KR101584102B1 - 광 결정 ｌｅｄ - Google Patents

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KR101584102B1
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마르쿠스 에이. 베르슈렌
헨드릭 에이. 반 스프랑
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

광의 생성을 위해 액티브 영역(4) 양단에 전압을 인가하기 위한 제1 및 제2 전극(40, 11), 발광 표면(6), 및 복수의 광 결정들(101, 102)을 포함하는 반도체 발광 다이오드(1, LED)가 제공된다. 또한, 제1 및 제2 타입의 적어도 2개의 광 결정들(101, 102)은 액티브 영역(4)으로부터 광을 추출하고 적어도 하나의 격자 파라미터에 대해 서로 상이하도록 적응된다. 적어도 2개의 광 결정들(101, 102)의 각각은 각각의 원계 패턴과 연관되고, 상기 복수의 광 결정들(101, 102)의 배열은 상기 적어도 2개의 광 결정들(101, 102)을 배열하도록 제공된다. 이와 같이, 원계 패턴은 상기 적어도 2개의 광 결정들(101, 102)의 각각과 연관된 각각의 원계 패턴을 조합함으로써 생성된다.

Description

광 결정 ＬＥＤ{PHOTONIC CRYSTAL LED}
본 발명은 광 결정들을 포함하는 발광 다이오드에 관한 것이다.
오늘날 현대 사회에서, 가시광을 방출하는 발광 다이오드들의 이용은 널리 퍼져 있다. 발광 다이오드들의 응용들은 출구 표지들 또는 비상구 표지들과 같은 발광 표지들, 브레이크 라이트들과 같은 차량용 라이트들, 대규모 비디오 디스플레이들에 대한 백라이트 조명 및 선반들과 같은 가구를 위한 조명 시스템들을 포함한다. 그러나, 프로젝션 소스들 또는 차량 헤드램프들과 같은 응용들에 대한 발광 다이오드들의 이용은, 일반적인 발광 다이오드의 방출 각도가 넓다는 사실 때문에, 덜 급격하게 성장하고 있다. 이들 응용들에 대해, 고도로 콜리메이팅된(collimated) 광을 가지는 광원을 이용하는 것이 바람직하다.
다수의 발광 다이오드(LED)들은 나쁜 추출 효율을 경험하고, 즉 LED에서 생성되는 광에 비해 발광 다이오드(LED)로부터 탈출하는 광의 양이 작다. LED들의 공통적인 문제점은, LED 재료내의 광의 내부 전반사가 광이 LED 내에 트랩되도록 하고 따라서 광이 LED로부터 탈출하지 못한다는 점이다. 내부 전반사의 하나의 원인은 발광 재료와 공기 사이에 큰 굴절율의 차이가 있기 때문이다. LED 내에 트랩되는 광은 결국 흡수되어 손실될 것이다. 내부 전반사로 인해 트랩되는 광의 양을 줄이기 위해, 추출 효율을 증가시키기 위한 방법이 제안되었다. 방법은 LED의 발광 표면에 거칠어진 영역들을 제공함으로써 개선된 추출 효율을 달성한다. 추출 효율의 더 추가적인 개선은 LED 재료 내에 주기적인 구조를 제공함으로써 달성되었다. 주기적인 구조의 예는 광 결정(PC)이다. LED의 액티브 영역에 근접하여 광 결정을 배열함으로써, 추출 효율의 개선이 얻어진다. 광 결정은 광을 일정 각도로 회절시키는 갭들(또는 캐비티들)을 형성한다. 이론적인 모델링의 목적상, LED의 광 방출(방사 필드)은 액티브 층 및 광 결정 구조 근처의 전계를 포함하는 근계(near field), 및 LED로부터 (더 이격되어) 관찰되는 실제 광 방출에 대응하는 원계(far field)로 분할된다. 광 결정 구조를 가지고 있는 다수의 발광 다이오드들의 문제는, LED의 원계 방출이 더 밝거나 및/또는 더 어두운 스폿들, 도트들 등의 규칙적인 패턴을 표시한다는 점이다.
미국-특허 출원서 제2005/0173714 A1호에서, 고체상태 조명 시스템의 에피택셜 구조가 개시되어 있다. 고체상태 조명 시스템은 층에 주입된 전류에 응답하여 광을 방출하는 액티브 층, 액티브 층에 인접한 제1 구조 - 이 구조 및 액티브 층은 액티브 층에 의해 생성된 광을 트랩하고 광을 액티브 층에 평행하도록 유도(guide)하도록 배열됨 -, 및 제1 구조에 의해 트랩된 광을 추출하도록 하는 가이드 층의 상부 상에 배열되는 제2 구조 - 제2 구조는 상이한 파라미터들을 구비하는 복수의 광 결정 어레이들을 포함함 -를 포함한다. 또한, 각 조명 시스템에는 다수의 광 결정 셀들이 있다. 하나의 실시예에 따르면, 하나의 칩에서 광 결정 셀들 및 전극들의 기하학적 형태는 정사각형 셀들의 형태로 배열된다. 각 셀들은 투명하지 않은 전극을 가지고 있고, 광 추출을 위한 광 결정을 포함한다. 제2005/0173714 A1호에 개시된 고체상태 조명 시스템의 목적은 개선된 추출 효율을 제공하는 것이다.
이러한 타입의 고체상태 조명 시스템에서, 광 결정 셀들은 조명 시스템의 표면에 대해 반복된다. 그러한 고체상태 조명 시스템의 단점은, 복수의 광 결정 셀들로부터 유출되는 조합된 원계 패턴이 일정하지 않을 수 있다, 즉 원계 패턴이 밝은 스폿들, 도트들, 원들 등을 가질 수 있다는 점이다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 상기 언급된 문제들 중 적어도 일부를 완화시키는 것이다.
