CN101553928A

CN101553928A - Led系统和方法

Info

Publication number: CN101553928A
Application number: CNA2007800428883A
Authority: CN
Inventors: D·T·杜翁; P·N·温博格; M·R·托马斯; E·M·皮克尔英格
Original assignee: Illumitex Inc
Current assignee: Illumitex Inc
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2027-10-01
Also published as: US20080080166A1; KR20090064474A; WO2008042351B1; CN101553928B; US20080081531A1; JP2010506402A; HK1138431A1; US7789531B2; WO2008042351A2; US8087960B2; TW200824161A; WO2008042351A3; EP2070123A2

Abstract

实施例提供了一种LED，该LED包括：量子阱区域，用于产生光；以及基板，与量子阱区域具有界面，其中由量子阱区域产生的光穿过该界面进入基板，并通过基板的出射面从LED射出。出射面可与界面相对并且距离该界面一距离，其中该LED的某一部分或所有被成形为最优化该装置的光提取效率。出射面可具有使对于光的所需半角的亮度守恒所必需的最小面积的至少70％。LED的侧壁可以被设置并成形为使得入射在侧壁上的光线被反射至出射面上，在出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角。

Description

LED系统和方法

相关申请

该申请根据35 U.S.C 119(e)要求于2006年10月2日由Dung T.Duong等人申请的，名称为“SHAPED LIGHT EMITTING DIODES(成形的发光二极管)”的美国专利申请No.60/827818，和于2007年1月22日由Dung T.Duong等人申请的，名称为“SYSTEM ANDMETHOD FOR A SHAPED SUBSTRATE LED(用于成形的基板LED的系统和方法)”的美国专利申请No.60/881785的优先权，这两件专利申请全部以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及发光二极管(“LED”)。更具体地讲，此处描述的系统和方法的实施例涉及增加或控制LED的光输出。更具体地讲，实施例涉及通过使LED基板的部分成形来增加或控制LED的光输出。

背景技术

发光二极管(“LED”)在电子装置中普遍存在。它们用于数字显示器、照明系统、计算机和电视、蜂窝电话和各种其它装置。LED技术的发展导致了用于使用一个或多个LED产生白光的方法和系统。LED技术的发展导致了产生比从前更多的光子，从而产生更多光的LED。这两个技术发展的顶点是LED正在被用于补充或替代许多传统光源，例如白炽灯、荧光灯或卤素灯，就像晶体管代替计算机中的真空管一样。

LED可被生产为包括红、绿和蓝色的多种颜色。一种产生白光的方法包括相互组合地使用红、绿和蓝色的LED。由红、绿和蓝色(RGB)的LED的组合制成的光源将产生被人眼感知为白光的光。这是因为人眼具有三种类型的颜色感受器(receptor)，其中每一个类型对蓝色、绿色或红色敏感。

第二种从LED光源产生白光的方法是利用单色(例如蓝色)、短波长LED产生光，并使得一部分光撞击在荧光粉或类似的光子转换材料上。荧光粉吸收较高能量的、短波长的光波，并重新发射较低能量的、较长波长的光。如果选择发射例如在黄色区域(在绿色和红色之间)中的光的荧光粉，则人眼将这种光感知为白光。这是因为黄光刺激眼睛中的红色和绿色感受器。诸如纳米微粒或其它相似的光致发光材料的其它材料可以用于以非常相同的方式产生白光。

也可以使用紫外(UV)LED和三个不同的RGB荧光粉来产生白光。也可以从蓝色LED和黄色LED产生白光，也可以使用蓝色、绿色、黄色和红色LED的组合产生白光。

构建LED的当前工业实践是使用其上沉积有诸如GaN或InGaN的材料层的基板(典型地为单晶蓝宝石或碳化硅)。一个或多个层(例如GaN或InGaN)可以允许光子产生和电流传导。典型地，向基板表面涂敷第一层氮化镓(GaN)，以形成从基板的晶体结构到允许光子产生或电流传导的掺杂层的晶体结构的过渡区域。其后典型地是GaN的N掺杂层，下一层可以是InGaN、AlGaN、AlInGaN或产生光子并掺杂有产生所需波长的光所需要的材料的其它复合半导体材料层。下一层典型地为GaN的P掺杂层。该结构通过蚀刻和沉积被进一步修改，以产生用于电连接至装置的金属位点(site)。

在LED的操作期间，如传统二极管中一样，多余的电子从N型半导体移动至P型半导体中的电子空穴。在LED中，光子在复合半导体层中被释放以在该过程中产生光。

在典型的制造过程中，基板被制造为晶片的形式，并且层被涂敷于晶片的表面。一旦层被掺杂或蚀刻，并且已使用上述各种处理限定了所有的特征，各个LED就从晶片分离。LED典型地为具有直边的正方形或矩形。这可以导致显著的效率损失，并且可以导致所发射的光具有差的发射图形。单独的诸如塑料圆顶(dome)的光学装置通常被放置在LED上方，以达到更满意的输出。

在差不多所有的LED应用中，期望对于给定的功率输入最大化光输出，对于白光和更长波长的光，通常以流明每瓦(lm/W)来表示量；或对于诸如蓝色的较短波长的光，以毫瓦每瓦(mW/W)来表示量。现有的LED技术可试图增加该比率，该比率典型地称为“总效率”或“电光转换效率(wall-plug efficiency)”。然而，现有LED技术仍遭受差的总效率和低的提取效率。

发明内容

本发明涉及具有被成形为达到比从前的LED更高的效率的基板的LED。该LED的实施例的侧壁可以被成形为使用全内反射使LED的光输出最大化，并且可以被成形为达到所需的强度分布。此外，可以选择LED的出射面来使辐射度守恒。

LED的一个实施例包括用于产生光的量子阱区域、和与量子阱区域具有界面的成形的基板。由量子阱区域产生的光穿过量子阱区域和成形的基板之间的界面进入成形的基板。成形的基板具有与界面相对并距离该界面一距离的出射面。通过界面进入成形的基板的光中的一部分通过出射面从成形的基板射出。根据一个实施例，出射面是使对于从成形的基板射出的光的所需半角的辐射度守恒所必需的最小面积的至少70％。此外，LED可具有一组侧壁，其中每一个侧壁都被设置并成形为使得具有从界面到该侧壁的直的传输路径的光线中的至少大多数被反射到出射面上，且在出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角。LED的另一个实施例包括包含量子阱区域和成形的基板的LED，所述量子阱区域用于产生光，而成形的基板与量子阱区域具有界面。成形的基板可包括与界面相对并距离该界面一距离的出射面。基板可以被成形为使得通过界面进入成形的基板的光中的一部分通过出射面从成形的基板射出。出射面可具有使对于从成形的基板投射的光的所需立体角的辐射度守恒所必需的最小面积的至少70％。成形的衬底还可以包括一组侧壁，其中每一个侧壁都被设置并成形为使得具有从界面到该侧壁的直的传输路径的光线中的至少一部分被反射到出射面上，且在出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角。出射面的面积、距离和侧壁形状可以被选择为以10到60度的半角来投射光。

而另一个实施例可包括包含量子阱区域和成形的基板的LED，所述量子阱区域用于产生光，而成形的基板与量子阱区域具有界面。成形的基板可包括与界面相对并距离该界面一距离的出射面。基板可以被成形为使得通过界面进入成形的基板的光中的一部分通过出射面从成形的基板射出。

出射面可具有在由

定义的最小面积的30％之内的面积，其中ф₁是穿过界面的光通量；ф₂是从出射面射出的光通量，并且等于ф₁；Ω₁是光穿过界面的有效立体角，而Ω₂是光离开出射面的有效立体角；A₁是界面的面积；n₁是成形的基板的折射率，而n₂是成形基板外部的介质的折射率。此外，距离至少为使得所有具有从界面到出射面的、直的传输路径的光线具有小于或等于出射面处的临界角的入射角的最小距离。基板也可以包括一组侧壁，其中每一个侧壁都被设置并成形为使得具有从界面到该侧壁的直的传输路径的光线中的至少一部分被反射到出射面上，且在出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角。

而另一个实施例可包括包含量子阱区域和成形的基板的LED，所述量子阱区域用于产生光，而成形的基板与量子阱区域具有界面，其中由量子阱区域产生的光穿过界面。基板可包括至少两个出射面，其中基板可被成形为使得通过界面进入成形的基板的光中的一部分通过至少两个出射面从成形的基板射出。该至少两个出射面具有使辐射度守恒所必需的最小面积的至少70％。成形的衬底还可以包括一组侧壁，其中每一个侧壁都被设置并成形为使得具有从界面到该侧壁的直的传输路径的光线中的至少大多数被反射到出射面上，且在出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角。

系统和方法的实施例提供了一种LED，其提供了优于现有技术的技术优点，其在使亮度守恒的同时投射具有所需的半角和光输出分布的光。实施例可以提供例如具有高效率的10到60度的半角(或其它半角)的光。

