阅读说明：本技术 具有结构化层和纳米磷光体的led (LED with structured layer and nano-phosphor ) 是由 V·A·塔马 A·罗佩斯-茱莉亚 于 2018-12-21 设计创作，主要内容包括：一种器件,包括发光二极管(LED)衬底和位于来自LED衬底的发射光路径内的超分子波长转换层,该超分子波长转换层包括多个纳米颗粒,所述多个纳米颗粒被配置成增加波长转换层中的光路径长度。(A device comprising a Light Emitting Diode (LED) substrate and a supramolecular wavelength conversion layer located within an emission light path from the LED substrate, the supramolecular wavelength conversion layer including a plurality of nanoparticles configured to increase a light path length in the wavelength conversion layer.)

具有结构化层和纳米磷光体的LED

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月21日提交的第62/609,085号美国临时申请、2017年12月22日提交的第62/609,520号美国临时申请、2018年3月13日提交的第18161535.2号欧洲专利申请和2018年3月14日提交的第18161807.5号欧洲专利申请以及2018年12月20日提交的第16/228,522号美国非临时申请的权益，其通过引用被并入，如同被完全阐述一样。

背景技术

本发明涉及发光二极管（LED），并且更具体地，涉及具有结构化层和纳米磷光体的LED。典型的磷光体转换的白色LED使用磷光体转换器将蓝色泵浦光的部分下转换为其它颜色，诸如绿色、橙色和红色。通常，磷光体转换器或者是以粉末形式嵌入聚合物膜中的磷光体颗粒，或者是嵌入固体介质（诸如陶瓷或玻璃）中的磷光体颗粒。在任一配置中，磷光体转换器沉积在蓝色泵浦LED管芯之上。磷光体转换器通常包括晶体（诸如掺杂有铈、铒和其它三价镧系元素的YAG）以及最近的量子点。

使用嵌入聚合物膜中或固体介质中的粉末磷光体颗粒提出了挑战。首先，磷光体颗粒的吸收截面低，并且因此需要大量的磷光体颗粒来实现所需的转换光强度和色点。这些磷光体颗粒需要大量的体积散射剂来改善散射。另外，磷光体颗粒可以将大量蓝色泵浦光背散射回到LED管芯中。这种背散射光在管芯内被吸收，从而导致LED的效率降低。此外，主要由于膜内大的光散射，源自典型磷光体颗粒的光具有朗伯角光谱。这样的角光谱在需要定向或准直光发射的应用中不是有用的特征。

发明内容

一种器件，包括发光二极管（LED）衬底和定位在来自LED衬底的发射光路径内的超分子波长转换层，该超分子波长转换层包括多个纳米颗粒，所述多个纳米颗粒被配置成增加波长转换层中的光路径长度。

一种器件，包括发光二极管（LED）衬底和定位在来自LED衬底的发射光路径内的超分子波长转换层，该超分子波长转换层包括光子纳米结构，该光子纳米结构被配置成增加波长转换层中的光路径长度。

一种方法，包括向发光二极管（LED）的激发层提供功率以使得LED提供发射光，以及使用包括多个纳米颗粒或光子纳米结构中的至少一种的超分子波长转换层与发射光相互作用，以增加超分子波长转换层中的光路径长度。

附图说明

图1A图示了包括由嵌入在发光二极管（LED）结构之上的主体电介质中的超分子组成的超磷光体的器件；

图1B图示了图1A的超分子的配置，其包括金属/电介质结构和转换器颗粒的示例性组合；

图1C图示了包括由嵌入在LED结构之上的主体电介质中的超分子组成的超磷光体的器件；

图1D图示了图1C的超分子的配置，其包括金属/电介质结构和转换器颗粒的示例性组合；

图1E图示了使用超磷光体层与LED的光相互作用的方法；

图2A是示出一LED器件的图；

图2B是示出多个LED器件的图；和

图3是示例应用系统的图。

具体实施方式

下文将参考附图更充分地描述不同光照射系统和/或发光二极管实施方式的示例。这些示例不相互排斥，并且在一个示例中发现的特征可以与在一个或多个其他示例中发现的特征相组合，以实现附加的实施方式。因此，将理解，附图中所示出的示例仅是出于说明的目的而提供的，并且它们不意图以任何方式限制本公开。贯穿全文，相同的数字指代相同的元件。

