化的包封区域117中非第一凹陷112-1的体积部分是凹陷间的体积部分110。
在本发明发光器件的第三实施方式中，所述相邻的图案化的包封区域117同时包括具有至少一个第一凹陷112-1的第一凹陷组和具有至少一个第二凹陷112-2的第二凹陷组。
本发明的相邻的图案化的包封区域117具有至少一个凹陷组，如果仅有一个凹陷组，则通常还包含“凹陷间的体积部分组”，其包括一个或多个凹陷间的体积部分118。当相邻的图案化的包封区域117包含一个以上的凹陷组的时候，根据相邻的图案化的包封区域117的最高表面是平坦的或图案化的，可以存在或不存在凹陷间的体积部分组。如果最高表面是平坦的，将没有凹陷间的体积部分组。如果最高表面是图案化的，将存在凹陷间的体积部分组。如果在形成一个或多个凹陷组之后，将包封材料完全除去，则任意的凹陷间的体积将被空气(或其它环境气体)占据。
在制造本发明发光器件的方法的第一实施方式中，使用图案化的模具122对包封块120进行压印。可以对表面上不存在插入层的包封块120的表面进行压印(见图6a-6d)，或者可以首先在所述表面上涂敷第一凹陷填料层125。图7a-7c显示了该实施方式，其中在包封块120上涂敷了第一凹陷填料层125，然后对包封块120被涂敷的表面进行压印(图7b-7c)。图7b-7d显示了模具图案化表面123对第一凹陷填料125进行充分地压印，在包封块120和第一凹陷填料层125中形成浮雕图案。在此情况下，可能需要通过例如平面化除去所有的第一凹陷填料表面过量部分126，形成多个第一凹陷112-1(见图7e)；部分地除去第一凹陷填料表面过量部分126；或者表面过量部分126均不必除去(见图7d)。通过模具图案化表面123在第一凹陷填料层125上直接形成的压痕是第二凹陷112-2。或者可以用模具图案化表面123对第一凹陷填料层125进行压印，在第一凹陷层125中形成浮雕图案，而且不会造成包封块120的表面变形。在不存在第一凹陷填料层125的时候，模具表面123直接对包封块120进行压印，在包封块120表面形成浮雕图案(图6a-6d)。通过模具图案化表面123在包封块120的该表面中直接形成的压痕是第一凹陷112-1。在该实施方式的这些变体中，在与模具图案化表面123直接接触的层的表面上形成具有压痕的浮雕图案。这些压痕是第一凹陷112-1或第二凹陷112-2，它们通常最初是使用空气或其他气体分别作为第一凹陷填料或第二凹陷填料填充的。或者可以在模具图案化表面123脱离的时候，提供非气态的第一凹陷填料或第二凹陷填料，分别流入第一凹陷112-1或第二凹陷112-2。
在制造本发明的发光器件的方法的第二实施方式中，将第一凹陷填料层125施涂在包封块120上，将第二凹陷层施涂在填料层125上。可以在施涂第一凹陷填料层125之前使模具图案化表面123与包封块120的表面相接触。模具图案化表面123可以与所述包封块、第一凹陷填料层125和第二凹陷填料层中的任意一种或所有相接触。另外，可以使用相同的图案化的表面123对各个接触的表面进行压印，或者可以使用不同的图案化的表面123对不同的表面进行压印。
本领域技术人员应当理解，当需要通过一步或多步压印步骤在相邻的图案化的包封区域117中形成第一凹陷112-1和第二凹陷112-2的时候，优选的是在组装过程中，在发光器件100的一个或多个位置上提供定位标记，在组装过程中用来固定器件的组装台上的一个或多个位置上提供定位标记，或者同时在器件和组装台上的位置上提供定位标记。通过这种方式，可以使图案对齐。
另外，可以用一个以上的模具图案化表面123对相同的表面(包封块的表面，或者凹陷填料层的表面)进行压印。例如，可以用一个模具图案化表面123对第一凹陷填料层的表面进行压印，形成第二凹陷112-2的图案，然后用第二凹陷填料填充所述第二凹陷，除去过量的第二凹陷填料，如果需要的话，使第二凹陷填料固化。然后用另一模具图案化表面123对第一凹陷填料层进行图案化，形成另一第二凹陷112-2的图案，然后用第二凹陷填料填充这些第二凹陷112-2，除去过量的第二凹陷填料，如果需要的话，使所述第二凹陷填料固化。