实施例通过提供具有均匀的或近似均匀的强度分布的光输出，提供了另一个优点。

实施例提供的另一个优点是可以所需形状和光输出分布投射光。

附图说明

结合附图，可以通过参照下述说明部分来获得对实施例及其优点的更完整的理解，其中相同的附图标记表示相同的特征，其中：

图1A-1B为LED的实施例的示意图；

图2是从一个点传播到离该点不同距离的表面的一组光线的示意图；

图3提供了LED的实施例的俯视图的示意图；

图4A是用于确定侧壁形状的LED的模型的截面图的示意图；

图4B是LED的侧壁的一部分的实施例的示意图；

图4C是示出了可使用计算机程序定义侧壁的面的示意图；

图4D是具有被成形为引起TIR，使得光线从侧壁反射至出射表面的侧壁的LED的一个实施例的示意图；

图5是用于估算有效立体角的一个实施例的示意图；

图6A-6E是描述用于估算有效立体角的另一个实施例的示意图；

图7是LED的一个实施例的示意图；

图8A-8B是LED阵列的实施例的示意图；

图9A-9C是保持装置的实施例的示意图；

图10是蚀刻的实施例的功能图；

图11是激光烧蚀的实施例的功能图；

图12A-12B是锯切(sawing)的实施例的功能图；

图13A-13B是已经具有通过锯切成形的基板的晶片的实施例的示意图；

图14是LED的一个实施例的示意图；以及

图15A和15B是晶片的另一个实施例的示意图。

具体实施方式

图中示出了实施例，相同的附图标记被用于指示各个附图的相同和相应的部分。

成形的基板LED的实施例可以被成形为增加或定形从LED发射的光。根据一个实施例，基板被成形为使得所有或绝大多数由LED的量子阱区域产生的光从LED的基板的出射面透射出。为了达到该目的，出射面的大小可以被确定为考虑辐射度守恒(conservation of radiance)的原理。在一个实施例中，出射面可以是允许通过量子阱区域和基板之间的界面进入基板的所有或绝大多数光从出射面射出的最小尺寸，从而将使辐射度守恒的愿望与减小尺寸，特别是出射面的尺寸的愿望相结合。此外，基板的侧壁可以被成形为使得反射或全内反射(“TIR”)导致入射在基板侧壁上的光束向出射面反射，并且以小于或等于临界角的角度入射在出射面上。因此，由于出射面处的TIR导致的光损失被减少或消除。在又一实施例中，为了确保照在侧壁上的光在基板内被反射而不穿过侧壁，基板的侧壁或多个侧壁也可以涂敷有反射光的反射材料，以防止光通过侧壁射出。

尽管理论上由LED的量子阱产生的光的100％都从出射面射出，但各个实施例可使更少量的光从出射面射出，同时仍提供优于现有LED光发射的显著的改进。例如，从LED的出射表面发射的光可以10-60度的圆锥半角、约为79％的效率(存在由折射率为2.73的碳化硅基板材料的菲涅耳损失导致的约为21％的效率损失)、所需的强度分布、出射分布或其它光输出分布从出射表面发射。

当光从高折射率的介质到低折射率的介质时，发生菲涅耳损失(例如在诸如LED的出射面和空气或其它介质的两种介质之间的界面处的损失)。正常的入射菲涅耳损失由下述公式描述：

(N₁-N₂)²/(N₁+N₂)²，

其中N₁和N₂是两个介质的折射率。例如，对于具有碳化硅基板的LED，N₁＝2.73(约为碳化硅的IOR)，N₂＝1(约为空气的IOR)，产生约为21.5％的菲涅耳损失。如果LED在量子阱区域中使用GaN，则量子阱区域(N₁＝2.49)和碳化硅基板(N₂＝2.73)之间的界面处的菲涅耳损失将为0％。出射面与空气界面处的菲涅耳损失可以使用抗反射涂层减小或克服。

如上所述，LED基板的出射面可被成形为使辐射度守恒。在单一介质中的、或从一个介质到另一个介质的沿光学路径的光的通过由辐射度守恒定律，也称为亮度定理控制，其被表示为Etendue公式：

Etendue公式：

\frac{φ_{1}}{N_{1}^{2} A_{1} Ω_{1}} = \frac{φ_{2}}{N_{2}^{2} A_{2} Ω_{2}}

[公式1]

ф₁＝区域1的光通量(流明)；

N₁＝区域1的介质的IOR；

A₁＝区域1的入射面积；

Ω₁＝完全包含区域1的光的立体角(球面度)；

Φ₂＝区域2的光通量(流明)；

N₂＝区域2的介质的IOR；

A₂＝区域2的入射面积；

Ω₂＝完全包含区域2的光的立体角(球面度)。

成形的基板的出射面的面积可以被选择为使从量子阱进入基板的光的辐射度守恒，以便获得所需半角。因此，可以具有高效率的所需半角发射光。这与传统LED不同，其也以许多应用所需的半角发射光，因此需要另外的光学装置来成形光；并且通过侧壁发射很大比例的光，因为出射面对于使辐射度守恒而言不够大；尽管由于光从不逃选出基板，也遭受吸收损失。

此外，从一个折射率的介质到不同的IOR的介质的光的通过由斯涅耳定律(Snell’s Law)控制。斯涅耳定律将从法线到界面表面测量的光线的接近角度和该光线离开界面的角度之间的关系，定义为两个介质的折射率的函数。

斯涅耳定律：N₁sin(Θ₁)＝N₂sin(Θ₂)[公式2]

Θ₁＝接近界面表面的光线的入射角

N₁＝介质1的IOR

Θ₂＝离开界面表面的光线的折射角

N₂＝介质2的IOR

在光从较高IOR的介质到较低IOR的介质的情况下，使光线可以照在介质之间的界面表面上，并仍然穿过界面的最大角度称为临界角。从根本上，如果从较高IOR的介质起源的光要穿过界面并进入较低IOR的介质，则该光必须以不超过临界角的角度接近介质界面。例如，在由基板和量子阱区域构成的LED中，基板介质和量子阱介质可以形成一个由量子阱区域产生的光穿过的界面。以大于临界角的角度靠近的光线将在介质之间的界面处被反射回较高IOR的介质中，并且将不进入较低IOR的介质。这也被称为全内反射(“TIR”)。

在典型的LED中，量子阱区域具有约2.49的IOR。当在IOR为1.77的蓝宝石基板上构建这些层时，可透射进入蓝宝石的光固有地被斯涅耳定律和亮度定理的应用限制。对于具有碳化硅的基板的LED，碳化硅可具有约2.73的IOR，量子阱区域具有低于碳化硅的IOR(例如，约2.49)，因此斯涅耳定律不阻止任何产生的光穿过进入碳化硅。

在传统的LED中，由于TIR，遇到基板与空气界面的很大一部分光将被陷获在基板内。在一些情况下，使用单独的光学装置(例如，固体塑料圆顶或透镜)增加光从基板穿过进入的介质的IOR，从而减少基板中的TIR。这些单独的光学装置可能仍然遭受由TIR导致的损失，并且圆顶的提取效率仍然相对低。此外，圆顶的使用需要在形成了LED之后的、制造中的另外的步骤。另一方面，成形的基板的LED的实施例可被成形为最小化或消除在基板的出射面处、由TIR引起的光损失。根据一个实施例，基板的出射面可以与和量子阱区域的界面间隔一定距离，从而没有具有到出射面的直接传输路径的光线在出射面处经历TIR。此外，侧壁可被成形为在出射面处的入射角小于临界角，将遇到侧壁的光线反射至出射面，从而允许所有的内反射光线也从LED基板的出射面射出。

图1A是LED 20的一个实施例的示意图，所述LED 20包括基板10和量子阱区域15(其可包括一个或多个层或掺杂区域)。量子阱区域15包括光发射区域25，典型地为诸如InGaN或AlInGaP或AlGaN的复合半导体。来自量子阱区域15的光子可以通过界面50进入基板10。LED 20可以是线接合(wire bond)、倒装芯片(flipchip)或其它本领域中已知或发展的其它LED。基板10和量子阱区域15二者形成侧壁60、侧壁65或其它侧壁。换句话说，量子阱区域15被成形为与基板10相适应。LED 20还包括出射面55，在制造工艺的容差之内，其基本上与界面50形状相同，基本上平行于界面50，并且基本上与界面50旋转对准。可选择出射面55的面积，以根据辐射度守恒(有时称为亮度守恒)公式使所需半角的亮度守恒：

\frac{φ_{2} n_{1}^{2} A_{1} Ω_{1}}{φ_{1} n_{2}^{2} Ω_{2}} = A_{2}

[公式1]