이러한 목적은 독립 청구항 1에 제시된 바와 같은 발광 다이오드에 의해 충족된다. 특정 실시예들은 종속 청구항들에 정의된다.
본 발명의 양태에 따르면, 액티브 영역 양단에 전압을 인가하기 위한 제1 및 제2 전극을 포함하는 반도체 발광 다이오드(LED)가 제공된다. 액티브 영역은 광의 생성을 위해 제1 타입 반도체 층과 제2 타입 반도체 층의 사이에 배치된다. LED는 광을 방출하기 위한 발광 표면, 및 액티브 영역과 발광 표면 사이에 배치된 복수의 광 결정들을 더 포함한다. 상기 복수의 광 결정들 중에서 선택된 제1 및 제2 타입의 적어도 2개의 광 결정들은 상기 액티브 영역으로부터 광을 추출하도록 적응되고 적어도 하나의 격자 파라미터와 관련하여 서로 상이하다. 상기 적어도 2개의 광 결정들 각각은 각각의 원계 패턴과 연관된다. 또한, 상기 복수의 광 결정들의 배열은, LED에 생성된 광으로부터의 전체 원계 패턴이 상기 적어도 2개의 광 결정들 각각과 연관된 상기 각 원계 패턴들을 조합함으로써 생성되도록, 상기 적어도 2개의 광 결정들을 배열하도록 제공된다.
본 발명의 하나의 아이디어는 서브-영역들로 분할되는 발광 영역을 가지는 발광 다이오드를 제공하는 것이다. 서브-영역들 중 적어도 일부는 상이한 광 결정(PC)들을 구비하고 있고, 광 결정들은 이들 각각의 격자 파라미터들(이하에 더 설명되는 격자 타입, 격자 피치, 필-프랙션(fill-fraction) 및 격자 배향(lattice orientation)을 포함함) 중 적어도 하나가 서로 상이하다는 점에서 다르다. 서브-영역들은 다수의 상이한 광원들로서 동작하고, 여기에서 각 광원은 상이한 방사 패턴(또는 방사 필드)을 가지고 있다. 원계에서, 각 대응하는 광원(즉, 광 결정)과 연관된 상이한 방사 패턴들은 예를 들면 동일한 광 결정들을 구비하는 LED로부터 나오는 원계 패턴과 비교할 때 개선된 균일성을 가지고 있거나 개선된 대칭성을 가지는 콜리메이팅된 광 방출을 가질 수 있는 하나의 패턴으로 조합된다.
환언하면, 본 발명에 따른 발광 다이오드에 대한 토대를 형성하는 원리는 적어도 2개의 상이한 타입들의 광 결정들을 포함하는 LED를 제공하는 것이다. 적어도 하나의 격자 파라미터에 대해 서로 상이한 2개의 광 결정들은 상이한 타입들을 가지고 있는 것으로 간주된다. 상이한 타입들의 광 결정들은, LED로부터 방출된 광의 전체 원계 패턴이 상이한 타입들의 광 결정들과 연관된 개별적인 원계 패턴들 각각보다 더 균일하도록 광 결정들의 배열을 형성한다. 이와 같이, 이하에서는 원계 패턴의 불규칙성으로 지칭되는 더 어둡거나 및/또는 더 밝은 스폿들, 도트들 등으로부터의 영향이 감소된다. PC들을 구비하는 종래 기술분야의 LED들에서 원계 패턴들의 불규칙성들은 광 결정들에서 캐비티들(홀들)의 규칙적인 분포로부터 기인한다는 것이 인지되어 있다. 또한, 유의할 점은, 불규칙성들은 광 결정의 패턴의 대칭성에 대응한다는 점이다. 그러므로, 본 출원서의 개시에 기재된 바와 같이 PC들의 홀들의 분포의 규칙성을 파괴하는 것이 바람직하다.
그러므로, 본 발명에 따른 발광 다이오드의 유리한 효과는 그 원계 방사 패턴이 개선된 균일성을 가지고 있거나, 단지 하나의 타입의 광 결정의 경우보다 더 적은 스폿들(불규칙성들)을 표시하는 광 방출을 제공한다는 점이다.
추가 장점은, 임의의 특정 응용에 의해 요구되는 다수의 상이한 원계 방사 패턴들은 고정된 개수의 최적화된 광 결정들로 설계될 수 있다는 점이다. 상이한 설계는 LED의 광 결정들의 상이한 배열을 선택함으로써 얻어질 수 있고, 즉 광 결정들의 위치들이 변경된다. 예를 들면, 백라이트 응용들에 대해, LED의 법선에 대해 60° 내지 80°에서 대부분의 방출을 가지는 LED를 제공하는 것이 바람직하다.
유의할 점은, 광 결정들은 발광 표면에 가장 근접한 반도체 층의 일부로서 형성될 수 있다는 점이다. 광 결정 층은 발광 표면에 가장 근접한 언급된 반도체 층을 통해, 가능하게는 액티브 영역을 통해 발광 표면으로부터 연장될 수 있다. 또한, 광 결정 층은 LED의 발광 표면과 비교할 때 액티브 영역의 반대 측에서 반도체 층으로 연장될 수 있다. 그러나, 광 결정들은 또한 발광 표면에 가장 근접한 반도체 층과 상이한 분리된 층에 형성될 수 있다. 일반적으로, 광 결정은 홀들, 폴들(poles) 등의 격자를 포함한다. 이하(및 이전)에서, 홀들의 언급은 홀들 및/또는 폴들 등으로 해석되어야 한다.