当使用模具在相邻的图案化的包封区域117上压印出图案的时候，应当理解，如果要对一种材料进行压印，则进行图案化的温度通常等于或高于所述聚合物材料的玻璃化转变温度(Tg)。通常将聚合物材料、模具或此二者保持在该温度，直至形成所需的图案为止，然后将所述聚合物材料、模具或此二者冷却至低于聚合物材料玻璃化转变温度的温度，然后移开模具。另外，应对所述聚合物材料和用来制造所述模具的材料进行选择，使得在移开模具之后，模具材料可以与聚合物材料相分离。
当在可固化填料中形成图案，所述固化过程需要紫外光的时候，所述模具通常由对固化步骤中所用的紫外光波长具有透射性的材料制成。一旦在可固化填料中形成了图案，便通过模具进行紫外光照射以使其固化。或者如果与模具相背的侧面对紫外光是具有透射性的，可以从模具的相背侧进行紫外光照射，而模具不一定对紫外光透明。
在本发明的另一个实施方式中，所述模具是使用例如激光烧蚀法，用GaN或SiC之类的高折射率芯片制成的。应用所述模具形成图案，但是并不移开模具。相反地，模具本身成为了凹陷组，该凹陷组具有填充了模具材料(例如GaN或SiC)的单独的凹陷。所述嵌入的模具的外表面可以是平坦的，或者可以在嵌入之前或之后进行图案化。然后在模具材料的外表面施涂光学粘合剂，作为厚度通常不大于10纳米的凹陷填料层，其可以保留下来，作为具有凹陷开口119的单独的连续凹陷或者作为多个凹陷。然后将独立式包封片粘合在发光叠层表面117上，使得光学粘合剂与所述发光叠层表面117相接触。
在另一个实施方式中，所述相邻的图案化的叠层表面是使用发光叠层表面作为基材形成的。凹陷填料层构建在该表面上，以形成相邻的图案化的包封区域117。
当包封层以独立式光提取包封片(适用于随后应用在发光叠层表面上)的形式形成的时候，该层具有图案化的包封区域，即使为独立形式，在本文中也被称为相邻的图案化的包封区域。使用术语“相邻”是由于，应当理解当所述独立式片与多层叠层相结合的时候，该独立式片的相邻的图案化的包封区域将设置在发光叠层表面上。一旦独立式“光提取包封片”与发光叠层表面114相结合，该片就成为具有相邻的图案化的包封区域117和任选的未图案化的包封区域110的包封层109。
“激光烧蚀”是一种通过高强度激光束除去材料的方法。可通过该技术在聚合物膜中形成孔洞。激光烧蚀还可用来代替使用模具形成图案的作法。
当使用图案化的模具122形成图案的时候，所述模具可具有任意的构型，可以使用本领域已知的任意材料制成。例如，所述模具可以是以下形式平板、单辊或多个辊(例如砑光操作常用的辊)。所述模具可以设计成在压印过程中进行加热、冷却、或者二者兼有。如果在压印过程中使第一凹陷填料、第二凹陷填料或者二者固化，则模具通常使用对用来辐照被固化材料的光的波长(例如紫外光)透明的材料制成。
实施例在以下实施例中将详细描述本发明的一些实施方式。实施例中所用的化学试剂列于表A。
压痕深度的测量。在制造图案化的表面的过程中，使用Dektak-30轮廓测定仪(美国纽约，Woodbury，Veeco)测量在表面中形成的压痕的深度。
表A缩写和描述信息
注意试验部分中器件数字(可能包括字母)所表示的实例器件不要与附图中的附图编号相混淆。
比较例A包括与未图案化的相邻的包封表面相接触的发光层的多层叠层。
涂敷有铜(Cu)金属的硅晶片(Silicon Valley Microelectronics)作为底部电极。将LED芯片XB900(Cree)置于芯片之上。将一滴聚硅氧烷液体(Aldrich)施涂在LED顶上，以帮助匹配折射率以及将GaN-ITO/玻璃界面处的反射减至最小。将ITO涂敷的玻璃(Applied Films)置于LED芯片顶上。使用轮廓测定仪(Dektac-30，Veeco)测得，所述ITO玻璃的表面糙度为1-2纳米。电极与Cu晶片和ITO玻璃相连。从激光二极管电源(LDC 500，Thorlabs)对电极提供电流，电流单位为毫安(mA)。将硅检测器(Thorlabs)置于LED芯片位置的上面，与电压计相连，电压计的测量单位为伏。所提供的电流在10-80毫安的范围内变化，用硅检测器和电压计测量LED发射的蓝光(460纳米)。输出电压除以驱动电流所得的斜率为0.019伏/毫安。
