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CN114127966A - 照明单元、制造照明单元的方法、用于光电组件的转换元件、具有发光二极管和转换元件的辐射源、耦合输出结构和光电设备 - Google Patents

照明单元、制造照明单元的方法、用于光电组件的转换元件、具有发光二极管和转换元件的辐射源、耦合输出结构和光电设备 Download PDF

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CN114127966A CN202080051235.7A CN202080051235A CN114127966A CN 114127966 A CN114127966 A CN 114127966A CN 202080051235 A CN202080051235 A CN 202080051235A CN 114127966 A CN114127966 A CN 114127966A
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劳拉·克赖纳
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

本发明涉及一种照明单元，其包括：至少一个光电发射器单元，光电发射器单元通过光出射面发射电磁辐射，以及光子结构体，光子结构体用于在电磁辐射通过光出射面射出之前使电磁辐射形成射束，其中，光子结构体使电磁辐射成形，从而使电磁辐射具有确定的远场。

Description

照明单元、制造照明单元的方法、用于光电组件的转换元件、 具有发光二极管和转换元件的辐射源、耦合输出结构和光电 设备
本专利申请要求2019年5月14日的德国专利申请DE 10 2019 112 639.8的优先权、2019年5月14日的德国专利申请DE 10 2019 112 616.9的优先权、2019年6月12日的德国专利申请DE 10 2019 115 991.1的优先权、2019年6月14日的德国专利申请DE 10 2019116 313.7的优先权、2019年7月5日的德国专利申请DE 10 2019 118 251.4的优先权和2020年1月29日的国际申请PCT/EP2020/052191的优先权，以上申请的公开内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个光电发射器单元的照明单元。
本发明还涉及一种具有至少一个发射器单元和偏振元件的照明单元，该发射器单元经由光出射面发射辐射，该偏振元件至少部分地连接至光出射面并且当辐射穿过偏振元件时改变从发射器单元发出的辐射的偏振和/或强度。
本发明还涉及用于光电组件的转换元件、具有LED(发光二极管)和转换元件的辐射源、以及用于制造相应的辐射源的方法。
本发明还涉及一种设备，其尤其是光电组件，尤其是发光二极管。本发明还涉及一种光电设备，其设有用于产生光的多个光源。这种装置例如可以是LED的像素化阵列，其中，例如像素各自形成一个光源。
背景技术
LED(发光二极管)尤其作为光电发射器单元的光发射器考虑。LED通常是朗伯发射器。通过光出射面发出的光没有被定向。因此，光通常在与光出射面邻接的整个立体角度区域中发射。
对于许多应用，具有光电发射器单元的照明单元是期望的，该光电发射器单元具有期望的发射特性。在非常小的组件中，例如在高分辨率显示器中或在用于娱乐电子领域的应用的组件中，允许定向的辐射进入特定的立体角并且尽可能地抑制辐射进入其他的立体角的照明单元是期望的。
从现有技术中已知用于对已经从照明单元的光出射面发出的电磁辐射进行光束成形的技术解决方案。例如，使用光学件、尤其是透镜，借助于该光学件可以准直在空间中自由传播的电磁辐射。这种具有布置在光出射面下游的光学件的照明单元可以相对较大。这会是不期望的。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种照明单元，该照明单元尤其与朗伯发射器相比具有改进的发射特性。
根据本发明的照明单元包括至少一个光电发射器单元和一种光子结构体，该光电发射器单元经由光出射面发射电磁辐射，该光子结构体用于在电磁辐射通过光出射面出射之前对电磁辐射进行光束成形，其中，光子结构体使电磁辐射成形，从而使电磁辐射具有确定的远场。
通过光子结构体，该装置的光电发射器单元的发射特性在远场中从朗伯发射器改变为限定的发射特性。电磁辐射具有确定的远场的表述尤其意味着在远场中定义了辐射特性，并且该辐射特性不同于朗伯发射器的辐射特性。远场是指取决于应用至少与照明单元相距几厘米或几米的区域。
光子结构体能够尤其布置在光出射面下方和/或在光电发射器单元与光出射面之间的层中。因此，光子结构体可以集成在照明单元中，由此可以使其紧凑。光子结构体也可以集成到光出射面中，或者光子结构体的端面可以形成光出射面。
光电发射器单元可以具有至少一个LED。光电发射器单元也可以具有也被称为阵列的LED的场。
光子结构体是无周期的或确定性非周期的光子结构体。光子晶体是周期的结构，该结构通过光学折射率的周期性变化产生用于光子的带结构。该带结构在特定频率范围内可以具有带隙。可替换地，也可以使用非周期性但有序的结构产生该特性。这种结构尤其是准周期结构或者确定的非周期性结构。例如，这可以是螺旋形的光子布置。
光子结构体可以是一维光子结构体、特别是一维光子晶体。一维光子晶体沿一个方向呈现出折射率的周期性变化。该方向尤其可以平行于光出射面延伸。一维结构使得光束成形能够在第一空间方向上进行。在光子结构体中仅需几个周期就可以实现光子效应。光子结构体例如可以如下地设计，即使得电磁辐射相对于第一空间方向至少近似准直。因此可以至少相对于第一空间方向产生准直光束。
在发射方向上看，准直光学件可以布置在光出射面的下游，该光学件设计成，在与第一空间方向正交的另一第二空间方向上对电磁辐射进行准直。第一方向和第二方向可以是彼此正交的方向，这些方向平行于平面的光出射面延伸。因此可以产生沿两个方向准直并沿主辐射方向定向的光束，该主辐射方向背离光出射面并垂直于第一方向和第二方向延伸。
根据本发明的一个设计方案，光子结构体、特别是设计成一维光子晶体可以设计成使得电磁辐射的主辐射方向与光出射面的法线成角度地延伸，其中该角度不为零。因此，主辐射方向可以相对于光出射面的法线倾斜。因此，沿至少一个方向准直的光束例如能以一定角度从光出射面出射。
设计为一维光子晶体的光子结构体可以布置在光出射面下方、特别是正下方的层中。一维光子晶体可以具有在一个方向上延伸的具有不同光学折射率的两种材料的周期性重复序列。每种材料可以具有矩形或平行四边形的横截面。材料的邻接界面可以相对于光出射面倾斜。
这种结构例如可以通过以下方式形成，即在具有光出射面的基底中相对于光出射面倾斜地蚀刻出相互平行延伸的沟槽。可以用具有与被蚀刻掉的基底材料不同的光学折射率的材料来填充沟槽。该角度可以取决于沟槽相对于光出射面的斜率，并且沟槽的宽度或保留在沟槽之间的基底材料的宽度影响光子结构体有效的波长。沟槽的宽度和位于沟槽之间的基底材料的宽度通常匹配于电磁辐射的波长。
光子结构体可以是二维光子结构体、特别是二维光子晶体。二维光子结构体的端面可以形成照明单元的光出射面，或者可以将二维光子结构体布置在光出射面下方的层中。
二维结构、特别是二维光子晶体能以如下方式设计，即使其影响电磁辐射，使得电磁辐射在远场中形成确定的、特别是离散的图案。照明单元因此可以例如在表面形貌系统中使用，例如用于面部识别。
如所提及的那样，光子结构体可以布置在光出射面下方的层中，或者光子结构体的端面可以形成光出射面，使得光子结构体直接位于光出射面的下方并且包括光出射面。
光子结构体也可以形成在光电发射器单元的半导体层中。
光电发射器单元可以包括具有转换器材料的层，并且光子结构体可以形成在具有转换器材料的层中或者在具有转换器材料的层与光出射面之间的层中。
光电发射器单元可以具有至少一个光电激光器、例如VCSEL(vertical-cavitysurface-emitting laser(垂直腔面发射激光器))。也可以考虑多个激光器的场。
本发明还涉及一种具有照明单元的表面形貌识别系统，该照明单元包括至少一个光电发射器单元和一种光子结构体，该光电发射器单元经由光出射面发射电磁辐射，该光子结构体用于在电磁辐射通过光出射面出射之前对电磁辐射进行光束成形，其中，光子结构体使电磁辐射成形，从而使电磁辐射具有特定的远场，其中，光子结构体是二维光子结构体、特别是二维光子晶体，并且其中，该二维光子结构体设计成使得电磁辐射在远场中产生确定的、特别是离散的图案，并且其中，表面形貌识别系统还具有检测单元、特别是具有相机的检测单元，该检测单元设计用于检测远场中的图案。
表面形貌识别系统可以包括分析装置，该分析装置设计成确定图案相对于预设参考图案的变形。
分析装置可以设计成根据所确定的变形确定由图案照射的物体的形状和/或结构。
本发明还涉及一种用于扫描物体的扫描仪，其中，该扫描仪具有至少一个根据本发明的照明装置，该照明装置能优选用于逐行检测物体。
还可以将开发照明单元看作是一个目的，以使通过相对简单的方式使至少一个发射器发射的辐射、尤其是可见光的辐射的偏振和/或强度的变化成为可能。在此重要的是，相应的照明单元还应设计为尽可能节省空间和节能，其中，尤其应减少使用附加的光学元件的需要。
还希望提供一种简单、安全且坚固的照明单元，用于发射根据需要的偏振的电磁辐射，该照明单元也可以没有大问题地与其他照明单元结合。此外，应以工业规模制造照明单元并且优选利用已知的制造方法进行制造。因此，希望有一种技术的解决方案，其设计成特别节省空间，能够在高的光输出的情况下实现节能，并且可以在经济合理的范畴内制造。
因此，根据本发明的照明装置的优选的设计方案涉及一种具有至少一个发射器单元和一个偏振单元的照明单元，该发射器单元经由光出射面发射辐射，该偏振单元至少部分地连接至光出射面并且当辐射穿过偏振元件时改变从发射器单元发出的辐射的偏振和/或强度。该照明单元的特征在于，偏振元件具有三维光子结构体。
偏振元件改变偏振的说明还包括从非偏振辐射产生偏振辐射。偏振元件也只能引起辐射强度的改变，可能是与波长有关的改变，而不产生或改变偏振。因此，术语“偏振元件”不应被狭义地解释为在所有的实施方案中必须提供偏振的变化或产生的意义。
根据本发明的实施方案，提供一种照明单元，其中，由发射器产生的辐射(例如LED)直接进入偏振元件，从而实现了一种特别紧凑的单元，用于提供根据需要偏振的辐射，其又可以以有利的方式与至少一个另外的照明单元和/或偏振元件，最好是与至少一个具有互补特性的偏振元件相结合。
使用三维光子结构体(特别是光子晶体)为照明单元来偏振电磁辐射(其中优选地可见光被偏振)的主要优点是，通过将光子结构体布置在发射器的光出射面的区域中，提供了一个特别紧凑、节省空间的解决方案。借助于邻近光出射面的特殊设计的偏振元件，有可能有针对性地偏振电磁辐射，并且仍然将偏振与偏振元件的偏振方向不一致的辐射的损失降到最低。一般来说，可以考虑，光子结构体被布置在光出射面上，或者光子结构体被适当地形成在半导体层中，光出射面位于该半导体层上，或者光出射面在辐射方向与该半导体层连接。
特别有利的是，用作偏振元件的三维结构在其偏振特性方面以特别有效的方式改变了照明单元的辐射特性，并且因此可以通过不同的偏振特性或辐射方向来实现对不同波长的分辨。
根据本发明的一个实施方式，发射器单元具有至少一个LED。在这种情况下，可以考虑的是，LED优选发射白色、红色、绿色或蓝色的光，该白色、红色、绿色或蓝色的光被辐射到偏振元件中，并且辐射被偏振元件在一个振荡方向上偏振。