将理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应该受这些术语的限制。这些术语可以用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且第二元件可以被称为第一元件。如本文中所使用的，术语“和/或”可以包括关联列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。

将理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为在另一元件“上”或延伸“到”另一元件“上”时，它可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反地，当元件被称为“直接在”另一元件“上”或“直接”延伸“到”另一元件“上”时，可以不存在中间元件。还将理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件和/或经由一个或多个中间元件连接或耦合到另一元件。相反地，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，在该元件和另一元件之间不存在中间元件。将理解，除了附图中所描绘的任何取向之外，这些术语还意图包含元件的不同取向。

如附图中所图示的，诸如“下面”、“上面”、“上方”、“下方”、“水平”或“垂直”的相对术语在本文中可以用于描述一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系。将理解，除了附图中所描绘的取向之外，这些术语还意图包含器件的不同取向。

半导体发光器件或光学功率发射器件，诸如发射紫外（UV）或红外（IR）光学功率的器件，属于当前可用的最高效的光源。这些器件可以包括发光二极管、谐振腔发光二极管、垂直腔激光二极管、边缘发射激光器等（以下称为“LED”和以单数形式的“LED”）。例如，由于其紧凑的尺寸和较低的功率要求，LED可能是许多不同应用的有吸引力的候选。例如，它们可以用作手持电池供电器件（诸如相机和蜂窝电话）的光源（例如，闪光灯和相机闪光灯）。例如，它们也可以用于汽车照明、平视显示器（HUD）照明、园艺照明、街道照明、视频火炬、一般照射（例如，家庭、商店、办公室和工作室照明、剧院/舞台照明和建筑照明)、增强现实（AR）照明、虚拟现实（VR）照明、如显示器的背光以及IR光谱。单个LED可以提供没有白炽光源亮的光，并且因此，多结器件或LED阵列（诸如单片LED阵列、微型LED阵列等）可以用于期望或需要更多亮度的应用。

公开了具有纳米结构化磷光体的LED，用于效率改善、光束形成和颜色调节。纳米结构可以实现为超材料、等离子体纳米结构、超分子、光子晶体等。该纳米结构化磷光体通过将LED器件的设计与光学天线结合来解决磷光体转换器的已知问题，所述光学天线与转换器材料集成并放置在LED之上。转换器材料被集成到人工结构化金属和/或电介质纳米结构中，使得组合结构（在本文中称为“超分子”和/或“超磷光体”）具有独特的、定制的光学属性。该超分子使用其中的转换器颗粒将光耦合到光学远场，并且为转换器材料添加进一步的功能（至少包括定向光发射的光束形成）。超磷光体包括嵌入在主体纳米结构化介质中的磷光体颗粒。所描述的超分子的应用还可以改善在基于激光器的照射系统（诸如激光器照射转换器膜以生成白光的那些系统）中使用的磷光体膜中的吸收。

一种器件，包括定位在来自发光二极管（LED）衬底的发射光路径内的超分子层，该层包括至少一个包括多个纳米颗粒的集成下转换器，该下转换器被配置成通过增加转换器层中的散射来增加蓝色泵浦光的吸收，增加局部光子态密度以增加该层与光子的相互作用从而增加下转换光，与发射光相互作用以控制发射光进入光学远场中的角发射图案，或者提供光束形成以引导发射光。

一种器件，包括定位在来自LED衬底的发射光路径内的超分子层，该层包括至少一个包括光子纳米结构的集成下转换器，该下转换器被配置成通过增加转换器层中的散射来增加蓝色泵浦光的吸收，增加局部光子态密度以增加该层与光子的相互作用从而增加下转换光，与发射光相互作用以控制发射光进入光学远场中的角发射图案，或者提供光束形成以引导发射光。

