KR102466278B1 - 마이크로-led 응용들을 위한 인광체 층 - Google Patents

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Abstract

실시예들은 동일한 기판 상에 적어도 2개의 개별적으로 어드레싱가능한 발광 다이오드들을 포함하는 마이크로-LED; 및 마이크로-LED 상에 배치된 인광체 변환기 층을 갖는 디바이스를 포함하고, 인광체 변환기 층은 1μm보다 크고 10μm보다 작은 D50을 갖는 인광체 입자들을 포함한다.

Description

마이크로-LED 응용들을 위한 인광체 층
US2012/223875는 플립-칩 기술을 이용한 고해상도 액티브 매트릭스(AM) 프로그래밍된 모놀리식 발광 다이오드(LED) 마이크로-어레이의 제조를 설명한다. 제조 프로세스는 LED 마이크로-어레이 및 AM 패널의 제조, 및 플립-칩 기술을 이용하여 결과적인 LED 마이크로-어레이와 AM 패널을 결합하는 것을 포함한다. LED 마이크로-어레이는 사파이어 기판 상에 성장되고 제조되며, AM 패널은 PMOS 프로세스, NMOS 프로세스, 또는 CMOS 프로세스를 이용하여 제조될 수 있다. 동일한 행 내의 LED 픽셀들은 AM 패널의 접지에 접속되는 공통 N-버스 라인을 공유하는 반면, LED 픽셀들의 p-전극들은 전기적으로 분리되어, 각각의 p-전극은 AM 패널 상에 장착된 구동 회로들의 출력에 독립적으로 접속된다. LED 마이크로-어레이는 AM 패널에 플립-칩 본딩되어, AM 패널은 LED 픽셀들을 개별적으로 제어하고, LED 픽셀들은 우수한 방출 균일성을 나타낸다. US2012/223875는, 이 구성에 따라, LED 프로세스와 PMOS/NMOS/CMOS 프로세스 사이의 비호환성이 제거될 수 있다는 것을 나타낸다.
US2018/190712는 Ⅲ-질화물 반도체들에 기초한 풀-컬러 디스플레이 디바이스를 설명한다. 디스플레이 디바이스는 에피택셜하게 성장된 LED 이종구조의 단일 칩 상에 모놀리식으로 집적되고, 액티브 매트릭스 구동 회로들의 실리콘 백플레인에 플립-칩 본딩된 마이크로-LED들의 어레이, 및 색 변환 층들을 포함한다. 마이크로-LED 어레이의 LED 기판은 제거되고, 마이크로-LED들의 p-n 또는 p-i-n 이종접합들의 n-영역들은 20μm 미만의 두께의 얇은 n-타입 Ⅲ-질화물 에피택셜 층을 통해 접속된다. 얇은 n-형 Ⅲ-질화물 에피택셜 층의 표면은 투명/반-투명 도전성 재료의 층으로 덮여서, 마이크로-LED 디바이스들의 공통 n-형 전극을 형성하여, 마이크로-LED 이미터들에서 수직 전류 흐름을 만든다. 액티브 매트릭스 구동 회로들의 각각의 어드레싱 및 구동 픽셀은 적어도 스위칭 트랜지스터, 스위칭-구동 트랜지스터 및 래치 레지스터를 포함한다.
US2007/273282는 광원, 굴절률 n1을 갖는 봉합재(encapsulant), 및 약 0.85n1 내지 약 1.15n1의 범위 내에 있는 굴절률 n2를 갖는 인광체를 포함하는 광전자 디바이스(optoelectronic device)를 설명한다. US2007/273282는 또한 미리 결정된 값 n2보다 높은 인광체의 굴절률 nx를 조정하는 방법을 설명한다. 방법은 인광체 내의 하나 이상의 제1 원소(들)를 제1 원소(들)보다 전형적으로 낮은 원자량을 갖는 하나 이상의 제2 원소로 부분적으로 또는 완전히 대체하는 단계를 포함한다. 인광체는 화학적으로 안정적이고 광학적으로 봉합재에 필적하며; 광전자 디바이스는 특히 증가된 광 출력 효율, 용이한 제조성, 및 비용-효율성과 같은 기술적 장점들을 얻는다.
WO2016/041838은 (i) 졸-겔 코팅 프로세스의 적용에 의해 제1 코팅 층을 발광 입자들 상에 제공하여 코팅된 발광 입자들을 제공하고; (ii) 원자 층 퇴적 프로세스의 적용에 의해 제2 코팅 층을 코팅된 발광 입자들 상에 제공하는 것을 포함하는, 하이브리드 코팅을 갖는 발광 입자들을 제공하기 위한 방법을 설명한다. WO2016/041838은 또한 발광 코어, 50-300 nm 범위의 제1 코팅 층, 두께(d1)를 갖는 제1 코팅 층 및 5-250 nm 범위의 제2 코팅 층 두께(d2)를 갖는 제2 코팅 층을 포함하는 발광 입자를 설명한다.
반도체 발광 다이오드 및 레이저 다이오드(총괄하여 본 명세서에서 "LED"라고 함)는 현재 이용가능한 가장 효율적인 광원 중 하나이다. LED의 방출 스펙트럼은 전형적으로 디바이스의 구조에 의해, 그리고 그것이 구성되는 반도체 재료들의 조성에 의해 결정된 파장에서 단일의 좁은 피크를 나타낸다. 디바이스 구조체 및 재료 시스템의 적절한 선택에 의해, LED들은 자외선, 가시광선 또는 적외선 파장들에서 동작하도록 설계될 수 있다.
