KR101197295B1 - 발광 다이오드 소자 - Google Patents

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KR101197295B1
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Abstract

발광 다이오드 소자가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 기판; 및 상기 기판 상에 형성되는 마이크로 어레이를 포함한다. 이때, 상기 마이크로 어레이는, 마이크로 사이즈(micro size)인 복수의 발광구조물이 상기 기판 상에 수평하게 매트릭스 배열되는 구조이다. 상기 발광구조물은 순차 적층된 N-형 질화물반도체층(N-GaN), 활성층(MQW) 및 P-형 질화물반도체층(P-GaN)을 포함하고, 삼각형, 육각형, 원형 및 사각형 중 어느 하나의 상면을 갖는 뿔대 형상이다. 그리고, 상기 복수의 발광구조물이 삼각형의 상면을 갖는 경우, 상기 복수의 발광구조물 중에서 어느 하나의 발광구조물 상면의 한 변은, 상기 하나의 발광구조물에 이웃하는 다른 하나의 발광구조물 상면의 한 변에 평행하다.

Description

발광 다이오드 소자{LIGHT-EMITTING DIODES}
본 발명은 발광 다이오드 소자(Light Emitting Diodes)에 관한 것이다.
질화물 반도체 발광 다이오드(이하, GaN-LED라 칭함)가 상용화 된 이래, 반도체 박막 기술, 공정 기술, 디바이스 기술의 지속적인 발전에 힘입어 GaN-LED는 성능 및 신뢰성에 비약적인 향상을 가져왔고, 휴대폰 산업의 급성장과 지속적인 고휘도, 고출력 응용 제품 출시로 발광 다이오드(Light Emitting Diodes, 이하 LED라 칭함)의 수요는 폭발적으로 증가하고 있다.
또한, GaN-LED는 종래의 백열 전구나 형광등과 같은 조명과는 달리 초소형, 저소비 전력, 고효율, 친환경 등의 많은 장점을 보유하고 있어, 최근에는 대형 LCD-TV 용 백라이트 등 중대형 디스플레이에 적용되기 시작하였고, 자동차 용 조명뿐만 아니라 일반 조명 시장으로까지 그 영역을 넓혀 나가고 있는 추세이다.
그러나, 현재까지 개발된 GaN-LED는 발광 효율, 광 출력 및 가격면에서 더욱 많은 개선이 필요하며, 특히, GaN-LED가 일반 조명으로 응용을 확대하기 위해서는 발광 효율의 개선을 통한 고휘도의 달성이 최우선 과제로 꼽히고 있다.
즉, GaN-LED 내부에서 생성된 빛이 반도체와 공기와의 굴절율 차이로 인한 내부 전반사를 발생시켜 광 추출 효율을 높이는데 문제점으로 작용하고 있으며, 이러한 문제점은 결과적으로 GaN-LED 고휘도화에 걸림돌이 되어왔다.
이에, 높은 광 추출 효율을 얻기 위하여, 기하학적으로 전반사를 깨트려서, 소자 내부에 트랩되거나 열로 바뀌는 광자를 최소화할 수 있는 구조의 LED가 요구되는 실정이다.
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 마이크로 사이즈(micro size)인 복수의 발광구조물이 기판 상에 수평하게 매트릭스 배열되는 구조의 마이크로 어레이를 포함하여, 소자 내부에서 발생하는 내부 전반사를 깨트릴 수 있어 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드 소자를 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 발광 다이오드 소자는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 기판; 및 상기 기판 상에 형성되는 마이크로 어레이를 포함한다. 이때, 상기 마이크로 어레이는, 마이크로 사이즈(micro size)인 복수의 발광구조물이 상기 기판 상에 수평하게 매트릭스 배열되는 구조이다. 상기 발광구조물은 순차 적층된 N-형 질화물반도체층(N-GaN), 활성층(MQW) 및 P-형 질화물반도체층(P-GaN)을 포함하고, 삼각형, 육각형, 원형 및 사각형 중 어느 하나의 상면을 갖는 뿔대 형상이다. 그리고, 상기 복수의 발광구조물이 삼각형의 상면을 갖는 경우, 상기 복수의 발광구조물 중에서 어느 하나의 발광구조물 상면의 한 변은, 상기 하나의 발광구조물에 이웃하는 다른 하나의 발광구조물 상면의 한 변에 평행하다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
전술한 본 발명의 발광 다이오드 소자의 과제 해결 수단 중 하나에 의한 발광 다이오드 소자는 마이크로 어레이를 포함한다. 이때, 마이크로 어레이는 마이크로 사이즈(micro size)인 복수의 발광구조물이 기판 상에 수평하게 매트릭스 배열되는 구조이다. 이로써, 발광 부위가 발광구조물의 상면뿐 아니라 발광구조물의 측면까지로 확장되므로, 입체적인 광 방출이 가능하게 되어, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 발광구조물 상면의 형상과 크기, 발광구조물의 두께, 발광구조물의 측면 각도 및 발광구조물 간의 간격을 조절하여, 광 추출 효율을 극대화할 수 있다. 여기서, 발광구조물 상면의 크기는 발광구조물 상면의 한 변의 길이 또는 발광구조물 상면에 대응한 외접원의 직경일 수 있고, 발광구조물의 측면 각도는 발광구조물의 측면이 기판의 주면에 대해 기울어진 각도일 수 있다.