ф₁＝穿过界面50的光通量；

ф₂＝从出射面55射出的光通量，由于亮度守恒ф₁＝ф₂；

Ω₁＝光穿过界面50的有效立体角；

Ω₂＝光离开出射面55的有效立体角；

A₁＝界面50的面积；

A₂＝出射面55的面积；

n₁＝基板10的材料的折射率；

n₂＝基板10外部的物质(例如空气或其它介质)的折射率。

A₂表示使得光为每个上述公式守恒的出射面55的最小表面面积。假设，例如：量子阱区域15形成了1mm正方形，从而界面50具有约1mm正方形的面积，n₁＝1.77，n₂＝1，Ω₁＝3，Ω₂＝1，则A₂必须至少为9.3987mm²以使辐射度守恒(即，使得穿过界面50的所有的光可从出射面55发射，以便获得所需半角的出射面55的最小面积)。尽管在该例子中给出了有效立体角，但是在下面结合图6A-6E讨论用于确定所需半角的Ω₁和Ω₂的方法。应注意，正方形分布是边长相等的矩形分布。

根据公式1的A₂是用于使辐射度守恒的给定输出圆锥角或发射半角的最小可能的大小。因此，为了使辐射度守恒，A₂应至少为从公式1确定的大小，但可以更大。例如，可以使A₂稍微更大，以补偿制造工艺中的容差、量子阱区域15的大小或形状的误差、或其它因素。

在使A₂大于公式1确定的值的情况下，将使光通量守恒，但出射度(定义为每单位面积的光通量)可从最大可获得值减小。

然而，为了减小出射面的面积，可以优选地使A2尽可能地小。例如，A₂可以在使辐射度守恒所需要的最小面积的5％之内。如果可牺牲一些光功率(光通量)，则A₂可以小于辐射度守恒所指示的大小。例如，对于具有1mm×1mm的正方形界面50的实施例，出射面55可以是2.5mm²到5mm²(例如，4.62mm²)。再例如，对于具有.3mm×.3mm的界面50的实施例，出射面55可以为.2mm²到.5mm²(例如，.42mm²)。然而，应注意，在之前的例子中提供的大小范围仅以举例的方式提供，而各种实施例可具有小于或大于示例范围的各种大小。然而，优选地，A₂至少为由公式1确定的值的70％。此外，出射面55的形状可不同于界面50的形状。

界面50和基板10的出射面55之间的距离(此处称为“高度”，尽管该距离可沿不垂直的其它方向延伸)可被选择为减少或最小化从界面50直接传播至出射表面55的光线的TIR。当光以大于临界角的入射角入射在表面上时发生TIR，其被定义为：

n₁sin(θc)＝n₂sin(90)[公式2]

其中n₁＝基板10的IOR；

n₂＝基板10的出射面外部的介质(例如空气或其它物质)的IOR；以及

θ_c＝临界角。

例如，如果n₁＝1.77，n₂＝1，则θ_c＝34.4度。因此，基板10的高度可以被选择为，将入射在出射表面55上的光线的临界角限制为法线到出射表面55之间的范围，并且小于或等于临界角。

参照图2和图3，图2是从点57入射在表面55(表示为离点57不同距离的表面55a、55b和55c)上的一组光线的示意图。在表面55a的例子中，一些光线(例如光线56)以大于临界角的角度入射在表面55a上，造成由TIR导致的光的损失。在表面55b的例子中，相反，以临界角或稍小于临界角的角度入射在表面55b上的一些光线(例如，光线57)将入射在侧壁上。防止这些光线的损失，如果需要的话，可以导致侧壁设计的复杂性的增加。此外，增加的高度需要更大的空间来容纳LED(即，因为LED更高了)。最终，在表面55c的情况下，光线以临界角或小于临界角的角度入射在表面55c上，而与表面55c的角度大于临界角的光线将入射在侧壁上。如下所述，可使用TIR或反射将入射在侧壁上的光线引导至出射表面55c上。

根据一个实施例，用于选择高度的限制光线是从界面50到出射面55传播了最长的直线距离，并以临界角入射在出射面55上的光线。可选择多于一个光线作为限制光线。在正方形或矩形配置中，其是从界面50的一个角进入基板10，并沿直线传播到出射面55的对角线相反的角的光线，从而光线以临界角入射在出射面55上。

图3提供了正方形配置的基板10和限制光线59的俯视图的示意图。尽管在优选的实施例中，基板10的高度被选择为将入射在出射面55上的光线的临界角限制为法线到出射面55之间的范围，并限制为小于或等于临界角，可选择其它高度，尽管其它高度的使用可能降低LED 20的效率。在一个实施例中，量子阱区域和基板之间的界面和基板的出射面之间的距离可以为最小高度的5％之内，所述最小高度使得具有从界面到出射面的直的传输路径的所有光线在出射面上具有小于或等于临界角的入射角。

返回图1A，其中，界面50的大小和形状、出射面55的大小和形状、界面50和出射面55之间的距离、基板10的侧壁(例如，侧壁60、侧壁65和其它侧壁)的选择边界条件可以被成形为将入射在侧壁的内表面上的光线引导至出射面55，以产生所需光输出分布(例如，强度分布、出射度分布或其它光输出分布)。尽管对于大多数应用而言，所需的强度分布是均匀或接近均匀的，但可通过改变侧壁的高度和形状来实现其它分布。

一般来说，侧壁形状被确定为，使得入射在侧壁上的任何光线都被反射至出射面55，并以临界角或更小的角度入射在出射面55上(即，使得不存在由出射面55处的内部反射引起的损失)。这是通过光线70在图1A中示出的，光线70相对于侧壁65的入射角75大于θ_c，从而光线70被反射至出射面55，并具有小于或等于θ_c的入射角80。尽管在一个实施例中，侧壁被成形为，使得遇到侧壁的内表面的所有光线都经历到出射面55的全内反射，并以临界角或更小的角度入射在出射面55上，也可使用允许一些损失的其它侧壁形状。

返回图1B，图1B是LED 20的另一个实施例的示意图。LED20包括基板10和量子阱区域15。量子阱区域15包括发光区域25，典型地诸如InGaN或AlInGaP或AlGaN的复合半导体。来自量子阱区域15的光子可通过界面50进入基板10。在图1B中，可存在由量子阱区域中的TIR导致的更多损失，因为量子阱区域没有被成形为适当地将光引导至界面50和/或出射面55。尽管在图1A和1B的实施例中，一些侧壁形状可不将LED 20产生的所有光引导出出射面55，没有从出射面55射出的部分光将从侧壁65发射，并且可能在出射面55附近发射，从而允许LED 20产生的光被有用地捕捉。

图4A是用于确定侧壁形状的LED或LED的基板的模型的截面图的示意图。可使用计算机辅助设计确定侧壁形状。侧壁的模型可被产生为计算机辅助设计包和模拟运行，以确定适合的侧壁形状。

根据一个实施例，每一个侧壁都可被分为n个小面，其中每一个小面都是平面部分。例如，侧壁100由十五个小平面102a-102o而不是一个连续曲面组成。每一个小面的变量都可被迭代地调整，并且得到的分布可被分析，直到达到如下所述的满意的分布。尽管使用了十五个小面的例子，每一个侧壁可被分为任何数量的小面，包括二十或更多个小面。

可关于在基板内反射光线的某子集来分析每一个小面。所关注的该区可被定义为“角对边”。小面的角对边可以从预定点发散的光线的角度来定义。优选地，所选择的点是将给出在小面上具有最高入射角的光线的点，因为这种光线在小面上经历TIR的可能性最小。例如在具有正方形界面面积的基板上，其将是在界面的相对边缘上的一个点。

根据一个实施例，对于选择的A₁、A₂和高度，可确定入射在给定侧壁(例如，侧壁100)上，而没有先被另一个侧壁反射的任何光线的角95的最大值。在该例子中，从点115发出的光线110建立了侧壁100的最大角95。如果角95的最大值是48度，并且侧壁100有15个小面，则每一个小面(假设角对边的均匀分布)将对应于角95的3.2度段(例如，第一小面是从点115发出的光线以0-3.2度的角95入射在其上的区，第二小面是从点115发出的光线以3.2-6.4度的角95入射在其上的区，等)。

对于每一个小面，都可以设定小面的出射角、小面大小、倾斜角、或其它参数，从而入射在小面上的所有光线都经历TIR并且被反射至出射表面55，使得它们以小于或等于临界角的入射角入射在出射表面55上。优选地，侧壁也被成形为使得在横截面视图中看到的光线仅撞击侧壁一次。然而，可能有来自该截面的平面以外的侧壁的其它反射。对于全3D分析，照射角附近的第一侧壁的光线可能接着被反弹至与第一侧壁相邻的第二侧壁，并且从那里再到出射面。可执行曲线拟合或其它数值分析来产生最符合所需小面的曲线侧壁形状。例如在图4A中，侧壁105是曲线的，而不是一组小平面。