实施例1包括与相邻的图案化的包封区域光学相邻的发光叠层表面的多层叠层的包封。
通过比较例A的方法制备了LED，其不同之处在于，此时不是使用ITO玻璃，而是将涂敷有ITO的PET膜(CP膜)置于LED芯片顶上。使用轮廓测定仪(Dektak-30)测得，所述PET/ITO膜的表面糙度为17纳米。将一滴聚硅氧烷液体(折射率＝1.47，Aldrich)施涂在LED顶上，以帮助匹配折射率以及将GaN-ITO/PET界面处的反射减至最小。将电极应用于Cu涂敷的晶片和PET/ITO膜，使电流通过LED芯片。使用硅检测器和功率表测量输出的光。由硅检测器观察到的电压输出除以LED的驱动电流，结果为0.04伏/毫安。对玻璃/ITO和PET/ITO之间的透光性差异进行调节之后，实施例1的器件的光输出是比较例A的器件的光输出的1.4倍(即光输出高40％)。
实施例2使用P6700旋涂机对GaN LED晶片(Cree)进行旋涂，形成厚100纳米的ZIRKONTM低折射率材料(罗门哈斯，n＝1.3)。该涂层在90℃温和烘焙1分钟，使用具有周期性四方锥图案的图案化的模具压印，所述图案中凸起点和凹谷之间的最大距离为100纳米。各四方锥底部的侧边为200纳米。沿着与各四方锥底部的正交边平行的两个方向上的长度周期为250纳米。然后ZIRKONTM低折射率材料层在250℃的氮气气氛中固化(乙阶段)2.0小时，最终压印的涂层的厚度应为80纳米。乙阶段涂层的折射率n应为1.1。在图案化的乙阶段涂层的表面上旋涂厚100纳米的高折射率聚(苯基甲基硅氧烷)(n＝1.54)。然后首先在100℃加热该聚(苯基甲基硅氧烷)，然后在3.0小时内将固化温度逐渐升高到130℃，从而使其固化。使用准分子激光器(Oxford Lasers)，通过激光烧蚀在膜中形成孔。这些孔对应于电连接垫的位置。使用晶片切割器(Kulicke and Soffa，984型)将晶片切割成1×1厘米的小片。使用引线连接器(Kulicke and Soffa，1488型)将金质引线与GaN相连。对LED芯片提供电能。使用光度计系统(2000型，Ocean Optics)观察，光输出应为20流明/瓦。
比较例B使用与实施例2相同的方法制造发光器件，其不同之处在于，将包封材料直接施加在LED顶上，而不施加乙阶段ZIRCONTM低折射率材料的插入层。所述包封材料是交联的苯基甲基硅氧烷共聚物(n＝1.54)。如实施例2所述LED芯片上连接有引线，对LED芯片提供电能。观察到的输出能量应为10流明/瓦。
实施例3在GaN晶片(见实施例2)上涂敷ZIRCONTM低折射率材料，如实施例2所述该涂层是乙阶段化(B-staged)的并经过压印。将透明的银层置于压印过的膜上，使得银层的厚度为50纳米。通过溅射(Denton Vacuum)沉积银金属。然后如实施例2所述在银涂敷的压印膜上涂敷聚(苯基甲基硅氧烷)，并进行固化，完成了发光器件，并如实施例2所述进行测试。具有透明的银层的发光器件是示例性的器件3a。通过相同的步骤制备器件3b、3c和3d，其不同之处在于，透明的导电层分别为金、铝或氧化铟锡(ITO)。观察到的光输出为器件3a的光输出应为25流明/瓦；器件3b的光输出应为25流明/瓦；器件3c的光输出应为25流明/瓦；器件3d的光输出应为25流明/瓦。
比较例C使用实施例3的方法制造了发光器件，其不同之处在于，将包封材料直接施加在LED的顶上，而不施加乙阶段ZIRCONTM低折射率材料的插入层。所述包封材料是交联的苯基甲基硅氧烷共聚物(n＝1.54)。如实施例2所述LED芯片上连接有引线，对LED芯片提供电能。观察到的输出能量应为10流明/瓦。