此外，根据本发明的一个改进方案提出，发射器单元、特别是LED和偏振元件由不同的层形成，这些不同的层在层堆中重叠地布置。同样重要的是，在发射器的至少一层中产生的辐射在将辐射从层堆发射到环境中之前到达同样是层状构造的偏振元件。在此有利地可以设想，用作偏振元件的三维结构与发射器单元位于同一半导体芯片上或在同一半导体芯片中。当将发射器单元与LED一起使用时，也可以考虑将光子结构体应用于LED芯片或至少是LED芯片的一部分。通过这种设计方案，可获得特别节省空间和能量效率的照明单元，利用该照明单元已经直接在芯片级上产生了偏振辐射，而为此目的不必在下游的光束路径中布置附加的光学元件。因此，这种技术解决方案代表了用于提供偏振辐射的具有成本效益、节省空间和节能的技术方案。
在本发明的其他实施方式中，偏振元件具有螺旋和/或柱状的结构元件。在这种情况下，以这种方式设计三维光子结构体，使得由发射器单元、尤其是LED发出的光仅以特定偏振从光子结构体出射。在光出射面区域内具有螺旋和/或棒状结构元件的相应三维光子结构体仅被具有特殊偏振方向的辐射穿透。结构的设计方案和尺寸优选分别与发射器单元、尤其是LED发射的辐射相匹配。利用螺旋结构，实现了圆偏振，而支柱结构体使得穿过该结构的辐射线性偏振。
根据改进方案，还可以考虑的是，照明单元具有作为发射器单元的LED并且由LED发射的辐射作为激励辐射撞击具有转换器材料的转换元件，这导致转换的辐射的发射。在这种情况下通常可以考虑的是，在LED与转换元件之间和/或转换元件后面的光路中布置三维光子结构体，通过该结构，激励辐射和/或转换后的辐射以合适的方式偏振。也可以在同一层中实现转换元件和三维光子结构体的组合。这使得能够直接产生偏振的、转换的光。
例如，转换器材料可以被填充到三维光子结构体中。转换器材料可以掺杂Ce3+(Ce表示Cer)，Eu2+(Eu表示铕)，Mn4+(Mn表示锰)或钕离子。例如，可以将YAG或LuAG用作主体材料。YAG代表钇铝石榴石。LuAG代表铝石榴石。
量子点也能作为转换器材料填充到三维光子结构体中。量子点可能很小，例如在10nm范围内，因此特别适合填充三维光子结构体。通常可以考虑，通过从要形成结构的层中蚀刻掉材料来制造该结构。以这种方式形成的凹部然后可以填充包含例如量子点的转换器材料。例如，可以将量子点引入填充凹部的液体材料中。液体材料可以至少部分地蒸发，使得量子点保留在凹部中。某些液体材料可能会凝固。因此，量子点可以嵌入矩阵中。
在本发明的其他实施方式中，偏振元件具有至少一个三维光子晶体。还可以考虑，偏振元件具有至少两个二维光子晶体，该二维光子晶体沿着穿过偏振元件的辐射的光路彼此并排布置。
优选地，可以使用在光路中一个接一个地布置的三维光子晶体或至少两个二维光子晶体，从而使辐射入射的结构对于一定波长或几种特殊波长的辐射是透明的，和/或仅在某个方向允许通过。以此方式，也可以设置入射在偏振元件上的辐射的期望偏振。在这种情况下，可以考虑的是，直接在转换器材料中制造该结构，或者将其引入由不同材料制成的附加层中。优选地，以这种方式设计三维光子结构体的性质，使得对于不同的波长，透射条件是不同的。以这种方式，例如转换后的辐射可以不受阻碍地通过偏振元件，而激励辐射被偏转。还可以考虑的是，辐射中的至少一个、也就是一方面的激励辐射和另一方面的转换后的辐射仅以特定的偏振通过偏振元件。
在本发明的一个实施方式中，可以进一步提出，偏振元件取决于通过偏振元件的辐射的波长而具有至少两个不同的透射率。在此，一种特殊的改进方案提出，发射器单元具有LED和具有转换器材料的转换元件，该转换器材料在被LED发射的激励辐射激励时发出转换的辐射，并且入射到偏振元件上的激励辐射在穿过偏振元件时与穿过的转换辐射相比被不同地偏振和/或被不同程度地吸收。
因此，以这种方式设计三维光子结构体的特性，使得对于不同的波长，透射条件是不同的。在这种情况下，例如可以考虑的是，转换后的光可以不受阻碍地通过三维光子结构体，而激励辐射被偏转。还可以考虑的是，转换后的辐射仅在具有特定偏振的情况下从三维光子结构体中出射。
此外，可以考虑的是，在偏振和传播方向方面，通过偏振元件的不同特性来分辨具有不同波长的两个辐射之一。因此优选地提出，在LED和实现完全转换的转换元件的组合的情况中，除了具有较小波长的相对较小的辐射部分之外，部分激励辐射被滤除，从而导致可以使用转换器更薄的材料层。
如果提供具有LED的发射器单元，并且偏振元件的三维结构被直接施加到LED芯片，优选地施加到LED的半导体层，则可以以特别有利的方式使用本发明的优点产生的辐射到达光出射面。根据该实施方式，三维光子结构体直接位于LED芯片上或LED芯片中。利用这种技术解决方案，由于偏振的辐射发射，可以在图像生成时提供分辨率，并且用于光束生成的组件可以相对较小地设计。例如，这可以通过几个组件或几个具有互补特性的照明单元发出的辐射通过普通的光学件成像来实现。因此，以这种方式设计的照明单元尤其能用于娱乐电子领域。
此外，本发明涉及一种用于制造照明单元的方法，该照明单元具有至少一个通过光出射面发射辐射的发射器单元以及偏振元件，该偏振元件至少以局部连接光出射面，并且在辐射穿过偏振元件时，由发射器单元发出的辐射的偏振和/或强度被改变。
根据本发明，该方法可以如下地改进，即提供具有LED的芯片作为发射器单元，例如通过双光子光刻法或掠射角-沉积，在其光出射面上施加三维光子结构体作为偏振元件和/或将光子结构体引入与光出射面连接的LED的半导体层中。根据该方法的一个特殊的改进方案提出，三维结构的尺寸根据LED发出的辐射的波长来确定。
以有利的方式，根据至少一个基于本申请的实施例实施的照明单元可以用于产生三维图像的设备中，该设备用于产生在显示器、监视器或屏幕上的图像。
此外，根据本发明实施的照明单元可以以特别有利的方式用于三维图像的计算机辅助生成。此处的优势在于，根据本申请的具有三维光子结构体的照明单元作为偏振元件，可改变LED的辐射特性(关于偏振特性)，从而根据不同的波长特定的偏振特性或辐射方向来分别不同的波长。
此处很大的优势在于，偏振辐射尤其是偏振光能够直接在带有发射器单元的基底上生成，特别是在LED芯片级别生成，或者在完全转换的情况下能够提高选择性。由于有针对性偏振的辐射的反射，可以改善三维图像的分辨率，同时可以减少生成图像所需的组件或照明单元。这可以以有利的方式通过具有互补特性的几个部件的光通过公共光学件在显示器、屏幕上的映射来实现。特别是对于娱乐电子领域，可以特别优选地通过组合互补偏振元件来生成三维图像。
还可能期望的是，开发一种用于光电组件的转换元件和具有这种转换元件的辐射源，使得各个元件的特别节省空间的布置以及因此辐射源的特别小的设计，包括用于发射激励辐射的发射器和转换元件的组合成为可能。在此非常重要的是，由辐射源发射的辐射有针对性地辐射到特定的空间区域中，而以相对简单的方式可靠地防止辐射到其他区域中。此外，与已知技术解决方案相比，其特征在于，高能量效率并因此具有相对良好的光输出的技术解决方案可能是合乎需要的。
此外，可以期望的是，由用于产生激励辐射的发射器和用于产生转换的辐射的转换元件组成的辐射源可以在制造技术方面并且特别是使用已知的制造方法简单且成本低地实现。在这方面，可能需要指定一种制造辐射源的方法。
本发明还涉及一种用于光电组件的转换元件，该转换元件具有至少一层具有转换器材料的层，该转换器材料在被入射的激励辐射激励时将转换的辐射发射到发射区域中。根据本发明，转换元件的特征在于，该层至少在一些区域具有光子结构体，在该区域上至少在一些区域中布置转换器材料并且以这种方式设计光子结构体，使得辐射作为定向的射束被发射到发射区域中。本发明的主要特征因此在于，提供了一种层，该层以适当的方式结构化，其中，在该结构中或之上施加转换器材料，该转换器材料在被激励或泵浦辐射激励时发出转换的辐射。通过将一方面的转换器材料的组件与另一方面的用于进行定向的光束引导和/或成形结构化层相连接，能以特别节省空间的方式创建一个元件，其能够将辐射定向发射到辐射源的发射区域，并限制在所需的空间区域。在这种情况下，可以考虑的是，以适当的方式引导由转换元件发射的转换辐射和激励辐射，使得辐射仅沿特定方向发射，而这种辐射沿其他方向和/或区域的发射排除。
通常，可以考虑的是，在此也作为光子结构体描述的结构至少在某些区域中涂覆有合适的转换器材料和/或至少单个区域(例如结构中的凹部)涂覆有合适的转换器材料。以如下方式设计该结构，即所发射的经转换的辐射在发射区域的期望方向上以光束的形式发射。在此可以设想，以合适的方式设计结构，使得存在不同的区域，在该区域中发射光束。以此方式，可以根据需要提供转换元件，该转换元件调整使用了它们的光电组件的发射特性。特别地，由于层的适当结构，可以提供一种转换元件，通过该转换元件可以改变使用该转换元件的光电组件的发射特性，使得辐射不再按照朗伯定律实现，而是产生一束或几束专门指向一个方向的光束。
转换器材料可以掺杂Ce3+(Ce表示Cer)，Eu2+(Eu表示铕)，Mn4+(Mn表示锰)或钕离子。例如，可以将YAG或LuAG用作主体材料。YAG代表钇铝石榴石。LuAG代表铝石榴石。
量子点也可用作转换器材料。量子点可能很小，例如在10nm范围内，因此特别适合填充光子结构体中的上述凹部。通常可以考虑，通过从要形成光子结构体的层中蚀刻出凹部来制造该结构。凹部然后可以填充包含例如量子点的转换器材料。例如，可以将量子点引入填充凹部的液体材料中。液体材料可以至少部分地蒸发，使得量子点保留在凹部中。某些液体材料可能会凝固。因此，量子点可以嵌入矩阵中。
光子结构体通常不会改变量子点的光谱特性。但是，量子点具有窄带发射光谱。光子结构体可以适应于该窄带发射光谱，其结果是可以改善由光子结构体带来的方向选择性。使用光子结构体，因此可以非常有效地影响作为转换器的量子点的发射特性。
本发明的实施方式提供，结构具有无周期地或确定性非周期性地设计的结构元件。这种规则的结构具有以下优点，即可以通过相应的结构化层以特别可靠，安全和可再现的方式调节转换元件的光学特性。以有利的方式设计该结构，使得特定波长或特定波长范围的辐射可以在特定的预定方向上穿透该层，而该辐射不能在其他方向上穿透该层。可替代地或附加地，能以这种方式设计结构化层，使得其至少在大面积上对于特定波长的辐射是透明的或不可穿透的。
根据本发明的改进方案，该层具有至少一个光子晶体。通过使用合适的光子晶体，选定波长或波长范围的辐射的传播，至少其在特定方向上的传播，可以被阻止，并因此产生一辐射或一辐射束，视需要而辐射定向到为此目的而提供的空间区域或发射区域中。确定的非周期性结构和准周期结构可以具有与光子晶体相同的功能。但是，远场中的属性可能略有不同。当这里提到光子晶体时，这也相应地适用于确定的非周期性结构和/或准周期结构。
光子晶体被理解为通过光学折射率的周期性变化产生用于光子的带结构的周期性结构。该带结构在特定频率范围内可以具有带隙。可替代地，也能以非周期性的但是仍然有序的结构来产生该特性。这种结构尤其是无周期的或确定性非周期的光子结构体。例如，这可以是螺旋形的光子构造。
此外优点是，该结构具有至少一个凹部，在该凹部中存在转换器材料。在此优选地提出，结构具有多个突起和凹部，这些凹部至少部分地填充有合适的转换器材料。以这种方式，能以相对简单的方式实现转换元件，其中，根据本发明提供的结构与转换器材料相结合，使得转换后的辐射仅发射到特别有限的发射区域内并进而以特别有针对性的方式发射。在这种情况下，原则上可以考虑的是，转换元件设计成使得激励辐射被结构特别地引导到为此目的而提供的转换器材料的区域上和/或转换后的辐射射到该结构上，并因此作为有针对性发射的光束被发射到希望的发射区域中。
具有结构的层以有利的方式设计成，使得该层具有至少一个光学带隙。在此，带隙被理解为价带和导带之间的、具有固体材料的层的范围。由于带隙，用于该层的固体以及因此设置有该层的转换元件对于一定频率范围内的辐射是透明的。通过有针对性地调节带隙和/或选择固体材料，可以有针对性地调节转换元件的光学特性。特别地，能以仅一部分入射辐射穿过该层并且被发射到发射区域中的方式来设计该层。很大的优点在于，层的光子结构体具有至少500nm的平均厚度。在此，以有利的方式选择具有至少500nm的层厚度的光子结构体、尤其是光子晶体、准周期结构或确定的非周期性结构，从而由此产生了光学带隙。
