KR20080074948A - 광추출 효율이 높은 발광 다이오드 - Google Patents

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KR20080074948A
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스티븐 피. 덴바스
슈지 나카무라
히사시 마스이
나탈리 엔. 펠로우스
아키히코 무라이
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더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

조형된 플라스틱 광학 요소와 결합된 (Al, Ga, In)N과 ZnO 직접 웨이퍼 접합 발광 다이오드(LED)를 개시한다. 상기 LED 표면과 접촉하는 ZnO 콘으로부터 또는 임의의 고굴절율 물질로부터 상기 조형된 플라스틱 광학 요소를 들어가는 방향성의 빛이 공기로 추출된다.
광학 요소, (Al, Ga, In)N, ZnO, LED, 굴절율, 광추출

Description

광추출 효율이 높은 발광 다이오드{High light extraction efficiency light emitting diode(LED)}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 35 U.S.C. 119(e) 규정 아래에서 Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, Hisashi Masui, Natalie N. Fellows, and Akihiko Murai 에 의해 2005년 11월 4일에 출원된, "HIGH LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED)"라는 제목의 미국 가특허 출원 번호 60/734,040 (대리인 서류 번호 30794.161-US-P1 (2006-271-1)의 이익을 주장한다;
상기 출원은 여기에 참조에 의하여 통합된다.
본 출원은 다음의 공동 계류 중이고 공동-양수된 출원에 관련된다:
Tetsuo Fujii, Yan Gao, Evelyn. L. Hu, and Shuji Nakamura 에 의해 "HIGHLY EFFICIENT GALLIUM NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODES VIA SURFACE ROUGHENING" 라는 제목으로 2006년 6월 7일에 출원된 미국 특허 출원 번호 10/581,940 (대리인 서류 번호 30794.108-US-WO (2004-063)). 이 출원은 35 U.S.C Section 365(c) 의 규정 아래 Tetsuo Fujii, Yan Gao, Evelyn L. Hu, and Shuji Nakamura 에 의하여 "HIGHLY EFFICIENT GALLIUM NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODES VIA SURFACE ROUGHENING" 라는 제목으로 2003년 12월 9일에 출원된 PCT 출 원번호 US2003/03921 (대리인 서류 번호 30794.108-WO-01 (2004-063))의 이익을 주장한다;
Rajat Sharma, P. Morgan Pattison, John F. Kaeding, and Shuji Nakamura 에 의하여 "SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE" 라는 제목으로 2005년 2월 9일에 출원된 미국 특허 출원 번호 11/054,271 (대리인 서류 번호 30794.112-US-01 (2004-208));
Carole Schwach, Claude C. A. Weisbuch, Steven P. DenBaars, Henri Benisty and Shuji Nakamura 에 의하여 "WHITE, SINGLE OR MULTICOLOR LED BY RECYCLING GUIDED MODES" 라는 제목으로 2004년 10월 10일에 출원된 미국 특허 출원 번호 10/938,704 (대리인 서류 번호 30794.115-US-01 (2004-064));