为了最优化每一个小面的变量，可建立模拟的检测器平面120。检测器平面120可包括x个独立地记录入射功率的检测器。可执行对穿过基板的光的模拟，并分析由检测器平面120接收的强度和辐照度分布。如果强度和辐照度分布对于具体应用不满意，则可调整小面的角度和角对边，产生新的曲线表面并重新执行模拟，直到达到满意的强度、出射度分布或其它光输出分布。可分析另外的检测器平面来确保近场和远场图形都满意。可供替换地，可使用不是曲线表面的小面来执行模拟，并在达到所需光输出分布之后确定表面曲线。在另一个实施例中，侧壁可保持有小面的，并且不产生曲线。

根据另一个实施例，可基于多个抛物线选择侧壁形状，其中每一个小平面都表示抛物线的一部分的线性近似。例如，图4B是LED的部分400的示意图。在图4B中，假想光线410被描绘为从抛物线415的焦点412发出并与侧壁420相交，从而由于TIR在侧壁420上被反射，并穿过基板以小于临界角的出射角440与出射面430相交，并从基板射出进入空气或其它介质。由图4B可知，在从基板到空气的过渡中，光线410如斯涅耳定律所描述的那样弯曲。因为侧壁的切点是从抛物线确定的，并且因为入射在侧壁并在侧壁上被反射的光线是在相同的介质中，光线将与抛物线的光轴平行。因此，光以半角450被投射。可调整定义侧壁420的形状的角对边，使得假想的光线410以所需的出射角440穿过出射面430，或以所需半角450投射光。

在一个实施例中，当制造侧壁或计算侧壁的角对边时，可向侧壁的底部(即接近量子阱区域)使用更细分的对边，因为对边在反射时在底部附近效果更明显或更敏锐，因此更细分的对边允许侧壁具有更好的TIR特性，而离底部越远，对边的效果越小，对边可以越粗分。因此，侧壁的小面在数值上越向成形的基板LED的底部越大。在一个实施例中，侧壁可具有20个或更多小面，而在侧壁的底部小面越细分，其中小面接近一个或更多对边。

一个小面可以是抛物线415的部分417的线性近似。可调整抛物线415的参数直到部分417达到所需目标，即入射在部分417上的所有光线都被反射至出射面430，使得光线具有小于临界角的出射角440。可由具有不同参数的抛物线形成每一个小面。因此，一个角对边的小面可基于抛物线而不是相邻接的小面。20个小面的侧壁可例如基于20个不同的抛物线。

图4C是示出了可使用诸如Microsoft Excel(Microsoft和Excel是Redmond，Washington-based Microsoft Corporation的商标)的计算机程序来定义侧壁的小面的示意图。可使用Microsoft Excel中的图表功能来产生125所示的侧壁形状的图形。可为每一个侧壁使用相同的普通形状，或者不同的侧壁使用不同的形状。可在例如Zemax光学设计程序(Zemax是Zemax Development Corporation ofBellevue，Washington的商标)中分析具有指定的侧壁形状(或具有基于指定的小面的曲线侧壁形状)的成形基板。可在Zemax中执行计算机模拟，以产生光线轨迹以及强度和辐照度分布。如果得到的强度和辐照度分布具有不满意的分布或成形基板的传输效率太低，则可调整各个小面的变量并再次执行模拟。该处理可通过使用计算机程序被自动化，以便自动地调整小面变量。

更具体地讲，图4C描绘了电子数据表500，其可用于通过角对边的规格，设计如图形510所示的侧壁形状。投影的半角列550包含对应于图4B的投射半角450的多个角度。出射角列540a(弧度)和540b(度)包含对应于图4B的出射角440的多个出射角。更具体地讲，列540a中的所有角度或角度的子集可以是小于临界角的角度，从而以那些角度与出射面相交的光线穿过出射面，从基板射出。可使用列540a和540b来推导抛物线焦点列560，其包含定义不同抛物线的多个焦点。角对边列565包含多个角(弧度)，其定义角对边的极限值，所述极限值可与抛物线焦点列560相结合地使用来定义侧壁的形状，从而来自量子阱区域的光线在侧壁上反射，以小于临界角的角度从出射面射出。使用在抛物线焦点列560和角对边列565中包含的值，可推导theta列570和半径列575，其中列570和575中的对应值对应于角对边的所需抛物线上的点。依次，theta列570和半径列575可用于推导近似为角对边的抛物线的侧壁上的点的笛卡尔坐标(例如坐标变换列577)。

例如，用户可以指定LED大小(即基板和量子阱区域之间的界面的面积)和材料折射率。使用具有大小为1，折射率为1.77的LED的例子，可如下完成屏幕500中的一行。用户可在列550中指定空气中的出射角(假设空气是其中操作LED的介质)。在第一行的例子中，用户已经选择了55.3792度。基板中的出射角可被计算为sin(55.3792/180＊π)/1.77或.4649323弧度，列540a。列540b可被计算为asin(.4649323)/π＊180＝27.2058407。抛物线的焦点可被计算为1(大小)/2＊(1+cos(π/2-27.2058407/180＊π))＝.732466。可基于下一列(表示具体小面的相对大小)中的数字将角对边列565计算为(90-27.7058047)/20＝3.114708。可使用选择数量的小面(在该例子中是20)计算theta列570。例如，在第一行中，theta被计算为(90-27.7058047)+3.114708＊20＝124.5883。第一小面的抛物线的半径(列575)可被计算为2＊.732466/(1+cos(124.5883/180＊π))。对于第一行，如下计算坐标变换列577的内容：

x＝-3.3885＊cos(124.5883/180＊π)＝1.923573；

y＝-3.3885＊sin(124.5883/180＊π)＝2.789594，

X＝1.923573＊cos(27.7058407/180＊π)+2.789594＊sin(27.7058407/180＊π)；

Y＝2.789594＊cos(27.7058407/180＊π)-1.923573＊sin(27.7058407/180＊π)-1(大小)/2＝1.075452，并且Y’＝-Y。X，Y坐标可用作Excel中的形状拟合图表(shape fitting chart)中的数据点输入。例如，图形510基于X和Y列中的数据点(在图形510中，Y列值用作x轴坐标，而X列值用作y轴坐标)。除了X和Y值，可设定起始值(例如，.5和0)。可将根据图形510的形状输入光学设计包和模拟运行。如果模拟不满意，则用户可调整电子数据表500中的值，直到达到满意的分布。

在一个实施例中，当达到满意的光传输效率、以及辐照度和强度分布时，可产生具有指定参数的基板的LED。图4D中示出了这种LED的例子，图4D提供了LED的一个实施例的示意图，该LED具有其侧壁被成形为引起TIR的基板，从而光线从侧壁反射至出射表面。在该实施例中，每一个侧壁的形状都是由各个小面定义的多个轮廓曲面(contoured surface)的叠加。尽管为了方便制造可执行曲线拟合，但是其它实施例可保持有小面的侧壁。尽管在图4D中，量子阱区域的面积被示为正方形或矩形，这是为了示例而不是限制。例如，量子阱区域的面积的形状可以是任何各种形状，例如，圆形、矩形、三角形。同样地，LED的出射面的形状可以是任何各种形状，例如圆形、矩形、三角形。

返回图1A和1B，如上面关于图1A和1B所描述的，为基板10确定各种边界条件，特别是基板10的出射面55的面积，从而使光守恒。可从上面的公式1确定出射面55的最小面积，其依赖于各种有效的立体角。典型地，基于从理想光源推导的公式来确定光的有效立体角，该理想光源如朗伯(Lambertian)发射器一样辐射，但被视为点，因为关注的距离比光源的大小大得多。朗伯发射器的观察到的辐射强度(光通量/球面度)随到光源的法线的角度变化，是该角度的余弦。这是因为尽管辐射度(光通量/球面度/m²)在所有方向上保持相同，但发射器的有效面积随观察角度从法线增加到90度减少为0。该效应在整个半球上的积分得到了等于π球面度的投射立体角值。

转到图5，假设给定半径(R)的球体130包围点光源132(在该例子中，点光源132近似为在很大距离处的朗伯光源)。该球体的半球的投射面积为πR²，并且整个球体的投射面积为2πR²。该模型可用于设计LED，因为量子阱区域和基板之间的界面可以被模拟成朗伯发射器，从而离以界面为中心的假想的半球上的任何点，界面上的给定点将具有相同的半径。可使用圆形的半径134(Rc)将面积A₃作为关注的光束立体角所对的平的、圆形表面(例如，表面136)来计算，所述圆形的半径134是法线光线到球面的相交处的距离。对于光束的θ的给定半角137，R_c是R(球体的半径)和角度θ的正弦的乘积，从而

R_c＝R＊Sin(θ)[公式3]

面积等于

A₃＝πR_c ²＝π(R＊Sin(θ))²[公式4A]

面积A₃是立体角与球体相交的投射面积。面积A₃除以半球的投射面积(A_h＝πR²)，商乘以全半球的投影立体角(等于π)，以获得投射的立体角Ω，从而：

Ω＝π＊(所需立体角的投射面积)/(半球的投射面积)[公式4B]