根据本发明的改进方案提出，具有结构的层以这种方式设计，使得定向的辐射束垂直于布置该层的平面发射。根据该实施方式提出，发射到发射区域中的辐射垂直于层平面布置。相反，可靠地抑制了辐射到空间的其他区域中的辐射分量。
此外，代表了本发明有利的改进方案，一方面，过滤器元件可以至少布置在该层的一侧上。优选地，这种过滤器元件设计成过滤器层，该过滤器层平坦地施加到具有转换器材料的结构化层上。借助于这种过滤器元件或这种过滤器层，可能仅辐射的特定部分入射到具有转换器材料的层上，或者但是仅仅由具有转换器材料的结构化层所发射的转换后的辐射的特定部分被发射到希望的空间区域中。
因此，在某些方面，过滤器元件、特别是过滤器层设计成使得仅一部分辐射可以穿过过滤器元件或过滤器层，其被需要作为激励辐射，或者其应该有针对性地发射到发射区域中。
此外，本发明涉及一种具有LED的辐射源，该辐射源将激励辐射到转换元件中，该转换元件根据转换元件的根据本发明实施的前述实施例中的至少一个来设计。转换元件又具有至少一层具有转换器材料的层，该转换器材料在被LED发射的激励辐射激励时被激励，以将转换后的辐射发射到发射区域中。在这种情况下，可以考虑的是，将LED与转换元件组合，使得由LED发射的整个激励辐射被转换成转换的辐射，或者仅将由LED发射的激励辐射的一部分转换成转换过的辐射。同样重要的是，发射到辐射源的发射区域中的辐射仅被引导到所希望的空间区域中。辐射源因此产生在特定选择的方向或特定选择的发射区域中发射的定向光束或定向辐射束。
根据本发明的一个改进方案，具有转换器材料的结构化层是LED的半导体基底的一部分。在此，可以在LED的半导体基底中以有利的方式相应地形成结构。在这种情况下，还可以优选考虑的是，通过对LED半导体基底进行有针对性的蚀刻来制造该结构，然后将该结构至少部分地涂覆有转换器材料和/或将该转换器材料填充到该结构中的蚀刻出的凹部中。
此外，以有利的方式提出，具有转换器材料的结构设计成使得转换的辐射被发射到垂直于布置半导体基底的平面的发射区域中。该结构的设计方式是，由于带隙效应，转换后的辐射仅发射到垂直于LED芯片表面的发射区域中。由于该技术方案，实现了由转换元件发射的转换辐射的高方向性。在这种情况下可以考虑的是，例如以光子晶体形式的结构、尤其是光子结构体也可以仅布置在LED的半导体材料的最上层中或者至少部分地布置在有源区域中。如果结构具有至少500nm的层厚度以便可靠地产生光学带隙，则又是有利的。
在一个特殊的设计方案中，提供至少一个过滤器层，其至少布置在结构化层的一侧上。在这种情况下，还可以考虑的是，借助过滤器层，可在一定波长范围内抑制LED产生的激励辐射。以此方式，与已知技术方案相比，通过在转换元件的结构化层中定向产生辐射，可以使基于激励辐射的完全转换的特别受集光率限制的系统明显更有效。
根据本发明的一个改进方案，辐射源可以设计成，使得其发射具有RGB颜色空间的特征颜色即红色、绿色和蓝色的可见白光或可见转换光。
根据另一个实施方式，辐射源具有一个LED或多个LED。这些可以以类似阵列的方式彼此相邻布置并且可以单独控制。
根据本发明的另一个实施方式，辐射源可以是像素化阵列，其中，例如可以分别打开和关闭较大部件的各个像素。
如本文所述，与非常小的LED、上述LED或与像素化阵列的结合使用光子结构体是有利的，因为如透镜等经典光学件只能在非常有限的范围内使用小尺寸。另外，由于由此提供的方向性，可以借助于光子结构体来改善相邻像素之间的对比度。
根据另一个实施方式，辐射源也可以设计为芯片尺寸的封装。在此，这尤其是一个没有合适的外壳的组件。此处描述的光学元件的类型对于此类组件是特别有利的，因为经典透镜不能很好地安装在非常紧凑的组件上，或者显着扩大组件。
此外，本发明还涉及一种用于制造具有至少一种上述特殊性质的辐射源的方法。该方法的特征在于，通过在LED的半导体基底中的至少一个蚀刻步骤来形成结构。在此有利的是，该结构、特别是该结构中特别选择的容纳部至少部分地被转换器材料填充。
可能需要一种结构，借助该结构可以从半导体基体提供输出耦合，尤其是光输出耦合。
根据第一方面，提出一种用于制造设备、尤其是电子组件、尤其是光电组件、尤其是发光二极管的方法，其中，用于产生尤其是在提供装置的半导体基体的表面区域中的光学的耦合输出结构，执行结构化表面区域和结构化表面区域的平整化用于获得表面区域的平整化的表面。平整化特别是指平坦的形成，其也可以被称为平面度。
根据第二方面，提出一种设备、尤其是电子组件、尤其是光电组件、尤其是发光二极管，其中，通过结构化表面区域和平整化结构化的表面区域在提供设备的半导体基体的表面区域中产生耦合输出结构，用于获得表面区域的平整化表面。
利用提出的耦合输出结构，光可以在垂直于表面的方向上从表面发射。
根据提出的实施例，也可以称为原始芯片的半导体基体的结构化表面区域可以通过在表面区域上生成随机拓扑来构造。
根据另一个提出的实施例，可以借助于半导体基体的具有第一材料的表面区域的表面的直接粗糙化来生成随机拓扑。
根据另一个提出的实施例，可以借助于将透明的第二材料、尤其是Nb2O5的具有的大的折射率、尤其是大于2的折射率的透明的第二材料施加到表面区域并且使第二材料粗糙化来生成随机拓扑结构。这种第二材料可以作为层施加到表面区域。
根据另一个提出的实施例，半导体基体的表面区域的结构化可以借助于在表面区域上生成有序拓扑实施。
根据另一个提出的实施例，可以借助于施加具有高的折射率、尤其是大于2的折射率的透明的第二材料、尤其是Nb2O5产生有序拓扑，并且将该材料中发生的周期性光子晶体或非周期性光子结构体、尤其是无周期或确定性非周期的光子结构体实施到第二材料中。第二材料可以作为层施加。
光子晶体可以理解为周期性结构，该周期性结构通过光学折射率的周期性变化生成用于光子的带结构。该带结构在特定频率范围内可以具有带隙。可替代地，也能以非周期性的但是仍然有序的结构来产生特性。这种结构尤其是无周期或确定性非周期的光子结构体。例如，这可以是螺旋形的布置。
根据另一个提出的实施例，半导体基体的表面区域的平整化借助于将具有低折射率、特别是小于1.5的低折射率的透明的第三材料、特别是SiO2施加到表面区域上实施。第三材料可以作为层施加。
根据另一个提出的实施例，SiO2可以借助于TEOS(正硅酸乙酯)作为具有低折射率的透明的第三材料实施。
根据另一个提出的实施例，具有低折射率的第三材料可以变薄，直到表面平坦和/或光滑，在半导体基体的第一材料中或在具有高折射率的第二材料中具有最高突起。
根据另一个提出的实施例，可以通过化学机械抛光(CMP)来实施变薄。
根据另一个提出的实施例，可以通过凸模技术实施设备的转移。
根据另一个提出的设计方案，平整化的表面可以是平坦和/或光滑，并且粗糙度在小于20纳米的范围内、特别是小于1纳米的范围内，作为平均粗糙度值。
根据另一个提出的设计方案，耦合输出结构可以在组件的半导体的粗糙的第一材料上具有透明的带有低折射率的第三材料、特别是SiO2。
根据另一个提出的设计方案，耦合输出结构可以在具有高折射率的粗糙的透明的第二材料、特别是Nb2O5上具有低折射率的透明的第三材料、特别是SiO2，其中，第二材料可以施加到组件的半导体的第一材料上。
根据另一个提出的设计方案，耦合输出结构可以在具有高折射率的透明的第二材料上具有带有低折射率的透明的第三材料，其中，第二材料施加到组件的半导体的第一材料上并且可以具有周期性的光子晶体或非周期性的光子结构体、特别是无周期的或确定性非周期的光子结构体。
还可能需要提供一种改进的光电设备，其发射光至少基本垂直于发射表面。
本发明还涉及一种光电设备，该光电设备包括一种装置，该装置具有用于产生从该光电设备的光出射面出射的光的多个光源、以及布置在该光出射面与该多个光源之间的至少一个光子结构体。
借助于至少一个光子结构体，该光子结构体尤其可以是光子晶体或柱结构，在本文中也被称为柱结构，在光通过光出射面离开装置之前实现发射光的光束成形。
光子结构体可以特别地设计成用于对由光源产生的光进行光束成形。光子结构体尤其能以这种方式设计，使得光至少基本上垂直地从光出射面出射。因此，发射的光的方向性被改善。
光子晶体本身是已知的。这些特别是在透明固体中出现或产生的光学折射率的周期性结构。特别地，所谓的二维光子晶体在这里是相关的，其在彼此垂直的两个空间方向上具有光学折射率的周期性变化，特别是在平行于光出射面延伸并彼此垂直的两个空间方向上。
根据本发明的一个设计方案，该装置是具有多个像素作为光源的阵列，这些像素作为光源布置为一层，并且光子晶体被布置或形成在层中。光子晶体因此可以直接布置在层中，阵列的像素被布置在层中。在此，光子晶体被布置在光源上方的层中，使得光子晶体仍然位于光源和光出射面之间。
特别地，该层可以包括半导体材料，并且光子晶体可以被构造在半导体材料中。在此，例如考虑将GaN或AlInGaP材料系统作为半导体材料。在此，GaN代表氮化镓并且AlInGaP代表铝-铟-镓-磷化物。其他可能的材料系统的示例是AlN(氮化铝)和InGaAs(砷化铟镓)。
可以通过在半导体材料中形成光学折射率的周期性变化来实现光子晶体，为此，使用具有高折射率的材料、例如Nb2O5(Niob-(V)-Oxid)并可以将其相应地引入半导体材料中。光子晶体优选地设计成二维光子晶体，该二维光子晶体在平行于光出射方向延伸的平面中在两个相互垂直的空间方向上具有光学折射率的周期性变化。
根据本发明的一个设计方案，该装置是具有多个像素作为光源的阵列，这些像素被布置在第一层中，并且光子晶体被布置在另外的第二层中，其中，第二层位于第一层和光出射面之间。光子晶体因此可以被布置或容纳在具有多个像素的层之上的附加的第二层中。
光子晶体例如又可以设计成二维光子晶体。光子晶体可以借助于以高折射率的材料例如Nb2O5制成的孔或凹部来实现。因此，光子晶体可以通过在具有高折射率的材料中形成相应的结构化部段来形成光子晶体。相反，围绕孔或凹部的材料具有不同的折射率。光子结构体可以填充有低折射率的材料，例如二氧化硅。
根据本发明的一个设计方案，该装置具有多个LED作为光源，其中，LED装置布置在第一层中，并且光子晶体布置或形成在另一第二层中，其中，第二层位于第一层和光出射面之间。结合特别是阵列状的LED，可以在具有LED的第一层上方的另外的第二层中提供光子晶体。其优选地设计为二维光子晶体，并且以光学折射率在平行于光出射面并且彼此垂直的两个空间方向上的周期性变化的形式实现。作为第二层的具有高折射率的材料的示例，这里可以再次提及Nb2O5，并且光子晶体可以通过在具有高折射率的材料孔或凹部来结构化。光子结构体可以填充有较低折射率的材料，例如二氧化硅。
可以在水平和竖直LED之间区分LED。在水平LED的情况下，电端口位于LED的背离光出射面的背面。相反，在竖直LED的情况下，相应的一个电端口位于LED的正面，一个电端口位于LED的背面。正面朝向出光面。
在两个极性的电触点都在背面的像素化阵列的情况下，整个阵列面可以例如以光子晶体的形式结构化、特别是在不遗留台面沟槽或接触表面的情况下。对于水平发光二极管在载体基底下方的布置，得到类似的布置。
根据本发明的一个设计方案，在用于光源的电接触的水平发光二极管的阵列或布置中，两个极可以通过反射所产生的光的接触层电连接，其中，从位于上方的光出射面看，该接触层位于光子结构体的下方。接触层可以具有至少两个电隔离的区域，以便避免电极之间的短路。
根据本发明的另一设计方案，在用于光源的电接触的竖直发光二极管的布置中，背离光出射面、特别是正极的第一极可以电连接至反射产生的所产生光的接触层，其中，从位于上方的光出射面看，接触层位于光子结构体和光源的下方。
根据本发明的一个设计方案，可以通过一层导电且光学透明的材料、特别是ITO来电连接面朝光出射面的相应的另一个、特别是负的第二极。可以在该层和反射性接触层之间布置填充材料。