Akihiko Murai, Lee McCarthy, Umesh K. Mishra and Steven P. DenBaars 에 의하여 "METHOD FOR WAFER BONDING (Al, In, Ga)N and Zn(S, Se) FOR OPTOELECTRONICS APPLICATIONS" 라는 제목으로 2005년 7월 6일 출원된 미국 특허 출원 번호 11/175,761 (대리인 서류 번호 30794.116-US-Ul (2004-455)). 이 출원은 35 U.S.C Section 119(e) 규정 아래 Akihiko Murai, Lee McCarthy, Umesh K. Mishra and Steven P. DenBaars 에 의하여 "METHOD FOR WAFER BONDING (Al, In, Ga)N and Zn(S, Se) FOR OPTOELECTRONICS APPLICATIONS" 라는 제목으로 2004년 7월 6일 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/585,673 (대리인 서류 번호 30794.116-US-Pl (2004-455-1))의 이익을 주장한다;
Claude C. A. Weisbuch, Aurelien J. F. David, James S. Speck and Steven P. DenBaars 에 의하여 출원된 "HORIZONTAL EMITTING, VERITCAL EMITTING, BEAM SHAPED, DISTRIBUTED FEEDBACK (DFB) LASERS BY GROWTH OVER A PATTERNED SUBSTRATE," 라는 제목으로 2005년 2월 28일 미국 특허 출원 번호 11/067,957 (대리인 서류 번호 30794.121-US-01 (2005- 144-1));
Claude C. A. Weisbuch, Aurelien J. F. David, James S. Speck and Steven P.DenBaars 에 의하여 "SINGLE OR MULTI-COLOR HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED) BY GROWTH OVER A PATTERNED SUBSTRATE," 라는 제목으로 2005년 2월 28일 출원된 미국 특허 출원 번호 11/067,910 (대리인 서류 번호 30794.122-US-01 (2005-145-01));
Aurelien J.F. David, Claude CA Weisbuch and Steven P. DenBaars 에 의하여 "HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED) WITH OPTIMIZED PHOTONIC CRYSTAL EXTRACTOR," 라는 제목으로 2005년 2월 28일 출원된 미국 가특허 출원 번호 11/067,956 (대리인 서류 번호 30794.126-US-01 (2005-198-i));
James S. Speck, Troy J. Baker and Benjamin A. Haskell 에 의하여 "WAFER SEPARATION TECHNIQUE FOR THE FABRICATION OF FREE-STANDING (AL, IN, GA)N WAFERS," 라는 제목으로 2006년 4월 13일 출원된 미국 특허 출원 번호 11/403,624 (대리인 서류 번호 30794.131-US-Ul (2005-482-2)). 이 출원은 35 U.S.C Section 119(e) 규정 아래 James S. Speck, Troy J. Baker and Benjamin A. Haskell 에 의해 "WAFER SEPARATION TECHNIQUE FOR THE FABRICATION OF FREE-STANDING (AL, IN, GA)N WAFERS," 라는 제목으로 2005년 4월 13일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 60/670,810 (대리인 서류 번호 30794.131-US-P1 (2005-482-1)) 의 이익을 주장한다.
James S. Speck, Benjamin A. Haskell, P. Morgan Pattison and Troy J. Baker 에 의하여 "ETCHING TECHNIQUE FOR THE FABRICATION OF THIN (AL, IN, GA)N LAYERS," 라는 제목으로 2006년 4월 13일 출원된 미국 특허 출원 번호 11/403,288 (대리인 서류 번호 30794.132-US-U1 (2005-509-2)). 이 출원은 35 U.S. C Section 119(e) 규정 아래 James S. Speck, Benjamin A. Haskell, P. Morgan Pattison and Troy J. Baker 에 의하여 "ETCHING TECHNIQUE FOR THE FABRICATION OF THIN (AL, IN, GA)N LAYERS," 라는 제목으로 2005년 4월 13일 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/670,790 (대리인 서류 번호 30794.132-US-P1 (2005-509-1)) 의 이익을 주장한다.