삭제
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 단면을 도시한 도면이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발광구조물 상면의 형상에 대한 예시들을 나타낸 마이크로 어레이의 상면도이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서 도 2a 및 2b에 도시된 발광구조물 상면의 형상 각각에 대한 광 추출 효율을 나타내고, 일반적인 발광 다이오드의 광 추출 효율을 나타내는 그래프이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발광구조물 상면의 크기에 대한 예시들을 나타낸 마이크로 어레이의 상면도이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서 도 3a 및 3b에 도시된 발광구조물 상면의 크기 각각에 대한 광 추출 효율을 나타내고, 일반적인 발광 다이오드의 광 추출 효율을 나타내는 그래프이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발광구조물 간의 간격에 대한 예시들을 나타낸 마이크로 어레이의 상면도이다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서 도 4a 및 4b에 도시된 발광구조물 간의 간격 각각에 대한 광 추출 효율을 나타내고, 일반적인 발광 다이오드의 광 추출 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발광구조물의 두께에 대한 예시들을 나타낸 발광 다이오드 소자의 단면도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서 도 5a에 도시된 발광구조물의 두께 각각에 대한 광 추출 효율을 나타내고, 일반적인 발광 다이오드의 광 추출 효율을 나타낸 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발광구조물의 측면 각도에 대한 예시들을 나타낸 발광 다이오드 소자의 단면도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서 도 6a에 도시된 발광구조물의 측면 각도 각각에 대한 광 추출 효율을 나타내고, 일반적인 발광 다이오드의 광 추출 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서, 전류 인가에 따른 광 출력을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서, 전류 인가에 따른 광 출력 밀도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서, 전류 인가에 대한 광 출력 밀도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자와 일반적인 발광 다이오드 소자로부터 각각 추출되는 빛의 방향성을 비교한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서, 소자 종류에 대한 광속(Luminous Flux)을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
참고로, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 구성도 또는 처리 흐름도를 참고하여, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 단면을 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 사파이어(Sapphire) 기판(11), 기판 상에 형성된 제 1 N-GaN 층(12) 및 제 1 N-GaN 층(12) 상에 형성된 고휘도 마이크로 어레이를 포함한다. 여기서, 마이크로 어레이는, 복수의 발광구조물(13)이 기판 상에 수평하게 매트릭스 배열되는 구조이다. 각 발광구조물(13)은 제 1 N-GaN 층(12) 상에 연속하여 형성되는 제 2 N-GaN 층(13a), 제 2 N-GaN 층(13a) 상에 다중양자우물(MQW) 구조로 형성되는 활성층(13b), 및 활성층(13b) 상에 형성되는 P-GaN 층(13c)을 포함한다. 그리고, 각 발광구조물(13)은 마이크로 사이즈(micro size, ㎛)이고, 삼각형, 육각형, 원형 및 사각형 중 어느 하나의 상면을 갖는 뿔대 형상이다.
즉, 복수의 발광구조물(13)을 포함하는 마이크로 어레이는, 기판(11) 상에 N-GaN 층, 활성층 및 P-GaN 층을 순차 적층한 후, N-GaN 층의 일부를 노출하기까지, N-GaN 층, 활성층 및 P-GaN 층에 대해 메사(mesa) 식각 공정을 실시함으로써, 형성된다. 이때, 메사(mesa) 식각 공정 시의 식각 각도에 의해, 발광구조물(13)은 기판(11)의 주면에 경사진 측면을 갖도록 형성된다. 여기서, 발광구조물(13)의 측면이 기판(11)의 주면에 대해 기울어진 각도(150, 이하, "발광구조물의 측면 각도"로 지칭함)는 60° 내지 90°의 범위에서 선택될 수 있다.
더불어, 메사(mesa) 식각 공정 시의 식각 마스크에 따라, 발광구조물(13)의 상면(110)은 원형, 삼각형, 사각형 및 육각형 중 어느 하나일 수 있다. 이때, 발광구조물(13)이 삼각형의 상면을 가지는 경우, 복수의 발광구조물(13) 중 이웃한 두 개의 발광구조물은, 하나의 발광구조물 상면의 한 변이 다른 하나의 발광구조물 상면의 한 변에 평행하도록, 배치된다.
발광구조물(13) 상면의 크기(120, 여기서, 상면의 "크기"는 상면의 일 변의 길이, 또는 상면에 대응한 외접원의 직경을 의미함)는 4㎛ 내지 20㎛의 범위에서 선택될 수 있다.
발광구조물(13) 간의 간격(130)은 2㎛ 내지 5㎛의 범위에서 선택될 수 있다.
발광구조물(13)의 두께(140)는 1㎛ 내지 3㎛의 범위에서 선택될 수 있다. 이때, 발광구조물(13)의 두께는 메사 식각 공정 시의 식각 깊이에 대응한다.
이때, 발광구조물 상면의 형상(110), 발광구조물 상면의 크기(120), 발광구조물 간의 간격(130), 발광구조물의 두께(140), 및 발광구조물의 측면 각도(150)을 조절함으로써, 광 추출 효율을 극대화할 수 있다. 이에 대해서는 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
한편, 도 1에서 별도로 도시하고 있지 않으나, 발광 다이오드 소자는 발광구조물(13) 사이의 영역을 메우는 SiO2의 Passivation층(절연층), p-형 반도체층(13c)와 전기적으로 연결되는 P-Pad 전극 및 제 1 n-형 반도체층(12)과 전기적으로 연결되는 N-Pad 전극을 더 포함한다.
이상을 다시 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 P-Pad와 N-Pad의 전극 구성을 가지고 있는데, P-Pad 전극은 메사(Mesa) 패턴의 각 픽셀 상단부로부터 금속 층을 이루며, N-Pad 전극은 SiO2의 Passivation 층을 기준으로 식각을 통해 형성된 제 1 N-GaN 층(12)과 연결되어 있다.
더 구체적으로 설명하면 약 400 ㎛의 사파이어(sapphire) 기판 위에 4 ㎛의 N-type 질화갈륨(GaN)을 성장하고, 그 위에 활성층(Active Layer)으로써 인듐갈륨나이트라이드(InGaN) 또는 질화갈륨(GaN)으로 MQW(Multi-Quantum Well)을 구성하였으며, 그 상부에 0.15 ㎛의 P-type 질화 갈륨(GaN)을 성장 하였다.
여기에 메사(mesa) 식각 공정, 충진재 이산화규소(SiO2) 충진 및 상면 평탄화 공정, 투명 전극 증착 공정, 투명 전극 N-Pad 식각 공정, 충진재 N-Pad 식각 공정, P/N-Pad 메탈 증착 및 리프트 오프(lift-off) 공정, 패시베이션(passivation) 및 P/N-Pad 오프닝 공정을 실시한다. 이를 통해, 도 1에 도시된 바와 같이, 삼각형이고 대략 8 ㎛ 크기인 상면, 대략 2 ㎛의 간격, 대략 3 ㎛의 두께, 및 60°의 측면 각도로 형성된 복수의 발광구조물(13)이 수평하게 매트릭스 배열되는 구조로 이루어진 마이크로 어레이를 포함하여, 광 추출 효율을 높일 수 있는 발광 다이오드 소자를 제작할 수 있다.
