KR20030052499A

KR20030052499A - Light emitting diode

Info

Publication number: KR20030052499A
Application number: KR1020010082484A
Authority: KR
Inventors: 배유석
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-06-27

Abstract

PURPOSE: A semiconductor LED(Light Emitting Diode) is provided to be capable of controlling the angular spectrum of extracted light by using a diffracting optical element. CONSTITUTION: A semiconductor LED is provided with a P-type and N-type epitaxial layer(13,14) doped with holes and electrons, an active layer(10) located between the P-type and N-type epitaxial layer(13,14) for generating photons, a plurality of ohmic contact layers(15,20) located on the lower and upper portion of the semiconductor LED for coupling the electron and hole at the active layer(10) by supplying voltage, and a diffracting optical element(25) located at both inner sidewalls(23) or on the upper surface(17) of the semiconductor LED for extracting parallel light from the photons. Preferably, the inner sidewall(23) of the semiconductor LED has a predetermined slope.

Description

Semiconductor light emitting device

본 발명은 회절 광학 소자를 이용하여 적출광의 각 스팩트럼 특성을 개선시킨 반도체 발광 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor light emitting device in which each spectrum characteristic of the extracted light is improved by using a diffractive optical device.

일반적으로 반도체 발광 소자(이하 LED라 함)의 발광 성능을 판별하는 기준 요소로는 발광효율이 있다. 이 발광효율은 내부 양자 효율(internal quantumefficiency, 적출 효율(extraction efficiency), 동작 전압(operation voltage)의 세가지 요소에 의해 주로 결정된다. 이 중 적출 효율은 LED를 통해 생성된 광자에 대한 칩 밖으로 빠져 나오는 양의 비율을 나타낸다. 이러한 적출 효율을 증대시키기 위한 구조가 미국 특허 US 6,229,160 B1에 개시되어 있다.In general, a reference factor for determining the light emission performance of a semiconductor light emitting device (hereinafter referred to as LED) is light emission efficiency. This luminous efficiency is mainly determined by three factors: the internal quantum efficiency, the extraction efficiency, and the operation voltage, of which the extraction efficiency exits the chip for the photons generated by the LEDs. Positive ratios are disclosed A structure for increasing this extraction efficiency is disclosed in US Pat. No. 6,229,160 B1.

도 1을 참조하면, 이 개시된 발광 소자는 전자와 정공이 도핑된 n형 및 p형 에피택시얼 층(110)(112)과 이 층(110)(112)들 사이에 형성되고, 상기 n형 및 p형 에피택시얼 층(110)(112)으로부터 이동된 전자와 정공의 결합에 의해 광자들이 발생되는 활성층(111)과, 상기 활성층(111)으로부터 튀어나오는 광자들이 통과되는 윈도우 층(113)을 포함한다. 또한, 상기 발광 소자의 상부면 및 하부면에 각각 제1 및 제2 전기오믹 콘택트(114)(115)가 구비된다. 상기 제1 전기오믹 콘택트(114)는 발광 소자의 상부면(117)의 일부에 형성되고 상기 상부면(117)을 통해 광자(I₁)가 적출된다. 여기서, 광자가 상기 상부면(117)을 통해 적출되도록 소정 각도로 기울어진 측벽(116)이 구비된다.Referring to FIG. 1, the disclosed light emitting device is formed between n-type and p-type epitaxial layers 110 and 112 doped with electrons and holes, and the layers 110 and 112, and the n-type And an active layer 111 in which photons are generated by the combination of electrons and holes moved from the p-type epitaxial layers 110 and 112, and a window layer 113 through which photons protruding from the active layer 111 pass. It includes. In addition, first and second electro-omic contacts 114 and 115 are provided on upper and lower surfaces of the light emitting device, respectively. The first electro-ohmic contact 114 is formed on a portion of the upper surface 117 of the light emitting device, and photons I 'are extracted through the upper surface 117. Here, sidewalls 116 are inclined at a predetermined angle so that photons are extracted through the upper surface 117.