根据一个设计方案，每个光源可以具有重组区，并且光子晶体靠近重组区，以至于光子晶体会改变重组区的区域中存在的光学状态密度，特别是为至少一个光学模式产生带隙，该光学模式具有平行于和/或与光出射面成小角度的传播方向。为了在重组区的区域中引起光学带隙，有利的是，光子晶体非常靠近重组区。另外，如果在垂直于光出射面的方向上观察到光子晶体的高度较大、特别是等于或大于300nm，则对于带隙的形成是有利的。通过光子结构体，发射的光在光产生的区域就可以实现方向性，因为传播方向与光发射面平行和/或有小角度的光的发射可以被抑制。然后可以仅在垂直于光出射面的有限发射锥中实现光的生成。发射锥的打开角度取决于光子晶体，并且可以是一个较小的值，例如最大20°、最大15°、最大10°或最大5°。
光子晶体可以相对于平行于光出射面延伸的平面布置，而与光点的位置无关。
光子晶体可以借助于本身已知的光刻技术制造。本身已知的可能的技术例如是纳米压印光刻或浸入式EUV步进器，其中，EUV代表极紫外辐射。
光子结构体可以包括至少在光出射面和多个光源之间至少部分延伸的多个支柱结构体，其中，柱被分别分配给一个光源，并且在垂直于光出射面的方向上观察，与之对齐。
柱也可以被称为柱。柱具有纵轴，该纵轴优选地垂直于光出射面延伸。在柱和相关光源齐平地对准的情况下，这尤其意味着柱的细长纵轴与光源的中心点相交。
横向于纵轴观察，柱可以具有圆形、正方形或多边形的横截面。柱优选地具有至少3：1的高度与直径的纵横比。高度是沿柱的纵轴方向测量的。
柱尤其由具有高折射率的材料例如Nb2O5形成。由于与周围材料相比具有更高的折射率，因此与其他空间方向相比，可以增加在平行于柱的纵轴的方向上的发光。柱充当波导。沿柱的纵轴比沿其他传播方向更有效地耦合输出光。因此可以改善光的纵轴方向上的方向性。因为光的纵轴优选垂直于光出射面，所以也可以实现垂直于光出射面的改进的光耦合输出。
该装置可以是一阵列，其作为光源具有多个像素，这些像素布置在第一层中，并且柱可以布置在另一第二层中，其中，第二层在第一层与光出射面之间。柱因此可以布置在像素化阵列的表面上。柱或柱结构可以由具有高折射率的材料独立地形成。另外，可以用低折射率的填充材料例如二氧化硅填充柱之间的空间。
该装置可以作为光源具有多个LED，这些LED布置在第一层中，并且柱可以布置或形成在另外的第二层中，其中，第二层位于第一层与光出射面之间。
该装置可以是一阵列，其作为光源具有多个像素，这些像素布置在第一层中，并且柱也可以布置在第一层中。特别地，柱能够以这种方式布置在第一层中，使得柱的至少各个部分比分配给柱的光源更靠近光出射面。因此，柱可以充当光源和光出射面之间的光波导。柱可以由设置在第一层中的阵列的半导体材料形成，该半导体材料具有高折射率。特别地，可以通过蚀刻来去除第一层中的半导体材料，从而保留柱。柱之间的自由空间又可以用低折射率的材料填充。
该装置可以是一阵列，其作为光源具有多个像素，尤其以LED的形式，其中，像素形成在柱中。因此能够以使各个像素具有柱状的方式来创建阵列。在此，每个柱优选是一个LED，并起单个像素的作用。关于柱的纵轴，柱的长度可以对应于发射光的波长的一半，并且由柱形成的LED的重组区优选在柱的中心。因此，重组区处于光子状态密度的局部最大值。由此能显著增加平行于柱的纵向的光发射。由于波导效应，平行于纵轴的传播方向的光比其他传播方向的光更有效地耦合输出。
柱的高度与直径的纵横比优选为3：1。在常见的发射波长下，柱的高度大约为100nm，直径为30nm。也可以按比例放大，制造更大的高度或直径，以便于制造。具有光源的柱之间的空间可以用例如SiO2的材料填充，该材料的折射率比用于柱的半导体材料的折射率低。
在具有光源的柱的情况下，可以在柱的背离光出射面的底侧上产生p触点。例如，可以在柱上侧的柱一半高度处制造n触点。n触点可以通过透明的导电材料建立、特别是作为填充材料的中间层或作为柱上方的顶层。用于n接触层的一种可能的材料是例如ITO(氧化铟锡)。n和p触点的反向布置也是可能的。
特别地，在布置为特别是垂直的，被构造为用于电接触的柱的发光二极管的情况下，一个特别是正极的第一极可以被电连接至反射接触层，该反射接触层可以在和/或沿着发光二极管的第一纵向端形成。
相应的另一个特别是负极的第二极可以电连接至由导电且光学透明的材料、特别是ITO制成的另一层。该层能作为中间层在一个或多个柱的中间或在柱的第二纵向端上和/或沿着该柱的第二纵向端布置，第二纵向端与第一纵向端相反。
根据另一方面，提出了一种光电设备，该光电设备用于产生垂直于发射表面指向的光发射，该光来自特别是平面的，具有像素的阵列或发光二极管的布置，其中，光学作用结构、特别是纳米结构、如光子晶体或支柱结构体沿用于光的垂直定向发射的整个发射表面结构化，以垂直定向发射光。
根据另一方面，提出了一种用于制造光电设备的方法，该光电设备用于产生垂直于发射表面的光发射，该光电设备特别是平面的像素化阵列或发光二极管的布置，其中光学作用结构沿着用于光的垂直定向发射的整个发射表面结构化。
特别地，平面阵列被称为面阵列。阵列或场的表面也优选是光滑的。像素化的阵列尤其是单片的像素化的阵列。
所提及的所有材料、特别是光子晶体、柱或填充材料中的材料优选具有低吸收系数。在此，吸收系数尤其是电磁辐射穿过给定材料时强度降低的量度。
附图说明
在下文中，参考附图更详细地解释本发明的示例性的实施例变体。在此，分别示意性地示出：
图1示出了根据本发明的照明单元的第一变体的立体图；
图2示出了根据本发明的照明单元的第二变体的截面图；
图3示出了图2的多个照明装置的布置；
图4示出了根据本发明的照明单元的第四变体的立体图；
图5示出了具有图4的照明单元的表面形貌识别系统的框图；
图6示出了具有发射器单元的照明单元，该发射器单元具有光出射面，在该光出射面上施加了具有三维光子结构体的偏振元件；
图7示出了具有多个螺旋结构元件的三维光子结构体的图示；
图8示出了具有发射器单元的照明单元，该发射器单元具有光出射面，在该光出射面上施加了具有三维光子结构体的偏振元件，该结构提供波长选择特性；
图9示出了具有发射器单元和填充有转换器材料的三维光子结构体的照明单元；
图10示出了具有发光二极管和转换元件的辐射源的截面图和俯视图，该转换元件由填充有转换器材料的结构化层形成，该结构化层仅位于LED半导体材料的最上层；
图11示出了穿过辐射源的横截面，该辐射源具有LED、转换元件以及施加在LED半导体材料的最上层的过滤层，该转换元件由填充有转换器材料的结构化层形成，该结构化层仅位于LED半导体材料的最上层；
图12示出了具有LED和转换元件的辐射源的俯视图和截面图，该转换元件由填充有转换器材料的结构化层形成，该结构化层延伸到LED半导体材料的有源区域；
图13示出了穿过辐射源的横截面，该辐射源具有LED、转换元件以及施加在LED半导体材料的最上层的过滤层，该转换元件由填充有转换器材料的结构化层形成，该结构化层延伸到LED半导体材料的有源区域；
图14示出了所提出的设备的实施例；
图15示出了所提出的设备的另一实施例；
图16示出了所提出的设备的另一实施例；
图17示出了所提出的方法的实施例；
图18的a部分示出了第一提出的设备的俯视图；
图18的b部分示出了第一提出的设备的横截面；
图19的a部分示出了第二提出的设备的俯视图；
图19的b部分示出了第二提出的设备的横截面；
图20的a部分示出了第三提出的设备的俯视图；
图20的b部分示出了第三提出的设备的横截面；
图21的a部分示出了第四提出的设备的俯视图；
图21的b部分示出了第四提出的设备的横截面；
图22的a部分示出了第五提出的设备的俯视图；
图22的b部分示出了第五提出的设备的横截面；
图23的a部分示出了第六提出的设备的俯视图；
图23的b部分示出了第六提出的设备的横截面；
图24的a部分示出了第七提出的设备的俯视图；
图24的b部分示出了第七提出的设备的横截面；
图25的a部分示出了第八提出的设备的俯视图；
图25的b部分示出了第八提出的设备的横截面；
图26的a部分示出了第九提出的设备的俯视图；
图26的b部分示出了第九提出的设备的横截面；
图27示出了根据本发明的设备的另一变体的截面图。
具体实施方式
图1所示的照明单元11包括至少一个光电发射器单元13，其设计成，经由光出射面15发射电磁辐射19，例如一种波长的可见光或红外光。在此，提供了光子结构体17，用于在电磁辐射经由光出射面15出射之前对电磁辐射进行光束成形。光子结构体17使电磁辐射成形，使得远场21中的电磁辐射19具有限定的特性23。
特别地，图1的照明单元11的光子结构体17是一维光子晶体25。在所示的变体中，其延伸到光出射面15。光子晶体25的端面因此形成了光出射面15。一维光子晶体25沿第一方向R1具有光折射率的周期性变化。
晶体25或周期性变化被设定为，使得它们对由发射器单元的光源(未示出)发射的电磁辐射进行辐射成形。特别地，阻止了沿第一方向R1的光的传播。由此，远场21中发射的辐射19沿第一方向R1仅具有很小的范围。电磁辐射19在远场21中的特征是形成窄条27。因此，电磁辐射19相对于第一方向19准直。
光源特别是一个LED。其通常是朗伯发射器。通过使用光子结构体17和由此产生的辐射成形，可以产生定向的、准直的电磁辐射19。
如图1所示，发射的电磁辐射19以光锥的形式离开发射器单元13，该光锥基本上沿第二方向R2散开。光锥的中心轴线沿着主辐射方向H延伸，该主辐射方向H垂直于光出射面15延伸。未示出的是准直的、可选的光学件布置在光出射面15的下游。借助于光学件，电磁辐射19可以在与第一空间方向R1正交的第二空间方向R2上被准直。电磁辐射19因此可以相对于两个方向R1、R2在远场21中准直。产生一个发光点。
根据图1的照明装置11特别适合在光学扫描仪中使用。由于在远场21中为带状的光图像，所以照明装置11可以特别地用于行扫描应用中。
在图2所示的照明装置11的情况下，在发射器单元13的上侧上形成一维光子晶体25。晶体25的端面形成用于电磁辐射的光出射面15，该电磁辐射由未示出的例如LED的光电光源产生，并且穿过光子晶体25通过光出射面25射出。
与根据图1的变体相反，图2的照明单元中电磁辐射19的主辐射方向H相对于光出射面15的法线N成角度α。该角度α在此不等于零度。角度α可以例如在30度和60度之间的范围内。这是由此实现，即一维光子晶体25具有在第一方向R1上延伸的、具有不同的光学折射率的两种材料31、33的周期性重复序列。材料31、33具有平行四边形的横截面，并且材料31、33的彼此邻接的界面不正交地延伸，而是相对于光出射面15倾斜，如图2中示意性所示。
这样的结构可以例如通过以下方式形成，彼此平行延伸的沟槽29相对于光出射面15倾斜地蚀刻到具有光出射面15的基底31中。沟槽29可以填充有材料33，该材料具有与蚀刻掉的基底材料33不同的光学折射率。角度α在此可以取决于沟槽29相对于光出射面15的倾斜。沟槽29的宽度和保留在两个沟槽29之间的相应基底材料31的宽度影响光子晶体25可以在其上产生作用的波长。通常，沟槽29的宽度和位于两个沟槽之间的基底材料33的宽度以及因此光子晶体结构25的周期性也适合于由光源或布置在光源与光子晶体之间的转换器材料提供的电磁辐射的波长。
借助于一维光子晶体25，图2中的照明单元11又可以在远场21中产生光带27，如参考图1所描述的。与图1的变体相反，图2的变体中的主辐射方向H相对于法线N倾斜角度α。可以通过下游的准直光学件将条带27在远场21中变成点或圆形结构。
图3中所示的变体包括图2中的多个照明单元11的线状或阵列状布置。由各个照明单元11发射的光束19具有相同的主辐射方向H。光束19还可以通过附加的准直光学件35、特别是透镜，在第二方向上准直，该第二方向在图2的图示中垂直于图像平面延伸。因此，在光学件35后面的远场中产生所发射的辐射19的点或圆形映像。