Akihiko Murai, Christina Ye Chen, Daniel B. Thompson, Lee S. McCarthy, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, and Umesh K. Mishra 에 의하여 "(Al5Ga5In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDING STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD," 라는 제목으로 2006년 6월 16일 출원된 미국 특허 출원 번호 11/454,691 (대리인 서류 번호30794.134-US-U1 (2005-536-4)). 이 출원은 35 U.S.C Section 119(e) 규정 아래 Akihiko Murai, Christina Ye Chen, Lee S. McCarthy, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, and Umesh K. Mishra 에 의하여 "(Al, Ga, In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDING STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS, AND ITS FABRICATION METHOD5" 라는 제목으로 2005 년 6월 17일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/691,710 (대리인 서류 번호 30794.134-US-P1 (2005-536-1)), Akihiko Murai, Christina Ye Chen, Daniel B. Thompson, Lee S. McCarthy, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, and Umesh K. Mishra 에 의하여 entitled "(Al, Ga, Li)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDED STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS, AND ITS FABRICATION METHOD," 라는 제목으로 2005년 11월 1일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/732,319 (대리인 서류 번호 30794.134-US-P2 (2005-536-2)) 및 Akihiko Murai, Christina Ye Chen, Daniel B. Thompson, Lee S. McCarthy, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, and Umesh K. Mishra 에 의하여 "(Al5Ga5In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDED STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD5" 라는 제목으로 2006년 2월 3일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/764,881 (대리인 서류 번호 30794.134-US-P3 (2005-536-3)) 의 이익을 주장한다;
Frederic S. Diana, Aurelien J. F. David, Pierre M. Petroff, and Claude C. A. Weisbuch 에 의하여 "PHOTONIC STRUCTURES FOR EFFICIENT LIGHT EXTRACTION AND CONVERSION IN MULTI-COLOR LIGHT EMITTING DEVICES," 라는 제목으로 2005년 10월 14일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 11/251,365 (대리인 서류 번호 30794.142-US-01 (2005-534-1));
Claude C. A. Weisbuch and Shuji Nakamura 에 의하여 "IMPROVED HORIZONTAL EMITTING, VERTICAL EMITTING5 BEAM SHAPED5 DFB LASERS FABRICATED BY GROWTH OVER P ATTERNED SUBSTRATE WITH MULTIPLE OVERGROWTH," 라는 제목으로 2005년 12월 2일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/741,935 (대리인 서류 번호 30794.143-US-P1 (2005-721-1));
Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura and James S. Speck 에 의하여 "HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED)," 라는 제목으로 2005년 12월 8일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/748,480 (대리인 서류 번호 30794.164-US-P1 (2006-318-1));
Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura and James S. Speck 에 의하여 "HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED)," 라는 제목으로 2006년 2월 3일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/764,975 (대리인 서류 번호 30794.164-US-P2 (2006-318-2));
Hong Zhong, John F. Kaeding, Rajat Sharma, James S. Speck, Steven P. DenBaars and Shuji Nakamura 에 의하여 "METHOD FOR GROWTH OF SEMIPOLAR (Al5In5Ga5B)N OPTOELECTRONIC DEVICES5" 라는 제목으로 2006년 2월 17일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/774,467 (대리인 서류 번호30794.173 -US-Pl (2006-422-1));
Umesh K. Mishra, James S. Speck and Claude C. A. Weisbuch 에 의하여 "IMPROVED LATERAL OVERGROWTH FOR LIGHT EMITTING DIODES (LEDS) AND LASERS" 라는 제목으로 2006년 5월 24일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/802,993 (대리인 서류 번호 30794. 176-US-P1 (2006-413)).
Nicholas A. Fichtenbaum, Umesh K. Mishra, Carl J. Neufeld and Stacia Keller 에 의하여 "OPTOELECTRONIC DEVICES FORMED BY REGROWTH ON N-POLAR NANOPILLAR AND NANOSTRIPE ARRAYS" 라는 제목으로 2006년 5월 31일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/809,774 (대리인 서류 번호 30794. 182-US-P1 (2006-638));
Aurelien J. F. David, Claude C. A. Weisbuch and Steven P. DenBaars 에 의하여 "HIGH LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY LED THROUGH MULTIPLE EXTRACTORS" 라는 제목으로 본 출원과 동일한 날에 출원된 미국 가특허 출원 번호 . xx/xxx,xxx (대리인 서류 번호 30794. 191 -US-Pl (2007- 047-1));
Claude C. A. Weisbuch, James S. Speck and Steven P. DenBaars 에 의하여 "HIGH EFFICIENCY WHITE, SINGLE OR MULTI-COLOUR LED BY INDEX MATCHING STRUCTURES" 라는 제목으로 본 출원과 동일한 날에 출원된 미국 가특허 출원 번호 xx/xxx,xxx (대리인 서류 번호 30794. 196-US-P1 (2007-114-1)); 및
by Aurelien J. F. David, Claude C. A. Weisbuch, Steven P. DenBaars and Stacia Keller 에 의하여 "HIGH LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY LED WITH EMITTERS WITHIN STRUCTURED MATERIALS" 라는 제목으로 본 출원과 동일한 날에 출원된 미국 가특허 출원 번호 xx/xxx,xxx (대리인 서류 번호 30794. 197-US-P1 (2007-113-1));
이 출원들은 참조에 의하여 여기에 통합된다.