이하, 도 2a 내지 도 2c, 도 3a 내지 도 3c, 도 4a 내지 도 4c, 도 5a와 도 5b, 및 도 6a와 도 6b를 참조하여, 도 1에 도시된 발광 다이오드 소자에 있어, 최적의 광 추출 효율을 도출하기 위한 마이크로 어레이의 구조에 대해 상세히 설명하기로 한다.
참고로, 도 2a 내지 도 2c, 도 3a 내지 도 3c, 도 4a 내지 도 4c, 도 5a와 도 5b, 및 도 6a와 도 6b는, 금형 및 포토 타입(photo type)의 제품을 만들기 전에 미리 실제품의 특성 등을 파악할 수 있는 조명 광학 전용 설계 시뮬레이터(simulator)를 사용한 것이다.
시뮬레이션 시, 전극 부분은 무시하고, 발광구조물 상면의 형상과 크기, 발광구조물 간의 간격, 발광구조물의 측면 각도, 및 발광구조물의 두께 중 어느 하나를 변화시키면서, 일반적인 발광 다이오드(도 2c, 도 3c, 도 4c, 도 5b, 도 6b에서 "Conventional"로 지칭함)와 비교하였다. 여기서, 일반적인 발광 다이오드(Conventional)는, 본 발명의 일 실시예와 달리, 마이크로 어레이를 포함하지 않고, 기판 상에 순차 적층되는 N-GaN 층, 활성층 및 P-GaN층을 포함하는 구조이다.
시뮬레이션의 세부 조건으로써, 발광구조물 상면의 형상은 원, 삼각형, 사각형 및 육각형이고, 발광구조물 상면의 크기는 대략 4 ㎛, 8 ㎛, 12 ㎛, 16 ㎛ 및 20 ㎛이며, 발광구조물 간의 간격은 대략 2 ㎛, 3 ㎛, 4 ㎛ 및 5 ㎛이고, 발광구조물의 측면 각도는 대략 60°~ 90°이며, 발광구조물의 두께는 대략 1 ㎛, 2 ㎛ 및 3 ㎛이다.
이때, 발광 다이오드 소자의 전체 크기는 실제 소자 크기와 같은 300 ㎛ × 300 ㎛ 으로 하였으며, 소자 내부 경계면에서의 프레넬 반사(Fresnel reflection)에 의한 손실(loss)을 고려하였다.
또한, 설계 된 각 층 물질의 굴절률은 청색 파장을 기준으로 GaN은 2.4, SiO2는 1.5, 사파이어(sapphire)는 1.78 그리고 공기(air)는 1로 가정하였다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발광구조물 상면의 형상에 대한 예시들을 나타낸 마이크로 어레이의 상면도이다.
도 2a 및 도 2b에서, 발광구조물의 측면 각도는 대략 60°이고, 발광구조물 상면의 크기는 대략 8 ㎛이며, 발광구조물 간의 간격은 대략 5 ㎛이고, 발광구조물의 두께는 대략 1 ㎛인 조건 하에서, 발광구조물 상면의 형상이 원, 삼각형, 사각형 및 육각형인 경우 각각에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
여기서, 삼각형은 정삼각형 또는 이등변 삼각형 등을 포함할 수 있으며, 하나의 발광 다이오드 소자에서 발광구조물 상면의 형상은 하나의 동일한 삼각형으로 일치시키는 것이 바람직하다(즉, 정삼각형과 이등변 삼각형을 혼합하여 배치하지 않는다).
특히, 도 2a에 도시된 바와 같이, 발광구조물 상면의 형상이 삼각형인 경우, 서로 이웃하는 다수 개의 발광구조물 전체에 의한 상면 형상이 육각형이 되도록, 복수의 발광구조물을 배치할 수도 있다. 이때, 이웃한 두 개의 발광구조물에 있어, 하나의 발광구조물 상면의 한 변은 다른 하나의 발광구조물 상면의 한 변에 평행하게 된다.
물론, 이 경우에도, 발광구조물의 측면 각도는 대략 60°이고, 발광구조물 상면의 크기는 대략 8 ㎛이며, 발광구조물 간의 간격은 대략 5 ㎛이고, 발광구조물의 두께는 대략 1 ㎛인 시뮬레이션 조건은 동일하다.
참고로, 발광구조물 상면의 형상이 원형인 경우, 발광구조물 상면의 크기는 상면의 직경을 의미한다. 그리고, 발광구조물 상면의 형상이 삼각형, 사각형, 및 육각형 중 어느 하나인 경우, 발광구조물 상면의 크기는 상면에 대응한 외접원의 직경을 의미하는 것일 수 있다.
또한, 발광구조물 상면의 형상에 따라, 300 ㎛ × 300 ㎛ 크기인 칩의 마이크로 어레이에 배치되는 발광구조물의 개수는 달라질 수 있다.
또한, 시뮬레이션 조건으로 ray수는 각 어레이 당 1080개, Hit수는 100회, Ray-trace 모드(mode)는 Split Rays(Reflected and Transmitted) 모드 그리고 광학적 속성(optical property)는 프레넬 반사(Fresnel reflection)에 의한 손실(loss)을 고려하였으며, 전극 부분은 무시하였다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서 도 2a 및 2b에 도시된 발광구조물 상면의 형상 각각에 대한 광 추출 효율을 나타내고, 일반적인 발광 다이오드의 광 추출 효율을 나타내는 그래프이다.
도 2c의 가로축(shape)은 발광구조물 상면의 형상을 나타내는 것으로, Circle, Triangle, Hexagonal 및 Square는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어, 발광구조물 상면의 형상이 원형, 삼각형, 육각형 및 사각형 형상인 경우를 각각 나타낸다. 그리고, Conventional은 일반적인 발광 다이오드 소자를 나타낸다. 더불어, 도 2c의 세로축(Extraction Efficiency)은 광 추출 효율을 나타낸다.
