KR101754223B1 - 색 변환이 필요 없는 백색 나노 엘이디 - Google Patents

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Abstract

발광다이오드(LED) 칩의 방출 영역 상에 분포된 상이한 직경들의 나노-필러들의 어레이를 포함하는 나노-LED는, 광대역의 백색 광 또는 유사 백색 광을 방출할 수 있다. 각각의 필러는 그것의 직경과 스트레인 상태에 따라서 상이한 직경에서 광을 방출하기 때문에 그 장치의 전체적인 방출 스펙트럼 특성은 개개의 스펙트럼의 조합이며, 광대역 방출을 생성한다. 상이한 직경의 나노-필러들의 분포를 조절함으로써 상이한 음영의 백색 발광에 맞춰 스펙트럼 형상이 적응화 될 수 있다. 나노-필러들은 나노스피어 리소그라피에 의해 패턴화된다.

Description

색 변환이 필요 없는 백색 나노 엘이디{WHITE NANOLED WITHOUT REQUIRING COLOR CONVERSION}
본 출원은 2012년 5월 24일자로 출원된 미국 가출원 제61/651,362호에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 그 내용 전체는 참조로 여기에 포함된다.
본 명세서에 개시된 발명은 발광다이오드(light emitting diode: LED) 장치들에 관한 것이다.
발광다이오드(LED)는 주입된 전자들 및 정공들을 방사적으로 재조합함으로써 빛을 방출하는 광전자 장치이다. 특정한 광전자 장치에서 액티브 물질의 밴드갭(bandgap)에 따라, 발광다이오드들은 자외선에서부터 적외선에 이르는 광범위한 파장에서 발광할 수 있다. 그러나, 주로 관심의 대상이 되는 광의 파장들은 가시광선 영역에 있는 것들이다. 가시광선 스펙트럼[전형적으로 ~400 nm(보라색) 내지 ~700 nm(적색)]에서 발광하는 발광다이오드들은 사람의 눈에 보일 수 있고, 따라서 조명 목적에 유용하다. 가시광선을 방출하는 발광다이오드들은 가시적인 지시기(indicator)를 제공함에도 유용하다.
가시광 파장에서 발광하기 위하여 다수의 LED들은 주기율표의 Ⅲ족 및 Ⅴ족의 원소들을 이용하여 구성된다. 이들 원소들 중의 셋을 살펴보면, 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 질소(N)이다. 이러한 물질들은 주기율표의 다른 칼럼들로부터 선택된 소량의 물질들, 즉 "불순물(impurities)"로 도핑됨으로써 전기적 활성을 허용하여 전도 상태로부터 원자가 상태(valence state)로의 전자의 재결합을 통해 광이 생성된다.
상기한 장치들은 (In,Ga) N 물질군인 것으로서 지칭된다. 이러한 물질군으로부터 제조된 LED들은 모노크로매틱(monochromatic, 단색) LED들을 포함하고 있는데, 이것들은 단일 스펙트럼 피크 및 협선폭(예컨대, ~30nm)으로써 발광한다. (In,Ga) N 물질계를 이용하여 제조된 LED들은 그 물질계의 인듐 조성을 변화시킴으로써 ~380nm(자외선 근방)에서 ~580nm(즉, 녹색)에 이르는 단색광(monochromatic light)을 발광하게 될 수 있다. 이 단색광 LED들은 단색만이 요구되는 경우의 광 지시기로서 종종 이용된다.
반면에, 순백색광(pure white light)은 광대역, 즉 다색광(polychromatic light)이다. 이것은 단일 LED로써는 직접 생성될 수는 없다. 그러나, LED가 여러 개의 별개의 파장들 또는 여러 개의 비교적 연속적인 파장 대역들에서 광을 생성하게 될 수만 있다면, 그 결과적인 스펙트럼은 다색광으로 간주 될 수 있고 그러한 LED로부터 방출된 광은 사람의 눈에는 백색인 것으로 보일 것이다.
조명의 목적으로는, 백색 광이 일반적으로 비-백색 광보다 선호된다. 조명장치로서의 LED들은 발광 효율, 수명, 견고성 및 환경적 친화성의 관점에서 백열등 및 형광등보다 우수하다.