图1图示了器件1，其包括由嵌入在LED结构7之上的主体电介质中的超分子6组成的超磷光体层2。器件1包括超磷光体材料6的层2。该层2可以直接耦合到LED结构7和/或可以直接放置在LED结构7之上，诸如在LED的发射内。LED结构7可以包括氮化镓（GaN）或蓝宝石层的LED表面3、有源层4和布置在LED堆叠结构中的背反射器5。为了易于理解本发明，在知道相关领域的普通技术人员将理解LED内包括的其它元件的情况下，LED结构7以简化的形式呈现。

氮化镓（GaN）或蓝宝石层是半导体层或腔，并且可以采取pGaN层的形式。如相关领域的普通技术人员将理解的，GaN是通常用在发光二极管中的二元 III/V族直接带隙半导体。GaN具有有着3.4eV的宽带隙的晶体结构，这使得该材料对于光电子、高功率和高频器件中的应用是理想的。如在本示例中所使用的，GaN可以掺杂有硅（Si）或掺杂有氧以创建n型GaN，并且掺杂有镁（Mg）以创建p型GaN。有源层4是当发生电致发光时发射光的区域。

背反射器5可以采取等离子体层的形式，其包括平面金属镜、分布式布拉格反射器（DBR）和/或其它已知的LED反射器。背反射器5被设计成反射有用的方向上的漏光。

超磷光体6包括与光学天线结合的磷光体转换器材料（也称为“波长转换材料”），或者称为超分子和纳米颗粒的散射元件。光学天线可以实现为位于LED表面上或分布在主体电介质中的纳米颗粒阵列（也可以称为纳米颗粒）。光学天线可以以周期性或非周期性图案布置。超磷光体6由嵌入在主体电介质中的超分子构成。与由原子组成的化学分子类似，超分子由超原子组成，其中超原子组合在一起并相互作用，从而赋予超分子6独特的超分子6光学属性。单独超分子6的尺寸可以是亚波长，或者可以在使用波长的相同量级下形成。超磷光体层2可以仅由一种类型的超分子6构成，或者可以是不同类型的超分子6的混合物。超磷光体6可以包括周期性或非周期性的超分子6。

超分子6可以包括单个或多个下转换器纳米颗粒，诸如磷光体纳米颗粒、量子点（QD）、或者其中QD被钝化和保护的QD集合、支持感兴趣的特定频带中的表面等离子体共振的多个金属纳米颗粒、电介质材料（诸如硅、二氧化硅、二氧化钛、二氧化铝等）、化合物半导体的纳米颗粒和纳米线、以及沉积在LED表面上的转换器材料层。多个金属纳米颗粒可以使用金属形成，所述金属诸如贵金属（如金、银等）或者铝等。

超分子6被配置成使得超分子6的光学吸收光谱中的吸收峰被设计为与转换器超原子的光学吸收峰重叠。超分子6被设计成使得转换器材料对泵浦光子的吸收增加，转换器材料所经历的光子态密度增加，并且光的发射被控制到某个角度范围。这种增加提供了吸收的蓝色泵浦光的增加量，从而导致来自转换器材料的增加的光输出，这导致LED中使用的转换器材料的量的减少，具有转换器的LED的制造的简化，以及从LED器件发射的光的色点的改善。超分子6的吸收的增加也提供了转换器材料所经历的局部光子态密度的增加。这种光子态密度的增加使转换器材料与光子的相互作用增加。这导致从转换器材料发射的下转换光的增加，例如经由珀塞尔效应。

超分子6内部的电磁（光电和磁二者）场被设计成在超分子6的吸收峰处被增强，如所描述的，该吸收峰与转换器的吸收峰重叠。超分子6可以被设计成转换器超原子与高电磁场增强区域在空间上重叠。如上所述，这增加了转换器超原子对泵浦光的吸收，从而导致局部光子态密度的增加和发射的下转换光的增加。

超磷光体6还可以包括光学天线或纳米结构，其遍及主体电介质分布或放置在主体介质和LED出射表面之间的界面处。主体电介质还包括转换器材料，诸如磷光体、QD等。转换器材料的尺寸可以是比波长大得多的亚波长。纳米结构的尺寸是亚波长或波长的量级。这些纳米结构用于在转换器材料的吸收峰处散射蓝色泵浦光，从而增加蓝色泵浦光和转换器材料之间的相互作用，从而导致改善的颜色转换效率和颜色混合。这些纳米结构可以被设计成在所有方向上或在特定选择的方向上散射光。