1.발명의 분야
본 발명은 광전자 응용을 위한 발광 다이오드(LED) 광추출(light extraction)에 관련된다. 더욱 특정하게는, 본 발명은 고효율의 (Al, Ga, In)N-계 LED 응용을 위한 최적화된 광학기(optics)와 결합된 (Al, Ga, In)N 및 ZnO 구조 및 그 제조방법과 관련된다. 더 나아가 본 발명은 조형(造形)된(shaped) 고굴절율의 광추출 물질과 조형된 광학 요소의 일반적인 결합으로 확장된다.
2. 관련 기술
(주의: 본 출원은 명세서를 통하여 지시된 바와 같은 다수의 다른 간행물들을 참조한다. 이 다른 간행물들의 리스트를 아래의 "참조"라는 제목의 단락에서 찾을 수 있다. 이들 간행물들의 각각은 참조에 의하여 여기에 통합된다.)
InP/GaAs, AlGalnP/GaP, GaAs/GaN, ZnSSe/GaN 와 같은 물질들의 다양한 결합들을 사용하는 웨이퍼 본딩 기술이 광전자 집적(optoelectronic integration), 발광 다이오드(LED), 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL: vertical cavity surface emitting lasers) 및 광전자 소자들과 같은 응용을 위하여 연구되어 왔다 [1-4].
질화물 LED 시스템에서, p-형 갈륨질화물 (GaN) 층 위의 투명한 전극들을 제조하는 것에 대한 몇가지 보고가 있다. 일반적인 방법은 니켈(Ni) 및 금(Au)의 얇은 금속을 사용하는 것이다 [5]. 그러나 금속에서의 광흡수 때문에 투과율(transmittance)은 단지 약 60%이다. 또한, GaN 물질의 단단함과 p-형 GaN 전도성의 불안정함 때문에 광추출 효율을 향상시키기 위한 표면 형태의 조형이 어렵다.
또 다른 접근은 p-형 GaN 위의 산화아연(ZnO) 층의 성장을 이용하는 것이다 [6]. 그러나 이 방법은 초-고진공(ultra-high vacuum) 조건을 사용하는 ZnO 결정 성장 장비를 필요로 한다. 더욱이, 광추출의 목적을 위한 형태 조형에 적합한 두꺼운 층, 예를 들면, 500 ㎛ 두께의 층을 성장하는 것이 어렵다.
발명의 요약
본 발명은 (Al, Ga, In)N-계 발광 다이오드(LED), 상기 LED에 의해 방출되는 빛을 추출하기 위한 LED에 인접한 고굴절율 물질로 구성되는 제1 조형 광학 요소, 상기 LED와 상기 제1 조형 광학 요소에 의해 방출된 빛을 추출하기 위한, 상기 LED 및 상기 제1 조형 광학 요소 모두를 커버하거나 감싸는, 낮은 굴절율 물질을 포함하는 제2 조형 광학 요소를 포함하는 광전자 소자를 개시한다. 여기에서 상기 낮은 굴절율 물질은 상기 고굴절율 물질보다 더 낮은 굴절율을 갖는다.
상기 LED로부터 상기 제1 조형 광학 요소로 들어오는 대부분의 빛이 상기 제2 조형 광학 요소로의 굴절을 위한 임계각 내에서 상기 제2 조형 광학 요소의 경계에 부딪치도록 상기 제1 조형 광학 요소가 조형될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 제2 조형 광학 요소로 들어오는 대부분의 빛이 하나 또는 그 이상의 제2 조형 광학 요소로부터의 굴절을 위한 임계각 내에서 있도록 하나 또는 그 이상의 제2 조형 광학 요소가 조형될 수 있다.
상기 제1 조형 광학 요소는 상기 LED를 둘러쌀 수 있고, 콘-형태일 수 있고, 예를 들면 잘린 육각 피라미드일 수 있다. 상기 소자는 복수의 제1 조형 광학 요소들을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 조형 광학 요소는 플라스틱 렌즈일 수 있다.