현재로서는, 광대역 LED 광원을 만드는 두 개의 주요한 또는 주된 방법들이 존재한다. 그 첫 번째 방법은 "컬러다운(color-down)" 변환을 위해 인광체를 이용하는 것이다. 특정 파장의 방사에 노출되었을 때 발광하는 인광성 물질들은 전통적으로 LED에 있어서 색 변환을 위해 활용되고 있다. 어떤 장치는 고에너지 광자를 방출하고 인광체는 그것을 흡수하여 저에너지, 따라서 다른 색의 광자를 재방출할 수 있다.
그러한 인광체들은 더 짧은 파장의 광자들을 흡수하여 더 긴 파장의 광자들을 재방출한다. 백색광 방출을 위해서 녹색 및 적색 발광 인광체(phosphor)들이 사용될 수가 있다. 어떤 형태의 색 변환이라도 에너지 손실을 수반한다는 것을 유념하여야 한다. 녹색 인광체들이 90%까지의 양자 효율을 갖는 반면에 적색 인광체의 양자 효율은 전형적으로 약 40%로 제한된다. 이것은 차례로 낮은 월-플러그 효율(wall-plug efficiency)로 변환된다.
그러한 컬러다운 변환 구조에서, 460nm(청색)에서 발광하는 InGaN LED와 같은 더 짧은 파장의 단색광 LED는 여기(excitation) 광원으로서 이용될 수가 있다. 이러한 광은 녹색 및 적색과 같은 더 긴 파장들에서 발광하는 인광체들에 있어 발광을 여기시키기 위해 이용될 수가 있다. 결과적인 광은 가시광선 스펙트럼의 상이한 부분들로부터의 성분들을 포함하며, 따라서 광대역 광으로서 간주된다. 인광체 입자들은 크기가 작고(예를 들면, 나노미터의 스케일로) 사람의 나안으로는 식별이 불가능하기 때문에, 그 방출된 광은 상이한 색들의 비율이 적절하다면 백색광으로 보이게 된다. 이러한 형태의 백색광의 생성은 형광등에서 활용되는 것과 유사하다.
그러나, 인광체에 관해서는 수명 제한, 스토크스파(Stokes-wave) 에너지 손실, 낮은 신뢰성 그리고 낮은 발광효율을 포함하여 많은 단점들이 존재한다.
광대역 LED 광원을 만드는 다른 방법은, 단일 패키지 위에 상이한 색을 각각 발광하는 여러 개의 개별적인 LED 칩들을 장착하는 것이다. 이러한 장치들은 종종 멀티-칩 LED로서 지칭되는데, 원색(즉, 청색, 녹색 및 적색) 광에서 발광하는 LED들이 단일 패키지 상에 탑재된다. 그러나, 진정한 "백색" 광의 방출은 이러한 기술을 이용해서는 달성될 수가 없다. 각각의 LED 칩은 크기가 전형적으로 100 마이크론을 넘는 반면, LED 칩들의 분리는 같은 차원으로 이루어진다. 결과적으로, 색들은 동질화되지 않으므로, 매우 먼 거리에 놓이지 않고는 사람의 나안에는 개별적인 색깔들로 보이게 되어, LED의 광도는 매우 크게 저하된다.
본 발명의 실시예들은 발광다이오드(LED)의 액티브 영역 내에 삽입되는 나노-스케일 구조들의 총합체(ensemble)를 포함하는 솔리드-스테이트(solid-state) 광원을 활용하고 제조하기 위해 사용될 수 있는 방법 및 시스템을 제공한다. 또한 상기 광원을 제조하기 위한 과정이 제공된다. 이러한 솔리드-스테이트 광원은 다색(polychromatic) 또는 실질적으로 다색인 광을 방출하는 것이 가능하다. 이러한 LED 장치는 톱-다운(top-down) 기술을 통해 제조되고 연속적인 직경들(continuum of diameters), 즉 변화하는 직경들을 갖는 나노-스케일 필러(pillar) 구조체들의 어레이를 포함할 수 있다. 특정한 직경을 갖거나 또는 직경 범위 내에 있는 각 나노-스케일 필러 구조체는 다른 직경들 또는 직경 범위들을 갖는 다른 나노-스케일 필러 구조체들과는 약간 상이한 파장에서 광을 방출한다.