Ω＝(π)＊[{π(R＊Sin(θ))²}/(πR²)][公式4C]

＝π＊Sin²(θ)[公式5]

对于图1中的界面50，例如，θ为90度，导致π＊Sin²(90)＝π的投影立体角；对于30度的所需半角，投射立体角为π＊Sin²(30)＝π/4。使用公式1的Ω₁和Ω₂的这些值，可为任何半角确定A₂。

在上面的例子中，使用从被模拟为点光源的朗伯光源推导的公式确定立体角。这些公式不考虑光可能通过界面从量子阱区域进入基板的事实，所述界面可以是正方形、矩形、圆形、椭圆形或其它形状。尽管上述方法可给出对立体角的好的估算，如有必要，其稍后可基于经验或计算机模拟测试被调整，可使用确定有效立体角的其它方法。

图6A-6E描述了用于确定LED的基板的有效立体角的另一个方法。图6A是成形的基板160(如图6B所示)的界面150和出射面155、以及其上投射了光的假想目标平面156的一个实施例的示意图。图6A示出了有效光源原点152、中央法线153和有效输出原点154的位置的例子。为了进一步讨论的目的，假设界面150的中心在笛卡儿坐标系中的0，0，0。目标平面156表示得到的图形的参数(例如由其它光学装置使用的大小和半角)。根据一个实施例，对角线处的半角(如图6B中的α₁所示)为起始点。例如，如果目标平面156处的所需光具有30度的最大半角，则正方形或矩形表面的基板的α₁为30度。然后可根据下式确定成形的基板160之内的半角(标为β₁并且也在图6C被示出)：

n₂Sin(α₁)＝n₁Sin(β₁)[公式6]

其中n₁是成形的基板160的IOR；

n₂是光从成形的基板160投影进入的材料(典型地为空气)的IOR；

α₁是基板外部的介质(典型地为空气)中的出射面处的半角；

β₁是基板中的所需半角。

例如，如果所需半角α₁是30度，并且具有1.77的IOR的成形基板突出到IOR为1的空气中，则β₁＝16.41度。可为从入射面150的长和短边上的点投射的光线执行相似的计算。例如，如图6B和6C所示，可为从界面150上的一个边缘的中心传播到出射面155的相对边缘的中心的光线确定α₂和β₂。(临界角一样为16.41度，但β₁与β₂不同。β₂是由成形的基板的边和高度的几何确定的)。

使用计算的角度，可确定有效点光源的位置。对于长度为l₁的正方形界面150，有效的点光源将被定位在X＝0，Y＝0，并且

Z_{eps} = \frac{l_{1}}{\sqrt{2} * \tan (β_{1})}

[公式7]

其中，Z_eps是有效点光源从成形的基板160的入射面150移位的距离。

可根据下式计算X、Y和Z从有效点光源到点F₁和F₂的距离，假设F₁与归一化半径(unity radius)的球体相交：

X_F1＝cos(φ₁)sin(β₁)[公式8]

Y_F1＝sin(φ₁)sin(β₁)[公式9]

Z_F1＝cos(β₁)[公式10]

X_F2＝0[公式11]

Y_F2＝cos(φ₂)＊sin(β₁)[公式12]

Z_F2＝cos(β₁)[公式13]

其中，φ₁是X-Y平面中的对角线光线的角度(对于正方形是45度)；并且其中对于从平行于图6C所示的X轴的边的中间投射的光线，φ₂＝90度。如图6A所示，因为156与球面在四个点处相交，并且角β₂的大小小于临界角β₁的大小，基于角β₁的对角线到侧边光线的平面上的投射计算点F₂的值。可使用基于之前计算的几何关系的相似的方法确定其它点(例如，可基于点F₁和F₂的位置和目标平面156处的光的所需半角来确定点T₁和T₂的位置)。

图6D示出了对角线光线、和从短边投射到出射面155的球体159和目标平面156的球体161上的一个光线。对于出射面155，边缘光线在球体159处的交界到出射面155的平面上的投射形成了椭圆形段。同样，在目标面的边缘处的折射出射光线的投射与球体161相交。例如，图6E指出了位于由目标面156的边缘163形成的平面中的光线与球体161相交的圆形交界(被示为162)，和该交界到目标平面156上的投影(被示为164)。通过计算围绕目标面的正方形的每一个椭圆形段的面积，并将其与目标面的面积相加，我们得到了目标面的总投影面积。可使用公式4B确定目标平面的有效立体角。相似地，通过使用由光线在其上形成的球体159和椭圆形段，可确定LED的有效立体角。例如，如上所述确定总投影面积，并将其作为“所需立体角的投影面积”插入公式4B。

作为一个示例性的例子，使用上述方法产生对于空气中的目标的0.552球面度的有效立体角，所述方法使用具有正方形的成形的界面和出射面的基板的LED以30度的半角投射光。相反，使用具有30度半角投影规格的传统圆形投影面积将产生0.785球面度的有效立体角。当然后公式1中使用这些值时，对于给定的IOR和光通量，传统(圆形)计算产生小了约30％的所需出射面积。如果使用该方法设计系统，则可应用的物理学(即辐射度守恒)将比最优化的设计减少30％的光输出。相反，使用上述校正的有效立体角计算的出射面面积将产生比圆形计算可达到的多42％的光输出。

尽管在上面描述了确定LED的有效立体角的具体方法，可使用本领域中已知或开发的任何方法。

可供替换地，可经验地确定使光守恒的最小表面面积。此外，尽管上述最小表面面积的计算假设光正在通过量子阱区域和基板之间的界面的整个表面进入基板，但在物理装置中，光可以不以界面的整个表面上的均匀分布进入基板。可调整出射面的最小面积的计算，以解决穿过界面的光的实际分布，而不是完全基于界面的面积的大小。在一个实施例中，光通过其进入基板的界面的实际面积可被用作A₁。

LED的实施例可基于基板材料和菲涅耳损失以高达89％的理论效率(是指进入基板的光的89％是以所需半角发射的，具有11％的菲涅耳损失)将光投射到10-60度的所需圆锥角中。在没有菲涅耳损失的情况下，效率可为100％。即使仅有70％的效率，LED的实施例提供了高于其它LED技术的效率，同时还允许在近场和远场处的均匀或接近均匀的强度分布。

衬底与空气(或其它介质)界面处的菲涅耳损失可通过向衬底的出射面施加抗反射涂层被克服。可使用的抗反射涂层是本领域普通技术人员熟知的并且包括单层MgO或MgF、多层涂层或其它抗反射涂层的任何抗反射涂层。通过使用抗反射涂层，可减少或消除菲涅耳损失，增加LED的光输出效率。

LED的实施例可具有多于一个的出射面。例如，成形的衬底可允许LED产生的基本所有光都从LED射出，但通过多于一个出射面。图7是具有多于一个出射面的LED 700的例子的示意图。在图7中，示出了LED 700的出射面710a和710b。具有多于一个出射面的LED可将光发射到大于半球的立体角中。为了使从出射面射出的光最大化，具有多于一个出射面的衬底的侧壁可具有多个弯曲的或多小面的表面。

对于具有两个或更多出射面的LED，LED的发射的立体角可能大于半球(并且投影的立体角大于pi)。其例子是：如果代替一个平面出射面，LED具有四边锥体的一组出射面。如果LED的衬底的侧壁被成形为将通过界面进入衬底的光引导至四个出射面中的一个，使其以不大于临界角的角度照在出射面上，则进入衬底的所有光都可通过四个出射面中的一个从LED射出。

因为锥体的各个面不在一个平面，而是彼此成一定角度，以与出射面成临界角照射在出射面上的任何光线将折射为90度的出射角。以该方式定义的总立体角空间将是四个出射面的角关系的函数。为了满足etendue公式，该例子中的四个出射面必须具有至少等于使用该构造的有效立体角计算的值的总表面面积。

该多出射面构造可仍被构造为使辐射度守恒。也就是说，通过使总的投影出射面面积等于计算值，并且通过将侧壁设计为向出射面的每一个部分提供光的均匀分布，可使辐射度守恒。如果使得出射面大于所需值，则进入衬底的光可通过出射面射出，并相应地减少发光强度。

具有多个出射面的成形的衬底的又一实施例是：成形的衬底的侧壁本身就是出射面。基于给定光线的入射点，其可以不大于临界角的角度照在给定的侧壁上，并穿过该侧壁；或其可以大于临界角的角度照射，并被内部地反射到另一个面或侧壁上。

如果设计侧壁出射面和侧壁，使得从界面上的任何点进入衬底的任何光线穿过侧壁出射面，则所有进入衬底的光将从衬底射出。

具有多个出射面的成形的衬底LED适合用于其中需要宽面积发射(broad area emission)的普通照明应用。这种LED可与将LED产生的光引导到较小的立体角中的另外的透镜或反射器元件结合使用。

