KR102654365B1 - Light emitting element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는 기판; 및 복수개의 메인 필러들을 포함하고, 상기 복수개의 메인 필러들 각각은 상기 기판 상에 형성된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체 상에 형성된 제2 반도체층; 및 상기 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함하며, 상기 제2 반도체층은 상기 제2 반도체층 상에 형성된 광결정 구조를 포함하고, 상기 광결정 구조는 복수의 홀들을 포함하며, 상기 복수의 홀들은 하나의 광결정 패턴으로 배치되며, 공기로 채워져 있다.A light emitting device according to an embodiment of the present invention includes a substrate; and a plurality of main pillars, each of the plurality of main pillars comprising: a first semiconductor layer formed on the substrate; a second semiconductor layer formed on the first semiconductor; and an active layer disposed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, wherein the second semiconductor layer includes a photonic crystal structure formed on the second semiconductor layer, and the photonic crystal structure includes a plurality of holes. , the plurality of holes are arranged in a photonic crystal pattern and are filled with air.
Description
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 광 결정 구조를 갖는 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light-emitting device, and particularly to a light-emitting device having a photonic crystal structure and a method of manufacturing the same.
최근 가상 현실(Virtual Reality: VR) 및 증강 현실(Augmented Reality: AR) 장치에 대한 수요가 증가하고 있는데, 이러한 가상 현실(VR) 및 증강 현실(AR) 장치는 안경, 고글, 헬멧, 바이저 또는 기타 안경의 형태로 HMD(head-mounted display) 장치에 통합될 수 있다. HMD 디바이스는 (예를 들어, 적어도 하나의 가상 환경 입력으로부터) 가상 현실 이미지, 및/또는 혼합 현실(MR) 이미지 또는 증강 현실(AR) 이미지를 표시한다.Recently, the demand for Virtual Reality (VR) and Augmented Reality (AR) devices has been increasing. These VR and Augmented Reality (AR) devices can be equipped with glasses, goggles, helmets, visors or other devices. It can be integrated into a head-mounted display (HMD) device in the form of glasses. The HMD device displays virtual reality images (eg, from at least one virtual environment input) and/or mixed reality (MR) images or augmented reality (AR) images.
이러한 AR 및 VR용 마이크로 디스플레이의 광원은 레이저(laser), OLED 등으로 제작된다. The light sources of these AR and VR microdisplays are made of lasers, OLEDs, etc.
그러나, 레이저는 직진성 밝은휘도, 빠른 응답속도로 우수한 광원이지만 레이저의 특성상 전력소모 및 열발생이 많고 눈 안전(eye safty) 이슈가 있다. 또한, OLED는 전력소모가 많으며, 충분한 휘도가 나오지 않으며, 높은 해상도 구현에 한계가 있다. However, lasers are an excellent light source with straight-line brightness and fast response speed, but due to the characteristics of lasers, they consume a lot of power and generate a lot of heat, and there are eye safety issues. In addition, OLED consumes a lot of power, does not produce sufficient brightness, and has limitations in realizing high resolution.
그에 따라, 레이저 또는 OLED를 대체할 마이크로 LED 또는 나노 LED에 대한 관심이 증가하고 있다. 예컨대, 미국 특허 제10,866,422호는 마이크로 LED 디스플레이 시스템을 제안하고 있다. 상기 마이크로 LED 디스플레이 시스템은 3개의 모노크롬(monochrome) 이미지(예: 빨강, 파랑 및 녹색 이미지)를 생성하기 위해 복수의 모노크롬 프로젝터(예: 3개의 마이크로 LED 프로젝터)를 포함한다. Accordingly, interest in micro LED or nano LED to replace laser or OLED is increasing. For example, US Patent No. 10,866,422 proposes a micro LED display system. The micro LED display system includes a plurality of monochrome projectors (e.g., three micro LED projectors) to generate three monochrome images (e.g., red, blue, and green images).
이러한 마이크로 LED 또는 나노 LED는 높은 해상도, 저전력, 이론적으로는 높은 휘도가 가능하나, 나노 LED 제작시, 제조 공정 도중의 사이드 이펙트(side effect)로 인하여 외부 효율(External Efficiency)이 낮으며, 레이저(laser)에 비해 직진성이 낮다는 단점이 있다. These micro LEDs or nano LEDs are capable of high resolution, low power, and theoretically high brightness, but when manufacturing nano LEDs, external efficiency is low due to side effects during the manufacturing process, and laser ( It has the disadvantage of being less straight than laser.
이러한 단점에도 불구하고, 마이크로 LED 또는 나도 LED는. 높은 응답속도, 높은휘도, 저전력소모, 높은 해상도의 구현이 가능하기 때문에, 마이크로 LED 또는 나도 LED의 광 직진성을 향상시키고, 외부 효율을 증가시키기 위한 방안이 요구되고 있다,Despite these drawbacks, Micro LED or ME LED. Because it is possible to achieve high response speed, high brightness, low power consumption, and high resolution, there is a need for a method to improve the optical straightness of micro LED or nano LED and increase external efficiency.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 광 직진성 및 외부 양자 효율을 향상시키기 위한 광결정 구조를 갖는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was made to solve the above problems, and its purpose is to provide a light-emitting device having a photonic crystal structure to improve light propagation and external quantum efficiency, and a method for manufacturing the same.