일 실시예에 있어서, 반도체 발광다이오드는 발광 영역을 포함할 수 있고, 상기 발광 영역은 비균일한 크기의 나노-필러들의 어레이를 포함할 수 있다. 상기 나노-필러들은 톱-다운 방식을 이용하여 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 여기에 기술된 바와 같은 나노-LED를 나노-패턴화 하기 위해서 나노스피어 리소그라피(nanosphere lithography) 기법이 이용될 수 있다. 나노-필러들을 형성하기 위해 패턴 전사를 위한 리소그래피 마스크의 역할을 수행할 수 있는 나노스피어 코팅은 다양한 나노스피어 콜로이드 용액을 혼합한 다음 LED 표면 위에 용액을 코팅함으로써 조제될 수 있다.
이하, 아래의 도면을 참조하여 비한정적인 그리고 비포괄적인 발명의 측면들이 설명되는바, 여기서 같은 참조기호들은, 달리 지시되지 않는 한, 각종 도면들 전체에 걸쳐서 같은 구성요소들을 지칭하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
도 1은 상이한 직경들을 갖지만 실질적으로 유사한 높이들을 갖는 필러 구조체들의 총합체를 포함하는 나노구조화된 LED 표면의 사시도,
도 2는 LED 웨이퍼의 상부에 코팅된 두 개의 상이한 직경들을 갖는 나노스피어들을 도시한 도면,
도 3은 일정 범위의 직경들을 갖는 나노-필러들을 도시한 도면,
도 4는 LED 웨이퍼로의 나노스피어 패턴의 전사를 도시한 도면,
도 5는 전극들이 구비된, 평탄화된 나노-필러 어레이를 함유하는 LED 장치를 도시한 도면,
도 6은 800nm 내지 4㎛ 사이의 직경 범위를 갖는 나노-필러에 대한 방사 파장의 구성도를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예들은 LED의 액티브 영역 내에 삽입된 나노-스케일 구조체들의 총합체를 포함하는 솔리드-스테이트 광원을 활용하고 제조하기 위해 사용될 수 있는 방법들 및 시스템들을 제공한다. 또한 상기 광원을 제조하는 과정들이 제공된다. 이러한 솔리드-스테이트 광원은 다색광 또는 실질적으로 다색인 광을 방출하는 것이 가능하다. 이러한 LED 장치는 톱-다운 기술을 통해 제조되고 연속적인 직경들, 즉, 변화하는 직경들을 갖는 나노-스케일 필러(nano-scale pillar) 구조체들의 어레이를 포함할 수 있다. 특정한 직경을 갖거나 또는 직경 범위 내에 있는 각 나노-스케일 필러 구조체는 다른 직경들 또는 직경 범위들을 갖는 다른 나노-스케일 필러 구조체들과는 약간 상이한 파장에서 광을 방출한다.
개개의 필러들의 크기는 너무 작아서 사람의 눈에 의해서는 광학적으로 해상이 되지 않는다. 집합적으로는, 상이한 크기의 나노-필러들의 총합체를 포함하는 액티브 영역은, 나노-필러들의 크기와 밀도를 변경시킴으로써 조절 가능한 스펙트럼 성분들을 갖는, 상이한 명암도의 백색 광에 해당하는 광대역 스펙트럼의 광을 방출한다.
방사 재조합(radiative recombination)을 담당하는 영역 또는 질화물계 LED의 발광 액티브 영역은 다수의 InGaN 우물(well) GaN 배리어 양자 우물 구조체들을 포함할 수 있는데, 이들은 우물 및 배리어(barrier) 층들 사이의 격자 부정합과 함께, GaN 및 기판(예컨대, 사파이어 기판) 사이의 격자 부정합으로 인해 항상 압축 변형(스트레인) 된다. 그리하여 LED 웨이퍼 상에서의 유도된 스트레인은 인듐(In) 조성에 강하게 종속적이고, 이는 방사 파장을 결정한다. In 조성이 더 높을수록 액티브 영역은 더 많이 변형 되고, InxGal - xN 합금의 밴드갭 에너지를 감소시키게 된다. 방사 파장은 그것의 밴드갭 에너지에 반비례하기 때문에, 더 긴 파장의 InGaN/GaN 이미터(emitter)는 동일 물질계에 기초한 더 짧은 파장의 이미터보다 항상 더 많이 변형 된다.