实施例4在GaN LED晶片(Cree)上旋涂厚度100纳米的包含可交联基团的聚(苯基甲基硅氧烷)(罗门哈斯，n＝1.54)。然后使用具有四方锥图案的图案化的模具压印，所述图案中凸起点和凹谷之间的最大距离为100纳米，图案的长度周期为250纳米，然后在130℃加热固化。然后移开模具。如实施例2所述在所述固化的聚(苯基甲基硅氧烷)的图案化的表面上涂敷100纳米厚的ZIRCONTM低折射率材料。然后该ZIRCONTM低折射率膜在0℃温和烘焙1分钟，在250℃乙阶段化2.0小时，使其最终厚度为80纳米，n＝1.1。使用准分子激光器(Oxford Laser)，通过激光烧蚀在膜中形成孔。如上面的实施例2所述对晶片进行切割。如上面实施例2所述将金质引线与GaN层相连。如上面实施例2所述对LED芯片输送电能。观察到的光输出应为20流明/瓦。
比较例D使用实施例4的方法制造了发光器件，其不同之处在于将聚(苯基甲基硅氧烷)直接施加在LED顶上，而不施加乙阶段ZIRCONTM低折射率材料的插入层。所述包封材料是交联的聚(苯基甲基硅氧烷)(n＝1.58)。如实施例2所述LED上连接有引线，对LED芯片输送电能。观察到的输出能量应为10流明/瓦。
实施例5如实施例4所述，首先在GaN晶片(见实施例4)上涂敷苯基硅氧烷共聚物(n＝1.58)，然后进行压印。在固化的苯基硅氧烷共聚物的表面上沉积30纳米厚的透明银金属层。然后在所述苯基硅氧烷共聚物涂层的图案化的表面上涂敷ZIRCONTM低折射率材料(罗门哈斯，n＝1.38)。然后对ZIRCONTM低折射率层进行乙阶段化，得到厚度为80纳米、n＝1.1的乙阶段涂层。依照实施例4所述对发光器件进行精整和测试。具有透明的银层的发光器件是器件5a。通过相同的步骤制备器件5b、5c和5d，其不同之处在于，透明的金属层分别为金、铝或氧化铟锡。观察到的光输出为器件5a的光输出应为25流明/瓦；器件5b的光输出应为25流明/瓦；器件5c的光输出应为25流明/瓦；器件5d的光输出应为25流明/瓦。
实施例6在GaN晶片上涂敷厚度为10纳米的导电银层。然后使用相干光刻装置对银层进行图案化。图案的周期为250纳米，线宽为100纳米。然后在图案化的表面上施涂厚100纳米的聚(苯基甲基硅氧烷)(n＝1.54)涂层。然后如实施例4所述对聚(苯基甲基硅氧烷)层进行纳米压印，压印时确保模具与银金属中的周期性图案对准(通过定位标记对准)。该聚合物固化的初始温度为100℃，然后在3.0小时内逐渐升温至130℃。然后移开模具。使ZIRCONTM低折射率材料(罗门哈斯，n＝1.38)固化，制得厚度为80纳米、n＝1.1的固化的乙阶段涂层。如实施例4所述对发光器件进行精整和测试。具有透明的银层的发光器件是器件6a。通过相同的步骤制备器件6b、6c和6d，其不同之处在于，透明的金属层分别为金、铝或氧化铟锡。观察到的光输出为器件6a的光输出应为25流明/瓦；器件6b的光输出应为25流明/瓦；器件6c的光输出应为25流明/瓦；器件6d的光输出应为25流明/瓦。
实施例7独立式光提取片的制备在宽、长和厚分别为10厘米、10厘米和50微米的透明高温聚酰亚胺膜(Sixeff，Hoechst)上旋涂苯基甲基硅氧烷共聚物(n＝1.58)，形成100纳米厚的涂层(使用Dektak-30测量)。使用具有由四方锥组成的图案的图案化的镍质模具对所述膜进行压印，所述图案中凸起点和凹谷之间的最大距离为100纳米，长度周期为250纳米。四方锥的底部为100纳米。平面中x方向和y方向的周期都是相同的。该涂层固化的初始温度为100℃，然后在3.0小时内逐渐升温至130℃。然后移开模具。旋涂100纳米厚的ZIRCONTM低折射率材料(罗门哈斯，n＝1.38)，然后在100℃使其固化。根据实施例4的方法对所述ZIRCONTM低折射率层进行乙阶段化，制得厚度为80纳米、n＝1.1的乙阶段涂层。如实施例4所述，通过激光烧蚀在膜中形成孔，使得孔与GaN晶片的电连接垫的位置相重合。首先在GaN晶片上旋涂5纳米厚的具有极低粘度的光学粘合剂(Norland 74，80厘泊)。然后将光提取膜与晶片相连，确保不存在空气间隙或气泡。然后使用SpectronicsBench Mount(美国新泽西州，Norland)，用紫外光使光学粘合剂固化。然后根据实施例2所述在有LEF与之相连的情况下对晶片进行切割。根据实施例2，通过LEF中的孔对LED进行引线连接。使电流通过LED芯片，测量光输出。光输出应当为25流明/瓦。