광 결정들은 일부 실시예들에서 광 의사-결정들(photonic quasi-crystals)을 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 다른 실시예들에서, LED의 발광 표면은 LED의 발광 표면을 거칠게 하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 방식으로, 발광 표면을 거칠게 하기 위한 수단은 균일한 배경 방출을 제공하고, 이는 광 결정을 구비하는 영역들과 광 결정을 구비하지 않은 영역들 사이의 컨트러스트를 감소시킨다.
본 발명에 따른 LED의 실시예에서, 광 결정들의 배열은 상이한 광 결정들을 랜덤한 방식으로 배열(위치 또는 로케이팅)하는 것이 바람직하다. 배열은, 추가적으로 또는 대안으로, 상이한 광 결정들을 가변되는(적어도 하나의 격자 파라미터에 대함) 방식으로 배열할 수도 있다. 예를 들면, 격자 파라미터는 하나의 광 결정으로부터 또 하나의(인접한) 광 결정으로의 선형 함수(또는 임의의 타입 및/또는 순서의 함수)에 따라 가변될 수 있으므로, LED로부터 방출되는 광의 원계 패턴의 균일성이 개선된다. 또한, 광 결정들의 배열은, 추가적으로 또는 대안적으로, 발광 표면 내에서(더 구체적으로는 액티브 영역과 발광 표면 사이의 반도체 층 내에서) 상이한 타입들의 광 결정들을 비주기적으로 배열함으로써, 상이한 광 결정들로부터의 조합된 원계 패턴이 개선된다, 즉 더 적거나 감소된 스폿들 등이 존재한다.
본 발명에 따른 LED의 실시예들에서, 배열은 발광 표면 내에서 적어도 2개의 상이한 타입들의 상기 언급된 광 결정들을 불규칙적인 방식으로 배치하도록 배열된다. 그러므로, 증가된 균일성을 가지는 LED로부터 방출된 광의 전체 원계 패턴은 발광 표면(발광 영역) 내에 상이한 광 결정들을, 양호하게는 상기와 같이 불규칙적으로 배열함으로써 얻어질 수 있으므로, 연관된 상이한 광 결정들의 상이한 원계 패턴들은 광 결정과 연관된 원계 패턴의 불규칙성들(더 밝거나 더 어두운 스폿들 또는 도트들 또는 원들)이 또 하나의 광 결정과 연관된 또 하나의 원계 패턴의 불규칙성들(더 밝거나 더 어두운 스폿들, 도트들 또는 원들)에 대해 상이한 위치들에서 발생하는 방식으로 상호작용한다(또는 다르게 표현하면, 연관된 광 결정들의 원계 패턴들은 양호하게는 그들 각각의 공간 연장부들에 대해 적어도 부분적으로 비-대응할 것이다). 환언하면, 연관된 광 결정들의 원계 패턴들은 양호하게는 서로와 적어도 약간 위상이 달라야 한다.
본 발명에 따른 LED의 추가 실시예들에서, 상이한 타입들의 광 결정들을 규칙적인 방식으로 배치(배열 또는 로케이팅)하는 것이 바람직할 수 있다. 유의할 점은, 광 결정들로부터의 원계 패턴들의 더 밝거나 및/또는 더 어두운 스폿들은 특정 범위 내의 입체각에서 방출된 전력을 제공하도록 충분히 중첩되어야 한다는 점이다. 예를 들면, 육각형 및 삼각형 격자들과 같이, 상이한 격자 타입들의 광 결정들을 이용하는 경우, 원계 패턴들의 스폿들은 중첩될 수 있고, 그럼으로써 더 작거나 및/또는 더 적은 뚜렷한(희미해진) 불규칙성들(스폿들 등)을 가지는 원계 패턴을 제공한다.
또한, 격자 파라미터들은 격자 배향, 격자 피치, 격자 타입 또는 필 프랙션 또는 그 조합 중 하나일 수 있다. 유의할 점은, 용어 "격자 파라미터"는 격자 배향을 포함하는데, 즉 2개의 광 결정들이 이들이 상이하게 배향된 경우에, 이들이 동일한 피치, 필 프랙션 및 격자 타입을 가지고 있더라도 상이한 것(또는 상이한 타입들)으로 간주된다는 점이다. 예를 들면, 광 결정들은 동일하거나 유사한 짧은-범위 차수이지만 약간 상이한 피치, 또는 동일하거나 유사한 피치이지만 상이한 필 프랙션을 가질 수 있다. 또한, 광 결정들은 동일한(또는 유사한) 피치 및 형태를 가질 수 있지만, 격자 타입이 상이한, 즉 육각형 구조가 삼각형(또는 정육면체) 격자 구조와 상이하다는 점에서 상이하다. 광 결정들 중 일부는 동일한 격자 파라미터를 가지는 것으로 인식되고, 즉 LED의 모든 광 결정들이 적어도 하나의 상이한 격자 파라미터를 가지도록 요구되지는 않는다.
용어 "필 프랙션"은 홀들, 폴들 등과 같은 광 결정 구성요소들의 치수들을 지칭하고, 피치와 같은 다른 파라미터들이 일정하게 유지되는 동안에도 홀들의 직경은 광 결정마다 상이하다는 것은 자명하다. 통상적으로, 홀들(또는 폴들)의 직경은 가시광에 대해 30nm 내지 700nm의 범위이다.
광 결정의 피치(또는 격자 상수)는 광 결정 격자에서 하나의 홀(또는 폴 등)의 중심으로부터 인접하는 홀의 중심까지의 거리로서 정의된다. 가시광에 대해, 이러한 거리는 통상적으로 80nm 내지 800nm의 범위이다. 일반적으로, 최적 피치(또는 격자 피치)는 방출된 광의 파장에 따라 증가한다.