상기 과제를 해결하기 위하여, 일 실시예에 따른 발광 소자는 기판; 및 복수개의 메인 필러들을 포함하고, 상기 복수개의 메인 필러들 각각은 상기 기판 상에 형성된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체 상에 형성된 제2 반도체층; 및 상기 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함하며, 상기 제2 반도체층은 상기 제2 반도체층 상에 형성된 광결정 구조를 포함하고, 상기 광결정 구조는 복수의 홀들을 포함하며, 상기 복수의 홀들은 공기로 채워져 있다.In order to solve the above problem, a light emitting device according to an embodiment includes a substrate; and a plurality of main pillars, each of the plurality of main pillars comprising: a first semiconductor layer formed on the substrate; a second semiconductor layer formed on the first semiconductor; and an active layer disposed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, wherein the second semiconductor layer includes a photonic crystal structure formed on the second semiconductor layer, and the photonic crystal structure includes a plurality of holes. , the plurality of holes are filled with air.
상기 광결정 구조는 상기 복수의 홀 상에 설치된 복수의 나노 필러들(nano pillars)을 포함할 수 있다.The photonic crystal structure may include a plurality of nano pillars installed on the plurality of holes.
상기 복수의 나노 필러들은 p-GaN 또는 SiO2의 산화물로 형성될 수 있다.The plurality of nano-pillars may be formed of p-GaN or SiO 2 oxide.
상기 복수의 나노 필러들은 1.4 내지 2.5의 굴절율을 가질 수 있다.The plurality of nano-fillers may have a refractive index of 1.4 to 2.5.
상기 복수의 나노 필러들은 ITO(Indium Tin Oxide) 및 산화 아연(Zinc oxide: ZnO)중 어느 하나를 포함할 수 있다.The plurality of nano-fillers may include either indium tin oxide (ITO) or zinc oxide (ZnO).
상기 복수의 나노 필러들은 패터닝이 가능한 절연 유기물 및 산화 무기물 중 어느 하나로 형성되며, 상기 절연 유기물 및 산화 무기물은 포토 레지스트(Photo resist), 폴리이미드(PI), Su-8, 및 에폭시를 포함할 수 있다.The plurality of nano-fillers are formed of any one of a patternable insulating organic material and an oxidized inorganic material, and the insulating organic material and an oxidized inorganic material may include photo resist, polyimide (PI), Su-8, and epoxy. there is.
상기 메인 필러는 원통형 형상, 사각형 기둥, 육각형 기둥 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.The main pillar may have any one of a cylindrical shape, a square pillar, or a hexagonal pillar.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 제조 방법은 반도체 기판에 제 1 반도체층, 활성층 및 제 2 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 제2 반도체층을 가공하여 복수의 메인 필러를 형성하는 단계; 및 상기 메인 필러의 상부에 복수의 홀을 포함하는 광결정 구조를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. A method of manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention includes sequentially forming a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer on a semiconductor substrate; Processing the second semiconductor layer to form a plurality of main pillars; and forming a photonic crystal structure including a plurality of holes on the main pillar.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자 제조 방법은 반도체 기판에 제 1 반도체층, 활성층 및 제 2 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 제2 반도체층을 가공하여 복수의 메인 필러를 형성하는 단계; 상기 복수의 메인 필러의 사이드 표면에 절연 산화막 또는 질화막을 형성하여 필러층을 형성하는 단계; 및 상기 필러층에 복수의 홀을 포함하는 광결정 구조를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. A method of manufacturing a light emitting device according to another embodiment of the present invention includes sequentially forming a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer on a semiconductor substrate; Processing the second semiconductor layer to form a plurality of main pillars; forming a filler layer by forming an insulating oxide film or a nitride film on side surfaces of the plurality of main pillars; and forming a photonic crystal structure including a plurality of holes in the filler layer.
상기 발광소자 제조 방법은 상기 복수의 홀에 복수의 나노 필러들(nano pillars)을 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.The light emitting device manufacturing method may further include installing a plurality of nano pillars in the plurality of holes.
이상 설명한 본 발명의 실시예에 따르면, 측면(Side) 방향으로 손실되는 TM 모드를 없애고 버티컬(Vertical) 방향의 TE 모드로 바꾸어 External QE를 광 효율을 향상시킬 수 있으며, 수직방향으로의 발광하기 때문에 디스플레이 광원으로 적합하며, 특히 VR, AR, MR의 고해상도 디스플레이 제작에 적합한 발광 소자를 생성할 수 있다.According to the embodiment of the present invention described above, the external QE light efficiency can be improved by eliminating the TM mode lost in the side direction and changing it to the TE mode in the vertical direction, and emitting light in the vertical direction. It is suitable as a display light source, and can produce light-emitting elements especially suitable for producing high-resolution displays for VR, AR, and MR.