实施例8形成包含金属作为凹陷填料的相邻的图案化的包封区域在宽、长和厚分别为10厘米、10厘米和50微米的透明高温聚酰亚胺膜(Hitachi，Chemical)上旋涂苯基甲基硅氧烷共聚物(n＝1.54)，形成100纳米厚的涂层(使用Dektak-30测量)。使用具有由四方锥组成的图案的图案化的镍质模具对所述膜进行压印，所述图案中凸起点和凹谷之间的最大距离为100纳米，长度周期为250纳米。四方锥的底部为100纳米。平面中x方向和y方向的图案周期都是相同的。压印之后，该涂层在130℃固化，然后移开模具。在膜的压印面上溅射50纳米厚的透明金属薄膜。所述金属是银。旋涂100纳米厚的ZIRCONTM低折射率材料(罗门哈斯，n＝1.38)，在100℃干燥。根据实施例4的方法使所述ZIRCOMTM低折射率层乙阶段化，制得厚度为80纳米、n＝1.1的乙阶段涂层。如实施例4所述，通过激光烧蚀在膜中形成孔，使得孔与GaN晶片的电连接垫的位置相重合。首先在GaN晶片上旋涂5纳米厚的具有极低粘度的光学粘合剂(Norland 74，80厘泊)。然后将光提取膜(LEF)与晶片相连，确保不存在空气间隙或气泡。然后使用Spectronics Bench Mount(美国新泽西州，Norland)，用紫外光使光学粘合剂固化。然后根据实施例2所述在有LEF与之相连的情况下对晶片进行切割。根据实施例2，通过LEF中的孔对LED进行引线连接。使电流通过LED芯片，测量光输出。具有透明的银层的发光器件是器件8a。通过相同的步骤制备器件8b、8c和8d，其不同之处在于，透明的金属层分别为金、铝或氧化铟锡。观察到的光输出为器件8a的光输出应为25流明/瓦；器件8b的光输出应为25流明/瓦；器件8c的光输出应为25流明/瓦；器件8d的光输出应为25流明/瓦。
实施例9在宽、长和厚分别为10厘米、10厘米和50微米的透明高温聚酰亚胺膜(Sixeff，Hoechst)上旋涂100纳米厚的ZIRCONTM低折射率材料(罗门哈斯，n＝1.38)，在100℃温和烘焙。使用具有由四方锥组成的图案的图案化的镍质模具对所述膜进行压印，所述图案中凸起点和凹谷之间的最大距离为100纳米，长度周期为250纳米。四方锥的底部为100纳米。平面中x方向和y方向的图案周期都是相同的。纳米压印之后，ZIRCONTM低折射率层在250℃的氮气气氛下固化(乙阶段化)2.0小时。所得的纳米压印的涂层的厚度应为80纳米。在图案化的乙阶段涂层上旋涂100纳米厚(使用Dektak-30测量)的高折射率聚(苯基甲基硅氧烷)(n＝1.54)。然后所述聚(苯基甲基硅氧烷)通过在100℃的初始温度下加热3.0小时而固化。使用准分子激光器(Oxford Laser)，通过激光烧蚀在膜中形成孔，这些孔对应于电连接垫的位置。如上面的实施例8所述，将膜(LEF)与极薄的可紫外固化的粘合剂层相结合，确保不存在间隙或气泡。使用晶片切割器(Kulickeand Soffa，984型)将晶片切割成1×1厘米的小片。使用引线连接器(Kulicke andSoffa，1488型)将金质引线与GaN相连。对LED芯片提供电能。观察到的光输出应为25流明/瓦。