通过在根据图2和图3的照明设备11中使用光子晶体导致针对根据图3的照明设备11的线状或阵列状布置的有效更高的分辨率。另外，可以实现较小的光束横截面、特别是在光学件35下游的远场中。通过集成在照明设备11中的光子晶体25已经在第一方向R1上实现了准直(请参见图2)，光学件35和可能的另外的下游光学件可以设计得更紧凑。
在图4的变体中，照明单元11包括光子结构体17，该光子结构体是二维光子晶体37，其端面形成光出射面15。从光出射面15看，在光子晶体37的后面布置有至少一个光电光源，可选地具有转换器材料。光子晶体37设计成使经由光出射面发射的电磁辐射19成形，使得它在远场21中产生限定的离散图案39。在所示的示例中，图案39由多个分布的光点41组成，其他图案也是可能的。
图4的照明单元11例如适用于表面形貌识别系统43，其在图5的框图中以示例的方式示出。除了照明单元11之外，系统43还包括具有摄像机47的检测单元45，该摄像机设计成在图案39照亮物体(未示出)时检测图案39。
此外，提供分析装置49，该分析装置设计成确定图案39相对于预设参考图案的变形。例如，可以在图案39投影到平坦表面上时根据图案39的检测来确定参考图案。
分析装置49还设计成根据所确定的图案39的变形来确定在远场39中被图案39照射的物体的形状和/或结构。因此，例如可以通过系统43来实现面部识别。
在根据图4的变体中，可以节省用于产生图案的下游光学件，因为已经可以借助光子晶体37产生图案39。因此，能以特别紧凑的形式实现根据图4的照明装置11和根据图5的相关系统43。
图6示出了具有发射器单元2的照明单元1，发射器单元具有光出射面3，在该光出射面上施加有具有三维光子结构体的偏振层的形式的偏振元件4。根据图6中所示的实施例，发射器单元2是LED 5，其发射可见光或可能也在紫外波长范围内的光。由LED 5发出的光被引导到三维光子结构体中，并根据结构的设计方案和尺寸在特定的振荡方向上偏振。取决于三维光子结构体的设计方案，可以实现圆形或线性偏振。通常，仅发射具有照明单元1的特定偏振的光。
如果偏振元件4的三维光子结构体具有螺旋形的结构元件6，如图7所示，则发生圆偏振。另一方面，如果三维光子结构体的结构元件是柱状的、特别是设计成所谓的纳米柱，则由此将产生引导穿过三维光子结构体的辐射的线性偏振。
在图6中示出的照明单元1的制造借助于双光子光刻法，掠射角沉积法，激光干涉光刻法或通过全息结构化来实现。在本上下文中要指出的是，借助于掠角沉积方法已经制造出图7所示的螺旋结构元件6。
如图6所示，照明单元1可以有利地与具有互补特性的其他照明单元组合。因此，具有不同偏振和/或透射特性的照明单元1被组合在一起以生成图像。
借助于在此公开的通用光学件，在不同的振荡方向上偏振并且借助于分别具有互补特性的多个照明单元产生的辐射被成像在显示器或屏幕上。这种设备可以有利地用于应用中以生成三维图像。
利用根据图6布置在LED芯片的表面或光出射面3上并形成偏振元件4的三维光子结构体，与目前已知的LED相比可以产生具有本质上不同的特性的光、特别是具有确定的偏振。此处的优点在于，由于在芯片表面上提供了三维光子结构体，因此不需要其他光学组件，例如经典的偏振滤光镜。因此，照明单元可以做得比较小。由于直接在LED 5的半导体芯片上进行结构化，因此这种光电组件1也比随后选择偏振的已知组件更节能。由于其特性而不能通过三维光子结构体的每个光子都保留在LED芯片中，并且可以通过重吸收过程进行重新发射。
图8示出了具有发射器单元2的照明单元1，该发射器单元具有光出射面3，在该光出射面上施加具有三维光子结构体的偏振元件4，该结构提供波长选择特性。
在这种情况下，光子结构体设计成三维光子晶体。可替代地，可以将几个二维光子晶体分层地重叠布置。
三维光子结构体设计成，使其具有特定波长的透射率和偏振特性。这意味着三维光子结构体的透射程度和偏振特性根据入射辐射的波长而变化。
在图8中所示的组件1具有发射器单元，该发射器单元又具有LED 5。此外，提供具有转换器材料层的转换元件7。由于由LED 5发射的激励辐射8的激励，转换器材料发射具有与激励辐射8的波长不同的波长的转换辐射9。
如果未转换的激励辐射8和转换的辐射9都入射到三维光子结构体上，则这些辐射将根据其波长在透射和偏振方面受到不同方式的影响。从图8可以看出，转换的辐射9垂直于LED芯片的表面耦合输出，而激励辐射8则侧向地偏转。
这种类型的照明单元能够以优选的方式应用在产生具有不同波长的辐射的组件中，其中可以通过LED和转换元件的组合来实现不同的功能。取决于三维光子结构体的设计方案和LED发射的激励辐射8的波长，可以在转换的辐射9辐射通过三维光子结构体的同时实现对激励辐射8的完全抑制。还可以考虑的是，激励辐射8被偏转，而如图8所示，转换后的辐射9垂直于芯片表面被耦合输出。当然，该机制也可以颠倒。此外，还可以考虑的是，以特殊的方式使转换后的辐射线9偏振，而激励辐射8则保持不变地通过芯片表面射出。在这里，机制也可以颠倒。
在图9中所示的照明单元的变体包括：发射器单元，这里也是LED 15的形式，以及例如螺旋形设计的三维光子结构体11。转换器材料13填充到结构11中。
图10示出了LED形式的辐射源6的俯视图和截面图，该辐射源具有在LED 7的半导体基底8中布置的层2，该层具有带有合适转换器材料的光子结构体4。具有转换器材料的结构化层2形成转换元件1，当由LED 7发射的激励辐射激励时，转换器材料将转换后的辐射发射到辐射源6的发射区域3中。
在具有转换器材料的层2中设置的结构4设计成，使得转换后的辐射仅作为定向的辐射束被发射到特定的发射区域3中。
根据图10所示的实施例，转换后的辐射垂直于一个平面发射，LED芯片以其半导体基底位于该平面中出射。
图10中所示的结构化层2是二维光子晶体，其被蚀刻到LED半导体基底中。结构4的单个的，此处为小棒型的容纳部已经被转换器材料填充。结构4的层厚度至少为500nm，从而在晶体固态材料中产生带隙，该带隙引起由转换元件1发射的转换辐射的方向性。
通过这种光子结构体可以显著提高尤其是光扩展量受限的系统的方向性，进而还有效率。由于直接在LED 7的表面上提供了具有相应结构4和合适的转换器材料的层2，因此可以省去另外提供的光学元件，并且可以通过利用本发明来实现相对较小的辐射源。
借助于图10所示的辐射源6，甚至可以实现非常小的组件，例如用于高分辨率显示器的像素化LED阵列，或例如用于娱乐电子领域的集成组件。
此外，提供了一种能量上特别有效的辐射源，因为一方面在不需要的方向上不发射光，该方向不垂直于LED芯片表面布置，并且另一方面，所有被转换的光是可以使用的。此外，在有源区9中被引导并且从LED 7具有低提取效率的由LED 7发射的激励辐射的模式也可以被有效地转换。
此外，图11示出了辐射源6的截面图，如结合图10所说明的那样地设计的辐射源然而另外经由施加到辐射源6的最上层上的、滤光层5的形式的过滤器元件5来提供，该滤光层对于所选波长范围的辐射是不透明的。滤光层5在此具有过滤器的功能。
这种技术设计方案特别适用于辐射源6，其中，LED 7和转换元件1被组合在一起，使得由LED 7发出的光被完全转换。因此，借助于适当设计的滤光层5，可以将发射到发射区域3中的辐射限制为具有期望波长的辐射。利用这种滤光层5，还可以确保在需要时借助于滤光层5，防止由LED 7发射的未被转换元件1转换为转换辐射的激励辐射进入发射区域3。
图12再次示出了辐射源6，其具有LED 7和施加到LED 7的半导体基底8上的转换元件1。转换元件1具有带有转换器材料的层2和被施加到LED 7的半导体基底8上的结构4。结构化层2优选是光子晶体、无周期的或确定性非周期的光子结构体。层2的结构4填充有合适的转换器材料。
与图10中解释的实施例相反，结构化层2不仅布置在辐射源6的上部区域中的半导体基底中，而且延伸到LED 7的有源区域9中。层2再次包括大于500nm的层厚度，并因此产生光学带隙。同样在这种情况下，可以有效地转换由LED 7发射的激励辐射的模式，该模式在有源区域9中被引导并且具有来自LED的地提取效率。
图13补充地示出了辐射源6的一个设计方案，该辐射源如图12所示地设计，并且另外具有施加到辐射源6的最上面的层的过滤器元件5，该过滤器元件作为过滤器使用的滤光层的形式。这种类型的过滤器提供一种可能性，即在由LED 7发射的激励辐射被完全转换的情况下，将转换的辐射的发射限制在发射区域中，或者未完全转换的情况下，选择性地抑制未转换的激励辐射的发射。
图14示出了所提出的设备的实施例。根据图14，示出了具有第一材料1的半导体基体，其也可以称为原始芯片并且在此设计为发光二极管。
形成耦合输出结构A。平整化的表面7形成在提供器件的半导体基体的表面区域9上。为此，表面区域9被结构化并且然后被平面化。
半导体基体可以外延地制造，使得表面区域9背离载体(未示出)制造。原则上，提供器件的半导体基体的所有表面区域都可以被结构化，然后被平面化，以便形成特别是光学的耦合输出结构A。如果结构化和平面化与之匹配，其他波长的电磁辐射也可以解耦。
图14示出了半导体基体的表面区域9的结构，在表面区域9上产生随机拓扑。随机拓扑在此通过半导体基体的第一材料1在表面区域9上的直接粗糙化形成。
在这里，拓扑尤其是一种空间结构。半导体基体的表面区域9然后通过施加具有低折射率、特别是小于1.5的透明的第三材料5而平整化。这之后是薄化所施加的具有低折射率的透明的第三材料5，直到结构化表面区域9的表面7以半导体基体的第一材料1中的最高突起均匀和/或平滑地结束。第三材料5可以作为层施加。
可以通过化学机械抛光(CMP)进行减薄。
在表面区域9中压印的可能的结构可以是随机拓扑结构，例如粗糙表面。粗糙表面等随机拓扑已用于较大的LED。
通过具有平整化表面7的耦合输出结构A改善了光的输出耦合。为此，根据图14首先直接结构化例如LED半导体或LED原始芯片的第一材料1。
用于平整化的具有低折射率的透明的第三材料5可以是SiO2，这尤其可以通过TEOS(正硅酸乙酯)施加。
折射率，也称为折射率或光密度，以前也称为折射率，是一种光学材料特性。它是真空中光的波长与材料中波长的比值，因此也是真空中光的相速度与材料中的相速度的比值。折射率是无量纲的，它通常取决于光的频率，称为色散。光在具有不同折射率的两种介质之间的界面处发生折射和反射。折射率较大的介质称为光密介质。
低折射率尤其可以小于1.5。具有小的折射率的其他可用的材料例如是具有如折射率1.46的冕玻璃，折射率例如1.49的PMMA和折射率为例如1.46的石英玻璃。这些折射率是在钠D线的波长589nm处得出的。二氧化硅的折射率为例如1.458。也可以使用其他材料。
所有附图中相同的附图标记表示相同的特征。
图15示出了所提出的设备的第二实施例。
作为根据图15的实施例的替代，具有高折射率的透明的第二材料3可用被施加到发光二极管并且以合适的方式进行结构化，以改善光的耦合输出。具有高折射率的合适的第二材料3例如是Nb2O5。该替代方案如图15和图16所示。
高折射率尤其可以大于2。具有高折射率的其他可用材料例如是具有例如2.37的折射率的硫化锌，具有例如2.42的折射率的金刚石，具有例如2.52的折射率的二氧化钛，具有折射率为例如2.65的碳化硅和具有折射率为例如3.10的二氧化钛。这些折射率尤其是在钠D线的589nm的波长处产生的。铌(V)氧化物的折射率例如是2.3。也可以使用其他材料。
在提供器件的半导体基体的表面区域9中形成耦合输出结构A。表面区域9在此也被结构化。
与在图14中一样，通过在表面区域9上生成随机拓扑来进行表面区域9的结构化。而根据图14，通过直接粗糙化来生成随机拓扑结构。在对具有半导体基体的第一材料1的表面区域9的表面7进行表面处理之后，根据图15通过将具有高折射率、特别是大于2的透明的第二材料3附着到表面区域9并且使第二材料3粗糙化，特别是在层中形成随机拓扑。