设计超磷光体6，使得其光学属性在与转换器超原子的发射峰重叠的波长处具有共振或可控发射属性。结果，超磷光体6表现为光学天线，并且可以将转换器发射的光辐射到自由空间中，使得它满足某些发射条件。这通过调节散射超原子的结构和化学组成以便在结构内同时激发电偶极子和磁偶极子、四极和更高阶的多极子来实现。偶极子和更高阶的多极子的同时激发定制了超磷光体6的发射属性。

超磷光体6的发射属性的定制使得能够通过将转换器材料耦合到光学天线来控制由转换器材料发射的光的角发射图案（或方向性）。因为超磷光体6用作光学天线，所以可以通过调节超磷光体的属性来调节发射光的方向性。超磷光体6可以被设计成提供来自LED的以多个波长的准直光发射、由超磷光体6发射的针对不同波长的光的光束形成、由超磷光体6发射的针对不同波长的光的偏振状态的控制、以及经由以特定角度发射光的超磷光体的空间位置对LED器件的颜色关于角度（color-over-angle）属性的调节。

超磷光体6的发射属性的定制进一步使得能够基于超磷光体6抑制磷光体材料对蓝色泵浦光的背散射。这种抑制减少了发送回到LED管芯的泵浦光子，该泵浦光子在LED的半导体层和金属背接触区域中被吸收。这种对背散射泵浦光子的抑制可以改善总体LED效率。

在超磷光体6内同时激发电偶极子和磁偶极子足以抑制泵浦光子背散射回到LED管芯中。这样的超磷光体6可以使用纯电介质纳米颗粒而不使用金属构建，从而减少吸收损失。对来自磷光体的背散射的抑制也可以通过有效地“通过散射抵消隐匿”转换器超原子来实现。在特定波长下，超分子的净体积极化率可以被设计为零或接近零。以此方式，超磷光体6有效地抵消了其散射轮廓，同时仍然吸收蓝色泵浦光子。该方法可以特别适用在例如下面关于图1B描述的实施例中。这样的方法可以使用等离子体超原子来增加超磷光体6内的吸收损失。

通过允许在转换器内仅散射蓝色光子，可以增加转换器超原子的有效吸收截面。例如，这可以被设计在下面关于图1B描述的实施例中。散射超原子可以被设计成在蓝色波长区域中提供附加的散射，并且在红色/橙色/黄色/绿色光谱区域中提供较少的散射。这允许更多数量的蓝色泵浦光子被散射到转换器中，从而增加其有效吸收截面。可以减少其它有色光子到转换器中的散射。如先前所阐述的，超磷光体6还可以包括光学天线或纳米结构，其遍及主体电介质分布或放置在主体介质和LED出射表面之间的界面处。主体电介质还包括转换器材料，诸如磷光体、QD等。转换器材料的尺寸可以是亚波长或者比波长大得多。纳米结构的尺寸是波长量级的亚波长。这些纳米结构用于在转换器材料的吸收峰处散射蓝色泵浦光，从而增加蓝色泵浦光和转换器材料之间的相互作用，从而导致改善的颜色转换效率和颜色混合。这些纳米结构可以被设计成在所有方向上或在特定选择的方向上散射光。

超磷光体6可以是由金属纳米颗粒组成的纯等离子体，或者由金属和电介质纳米颗粒组成的金属电介质，或者由电介质纳米颗粒组成的纯电介质，通常是高折射率电介质。超磷光体6可以使用自顶向下或自底向上的制造方法来制造，并且可以利用纳米颗粒自组装来为制造和可伸缩性提供优势。超原子可以包括但不限于不同形状和尺寸的纳米颗粒，或者不同厚度的转换器材料层。超磷光体内的超原子可以通过包括但不限于分子连接体、DNA等的不同技术而保持在一起。可替代地，超磷光体6可以通过诸如纳米压印光刻、纳米球光刻等的自顶向下的制造技术来制造，并且使用剥离技术释放各个超分子。整个超分子6可以被诸如二氧化硅或二氧化铝的电介质封装，以防止超分子属性随时间退化。超磷光体6也可以使用自顶向下的制造技术被制造为在LED表面之上（诸如在GaN层之上或在蓝宝石层之上）的层叠材料。