LED들은 LED에 의해 방출되는 광을 흡수하고 그에 응답하여 더 긴 파장의 광을 방출하는 하나 이상의 파장 변환 재료(일반적으로 본 명세서에서 "인광체들"로 지칭됨)와 결합될 수 있다. 그러한 인광체 변환형 LED들("pcLED들")에 대해, 인광체들에 의해 흡수되는 LED에 의해 방출되는 광의 일부는 LED에 의해 방출되는 광의 광학 경로 내의 인광체 재료의 양, 예를 들어 LED 상에 또는 주위에 배치된 인광체 층 내의 인광체 재료의 농도 및 층의 두께에 의존한다. 인광체들은 LED에 의해 방출된 광의 경로에 배치되는 세라믹 타일로 형성될 수 있다.
인광체-변환 LED들은 LED에 의해 방출된 모든 광이 하나 이상의 인광체에 의해 흡수되도록 설계될 수 있고, 이 경우에 pcLED로부터의 방출은 완전히 인광체들로부터 오는 것이다. 그러한 경우들에서, 인광체는 예를 들어 LED에 의해 직접 효율적으로 생성되지 않는 좁은 스펙트럼 영역 내의 광을 방출하도록 선택될 수 있다.
대안적으로, pcLED들은 LED에 의해 방출된 광의 일부만이 인광체들에 의해 흡수되도록 설계될 수 있고, 이 경우에 pcLED로부터의 방출은 LED에 의해 방출된 광과 인광체들에 의해 방출된 광의 혼합이다. LED, 인광체들 및 인광체 조성의 적절한 선택에 의해, 그러한 pcLED는 예를 들어 원하는 색 온도 및 원하는 연색 특성들을 갖는 백색광을 방출하도록 설계될 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은:
동일한 기판 상에 적어도 2개의 개별적으로 어드레싱가능한 발광 다이오드들을 포함하는 마이크로-LED;
마이크로-LED 상에 배치되고, 1μm보다 크고 10μm보다 작은 D50을 갖는 복수의 인광체 입자를 포함하는 인광체 변환기 층
포함하는 디바이스를 제공한다.
실시예들에서, 복수의 인광체 입자는 2μm보다 크고 7μm보다 작은 D50을 갖는다.
실시예들에서, 복수의 인광체 입자는 3μm보다 크고 5μm보다 작은 D50을 갖는다.
실시예들에서, 인광체 변환기 층의 두께는 4μm보다 크고 20μm보다 작다.
실시예들에서, 인광체 변환기 층의 두께는 8μm보다 크고 15μm보다 작다.
실시예들에서, 인광체 변환기 층의 두께는 10μm보다 크고 13μm보다 작다.
실시예들에서, 인광체 변환기 층은 매트릭스를 더 포함하고, 매트릭스는 1 이상 1.5 이하의 굴절률을 갖는다.
실시예들에서, 매트릭스는 1 이상 1.4 미만의 굴절률을 갖는다.
실시예들에서, 매트릭스는 1 이상 1.2 미만의 굴절률을 갖는다.
실시예들에서, 인광체 변환기 층은 인광체 입자들을 (인광체 입자들 상을) 코팅하는 비발광(non-luminescent) 재료의 박층을 더 포함한다.
실시예들에서, 박층은 금속 산화물을 포함한다.
실시예들에서, 박층은 Al2O3, HfO2, Ta2O5, ZrO2, TiO2, 및 SiO3 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예들에서, 박층은 원자 층 퇴적에 의해 형성된다.
실시예들에서, 박층은 200nm 미만의 두께를 갖는다.
일 양태에서, 본 발명은:
발광 다이오드; 및
발광 다이오드 상의 인광체 변환기 층 - 인광체 변환기 층은 복수의 인광체 입자 및 인광체 입자들 상에 형성된 비발광 재료의 박층을 포함함 -
을 포함하는 디바이스를 제공한다.
실시예들에서, 인광체 변환기 층의 두께는 4μm보다 크고 20μm보다 작으며, 인광체 변환기 층은 인광체 입자들 상의 비발광 재료 코팅의 박층을 더 포함하고, 박층은 200nm 미만의 두께를 갖는다.
따라서, 무엇보다도 본 발명은 일 양태에서:
동일한 기판 상에 적어도 2개의 개별적으로 어드레싱가능한 발광 다이오드들을 포함하는 마이크로-LED;
마이크로-LED 상에 배치된 인광체 변환기 층 - 인광체 변환기 층은 1μm보다 크고 10μm보다 작은 D50을 갖는 복수의 인광체 입자를 포함하고, 인광체 변환기 층의 두께는 4μm보다 크고 20μm보다 작고, 인광체 변환기 층은 인광체 입자들 상의 비발광 재료 코팅의 박층을 더 포함하고, 박층은 200nm보다 작은 두께를 가짐 -
을 포함하는 디바이스를 제공한다.
따라서, 무엇보다도, 본 발명은 일 양태에서:
발광 다이오드; 및
발광 다이오드 상의 인광체 변환기 층 - 인광체 변환기 층은 복수의 인광체 입자 및 인광체 입자들 상에 형성된 비발광 재료의 박층을 포함하고, 인광체 변환기 층의 두께는 4μm보다 크고 20μm보다 작고, 인광체 변환기 층은 인광체 입자들 상의 비발광 재료 코팅의 박층을 더 포함하고, 박층은 200nm 미만의 두께를 가짐 -
을 포함하는 디바이스를 제공한다.