InGaN/GaN 양자 우물들(QW)들의 나노-구조화는 스트레인의 부분적인 이완에 기여함으로써 스펙트럼의 청색 이동으로 귀착된다. 나노-구조에 있어서, 표면 영역에 근접한 원자들은 주변의 원자들에 의해 속박되지 않으므로, 더 큰 정도의 원자 변위를 가능하게 한다. 플라즈마 에칭이 뒤따르는 나노스피어 리소그라피에 의한 나노-필러들의 톱-다운 방식의 나노-패턴화(nano-patterning)와 연관된 연구들에 기초하면, 본 발명자들은 청색 이동(blue-shift)의 정도 또는 스트레인 완화는 나노-필러 직경에 강하게 의존하였음을 발견하였다. 나노-필러들은 스트레인이 완화된 나노-필러일 수 있다.
또한, 본 발명자들은, 스펙트럼 이동의 정도는 물리적인 크기들에만 의존하는 것이 아니라, 처리 방법(예를 들면, 톱-다운 대 바텀-업(bottom up), 에칭의 종류 및 에너지)과 함께, (양자 우물(QW)들의 고유한 스트레인과 연관되는) 웨이퍼의 파장도 중요한 차이점을 만들 수 있음을 발견하였다.
일 실시예에 있어서, 나노스피어 리소그라피(NSL)는 나노-LED의 나노-패턴화를 위해 활용될 수 있다. 나노스피어를 이용하면 다음과 같은 것을 포함하는(그렇지만 그것에만 한정되지는 않는) 다수의 별개의 이점들을 갖는다:
(1) 나노 제조를 위한 저비용의 자기-조립형 방식이다;
(2) 한번에 큰 영역들을 생성하는, 병렬 방식의 패턴화이다;
(3) 폐쇄형 패키지로 된 나노 특징들을 만들 수 있다;
(4) 상이한 크기의 나노스피어들을 이용해 크기 조절을 가능케 한다; 그리고
(5) 패턴 전사 전에 (에칭 또는 기타 다른 방식으로) 나노스피어 패턴을 수정함으로써 부가적인 비-폐쇄형 패키지(non-closed packed) 패턴들이 달성될 수 있다.
또 다른 대안적인 실시예들에서, 전자빔 리소그래피 또는 나노임프린트(nanoimprint) 리소그래피를 포함하나(이에 한정되지는 않는) 기타의 나노-패턴화 기술들이 이용될 수가 있다. 그렇지만, 생산성, 유연성, 및 비용은 NSL 기법과 같은 경쟁력이 없을지도 모른다.
어떤 실시예들에 있어서는, 상이한 크기의 폐쇄형 패키지 나노스피어들의 단분자층(monolayer)의 코팅은 스핀-코팅법, 수직 증착법, 또는 잉크젯 프린팅법에 의해 수행될 수 있다.
가능한 가장 넓은 가능한 스펙트럼 광대역 방출을 달성하기 위해서는, 두 개의 요인들이 중요하다. 즉, LED 웨이퍼의 목표 방사파장이 가능한 길어야(예컨대, 560nm 이상) 하며, 스트레인 완화의 정도가 가능한 한 커야 한다. 그러한 높은 In 성분을 갖는 웨이퍼들은 항상 많이 변형되고, 나노 구조화를 통해서 큰 스펙트럼의 청색 이동(spectral blue shift)이 예상될 수가 있다.
스트레인 완화를 통해, QW LED의 내부 양자 효율은 변형된 QW들과 비교하여(즉, 종래의 LED 장치들과 비교하여) 더 높을 것이다. 부가적으로, 나노 구조화 된 표면은 광 추출을 크게 향상시켜, 전체적인 장치 효율은 (종래 LED 장치들에 비해) 높을 것이다. 나노-필러 LED들의 또 다른 부가적인 장점은 주입 전류에 대한 그들의 둔감성인데, 이것은 방사파장이 모든 전류 레벨들에서 유지되도록 한다. 출발 LED는 540nm보다 큰 중심 방사파장을 갖는 고 In 성분 InGaN/GaN QW들을 포함해야만 한다.