도 1은 본 발명의 광결정 구조를 갖는 발광 소자를 도시한 도면으로 도 1(a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자의 사시도을 도시하며, 도 1(b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자의 사시도을 도시한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 메인 필러의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 메인 필러의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에는 도 1의 발광 소자들의 단면도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 다수의 디스플레이들을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 광 패턴의 예들을 도시한다.FIG. 1 is a diagram showing a light-emitting device having a photonic crystal structure of the present invention. FIG. 1(a) is a perspective view of a light-emitting device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1(b) is a diagram showing a light-emitting device according to a first embodiment of the present invention. A perspective view of a light emitting device according to an embodiment is shown.
Figure 2 is a diagram for explaining the structure of the main pillar according to the first embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram for explaining the structure of the main pillar according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of the light emitting devices of FIG. 1.
Figure 5 shows a number of displays according to the present invention.
6 shows examples of light patterns according to embodiments of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 실질적으로 동일한 구성 요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 기술 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것으로, 실제 제품의 부품 명칭과 상이할 수 있다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. Like reference numerals refer to substantially the same elements throughout the specification. In the following description, if it is determined that a detailed description of technology or configuration related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. Additionally, the component names used in the following description were selected in consideration of the ease of writing specifications and may be different from the component names of the actual product.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자들을 도시한 도면으로서, 도 1(a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 도면이며, 도 1(b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 도면이다.Figure 1 is a diagram showing light-emitting devices according to embodiments of the present invention. Figure 1(a) is a diagram showing a light-emitting device according to a first embodiment of the present invention, and Figure 1(b) is a diagram showing a light-emitting device according to a first embodiment of the present invention. This is a diagram showing a light emitting device according to the second embodiment.
먼저, 도 1(a)를 참조하면, 제1 실시예에 따른 발광 소자는 기판(200), 상기 기판(200) 상에 배치된 복수개의 메인 필러들(100), 상기 복수개의 메인 필러들(100)의 측면및 상부에 위치한 절연층(300)을 포함한다. First, referring to FIG. 1(a), the light emitting device according to the first embodiment includes a
복수개의 메인 필러들(100)은 기판(200) 상에 제1 광결정 패턴으로 배치될 수 있다. 구체적으로, 발광 소자의 광학 특성에 따라 복수개의 메인 필러들(100)이 기판(200) 상에 배치되는 제1 광결정 패턴이 결정될 수 있다. 예컨대, 발광 소자의 발광 컬러에 따라 복수개의 메인 필러들(100) 사이의 간격 및 크기가 결정될 수 있다. The plurality of
도 1 에서 복수개의 메인 필러들(100)은 원통형 형상을 가지는 것으로 개시되어 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 복수개의 메인 필러들(100)은 육각형 기둥, 사각형 기둥 등 다른 형상을 가질 수 있다.In Figure 1, the plurality of
복수개의 메인 필러들(100) 각각의 크기는 1㎛(마이크로미터) 내지 200㎛ 사이의 범위 내에 있을 수 있다. 바람직하게는 복수개의 메인 필러들(100) 각각의 크기는 1㎛(마이크로미터) 내지 100㎛ 사이의 범위 내에 있을 수 있다. The size of each of the plurality of
만약 복수개의 메인 필러들(100) 각각이 원통형 형상을 가지면, 원통형 형상의 지름은 5㎛(마이크로미터) 이하의 크기를 가질 수 있다. 복수개의 메인 필러들(100) 각각이 사각형 기둥 형상을 가지면, 사각형의 한 변의 길이는 5㎛ 이하의 크기를 가질 수 있다. 복수개의 메인 필러들(100) 각각이 육각형 기둥 형상을 가지면, 육각형의 중심을 지나는 선의 길이는 5㎛ 이하의 크기를 가질 수 있다. If each of the plurality of