实施例10在宽、长和厚分别为10厘米、10厘米和50微米的透明高温聚酰亚胺膜(Sixeff，Hoechst)上旋涂100纳米厚的ZIRCONTM低折射率材料(罗门哈斯，n＝1.38)，在100℃温和烘焙。使用具有由四方锥组成的图案的图案化的镍质模具对所述膜进行纳米压印，所述图案中凸起点和凹谷之间的最大距离为100纳米，长度周期为250纳米。四方锥的底部为100纳米。平面中x方向和y方向的图案周期都是相同的。压印之后，低折射率材料在250℃的氮气气氛下乙阶段化2.0小时，制得厚度为80纳米、n＝1.1的层。在所述膜被压印的一侧溅射80纳米厚的透明金属薄膜。所述金属是银。在图案化的乙阶段涂层表面上旋涂100纳米厚(使用Dektak-30测量)的高折射率聚(苯基甲基硅氧烷)(n＝1.54)。然后所述(苯基甲基硅氧烷)通过首先在100℃加热，然后在3.0小时内逐渐升温至130℃而固化。通过使用准分子激光器(Oxford Laesr)激光烧蚀在膜中形成孔，这些孔对应于电连接垫的位置。如上面的实施例8所述，将膜与极薄的可紫外固化的光学粘合剂层相结合，确保不存在间隙或气泡。使用晶片切割器(Kulicke and Soffa，984型)将晶片切割成1×1厘米的小片。使用引线连接器(Kulicke and Soffa，1488型)将金质引线与GaN相连。对LED芯片提供电能。具有透明的银层的发光器件是器件10a。通过相同的步骤制备器件10b、10c和10d，其不同之处在于，透明的金属层分别为金、铝或氧化铟锡。观察到的光输出为器件10a的光输出应为25流明/瓦；器件10b的光输出应为25流明/瓦；器件10c的光输出应为25流明/瓦；器件10d的光输出应为25流明/瓦。
实施例11在宽、长和厚分别为10厘米、10厘米和50微米的透明高温聚酰亚胺膜(Sixeff，Hoechst)上旋涂100纳米厚(通过Dektak-30测量)的ZIRCONTM低折射率材料(罗门哈斯，n＝1.54)。使用具有由四方锥组成的图案的图案化的镍质模具对所述膜进行纳米压印，所述图案中凸起点和凹谷之间的最大距离为100纳米，长度周期为250纳米。四方锥的底部为100纳米。平面中x方向和y方向的图案周期都是相同的。然后所述涂层通过首先在100℃加热，然后在3.0小时内逐渐升温至130℃而固化。然后移开模具。旋涂100纳米厚的ZIRCONTM低折射率材料(罗门哈斯，n＝1.38)，在100℃温和烘焙。然后ZIRCONTM低折射率层根据实施例4的方法进行乙阶段化，制得厚度为80纳米、n＝1.1的乙阶段涂层。使用溅射装置(Denton Vacuum)在ZIRCONTM低折射率层上溅射10纳米厚的银层。然后使用相干光刻法使所述银膜周期性地成像。所述成像过程与其下的聚(苯基甲基硅氧烷)层中的周期性压痕对准。然后对银层进行蚀刻，形成线宽100纳米、图案周期250纳米的周期性线条阵列。如实施例4所述，通过使用准分子激光器(Oxford Laesr)激光烧蚀在膜中形成孔，这些孔与GaN晶片的电连接垫的位置相重合。首先将5纳米厚的具有极低粘度的光学粘合剂(Norland74，80厘泊)旋涂在GaN晶片上。然后将IEF膜与晶片相连，确保不存在空气间隙或气泡。然后使用紫外光(美国新泽西州，Norlan，Spectronics Bench Mount)固化所述光学粘合剂。使用晶片切割器(Kulicke and Soffa，984型)将晶片切割成1×1厘米的小片。使用引线连接器(Kulicke and Soffa，1488型)将金质引线与GaN相连。对LED芯片提供电能。具有透明的银层的发光器件是器件11a。通过相同的步骤制备器件11b、11c和11d，其不同之处在于，透明的金属层分别为金、铝或氧化铟锡。观察到的光输出为器件11a的光输出应为25流明/瓦；器件11b的光输出应为25流明/瓦；器件11c的光输出应为25流明/瓦；器件11d的光输出应为25流明/瓦。