본 발명에 따른 LED의 실시예들에서, LED의 피치 및 필 프랙션은 반도체 재료의 홀들(또는 폴들 사이의 갭들)을, 그 굴절율이 공기 및 반도체 재료와 상이한 재료로 채움으로써 가변될 수 있다. 예를 들면, (다공성) 실리카, 탄탈륨-, 지르코늄- 및 티타늄 산화물이 이용될 수 있다. 홀들 내의 굴절율을 증가시킴으로써, 광 결정의 피치 및 필-프랙션이 증가된다.
상기-언급된 격자 타입은 육각형, 삼각형 및 정육면체 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다수의 타입들의 결정 구조들이 본 기술분야에 알려져 있고, 모두 본 발명의 실시예들에 따른 LED에 이용될 수 있다. 상기-언급된 낮은 차수 구조들(육각형 구조 등)은 본 발명의 범주를 이들 타입들로 제한시키려는 것은 아니다. 임의의 낮은 차수 구조가 채용될 수도 있다. 해바라기 구조 또는 상이한 타입들의 아르키메데스 타일링(Archimedean tiling)과 같은 높은 차수 구조들도 또한 이용될 수 있다. 심지어 랜덤 결정 구조들도 적용가능할 수 있다. 양호하게는, 격자 타입은 비-회전성 대칭적 원계 패턴을 제공한다. 하나의 예는 해바라기에서의 나선형 구조와 같은 의사-결정들로서, 빔어들(beamers), LCD 백라이트들 및 차량 전방 라이트들과 같은 응용들에 적합하다. 그러나, 일부 실시예들에서는, 회전상 대칭적인 원계 패턴을 가지는 것이 바람직하다는 것이 인식된다. 이것은 스폿 라이트들과 같은 응용들에 대한 경우이다.
본 발명에 따른 LED의 추가 실시예에서, 서브-영역들의 크기 및 형태(치수들), 즉 광 결정들의 형태는 뜻대로 선택될 수 있다. 유의할 점은, 서브-영역(또는 광 결정)의 최소 크기는 특정 광 결정의 상호작용 길이에 좌우된다는 점이다. 양호하게는, 서브-영역들의 형태는 직사각형, 삼각형, 정사각형 형태 또는 그 조합과 같은 다각형 형태를 가질 수 있다. 가장 바람직하게는, 서브-영역들은 동일한 형태를 가지고 있다. 일반적으로, 서브-영역들은 제조 프로세스를 용이하게 하기 위해 정사각형 형태를 가지고 있다.
본 발명에 따른 LED의 다른 실시예들에서, 제1 타입 반도체 층은 N-타입 반도체 층이고 제2 타입 반도체 층은 P-타입 반도체 층이다. 유리하게는, N-타입 재료는 통상 P-타입 반도체 재료보다 더 좋은 전류 도전체이므로, 전체 액티브 영역에 대해 확산되는 전류가 달성되고, 그러므로, 전체 액티브 영역이 광을 생성하는데 이용될 수 있으며 전체 발광 상부 표면이 광을 추출하는데 이용될 수 있다.
추가적으로, N-타입 층은 LED의 액티브 영역과 발광 표면 사이에 배치되고, P-타입 층은 N-타입 층과 비교하여 액티브 영역의 반대 측 상에 배치된다.
다르게는, 본 발명에 따른 LED의 실시예들에서, 제1 타입 반도체 층은 P-타입 반도체 층이고 제2 타입 반도체 층은 N-타입 반도체 층이다.
더구나, 광 결정들은 LED의 발광 표면의 적어도 일부를 광 결정들로 연속적으로 덮기 위해 서로에 대해 인접하여 배열된다. 유리하게는, 광 결정들의 영향이 이러한 방식으로 최대화된다. 광 결정들의 적용은 개선된 빔 형태 및 콜리메이션 효율뿐만 아니라 증가된 추출에 기여한다.
본 발명에 따른 LED의 추가 실시예들에서, 제2 전극은 발광 표면과 비교하여 액티브 영역의 반대 측 상에 배치된 서브-전극들을 포함한다. 제1 및 제2 서브-전극은 제1 및 제2 타입의 각 광 결정과 각각 연관된다. 또한, 제1 및 제2 서브-전극들은 제1 및 제2 서브-전극들 각각에 각 전압을 인가함으로써 개별적으로 제어가능하고, 그럼으로써 상기 LED의 원계 패턴은 제1 및 제2 타입의 상기 광 결정들로부터의 원계 패턴들 사이의 차이로 인해 동적으로 제어가능하다. 이와 같이, 다수의 액티브 서브-영역들(또는 서브-"액티브 영역들")이 생성된다. 이들 액티브 서브-영역들은 그 위의 전압 인가에 의해 활성화될 수 있다. 결과적으로, 액티브 영역의 상이한 부분들은 상이한 서브-전극들을 선택(활성화)함으로써 활성화될 수 있다. 유리하게는, LED는 다양한 타입들의 빔 형태들(원계 패턴들), 예를 들면 읽기를 위한 하나의 타입의 빔 형태(콜리메이팅된 광을 가짐) 및 텔레비전을 보기위한 또 하나의 타입의 빔 형태(넓은 방출을 가짐)를 동적으로(하드웨어 변경들에 대한 어떤 요구도 없이) 제공할 수도 있다. 일부 빔 형태들은 LED의 법선 방향으로는 어떠한 광도 없이 방출을 사이드들을 향하여 전적으로 지향하게 할 수도 있다.