실시예들에서, 입자 크기 D50은 9μm 미만이고, 박층의 두께는 15μm 미만이다.
실시예들에서, 인광체 변환기 층은 스프레이 코팅 또는 침전(sedimentation)에 의해 획득가능한 인광체 입자들 상의 비발광 재료 코팅의 박층을 더 포함한다.
실시예들에서, 박층은 40-150nm의 두께를 갖는다.
실시예들에서, ALD 코팅은 인광체 층의 인광체 입자들 바로 위에, 사이(인광체 입자(들) 및 ALD 코팅 사이)에 또 다른 (비발광) 코팅 없이 존재할 수 있다.
도 1a는 일 유형의 마이크로-LED 디바이스의 일부의 평면도를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 라인 AA를 통한 일 유형의 마이크로-LED 디바이스의 일부의 측면도를 도시한다.
도 2는 가넷 인광체 분말의 측정된 입자 크기 분포를 도시한다.
도 3a는 온 상태인 픽셀들의 단일 라인 및 오프 상태인 이웃 픽셀들을 갖는 시뮬레이션된 마이크로-LED의 광학 해상도를 도시한다.
도 3b는 온 상태인 픽셀들의 단일 라인 및 오프 상태인 이웃 픽셀들을 갖는 시뮬레이션된 마이크로-LED의 소스 변화에 따른 색상을 도시한다.
도 3c는 온 상태인 픽셀들의 단일 라인 및 오프 상태인 이웃 픽셀들을 갖는 시뮬레이션된 마이크로-LED의 방사 패턴을 도시한다.
도 4a - 도 4c는 매트릭스 재료의 굴절률이 1로 설정된 것을 제외하고는, 모든 것이 도 3a, 도 3b 및 도 3c와 동일하게 유지될 때의 시뮬레이션의 결과를 도시한다.
도 5a - 도 5b는 시뮬레이션이 6개의 상이한 입자 크기 값들 및 6개의 상이한 인광체 변환기 층 두께들에 대해 수행된 것을 제외하고는, 도 3a - 도 3c, 및 도 4a - 도 4c에서와 동일한 마이크로-LED에 대한 시뮬레이션 데이터를 도시한다.
도 6a - 도 6b는 높은 광학 콘트라스트 인광체 변환기를 형성하는 방법을 도시한다.
도 7a - 도 7c는, 인광체 변환기 층의 두께 및 입자 크기가 감소되는 것을 제외하고는, 모든 것이 도 4a, 도 4b 및 도 4c와 동일하게 유지될 때의 시뮬레이션의 결과를 도시한다.
도 8은 인광체 변환기에서 Al2O3 층 두께의 함수로서 상대 플럭스를 도시한다.
도 9는 예시적인 인광체 변환기의 광학 콘트라스트 측정을 위한 실험 셋업의 도면이다.
도 10은 예시적인 인광체 변환기 층을 통한 청색 광의 라인의 이미지이다.
도 11은 예시적인 인광체 변환기 층 상의 Al 층 내의 개방 라인에 수직인 측정된 라인 프로파일을 도시한다.
도 12는 인광체 재료 입자들을 코팅하는 Al2O3의 박층을 갖는 기판 상의 인광체 변환기 층의 단면의 계면의 SEM(scanning electron microscope) 이미지를 도시한다.
μLED들로도 지칭되는 마이크로-LED들은 하나의 칩 상의 다수의 개별적으로 어드레싱가능한 LED 디바이스들의 어레이들이다. 마이크로-LED 어레이들은 조명, 예를 들어 자동차 조명, 및 디스플레이들에서 응용을 갖는다. 개별 LED들, 또는 픽셀들이 개별적으로 어드레싱가능하기 때문에, 광 패턴들이 마이크로-LED 상에 디스플레이될 수 있다.
도 1a는 일 유형의 마이크로-LED 디바이스의 일부의 평면도를 예시한다. 도 1a에서, 각각의 정사각형(110)은 마이크로-LED 당 20000의 범위에 있을 수 있는 단일 LED 디바이스 또는 픽셀을 나타낸다. 도 1a는 예시의 목적으로 그러한 마이크로-LED의 일부만을 도시한다. 각각의 개별 LED 사이에, 예를 들어, LED 다이(110)의 각각의 측면을 코팅하는 금속 벽(예를 들어, Cu)일 수 있는 갭(105)이 있다. 개별 픽셀에 대한 치수는, 예를 들어, 40x40μm2일 수 있고, 갭(105)에 대한 치수는, 예를 들어, 8μm일 수 있다.
마이크로-LED를 형성하기 위한 하나의 방법은 본 기술분야에 공지된 바와 같이 플립-칩 구성으로 다이 상에 다수의 개별 LED들(110)을 형성하기 위해 에피택셜 성장을 사용하는 것이다. 도 1b는 도 1a의 라인 AA를 통해 취해진 마이크로-LED 디바이스의 일 유형의 일부의 측면도를 예시한다. 도 1b는 LED 다이들(110)을 도시한다.