具有多个出射面的成形的衬底、或其中侧壁用作出射面的成形的衬底的潜在的益处是：LED可具有较小的体积或具有更容易制造的形状-诸如代替曲面的平面。

LED可被排列为LED阵列。LED阵列可用于产生所需量的光和所需光图形。例如，LED可排列为正方形或其它形状。使用LED阵列来产生所需量的光比使用一个LED更有效，或占据更小的空间。可在制造期间形成LED阵列。例如可从相同的晶片形成LED阵列。在图8A中，LED阵列800包括从相同的晶片形成的LED810a-810c。晶片材料820被去除，以形成LED 810a-810c。LED810a在点830a处保持与LED 810b相连。同样地，LED 810b在点830b处保持与LED 810c相连。因此，通过选择性地去除基板材料，可形成LED阵列。图8表示形成LED阵列的一种方法，并且是示意性的而不是限制性的；本领域技术人员熟知的其它形成LED阵列的方法也在本发明的范围之内。

使用LED阵列的一个优点是阵列中的多个LED的成形的基板可比具有相同的光输出量的一个LED的成形的基板更薄。此外，较小的LED的阵列比一个LED更有效；也就是说，消耗一定量的输入功率的较小的LED的阵列可以比出射面大小和输入功率相同的一个较大LED产生更多的光。

因为LED的一些实施例可使用比传统LED更厚的基板，可使用保持装置将LED固定在LED封装内。(例如，浇铸塑料、金属或其它材料的)机械连接装置可将LED或多个LED固定在LED封装或其它结构内，并接触LED，以产生将LED保持在合适的位置的垂直的力。可通过连接装置和LED之间的摩擦力防止横向运动。装置可具有与基板相同的IOR，从而从基板射出的光线在它们穿过连接装置时不偏离。连接装置可包括从基板射出的光从其穿过的次级光学元件，诸如透镜、材料层或其它面。因此，连接装置可另外地用于成形或进一步限定输出光束。图9A-9C是可用于固定LED 910的保持装置900a-900c的各个例子的示意图。图9B的保持装置900b包括可进一步聚焦来自LED 910的光的透镜920b。图9C的保持装置900c包括可进一步聚焦来自LED 910的光的反射聚焦装置920c。在一个实施例中，反射聚焦装置920c是复合抛物线集中器。

可使用一种或多种方法成形或形成LED或LED的基板。如下所述的成形基板的方法是示例性的，并且包括可用的多个方法的子集。LED或光学元件工业中使用的下述方法和其它方法可用于制造LED。通过去除材料来成形LED或基板的、可单独或组合使用的方法包括蚀刻、激光烧蚀、喷水切割、超声波去除和机械去除。

蚀刻描述了以高度控制的方式去除基板材料，以产生合适的形状的化学处理。存在典型的两种蚀刻方法：湿蚀刻和干蚀刻。湿蚀刻涉及使用液相蚀刻剂去除基板材料。在干蚀刻，即等离子蚀刻和反应离子蚀刻中，产生离子并将其施加到基板上。在那里，基于化学反应或粒子动力，材料从基板被去除。

以基板材料(其还可以包括包含量子阱区域的材料)的晶片开始，可将光致抗蚀剂的具体图形沉积在晶片的一侧。然后蚀刻晶片。覆盖有光致抗蚀剂的晶片的位置不被蚀刻，而没有光致抗蚀剂的地方的材料被去除。有许多调节该过程以在光致抗蚀剂的边缘达到所需轮廓的方法。例如，可施加较厚的光致抗蚀剂层，然后在蚀刻过程期间被牺牲地去除，或可与光致抗蚀剂相结合地使用其它牺牲层。这些层通过蚀刻剂随时间以这样的方式被去除，以产生LED基板的所需轮廓。这可以被开发为准确地蚀刻晶片，从而产生成形的基板。另一种方法是使用多种抗蚀剂和多个蚀刻步骤。可使用每一个光致抗蚀剂和蚀刻步骤来去除小层材料。可使用多个小步骤来得到所需3D形状。

图10是蚀刻的例子的示意图。在图10中，晶片1000被蚀刻为形成成形的基板1030a-1030c。光致抗蚀剂1010以所需图形被涂敷到晶片1000的表面，从而部分晶片1000的表面覆盖有光致抗蚀剂1010。在涂敷光致抗蚀剂1010之后，蚀刻剂被涂敷到涂敷有光致抗蚀剂的相同的晶片1000的表面。蚀刻剂去除基板材料1020，形成成形的基板1030a-1030c。光致抗蚀剂和蚀刻剂可以连续的层和图形被涂敷，以达到所需侧壁形状。

蚀刻参数可基于基板材料。蚀刻速率基于蚀刻剂和基板改变。对于LED应用中使用的基板材料，诸如蓝宝石和碳化硅，使用反应离子蚀刻的蚀刻速率可在250nm到2.5μm每分钟的范围内，这对于商业生产目的而言可能是低的。碳化硅在上述蚀刻速率的上端，而蓝宝石在下端。

激光烧蚀是使用高功率激光通过去除或喷射量子阱区域或基板材料生产LED的处理。每一个激光脉冲仅去除微量的材料。激光可被转换为用每一个随后的脉冲去除材料。通过在X-Y和Z方向转换，可去除3D形状。激光烧蚀的实施例可用于比蚀刻更快地成形基板。使用已知技术，激光烧蚀可在碳化硅和蓝宝石中每分钟去除约500μm到1mm的厚度。

图11是激光烧蚀的示意图。激光1110被施加于晶片1100，以烧蚀基板材料1120，形成成形的基板1130a-1130b。

可使用喷水烧蚀晶片，以形成所需形状的基板。在喷水烧蚀的一个实施例中，可使用短脉冲的水来分阶段烧蚀晶片。使用水的脉冲烧蚀晶片的处理可与关于激光烧蚀的上述处理相似。在喷水烧蚀的一个实施例中，可使用喷水以一定角度完全切割穿过晶片，然后微小地改变角度，并且以稍微高的角度使用喷水切割穿过晶片，最终产生所需形状的基板。在又一实施例中，喷水可以充有烧蚀材料(例如，工业金刚石微粒)，以增加烧蚀材料的速率。

另一个选择是通过磨削、研磨、锯切、超声波磨削、抛光、钻孔机械地去除材料，或机械去除的其它系统或方法。存在通过机械去除来去除材料，以成形一个或更多LED的多种方法。例如，可使用锯片(典型地，金刚石砂轮)将晶片切为多个LED或基板。锯片被制备为具有一个或多个侧壁的相反的形状，考虑到在去除过程期间锯片将发生的微小的材料损失(即锯片可能开始有点大)。然后，使用锯片来锯切晶片。锯片的旋转可在其切口抛光基板侧壁。每一个切口形成相邻基板的侧壁。根据一个实施例，先在一个轴上锯出多个切口，然后垂直于该轴切割，以形成成形的基板。可以分阶段地完成材料的机械去除。

图12A-12B是使用锯片形成LED的示意图。在图12A中，具有成形的基板的所需侧壁的相反形状的锯片1210被施加到晶片1200。图12B示出了当完全插入晶片1200而形成了侧壁1220a和1220b时的锯片1210。图13A和13B是在对晶片1200施加了锯片1210后的晶片1200的俯视图的示意图。在机械地去除基板材料之后，可抛光成形的基板，以增强成形的基板之内的TIR。

尽管分别描述了烧蚀晶片的材料以形成成形的基板的上述方法，但是上述方法可以组合。例如，可能使用机械去除和喷水烧蚀的组合来确保合适的曲线侧壁形状。相似地，基于基板材料，可适当地使用从晶片去除基板材料以生产LED的方法和技术的各种其它组合。此外，可使用诸如超声波加工的其它方法来形成成形的基板。也可使用超声波磨削来形成基板。在超声波磨削的实施例中，具有一个或多个LED的相反的形状的工具被制备为具有磨削剂，并在工具被超声波振动的同时与基板材料接触，以在基板材料上产生擦洗/摩擦动作，从而去除材料并产生成形的基板。

尽管上述实施例描述了从材料的晶片形成LED，可从基板材料条形成用于生产LED的成形的基板，或分别从基板材料成形用于生产LED的成形的基板。

在LED的一个实施例中，可分别生产LED。例如，分别成形的基板可安装在接收工具中，以便被准确地定位。侧壁可由保护物，诸如抗腐蚀材料、接收工具中的防护结构或其它保护物保护。所需外延层可沉积在成形的基板的底部上，从而制造LED。通过其它例子，分别成形的基板可由诸如高温玻璃的可模压材料制成。然后可通过使用低温外延生长方法在基板上沉积所需外延层，将玻璃成形的基板发展为LED。