시뮬레이션에서, 발광구조물 상면의 형상을 원형, 삼각형, 사각형 및 육각형으로 하고, Far-Field Receiver를 적용하여 광 추출 효율을 측정한 결과, 도 2c에 도시된 바와 같이, 발광구조물 상면의 형상이 삼각형인 경우의 광 추출 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있다. 특히, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율은, 발광구조물 상면의 형상이 삼각형인 경우에, 일반적인 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율(Conventional)보다 최소 1.44배 이상 높은 것을 알 수 있다.
즉, 도 2c에 도시한 바와 같이, 발광구조물 상면의 형상에 관계없이, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율은 일반적인 발광 다이오드 소자(Conventional)의 광 추출 효율보다 높게 측정되었다. 그 중, 발광구조물 상면의 형상이 삼각형인 경우(Triangle)의 광 추출 효율은 다른 형상인 경우(Circle, Hexagonal, Square)보다 높게 측정되었다.
이는, 발광구조물의 형상이 삼각형인 경우는, 다른 형상인 경우보다, 적은 개수의 광자가 발광구조물 내에 속박되는 것으로도 해석될 수 있다.
즉, 발광구조물 상면의 형상이 삼각형 외 다른 형상인 경우, 전반사 현상으로 인해 마이크로 어레이 내부에 갇히는 광자(photon)들이 존재하지만, 발광구조물 상면의 형상이 삼각형인 경우에는 전반사로 인해 마이크로 어레이 내부에 갇히는 광자를 제거함으로써, 광자가 마이크로 어레이 밖으로 추출 되는 효과를 발생시킨 것이다.
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도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발광구조물 상면의 크기에 대한 예시들을 나타낸 마이크로 어레이의 상면도이다.
도 3a 및 3b에서, 발광구조물 상면의 형상은 원형이고, 발광구조물의 측면 각도는 대략 60°이며, 발광구조물의 두께는 대략 1 ㎛이고, 발광구조물 간의 간격은 대략 5 ㎛인 조건 하에서, 발광구조물 상면의 크기가 대략 4 ㎛, 8 ㎛, 12 ㎛, 16 ㎛ 및 20 ㎛인 경우 각각에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
참고로, 발광구조물 상면의 크기에 따라, 300 ㎛ × 300 ㎛ 크기인 칩의 마이크로 어레이에 배치되는 발광구조물의 개수는 각각 다를 수 있다.
또한, 시뮬레이션 조건으로 ray수는 각 마이크로 어레이 당 1080개, Hit수는 100회, Ray-trace 모드는 Split Rays(Reflected and Transmitted) 모드 그리고 광학적 속성(optical property)은 프레넬 반사(Fresnel reflection)에 의한 손실(loss)을 고려하였으며, 전극 부분은 무시하였다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서 도 3a 및 3b에 도시된 발광구조물 상면의 크기 각각에 대한 광 추출 효율을 나타내고, 일반적인 발광 다이오드의 광 추출 효율을 나타내는 그래프이다.
도 3c의 가로축(Size)은 발광구조물 상면의 크기를 나타내는 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어, 발광구조물 상면의 크기가 4㎛, 8㎛, 12㎛, 16㎛ 및 20㎛인 경우를 각각 나타낸다. 그리고, Conventional은 일반적인 발광 다이오드 소자를 나타낸다. 더불어, 도 3c의 세로축(Extraction Efficiency)은 광 추출 효율을 나타낸다.
시뮬레이션에서, 발광구조물 상면의 크기를 대략 4 ㎛, 8 ㎛, 12 ㎛, 16 ㎛ 및 20 ㎛로 하고, Far-Field Receiver를 적용하여 광 추출 효율을 측정한 결과, 도 3c에 도시된 바와 같이, 발광구조물 상면의 크기가 대략 8㎛인 경우의 광 추출 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있다. 특히, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율은, 발광구조물 상면의 크기가 대략 8㎛인 경우에, 일반적인 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율보다 최소 1.65배 이상 높은 것을 알 수 있다.
즉, 도 3c에 도시한 바와 같이, 발광구조물 상면의 크기에 관계없이, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율은 일반적인 발광 다이오드 소자(Conventional)의 광 추출 효율보다 높게 측정되었다. 그 중, 발광구조물 상면의 크기가 대략 8㎛인 경우의 광 추출 효율은, 발광구조물 상면의 크기가 대략 4㎛, 12㎛, 16㎛ 및 20㎛인 경우보다 높게 측정되었다.
한편, 앞서 도 1의 설명에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 복수의 발광구조물 및 발광구조물 사이의 영역을 메우는 이산화규소(SiO2)의 Passivation층을 포함한다. 이때, 구조상 발광구조물의 측면은 Passivation층과 접하게 되므로, 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2) 사이의 경계면이 발생하게 된다.
그런데, 시뮬레이션 결과, 발광 다이오드 소자의 마이크로 어레이에 있어서, 발광구조물 상면의 크기가 대략 4 ㎛인 경우에는, 발광구조물 상면의 크기가 8 ㎛인 경우보다, 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2) 사이의 경계면이 넓게 발생한다는 것을 확인할 수 있다.
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따라서, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자에 있어서, 발광구조물 상면의 크기가 대략 8㎛인 경우에, 가장 높은 광 추출 효율이 나타나는 이유로, 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2) 사이의 경계면에서 표면 재결합(Surface Recombination)이라는 광학적인 현상이 발생하는 것을 고려할 수 있다.
여기에서 표면 재결합 현상은 물질 사이의 표면에서 재결합으로 인한 광자의 소멸 및 열 변환을 나타내는 것으로서, 발광구조물 상면의 크기가 4㎛인 경우, 동일 너비의 마이크로 어레이에 가장 많은 개수의 발광구조물이 배치됨에 따라, 더 많은 손실이 생기므로, 발광구조물 상면의 크기가 8㎛인 경우보다, 광 추출 효율이 작게 나타난다고 할 수 있다.
이에, 본 발명의 실시예에서는 이러한 표면 재결합 현상을 적용하기 위해 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2) 경계면에 흡수율 변화를 주면서 시뮬레이션을 실행하였다.