인광체 변환기(163)는 LED 다이들(110) 상에 있다. 인광체 변환기(163)는 매트릭스 내에 포함된 인광체 입자들, 예를 들어 실리콘 내에 포함된 가넷 입자들로 형성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 인광체 변환기(163)는 LumiramicTM과 같은 조밀하게 소결된 인광체 세라믹을 포함한다. 한 예에서, 개별 LED들은 청색 광을 생성하고 인광체 변환기는 청색 광을 백색 광으로 변환하여, 약 5700K의 CCT에서 단색 백색인 마이크로-LED를 생성한다.
인광체 변환기(163)는 3개의 파라미터: (a) 그 두께, (b) 매트릭스의 굴절률, 및 (c) 인광체 재료의 입자 크기 및 굴절률에 의해 정의될 수 있다. 인광체 변환기(163)의 두께 또는 폭은 도 1b에서 W로 표현된다. 매트릭스의 굴절률은 1.5의 굴절률을 갖는, 종종 실리콘인, 매트릭스에 대해 선택된 재료에 의해 결정된다. 인광체 변환기(163) 내의 인광체 재료들은 D50으로 주어진 입자 크기를 갖는다. 여기서, D는 분말 입자들의 직경을 나타내고, D50은 체적의 누적 50% 포인트(또는 50% 통과 입자 크기)를 의미하고 평균 입자 크기 또는 중간 직경이라고 할 수 있다. 입자들에 대한 D50 값들은 분말 입자 재료의 공급자에 의해 제공될 수 있거나 측정될 수 있다. 예를 들어, 도 2는 0.01μm 내지 3000μm의 측정 범위를 갖는, Horiba Company의 PA-950 레이저 입자 크기 분석기를 사용하여 분석된 가넷 인광체 분말의 측정된 입자 크기 분포를 도시한다. 측정 원리는 넓은 각도 범위에서 산란된 광의 패턴의 측정에 기초한다. 이 산란된 광의 분포는 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 미의 이론(Mie's theory)을 사용하여 입자 크기 분포를 계산하기 위해 사용된다. 도 4에 도시된 데이터에서, D(v,0.1)=3.10017(μm), D(v,0.5), 즉, D50=5.26114(μm), 및 D(v,0.9)=8.17130(μm)이며, 여기서 D(v,x.x)는 분포의 10%, 50% 및 90%의 누적 입자 체적들에 대한 입자 크기들을 정의한다.
마이크로-LED들이 직면하는 문제는 하나의 픽셀이 온이고 이웃하는 픽셀이 오프일 때 이웃하는 픽셀들 사이에 매우 낮은 광학 콘트라스트가 있을 수 있다는 것이다. 따라서, 예를 들어, 도 1a의 행(120) 내의 픽셀들이 온 상태에 있고, 행들(130, 140) 내의 픽셀들이 오프 상태에 있는 경우, 행(120) 내의 픽셀들로부터 방출되는 광은 인접한 트렌치를 가로질러, 그리고 행(120)의 각각의 측 상의 픽셀들 및 트렌치 영역들 위로 연장하고, 따라서 행들(130 및 140)(및 행(120)의 대향 측 상의 등가 행들)은 어둡게 보이지 않거나, 오프 상태로 보이지 않는다. 이러한 문제는 온 상태인 픽셀들의 단일 라인(도 1a의 행(120)) 및 오프 상태인 이웃 픽셀들(도 1a의 행들(130 및 140))에 대한 시뮬레이션을 도시하는 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 예시된다. 도 3a - 도 3c에서, x 좌표는 픽셀들의 라인들에 수직이다. 시뮬레이션은 몬테카를로 레이트레이싱 알고리즘(Monte-Carlo ray-tracing algorithm)을 사용하여 수행되었다. 청색 LED 광자들은 산란 인광체 층에 부분적으로 흡수된다. 산란 및 흡수 확률들은 단일 입자 Mie 계수들로부터 도출된다.
도 3a는 마이크로-LED의 광학 해상도를 도시한다. 도 3a에서, 행들(120, 130, 및 140) 내의 픽셀들은 x 좌표를 따라 각각 320, 330, 및 340으로 표시된다. 시뮬레이션을 위해, 각각의 픽셀에는 35μm의 폭이 주어졌고, 각각의 픽셀은 5μm만큼 분리되었다. 인광체 변환기 층, 즉 도 1b의 163에는 30μm의 폭(도 1b에서 W로 표시됨)이 주어졌다. 인광체 변환기 층(163)은 굴절률이 1.5인 매트릭스에서 13μm의 크기 D50을 갖는 인광체 픽셀들을 갖는 것으로 가정되었다. 픽셀 행(320)은 온 상태에 있고 픽셀 행들(330 및 340)은 오프 상태에 있다. 플롯(384)은 방출된 녹색/황색 광을 나타내고, 플롯(386)은 방출된 청색 광을 나타낸다. 플롯들(384 및 386)은 픽셀 행(320)에 의해 방출된 광이 인접 픽셀들 위로 연장되고 광학 해상도가 열악하다는 것을 보여준다. 특히, 두번째 오프-라인(340) 대 온-라인(320)에 대한 적분된 플럭스인 광학 콘트라스트 비율은 1:3이다.
도 3b는 x-좌표를 따른 v' 색상 좌표 값으로서의 소스 변화에 따른 색상을 도시하고, 도 3c는 온 상태인 픽셀들의 단일 라인 및 오프 상태인 이웃하는 픽셀들을 갖는 시뮬레이션된 마이크로-LED에 대하여, 방출된 방사의 양(플럭스)을 수직 방출의 방향을 향한 극각(polar angle)의 함수로서 나타내는 방사 패턴을 도시한다. 도 3b는 코사인 분포(350)와 비교하여 인광체(384)로부터의 계산된 방출을 도시한다.