在一些情况下，可需要使用LED产生白光。这可通过用来自单色(例如蓝色)、短波LED的光撞击荧光粉、或其它吸收光并重新发射被人眼感知为白光的波长的光的其它微粒来实现。荧光粉或其它微粒可用于LED的实施例，以产生白光。图14示出了LED 20的一个实施例。可在量子阱区域15和基板10之间的界面50处放置荧光粉或其它微粒。在这种情况下，进入基板10的光是被人眼看到的白光。也可以在基板10的出射面55后放置荧光粉。根据一个实施例，可在出射面55上涂敷一层微粒。根据其它实施例，微粒可在接触出射面、或从出射面偏置的另一块材料上。例如，荧光粉可以在封装但不接触LED 20的出射面55的透镜的内表面上。

涂敷LED的出射面或多个出射面可具有允许简化白光LED制造的制造优点，这样又降低了白光LED制造的成本。例如，将形成成形的基板LED的晶片的一侧可涂敷有包含荧光粉或其它微粒的层(即，微粒涂层)，该层可被激发以发射白光。可烧蚀没有涂敷有微粒涂层的晶片的一侧。当晶片已被烧蚀以产生多个LED时，LED将具有出射面，该出射面具有产生白光所必需的微粒涂层。此外，因为成形的基板将绝大多数进入基板的光引导至已知出射面或多个出射面，涂敷特定的出射面或多个出射面在产生白光上是非常有效的。因此，成形的基板的使用可消除用微粒涂层涂敷LED的侧壁或部分侧壁的需要。因此，不需要分别向每一个LED涂敷微粒涂层。向晶片的一侧涂敷微粒涂层比向各个LED涂敷微粒涂层便宜。基板的侧壁可被设计为使得通过与微粒涂层的相互作用被散射回到基板中的光可以被部分或全部地重复利用。利用纳米微粒与LED相结合地产生白光允许光的最小偏转，从而最小化背散射的光，并最大化从出射面射出的光。

在LED的量子阱区域中产生的热导致荧光粉或纳米微粒的劣化。在现有的LED中，荧光粉贴合地涂敷在LED芯片上。热密度在芯片处是最高的，因此荧光粉可遭受极大的热。在具有其出射面上涂敷有荧光粉的成形的基板的LED的实施例中，因为出射面与热产生量子阱区域相距基板的高度，荧光粉的劣化被减小。因此，具有厚基板并从而出射面与量子阱区域相距远的LED比现有设计产生所需质量的白光的时间更长。

LED的实施例的潜在应用包括蜂窝电话显示照明。现有系统典型地使用具有填充有荧光粉的封装材料的三侧面发射蓝光的LED来产生白光。LED的侧面典型地为不透明的，并且所产生的足够百分比的光都被侧壁吸收。这导致了超过50％的光由于吸收而损失。此外，封装剂与空气的界面处的折射率变化为以大于临界角的角度照射在界面上的出射光线创造了TIR条件。这导致了界面处的约44％的损失。成形的LED的实施例可将产生的光的80％传递至光导，导致了非常大的系统亮度的提高。

LED的实施例的另一个潜在的应用被用作蜂窝电话的照相机闪光。现有的系统典型地使用具有高斯能量分布的LED，其在图像的中央产生非常亮的区，而在边缘产生暗的区，导致了对被摄体的不均匀的照明。此外，现有闪光单元的光束形状是圆形的，而由CCD照相机捕捉的图像是矩形的。此外，封装剂与空气的界面处的折射率的改变为以大于临界角的角度照射在界面上的出射光线创造了TIR条件。这导致了界面处的损失，该损失是出射立体角的函数。另一方面，LED的实施例可传递矩形或正方形的闪光，其中进入LED的基板的光的80％以均匀分布被提供至图像区。这导致了与现有技术LED闪光系统相反的，更均匀的场景照明和更高水平的照明。

LED的实施例的另一个潜在的应用是用于液晶显示器(“LCD”)的背光照明。传统的LCD系统使用红、绿和蓝色LED的线性阵列。来自LED的光被引导至混合光导，以提供均匀的颜色和强度。典型地，LED具有放置在LED上方的圆顶，并且光被椭圆形的反射器捕捉，以将光引导至光导。尽管椭圆形反射器对于点光源工作得很好，但LED不是点光源，一些光线将不到达光导内部的焦点。此外，因为一些来自圆顶封装剂的光以大于180度的角被发射，一些光被基板、PCB板和其它元件吸收。此外，因为圆顶相对于圆顶中的洞的大小是大的，一定百分比的光典型地被折射。因为这些损失是倍增的，所以只有从LED最初发射的一部分光实际到达光导。

另一方面，LED的实施例可将高至80％的进入LED的基板的光以所需圆锥角提供至光导(假设菲涅耳损失)。因此，可使用较低功率的LED来达到在现有系统中可能达到的相同结果，或者可以相同的功率消耗水平传递更多的光。的确，在一些实施例中，可能不需要光导，并且可使用LED的阵列来直接从背后照亮LCD。

LED的实施例的另一个潜在的用途是在汽车头灯、闪光灯、数字光处理(“DLP”)系统和其它装置中。可选择LED的形状，以便提供所需投影圆锥和光束分布。此外，LED和聚光透镜或其它光学装置的组合，诸如名称为“SEPARATE OPTICAL DEVICE FORDIRECTING LIGHT FROM AN LED(用于从LED引导光的单独的光学装置)”的美国专利申请No.11/649018中描述的主光学装置(“POD”)，允许窄的立体角的发射(在0.1球面度或更小的数量级)，同时使辐射度守恒，并且在非常小的体积内这样做。这样的组合可应用于闪光灯、点光或任何其它的窄光束应用。

在名称为“SEPARATE OPTICAL DEVICE FOR DIRECTINGLIGHT FROM AN LED(用于从LED引导光的单独的光学装置)”的美国专利申请No.11/649018中，描述了主光学装置(“POD”)。此处描述的系统和方法的实施例与POD装置不同并提供了优于POD装置的显著优点。POD装置是与LED结合使用以聚焦从LED发射的光的有源光学元件。POD装置本身不能产生光和引导由其它光源产生的光。POD典型地由IOR约为1.5的材料制成。因此，可从LED进入POD装置的光的量被LED材料与POD装置材料的IOR的变化限制。相反，本发明涉及本身收集和引导在其自身的量子阱内产生的光的LED。LED的基板中的所有的光理论上可以被捕捉和引导。如果基板材料具有高于或等于量子阱区域材料的IOR，则由LED的量子阱产生的所有的光可被捕捉和引导。利用POD装置，这是不可能的。成形LED，使其捕捉并引导由LED本身的量子阱产生的光导致了可用于许多应用而无需另外的光学元件的一个LED。

图15A和15B是在一个晶片1500中被制成的多个晶元(die)的布局的另一个实施例的示意图。在该情况下，晶元被封装得更加紧密，并且侧壁形状是由上述方法中任何一个形成的，只是侧壁的切口的深度大大地减小了。例如，对于之前的实施例中的3mm厚的晶片，侧壁形状将被切割2.75mm深，留下.25mm将所有的晶元保持在一起。在图15的例子中，切割的深度仅约1mm，留下了约2mm来将晶元保持在一起。这产生了对于制造中的处理结实得多的晶片，并允许晶元被封装得更加紧密。这导致了每个晶片上的更多的晶元，约为每晶片上的晶元的1.5到2.4倍。在完成了晶片上的所有操作之后，通过例如用薄锯片(约0.1mm宽)金刚石切割它们，将晶元分离。由锯片产生的表面在该区域可更接近想要的侧壁形状，并且可提供足够抛光的表面，从而不需要进一步的操作。可供替换地，可在单独的晶元上执行后续操作来完成成形和抛光侧壁的该部分。

尽管本发明描述了具体实施例，但是应理解为实施例是示例性的，并且本发明的范围不限于这些实施例。对上述实施例的许多变形、修改、增加和改进都是可能的。例如，所提供的各种范围和维度都是通过例子提供的，LED可使用其它维度在其它范围内操作。举例来说，尽管已经关于蓝宝石和碳化硅描述了成形的基板，也可以使用允许光通过的其它基板。例如，基板可以由玻璃或金刚石制成。在一个实施例中，可以从可模制的玻璃模制基板，提供了成本有效并且容易成形的基板。可预料到的是，这些变形、修改、增加和改进落于下述权利要求中详细描述的本发明的范围。

Claims

1.一种LED，包括：

量子阱区域，用于产生光；以及

成形的基板，与量子阱区域具有界面，其中由量子阱区域产生的光穿过该界面，成形的基板包括：

与界面相对并且距离该界面一距离的出射面，其中该基板被成形为使得通过界面进入成形的基板的光中的一部分通过出射面从成形的基板射出，并且其中，出射面具有使对于从成形的基板投射的光的所需半角的辐射度守恒所必需的最小面积的至少70％；以及

一组侧壁，其中每一个侧壁都被设置并成形为使得具有从界面到该侧壁的直的传输路径的光线中的至少大多数被反射到出射面上，且在出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角。