实施例12将包含可交联基团的折射率约为1.54的聚苯基硅氧烷与粒度为1-10纳米的纳米磷光体CdSe混合。所述纳米磷光体得自Evident Technology(美国纽约，Troy)。以苯基硅氧烷聚合物的重量为基准计，所述纳米磷光体的浓度约为5重量％。对GaN LED晶片(Cree)旋涂100纳米的厚度。然后使用具有四方锥图案的图案化的镍质模具对所述涂层进行压印，所述图案中凸起点和凹谷之间的最大距离为100纳米，长度周期为250纳米，然后在130℃固化。然后移开模具。如实施例2所述将100纳米厚的ZirconTM低折射率材料涂敷在所述固化的聚苯基硅氧烷的图案化的表面上。所述Zircon低折射率层在100℃温和烘焙1分钟，在250℃乙阶段化2.0小时，使其最终厚度为80纳米，n＝1.1。使用准分子激光器(OxfordLaesr)激光烧蚀在膜中形成孔。如上面实施例2所述对晶片进行切割。将金质引线与GaN层相连。如上面实施例2所述对LED芯片提供电能。应当观察到波长为465-640纳米的白光，应观察到20流明/瓦的光输出。
实施例13具有聚合物膜的无机透镜阵列如下所述制造了包含高折射率无机材料和聚合物的混合膜。用圆形透镜阵列对石英模具进行图案化，所述透镜的曲率半径为28.7微米，凹陷为10微米(这里的“凹陷”表示模具透镜凸块的最大高度)。包括位于石英中的透镜阵列图案的模具得自MEMS Optical(美国亚拉巴马州，Huntsville)。将聚二甲基硅氧烷(PDMS，Sylgard 184，Dow Corning)倾倒在透镜阵列模具上，然后进行固化。剥掉PDMS膜，留下透镜阵列的压印。所述膜包括10微米深的周期性半球形凹陷。然后将所述膜置于蒸发室(Evaporated Coating(Willow Grove，PS))中，使用Dynavac机(美国麻萨诸塞州，Hingham)，通过PVD法沉积ZnS，使得凹陷被ZnS填充。最后，从膜上抛光除去过量的ZnS，留下平滑的ZnS表面。形成的复合膜具有位于聚合物基质中的半球形ZnS透镜。将该混合膜置于GaN LED器件上，使得ZnS和GaN表面之间形成极佳的光接触。对该器件提供电流，应当观察到20流明/瓦特的输出。
比较例E将PDMS膜直接施加在LED的GaN表面上。提供电流，光输出应为10流明/瓦。
权利要求
1.一种发光器件，该器件包括a)多层叠层，该叠层包括n-掺杂层；光产生层；p-掺杂层，所述多层叠层具有发光叠层表面；b)包封层，该包封层包括相邻的图案化的包封区域，该区域包括包括至少一个第一凹陷的第一凹陷组，所述第一凹陷中含有第一凹陷填料；任选的，包含至少一个第二凹陷的第二凹陷组，所述第二凹陷中含有第二凹陷填料；位于所述发光叠层表面上的相邻的图案化的包封表面；所述第一凹陷组和第二凹陷组中的至少一种具有图案，其中所述图案选自随机图案、周期性图案或它们的组合，所述图案在至少一个横向维度上具有至少为5纳米，且不大于5000微米的特征尺寸；所述周期性图案在至少一个横向维度上具有至少10纳米，且不大于5000微米的周期；所述第一凹陷的最大凹陷深度至少为25纳米，且不大于10000微米；所述第二凹陷的最大凹陷深度至少为25纳米，且不大于10000微米；所述第一凹陷和第二凹陷中的至少一种具有与所述外部图案化的包封表面相重合的凹陷开口；任选的，包含包封材料的未图案化的包封区域；所述第一凹陷填料的折射率与所述第二凹陷填料和所述包封材料中至少一种的折射率之差至少为0.001，且不大于3.0；所述第一凹陷填料、第二凹陷填料和所述包封材料中至少一种的平均密度至少为0.03克/厘米3，且不大于0.60克/厘米3。
2.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述第一凹陷填料和所述第二凹陷填料中的至少一种选自GaN、SiC、AlN、ZnS、TiO2、ZnO、GaP和高折射率玻璃。
3.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述第一凹陷填料和所述第二凹陷填料中至少一种的平均密度大于0.60克/厘米3，且不大于7.0克/厘米3。
4.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述第一凹陷填料、所述第二凹陷填料和所述包封材料中的至少一种是固化的乙阶段光学材料。