온 상태 픽셀들과 오프 상태 픽셀들 사이의 콘트라스트를 증가시키고, 따라서 광학 해상도를 개선하기 위해, 인광체 변환기(163)를 정의하는 파라미터들이 수정되었다.
인광체 변환기(163)에 대한 매트릭스의 굴절률을 낮추는 것은 산란을 증가시키고 따라서 광학 콘트라스트를 증가시킨다. 도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 매트릭스 재료의 굴절률이 1, 즉 공기의 굴절률로 설정된 것을 제외하고, 모든 것이 도 3a, 도 3b, 및 도 3c와 동일하게 유지될 때 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 도 4a, 도 4b 및 도 4c에서 알 수 있는 바와 같이, 광학 해상도, 소스 변화에 따른 색상, 및 방사 패턴은 모두 매트릭스를 제거하면, 즉 굴절률 값을 = 1로 설정하면 향상된다. 예를 들어, 도 4a를 보면, 방출된 녹색/황색 광 플롯(484) 및 방출된 청색 광 플롯(486)은 모두 도 3a의 대응하는 플롯들(384 및 385)에 비해 라인(320)에 더 가깝게 좁다. 예를 들어, 도 4b를 보면, 소스 변화에 따른 색상(442)은 도 3b의 대응하는 것(342)에 비해 개선되고, 마찬가지로, 도 4c에서, 방사 패턴(450)은 개선된다(라인(448)은 코사인 함수임). 광학 콘트라스트 비율은 굴절률 1.5일때에 비해 굴절률 = 1일 때 1:3에서 1:18로 증가한다. 따라서, 광학 콘트라스트를 개선하기 위해, 매트릭스의 굴절률은 1.5 미만일 수 있고, 특히 매트릭스의 굴절률은 1.4 미만일 수 있고, 특히 매트릭스의 굴절률은 1.2 미만일 수 있다.
인광체 변환기(163) 내의 인광체 재료의 입자 크기를 감소시키고 인광체 변환기(163)의 두께 W를 감소시키는 것은 또한 광학 콘트라스트를 증가시킨다. 도 5a 및 도 5b는 시뮬레이션이 6개의 상이한 인광체 재료 입자 D50 크기 값들, 및 5개의 상이한 인광체 변환기 층 두께들 W에 대해 수행된 것을 제외하고는, 도 3a - 도 3c, 및 도 4a - 도 4c에서와 동일한 마이크로-LED에 대한 시뮬레이션 데이터를 도시한다. 1로 설정된 굴절률(도 5a) 및 1.5로 설정된 굴절률(도 5b)로 시뮬레이션이 수행되었다. 도 5a 및 도 5b에서, 6개의 상이한 입자 크기 D50 값은 3.8 μm, 5 μm, 7 μm, 9 μm, 11 μm, 및 13 μm이다 (각각 청색, 적색, 녹색, 자주색, 밝은 청색 및 오렌지색 라인들로 표시됨). 파선은 1:300의 광학 콘트라스트 비율을 표시한다. 5개의 상이한 인광체 변환기 층 두께 W는 10μm, 14μm, 20μm, 27μm 및 37μm이다. 도 5a 및 도 5c 둘 다의 다이어그램들은 인광체 변환기 내의 입자 크기가 더 작고, 인광체 변환기 층이 더 얇을수록, 특히 굴절률 = 1일 때 광학 콘트라스트가 더 양호하다는 것을 보여준다. 따라서, 광학 콘트라스트를 개선하기 위해, 입자 크기 D50은 1μm 내지 10μm일 수 있고, 특히 입자 크기 D50은 2μm 내지 7μm일 수 있고, 특히 입자 크기는 3μm 내지 5μm일 수 있다. 또한, 광학 콘트라스트를 개선하기 위해 두께 W는 4μm와 20μm 사이, 특히 8μm와 15μm 사이, 특히 10μm와 13μm 사이일 수 있다.
따라서, 높은 광학 콘트라스트(300보다 큼)를 갖는 인광체 변환기는 굴절률 = 1일 때 5μm 미만의 인광체 입자 크기 D50 및 15μm 훨씬 아래의 두께 W로만 실현될 수 있다. 입자 크기가 9μm 미만이고 두께가 15μm 미만일 때 굴절률 = 1로 1:100보다 우수한 광학 콘트라스트 비율이 달성될 수 있다. 실제로, 인광체 재료 입자들의 D50은 1-3μm로 제한되며, 양자 효율은 인광체의 입자 크기의 감소에 따라 감소한다. 또한, 전체 층 두께는 인광체 재료들의 최대 허용가능한 활성화제 농도에 의해 제한된다(증가들은 또한 양자 효율 감소들을 야기할 수 있음). 인광체 변환기 층 매트릭스 재료(실리콘과 같은)의 경우, 높은 콘트라스트 층에 대한 파라미터 공간은 극도로 제한된다. 한편, 인광체 변환기 내의 매트릭스 재료는 2개의 기능을 갖는다. 첫째, 인광체 변환기 층에 기계적 안정성을 제공하고, 둘째, 하부 LED 다이로부터의 청색 광 추출을 향상시킨다.