상기 고굴절율 물질은 60% 보다 큰 투과도와 상기 LED와 오믹 콘택을 만들기에 충분한 전기적인 전도성을 갖도록 선택될 수 있다.
상기 LED는 (Al, Ga, In)N을 포함할 수 있고, 상기 고굴절율 광추출 물질은 (Al, Ga, In)N에 웨이퍼 접합된 ZnO를 포함할 수 있다. 상기 (Al, Ga, In)N는 극성 c-면 {0001} (Al, Ga, In)N, a-면 {11-20} (Al, Ga, In)N, 비극성 m-면 {1-100} (Al, Ga, In)N 또는 준극성 (Al, Ga, In)N을 포함하되, 상기 준극성은 두 개의 0이 아닌 h, i, 또는 k 밀러 지수와 하나의 0이 아닌 / 밀러 지수 {hikl}를 갖는 매우 다양한 평면들을 지칭한다.
상기 LED는 (Al, Ga, In)N로 구성될 수 있고, 상기 제1 광학 요소는 (Al, Ga, In)N에 웨이퍼 접합된 ZnO를 포함할 수 있다. 상기 ZnO는 투명하여 상기 LED 내부의 광흡수를 줄일 수 있다. 더욱이, 상기 ZnO는 LED 방출에 더하여 청색, 황색, 적색 및 백색광과 같은 다른 색들을 방출하도록 도핑될 수 있다. 상기 ZnO는 전기적으로 전도성이어서 상기 LED 내의 활성영역으로부터 균일한 발광을 가능하게 할 수 있다.
예를 들면, 상기 LED 내에서 반복적으로 발생하는 광반사를 줄여서 상기 LED로부터 더 많은 빛을 추출하도록 상기 ZnO는 표면이 거칠게 처리되거나조형될 수 있다.
상기 LED는 (Al, Ga, In)N 물질들, (Al, Ga, In)As 물질들, (Al, Ga, In)P 물질들, (Al, Ga, In)AsPNSb 물질을 포함하는 화합물 반도체 물질 또는 ZnGeN2 or ZnSnGeN2 물질을 포함하는 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 LED는 사파이어, 실리콘 카바이드, 실리콘, 저마늄, 갈륨 아세나이드(gallium arsenide), 갈륨 포스파이드(gallium phosphide), 인듐 포스파이드(indium phosphide) 또는 스피넬 웨이퍼(spinel wafer) 위에 또는 갈륨 질화물 위에 또는 다른 기판들로부터 제거된 자립형(free-standing) 갈륨 질화물 위에 성장될 수 있다.
상기 고굴절율 광추출 물질은 ZnO, GaN, SiC, SiON, SiN, SiO2, 고굴절율 금속 산화물, 고굴절율 고분자 또는 고굴절율 플라스틱 물질, 실리콘, 글래스, 또는 석영, 또는 상기 물질들의 임의의 혼합물(composite)을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 높은 광추출 효율을 갖는 발광 다이오드(LED) 구조의 제조방법을 개시한다. 상기 방법은 웨이퍼 접합된 구조를 형성하기 위하여 LED에 투명한 전도체를 포함하는 제1 광학 요소를 웨이퍼 접합하는 단계, 제2 광학 요소로의 빛의 굴절을 최대화하기 위하여 상기 제1 광학 요소를 조형하는 단계 및 상기 웨이퍼 접합된 구조를 제2 광학 요소로 둘러싸거나 커버하는 단계를 포함한다. 여기에서 상기 제2 광학 요소는 상기 제1 광학 요소의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 가지며, 상기 제2 광학 요소로부터 빛의 굴절을 최대화하도록 조형된다.
동일한 참조 번호들이 전체에 걸쳐서 대응부들을 나타내는 도면들을 참조한다:
도 1은 테이퍼(taper)된 렌즈와 결합된 (Al, Ga, In)N과 ZnO 직접 웨이퍼 접합 LED 구조의 개략적인 단면도이며, 여기에서 상기 렌즈를 들어가는 대부분 의 빛은 임계각 내에 존재하여 추출된다.