더 구체적으로는, 서브-전극들은 각각의 광 결정과 연관될 수 있다. 서브-전극들의 크기 및 형태를 각 광 결정의 크기 및 형태와 매칭하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 원계 방출의 더 용이하고 더 예측가능한 제어가 제공될 수 있다. 유의할 점은, 일부 전극들은 광 결정을 포함하지 않는 LED의 표면 영역과 연관될 수 있지만, 그 표면 영역이 거칠게 하기(roughening)와 같은 다른 기술들에 의해 처리되어 동등한 방출 패턴을 얻을 수 있다는 점이다.
그러므로, 본 발명의 상기 언급된 실시예에 따르면, 전극들 중 하나가 서브-전극들로 분할되고 각 서브-전극은 서브-전극들 중 각각의 하나에서 전압을 인가함으로써 개별적으로 제어가능한 LED가 제공된다. 이러한 실시예의 장점은, LED로부터 방출되는 광의 세기 분포(휘도)가 상이한 서브-전극들에 대해 상이한 전압들(또한 무전압도 가능한 옵션이다)을 선택함으로써 제어될 수 있다는 점이다.
또한, 액티브 영역으로부터의 열 전달이 개선될 수 있다. 이것은 예를 들면, 광을 생성하는, 전체 액티브 영역의 일부만을 활성화시킴으로써 얻어질 수 있다. 광이 생성되는 부분은 액티브 사이트로 불러질 수 있고, 광을 생성하지 않고 있는 액티브 영역의 일부는 비활성화된 사이트로 불려진다(연관된 서브-전극이 비활성화되어 있다). 액티트 사이트가 구동되어 광을 방출하는 경우, 또한 열을 생성한다. 이러한 열은 둘러싸는 비활성화된 사이트에서 발산되고, 따라서 이는 로컬 열 발산을 제공한다. 이와 같이, 모든 서브-전극들이 어드레싱되어 있고 로컬 열 발산을 제공하기 위해 제공되는 어떠한 비활성화된 사이트도 없는 경우보다는 활성화된 사이트를 통해 더 높은 전류가 인가된다.
본 발명에 따른 LED의 추가 실시예들에서, 발광 표면과 비교하여 액티브 영역의 반대 측 상에 배치된 제1 타입 반도체 층은 서브-구성요소들로 분할되고, 각 서브-구성요소는 대응하는 서브-전극과 연관된다. 유리하게는, 광의 생성을 위한 액티브 영역들 간의 개선된 분리가 달성된다.
본 기술분야의 숙련자들이라면, 본 발명의 상이한 특징들은 조합되어, 첨부된 독립항들에 의해 정의된 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고서도, 이하에 기재된 것들과는 다른 실시예들을 생성할 수 있다는 것을 잘 알고 있을 것이다.
본 발명의 다양한 양태들은 비-제한적 예들로서 제공되는 본 발명의 실시예들의 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면들로부터 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도를 도시하고 있다.
도 2의 (a) 및 2의 (b)는 각 타입의 광 결정으로부터의 원계 패턴들을 도시하고 있다.
도 2의 (d) 및 2의 (e)는 적어도 하나의 격자 파라미터에 대해 상이한 2개의 광 결정들을 도시하고 있다.
도 2의 (c) 및 2의 (f)는 도 2의 (a)-2의 (b) 및 도 2의 (d)-2의 (e)에 도시된 바와 같이, 상이한 타입들의 광 결정들을 구비하는 영역들로부터 발원하는 상이한 원계들 사이의 간섭을 예시하고 있다.
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 발광 다이오드의 상부, 평면도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 추가 실시예에 따른 발광 다이오드의 상부, 평면도를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 더 추가적인 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도를 도시하고 있다.
이하의 도면들에서, 유사한 참조 번호들은 적용가능한 경우에 전체 상세한 설명에 걸쳐 유사한 부분들 또는 특징들에 이용되었다.
도 1에서, 본 발명의 실시예에 따른 예로 든 발광 다이오드(1, LED)가 도시되어 있다. LED(1)는 에피택셜 층들(21, 30)의 반도체 스택을 포함한다. 이러한 특정 예에서, 반도체 스택은 400nm의 전체 두께를 가지고 있고 GaN으로 제조된다. 스택은 제1 전극(40), 제1 전극(40)과 접속되어 있는 P-형 반도체 층(30), 액티브 영역(4), N-형 층(21), N-형 층(21)과 접속되어 있는 제2 전극(11, 또는 전극 배열), 및 발광 영역(발광 표면, 6)을 포함한다(도 1에 따라 기저부로부터 상부까지). 광 결정들(101, 102)은 N-형 층(21)의 홀들로서 형성된다. 광 결정층(101, 102)의 두께는 액티브 영역(양자 웰들) 및/또는 P-형 층 내로 연장될 수 있도록 증가될 수 있다. N-형 층(21)의 광 결정 타입(101)에 대한 홀들의 크기(직경)는 본 예에서, 대략 100nm이고 홀들의 깊이는 250nm이다. 타입(101)의 광 결정의 격자 피치는 470nm이다. N-형 층(21)의 광 결정(102)의 다른 타입에 대한 홀들의 크기(직경)는 120nm이고 홀들의 깊이는 250nm이다. 타입(101)의 광 결정의 격자 피치는 490nm이다. 광 결정들(101, 102)의 격자 타입은 육각형 격자 타입이다(다른 예들에 대해서는 격자 타입이 상이할 수 있다). 광 결정들의 영역들은 육각형 형태를 가지고 있고, 직경(도시되지 않음)이 대략 50㎛인 직경을 가지고 있다. 도시되어 있지는 않지만, 도 1의 LED 상의 광 결정들 영역들의 개수는 통상적인 경우에 1㎟의 발광 표면에 대해 50 내지 2500개의 범위이다.