2.如权利要求1所述的LED，其中量子阱区域与基板一致地成形。

3.如权利要求1所述的LED，其中出射面至少具有使辐射度守恒所必需的最小的面积。

4.如权利要求1所述的LED，其中界面的形状是矩形，并且其中确定光离开出射表面的有效立体角，以得到界面的形状。

5.如权利要求1所述的LED，其中所述距离在使得具有从界面到出射面的直的传输路径的所有光线具有小于或等于出射面处的临界角的入射角的最小距离的50％之内。

6.如权利要求1所述的LED，其中每一个侧壁都被设置并成形为使得具有从界面到该侧壁的直的传输路径的光线中的至少80％被反射到出射面上，且在出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角。

7.如权利要求1所述的LED，其中侧壁的形状被选择为产生所需的光输出分布。

8.如权利要求1所述的LED，其中出射面平行于界面，并与界面旋转对准，并且其中出射面具有与界面的形状相同的形状和纵横比。

9.如权利要求1所述的LED，还包括能够发射所需波长以产生白光的光致发光材料层。

10.一种LED，包括：

量子阱区域，用于产生光；

成形的基板，与量子阱区域具有界面，该成形的基板包括：

与界面相对并且距离该界面一距离的出射面，其中基板被成形为使得通过界面进入成形的基板的光中的一部分通过出射面从成形的基板射出，并且其中出射面具有使对于从成形的基板投射的光的所需立体角的辐射度守恒所必需的最小面积的至少70％；

一组侧壁，其中每一个侧壁都被设置并成形为使得具有从界面到该侧壁的直的传输路径的光线中的至少一部分被反射到出射面上，且在出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角；

其中出射面的面积、距离和侧壁形状被选择为以10到60度之间的半角投射光。

11.如权利要求10所述的LED，其中界面具有矩形形状，并且其中确定光离开出射面的有效立体角，以得到界面的形状的面积。

12.如权利要求10所述的LED，其中所述距离在使得具有从界面到出射面的直的传输路径的所有光线具有小于或等于出射面处的临界角的入射角的最小距离的50％之内。

13.如权利要求10所述的LED，其中每一个侧壁都被设置并成形为使得具有从界面到该侧壁的直的传输路径的光线中的至少80％被反射到出射面上，且在出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角。

14.如权利要求10所述的LED，其中出射面具有与界面的形状相同的形状和纵横比，并且其中出射面平行于界面并与界面旋转对准。

15.如权利要求10所述的LED，还包括能够发射所需波长以产生白光的光致发光材料层。

16.如权利要求10所述的LED，其中量子阱区域与基板一致地成形。

17.如权利要求10所述的LED，其中侧壁的形状被选择为产生所需的光输出分布。

18.如权利要求10所述的LED，其中出射面至少具有使辐射度守恒所必需的最小的面积。

19.一种LED，包括：

量子阱区域，用于产生光；

成形的基板，与量子阱区域具有界面，成形的基板包括：

与界面相对并且距离该界面一距离的出射面，其中：

基板被成形为使得通过界面进入成形的基板的光中的一部分通过出射面从成形的基板射出；

出射面具有在由

定义的最小面积的30％之内的面积，其中φ₁是穿过界面的光通量；φ₂是从出射面射出的光通量，并且等于φ₁；Ω₁是光穿过界面的有效立体角，而Ω₂是光离开出射面的有效立体角；A₁是界面的面积；n₁是成形的基板的折射率，而n₂是成形的基板外部的介质的折射率；

所述距离至少为使得具有从界面到出射面的直的传输路径的所有光线具有小于或等于出射面处的临界角的入射角的最小距离；以及

一组侧壁，其中每一个侧壁都被设置并成形为使得具有从界面到该侧壁的直的传输路径的光线中的至少一部分被反射到出射面上，且在出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角。

20.如权利要求19所述的LED，其中出射面的面积、距离和侧壁形状被选择为以10到60度之间的半角、以至少70％的效率和所需光的输出分布投射光。

21.如权利要求19所述的LED，其中量子阱区域与基板一致地成形。

22.如权利要求19所述的LED，其中界面具有矩形形状，并且确定光离开出射表面的有效立体角，以得到界面的正方形形状。

23.如权利要求19所述的LED，还包括能够发射所需波长以产生白光的光致发光材料层。

24.如权利要求19所述的LED，其中侧壁的形状被选择为产生所需的光输出分布。

25.一种LED，包括：

量子阱区域，用于产生光；以及

成形的基板，与量子阱区域具有界面，其中由量子阱区域产生的光穿过界面，成形的基板包括：

至少两个出射面，其中基板被成形为使得通过界面进入成形的基板的光中的一部分通过该至少两个出射面从成形的基板射出，并且其中该至少两个出射面具有使辐射度守恒所必需的最小面积的至少70％的组合面积；以及

一组侧壁，其中每一个侧壁都被设置并成形为使得具有从界面到该侧壁的直的传输路径的光线中的至少大多数被反射到两个或更多出射面中的一个出射面上，且在出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角。

26.一种制造LED的方法，包括：

确定LED的成形的基板部分的出射面的大小，该出射面具有使对于从LED投射的光的所需半角的辐射度守恒所必需的最小面积的至少70％；

确定出射面和界面之间的距离，该界面在LED的成形的基板部分和量子阱区域之间；

确定LED的成形的基板部分的一组侧壁的形状和位置，使得每一个侧壁都被设置并成形为：使得具有从界面到该侧壁的直的传输路径的光线中的至少大多数被反射到出射面上，且在出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角；以及

根据确定的出射面的大小、该组侧壁的形状和位置、以及出射面和界面之间的距离，形成LED的基板部分。

27.如权利要求26所述的方法，在成形的基板部分上沉积一个或多个层，以在已形成成形的基板部分之后形成LED的量子阱区域。

28.如权利要求26所述的方法，还包括：

设置基板和LED的量子阱区域的一个或多个层；

从基板去除材料，以形成LED的成形的基板部分。

29.如权利要求28所述的方法，其中从基板去除材料还包括使用超声波去除处理、激光烧蚀或喷水切割中的一种去除材料。

30.如权利要求28所述的方法，其中从基板去除材料还包括用具有相反形状的刀片将基板切割或磨削成所需形状的LED的成形的基板部分。

31.如权利要求28所述的方法，其中从基板去除材料还包括蚀刻基板。

32.如权利要求28所述的方法，还包括在从基板去除材料之前，用光致发光层涂敷基板。

33.如权利要求26所述的方法，还包括与成形基板一起成形LED的量子阱区域。

34.如权利要求26所述的方法，其中LED被成形为达到所需的光输出分布。

35.如权利要求26所述的方法，其中出射面的大小被选择为至少具有使辐射度守恒所必需的最小面积。

36.一种成形LED的方法，包括：

设置包括LED的基板和量子阱区域的一个或更多层的晶片；

磨削基板，以形成LED的成形的基板部分；

其中成形的基板部分被成形为包括：

与和LED的量子阱区域的界面相对并距离该界面一距离的出射面，该出射面具有使对于从成形的基板投射的光的所需半角的辐射度守恒所必需的最小面积的至少70％；以及

37.如权利要求36所述的方法，其中磨削基板包括用成形的金刚石砂轮磨削基板。

38.如权利要求36所述的方法，其中磨削基板包括：

在经过基板的至少部分途中，沿第一轴在基板中作出多个切口；以及

在经过基板的至少部分途中，沿与第一轴成一角度的第二轴在基板中作出多个切口，以产生多个LED的成形的基板部分。

39.如权利要求36所述的方法，还包括与成形基板一起成形LED的量子阱区域。

40.如权利要求36所述的方法，其中LED被成形为达到所需的光输出分布。

41.如权利要求36所述的方法，其中出射面具有使辐射度守恒所必需的最小面积。

42.一种成形LED的方法，包括：

设置包括LED的基板和量子阱区域的一个或更多层的晶片；

蚀刻基板，以形成LED的成形的基板部分；

其中成形的基板部分被成形为包括：

43.如权利要求42所述的方法，其中蚀刻基板还包括干蚀刻基板。

44.如权利要求42所述的方法，其中蚀刻基板还包括湿蚀刻基板。

45.如权利要求42所述的方法，其中蚀刻基板还包括使用多种蚀刻抗蚀剂蚀刻处理来蚀刻基板。

46.如权利要求42所述的方法，还包括与成形基板一起成形LED的量子阱区域。

47.如权利要求42所述的方法，其中LED被成形为达到所需的光输出分布。

48.如权利要求42所述的方法，其中出射面被成形为至少具有使辐射度守恒所必需的最小面积。

49.一种制造LED的方法，包括：

设置LED的基板和量子阱区域的一个或更多层；

从基板去除材料，以形成LED的成形的基板部分，成形的基板部分包括：

两个或更多出射面，具有使对于从LED投射的光的所需半角的辐射度守恒所必需的最小面积的至少70％；以及

50.如权利要求49所述的方法，其中该两个或更多出射面的面积至少为使辐射度守恒所必需的至少最小面积。