도 2는 예를 들면 SiON, SiO2, ZnS, GaN, SiC 과 같은 임의의 고굴절율 물질 또는 고굴절율 고분자 또는 플라스틱 물질이 제2 광학 요소와 결합될 수 있는 더욱 일반적인 개념이다.
도 3(a) 및 3(b)는 테이퍼된 광학기(optics)와 결합된 ZnO 원뿔형 LED 를 도시한다.
도 4는 양쪽 면 위에 조형된 고굴절율 물질을 갖는 LED의 개략적인 단면도이다.
도 5는 ZnO 원뿔형 웨이퍼 접합된 LED를 도시한다.
도 6은 2mA 순방향 전류 아래에서 ZnO 원뿔형 웨이퍼 접합된 LED를 도시한다.
도 7은 조형된 플라스틱 광학 요소들과 결합된 조형된 고굴절율 추출기의 상면도이다.
도 8은 양쪽 면 위에 있는 고굴절율 추출기와 구형(spherical) 플라스틱 광학 요소를 갖는 조형된 LED이다.
도 9는 조형된 광학 요소와 결합된 소자의 양쪽 면에 ZnO 또는 (ITO와 같은) 투명한 전도체를 갖는 웨이퍼 접합된 LED의 개략적인 단면도이다.
도 10은 순방향에서 높은 광추출을 위한 테이퍼된 광학 디자인을 갖는 원뿔형 LED의 개략도이다.
도 11은 높은 광추출 효율을 갖는 발광 다이오드(LED) 구조를 제조하기 위한 방법을 도시하는 흐름도이다.
다음의 바람직한 실시예의 기술에서 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 도시한, 실시예의 일부를 구성하는 첨부된 도면을 참조하였다. 또한, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예들이 사용될 수 있고 구조적인 변화가 만들어질 수 있음이 이해되어야 할 것이다.
개관
본 발명은 조형된 플라스틱 광학 구성요소와 결합된 (Al, Ga, In)N 와 ZnO 직접 웨이퍼 접합(direct wafer bonded) 발광 다이오드(LED)를 기술한다. 여기에서 LED 표면과 접촉하는 ZnO 콘(cone) 또는 임의의 고굴절율 물질로부터 조형된 플라스틱 광학 요소로 입사하는 방향성의 빛은 공기로 추출된다. 특히, (Al, Ga, In)N 와 ZnO 직접 웨이퍼 접합 발광 다이오드(LED) 구조는 테이퍼된(tapered) 렌즈와 결합되며, 이 렌즈를 입사하는 빛의 대부분은 임계각 안으로 들어와서 추출된다.
본 발명은 콘의 수를 하나로 줄임으로써 이웃하는 콘들로부터의 흡수를 감소시킨다. 본 발명은 플라스틱 보호(encapsulant) 표면으로부터의 반사를 줄이고, ZnO 표면으로부터의 반사를 줄이고, LED 내부의 광흡수를 줄이고, 활성층으로부터의 균일한 발광을 가능하게 하고, LED 내부에서 반복적으로 일어나는 광반사를 줄인다. 결과로써 본 결합된 구조는 종래 기술에서 기술된 LED와 비교하여 LED로부터 더욱 많은 빛을 추출한다.
기술 설명
본 발명의 목적은 조형된 고굴절율 구성요소들을 (Al, Ga, In)N LED와 조형된 광학 요소들과 결합하여 LED로부터 광추출 효율을 증가시키는 수단을 제공하는 것이다. 광투과율과 광추출을 증가시킴으로써 결과적으로 소자 성능이 향상된다.