또한, 복수개의 메인 필러들(100) 각각은 광결정 구조를 가진다. 구체적으로 복수개의 메인 필러들(100) 각각은 그 상부에 형성된 복수의 홀들(132)을 포함한다. 상기 복수의 홀들(132)은 제2 광결정 패턴으로 배치될 수 있다. 또한, 상기 복수의 홀들(132)은 공기로 채워질 수 있다. 상기 복수의 홀들(132)은 원형 형상을 가지는 것이 바람직하다. Additionally, each of the plurality of
상기 복수의 홀들(132) 각각은 1㎛(마이크로미터) 이하의 크기를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 복수의 홀들(132) 각각의 지름이 ㎛ 이하의 크기를 가질 수 있다. Each of the plurality of
도 1(b)를 참조하면, 제2 실시예에 따른 발광 소자는 복수개의 메인 필러들(100)에 형성된 광결정 구조를 제외하고 제1 실시예에 따른 발광 소자와 유사한 구성을 가지므로 그 상세한 설명을 생략한다. Referring to FIG. 1(b), the light emitting device according to the second embodiment has a similar configuration to the light emitting device according to the first embodiment except for the photonic crystal structure formed in the plurality of
제2 실시예에 따른 발광 소자의 복수개의 메인 필러들(100) 각각은 복수의 홀들(132)을 포함하며, 상기 복수의 홀들(132) 상에 형성된 복수개의 나노 필러들(150)을 포함한다. Each of the plurality of
상기 복수의 나노 필러들(150)은 p-GaN 또는 SiO2의 산화물로 형성될 수 있다. 상기 복수의 나노 필러들(150)은 1.5의 굴절율을 가질 수 있다. 상기 복수의 나노 필러들(150)은 ITO(Indium Tin Oxide) 및 산화 아연(Zinc oxide: ZnO)중 어느 하나로 형성될 수 있다. The plurality of nano-
이 경우, 절연층(300)은 복수의 나노 필러들(150) 하나의 사이드 벽(side wall)을 절연막으로 둘러싸거나 나노 필러들(150) 사이를 절연 물질로 채우도록 형성될 수 있다. 이 경우, 절연층(300)은 나노 필러들(150) 사이를 절연시킬 수 있다. In this case, the insulating
상기와 같은 구성을 갖는 발광 소자들은 높은 휘도, 레이저와 유사한 방사 특성(Laser like Radiation), 높은 해상도, 저전력소모, 높은 응답속도를 가진다. Light-emitting devices having the above configuration have high brightness, laser-like radiation, high resolution, low power consumption, and high response speed.
즉, 발광 소자들의 메인 필러들이 서브-픽셀(sub-pixel)을 구성할 수 있다. 본 발명에 의한 발광소자는, 앞서 설명한 메인 필러들로 이루어진 픽셀들이 매트릭스 형태로 배치된 구조를 가질 수 있다. That is, the main pillars of the light-emitting devices can form a sub-pixel. The light emitting device according to the present invention may have a structure in which pixels composed of the main pillars described above are arranged in a matrix form.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 메인 필러의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 광결정 구조를 갖는 메인 필러(100)는, 기판(200) 상에 형성될 수 있다. 메인 필러(100)는 제1 반도체층(110), 제2 반도체층(130), 상기 제1 반도체층(110)과 제2 반도체층(130) 사이에 배치된 활성층(120), 및 상기 제2 반도체층(130)에 형성된 광결정 구조를 포함한다. 광결정(photonic crystal)이란 매트릭스와 서로 다른 굴절율을 갖는 입자가 규칙적으로 배열되어 결정격자를 이루는 물질로서, 빛의 파장 절반 수준에서 유전상수가 주기적으로 변함으로써 광 밴드갭을 갖는 물질을 말한다. Figure 2 is a diagram for explaining the structure of the main pillar according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the
광 밴드갭은 반도체에서 전자의 밴드갭이 전자를 제어하는 것과 동일한 방식으로 광결정에서 광자를 제어하는데, 외부에서 넓은 범위의 스펙트럼을 갖는 빛이 광결정에 입사하는 경우, 광 밴드갭에 해당하는 파장 대의 빛만 물질 내부로 전파되지 못하고 선택적으로 반사된다. 이와 같은 광 밴드갭이 가시광선 영역에 존재하는 경우, 광 밴드갭에 의한 선택적 반사는 반사색으로 나타나게 된다.The optical bandgap controls photons in a photonic crystal in the same way that the bandgap of electrons controls electrons in a semiconductor. When light with a wide range of spectrum from the outside is incident on the photonic crystal, the wavelength corresponding to the optical bandgap is Only light cannot propagate inside the material and is selectively reflected. When such an optical bandgap exists in the visible light region, selective reflection due to the optical bandgap appears as a reflected color.
광결정의 반사색은 매트릭스 물질 및 그 내부에 분산된 콜로이드 입자의 굴절율, 결정구조, 콜로이드 입자의 크기, 콜로이드 입자 간의 간격 등에 의해 결정된다. 따라서 이를 제어함으로써 원하는 반사색을 갖는 광결정을 제조할 수 있다.The reflected color of a photonic crystal is determined by the refractive index of the matrix material and the colloidal particles dispersed therein, the crystal structure, the size of the colloidal particles, and the spacing between colloidal particles. Therefore, by controlling this, photonic crystals with desired reflection colors can be manufactured.