상기 구조에서 제1 및 제2 전기 오믹 콘택트(ohmic contact)(114)(115)에 각각 플러스와 마이너스 전압을 순방향으로 가하면 상기 n형 및 p형 에피택시얼 층(110)(112)에서 상기 활성층(111)으로 전자와 정공이 이동되고, 이 전자와 정공의 결합을 통하여 에너지 밴드 갭에 해당하는 에너지를 갖는 광자가 발생하게 된다. 상기 활성층(111)에서 발생된 광자들은 랜덤한 방향으로 발산되는 성질이 있으므로 여러번의 반사 끝에 결국 칩 외부로 방출되지 못하고 칩 내부에서 흡수되거나 소자의 상부면이 아닌 다른 방향(I2)으로 나가는 경우가 많다. 이와 같이 광자가칩내부에서 흡수되는 것을 방지하여 칩 외부로 가능한 많은 수의 광자들을 탈출시킴으로써 적출 효율을 향상시키기 위해 상기 측벽(116)의 기울기 각도(δ)를 조절하고, 상기 윈도우층(113)의 두께를 조절하여 활성층(111)의 위치를 조절하는 방법 등을 사용한다.In the structure, positive and negative voltages are applied to the first and second ohmic contacts 114 and 115 in the forward direction, respectively, in the n-type and p-type epitaxial layers 110 and 112, respectively. Electrons and holes are moved to (111), and photons having energy corresponding to the energy band gap are generated through the combination of the electrons and the holes. Since the photons generated in the active layer 111 are emitted in a random direction, after several reflections, the photons are not emitted to the outside of the chip but are absorbed inside the chip or exit in a direction I2 other than the top surface of the device. many. As such, the inclination angle δ of the sidewall 116 is adjusted to prevent extraction of photons from inside the chip and escape as many photons as possible outside the chip, thereby improving the extraction efficiency. By adjusting the thickness of the method for controlling the position of the active layer 111 and the like.

상기 예에서는 발광 소자가 상기 활성층(111)에서 생성된 광자들의 적출효율을 높이기 위해 상기 측벽(116)을 경사지게 한 절두 역피라미드 형상을 가진다. 상기 활성층(111)에서 생성된 광자들이 상기 경사진 측벽(116)에서 반사되어 상기 상부면(117)을 통해 적출되도록 함으로써 광자가 칩 내부로 흡수되는 것을 방지한다.In this example, the light emitting device has a truncated inverted pyramid shape in which the sidewall 116 is inclined to increase the extraction efficiency of photons generated in the active layer 111. Photons generated in the active layer 111 are reflected on the inclined sidewall 116 and extracted through the upper surface 117 to prevent photons from being absorbed into the chip.

그런데, 상기와 같이 하여 광자의 적출효율을 높일 수는 있지만 광자의 적출시 적출각도는 무작위적이다. 따라서, 발광 소자에서 발광되어 나오는 빔의 각 스팩트럼이 중요한 때에는 이러한 방법은 효과적인 방법이라고 할 수 없다. 특히, 적출되는 광의 각 스팩트럼이 콜리메이팅 빔이 갖는 것과 같은 정도의 형태로 되어야 할 것이 요구되는 응용 분야에서는 부적합하다.By the way, as described above, the extraction efficiency of photons can be increased, but the extraction angle at the time of photon extraction is random. Therefore, this method is not an effective method when each spectrum of beams emitted from the light emitting element is important. In particular, it is inadequate in applications where it is required that each spectrum of the extracted light be shaped to the same extent as the collimating beam has.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 적출되는 광의 각 스팩트럼을 조절할 수 있도록 된 반도체 발광 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of adjusting each spectrum of light to be extracted.

도 1은 종래의 반도체 발광 소자를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a conventional semiconductor light emitting device.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.2 is a view showing a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating a semiconductor light emitting device according to another exemplary embodiment of the present invention.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>

10...활성층, 13...p형 에피택시얼층10 ... active layer, 13 ... p type epitaxial layer

14...n형 에피택시얼층, 15,20...오믹 콘택트층14 ... n-type epitaxial layer, 15,20 ... ohmic contact layer