본 발명의 일 실시예에서 고굴절율 ZnO 층은 GaN LED에 웨이퍼 접합(wafer bonded)된다. 고굴절율 ZnO 층 안에 콘이 식각되고, GaN LED 위에 콘택이 형성된다. ZnO/GaN 하이브리드 LED는 그후 약 45도 각도를 갖는 원뿔형의 플라스틱 렌즈 내에 놓여진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 높은 광추출 효율을 갖는 LED의 개략적인 모습을 보여준다. 일반적으로, LED는 (Al, Ga, In)N과 ZnO의 직접 웨이퍼 접합 LED 구조이다. 이 실시예에서 LED(10)는 사파이어 기판과 같은 기판(11) 위의 n-형 Ⅲ-질화물층(들), 활성층(들) 및 p-형 Ⅲ-질화물층(들)로 구성된다. 굴절율 n0=2.1 의 n-형 ZnO 콘(12)을 포함하는 제1 모양 광학 요소가 LED(10)의 상부 위에 놓여있다. LED와 n-ZnO 콘(12) 모두는 굴절율 ne=1.5 인 테이퍼된 또는 원뿔형 플라스틱 렌즈(13)를 포함하는 제2 광학 요소 안 또는 아래에 싸여지거나 커버된다.
콘(12)의 각(14) 및 원뿔형 플라스틱 렌즈(13)의 각(15)은 임계각(Θc)이고 원하는대로 조절될 수 있다. ZnO의 임계각 Θc(14)이 약 60도이면 대부분의 빛 이 탈출 원뿔(escape cone) 내에 있기 때문에 대부분의 빛은 제1 경로 위를 지난다 (즉, 대부분의 빛은 Θc 보다 작거나 같은 각도로 경계(16)에 부딪친다.)
임계각(14), (15)은 제1 조형 광학 요소와 제2 조형 광학 요소 사이의 경계(16) 또는 제2 조형 광학 요소와 외부 매질(18) 사이의 경계(17)에서의 굴절율 비의 아크탄젠트(arctangent)에 의하여 주어진다. 여기서 굴절율비는 경계의 한 면에서의 굴절율을 경계의 다른 면에서의 굴절율로 나누어서 얻는다. 예를 들면, 공기/플라스틱 경계는 1/1.5의 비를 가지며 Θc=42도, 플라스틱/ZnO 경계는 1.5/2.1의 비를 가지며 Θc=46도, ZnO/GaN 경계는 2.1/2.3의 비를 가지며 Θc=66도 그리고 공기/ZnO 경계는 1/2.1의 비를 가지며 Θc=28도이다. 도 1에서 화살표(19)는 LED(10)에 의해 콘(12)으로 방출되고 공기로 추출되는 빛의 가능한 경로를 지시한다.
LED(10)로부터 제1 조형 광학 요소(12)로 들어가는 빛이 하나 또는 그 이상의 제2 조형 광학 요소들의 경계(16)에서 하나 또는 그 이상의 제2 조형 광학 요소들로의 굴절을 위한 임계각 내로 들어가도록 제1 조형 광학 요소 (12)는 임계각(14)을 갖는 형태로 만들어 진다. 제1 및 제2 조형 광학 요소들을 통하여 투과하는, LED로부터 나온 대부분의 빛이 하나 또는 그 이상의 제2 조형 광학 요소들(13)로부터의 굴절을 위한 임계각 내에서 (예를 들면, 공기와 같은) 외부 매질(18)의 경계(17)에 부딪치도록 하기 위하여 제2 조형 광학 요소(13)는 임계각 (15)를 갖는 형태로 만들어 진다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 높은 광추출 효율을 갖는 LED 의 개략적인 모습을 보여준다. 도 2는 LED의 굴절율 nled, 콘의 굴절율 n0 및 렌즈의 굴절율 ne의 바람직한 관계를 보여준다. 더욱 특정하게는, 도 2는 (Al, Ga, In)N-계 LED(20), (Al, Ga, In)N-계 LED(20)에 인접하거나 (Al, Ga, In)N-계 LED(20)의 표면 위에 있거나 (Al, Ga, In)N-계 LED(20)를 둘러싸는 고굴절율 물질로 구성된 제1 "조형" 광학 요소(21) (예를 들면 콘), (Al, Ga, In)N-계 LED(20)와 제1 조형 광학 요소(21) 모두를 에워싸거나 커버하는 낮은 굴절율 물질로 구성된 제2 "조형" 광학 요소(22) (예를 들면 렌즈)의 결합에 의하여 높은 광추출 효율을 제공하는 본 발명의 개념을 도시한다. 일반적으로, 고굴절율 물질의 굴절율 n0은 낮은 굴절율 물질의 굴절율 ne 보다 크다. 즉, n0 > ne이다. 도 2의 화살표는 LED(20)에 의해 방출된 빛의 가능한 경로를 보여준다.