图1B图示了超分子6的配置，其包括金属/电介质结构和转换器颗粒的示例性组合。可以使用纯金属或纯电介质将超分子实现为不同形状的单个纳米颗粒11。超分子可以实现为不同形状的核-壳纳米颗粒12。这些颗粒12可以包括金属/电介质核和围绕核的不同电介质/金属壳。具有不同的层和材料排序的核-壳纳米颗粒12可以是相同超分子的部分。纳米颗粒的光学属性可以通过形状、尺寸和化学组成来调节。每个个体纳米颗粒在尺寸方面都是亚波长，并且可以根据应用要求进行化学钝化。转换器颗粒可以是自组装超分子中的量子点、双曲超材料中的量子阱或掺杂的磷光体纳米晶体。

超分子6可以被实现为被多个较小尺寸的超原子围绕的发光/转换器颗粒核14。这包括具有相同物理和光学属性的超原子，以及还有在物理和光学属性上不同于其它超原子的超原子的可能性，如图1B描绘13中所示。

图1B描绘13图示了磷光体核14，其中纳米颗粒15围绕核14。例如，纳米颗粒15可以包括单个颗粒或核/壳配置，诸如具有二氧化硅核和金壳。

在描绘13中所描绘的实施方式中，通过对材料进行合适的选择，可以使超分子6对蓝色泵浦光子透明/不散射，并且通过选择超原子仅在蓝色处强散射，而在红色/橙色/黄色/绿色处不强散射（如讨论的），可以使蓝色泵浦光子在转换器纳米颗粒内部散射，以增加其有效吸收截面。

如描绘13中所描绘内容中图示的，可以使用磷光体核14或中心。该磷光体核14可以被单个纳米颗粒15围绕。例如，纳米颗粒15可以是单个的或核/壳配置，诸如具有金壳的二氧化硅核。例如，该设计可以保持在纳米颗粒和磷光体之间不导电。

在另一实施方式中，如描绘16中所示，超原子17被较小尺寸的转换器纳米颗粒18围绕。转换器纳米颗粒18可以以多层围绕超原子。此外，可以使用不同类型的超原子和转换器纳米颗粒。描绘16图示了围绕超原子17的转换器纳米颗粒18，例如磷光体。描绘16大致图示了描绘13的倒置。

在描绘16中，示出了被磷光体颗粒围绕的单个或核/壳配置。同样，核/壳可以是单个或核-壳配置。例如，核可以是二氧化硅，并且壳可以是金。

在另一实施方式中，可以形成如描绘19中所示的由多个超原子20和转换器纳米颗粒10组成的复合超分子。每个超分子可以由不同形状、尺寸和组成的不同超原子20组成。此外，不同类型的转换器可以是相同超分子的部分。转换器纳米颗粒10和超原子20可以具有相似的尺寸。描绘19表示描绘13和描绘16中图示的那些实施方式之间的混合实施方式。例如，可以存在不同的形状、多种配置。

在图1B中所示的所有实施方式中，不同类型的超原子、转换器纳米颗粒以及超原子和转换器纳米颗粒的不同组合可以用于光谱覆盖、色点调节和角发射图案调节。颗粒可以与相关联的磷光体共振调节。磷光体颗粒可以在纳米量级，诸如单纳米到几十纳米，或者甚至几百纳米。描绘13、描绘16和描绘19中的三个图示代表了可以在本发明中采用的组合类型。

图1C图示了包括超磷光体层22的器件21，超磷光体层22包括嵌入层叠纳米结构23中的转换器颗粒，层叠纳米结构23在LED结构25之上与背景电介质层24层叠。器件21包括纳米结构23的层叠。该层叠可以直接耦合到LED结构25的顶部。LED结构25可以包括以LED堆叠结构布置的氮化镓（GaN）或蓝宝石层26的LED表面、有源层27和背反射器28。为了易于理解本发明，在知道相关领域的普通技术人员将理解LED内包括的其它元件的情况下，LED结构25以简化的形式呈现。器件21可以类似于上述器件1进行操作。