그 결과, 경계면의 흡수율이 약 2% 정도까지는 발광구조물 상면의 크기가 대략 8 ㎛인 경우에 가장 높은 추출 효율이 측정되었고, 경계면의 흡수율이 약 5% 정도까지는 발광구조물 상면의 크기가 대략 12 ㎛인 경우에 가장 높은 추출 효율이 측정되었으며, 경계면의 흡수율이 흡수율이 약 10% 정도까지는 발광구조물 상면의 크기가 대략 16 ㎛인 경우에 가장 높은 추출 효율이 측정되었다.
실제 발광 다이오드 소자의 결과에 비추어 볼 때, 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2) 경계면에서 일어나는 표면 재결합 현상은 약 2% 정도의 흡수율을 갖는 것으로 추측할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2) 경계면의 흡수율을 2%로 하여 시뮬레이션을 수행하였다.
결국, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자는 발광구조물 상면의 크기가 대략 8 ㎛인 경우에, 광 추출 효율이 최대가 됨을 알 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발광구조물 간의 간격에 대한 예시들을 나타낸 마이크로 어레이의 상면도이다.
도 4a 및 4b에서, 발광구조물 상면의 형상은 원형이고, 발광구조물의 측면 각도는 대략 60°이며, 발광구조물의 두께는 대략 1 ㎛이고, 발광구조물 상면의 크기는 대략 8 ㎛인 조건 하에서, 발광구조물 간의 간격이 대략 2 ㎛, 3 ㎛, 4 ㎛ 및 5 ㎛인 경우 각각에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
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참고로, 발광구조물 간의 간격에 따라, 300 ㎛ × 300 ㎛ 크기인 칩의 마이크로 어레이에 배치되는 발광구조물의 개수는 각각 다를 수 있다.
또한, 시뮬레이션 조건으로 ray수는 각 어레이 당 1080개, Hit수는 100회, Ray-trace 모드는 Split Rays(Reflected and Transmitted) 모드 그리고 광학적 속성(optical property)는 프레넬 반사(Fresnel reflection)에 의한 손실(loss)을 고려하였으며, 전극 부분은 무시하였다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서 도 4a 및 4b에 도시된 발광구조물 간의 간격 각각에 대한 광 추출 효율을 나타내고, 일반적인 발광 다이오드의 광 추출 효율을 나타내는 그래프이다.
도 4c의 가로축(Space)은 발광구조물 간의 간격을 나타내는 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어, 발광구조물 간의 간격이 2㎛, 3㎛, 4㎛ 및 5㎛인 경우를 각각 나타낸다. 그리고, Conventional은 일반적인 발광 다이오드 소자를 나타낸다. 더불어, 도 3c의 세로축(Extraction Efficiency)은 광 추출 효율을 나타낸다.
시뮬레이션에서 발광구조물 간의 간격을 대략 2 ㎛, 3 ㎛, 4 ㎛ 및 5 ㎛로 하고 Far-Field Receiver를 적용하여 광 추출 효율을 측정한 결과, 도 4c에 도시된 바와 같이, 발광구조물 간의 간격이 대략 2 ㎛인 경우의 광 추출 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있다. 특히, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율은, 발광구조물 간의 간격이 대략 2 ㎛인 경우에, 일반적인 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율보다 최소 1.7배 이상의 높은 것을 알 수 있다.
즉, 도 4c에 도시한 바와 같이, 발광구조물 간의 간격에 관계없이, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율은 일반적인 발광 다이오드 소자(Conventional)의 광 추출 효율보다 높게 측정되었다. 그 중, 발광구조물 간의 간격이 대략 2㎛인 경우의 광 추출 효율은, 발광구조물 상면의 크기가 2㎛를 초과하는 대략 3㎛, 4㎛ 및 5㎛인 경우보다 높게 측정되었다.
이와 같이, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자에 있어, 발광구조물 간의 간격이 좁을수록, 더 높은 광 추출 효율이 측정됨을 알 수 있다. 이는, 활성층 면적의 증가로 인해 나타난 결과이다. 즉, 칩의 한정된 면적에서, 발광구조물 간의 간격이 좁아질수록, 발광구조물 상면의 크기는 커질 수 있어, 결국, 활성층의 면적이 증가하게 되므로, 활성층에서 생성되는 광이 증가될 수 있기 때문이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발광구조물의 두께에 대한 예시들을 나타낸 발광 다이오드 소자의 단면도이다.
도 5a에서, 발광구조물 상면의 형상은 원형이고, 발광구조물 상면의 크기는 대략 8 ㎛이며, 발광구조물의 측면 각도는 대략 60°이고, 발광구조물 간의 간격은 대략 5 ㎛인 조건 하에서, 발광구조물의 두께가 대략 1 ㎛, 2 ㎛ 및 3 ㎛인 경우 각각에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
참고로, 발광구조물 상면의 크기 및 발광구조물 간의 간격이 동일하기 때문에, 발광구조물의 두께에 관계없이, 300 ㎛ × 300 ㎛ 크기인 칩의 마이크로 어레이에 배치되는 발광구조물의 개수는 일정하다.
또한, 시뮬레이션 조건으로 ray수는 각 어레이 당 1080개, Hit수는 100회, Ray-trace 모드(mode)는 Split Rays(Reflected and Transmitted) 모드 그리고 광학적 속성(optical property)는 프레넬(Fresnel reflection)에 의한 손실(loss)을 고려하였으며, 전극 부분은 무시하였다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서 도 5a에 도시된 발광구조물의 두께 각각에 대한 광 추출 효율을 나타내고, 일반적인 발광 다이오드의 광 추출 효율을 나타낸 그래프이다.
도 5b의 가로축(Depth)은 발광구조물의 두께를 나타내는 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어, 발광구조물의 두께가 1㎛, 1.5㎛, 2㎛, 2.5㎛ 및 3㎛인 경우를 각각 나타낸다. 그리고, Conventional은 일반적인 발광 다이오드 소자를 나타낸다. 더불어, 도 5b의 세로축(Extraction Efficiency)은 광 추출 효율을 나타낸다.
시뮬레이션에서 발광구조물의 두께를 대략 1 ㎛, 2 ㎛ 및 3 ㎛로 하고 Far-Field Receiver를 적용하여 광 추출 효율을 측정한 결과, 도 5b에 도시된 바와 같이, 발광구조물의 두께가 대략 3 ㎛일 때 광 추출 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있다. 특히, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율은, 발광구조물의 두께가 대략 3 ㎛인 경우에, 일반적인 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율보다 최소 1.7배 이상의 높은 것을 알 수 있다.