随后通过将具有低折射率、特别是小于1.5的低折射率的透明第三材料施加、尤其分层地施加在结构化的表面区域9上。第三材料5可以作为层施加。之后使附接的具有低折射率的透明第三材料5变薄，直到结构化的表面区域9的表面7最终变得平坦和/或光滑，在具有高折射率的第二材料3中具有最高突起。
具有低的折射率的透明的第三材料5可以是SiO2，并且这特别是借助于TEOS(正硅酸乙酯)施加。可以通过化学机械抛光(CMP)来实施变薄。
图16示出了所提出的设备的实施例。
可替代地，也可以在表面区域9上生成有序的拓扑，用于结构化表面区域9。
有序的拓扑在此特别是通过将具有大折射率、特别是大于2的透明的第二材料3附接到表面区域9上，并且构造周期性光子晶体或非周期性光子结构体，特别是在层中而产生准周期或确定性非周期光子结构体，在第二材料3中执行。
可替代地，原则上可以将周期性的光子晶体或非周期性的光子结构体、特别是无周期的或确定性非周期性的光子结构体直接引入到半导体基体的第一材料1中，而无需第二材料3。可以形成具有耦合输出结构A的器件，具有低折射率的透明的第三材料5，特别是SiO2，被附接到组件的半导体的第一材料1上，并且在周期性光子晶体或非周期性光子结构体、特别是准周期或确定性非周期光子结构体中的第一材料1中可以结构化。
光子晶体由结构化的半导体、玻璃或聚合物组成，主要使用微电子技术中已知的工艺生产。通过它们的特定结构，它们迫使光以组件功能所需的方式在介质中传播。这不仅可以将光引导到波长数量级的尺寸，而且可以过滤并以波长选择性的方式反射。
这些是周期性介电结构，其周期长度设置为，以类似于半导体晶体中的周期性电位影响电子传播的方式影响电磁波的传播。因此，它们显示出独特的光学特性，例如可见光的布拉格反射。
特别是，类似于电子带结构的形成，产生光子带结构，其可以具有电磁波不能在晶体内传播的禁能区域(光子带隙，PBG＝英语：光子带隙)。从某种意义上说，光子带隙可以看作是电子半导体的光学类似物，即“光半导体”。
在结构化周期性光子晶体或非周期性光子结构体、特别是无周期或确定性非周期性的光子结构体之后，具有低折射率的透明的第三材料5特别层状地被施加到结构化的表面区域9上用于平整化。例如，借助于TEOS(正硅酸乙酯)沉积的SiO2就适用于此。然后使第三材料5变薄，直到表面7最终光滑地在具有高折射率的第二材料3中具有最高突起。
适合变薄的工艺是化学机械抛光(CMP)，以便均匀地去除具有微米和纳米范围内厚度的层。以这种方式产生的表面是平坦的和/或光滑的。粗糙度尤其在比平均粗糙度值(rms)小几纳米的范围内。所产生的平整化的表面7可以与传统使用的用于转移发光二极管的压印技术一起使用。
这样，与未处理的表面相比，可以提高耦合输出效率。因此仍然可以使用凸模技术进行转移过程。
图17示出了所提出的方法的实施例。
在第一步骤S1中，结构化提供器件的半导体基体的表面区域9，以便形成耦合输出结构A。在第二步骤S1中，对结构化的表面区域9进行平整化以获得表面区域9的平整化的表面7。平整化包括两个子步骤。
通过子步骤S2.1将具有低折射率、特别是小于1.5的透明的第三材料5尤其层状地施加到结构化的表面区域9上。
通过子步骤S2.2使附接的具有低折射率的透明的第三材料5变薄，直到结构化的表面区域9的表面7最终变得平坦和/或光滑，在半导体基体的第一材料1中或在具有高折射率的第二材料3中具有最高突起。
在第三步骤S3中，可以通过冲压技术转移设备，其中，半导体基体从平整化的表面7上剥离。
根据下面描述的所有实施例，特别是可以使用GaN，AlInGaP，AlN或InGaAs材料系统作为半导体材料。
图18的a部分和b部分示出了用于发射光的光电设备，光优选地从光出射面21垂直地出射。该装置包括具有像素的阵列11，在光出射面21的整个发射表面上形成具有光子晶体K形式的光学作用纳米结构。阵列11还包括光源的阵列状布置，这些光源分别具有位于重组平面1中的重组区域2。
重组区域2形成在阵列11的光学有源的半导体材料3的第一层中。在具有半导体材料3的层中对光子晶体或光子晶体结构K进行结构化，具体地，以二维光子晶体的形式。光子晶体K位于重组区域2和光出射面21之间。光子晶体结构K可以独立于单个像素的位置来布置，其中在所示的示例中，一个像素对应于具有一个重组区域2的一个光源。
光学作用的光子晶体结构K在空气中自由放置，或者如所示，填充有特别是电绝缘且光学透明的第一填充材料7、特别是SiO2，其具有小于半导体材料3的折射率。填充材料7优选还具有小的吸收系数。
在阵列11中，为了光源的电接触，相应光源的两个电极通过光学反射接触层5电连接。接触层5位于光学有源半导体材料3的背离光学作用的光子晶体结构K的一侧上，并且根据图1的b部分中的图示布置在下方。这种接触实现了非常强烈的局部重组区域2。为此，接触层5具有至少两个电隔离的区域，以便能够将电极彼此电分离。
可以在整个发射表面21上构造光子晶体K，使得至少近似仅具有垂直于表面21的传播方向的光可以离开该部件。如果光子晶体K接近重组平面1放置并且光子晶体K的层厚度比距重组区域2的距离大，则光产生区域中状态的光密度也会改变。
由此，用于光学模式的完整带隙能够以平行于并且以相对于阵列11的表面很小的角度生成，该阵列具有像素，并且特别是平的，也就是尤其是平坦和/或光滑的。然后完全抑制了具有平行于发射表面的传播方向的光的发射。
特别地，可以仅在由光子晶体K预定的有限的发射锥中产生光。在这种情况下，已经在光的产生水平上确保了方向性，与角度选择光学元件相比，这有效地提高了效率，因为这种元件仅影响光的出射。
光子晶体K的取向与各个像素的位置无关、特别是使得不需要像素结构相对于光子结构体K的取向并且可以处理整个晶圆表面。
如果该设备在阵列11的整个表面上的光学特性是均匀的或仅略微变化以便不干扰光子晶体K的光学环境，则是有利的。
图19的a部分和b部分分别以俯视图和横截面图示出了第二提出的光电设备。在像素化阵列11中，光子晶体K作为根据图18的a部分和b部分的实施例的替代，在由材料9、特别是Nb2O5制成的第二层中布置在由光学有源半导体材料3制成的第一层上方。材料9具有大的光学折射率，并且被布置在半导体材料3的平坦和/或光滑表面上。材料9优选还具有低吸收水平。
光子晶体K可以再次独立地由所述的材料9形成为二维光子晶体，其中空气随后位于自由空间中。如所示的，自由空间可以再次用具有较小折射率的材料7填充。可能的填充材料是例如SiO2。
该接触类似于根据图18的a部分和b部分的接触并且能够形成非常强的局部的重组区域2。
图20的a部分和b部分分别以俯视图和横截面图示出了第三提出的光电设备。示出的设备包括作为光源的竖直发光二极管13的布置和布置在位于其上的层中的二维光子晶体结构K，其在整个发射表面21下延伸并且由具有高折射率的材料9形成。结构K的自由空间又被具有较低光学折射率的填充材料7填充。
竖直发光二极管13沿着垂直于光出射面21延伸的竖直定向的纵轴具有上部和下部电触点。因此，发光二极管在前侧具有电触点并且在其后侧具有电触点。LED 13的背离光出射面21的一侧被称为后侧，而前侧朝向光出射面21。
该装置包括导电的并且反射所产生的光的接触层5，用于与LED 13背面上的触点进行电接触。为了与LED 13的正面上的触点进行电接触，提供了第三层，该第三层具有导电且光学透明的材料17，例如ITO。可以通过键合线19建立到电源的相应极的电连接。
在重组平面1中并沿着重组平面1，可以在第三层和光反射接触层5之间布置另外的、特别是电绝缘的填充材料15。
图21的a部分和b部分以俯视图和截面图示出了第四提出的光电设备。该设备包括水平发光二极管(LED)13的布置，该水平LED 13具有相应的重组区域2和在整个发射表面21下方的光学作用的二维光子晶体结构K。光子晶体结构K位于由具有最大折射率的材料9，例如Nb2O5制成的层中。自由空间又被填充有具有较低光学折射率的填充材料7，例如二氧化硅。
在水平发光二极管13的情况下，两个电触点都位于发光二极管13的后侧。LED 13的两个极都通过光反射接触层5的彼此电隔离的区域电连接。
在重组平面1的区域中，特别是电绝缘的填充材料15布置在材料层9和接触层5之间。
在根据图18的a部分至图21的b部分的设计方案中，关于光产生的效率相对较高，因为在这些实施例中，特别是当通过光子晶体K的能带结构在用于垂直于光出射面的方向中发射光的重组区域的区域中能够实现较高的光子状态密度时，则在光产生期间已经实现了光的方向性或指向性。另一个优点是，光子晶体K的结构化可以在整个晶圆上均匀地实现。不需要光子晶体相对于各个像素或发光二极管的特定定位或取向。这将显著降低制造复杂性、特别是与将结构单独放置在每个像素上方的替代方法相比时。
图22的a部分和b部分以俯视图和截面图示出了第五提出的光电设备。该设备包括像素化阵列11和光学作用的杆结构P、特别是具有在整个发射表面21上进行结构化的杆或柱的光学结构。阵列11优选地是光滑和平坦的。
像素化阵列11包括多个像素，每个像素均具有光源，该像素包括相应的重组区域2。像素的重组区域2位于重组平面1中，并且它们与光学有源的半导体材料3一起布置在第一层中。
支柱结构体P形成在该第一层之上。柱P被分配给光源，使得每个柱P被直接布置在所分配的光源的重组区域2的上方。各个柱P的纵轴L尤其穿过所分配的光源2的重组区域2的中心M。
柱P由具有高折射率的材料9构成，例如Nb2O5。具有较低折射率的填充材料7，例如二氧化硅，可以布置在柱P之间的中间空间中。
可以将柱P布置在具有光源的层上方、特别是通过在阵列11上方附加地施加柱P。可选地，可以将柱蚀刻到半导体材料3中。为此，必须将半导体材料层设计得相应高。由于半导体材料通常具有高折射率，因此能以保留柱9的方式蚀刻掉材料。通过蚀刻释放的区域可以填充有低折射率的材料。
柱P的作用类似于在纵轴L的方向上向上引导光的波导，从而柱P可以在垂直于光出射面21的方向上改善光的发射。
在阵列11的情况下，光源的两个电极通过反射性接触层5电连接，以便在光源与重组区域2之间进行电接触。接触层5形成在半导体材料3的背离光学作用柱结构P的一侧上。接触层5可以具有两个分开的区域，以便能够彼此分开地电接触两个极。这种类型的接触可实现非常强烈的局部重组区域2。
图23的a部分和b部分以俯视图和横截面图示出了第六提出的光电设备。该设备包括竖直发光二极管13(也成为LED)的布置。光学作用的支柱结构体P、特别是具有柱或杆布置在具有发光二极管13的布置的上方。柱P的纵轴L至少基本上穿过LED 13的重组区域2的中心点。
柱结构P可以在空气中自由放置或在发光二极管上方填充有特别是电绝缘且光学透明的第一填充材料7。填充材料7可以具有比柱P的材料9和/或LED 3的半导体材料3的折射率小的折射率。
如已经提到的，LED是竖直的发光二极管13。其在其朝向反射接触层5的背侧上具有特别是正电极，在朝向柱P的前侧上具有另外的电极。
在光源前侧的电极通过导电且光学透明的材料17(尤其是ITO)的一个层并通过接触线19与相应的电源(未显示)电连接。如图所示，具有材料17的层布置在光源和柱17之间。
在此，在LED 13的层中的自由空间中以及在具有材料的层17和接触层5之间可以布置第二填充材料15。
柱结构P的尺寸可以对应于发光二极管13或阵列11的像素的尺寸。
图24的a部分和b部分以俯视图和横截面图示出了第七提出的光电设备。与图23的a部分和b部分的变体相反，根据图24的a部分和b部分的设备包括水平发光二极管13的布置，其电极在发光二极管13的背侧。为了进行电接触，光源的两个电极因此可以经由反射接触层5的彼此电分离的两个区域电连接。因此，不需要如上面描述的变体中的具有垂直发光二极管的材料17的中间层。
与具有根据图18至21的光子晶体结构K的布置相比，具有柱P的变体可以使用标准技术以更简单的方式来制造，因为其具有直径高达1μm的结构尺寸或其明显更大。因此，工艺要求较低，并且高分辨率光刻足以制造柱。