일 실시예에 있어서, QW LED의 내부 양자 효율들은 하기의 값들 중의 어떤 것, 하기의 값들 중의 어떤 것에 대략 근사한 값, 또는 하기의 값들 중의 적어도 어느 것일 수 있다: 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 또는 95%. 일 실시예에 있어서, QW LED의 광 추출 효율은 하기의 값들 중의 어떤 것, 하기의 값들 중의 어떤 것에 대략 근사한 값, 또는 하기의 값들 중의 적어도 어느 것일 수 있다: 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 또는 95%.
도 1은 상이한 직경들(102A-102D)을 갖는 필러 구조체들(100)의 총합체 또는 일군을 포함하는 나노 구조화 된 LED 표면을 예시한다. 도 1을 참조하면, 나노-필러들(100)은 비균일한 크기이므로, 이들은 모두 같은 직경을 갖지는 않는다. 필러 구조체는 원통형 또는 본질적으로 원통형이고, 그리고 서로 평행하거나 본질적으로 평행인 것으로 보일 수 있다. 이것들은 기판(106) 상에 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 기판(106)은 p-형 GaN 상부 접촉층, InGaN/GaN 양자 우물들, n-형 GaN 접촉층, 및 적절한 기판(예컨대, 사파이어, SiC 또는 Si) 상에서 성장된 비-도핑 GaN을 포함하는 LED 웨이퍼이다.
상기 필러들은 높이 치수(104)를 갖는다. 다수의 필러들의 높이(104)는 LED 구조체의 발광 InGaN/GaN 양자 우물들이 필러들 내에 삽입될 만큼 충분히 크다. 작은 경우에는, 필러 표면적의 체적에 대한 비가 커진다. 원자들, 특히 표면 영역 상의 또는 그 근처의 원자들은 주위의 원자들에 의해 구속되지 않고 이동될 자유를 갖는데, 이는 격자 부정합 에피택시(epitaxy)로 인한 고유한 스트레인(built-in strain)의 완화의 결과를 낳게 된다.
나노스피어 리소그라피는 2-D 및 3-D 나노 구조체를 형성하는 능력을 갖는 대규모 나노 패턴화에 대한 실제적 접근법이다. 균일한 구체들은 큰 면적에 걸쳐서 규칙성(ordered) 육각형 어레이들로 자기 조립이 가능하며, 나노스피어들의 이러한 단분자층(monolayer)들은 LED들의 표면 상에 필러 패턴들을 전사하기 위한 훌륭한 하드 마스크로서의 역할을 한다.
나노스피어들은 산화막, 금속 및 폴리머들을 포함하는(이에 한정되지 않는) 광범위한 물질들로부터 합성되는 구형 입자들이다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 나노스피어 리소그라피는 상이하거나 변화하는 직경들을 갖는 상이한 나노-필러들로써 나노-필러를 형성하는 방법으로 이용된다. 다색광 방출을 달성하기 위해서, 나노-필러 직경들은 약 50nm 내지 약 500nm 사이의 범위에 있어야 하는 것으로 판단되었다. 많은 실시예들에 있어서, 나노스피어는 높은 에칭 선택성을 위하여 단단한 물질로 제조된다. 이러한 단단한 물질들은 실리카 또는 알루미나를 포함하지만 이들에만 한정되는 것은 아니다.