본 실시예에서 상기 기판(200)은 사파이어로 이루어져 있다. 다른 실시예에서, 상기 기판(200)은 질화갈륨(GaN)으로 이루어질 수 있으며, 또는 탄화규소(SiC), 산화아연(ZnO) 등 투명 전도성 기판으로 이루어질 수 있다. In this embodiment, the
본 발명의 바람직한 일 실시예에서 제1 반도체층(110)은 n-타입 반도체층으로, 제2 반도체층(130)은 p-타입 반도체층으로 각각 형성되었으나, 그 역의 경우도 가능함은 물론이다.In a preferred embodiment of the present invention, the
n-타입 반도체층(110)은 n-GaN 또는 un-GaN을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 n-타입 반도체층(110)은 n형 도전형 불순물(Si)이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있다. The n-
상기 p-타입 반도체층은 p-GaN을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 p-타입 반도체층 (130)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층으로 형성하거나, p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 상에 박막 AlGaN층을 형성한 구조를 적용할 수 있다.The p-type semiconductor layer may include p-GaN. Specifically, the p-
상기 활성층(120)은 복수의 우물층(121)과 복수의 배리어층(122)이 교호적으로 배치된 다중 양자 우물(MQW; Multi Quantum Well)구조를 가진다.The
제2 반도체층(130)에는 5마이크로미터 이하의 메인 필러들이 형성된다. 상기 메인 필러들은 마이크로 LED 서브 픽셀로 기능할 수 있다. 그리고 각각의 메인 필러 상에 광결정 구조가 형성된다. Main pillars of 5 micrometers or less are formed in the
광결정 구조는 제2 반도체층(130)의 상부에 형성된 복수의 홀(132)을 포함할 수 있다. 복수의 홀(132)에는 공기가 채워진다. 제2 반도체층(130)은 화합물 GaN으로 형성될 수 있다. 제2 반도체층(130)은 대략 2.5의 굴절율을 가지며, 복수의 홀(130)에 채워진 공기는 대략 1의 굴절율을 갖는다. The photonic crystal structure may include a plurality of
도 1 및 도 2의 실시예들에서 홀들(132)은 원형 형상을 가지는 것으로 개시되어 있지만, 홀들(132)은 육각형, 사각형 등 다른 형상을 가질 수 있다. 홀들(132)의 지름(diameter) 또는 홀들(132) 사이의 간격은 메인 필러(100)에 의해 발광되는 광의 광 특성에 따라 결정될 수 있다.Although the
따라서, 메인 필러(100)는 제2 반도체층(130)에서 1의 굴절율과 2.5의 굴절율이 소정의 광결정 패턴으로 배열된(배치된) 구조를 갖는다. Accordingly, the
이 경우, 제2 반도체층(130)에서 1의 굴절율과 2.5의 굴절율이 소정의 광결정 패턴으로 배치된 광결정 구조는 포토닉 에너지 밴드 갭을 가지게 된다. 그에 따라, 활성층(120)으로부터 방출된 광은 포토닉 에너지 밴드 갭에 대응하는 부분은 히든되고 나머지 부분은 더 잘 방사되게 된다.In this case, the photonic crystal structure in which the refractive indices of 1 and 2.5 are arranged in a predetermined photonic crystal pattern in the
다시 말해, 2.5의 굴절율을 가지는 제2 반도체층(130)으로부터 공기(air)로 활성층(120)에서 발광하는 빛중 일정한 각도로 들어오는 빛은 영원히 갇히게 된다. 다시 말해, 제2 반도체층(130)에 광결정 구조를 형성함으로써(제2 반도체층(130)의 표면의 텍스쳐(Texturing)) 활성층(120)으로부터 방출되는 광의 발산각을 변경시킨다. In other words, among the light emitted from the
이 경우, 제2 반도체층(130)에 형성된 홀들(132)의 크기 및 간격은 광의 원하는 광학 특성에 따라 시뮬레이션을 통해 결정될 수 있다. 그에 따라, 광결정 구조를 가지는 발광 소자는 측면(Side) 방향으로 손실되는 TM 모드를 없애고 버티컬(Vertical) 방향의 TE 모드로 바꾸어 External QE를 높일 수 있다.In this case, the size and spacing of the
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 메인 필러의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 광결정 구조를 갖는 메인 필러(100)는 도 2의 메인 필러와 유사한 구성을 가지므로, 유사한 구성에 대해서는 간략히 설명한다.Figure 3 is a diagram for explaining the structure of the main pillar according to the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the
메인 필러(100)는 제1 반도체층(110), 제2 반도체층(130), 상기 제1 반도체층(110)과 제2 반도체층(130) 사이에 배치된 활성층(120), 및 상기 제2 입 반도체층(130)에 형성된 광결정 구조를 포함하는 할 수 있다.The
제2 반도체층(130)에는 상기 광결정 구조가 형성된다. 광결정 구조는 복수의 홀(132)을 포함할 수 있다. 상기 광결정 구조는 상기 복수의 홀(132)에 설치된 복수의 나노 필러들(pillars)(150)을 포함할 수 있다.The photonic crystal structure is formed in the
상기 복수의 나노 필러들은 패터닝이 가능한 절연 유기물 및 산화 무기물 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 상기 절연 유기물 및 산화 무기물은 포토 레지스트(Photo resist), 폴리이미드(PI), Su-8, 및 에폭시를 포함할 수 있다.The plurality of nano-fillers may be formed of either an insulating organic material or an oxidized inorganic material capable of being patterned. The insulating organic material and oxidized inorganic material may include photo resist, polyimide (PI), Su-8, and epoxy.