도 1의 LED를 동작시키는 경우에, 제1 전극(40) 및 제2 전극(11)에서 2개의 상이한 전위 레벨들을 설정함으로써 액티브 영역(4) 양단에 전압이 인가된다. 이러한 방식으로, 액티브 영역(4)은 LED(1)의 발광 표면(6)을 통해 방출되는 광을 생성한다.
도 2의 (a) 내지 2의 (f)는 상이한 타입들의 광 결정들을 포함하는 영역들로부터의 상이한 원계 패턴들이 전체 LED로부터 방출된 광으로부터 기인하는 전체 원계의 균일성을 개선하기 위해 합쳐지는(간섭하는 또는 조합하는) 방식을 예시하고 있다.
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에서, 각 패턴이 각각의 광 결정 타입에 대응하는 2개의 상이한 원계 패턴들이 도시되어 있다. 표시들 -90, 0 및 90은 도 2의 (a) 및 2의 (b)에서 반원의 중심에 각각 배치된 LED의 법선 축으로부터의 각도를 지칭한다. 도 2의 (a)에서의 원계 패턴은 반원의 중심으로부터 발원되는 라인들에 의해 표시되는 바와 같이 원계 패턴의 주변부에 더 근접하여 더 밝은데 반해, 도 2의 (b)에서의 원계 패턴은 유사하게 또 하나의 반원의 중심으로부터 발원되는 라인들에 의해 표시되는 바와 같이 원계 패턴의 중심 근처에서 더 밝다.
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)의 원계 패턴들은 도 2의 (d) 및 2의 (e)에 각각 도시되어 있는 각각의 광 결정 타입과 연관되어 있다. 이러한 예에서, 광 결정들은 격자 타입에 대해 서로와 상이하다. 도 2의 (d)의 광 결정은 삼각형 격자 타입(구조)으로 형성되고, 도 2의 (e)의 광 결정은 육각형 격자 타입으로 형성된다. 격자 타입들, 피치 또는 필 프랙션의 다른 조합들로 또한 가능하다.
도 2의 (f)에서, 도 2의 (d) 및 2의 (e)에 예시된 광 결정들을 포함하는 LED가 도시되어 있다. 도 2의 (d)에 예시된 바와 같이 적어도 일부의 광 결정들의 배향은 상이하다. 명료성을 위해, 단지 2가지 타입들의 광 결정들만이 도시되어 있지만, 증가된 균일성을 가지는 원계 패턴을 얻기 위해서는, 3개 이상의 타입들의 광 결정들을 이용하는 것이 바람직하다. 요구되는 광 결정 타입들의 정확한 개수는 응용 및 원계의 요구되는 동질성에 좌우된다. 다수의 응용들에 대해, 5 내지 15개의 상이한 광 결정들은 요구되는 원계 방출을 얻기에 충분할 것이다.
도 2의 (f)에 따른 LED에 의해 방출된 광으로부터 기인되는 원계 패턴은 도 2의 (c)에 표시되어 있다. 도 2의 (d)의 광 결정의 원계 패턴 및 도 2의 (e)의 광 결정의 원계 패턴은 함께, 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에 도시된 개별적인 원계 패턴들보다 더 균일한 원계 패턴을 생성한다는 것을 알 수 있다. 상이한 원계 패턴들의 더 밝은 영역들은 일치하지 않고, 즉 패턴들의 더 밝은 영역들은 중첩하지 않거나 위상이 벗어나 있다. 원계에서 상이한 방출 패턴들을 생성하는 영역들의 위치들로부터 일어나는, LED의 도입되고 개선된 전체 원계 패턴은 개별적인 광 결정들의 로케이션으로부터 디커플링된다는 점은 자명하다. 그러므로, LED의 광 결정들의 개별적인 속성들은 LED의 전체 원계 패턴에 나타나지 않는다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드(1)의 상부 평면도가 도시되어 있다. 발광 표면은 수 개의 서브-세그먼트들(61, 62, 63, 64)로 파티션되고, 각 서브-세그먼트는 대응하는 서브-세그먼트를 완전하게 덮는 광 결정(103, 104, 105, 106)을 포함한다. 단순성을 위해, 모든 서브-세그먼트들 및 모든 광 결정들에 참조 번호가 할당되지 않았다. 대략 1㎟의 발광 표면(6)에 대해, 발광 표면(6)을 대략 100 내지 2500개의 서브-세그먼트들로 파티션하는 것이 바람직하다. 더 큰 발광 표면들에 대해, 서브-세그먼트들의 개수가 증가될 수 있다. 상이한 서브-세그먼트들의 광 결정들은 상이한 속성들(격자 파라미터들)을 가지고 있다. 예를 들면, 작은 도트들을 가지고 있는 서브-세그먼트들(또는 영역들)은 어떤 직경의 홀들(또는 폴들)을 가지는 광 결정들을 나타내는데 반해, 작은 원들을 가지고 있는 서브-세그먼트들은 또 하나의 어떤 직경의 홀들(또는 폴들), 즉 상이한 필 프랙션들을 가지고 있는 광 결정들을 나타낸다. 더구나, 수직으로 빗금쳐진 영역들은 특정 배향을 가지는 광 결정들을 나타내는데 반해, 다른 방향들로 빗금쳐진 영역들은 또 하나의 특정 배향을 가지고 있는 광 결정들을 나타낸다. 광 결정들은 도 3의 특정 패턴을 가지는 서브-세그먼트들에 의해 예시되어 있지 않더라도, 모든 서브-세그먼트들이 광 결정을 구비한다는 것은 자명하다. 상이한 광 결정들은 가변되는 방식으로 배열되어, 인접하는 광 결정들의 원계 패턴들이 발광 표면(6) 내의(또는 더 구체적으로는 N-형 층의) 모든 광 결정들로부터의 전체 원계 패턴의 균일성을 개선시킨다.