많은 실시예들에 있어서, 나노-필러들을 형성하기 위해 LED 웨이퍼로의 패턴 전사를 위한 리소그래피 마스크의 역할을 하는 나노스피어 코팅은 여러 가지 나노스피어 콜로이드 용액들을 혼합한 다음 LED 표면에 대해 한 용액을 코팅함으로써 조제될 수가 있다. 상기한 코팅은 상이한 방법들을 통해서 나노-필러들에 적용될 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 나노스피어 콜로이드 용액은 잉크젯 프린터(예컨대, 압전(piezoelectric) 잉크젯 프린터)의 프린트 헤드에 공급될 수 있다. 분사량 및 속도는 장치에 대한 전압 펄스 및 형상, 그리고 샘플을 보유하고 있는 변환 스테이지의 속도와 경로의 제어를 통해서 정확하게 제어될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 나노스피어 콜로이드 용액은 스핀-코팅에 의해 인가되거나 형성될 수 있다. 그 다음에 콜로이드 현탁액이 기계적인 마이크로-피펫(micro-pipetting)에 의해 LED 샘플 표면 상에 분사될 수 있다. 나노스피어들은 실제의 상황에 따라서 최적화될 필요가 있는 특정한 속도 및 지속시간에서 스핀-코팅시 측 방향으로 퍼지게 되어, 플을 가로질러 단분자층으로 자기-조립(self-assembling)을 이루게 된다. 낮은 스핀 속도에서는 상기 나노스피어는 복수의 층들로 모이게 되어, 리소그라피 마스킹에 적합하지 않게 된다. 역으로, 과도하게 높은 스핀 속도에서는 나노스피어들이 웨이퍼를 벗어나게 된다. 특정한 실시예에 있어서, 스핀-코팅은 1.5㎕의 콜로이드 현탁액을 이용하여 5분 동안 1000rpm에서 수행될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상이한 크기의 구체들의 단분자층의 조립을 위해, 수직 증착법(vertical deposition)이 사용될 수 있다. 웨이퍼는 바이알(vial)의 측벽에 놓여, 나노스피어 용액 속에 침잠되며, 그 다음에 오븐에 넣는다. 오븐은 일정한 온도(예컨대, 40℃)에서 유지될 수 있으며, 그리고 일정 시간주기 동안(예컨대, 3시간) 기류를 안정적으로 공급받을 수 있다. 상기 용액은 결국 증발하게 되어, 나노스피어들이 웨이퍼의 표면상의 단분자층으로 자기조립된다.
도 2는 스핀-코팅에 의해 LED 웨이퍼의 p-GaN 상부 표면 상에 코팅되는 두 개의 상이한 직경들의 나노스피어들(202, 204)의 평면도(200)를 도시한다.
도 3은 광범위한 직경들(302A-302E)을 갖는 나노-필러들(300)을 예시하고 있다. 도 3에 도시된 나노-필러들의 패턴은 그 크기가 도 2에 도시된 나노-필러 크기에 대략 상당하는 나노스피어 어레이로부터 전사되었다.
도 4는 나노스피어 패턴의 LED 웨이퍼로의 전사를 보여준다. 도 4를 참조하면, 나노스피어 단분자층(402)은 그것의 내에칭성(etch resistant) 때문에 하드 리소그래피 마스크로의 역할을 할 수 있고, 그것의 패턴은 도 4에 도시된 것과 같이 건식 에칭에 의해 LED 웨이퍼로 전사될 수가 있다. 에칭 깊이(404)는 에칭(406)이 InGaN/GaN QW 층들(408) 하부의 LED 웨이퍼의 n-doped GaN 층 상에서 종료되도록 선택되어야 하며, 이로써 MQW들은 필러들 내에 위치하여 n-접촉이 형성될 수 있다.
도 4에 예시된 바와 같은, 나노스피어 패턴의 전사는 플라즈마 에칭, 이온 에칭, 및 레이저 에칭을 포함하는(이들에 한정되는 것은 아님) 여러 에칭 방법들 중의 하나에 의해 달성될 수가 있을 것이다. 각 방법의 공격성은 다양하여, 스트레인 완화의 정도는 격자 내부로의 이온 침투의 정도가 변함에 따라서 다를 수도 있다.
LED 웨이퍼 상에 형성된 나노 필러들의 경우, 각 필러들의 p-GaN 층들의 상호연결(interconnection)이 중요하여, 모든 필러들에 대한 전기적 주입이 동시에 일어날 수도 있다. 이것은 여러 가지 방법들 중의 하나를 통해 이루어질 수가 있다.
일 실시예에 따르면, 표면을 평활화하기 위해 갭-충전(gap-filling) 물질(예컨대, 스핀-온-글래스)을 이용하는 표면 평탄화(surface planarization) 공정을 수행하여, 상부 p-접촉 영역을 노출한다. 광학적으로 반투명한 인듐-주석-산화물(ITO) 또는 Ni/Au와 같은 전류-스프레딩 층은 전계 발광작용을 위하여 필러들을 상호연결할 수 있다.