17...상부면, 23...측벽17.Top side, 23 ... side wall

25...회절 광학 소자25 ... Diffractive Optical Element

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는, 전자와 정공들이 도핑되어 있는 n형 및 p형 에피택시얼층; 광자들이 발생되는 활성층; 상기 활성층에서 상기 전자와 정공이 결합되도록 전압을 가하는 오믹 콘택트;를 포함하는 반도체 발광 소자에 있어서,In order to achieve the above object, a semiconductor light emitting device according to the present invention includes an n-type and p-type epitaxial layer doped with electrons and holes; An active layer in which photons are generated; An ohmic contact for applying a voltage to couple the electrons and holes in the active layer, comprising:

상기 광자들이 평행광으로 적출될 수 있도록 소자의 측벽 또는 상부면에 회절 광학 소자가 구비되는 것을 특징으로 한다.A diffractive optical element is provided on the sidewall or the top surface of the device so that the photons can be extracted as parallel light.

상기 측벽이 소정 각도로 기울어져 있는 것을 특징으로 한다.The side wall is inclined at a predetermined angle.

상기 회절 광학 소자 앞에 굴절 소자가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.Refractive elements are further provided in front of the diffractive optical element.

상기 회절 광학 소자가 특정한 패턴을 형성하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.The diffractive optical element is characterized in that it is provided to form a specific pattern.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 발광 소자에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a semiconductor light emitting device according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는 전자와 정공이 도핑된 p형 및 n형 에피택시얼 층(13)(14)과, 상기 p형 및 n형 에피택시얼 층(13)(14)들 사이에 형성되고, 광자들이 발생되는 활성층(10)과, 상기 활성층(10)으로부터 튀어나오는 광자들이 통과되는 윈도우 층(12)과, 소정 전압을 인가하는 제1 및 제2 콘택트(15)(20)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the semiconductor light emitting device according to the present invention includes p-type and n-type epitaxial layers 13 and 14 doped with electrons and holes, and p-type and n-type epitaxial layers 13. An active layer 10 formed between the first and second photons, a window layer 12 through which photons protruding from the active layer 10 pass, and first and second contacts applying a predetermined voltage ( 15) 20.

또한, 상기 활성층(10)으로부터 튀어나온 광자들이 반사되어 소자의 상부면(17)을 통해 적출되도록 측벽(23)이 형성되는데, 이 측벽(23)에 회절 광학 소자(25)가 구비된다. 상기 회절 광학 소자(25)는 소자 밖으로 적출되는 광자의 각도를 조절하기 위해 상기 활성층(10)에서 발광되는 광 중 주광의 각도를 상기 측벽에 입사되는 각도로 가정하여 제작된다.In addition, a sidewall 23 is formed to reflect photons protruding from the active layer 10 and to be extracted through the upper surface 17 of the device, and the sidewall 23 is provided with a diffractive optical element 25. The diffractive optical element 25 is manufactured by assuming that the angle of the chief light of the light emitted from the active layer 10 is an angle incident on the sidewall in order to adjust the angle of the photons extracted out of the element.

예를 들어, 상기 활성층(10)에서 발광되는 광 중 주광의 각도를 각각 각 α와 각 β라고 할 때, 소정의 입사각도와 파장을 가지고 입사하는 기준파와 상기 α와 각 β를 가지고 입사하는 광을 간섭을 일으켜 회절 광학소자를 제작한다. 이러한 직접 기록 방식 이외에 시뮬레이션을 이용하는 CGH(Computer Generated Hologram)를 사용하거나 포토레지스트가 코팅된 글라스 위에 직접 두 빛을 사용하여 프린지 패턴을 기록하고, 이온 빔 밀링이나 이온 에칭으로 가공하는 표면 릴리프 타입으로 제작 가능하다.For example, when the angles of the chief rays of light emitted from the active layer 10 are α and β, respectively, reference waves incident with a predetermined incident angle and wavelength and light incident with the α and angle β Interfere to produce a diffractive optical element. In addition to the direct recording method, a fringe pattern is recorded by using computer generated hologram (CGH) using simulation or by using two lights directly on a photoresist-coated glass, and manufactured as a surface relief type which is processed by ion beam milling or ion etching. It is possible.