氮化镓（GaN）或蓝宝石层26是半导体层或腔，并且可以采取pGaN层的形式。如相关领域的普通技术人员将理解的，GaN是通常用在发光二极管中的二元 III/V直接带隙半导体。GaN具有有着3.4eV的宽带隙的晶体结构，这使得该材料对于光电子、高功率和高频器件中的应用是理想的。如在本示例中所使用的，GaN可以掺杂有硅（Si）或掺杂有氧以创建n型GaN，并且掺杂有镁（Mg）以创建p型GaN。半导体层或有源层27是当发生电致发光时发射光的区域。

背反射器28可以采取等离子体层的形式，其包括平面金属镜、分布式布拉格反射器（DBR）和/或其它已知的LED反射器。背反射器28被设计成在有用的方向上反射漏光。

图1C图示了嵌入人工结构化光子纳米结构23的层22内的转换器纳米颗粒（纳米球、纳米线或量子阱）。这些光子纳米结构23可以采取双曲超材料（HMM）和光子晶体（PhC）的形式。HMM和PhC通常被实现为层叠电介质。在PhC配置中，这些层通常是电介质层24或材料。在HMM配置中，这些层中的至少一个是金属层。例如，各层可以配置有背景电介质层24（包括金属、纳米颗粒、HMM、电介质）和与磷光体层交替的层叠超材料23的交替层。磷光体层的进一步示例包括用于发射的2D半导体，诸如掺杂的六方和立方氮化硼和过渡金属二硫化物，诸如二硒化钼或二碲化钼，它们与层叠纳米结构一起创建超磷光体层。纳米结构23可以包括单个或多个下转换器纳米颗粒，诸如磷光体纳米颗粒、量子点（QD）、或者其中QD被钝化和保护的QD集合。

纳米结构23，即超磷光体结构，被配置成使得层叠纳米结构的光学激发光谱中的吸收峰被设计为与转换器超原子的光学激发峰重叠。可替代地，纳米结构23可以由磷光体颗粒组成，所述磷光体颗粒诸如嵌入在双曲超材料或超晶体介质中的量子点。由于双曲介质，量子点经历了光子态密度的增加，从而增加了转换光的量。此外，双曲介质的纳米图案化（包括光栅的添加）可以帮助从纳米结构23提取光。纳米结构23也可以由嵌入在电介质光子晶体中的磷光体颗粒（诸如量子点）组成。这些磷光体与各种设计的布拉格模式相互作用，从而导致转换光以及还有发射光的方向性的增加。这种增加提供了吸收的蓝色泵浦光的增加量，从而导致来自转换器材料的增加的光输出，这导致LED中使用的转换器材料的量的减少，具有转换器的LED的制造的简化，以及从LED器件发射的光的色点的改善。超分子吸收的增加也提供了转换器材料所经历的局部光子态密度的增加。这种状态的增加使转换器材料与光子的相互作用增加。例如，这导致从转换器材料发射的下转换光的增加，诸如经由珀塞尔效应。

超分子内部的电磁（光电和磁二者）场被设计成在超分子的吸收峰处被增强，如所描述的，该吸收峰与转换器的吸收峰重叠。超分子可以被设计成具有转换器超原子，该转换器超原子与高电磁场增强区域在空间上重叠。如上所述，这增加了转换器超原子对泵浦光的吸收，从而导致局部光子态密度的增加和发射的下转换光的增加。

通过将转换器材料耦合到光学天线，超分子的发射属性的定制使得能够控制转换器材料发射的光的角发射图案（或方向性）。通过使用具有双曲介质和超晶体的光栅，发射光的方向性可以通过调节超分子的属性来调节。超分子可以被设计成提供来自LED的以多个波长的准直光发射。