도 6a - 도 6b는 이러한 높은 광학 콘트라스트 인광체 변환기를 형성하는 방법을 도시한다. 도 6a에서, 인광체 재료 입자들(630)은 기판(610) 상에 퇴적되고, 기판(610)은, 예를 들어, 마이크로-LED EPI 표면일 수 있다. 인광체 재료 입자들(630)은 인광체 재료 입자들(630)을 15μm 미만의 두께일 수 있는 박층에 퇴적하는, 예를 들어 스프레이 코팅, 침전(sedimentation) 등과 같은 임의의 적합한 방법을 이용하여 도포될 수 있다. 인광체 재료 입자들은 5μm 미만의 D50의 크기를 가질 수 있다.
이어서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 인광체 입자들(630)은 금속 산화물, 예를 들어 Al2O3와 같은 비발광 재료의 박층(660)으로 코팅된다. 박층(660)은 도 6b에서 인광체 입자를 정의하는 라인을 도 6a에 비해 두껍게 함으로써 개략적으로 표시된다. 비발광 재료의 박층(660)은 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 원자 층 퇴적을 사용하여 도포될 수 있다. 원자 층 퇴적은 비발광 재료가 기판(610) 상의 각각의 인광체 입자들(630) 사이의 영역으로 흐를 수 있게 하고, 그에 의해, 비발광 재료가 각각의 입자 상에 및 그 주위에 코팅을 형성하여 비발광 재료의 박층(660)을 형성한다. 박층(660)에 사용하기 위한 재료들은, 예를 들어, Al2O3, HfO2, Ta2O5, ZrO2, TiO2, 및 SiO2를 포함한다. 비발광 재료의 박층(660)은 200nm 미만의 두께를 가질 수 있고, 두께는 20nm 내지 300nm일 수 있고, 특히 두께는 150nm 내지 40nm일 수 있다.
결과적인 인광체 변환기(663)는 Al2O3와 같은 비발광 재료의 박층(660)으로 덮인 인광체 입자들(630)의 박층을 포함한다. 인광체 변환기(663)의 두께 W는 15μm 미만이다. 도 7a, 도 7b, 및 도 7c는, 이러한 인광체 변환기(663)에 대한 시뮬레이션된 광학 해상도, 소스 변화에 따른 색상, 및 방사 패턴을 도시한다. 도 7a, 도 7b, 및 도 7c에서, 인광체 변환기 층 두께는 14μm이고, 인광체 재료 입자 크기는 d50 = 3.8μm이며, 굴절률 값은 1이다. 모든 다른 파라미터들은 도 3a - 도 3c 및 도 4a - 도 4c에서와 동일하다. 도 7a의 플롯(784 및 786)을 도 3a의 플롯(384 및 386)과 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, 광학 해상도가 향상되고, 실현되는 콘트라스트는 1:375이다. 소스 변화에 따른 색상(742)(도 7b) 및 방사 패턴(748)(도 7c)은 또한 도 3b 및 도 3c에서의 것들과 각각 유리하게 비교된다.
높은 광학 콘트라스트를 갖는 것에 더하여, 인광체 변환기(663)는 기계적으로 안정적이고, 층 내의 광 산란을 상당히 감소시키지 않고서, LED 표면에 광학적으로 접촉하는 인광체 입자들을 결합함으로써, LED 다이로부터의 광의 추출을 향상시킨다. 인광체 변환기(663)는 또한, 예를 들어, 자동차 전방 조명 표준을 포함한, 다양한 응용에 필요한 높은 신뢰성을 가진다. 또한, 이러한 인광체 변환기 층은 단지 마이크로-LED가 아니라 임의의 LED 상에 사용될 수 있고, 여기서 이는 광 추출의 신뢰성 및 향상의 이점을 제공할 수 있다.
ALD 상세사항:
원자 층 증착(ALD)은 광학 변환기(663) 상에 박층(660)을 퇴적하기 위해 사용된다. ALD는 제어가능한 방식으로 사이클 당 하나의 원자 층의 재료를 도포함으로써 재료의 박층들의 퇴적을 허용하는 화학 기상 증착 프로세스(chemical vapor deposition process)이다. 이러한 프로세스에서, 중합체 네트워크는 기체 상(gas phase)의 오존 및/또는 물과 같은 산소 공급원과 금속 산화물 전구체의 반응에 의해 형성된다. ALD 반응은 (적어도) 두 부분으로 분할된다. 제1 단계에서, 금속 (산화물) 전구체가 반응기에 공급되어, 표면 상의 반응성 기를 흡착 하거나 그와 반응하고, 실질적으로 모든 미반응 또는 흡착된 전구체 분자를 반응기 퍼징(reactor purging)에 의해 제거된다. 제2 단계에서, 산소 공급원은 반응기에 공급되고, 입자 표면 상의 금속 공급원과 반응한 후, 반응기의 퍼징에 의해 실질적으로 모든 잔류 산소 공급원 분자 및 축합 반응에 의해 형성된 가수분해 생성물을 제거한다. 두 단계는 표면 반응의 자기 제한적 성질 때문에 원자 층(또는 단층)의 형성을 초래한다. 이들 원자 층 반응 단계를 여러 번 반복하여 최종 ALD 코팅을 형성한다. 용어 금속 산화물 전구체는 특히 금속 산화물의 전구체를 나타낸다. 전구체 자체는 금속 산화물이 아닐 수 있지만, 예를 들어 금속 유기 분자를 포함할 수 있다. 따라서, 특히 ALD를 위한 금속 (산화물) 전구체는 전형적으로 금속 할라이드(halides), 알콕시드(alkoxides), 아미드(amides), 및 다른 금속 (유기) 화합물을 포함할 수 있다.