또 하나의 동작 예에서, 상이한 광 결정들은 그 이웃들에 대해 회전된다(모든 다른 격자 파라미터들은 광 결정들에 대해 동일하다). 이것은 원계 패턴이 회전상 비대칭을 나타내는 경우, 즉 원계 패턴이 예를 들면 원계 패턴의 중심에 대해 중심으로 하는 동심원들을 포함하지 않는 경우에만 가능하다. 그러나, 원계 패턴이 육각형인 경우, 회전 이전의 외관에 동일하도록, 즉 그 특정 원계 패턴에 대해 회전상 대칭 각도가 존재하도록 회전될 수 있다. 그러한 원계 패턴에 대해, 회전 각도가 상기 언급된 회전상 대칭 각도와 상이하도록 회전 각도를 선택하는 것이 중요하다.
도 4에 도시된 바와 같이, LED(1)에 따르면, 광 결정들을 포함하는 상이한 서브-세그먼트들(101, 102)은 서로 이격되어 있다. 광 결정들 사이의 영역(200)이 형성된다. 광은 영역(200)으로부터 방출될 수 있다. 영역(200)은 가능한 한 작거나, 심지어 존재하지 않는 것이 바람직하다(도 3에 도시된 바와 같음). 도 4에서, 상이한 서브-세그먼트들(101, 102)은 정사각형들의 형태를 가지고 있지만, 직사각형 또는 육각형과 같은 다른 형태들도 또한 이용 가능하다. 심지어 광 결정들의 다소 랜덤한 다각형 형태를 이용할 수도 있다. 또한, 도 4에서, 광 결정들(101, 102) 사이에 배치된 거칠게 된 영역들 R이 도시되어 있고, 이들 광 결정들(101, 102)은 적어도 하나의 격자 파라미터에 대해 서로 상이하다.
이제, 도 5를 참조하면, 본 발광 다이오드(1)의 추가 예로 든 실시예가 예시되어 있다. 발광 다이오드(1)의 단면도는 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드의 구성요소들(상부로부터 기저부까지, 명료성을 위해 일부 컴포넌트들을 생략함), PC들(101, 102, 103)을 포함하는 N-형 층(21), P-형 층(30) 및 액티브 영역(4)을 보여주고 있다. 이러한 예에서, N-형 층은 PC들을 포함하지만, 유의할 점은, 광 결정 층은 액티브 영역, 및 가능하게는 P-형 층에도 연장될 수 있다는 점이다. 또한, LED(1)는 다수의 서브-전극들(41-45)로 수평으로 분리되는 전극층을 포함한다. 환언하면, 기저부 반사 전극층은 비-도전성 배리어들(51)에 의해 분리되어 있는 다수의 서브-전극층들(41, 42, 43, 44, 45)로 분할된다. 이러한 예에서, 광 결정들(101, 102 및 103)을 만드는 홀들 및 폴들에 대해 N-형 층의 전체 깊이를 실질적으로 이용하는 것이 바람직하다. 그러므로, 광 결정 층은 N-형 층 내로 가능한 한 멀리 연장되는 것이 바람직하다. 대부분의 응용들에 대해, 그 두께가 1 마이크로미터보다 작고 대략적으로 동일한 두께의 광 결정 구조를 포함하는 N-형 층이 요구된다. 배리어들(51)은 기저 서브-전극들(41-45)로부터(자신을 포함함) P-형 층(30)까지(자신을 포함하지 않음) 연장된다. 서브-전극들(41-45)은 액티브 영역의 상이한 부분들의 활성화를 위해 개별적으로 제어가능하다. 결과적으로, 상이한 광 결정 구조들은 액티브 영역의 상이한 부분들이 활성화되는 경우에 활성화될 것이다. 이와 같이, 전체 LED(1)의 원계 패턴은 동적으로 제어가능할 수 있다.
도 6에 표시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 LED(1)의 추가 예에서, 광 결정들은 서브-전극들(41-45)의 크기 및 형태와 매칭하는 크기 및 형태를 가지고 있다. 뿐만 아니라, 광 결정들은 각 광 결정이 매칭하는 서브-전극에 대응하도록 정렬된다. 대응하는 액티브 영역 부분을 가지고 있는 각 서브-전극이 개별적으로 활성화될 수도 있으므로, 원계 패턴의 증가된 제어가 제공된다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 LED(1)의 추가 동작 예가 예시되어 있다. 이러한 예는 P-형 층의 P-형 층의 서브-영역들로의 분리가 추가되어 있는 상태로 도 6에 도시된 LED와 유사하다. 서브-전극들(41-45)로부터 P-형 층에 확산되는 전류가 매우 제한되더라도, 이하와 같이 P-형 층을 서브-영역들로 분할함으로써 액티브 영역들의 분리를 개선시킬 수 있다. LED(1)는 다수의 서브-영역들(31-35)로 수평으로 분리되는 P-형 층을 더 포함한다. 환언하면, P-형 층은 비-도전성 배리어들(51)에 의해 분리되어 있는 다수의 서브-P-형 층들(31, 32, 33, 34, 35)로 분할된다. 배리어들(51)은 기저부 전극으로부터(자신을 포함함) 액티브 영역(4)(자신을 포함하지 않음)까지 연장된다. 액티브 영역의 상이한 부분들의 활성화를 위해, 서브-전극들(41-45, 및 P-형 층의 대응하는 서브-영역들)은 개별적으로 제어가능하다. 이전의 동작 예에서와 같이, 액티브 영역의 상이한 부분들이 활성화되는 경우에, 상이한 광 결정 구조들이 활성화될 것이다. 그럼으로써, 전체 LED(1)의 원계 패턴은 동적으로 제어가능하다. 서브-전극 구성의 다른 예들에서, 서브-전극들은 예를 들면 3개의 그룹들로 그룹화될 수 있고, 이들 그룹들은 서브 전극들의 각 그룹과 연관된 원계 패턴 및 그들 대응하는 광 결정들을 선택하기 위해 개별적으로 제어가능하다. 본 발명이 그 특정 예들을 참조하여 설명되었지만, 다수의 상이한 변경들, 변형들 등은 본 기술분야의 숙련자들에게는 자명할 것이다. 그러므로, 기재된 예들은 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 본 발명의 범주를 제한하려는 것이 아니다.