纳米结构23也可以使用自顶向下的制造技术被制造为在LED表面之上（诸如在GaN层之上或在蓝宝石层之上）的层叠材料。

图1D图示了嵌入在如图1C中利用的PhC和HMM中的转换器颗粒的示例配置。图1D的描绘30图示了纳米结构23和包括金属（HMM）/电介质（PhC）的另一层24的交替层，以形成转换器颗粒实施方式。纳米结构23可以是本文中讨论的发光颗粒35中的任一种，包括磷光体、QD等。转换器纳米颗粒23可以嵌入在由电介质材料构成的主体层内。另一层24可以由以HMM形式的金属（诸如金）形成，或者由以PhC形式的电介质形成。PhC/HMM的每个单位单元可以被称为超分子。描绘30中的PhC可以被称为分布式布拉格反射器（DBR），因为它是一维的PhC，尽管可以在多个维度中使用本描述。

描绘40通过向超分子添加纳米图案41而建立在描绘30的转换器颗粒实施方式的基础上。同样，如上面关于描绘30所说明和讨论的，存在纳米结构23和包括金属（HMM）/电介质（PhC）的另一层24的交替层，以形成转换器颗粒实施方式。纳米结构23可以是本文中讨论的发光颗粒35中的任一种，包括磷光体、QD等。转换器纳米颗粒23可以嵌入在由电介质材料构成的主体层内。另一层24可以由以HMM形式的金属（诸如金）形成，或者由以PhC形式的电介质形成。描绘40图示了添加到描绘30的转换器颗粒实施方式的空穴和间隙41。例如，这些空穴和间隙41可以由电介质材料形成。空穴和间隙41可以改善实施方式的光提取效率。空穴和间隙41可以结合近似所利用的波长尺寸或者更小的尺寸和间距。空穴和间隙41的图案不需要是周期性的，并且可以是一维或二维的。

描绘50图示了建立在描绘30中呈现的实施方式的基础上的另一实施方式。同样，如上面关于描绘30所说明和讨论的，存在纳米结构23和包括金属（HMM）/电介质（PhC）的另一层24的交替层，以形成转换器颗粒实施方式。纳米结构23可以是本文中讨论的发光颗粒35中的任一种，包括磷光体、QD等。转换器纳米颗粒23可以嵌入在由电介质材料构成的主体层内。另一层24可以由以HMM形式的金属（诸如金）形成，或者由以PhC形式的电介质形成。在描绘50中，通过结合附加电介质内含物51，图示了描绘30的二维PhC实施方式。这些附加的电介质内含物51被提供在上面关于描绘30描述的金属层或电介质层24中。内含物51的尺寸和间距可以小于所利用波长的一半。

描绘60中的实施例图示了根据描绘50的嵌入在PhC和HMM中的转换器颗粒的实施方式，其包括关于描绘40讨论的附加纳米图案。如关于描绘50所阐述的，存在纳米结构23（即颗粒）和包括金属（HMM）/电介质（PhC）的另一层24的交替层，以形成转换器颗粒实施方式。纳米结构23可以是本文中讨论的发光颗粒35中的任一种，包括磷光体、QD等。转换器纳米颗粒23可以嵌入在由电介质材料构成的主体层内。另一层24可以由以HMM形式的金属（诸如金）形成，或者由以PhC形式的电介质形成。另外，可以存在包括在金属层或电介质层24中的附加电介质内含物51。

描绘60图示了添加到描绘50的转换器颗粒实施方式的空穴和间隙41。例如，这些空穴和间隙41可以由电介质材料形成。空穴和间隙41可以改善实施方式的光提取效率。空穴和间隙41的尺寸和间距可以形成为近似所利用的波长尺寸或者更小。空穴和间隙41的图案不需要是周期性的，并且可以是一维或二维的。