즉, 도 5b에 도시한 바와 같이, 발광구조물의 두께에 관계없이, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율은 일반적인 발광 다이오드 소자(Conventional)의 광 추출 효율보다 높게 측정되었다. 그 중, 발광구조물의 두께가 대략 3㎛인 경우의 광 추출 효율은, 발광구조물의 두께가 3㎛ 미만인 대략 1㎛, 1.5㎛, 2㎛ 및 2.5㎛인 경우보다 높게 측정되었다.
이와 같이, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자에 있어, 발광구조물의 두께가 두꺼울수록 더 높은 광 추출 효율이 측정됨을 알 수 있다. 이는, 활성층을 나온 빛(광)이 더 넓어진 발광구조물의 측면으로 인해 전반사가 깨져 보다 좋은 효과가 나타난 것이다. 즉, 발광구조물의 두께가 두꺼울수록 발광구조물의 측면 너비가 넓어지게 되어, 활성층에서 생성된 광 중 더 많은 양의 광에 대해 전반사를 깨트릴 수 있기 때문이다.
또한, 발광구조물의 두께가 두꺼워질수록, Passivation층의 두께도 함께 두꺼워지게 되므로, Passivation층을 형성하도록 발광구조물 사이의 영역에 이산화규소(SiO2)를 충진하는 공정 이후의 상면 평탄화 공정을 용이하게 수행할 수 있어, 광 추출 효율이 높아질 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발광구조물의 측면 각도에 대한 예시들을 나타낸 발광 다이오드 소자의 단면도이다.
도 6a에서, 발광구조물 상면의 형상은 원형이고, 발광구조물 상면의 크기는 대략 8 ㎛이며, 발광구조물 간의 간격은 대략 5 ㎛이고, 발광구조물의 두께는 대략 1 ㎛인 조건 하에서, 발광구조물의 측면 각도가 대략 60°~ 90°인 경우에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
참고로, 발광구조물 상면의 크기 및 발광구조물 간의 간격이 동일하기 때문에, 발광구조물의 측면 각도에 관계없이, 300 ㎛ × 300 ㎛ 크기인 칩의 마이크로 어레이에 배치되는 발광구조물의 개수는 일정하다.
또한, 시뮬레이션 조건으로 ray수는 각 어레이 당 1080개, Hit수는 100회, Ray-trace 모드(mode)는 Split Rays(Reflected and Transmitted) 모드 그리고 광학적 속성(optical property)은 프레넬 반사(Fresnel reflection)에 의한 손실(loss)을 고려하였으며, 전극 부분은 무시하였다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서 도 6a에 도시된 발광구조물의 측면 각도 각각에 대한 광 추출 효율을 나타내고, 일반적인 발광 다이오드의 광 추출 효율을 나타낸 그래프이다.
도 6b의 가로축(Angle)은, 발광구조물의 측면이 기판의 주면에 대해 기울어진 정도인 발광구조물의 측면 각도를 나타내는 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어, 발광구조물의 측면 각도가 60°, 65°, 70°, 75°, 80°, 85° 및 90°인 경우를 각각 나타낸다. 그리고, Conventional은 일반적인 발광 다이오드 소자를 나타낸다. 더불어, 도 6b의 세로축(Extraction Efficiency)은 광 추출 효율을 나타낸다.
시뮬레이션에서, 발광구조물의 측면 각도를 대략 60°?90°로 하고, Far-Field Receiver를 적용하여 광 추출 효율을 측정한 결과, 도 6b에 도시된 바와 같이, 발광구조물의 측면 각도가 대략 60°일 때 광 추출 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있다. 특히, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율은, 발광구조물의 측면 각도가 대략 60°인 경우에, 일반적인 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율보다 최소 1.3배 이상의 높은 것을 알 수 있다.
즉, 도 6b에 도시한 바와 같이, 발광구조물의 측면 각도에 관계없이, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율은 일반적인 발광 다이오드 소자(Conventional)의 광 추출 효율보다 높게 측정되었다. 그 중, 발광구조물의 측면 각도가 대략 60°인 경우의 광 추출 효율은, 발광구조물의 측면 각도가 60°초과인 대략 65°, 70°, 75°, 80°, 85° 및 90°인 경우보다 높게 측정되었다.
참고로, 도 6b에서, 발광구조물의 측면 각도가 대략 75°인 경우, deep 현상이 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는, 활성층에서 방출된 광자(photon)들이 전반사에 의해서 기판 측으로 이동한 후 다시 발광구조물 내부로 유입되는 경우, 기하학적인 현상에 의해서 광자들이 소자 내부에 갇히는 현상이 일어난다고 추측 할 수 있다.
따라서, 실제 소자 제작 시, 발광구조물의 측면 각도가 대략 75° 전후인 경우는 피하는 것이 바람직하다.
이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여, LED 광/전기적 특성 측정 시스템을 이용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 광 출력 및 광 출력 밀도를 측정한 결과를 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서, 전류 인가에 따른 광 출력을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7의 그래프는, 본 발명의 일실시예와 같이 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자(도 7에서 "본 발명 LED"으로 표시함), 및 마이크로 어레이를 포함하지 않는 일반적인 발광 다이오드 소자(도 7에서 "일반적인 LED"으로 표시하고, 이하에서 "일반적인 LED"라 지칭함) 각각에 있어, 입력 전류(Input Current)에 따른 광 출력(Optical Power)을 측정한 결과이다.
도 7에서 보는 것과 같이, 입력 전류가 40 ㎃ 이하인 경우, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자(본 발명 LED)의 광 출력과, 일반적인 LED의 광 출력은 사실상 비슷한 것을 알 수 있다.
이는, 저전류 인가 시, 마이크로 어레이를 포함 여부에 관계없이, 활성층 중 전류가 흐르는 유효 영역의 면적이 크지 않기 때문이다.
반면, 입력 전류가 커질수록, 활성층의 유효 영역이 넓어지게 된다. 이에, 입력 전류가 100 ㎃인 경우, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자(본 발명 LED)의 광 출력은 일반적인 LED의 광 출력보다 약 1.5배 높게 나타남을 알 수 있다.