간접기록방식이나 직접기록방식으로 제작되는 회절광학소자는 그레이팅의 크기, 모양 그리고 주기 등에 의해 각 영역에서 회절되는 빛의 성질이 결정된다. 따라서, 회절되는 빛이 원하는 성질을 갖도록 각 영역의 그레이팅의 크기, 모양 및 주기등을 디자인을 한다.The diffraction optical element manufactured by the indirect or direct recording method determines the properties of light diffracted in each region by the size, shape and period of the grating. Therefore, the size, shape and period of the grating in each region are designed so that the diffracted light has the desired properties.

본 발명에 따른 발광 소자에 채용되는 회절 광학 소자(25)는 상기 활성층(10)에서 발광된 광이 회절 광학 소자(25)에 입사되면 상기 상부면(17)을 통해 평행하게 나가도록 설계된다.The diffractive optical element 25 employed in the light emitting device according to the present invention is designed to exit in parallel through the upper surface 17 when the light emitted from the active layer 10 is incident on the diffractive optical element 25.

상기 설명에서는 상기 회절 광학 소자(25)가 상기 측벽(23)에 설치된 경우를 설명하였지만, 상기 상부면(17)에도 설치 가능함은 물론이다. 상기 측벽(23)에서 반사되어 나오는 광을 평행하게 적출되도록 할 수 있다. 이런 경우에는 투과형으로 제작되어야 한다.In the above description, the case in which the diffractive optical element 25 is provided on the side wall 23 is described, but it is of course possible to install the upper surface 17. Light reflected from the side wall 23 may be extracted in parallel. In this case, it should be made of transmission type.

상기와 같이 하여 측벽(23) 또는 상부면(17)에 회절 광학 소자를 설치하여 각 스팩트럼(angular spectrum)을 원하는 범위로 조절함과 아울러, 적출 효율을 고려하여 상기 측벽(23)을 소정 각도로 경사지게 하는 것이 바람직하다.As described above, a diffractive optical element is installed on the side wall 23 or the upper surface 17 to adjust the angular spectrum to a desired range, and to adjust the side wall 23 at a predetermined angle in consideration of extraction efficiency. It is preferable to incline.

한편, 도 3과 같이 상기 측벽(23)에 특정한 패턴을 가진 회절 광학 소자(26)를 설치할 수도 있다. 예를 들어, 평면 형태 뿐만 아니라 일정한 주기를 갖는 패턴이나 특정한 형상을 가진 회절 광학 소자(26)를 설치할 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 3, the diffractive optical element 26 having a specific pattern may be provided on the sidewall 23. For example, a diffractive optical element 26 having a pattern or a specific shape as well as a planar shape can be provided.

또한, 상기 측벽(23) 또는 상부면(17)에 굴절 소자(refractive element)(30)를 더 구비함으로써 상기 회절 광학 소자(26)쪽으로 입사되는 빔의 입사 각도를 조절하여 빔의 콜리메이팅 효율을 더 높일 수 있다.In addition, by providing a refracting element 30 on the sidewall 23 or the upper surface 17, by adjusting the angle of incidence of the beam incident toward the diffractive optical element 26 to improve the collimating efficiency of the beam It can be higher.

본 발명의 반도체 발광 소자는 측벽 또는 상부면에 구비된 회절 광학 소자에 의해 적출광의 각 스팩트럼(angular spectrum)을 조절함으로써 광자가 평행광으로 방출되도록 하여 콜리메이팅 시스템을 이용하는 많은 이용 분야에 적합하도록 한 것이다.The semiconductor light emitting device of the present invention is adapted to be adapted to many fields of application using a collimating system by controlling the angular spectrum of the extracted light by diffractive optical elements provided on the sidewalls or the top surface, so that photons are emitted in parallel light will be.

Claims

N-type and p-type epitaxial layers doped with electrons and holes;

An active layer in which photons are generated;

An ohmic contact for applying a voltage to couple the electrons and holes in the active layer, comprising:

And a diffractive optical element is provided on the sidewall or the top surface of the device so that the photons can be extracted as parallel light.

The method of claim 1,

And the side wall is inclined at a predetermined angle.

The method according to claim 1 or 2,

And a refractive element is further provided in front of the diffractive optical element.

The method according to claim 1 or 2,

And the diffractive optical element is formed to form a specific pattern.