5.如权利要求4所述的发光器件，其特征在于，所述固化的乙阶段光学材料还包含孔穴，以所述固化的乙阶段光学材料的体积为基准计，所述固化的乙阶段光学材料的孔隙率为至少0.1体积％至95体积％。
6.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述发光器件还包括反射层，该反射层能够反射所述光产生层产生的照射在所述反射层上的光中的至少50％，所述反射层位于所述多层叠层上与所述发光叠层表面相背的位置。
7.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述多层叠层还包括位于所述发光叠层表面和所述相邻的图案化的包封表面之间的插入的高折射率层，对于待提取的光波长，所述插入的高折射率层的折射率不会比发光叠层表面的折射率低0.5以上。
8.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述多层叠层还包括位于所述发光叠层表面和所述相邻的图案化的包封表面之间的粘合层，所述粘合层的厚度为1-50纳米。
9.一种制造包封的发光器件的方法，该方法包括以下步骤A)提供包含包封材料的包封块；B)在所述包封块的表面上形成具有图案化的包封区域的光提取包封片，所述区域具有外部图案化的包封表面，所述形成图案化的包封区域的步骤包括a)形成包括至少一个第一凹陷的第一凹陷组；b)用第一凹陷填料填充所述第一凹陷；c)任选地，形成包括至少一个第二凹陷的第二凹陷组；用第二凹陷填料填充所述第二凹陷；所述第一凹陷组和第二凹陷组中的至少一组具有图案，其中所述图案选自随机图案、周期性图案或它们的组合，所述图案在至少一个横向维度上具有至少为5纳米，且不大于5000微米的特征尺寸；所述周期性图案在至少一个横向维度上具有至少10纳米，且不大于5000微米的周期；所述第一凹陷的最大凹陷深度至少为25纳米，且不大于10000微米；所述第二凹陷的最大凹陷深度至少为25纳米，且不大于10000微米；所述第一凹陷和第二凹陷中的至少一种具有与所述外部图案化的包封表面相重合的凹陷开口；所述第一凹陷填料的折射率与所述第二凹陷填料和所述包封材料中至少一种的折射率之差至少为0.001，且不大于3.0；所述第一凹陷填料、第二凹陷填料和所述包封材料中至少一种的平均密度至少为0.03克/厘米3，且不大于0.60克/厘米3。C)将所述光提取包封片固定至多层叠层，所述多层叠层包括n-掺杂层；光产生层；p-掺杂层，所述多层叠层具有发光叠层表面；所述外部图案化的包封表面位于所述发光叠层表面上；所述发光叠层表面的形貌选自平滑表面和图案化的多级表面；所述图案化的多级表面具有选自随机图案、周期性图案以及它们的组合的图案；D)任选地除去所有的或部分的与所述第一凹陷组和所述第二凹陷组中的任一种或两种相接触的所述包封材料。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一凹陷填料、所述第二凹陷填料和所述包封材料中的至少一种是包含孔穴的固化的乙阶段光学材料，所述乙阶段光学材料通过以下另外的步骤形成提供包含成孔剂微粒的可固化的乙阶段光学材料，所述成孔剂微粒的平均粒度至少为5纳米，并且不大于50纳米；使所述可固化的乙阶段光学材料固化，形成固化的乙阶段光学材料；除去所述成孔剂微粒，形成所述还包含孔穴的固化的乙阶段光学材料，所述孔穴的平均孔径至少为5纳米，且不大于50纳米；以所述固化的乙阶段光学材料的体积为基准计，所述固化的乙阶段光学材料的孔隙率为至少0.1体积％并且不大于95体积％。
全文摘要
揭示了一种发光器件，该器件包括多层叠层和包封层，所述包封层具有与所述多层叠层的发光叠层表面光学相邻的图案化的包封区域。还揭示了一种制造所述包封层和将所述包封层固定于发光叠层表面的方法。
文档编号H01L33/22GK101064356SQ200710097140
公开日2007年10月31日 申请日期2007年4月12日 优先权日2006年4月26日
发明者G·卡纳里昂, D·W·莫斯利 申请人:罗门哈斯公司