ALD 공정의 단계적 성질은 또한 인광체 입자와 같은 큰 종횡비(aspect-ratio)를 갖는 구조 상에 및 내에 컨포멀 코팅(conformal coatings)을 가능하게 한다. ALD 프로세스는 또한 상이한 금속 산화물 전구체를 반응기에 연속적으로 공급하여 맞춤형 광학 특성을 갖는 다성분 층 또는 나노라미네이트들(nanolaminates)을 형성함으로써 상이한 조성의 층들을 증착할 수 있게 한다.
따라서, 특정 실시예에서, ALD 층이 인광체 입자들을 갖는 GaN 표면 상에 도포되어 입자들을 기판에 기계적으로, 그리고 광학적으로 본딩한다. 프로세스는, 층이 입자들을 기판과 연결하고 입자가 그들의 이웃 입자와 연결하도록 설정된다. 따라서, 수정된 광학 특성들을 갖는 인광체 입자 네트워크가 GaN 표면 상에 형성되어 LED의 광 출력을 향상시킨다. ALD 층은 전형적으로 20-500 nm, 특히 50-200 nm 범위의 층 두께를 가질 수 있다.
추가적인 실시예에서, ALD 프로세스는 컨포멀 퇴적이 발생할 뿐만 아니라 CVD-유사 성장이 인광체 입자들 사이의 보이드들 내에 더 두꺼운 층들을 초래하도록 설정된다. CDV-유사 성장은 펄스들 사이의 퍼지 시간을 단축시키거나 반응기 온도를 감소시킴으로써 실현될 수 있다.
ALD 제2 코팅 층을 위한 (비-제한적인) 다수의 적합한 재료가 하기 표 1에 열거되어 있다:
산화물 재료 금속(산화물 전구체) 산소 공급원 퇴적 온도[℃]
Al2O3 Al(CH3)3 (TMA) 또는 HAl(CH3)2 H2O 또는 O3 100 - 400
HfO2 Hf(N(CH3)2)4 또는 Hf(N(CH2CH3)2)4 H2O 80 - 300
Ta2O5 TaCl5 또는 Ta(N(CH3)2)5 H2O 80 - 300
ZrO2 ZrCl4 또는 Zr(N(CH3)2)4 H2O 80 - 300
TiO2 TiCl4, Ti(OCH3)4 또는 Ti(OEt)4 H2O 80 - 300
SiO2 SiCl4, H2N(CH2)3Si(OEt)3
또는 Si(OEt)4 		H2O 또는 O3 150 - 300
대안적으로 또는 추가적으로, 니오븀 산화물(niobium oxide)(특히 Nb2O5) 또는 이트륨 산화물(yttrium)(Y2O3)이 적용될 수 있다. 그것의 금속 전구체는, 각각 예를 들어 tert-부틸이미도)-트리스(디에틸아미노)-니오븀, NbF5 또는 NbCl5, 및 트리스(에틸시클로펜타디에닐) 이트륨이다.
그러나, 다른 재료들도 적용될 수 있다. 따라서, 원자 층 퇴적 프로세스에서, 금속 산화물 전구체는 특히 Al, Hf, Ta, Zr, Ti 및 Si로 이루어진 군으로부터 선택된 금속들의 금속 산화물 전구체들의 군으로부터 선택될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, Ga, Ge, V 및 Nb 중 하나 이상이 적용될 수 있다. 더욱 더 특히, 이들 전구체 중 2종 이상의 교호 층이 적용되며, 여기서 적어도 하나의 전구체는 Al 금속 산화물 전구체 및 Si 금속 산화물 전구체, 특히 Al 금속 산화물 금속 산화물 전구체로 이루어진 군으로부터 선택되고, 또 다른 전구체는 Hf 금속 산화물 전구체, Ta 금속 산화물 전구체, Zr 금속 산화물 전구체 및 Ti 금속 산화물 전구체, 특히 Hf 금속 산화물 전구체, Ta 금속 산화물 전구체 및 Zr 금속 산화물 전구체, 더욱 더 특히 Ta 금속 산화물 전구체로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 Hf, Zr, 및 Ta는 비교적 광 투과성 층들을 제공하는 것으로 보이는 반면, Ti는, 예를 들어, 비교적 적은 광 투과성 층들을 제공할 수 있다. Ta, Hf 및 Zr을 이용한 처리는 예를 들어 Si보다 비교적 더 쉬운 것으로 보인다. 용어 "산화물 전구체" 또는 "금속 산화물 전구체" 또는 "금속 (산화물) 전구체"는 또한 2종 이상의 화학적으로 상이한 전구체의 조합을 지칭할 수 있다. 이들 전구체는 특히 산소 공급원과 반응할 때 산화물을 형성한다 (따라서 금속 산화물 전구체로 지칭됨).