일 실시예에서, 투명한 도전성 ITO 필름의 사용은 이러한 상호연결 층의 역할을 할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 에피택셜 측면 과성장에 의한 나노-필러들 위에서의 p-형 GaN 층의 성장은 평탄화를 위해 이용될 수 있다.
n-형 및 p-형 전극들이 정의되고 적층 되어 장치 제조가 완료된다. 이 단계에서 상기 장치는 전계 발광동작을 위해 준비된 상태이다. 도 5는 평탄화 층(504)을 통해 나노-필러들(502)의 평탄화된 어레이를 포함하고 양쪽 전극들(510 및 512)을 갖는 그러한 하나의 장치를 예시하고 있다. 나노-필러들은 기판(508)의 상부 위에 형성될 수 있다.
전류가 필러들에 전기적으로 주입될 때, 각 나노-필러 내에 삽입된 개개의 MQW 영역들(408)로부터 광이 방출된다. 그러나, 필러들에 있는 상기한 MQW들이 다른 직경들을 가져 이에 따른 스트레인 완화의 정도가 상이하게 됨에 따라, 방출 파장은 그 직경에 따라서 상이하게 될 수 있을 것이다. 도 6은, 이온빔 에칭에 의해 패턴화되는, 800nm 내지 4㎛ 사이의 직경 범위를 갖는 나노-필러들에 대한 방출 파장의 구성을 도시하고 있는데, 이에 의해 60nm 정도의 스펙트럼 청색 이동이 관찰된다.
광범위의 직경들을 갖는 나노-필러들을 설계함으로써 나노-필러들로부터의 방출 스펙트럼들은 오버랩되어 백색 광에 대응하여 광대역 및 연속 스펙트럼을 형성한다. 이러한 방법을 이용하여, 색 변환 없이도 균질한 백색 광이 방출될 수가 있다.
본 명세서에서 참조되거나 인용된 모든 특허출원들, 가출원들 및 간행물들은 그들의 모든 도면들과 표들을 포함하여 그것들이 본 명세서의 명시적인 교시들과 불일치하지 않는 정도까지 전체적으로 여기에 참조문서로서 통합된다.
어떤 전형적인 기술들이 여러 가지의 방법들과 시스템들을 이용하여 여기에서 기술되고 예시되었을지라도, 청구된 요지로부터 벗어나지 않고, 다양한 다른 변형이 이루어지고 등가물들이 치환될 수도 있다는 것을 당업자들은 이해하여야 할 것이다. 부가적으로, 여기에 기술된 중심 개념을 벗어나지 않고 청구된 요지의 교시들에 대해 특정한 상황을 적용하기 위하여 여러 가지의 변경들이 이루어질 수도 있다. 따라서, 청구된 요지는 여기에 개시된 특정한 예들에만 한정되는 것이 아니라, 그러한 청구된 요지는 첨부된 청구항들의 범위 내의 모든 구현들(implementations)과 그의 등가물들을 모두 포함할 수도 있다는 것을 유념하여야 할 것이다.

Claims (25)

  1. 반도체 발광다이오드에 있어서,
    발광 영역을 포함하되, 상기 발광 영역은 톱-다운 방식을 이용하여 형성된 비균일한 크기의 나노-필러들의 어레이를 포함하고,
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들의 어레이는 균일한 높이를 가지는 것이고,
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들의 어레이는 연속적인 범위의 직경들을 가지며, 이로 인해 연속적인 광대역 스펙트럼의 광을 방출하는 것인 반도체 발광다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 상이한 직경들의 나노스피어들을 포함하는 콜로이드 용액을 이용하여 나노스피어 리소그라피(nanosphere lithography)에 의해 패턴화되는 것인 반도체 발광다이오드.
  3. 제2항에 있어서, 상기 나노스피어들은 실리카 및 알루미나로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 내에칭성 물질을 포함하는 것인 반도체 발광다이오드.
  4. 제2항에 있어서, 상기 나노스피어 콜로이드 용액은 발광다이오드(LED) 웨이퍼 또는 칩의 표면 상에 단분자층 내로 확산되는 것인 반도체 발광다이오드.
  5. 제4항에 있어서, 상기 나노스피어의 단분자층은 스핀-코팅법, 수직 증착법 및 잉크젯 프린팅법으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 기법을 이용하여 분산되는 것인 반도체 발광다이오드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 전자빔 리소그라피, 이온빔 리소그라피, 광학적 리소그라피, 또는 나노임프린트 리소그라피에 의해 패턴화되며, 상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 50nm 내지 500nm 사이의 직경 범위를 갖는 것인 반도체 발광다이오드.