더불어, 입력 전류의 증가에 따라, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자(본 발명 LED)의 광 출력은 선형적으로 증가함, 및 높은 전류 인가 시에도, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자(본 발명 LED)의 광 출력이 저하되지 않음을 알 수 있다.
즉, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자(본 발명 LED)는, 일반적인 LED보다 전반사 조건을 완화시킬 수 있어, 광 추출 효율(Extraction Efficiency)을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서, 전류 인가에 따른 광 출력 밀도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8의 그래프는 일반적인 구조의 LED 칩과, 마이크로 어레이의 직경이 대략 4 ㎛, 8 ㎛, 16 ㎛, 20 ㎛인 구조를 이루는 LED 칩에서 전류 인가에 대한 광 출력 밀도(Optical power density) [mW/㎟]를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 8의 그래프는, 일반적인 LED의 광 출력 밀도(Optical power density, [mW/㎟])를 측정한 결과와 함께, 마이크로 어레이를 포함하는 발광다이오드 소자에 있어, 발광구조물 상면의 크기가 대략 4 ㎛, 8 ㎛, 16 ㎛ 및 20 ㎛인 경우(도 8에서, "Circle D=4㎛", "Circle D=8㎛", "Circle D=16㎛" 및 "Circle D=20㎛"으로 각각 표시함)의 광 출력 밀도(Optical power density, [mW/㎟])를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 여기서, 발광구조물 상면의 형상은 원형인 것으로 가정하고, 이에, 발광구조물 상면의 크기는 발광구조물 상면의 직경이 된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 입력 전류 및 발광구조물 상면의 크기에 관계없이, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자("Circle D=4㎛", "Circle D=8㎛", "Circle D=16㎛" 및 "Circle D=20㎛")는, 일반적인 LED보다 높은 광 출력 밀도를 나타낸다.
그리고, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자에 있어, 발광구조물 상면의 크기가 8㎛인 경우(Circle D=8㎛)에, 발광구조물 상면의 크기가 대략 4 ㎛, 16 ㎛ 및 20 ㎛인 경우보다, 80 mA 이상의 입력전류에 대응하는 광 출력 밀도가 높다.
즉, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자에 있어, 발광구조물 상면의 크기가 대략 8 ㎛ 인 경우(Circle D=8㎛)에, 100 mA의 입력전류에 대응하는 광 출력 밀도가 대략 187 mW/㎟으로 가장 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
이는, 발광구조물 상면의 크기에 따른 활성층의 발광 유효 면적의 변화, 및 그로 인한 광 출력의 변화, 그리고, 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2)사이에서 발생하는 표면 재 결합(Surface Recombination) 현상으로 인한 광자(Photon)의 손실이 적용된 실제 측정값을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서, 전류 인가에 따른 광 출력 밀도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9의 그래프는 일반적인 LED의 광 출력 밀도를 측정한 결과와 함께, 마이크로 어레이를 포함하는 발광다이오드 소자에 있어, 발광구조물 상면의 형상이 원형, 삼각형, 사각형 및 육각형인 경우(도 9에서, "circle D=8㎛", "Triangle A=8㎛", "Square A=8㎛" 및 "Hexagonal A=8㎛"으로 각각 표시함)의 광 출력 밀도(Optical power density, [mW/㎟])를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
이때, 발광구조물 상면의 크기는 8㎛인 것으로 가정한다. 즉, 발광구조물 상면의 형상이 원형인 경우, 발광구조물 상면의 크기는 원형의 직경이고, 발광구조물 상면의 형상이 삼각형, 사각형 및 육각형 중 어느 하나인 경우, 발광구조물 상면의 크기는 상면에 대응한 외접원의 직경이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 입력 전류 및 발광구조물 상면의 형상에 관계없이, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자는, 일반적인 LED보다 높은 광 출력 밀도를 나타낸다.
그리고, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자에 있어, 발광구조물 상면의 형상이 삼각형인 경우(Triangle A=8㎛)에, 발광구조물 상면의 형상이 원형, 사각형 및 육각형인 경우보다, 20mA 내지 120mA의 입력 전류에 대응하는 광 출력 밀도가 높다.
즉, 일반적인 LED에 있어, 100 mA의 입력전류에 대응하는 광 출력 밀도는 19 mW/㎟ 으로 나타난다. 반면, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자에 있어, 100 mA의 입력전류에 대응하는 광 출력 밀도는, 발광구조물 상면의 형상이 삼각형인 경우(Triangle A=8㎛)에 273 mW/㎟로 가장 높게 나타나고, 그 다음으로, 발광구조물 상면의 형상이 육각형인 경우(Hexagonal A=8㎛), 원형인 경우(circle D=8㎛), 및 사각형인 경우(Square A=8㎛) 순으로, 각각 225 mW/㎟, 187 mW/㎟, 92 mW/㎟로 나타난다. 이로써, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자는 일반적인 LED보다 높은 광 추출 효율을 나타냄을 알 수 있다.
결론적으로 위 측정 결과들로부터, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자는 일반적인 LED보다 높은 광 출력을 낼 수 있음을 알 수 있다. 그리고, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자에 있어, 발광구조물 상면의 크기가 대략 8 ㎛이고, 발광구조물 상면의 형상이 삼각형인 경우, 광자의 재흡수 및 손실을 줄이고 전반사 조건을 완화시켜 광 추출 효율을 높임으로써 높은 출력을 낼 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자와 일반적인 발광 다이오드 소자로부터 각각 추출되는 빛의 방향성을 비교한 도면이다.
도 10은 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자(본 발명 LED)와 일반적인 발광 다이오드 소자(일반적인 LED) 각각의 빛 추출 모양을 나타낸 것으로서, 일반적인 LED의 경우, 보통 빛의 방사각이 대략 120° 정도로 빛이 퍼지는 현상이 나타나지만, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자(본 발명 LED)의 경우, 대략 100° 정도의 방향성을 가지는 방사각이 나타난다.
이러한 마이크로 어레이를 포함한 발광 다이오드 소자의 특징을 이용해 디스플레이에 적용 한다면 일반적인 LED보다 좋은 효과를 기대할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 있어서, 소자 종류에 대한 광속(Luminous Flux)을 나타낸 그래프이다.