由光学有源半导体材料3或具有最高可能的折射率的材料9制成的支柱结构体、特别是柱或杆，可以精确地在阵列11的各个像素上或在垂直的发光二极管13上(图23的a部分和b部分)或在水平发光二极管13上(图24的a部分和b部分)进行结构化。各个像素或发光二极管13的直径可以小于1μm，并且柱可以具有至少3：1的高度：直径的纵横比。优选地，在图22的a部分和b部分以及在图24的a部分和b部分中尽可能地将柱直接蚀刻到半导体材料3中，因为根据图23的b部分没有形成第三层17，或者它们由具有高折射率和优选较低的吸收的另外的材料9构成，其施加到阵列11的表面上。具有较高的折射率的可能的材料是例如Nb2O5。柱结构可以是独立式的，也可以填充有低折射率的材料7。具有低折射率的可能的填充材料是例如SiO2。由于柱与周围材料相比具有更大的折射率，因此与其他空间方向相比，平行于柱纵轴的发射增加了。通过波导效应，光沿柱的纵轴耦合输出的光要比其他传播方向的光更有效率。由此，可以改善发射光的方向性或指向性。
图25的a部分和b部分以俯视图和截面图示出了第八提出的光电设备。该设备包括LED 13的布置，每个LED 13设计成柱P，并且因此设计成柱的形式。
柱P的长度可以对应于半导体材料3中的发射的光的波长的一半，并且重组区域2可以优选地位于相应柱的中心M中，并且因此位于光子状态密度的局部最大值中。柱P的高度：直径纵横比可以为至少3：1。
在所示的布置中，柱P可以大约为100nm高并且仅具有大约30nm的直径。这需要非常精细地分辨的结构化技术，并且利用当前的晶圆级制造技术需要付出很大的努力来实现。
作为替代方案，可以按比例放大尺寸以简化制造，并且随着柱结构化的增加的尺寸，发射光的方向性减小。柱P的长度优选地是半导体材料中发射的光的一半波长的倍数，并且相应的重组区域2可以处于光子状态密度的最大值中。
通过发光二极管13的柱结构化，通过更大的光子状态密度有效地放大了平行于柱P的纵轴的发射。通过波导效应，沿着柱P的纵轴的传播方向的光比具有其他传播方向的光更有效地耦合输出。柱P之间的空间填充有材料7，该材料优选地具有非常低的吸收系数并且比半导体材料3具有更低的折射率。可能的具有低折射率的填充材料例如是SiO2。
通过这种构造为柱P或杆的、特别是垂直的发光二极管13的布置，为了接触在重组平面1中布置的重组区域2，相应一个特别是正极的第一极通过反射接触层5电连接。接触层5形成在LED 13的下部第一纵向端上。
相应的另一个、特别是负极的第二极电连接至导电透明材料17的第三层、特别是ITO，并且例如通过键合线19连接至电源的相应极。
根据该布置，在重组平面1中并沿着重组平面1在形成为柱P或杆的发光二极管13的纵向中心中形成第三层。
图26的a部分和b部分以俯视图和截面图示出了第九提出的光电设备。与图25的a部分和b部分的变体相反，根据图26的a部分和b部分的设备具有设计成柱的竖直LED。
位于下方的电触点、特别是p触点，在柱P的下侧上、特别是通过与接触层5接触而产生的。
位于上方的电触点、特别是n触点，位于柱P的上侧。该触点通过具有光学透明且导电的材料17的上层形成。上层在柱P和第一填充材料7上延伸，利用该第一填充材料填充柱P之间的自由空间。用于上层的可能的材料17是例如ITO(氧化铟锡)。可以通过键合线19建立到电源的连接。
发光二极管在柱P中的电接触使得能够非常强烈地局部化重组区域2，其中可以在重组区域2的水平处或在柱P的上侧形成上触点、特别是n触点。每个柱P生成一个单独的像素。
与根据图25的a部分至图26的b部分的柱状的发光二极管13的纵轴平行的光的发射增加。与具有小纵横比的常规微型发光二极管相比，这改善了发射光的方向性。与根据图22的a部分至图24的b部分的布置相比，通过根据图25的a部分至图26的b部分的布置可以显著更大地影响光的产生过程，由此可以实现高度的方向性和效率。
图27示出了另一光电组件的截面图，其中二维光子晶体K被布置在具有阵列状布置的具有重组区域2的光源的层上。光子晶体K布置得非常靠近重组区域2，以至于光子晶体K改变了存在于重组区域2区域内的状态的光密度、特别是使得至少一个带隙具有平行于传播方向和/或与光出射面21成小角度产生的光学模式和/或增加了至少一种具有垂直于光出射面21的传播方向的光学模式的态密度。
尤其可以这样实现，即光子晶体K的高度H至少为300至500nm，优选为至多1μm。光子晶体的高度H可以取决于光子晶体的高折射率材料。
另外，重组区域2的中心M与光子晶体K的下侧之间的距离A优选地至多为1μm，并且优选为几nm。
用光子晶体K描述的所有设计方案都是二维光子晶体，其在彼此垂直延伸并平行于光出射面延伸的两个空间方向上具有光学折射率的周期性变化。此外，优选地柱结构，其具有柱P或杆的阵列状布置，其中柱P的纵轴L垂直于光出射面21延伸。
此处描述的设备的可能的应用领域例如为汽车领域、所有类型的照明、娱乐电子设备、视频墙。
结合实施例和/或权利要求提及的特征也可以与其他实施例和/或权利要求结合，即使这些特征没有提及。

Claims (75)

1.一种照明单元，包括：
至少一个光电发射器单元(13)，所述光电发射器单元通过光出射面(15)发射电磁辐射(19)，和
光子结构体(17)，所述光子结构体用于在电磁辐射(19)通过所述光出射面(15)射出之前使所述电磁辐射形成射束，
其中，所述光子结构体(17)使所述电磁辐射(19)成形，从而使所述电磁辐射(19)具有确定的远场(21)。
2.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于，所述光子结构体(17)是一维的光子结构体，特别是一维光子晶体(25)。
3.根据权利要求1或2所述的照明单元，其特征在于，所述光子结构体(17)尤其设计为一维光子晶体(25)，以使发射的所述电磁辐射(19)在第一空间方向(R1)上至少近似准直。
4.根据权利要求3所述的照明单元，其特征在于，当在主辐射方向(H)上观察时，进行准直的光学件(35)布置在所述光出射面(15)的下游，其中，所述光学件(35)设计成在与所述第一空间方向(R1)正交地延伸的另外的第二空间方向(R2)上对所述电磁辐射(19)进行准直。
5.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元，其特征在于，尤其设计为一维光子晶体(25)的所述光子结构体(17)设置成，使得所述电磁辐射的主辐射方向(H)以一个相对于所述光出射面(15)的法线(N)的角度(α)延伸，其中，该角度(α)不等于零度。
6.根据权利要求5所述的照明单元，其特征在于，设计为一维光子晶体(25)的所述光子结构体(17)布置在所述光出射面(15)之下的层中，其中，所述一维光子晶体(25)具有两种材料(31，33)的在第一方向(R1)上延伸的周期性重复序列，所述两种材料具有不同的光学折射率，其中，所述两种材料(31，33)具有彼此邻接的界面，所述界面相对于所述光出射面(15)非正交地并且倾斜地延伸。
7.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于，所述光子结构体(17)是二维的光子结构体，特别是二维光子晶体(37)。
8.根据权利要求7所述的照明单元，其特征在于，所述二维的光子结构体(37)设置成使所述电磁辐射(19)在所述远场(21)中产生限定的、特别是离散的图案(39)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其特征在于，所述光子结构体(17)布置在所述光出射面(15)之下的层、特别是半导体层中，和/或
所述光子结构体(17)构造在所述光电发射器单元(13)的半导体层中，和/或
所述光电发射器单元(13)包括带转换器材料的层，并且所述光子结构体(17)构造在带转换器材料的层中或者在带转换器材料的层与所述光出射面(15)之间的层中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其特征在于，所述光子结构体(17)尤其代替光子晶体并且是无周期的或确定性非周期的光子结构体。
11.一种表面形貌识别系统，具有：
照明单元(11)，所述照明单元包括：
至少一个光电发射器单元(13)，所述光电发射器单元通过光出射面(15)发射电磁辐射(19)，和
光子结构体(17)，所述光子结构体用于在电磁辐射(19)通过所述光出射面(15)射出之前使所述电磁辐射形成射束，
其中，所述光子结构体(17)使所述电磁辐射(19)成形，从而使所述电磁辐射(19)具有确定的远场(21)，
其中，所述光子结构体(17)是二维的光子结构体，特别是二维光子晶体(37)，并且
其中，所述二维的光子结构体(37)设置成使所述电磁辐射(19)在所述远场(21)中产生限定的、特别是离散的图案(39)，并且
其中，所述表面形貌识别系统(43)还具有：
检测单元(45)，所述检测单元尤其具有相机(37)，所述检测单元设计用于检测所述远场(21)中的所述图案(39)。
12.根据权利要求11所述的表面形貌识别系统，其特征在于，所述表面形貌识别系统包括分析装置(49)，所述分析装置设计用于确定所述图案(39)相对于预设参考图案的变形。
13.根据权利要求12所述的表面形貌识别系统，其特征在于，所述分析装置(49)设计成根据确定的所述变形来设定由所述图案(39)照射的物体的形状和/或结构。
14.一种用于扫描物体的扫描器，所述扫描器包括至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的照明装置。
15.一种照明单元(1)，具有：至少一个发射器单元(2)，所述发射器单元通过光出射面(3)发射辐射；以及偏振元件(4)，所述偏振元件至少以局部连接至所述光出射面(3)，并且由所述发射器单元(2)发射的辐射的偏振和/或强度在该辐射通过时被所述偏振元件(4)改变，
其特征在于，
所述偏振元件(4)具有光子结构体。
16.根据权利要求15所述的照明单元，其特征在于，光子结构体是三维的光子结构体，和/或所述偏振元件(4)设计为层的形式，该层至少在局部布置在所述光出射面(3)上。
17.根据权利要求15或16所述的照明单元，其特征在于，所述发射器单元(2)至少具有一个发光二极管(5)。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的照明单元，其特征在于，所述发射器单元(2)具有发光二极管，所述发光二极管发出射入到所述偏振元件(4)中的光、特别是红色、绿色、蓝色、紫外或红外的光，并且所述偏振元件(4)在辐射通过所述偏振元件(4)时在一个振荡方向上偏振该辐射。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的照明单元，其特征在于，所述偏振元件(4)具有螺旋和/或柱状的结构元件(6)。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的照明单元，其特征在于，所述发射器单元(2)具有至少一个带转换器材料的转换元件(7)，所述转换器材料在被发光二极管(5)发出的激励辐射(8)激励时发出转换的辐射(9)。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的照明单元，其特征在于，所述偏振元件(4)具有至少一个三维光子晶体(11)。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的照明单元，其特征在于，所述偏振元件(4)具有至少两个二维光子晶体，所述二维光子晶体沿着穿过所述偏振元件(4)的辐射的辐射路径依次布置。