일 실시예에 따라, 상기 복수의 나노 필러들(150)은 p-GaN 또는 SiO2의 산화물로 형성될 수 있다. 복수의 나노 필러들(150)이 GaN으로 형성되는 경우, 2.5의 굴절율을 가질 수 있다. 복수의 나노 필러들(150)이 SiO2으로 형성되는 경우, 1.5의 굴절율을 가질 수 있다.According to one embodiment, the plurality of nano-
다른 실시예에 따라, 상기 복수의 나노 필러들(150)은 ITO(Indium Tin Oxide) 및 산화 아연(Zinc oxide: ZnO)중 어느 하나로 형성될 수 있다. 복수의 나노 필러들(150)이 산화 아연(ZnO)으로 형성되는 경우, 2.2의 굴절율을 가질 수 있다.According to another embodiment, the plurality of nano-
상기 복수의 나노 필러들(150)은 1.4 내지 2.5의 굴절율을 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 복수의 나노 필러들(150)은 1.5의 굴절율을 가질 수 있다.The plurality of nano-
이 경우, 제2 반도체층(130)은 대략 2.5의 굴절율을 가지므로, 메인 필러(100)는 제2 반도체층(130)에서 1의 굴절율과 1.4와 2.5 사이에서 결정된 굴절율이 소정의 광결정 패턴으로 배열된(배치된) 구조를 갖는다. In this case, since the
이 경우, 제2 반도체층(130)에서 1.4와 2.5 사이에서 결정된 굴절율과 2.5의 굴절율이 광결정 패턴으로 배치된 광결정 구조는 포토닉 에너지 밴드 갭을 가지게 된다. 그에 따라, 활성층(120)으로부터 방출된 광은 포토닉 에너지 밴드 갭에 대응하는 부분은 히든되고 나머지 부분은 더 잘 방사되게 된다.In this case, the photonic crystal structure in which the refractive index of the
다시 말해, 2.5의 굴절율을 가지는 제2 반도체층(130)으로부터 나노 필러들(150)로 활성층(120)에서 발광하는 빛 중 일정한 각도로 들어오는 빛은 영원히 갇히게 된다. In other words, among the light emitted from the
이 경우, 제2 반도체층(130)에 형성된 홀들(132)의 크기 및 간격 또는 나노 필러들(150)의 길이는 광의 원하는 광학 특성에 따라 시뮬레이션을 통해 결정될 수 있다. In this case, the size and spacing of the
그에 따라, 광결정 구조를 가지는 발광 소자는 측면(Side) 방향으로 손실되는 TM 모드를 없애고 버티컬(Vertical) 방향의 TE 모드로 바꾸어 External QE를 높일 수 있다.Accordingly, a light emitting device having a photonic crystal structure can increase external QE by eliminating the TM mode lost in the side direction and changing it to the TE mode in the vertical direction.
도 4에는 도 1의 발광 소자들의 단면도를 나타낸 도면이다. FIG. 4 is a cross-sectional view of the light emitting devices of FIG. 1.
도 4(a)는 복수의 홀을 포함하는 메인 필러의 단면이 도시되어 있고, 도 4(b)는 복수의 나노 필러를 포함하는 메인 소자의 단면이 도시되어 있다. FIG. 4(a) shows a cross section of a main pillar including a plurality of holes, and FIG. 4(b) shows a cross section of a main element including a plurality of nano pillars.
도 5는 본 발명에 따른 다수의 발광 소자들을 도시한다. Figure 5 shows a number of light-emitting devices according to the invention.
도 5를 참조하면, 메인 필러(100)의 홀들(132)의 깊이 또는 길이를 변경함으로써 또는 홀들(132)에 설치된 나노 필러들의 두께 및 길이를 변경함으로써 발광 소자들(100)이 방출하는 광의 색상 또한 변화할 수 있다. 도 4에서는 발광 소자들은 적색, 청색 및 녹색을 각각 발광하고 있다.Referring to FIG. 5, the color of the light emitted by the
상기와 같은 발광 소자는 외광을 반사하여 영상을 표시하는 반사형 디스플레이로서, 백 라이트 등의 광원을 요구하지 않으며, 특히 실외 또는 밝은 조명 하에서 저전력으로도 영상을 표시할 수 있는 효과를 갖는다.The above light-emitting device is a reflective display that displays an image by reflecting external light, does not require a light source such as a backlight, and has the effect of displaying an image at low power, especially outdoors or under bright lighting.