도 11에서는, 일반적인 LED 칩과, 마이크로 어레이를 포함하는 구조의 발광 다이오드 칩(본 발명 LED 칩) 주변에 일반적으로 쓰이는 황색 형광체(Yellow phosphor)를 도포하여 백색(White) LED를 제작하였으며, 일반적인 LED의 광속과, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자(본 발명 LED)의 광속을 비교하였다.
시뮬레이션 결과, 일반적인 LED 칩을 이용한 백색 LED의 경우 대략 106.92 Lumen 정도의 광속이 측정 되었으며, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 칩(본 발명 LED 칩)을 이용한 백색 LED의 경우 대략 131.4 Lumen 정도의 광속이 측정 되었다.
또한, 광도(Luminous Intensity)의 경우도 일반적인 LED와, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드(본 발명 LED)에서 각각 8.51 candela, 10.41 candela가 측정 되었다.
이는, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자(본 발명 LED)가 일반적인 LED보다 약 23% 정도 증가한, 보다 좋은 휘도를 갖는다는 것을 나타낸다.
이상 전술한 바와 같이, 시뮬레이션을 통해서 여러 가지 방법으로 조건들을 변화시켜가며, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자의 광 추출 효율성을 측정하였다.
다시 정리하면, 첫 번째로, 발광구조물 상면의 크기에 따른 광 추출 효율 비교에서, 발광구조물 상면의 크기가 대략 8 ㎛일 때 대략 56.1%의 가장 높은 광 추출 효율을 보였으며, 이는 소자 내부에서 일어날 수 있는 표면 재결합(Surface Recombination) 현상으로 흡수율 2%를 적용하여 나타난 결과이다.
두 번째로, 발광구조물 간의 간격에 따른 광 추출 효율 비교에서, 발광구조물 간의 간격이 대략 2 ㎛일 때 대략 63.8%의 가장 높은 광 추출 효율을 보였으며, 이는 활성층의 면적이 증가하여, 보다 좋은 효과가 나타난 결과이다.
세 번째로, 발광구조물의 두께에 따른 광 추출 효율 비교에서, 발광구조물의 두께가 대략 3 ㎛일 때 대략 70.6%의 가장 높은 광 추출 효율을 보였으며, 이는 활성층을 나온 빛이 더 넓어진 발광구조물의 측면으로 인해 전반사가 깨져서 보다 좋은 효과가 나타난 결과이다.
네 번째로, 발광구조물의 형상에 따른 광 추출 효율 비교에서, 발광구조물의 형상이 삼각형 일 때 대략 58.7%의 가장 높은 광 추출 효율을 보였으며, 이는, 발광구조물의 형상이 삼각형이 아닌 다른 형상인 경우, 전반사 현상으로 인해 내부에서 갇히는 광자(photon)들이 존재하지만, 발광구조물의 형상이 삼각형인 경우에는 내부에서 전반사로 인해 갇히는 광자를 제거함으로써, 광자가 소자 밖으로 추출 되는 효과를 증가시켰기 때문이다.
다섯 번째로, 발광구조물의 측면 각도에 따른 광 추출 효율 비교에서, 발광구조물의 측면 각도가 대략 60°일 때, 대략 56.1%의 가장 높은 광 추출 효율을 보였다.
그리고, 일반적인 LED와, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자(본 발명 LED)의 빛 추출 방향성의 비교에서, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 소자는 대략 100°의 방향성을 가지며, 이를 디스플레이에 적용한다면 보다 좋은 효과를 보일 수 있을 것이라는 예상을 할 수 있었다.
마지막으로, 백색 LED의 시뮬레이션을 수행한 결과, 일반적인 LED 칩을 사용한 것 보다, 마이크로 어레이를 포함하는 발광 다이오드 칩을 사용한 경우, 대략 23% 정도 향상된 광속(Luminous Flux)과 광도(Luminous Intensity)가 측정된 것을 확인하였다.
결과적으로, 시뮬레이션을 통해서, 광 추출 효율을 향상시키는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 구조에 있어, 최적의 마이크로 어레이 구조를 확인할 수 있으며, 최적의 마이크로 어레이 구조는, 발광구조물 상면의 크기가 대략 8 ㎛이고, 발광구조물 간의 간격이 대략 2 ㎛이며, 발광구조물의 두께가 대략 3 ㎛이고, 발광구조물의 측면 각도가 대략 60°이며, 발광구조물 상면의 형상이 삼각형인 경우이다.
삭제
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 발광구조물 상면의 형상
120 : 발광구조물 상면의 크기
130 : 발광구조물 간의 간격
140 : 발광구조물의 두께
150 : 발광구조물의 측면 각도

Claims (6)

  1. 발광 다이오드(LIGHT EMITTING DIODE) 소자에 있어서,
    기판; 및
    상기 기판 상에 형성되는 마이크로 어레이를 포함하되,
    상기 마이크로 어레이는, 마이크로 사이즈(micro size)인 복수의 발광구조물이 상기 기판 상에 수평하게 매트릭스 배열되는 구조이고,
    상기 발광구조물은 순차 적층된 N-형 질화물반도체층(N-GaN), 활성층(MQW) 및 P-형 질화물반도체층(P-GaN)을 포함하고, 삼각형, 육각형, 원형 및 사각형 중 어느 하나의 상면을 갖는 뿔대 형상이며,
    상기 복수의 발광구조물이 삼각형의 상면을 갖는 경우, 상기 복수의 발광구조물 중에서 어느 하나의 발광구조물 상면의 한 변은, 상기 하나의 발광구조물에 이웃하는 다른 하나의 발광구조물 상면의 한 변에 평행하는 발광 다이오드 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광구조물 상면의 크기는 7 ㎛ 내지 9 ㎛인 발광 다이오드 소자.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 발광구조물 중 이웃하는 두 개의 발광구조물 간의 간격은 1.5 ㎛ 내지 2.5 ㎛인 발광 다이오드 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 발광구조물의 두께는 2.5 ㎛ 내지 3.5 ㎛인 발광 다이오드 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 발광구조물은 상기 기판의 주면에 경사진 측면을 포함하고,
    상기 발광구조물 측면과 상기 기판 사이의 각도는 60°인 발광 다이오드 소자.
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