Claims (14)

  1. 반도체 발광 다이오드(1, LED)로서,
    광의 생성을 위해 제1 타입 반도체 층(21)과 제2 타입 반도체 층(30) 사이에 배치된 액티브 영역(4) 양단에 전압을 인가하기 위한 제1 및 제2 전극(40, 11);
    상기 광을 방출하기 위한 발광 표면(6); 및
    상기 발광 표면(6)과 상기 액티브 영역(4)의 사이에 배치된 복수의 광 결정들(photonic crystals)(101, 102)
    을 포함하고,
    상기 복수의 광 결정들(101, 102) 중에서 선택된 제1 및 제2 타입의 적어도 2개의 광 결정들(101, 102)은 상기 액티브 영역(4)으로부터 광을 추출하고, 적어도 하나의 격자 파라미터에 대해 서로 상이하도록 되어 있고,
    상기 적어도 2개의 광 결정들(101, 102)의 각각은 각자의 원계 패턴(far field pattern)과 연관되고,
    상기 복수의 광 결정들(101, 102)의 배열은, 상기 LED(1)에서 생성된 광으로부터의 원계 패턴이 상기 적어도 2개의 광 결정들(101, 102)의 각각과 연관된 상기 각자의 원계 패턴을 결합함으로써 생성되게 상기 적어도 2개의 광 결정들(101, 102)을 배열하도록 제공되고,
    상기 배열은, 상기 적어도 2개의 광 결정들의 각각과 연관된 상기 각자의 원계 패턴의 불규칙성들(irregularities)이 적어도 부분적으로는 중첩하지 않도록 하는 방식으로 상기 적어도 2개의 광 결정들(101, 102)을 배치하도록 배열되며,
    상기 제2 전극은 상기 발광 표면과 비교하여 상기 액티브 영역의 반대 측 상에 배치되는 서브-전극들을 포함하고, 제1 및 제2 서브-전극은 제1 및 제2 타입의 각자의 광 결정과 각각 연관되며, 상기 제1 및 제2 서브-전극은 상기 제1 및 제2 서브-전극의 각각에 각자의 전압을 인가함으로써 개별적으로 제어가능하고, 그에 의해, 상기 LED의 원계 패턴은 제1 및 제2 타입의 상기 광 결정들로부터의 원계 패턴들 간의 차이로 인해 동적으로 제어가능한
    것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 격자 파라미터는 격자 배향(lattice orientation), 격자 피치, 격자 타입 또는 필 프랙션(fill fraction) 또는 그 조합 중 하나인 반도체 발광 다이오드.
  3. 제2항에 있어서, 상기 격자 타입은 육각형, 삼각형, 정육면체 구조, 해바라기 구조 또는 아르키메데스 타일링들 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광 다이오드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 타입 반도체 층(21)은 상기 액티브 영역(4)과 상기 발광 표면 사이에 배치된 N-형 반도체 층이고, 상기 제2 타입 반도체 층(30)은, 상기 제1 타입 반도체 층(21)과 비교하여 상기 액티브 영역(4)의 반대 측 상에 배치되는 P-형 반도체 층인 반도체 발광 다이오드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 타입 반도체 층(21)은 상기 액티브 영역(4)과 상기 발광 표면(6) 사이에 배치된 P-형 반도체 층이고, 상기 제2 타입 반도체 층(30)은 상기 제1 타입 반도체 층(21)과 비교하여 상기 액티브 영역(4)의 반대 측 상에 배치되는 N-형 반도체 층인 반도체 발광 다이오드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광 결정들은 광 의사-결정들(photonic quasi-crystals)을 포함하는 반도체 발광 다이오드.
  7. 제1항에 있어서, 상기 LED의 상기 발광 표면(6)은 거칠어진 영역들(R)을 포함하는 반도체 발광 다이오드.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광 결정들(101, 102)은, 상기 LED(1)의 상기 발광 표면(6)의 적어도 일부를 광 결정들(101, 102, 103)로 연속적으로 덮기 위해 서로에 인접하여 배열되는 반도체 발광 다이오드.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 서브-전극들(41-45)의 크기 및 형상은 상기 각자의 광 결정(101, 102)의 크기 및 형상과 매칭되는 반도체 발광 다이오드.
  11. 제1항에 있어서, 각 서브-전극(41-45)은 상기 각자의 광 결정(101, 102)과 정렬되는 반도체 발광 다이오드.
  12. 제1항에 있어서, 상기 발광 표면(6)과 비교하여 상기 액티브 영역(4)의 반대 측 상에 배치된 상기 제2 타입 반도체 층(30)은 서브-구성요소들로 분할되고, 각 서브-구성요소는 대응하는 서브-전극과 연관되는 반도체 발광 다이오드.
  13. 제1항에 있어서, 상기 발광 표면은 마이크로-렌즈들, 컬러링된(colored) 영역들, 발광 재료(luminescent material)로 피복된 영역들 또는 그 조합 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광 다이오드.
  14. 삭제
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