23.根据权利要求15至22中任一项所述的照明单元，其特征在于，根据穿过所述偏振元件(4)的辐射的波长，所述偏振元件(4)具有至少两个不同的偏振特性和/或透射率。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的照明单元，其特征在于，所述发射器单元(2)具有发光二极管(5)和带转换器材料的转换元件(7)，所述转换器材料在被所述发光二极管(5)发出的激励辐射(8)激励时发射转换的辐射(9)，并且入射到所述偏振元件(4)上的激励辐射(8)在穿过时由所述偏振元件(4)以与穿过的转换的辐射(9)相比不同的方式偏振和/或强烈地吸收。
25.根据权利要求15至24中任一项所述的照明单元，其特征在于，所述发射器单元(2)具有发光二极管(5)，并且所述偏振元件(4)的三维结构被至少部分地引入到所述发光二极管(5)的与所述光出射面(3)邻接的半导体层中。
26.根据权利要求15至25中任一项所述的照明单元，其特征在于，光子结构体是三维的光子结构体(11)，并且转换器材料(13)布置在三维的光子结构体(11)中。
27.一种制造照明单元(1)的方法，所述照明单元具有：至少一个发射器单元(2)，所述发射器单元通过光出射面(3)发射辐射；以及偏振元件(4)，所述偏振元件至少以局部连接至所述光出射面(3)，并且由所述发射器单元(2)发射的辐射的偏振和/或强度在该辐射通过时被所述偏振元件(4)改变，
其特征在于，
提供作为所述发射器单元(2)的具有发光二极管(5)的芯片，尤其通过双光子光刻或掠射角沉积，在所述芯片的光出射面(3)上施加作为所述偏振元件(4)的光子结构体，所述光子结构体特别是三维光子结构体，和/或将光子结构体布置在发光二极管(5)的与所述光出射面连接的半导体层中。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，根据发光二极管(5)发射的辐射的波长确定所述光子结构体的规格。
29.一种根据权利要求15至26中任一项所述的照明单元(1)在用于生成三维图像的设备中的应用。
30.根据权利要求29所述的应用，其特征在于，根据权利要求15至26中任一项所述照明单元(1)被用于计算机辅助的三维图像生成。
31.一种用于光电组件的转换元件(1)，所述转换元件具有至少一个带转换器材料的层(2)，所述转换器材料在被入射的激励辐射激励时将转换后的辐射发射到发射区域(3)中，
其特征在于，所述层(2)至少在局部具有结构体(4)，在所述结构体上至少在局部设有所述转换器材料，并且所述结构体设计用于将辐射作为定向的射束发射到所述发射区域(3)中。
32.根据权利要求31所述的转换元件，其特征在于，所述结构体(4)设计成无周期的或确定性非周期的。
33.根据权利要求31或32所述的转换元件，其特征在于，所述层(2)具有至少一个光子晶体、无周期的光子结构体或确定性非周期的光子结构体。
34.根据权利要求31至33中任一项所述的转换元件，其特征在于，所述结构体(4)具有至少一个凹槽，所述转换器材料位于所述凹槽中。
35.根据权利要求31至34中任一项所述的转换元件，其特征在于，所述层(2)具有光学带隙。
36.根据权利要求31至35中任一项所述的转换元件，其特征在于，所述结构体(4)具有至少500nm的平均厚度。
37.根据权利要求31至36中任一项所述的转换元件，其特征在于，具有所述结构体(4)的所述层(2)设计用于使定向的射束垂直于具有所述层(2)的平面地发射。
38.根据权利要求31至37中任一项所述的转换元件，其特征在于，过滤器元件(5)至少布置在所述层(2)的一侧上。
39.一种辐射源(6)，具有发光二极管(7)和根据权利要求31至38中任一项所述的转换元件(1)，其特征在于，所述发光二极管(7)设计用于将激励辐射射入到所述转换元件(1)中，并且其中，所述转换元件(1)具有至少一个带转换器材料的层(2)。
40.根据权利要求39所述的辐射源，其特征在于，所述层(2)是所述发光二极管(7)的半导体基底(8)的一部分。
41.根据权利要求39或40所述的辐射源，其特征在于，所述结构体(7)构造在所述发光二极管(7)的半导体基底(8)中。
42.根据权利要求39至41中任一项所述的辐射源，其特征在于，具有转换器材料的所述结构体(4)设计用于使转换的辐射垂直于具有半导体基底(8)的平面地发射到所述发射区域(3)中。
43.根据权利要求39至42中任一项所述的辐射源，其特征在于，所述结构体(4)至少部分地布置在所述发光二极管(7)的有源层(9)中。
44.一种制造根据权利要求39至43中任一项所述的辐射源(6)的方法，其特征在于，通过至少一个蚀刻步骤在发光二极管(7)的半导体基底(8)中形成结构体(4)。
45.根据权利要求44所述的方法，其特征在于，所述结构体(4)至少部分地以转换器材料填充。
46.一种制造设备的方法，所述设备特别是电子组件，特别是光电组件，特别是发光二极管，
其特征在于，
通过以下方式在提供所述设备的半导体主体的表面区域(9)中生成耦合输出结构(A)：
结构化(S1)所述表面区域(9)；以及
使结构化的所述表面区域(9)平整化(S2)，以获得所述表面区域(9)的平整化表面(7)。
47.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，通过在所述表面区域(9)处生成随机拓扑来结构化所述表面区域(9)。
48.根据权利要求47所述的方法，其特征在于，通过使具有第一材料(1)的半导体基体的表面区域(9)的表面(7)直接粗糙化，生成所述随机拓扑。
49.根据权利要求47所述的方法，其特征在于，通过将具有高折射率的透明的第二材料(3)尤其分层地施加到所述表面区域(9)处并使所述第二材料(3)粗糙化，生成所述随机拓扑，所述折射率尤其大于2。
50.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，通过在所述表面区域(9)处生成有序拓扑来结构化所述表面区域(9)。
51.根据权利要求50所述的方法，其特征在于，通过将具有高折射率的透明的第二材料(3)尤其分层地施加到所述表面区域(9)处，并且通过在所述第二材料(3)中结构化周期性的光子晶体或者非周期性的光子结构体、特别是无周期的或确定性非周期的光子结构体，生成所述有序拓扑，所述折射率尤其大于2。
52.根据权利要求49或51所述的方法，其特征在于，具有高折射率的透明的第二材料(3)具有Nb2O5。
53.根据权利要求46至52中任一项所述的方法，其特征在于，通过第一子步骤(S2.1)将具有低折射率的透明的第三材料(5)尤其分层地施加至结构化的表面区域(9)处，以实现平整化，该折射率尤其小于1.5。
54.根据权利要求53所述的方法，其特征在于，通过第二子步骤(S2.2)使附接的具有低折射率的透明的第三材料(5)变薄，直到结构化的表面区域(9)的表面(7)最终变得平整和/或光滑，并且在半导体基体的第一材料(1)中或在具有高折射率的第二材料(3)中具有最高的突起，从而实现平整化。
55.根据权利要求53或54所述的方法，其特征在于，具有低折射率的透明的第三材料(5)具有SiO2，并且尤其借助于TEOS(正硅酸乙酯)施加所述第三材料。
56.根据权利要求54或55所述的方法，其特征在于，通过化学机械抛光(CMP)实现变薄。
57.根据权利要求54至56中任一项所述的方法，其特征在于，通过凸模技术实施设备的转移。
58.一种设备，所述设备特别是电子组件，特别是光电组件，特别是发光二极管，
其特征在于，
通过将提供所述设备的半导体主体的表面区域(9)结构化(S1)在所述表面区域(9)中生成耦合输出结构(A)，并且
将结构化的所述表面区域(9)平整化(S2)，以获得所述表面区域(9)的平整化表面(7)。
59.根据权利要求58所述的设备，其特征在于，所述平整化表面(7)是平整的和/或光滑的并且具有粗糙度，所述粗糙度的平均粗糙度值在小于20纳米、特别是小于1纳米的范围中。
60.根据权利要求58或59所述的设备，其特征在于，所述耦合输出结构(A)在组件的半导体的粗糙化的第一材料(1)处具有低折射率的透明的第三材料(5)、特别是SiO2。
61.根据权利要求58或59所述的设备，其特征在于，所述耦合输出结构(A)在具有高折射率的粗糙化的透明的第二材料(3)、特别是Nb2O5处具有低折射率的透明的第三材料(5)、特别是SiO2，其中，所述第二材料(3)被施加在组件的半导体的第一材料(1)处。
62.根据权利要求58或59所述的设备，其特征在于，所述耦合输出结构(A)在具有高折射率的透明的第二材料(3)处具有低折射率的透明的第三材料(5)、特别是SiO2，其中，所述第二材料(3)被施加在组件的半导体的第一材料(1)处，并且所述第二材料具有周期性的光子晶体或者非周期性的光子结构体、特别是无周期的或确定性非周期的光子结构体。
63.一种光电设备，具有：
带有多个光源的装置(11)，该装置用于产生从所述光电设备的光出射面射出的光，和
至少一个光子结构体(K，P)，所述光子结构体布置在所述光出射面和多个光源之间。
64.根据权利要求63所述的光电设备，其特征在于，所述光子结构体设计用于使由所述光源产生的光形成射束，尤其使光从所述光出射面至少基本上垂直地射出。
65.根据权利要求63或64所述的光电设备，其特征在于，所述光子结构体具有光子晶体(K)。
66.根据权利要求63至65中任一项所述的光电设备，其特征在于，所述装置(11)是阵列，作为光源的所述阵列具有多个像素，所述像素布置在一个层中，并且光子晶体布置或构造在该层中。
67.根据权利要求63至65中任一项所述的光电设备，其特征在于，所述装置(11)是阵列，作为光源的所述阵列具有多个像素，所述像素布置在第一层中，并且光子晶体布置在另外的第二层中，其中，所述第二层位于所述第一层和所述光出射面之间。
68.根据权利要求63至65中任一项所述的光电设备，其特征在于，装置(11)作为光源具有多个发光二极管，所述发光二极管布置在第一层中，并且光子晶体布置在另外的第二层中，其中，所述第二层位于所述第一层和所述光出射面之间。
69.根据权利要求63至68中任一项所述的光电设备，其特征在于，每个光源都有一个重组区，并且光子晶体靠近所述重组区，以使所述光子晶体改变在所述重组区的区域中存在的光学状态密度，尤其产生用于至少一种光学模式的带隙，所述光学模式具有相对于所述光出射面平行和/或形成小角度的传播方向。
70.根据权利要求65至69中任一项所述的光电设备，其特征在于，光子晶体(K)按照平行于所述光出射面延伸的平面布置并且与光点的位置无关，和/或
光子晶体是二维光子晶体，二维光子晶体在跨越所述平面并且彼此垂直的两个空间方向上具有周期性变化的光学折射率。
71.根据权利要求63至70中任一项所述的光电设备，其特征在于，光子结构体包括多个支柱结构体(P)，所述支柱结构体至少部分地在所述光出射面与多个光源之间延伸，其中，支柱各自配属于一个光源，并且支柱在垂直于光出射面的方向上观察与光源对准。
72.根据权利要求71所述的光电设备，其特征在于，所述装置(11)是阵列，作为光源的所述阵列具有多个像素，所述像素布置在第一层中，并且支柱布置在另外的第二层中，其中，所述第二层位于所述第一层和所述光出射面之间。
73.根据权利要求71所述的光电设备，其特征在于，作为光源的所述装置(11)具有多个发光二极管，所述发光二极管布置在第一层中，并且支柱布置或构造在另外的第二层中，其中，所述第二层位于所述第一层和所述光出射面之间。
74.根据权利要求71所述的光电设备，其特征在于，所述装置(11)是阵列，作为光源的所述阵列具有多个像素，其中，像素各自由一个支柱形成。
75.一种制造光电设备的方法，所述光电设备特别是权利要求63至74中任一项中的设备，
其中，提供或制造具有多个光源的装置(11)，所述光源用于产生从所述光电设备的光出射面射出的光，并且
在所述光出射面和多个光源之间布置至少一个光子结构体(K，P)。
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