또한, 발광 소자 자체의 색이 변화하여 영상을 표시하므로, 별도의 컬러 필터를 요하지 않으며, 하나의 화면을 구현하는 데 있어서 모든 픽셀을 이용할 수 있다. 예를 들어 R/G/B 서브 픽셀로 이루어진 종래의 표시 장치는, R, G, B 중 어느 하나의 색상을 구현하기 위해서, 다른 두 서브 픽셀은 블랙 영상을 표시하여야 하므로, 실질적인 해상도가 낮아지는 문제가 발생하였다. 반면, 본 발명에 의한 디스플레이는 어떤 색을 표시하더라도 모든 픽셀을 이용하므로 실질적인 해상도가 증가하는 효과를 갖는다.Additionally, since the color of the light emitting device itself changes to display an image, a separate color filter is not required, and all pixels can be used to create a single screen. For example, in a conventional display device composed of R/G/B subpixels, in order to implement one color among R, G, and B, the other two subpixels must display a black image, which lowers the actual resolution. A problem occurred. On the other hand, the display according to the present invention uses all pixels no matter what color it displays, so it has the effect of increasing actual resolution.
상기와 같은 디스플레이는 외광을 반사하여 영상을 표시하는 것으로서, 백 라이트 등의 광원을 요구하지 않으며, 특히 실외 또는 밝은 조명 하에서 저전력으로도 영상을 표시할 수 있는 효과를 갖는다.The above display displays an image by reflecting external light, does not require a light source such as a backlight, and has the effect of displaying an image with low power, especially outdoors or under bright lighting.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention will be described.
먼저, 도 2 및 도 3을 참조하면, 먼저 기판(200) 상에 제1 반도체층(110), 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)을 순차적으로 형성한다. 상기 제2 반도체층(130)은 GaN 화합물로 형성될 수 있다.First, referring to FIGS. 2 and 3 , first, the
이어서, 제2 반도체층(130)을 가공하여 5 마이크로미터 이하의 크기를 가지는 메인 필러(Main Pillar)(100)를 형성한다. Next, the
메인 필러(100)가 원통형인 경우 단면의 원의 지름은 5 ㎛ 이하이고, 메인 필러(100)가 사각 기둥인 경우, 단면의 사각형의 한 변의 길이가 5 ㎛ 이하가 될 수 있다. If the
이어서, 메인 필러(100)의 상부에 광결정 구조를 형성한다. 구체적으로, 메인 필러(100)의 상부에 복수의 홀들(132)을 형성한다. 상기 복수의 홀들(132)은 미리 결정된 광 패턴으로 배치될 수 있다.Next, a photonic crystal structure is formed on the top of the
다른 실시예에 따라, 복수의 홀들(132)를 형성하기 전에 메인 필러(100) 상부에 SiO2 및 Al2O3, SiN, HfO, WO 등의 절연 산화막/질화막을 성장시킨으로써 필러층을 형성하고, 필러층에 홀들(132)을 형성할 수도 있다. 이 경우, 필러층과 물리적 특성과 제2 반도체층(130)의 물리적 특성이 다를 수 있다. According to another embodiment, before forming the plurality of
복수의 홀들(132)은 원형인 것이 바람직하다. 복수의 홀들(132)의 지름은 1 ㎛ 이하의 크기를 가질 수 있다. 복수의 홀들의 개수는 1 내지 10일 수 있다.The plurality of
구체적으로, 도 5(b) 및 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 제 2 반도체층(130) 상에 광결정 구조의 나노 패턴을 생성한다. 이 때, 디스플레이들의 색에 따라 광결정 구조에서 홀(132) 또는 나노 필러(150)의 깊이 또는 폭이 결정될 수 있다.Specifically, as shown in FIGS. 5(b) and 5(c), a nanopattern with a photonic crystal structure is created on the
그리고, 메인 필러(100) 상에는 절연층(300)이 형성될 수 있다. 이 경우, 메인 필러는 포토 레지스트(Photo resist), PI, Su-8, epoxy 등 패터닝이 가능한 절연 유기물 및 산화 무기물로 둘러 쌓이거나 채워질 수 있다.And, an insulating
도 6에는 본 발명의 실시예들에 따른 광 패턴의 예들을 나타나 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 발광 소자의 광 특성에 따라 상이한 패턴이 존재할 수 있다. 이후, 복수의 홀(132)에 복수의 나노 필러들(pillars)을 설치할 수 있다.Figure 6 shows examples of light patterns according to embodiments of the present invention. As shown in FIG. 6, different patterns may exist depending on the optical characteristics of the light emitting device. Afterwards, a plurality of nano pillars may be installed in the plurality of
이상 설명한 본 발명의 실시예에 따르면, 반도체층에 광결정 구조를 형성함으로써 광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 광결정 구조를 가지는 발광 소자는 측면(Side) 방향으로 손실되는 TM 모드를 없애고 버티컬(Vertical) 방향의 TE 모드로 바꾸어 External QE를 높일 수 있다.According to the embodiment of the present invention described above, light efficiency can be improved by forming a photonic crystal structure in the semiconductor layer. Additionally, a light emitting device with a photonic crystal structure can increase external QE by eliminating the TM mode lost in the side direction and changing it to the TE mode in the vertical direction.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.The above description is merely an exemplary description of the present invention, and various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the specification of the present invention do not limit the present invention. The scope of the present invention should be interpreted in accordance with the scope of the patent claims below, and all technologies within the equivalent scope thereof should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