예시
여기에 개시된 실시예들에 따라 LED 상에 인광체 변환기 층을 형성하기 위해, D50 = 3.8μm를 갖는 NYAG4454(Intematix corp.) 인광체 입자 재료가 사용되었다. 인광체 입자들은 청색 박막 플립-칩(TFFC) LED 상에 2.5mg/cm2의 스크린 중량으로 에탄올 내에 침전되었다. 일단 인광체 입자들이 LED에 도포되나, Al2O3 코팅이 피코선 오이(Picosun Oy) ALD 반응기에 도포되었다. 전구체 재료들은 Al2O3 막을 만들기 위해 O에 대한 트리메틸알루미늄 및 H2O였다. 퇴적 온도는 150℃로 설정되었다. 전구체가 도입된 펄스 시간은 100 ms이고, 이어서 30초 동안의 질소 기체로의 퍼지, 이어서 100 ms 동안의 기체상 물의 펄스, 이어서 30초 동안의 질소 기체의 또 다른 퍼지가 수행되었다. 모든 전구체가 입자들, 및 LED와 반응하도록 펄스 후에 시간이 허용되었다.
ALD 사이클을 반복하여 Al2O3 무기 코팅 층을 20 nm 단계로 형성하였다. 각각의 20nm 단계에서, 1A에서 LED로부터 방출된 플럭스가 적분구(integrating sphere)에서 측정되었다. 도 8은 Al2O3 층 두께의 함수로서 1A 85℃ 소켓 온도에서 측정된 상대적인 플럭스를 도시한다. Al2O3 층 두께가 증가함에 따라, 정전류 및 온도에서의 LED의 플럭스는 약 6%만큼 증가한다.
예시적인 인광체 변환기의 광학 콘트라스트도 측정되었다. 도 9는 예시적인 인광체 변환기의 광학 콘트라스트 측정을 위한 실험 셋업을 도시한다. 예시적인 인광체 변환기(963)는 3.8μm의 D50을 갖는 YAG:Ce 인광체 재료 입자를 이용하여 전술된 바와 같이 형성되었다. 인광체 변환기 층은 10μm 두께였다. ALD에 의해 인광체 입자들 상에 퇴적된 Al2O3 층은 50nm 두께였다. 유리 기판(910)은 100nm의 알루미늄 층(919)으로 코팅되었다. 알루미늄 층(919)은 50μm 폭인 슬릿(923)(또는 평면도에서의 라인, 도 10)을 갖는다. 측정을 하기 위해, 청색 광(940)은 기판(910)의 후면 상에 조명되고, 그 중 일부는 슬릿(923)을 통과한다.
도 10은 인광체 변환기 층(963)을 통한 청색광의 라인의 이미지이다. 광 분포는 알루미늄 층(919) 내의 개방 라인에 대해 수직으로 라인 스캔들을 플로팅하는 광학 현미경(Keyence VHX-5000)으로 측정되었다.
도 11은, 인광체 변환기 층(963) 상의 알루미늄 층(919)의 개방 라인에 수직인, 측정된 라인 프로파일(11)을 도시한다. 강도 프로파일은 현미경 이미지들로부터의 것이다. 현미경 카메라의 다이내믹 레인지를 확장하기 위해, 상이한 노출 시간들을 갖는 사진들이 중첩되어, 항상 카메라의 다이내믹 레인지 내의 신호를 선택하였다(HDR 측정). 측정된 라인 프로파일(11)은 계산된 프로파일(12)과 일치한다. 1:300 (14)의 콘트라스트는 알루미늄 층의 에지로부터 47 μm에 도달된다.
도 12는 인광체 재료 입자들을 코팅하는 Al2O3의 박층을 갖는 기판 상의 인광체 변환기 층의 단면의 계면의 SEM(scanning electron microscope, 주사 전자 현미경) 이미지를 도시한다. 이 예시적인 인광체 변환기 층은 YAG 인광체를 이용하여 전술한 바와 같이 형성되었고, 인광체 변환기 층은 이미징의 용이함을 위해 유리 기판 상에 형성되었다. 도면은 Al2O3이 입자 및 유리 기판의 노출된 표면을 코팅하는 방법을 보여주고, 또한 입자가 어떻게 유리 기판과 접촉하는지를 보여주며, 유리 기판은 광을 방출하는 LED의 표면일 것이다. 코팅 재료들은 또한 EDAX (원소 조성을 결정하기 위한 X-선 분광법) 분석에 의해 평가될 수 있다.

Claims (15)

  1. 디바이스로서,
    동일한 기판 상에 적어도 2개의 개별적으로 어드레싱가능한 발광 다이오드들을 포함하는 마이크로-LED;
    상기 마이크로-LED 상에 배치된 인광체 변환기 층
    을 포함하고, 상기 인광체 변환기 층은 3μm보다 크고 5μm보다 작은 D50을 갖는 복수의 인광체 입자를 포함하고, 상기 인광체 변환기 층의 두께는 8μm보다 크고 15μm보다 작고, 상기 인광체 변환기 층은 상기 인광체 입자들 각각을 코팅하는 비발광 재료의 박층을 더 포함하고, 상기 박층은 200nm보다 작은 두께를 갖고, 상기 인광체 변환기 층은 매트릭스를 더 포함하고, 상기 매트릭스는 1의 굴절률을 갖는, 디바이스.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인광체 변환기 층의 두께는 10μm보다 크고 13μm보다 작은, 디바이스.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 인광체 변환기 층은 스프레이 코팅 또는 침전에 의해 획득가능한, 디바이스.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 박층은 금속 산화물을 포함하는, 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 박층은 Al2O3, HfO2, Ta2O5, ZrO2, TiO2, 및 SiO3 중 적어도 하나를 포함하는, 디바이스.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 박층은 원자 층 퇴적에 의해 형성되는, 디바이스.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 박층은 40-150nm의 두께를 갖는, 디바이스.
  15. 삭제
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