图1E图示了使用图1A-D的超磷光体层与LED的光相互作用的方法70。方法70包括在步骤71处向LED的激发层提供功率以使LED提供发射光。方法70进一步包括在步骤72处使用超分子层与发射光相互作用。该超分子可以包括至少一个集成的下转换器，该下转换器包括多个纳米颗粒和/或光子纳米结构。方法70还可以包括以下各项中的至少一个：在步骤73处通过增加转换器层中的散射来增加蓝色泵浦光的吸收，在步骤74处增加局部光子态密度以增加该层与光子的相互作用从而增加下转换光，在步骤75处与发射光相互作用以控制发射光进入光学远场中的角发射图案，以及在步骤76处提供光束形成以引导发射光。图1E图示了方法70。本领域普通技术人员将理解，可以涉及更多或更少的步骤。另外，各步骤中的任一个都可以组合以同时执行。这些步骤的顺序也可以更改，使得各步骤中的任何一个或多个以与图1E中所图示的不同的次序执行。

图1A-E中所体现的器件和方法可以用在下面描述的任何设备和系统中，或者与下面描述的设备和系统结合使用。

图2A是示例实施例中的LED器件200的图。LED器件200可以包括一个或多个外延层202、有源层204和衬底206。在其它实施例中，LED器件可以包括波长转换器层和/或初级光学器件。如图2A中所示，有源层204可以邻近衬底206，并且当被激发时发射光。外延层202可以靠近有源层204，和/或一个或多个中间层可以在有源层204和外延层202之间。衬底206可以靠近有源层204，和/或一个或多个中间层可以在有源层204和衬底206之间。有源层204将光发射到衬底206中。

图2B示出了包括具有像素201A、201B和201C的LED阵列210的照明系统220的截面视图。LED阵列210包括像素201A、201B和201C，每个像素包括相应的衬底206B、有源层204B和外延层202B。LED阵列210中的像素201A、201B和201C可以使用阵列分割形成，或者可替代地使用拾取和放置技术形成，并且可以例如发射处于不同峰值波长（诸如红色、绿色和蓝色）的光。在一个或多个像素201A、201B和201C之间示出的间隔203可以包括空气间隙，或者可以由诸如金属材料的材料填充，该材料可以是接触部（例如，n接触部）。根据一些实施例，可以提供次级光学器件，诸如一个或多个透镜和/或一个或多个波导。

LED器件200或像素201A、201B和201C可以是单波长发射器，并且可以单独地或经由阵列供电。LED器件200或像素201A、201B和201C可以是照射系统的部分，该照射系统包括一个或多个电子板、功率模块、传感器、连接和控制模块、LED附接区域等。阵列中的像素可以基于不同的通道信号来供电，并且它们的操作可以由微控制器来确定。

图3示出了示例系统550，其包括应用平台560和LED系统552和556。LED系统552产生箭头561a和561b之间所示的光束561。LED系统556可以产生在箭头562a和562b之间的光束562。作为示例实施例，LED系统552和556可以是汽车的部分，并且可以发射红外（IR）光通信光束，使得在光束561和/或562的路径中的迎面而来的车辆能够从该汽车接收通信。在示例实施例中，系统550可以是相机闪光灯系统的移动电话、室内住宅或商业照明、诸如街道照明的室外灯、汽车、医疗设备、AR/VR设备以及机器人设备。

应用平台560可以经由功率总线经由线路565或其它适用的输入向LED系统552和/或556提供功率，如本文中所讨论的。此外，应用平台560可以经由线路565为LED系统552和LED系统556的操作提供输入信号，该输入可以基于用户输入/偏好、所感测的读数、预编程或自主确定的输出等。一个或多个传感器可以在应用平台560的外壳的内部或外部。

在各种实施例中，应用平台560传感器和/或LED系统552和/或556传感器可以收集数据，诸如视觉数据（例如，LIDAR数据、IR数据、经由相机收集的数据等）、音频数据、基于距离的数据、移动数据、环境数据等或其组合。可以基于如下操作收集数据：通过例如LED系统552和/或556来发射光学信号（诸如IR信号）并且基于发射的光学信号来收集数据。数据可以由与发射用于数据收集的光学信号的部件不同的部件来收集。继续该示例，感测装备可以位于汽车上，并且可以使用垂直腔表面发射激光器（VCSEL）发射光束。一个或多个传感器可以感测对发射光束或任何其它适用输入的响应。

已经详细描述了实施例，本领域技术人员将领会，给定本说明书，在不脱离本发明构思的精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行修改。因此，并不旨在将本发明的范围限于所图示和描述的特定实施例。