100: 발광 소자 110: 제1 반도체층
120: 활성층 130: 제2 반도체층
132: 홀 150: 나노 필러100: light emitting device 110: first semiconductor layer
120: active layer 130: second semiconductor layer
132: Hole 150: Nano pillar
Claims (10)
복수개의 메인 필러들을 포함하고,
상기 복수개의 메인 필러들 각각은
상기 기판 상에 형성된 제1 반도체층;
상기 제1 반도체 상에 형성된 제2 반도체층; 및
상기 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함하며,
상기 제2 반도체층은 상기 제2 반도체층 상에 형성된 광결정 구조를 포함하고,
상기 광결정 구조는 복수의 홀들을 포함하며,
상기 복수의 홀들은 공기로 채워지고,
상기 광결정 구조는 상기 복수의 홀 상에 설치된 복수의 나노 필러들(nano pillars)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
Board; and
Contains a plurality of main fillers,
Each of the plurality of main fillers is
a first semiconductor layer formed on the substrate;
a second semiconductor layer formed on the first semiconductor; and
It includes an active layer disposed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer,
The second semiconductor layer includes a photonic crystal structure formed on the second semiconductor layer,
The photonic crystal structure includes a plurality of holes,
The plurality of holes are filled with air,
A light emitting device wherein the photonic crystal structure includes a plurality of nano pillars installed on the plurality of holes.
상기 복수의 나노 필러들은 p-GaN 또는 SiO2의 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
According to paragraph 1,
A light emitting device, wherein the plurality of nano-pillars are formed of an oxide of p-GaN or SiO 2 .
상기 복수의 나노 필러들은 ITO(Indium Tin Oxide) 및 산화 아연(Zinc oxide: ZnO)중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
According to paragraph 1,
A light emitting device wherein the plurality of nano-fillers include one of ITO (Indium Tin Oxide) and zinc oxide (ZnO).
상기 복수의 나노 필러들은 1.4 내지 2.5의 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
According to paragraph 1,
A light emitting device characterized in that the plurality of nano-pillars have a refractive index of 1.4 to 2.5.
상기 메인 필러는 원통형 형상, 사각형 기둥, 육각형 기둥 중 어느 하나의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
According to paragraph 1,
The main pillar is a light emitting device characterized in that it has any one of a cylindrical shape, a square pillar, and a hexagonal pillar.
상기 제2 반도체층을 가공하여 복수의 메인 필러를 형성하는 단계;
상기 메인 필러의 상부에 복수의 홀을 포함하는 광결정 구조를 형성하는 단계; 및
상기 복수의 홀에 복수의 나노 필러들(nano pillars)을 설치하는 단계;
를 포함하는 발광소자 제조 방법.
sequentially forming a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer on a semiconductor substrate;
Processing the second semiconductor layer to form a plurality of main pillars;
forming a photonic crystal structure including a plurality of holes on the main pillar; and
Installing a plurality of nano pillars in the plurality of holes;
A method of manufacturing a light emitting device comprising a.
상기 제2 반도체층을 가공하여 복수의 메인 필러를 형성하는 단계;
상기 복수의 메인 필러의 사이드 표면에 절연 산화막 또는 질화막을 형성하여 필러층을 형성하는 단계;
상기 필러층에 복수의 홀을 포함하는 광결정 구조를 형성하는 단계; 및
상기 복수의 홀에 복수의 나노 필러들(nano pillars)을 설치하는 단계;
를 포함하는 발광소자 제조 방법.
sequentially forming a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer on a semiconductor substrate;
Processing the second semiconductor layer to form a plurality of main pillars;
forming a filler layer by forming an insulating oxide film or a nitride film on side surfaces of the plurality of main pillars;
forming a photonic crystal structure including a plurality of holes in the filler layer; and
Installing a plurality of nano pillars in the plurality of holes;
A method of manufacturing a light emitting device comprising a.
상기 복수의 나노 필러들 상에 패터닝이 가능한 절연 유기물 및 산화 무기물 중 어느 하나로 형성된 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하며,
상기 절연 유기물 및 산화 무기물은 포토 레지스트(Photo resist), 폴리이미드(PI), Su-8, 및 에폭시를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법.According to clause 8,
It further includes forming an insulating layer made of any one of a patternable insulating organic material and an oxidized inorganic material on the plurality of nano-fillers,
A method of manufacturing a light emitting device, wherein the insulating organic material and oxidized inorganic material include photo resist, polyimide (PI), Su-8, and epoxy.
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