  7. 제1항에 있어서, 상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 원통형인 반도체 발광다이오드.
  8. 제1항에 있어서, 상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 스트레인 완화에 의해 발광하도록 구성되고, 상기 스트레인 완화의 정도는 양자 우물을 통한 에칭에 의해 변경되는 것인 반도체 발광다이오드.
  9. 제1항에 있어서,
    사파이어 기판, SiC 기판 및 Si 기판으로 이루어진 군으로부터 선택된 기판; 및
    상기 기판 상에서 성장되고 발광 영역들로서 InGaN/GaN 양자 우물들을 갖는 고-변형(highly-strained) LED 웨이퍼들을 더 포함하고,
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 상기 고-변형 LED 웨이퍼들 상에 형성되며,
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들은, 상기 LED 웨이퍼의 발광 영역들이 상기 필러들 내에 삽입되도록 하는 높이를 갖는 것인 반도체 발광다이오드.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 랜덤하게 배열된 것인 반도체 발광다이오드.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서, 상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 평탄화에 의해서 상호연결되고, 상기 평탄화는 갭-충전, 도전성 막들의 사용, 및 상기 나노-필러들 위에서의 에피택셜 측면 과성장으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 과정들에 의해 수행되는 것인 반도체 발광다이오드.
  14. 제1항에 있어서, 상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 평탄한 양자 우물들을 갖는 것인 반도체 발광다이오드.
  15. 제1항에 있어서, 상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 50nm 내지 500nm 사이의 직경 범위를 갖는 것인 반도체 발광다이오드.
  16. 제1항에 있어서, 각각의 나노-필러로부터 방출되는 광은 변형 완화 및 상기 나노-필러의 직경에 종속하는 것인 반도체 발광다이오드.
  17. 제16항에 있어서, 상이한 크기의 나노-필러들로부터 방출되는 광의 파장들은 오버랩되어 하나의 다색광 방출을 제공하는 것인 반도체 발광다이오드.
  18. 제17항에 있어서, 상기 다색광 방출은 출발 웨이퍼 물질을 통해서 조절되는 것인 반도체 발광다이오드.
  19. 제17항에 있어서, 상기 다색광 방출은 나노-필러들을 패턴화하기 위해 사용되는 나노스피어들의 크기에 의해 조절되는 것인 반도체 발광다이오드.
  20. 제17항에 있어서, 상기 다색광 방출은 상이한 변형 완화를 갖는 나노-필러들의 형성에 의해 조절되는 것인 반도체 발광다이오드.
  21. 삭제
  22. 제1항에 있어서, 상기 나노-필러들은 변형 완화되고 상기 변형 완화된 나노-필러들로부터 방출이 있으면 변화하는 주입 전류에 대하여 스펙트럼 이동이 감소되는 것인 반도체 발광다이오드.
  23. 반도체 발광다이오드에 있어서,
    발광 영역을 포함하되, 상기 발광 영역은 톱-다운 방식을 이용하여 형성된 비균일한 크기의 나노-필러들의 어레이를 포함하고,
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들의 어레이는 균일한 높이를 가지며,
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 원통형이고,
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 랜덤하게 배열되며, 또한
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 스트레인 완화에 의해 발광하도록 구성된 것이며,
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들의 어레이는 연속적인 범위의 직경들을 가지며, 이로 인해 연속적인 광대역 스펙트럼의 광을 방출하는 것인 반도체 발광다이오드.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들의 어레이는 800nm 내지 4㎛ 사이의 연속적인 범위의 직경들을 가지며, 이로 인해 연속적인 광대역 스펙트럼의 광을 방출하고,
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 평탄한 양자 우물들을 갖는 것인 반도체 발광다이오드.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들의 어레이는 50nm 내지 500nm 사이의 연속적인 범위의 직경들을 가지며, 이로 인해 연속적인 광대역 스펙트럼의 광을 방출하고,
    상기 비균일한 크기의 나노-필러들은 평탄한 양자 우물들을 갖는 것인 반도체 발광다이오드.
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