도 3(a) 및 3(b)는 순방향 전압 아래에서 밝은 청색광을 방출하는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 ZnO 콘을 포함하는 구성된 제1 조형 광학 요소와 테이퍼된 렌즈(31)를 포함하는 제2 조형 광학 요소를 갖는 LED를 보여주는 사진들이다.
테이퍼된 원뿔형 플라스틱 렌즈 LED와 결합된 원뿔형 LED는 20mA 구동 전류에서 460nm 발광 파장에 대하여 22mW의 출력을 갖는 것으로 관측되었다. 이것은 동일한 에피택셜 웨이퍼로부터 제조된 일반적인 GaN 칩에 대하여 약 500%의 광출력의 증가를 증명한다.
도 4는 LED(40)의 양쪽 면 위의 그리고 LED(40)를 둘러싼 고굴절율 물질 로된 제1 조형 광학 요소(41)와 테이퍼된 렌즈(42)를 갖는 LED(40)의 구체적인 실시예를 도시한다. 도 4의 화살표는 LED(40)에 의해 방출된 빛의 가능한 경로를 보여준다.
도 5는 전기적인 콘택(50)을 갖는 ZnO 원뿔 형태의 웨이퍼 접합 LED를 보여주는 사진이다.
도 6은 2mA 아래의 순방향 전류가 전기적인 콘택(61) 및 와이어(62)를 통하여 흐르는 동안, 청색광을 방출하는 ZnO 원뿔 형태의 웨이퍼 접합 LED를 보여주는 사진이다.
도 7은 제1 및 제2 조형 광학 요소들로 사용될 수 있는 다양한 조합과 구조들을 도시한다. 광학 요소들은 그들 각각의 높고 낮은 굴절율에 의하여 확인된다. 화살표들은 제1 조형 광학 요소에 둘러싸인 LED에 의해 방출된 빛의 가능한 경로를 보여준다. 고굴절율 물질을 포함하는 제1 조형 광학 요소는 LED에 의해 방출되는 빛을 추출하기 위한 것이고, 낮은 굴절율을 포함하는 제2 조형 광학 요소는 LED와 제1 조형 광학 요소에 의해 방출되는 빛을 추출하기 위한 것이다.
도 8은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 높은 광추출 효율을 갖는 LED의 개략적인 모습을 보여준다. LED는 n-형 Ⅲ-질화물층(80), 활성층(81) 및 p-형 Ⅲ-질화물층(82)로 구성된다. n-형 Ⅲ-질화물층(80)에 인접하여 전극(83)과 제1 ZnO 콘 형태의 요소(84)가 있다. 제1 ZnO 콘(84)의 상부 위에 n-형 전극(85)가 있다. p-형 Ⅲ-질화물층(82)에 인접하여 제2 n-형 ZnO 콘 형태의 요소(86)이 있고, ZnO 콘(86)의 상부 위에 p-형 전극(87)이 있다. 그러므로 LED는 양쪽 면들 위에 고 굴절율 광추출기들 (예를 들면, 제1(84) 및 제2(86) ZnO 콘-형태의 요소들)을 구성하는 제1 조형 광학 요소들을 포함한다. 바깥쪽 원(88)은 렌즈를 포함하는 제2 조형 광학 요소를 나타낸다. 화살표들(89)은 LED의 활성 영역(81)으로부터 방출된 빛의 가능한 경로를 보여준다.
도 9는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 높은 광추출 효율을 갖는 LED의 개략적인 모습을 보여준다. LED는 SiC 또는 GaN 기판(90), n-형 Ⅲ-질화물층(91), 활성 영역(92) 및 p-형 Ⅲ-질화물층(93)으로 구성된다. p-형 Ⅲ-질화물층(83)에 인접하여 n-형 ZnO 층(94)가 있고, ZnO(94)의 상부 위에 p-형 전극(95)가 있다. 기판(90)에 인접하여 ZnO 콘 형태 요소(96)이 있고, ZnO(96) 위에 n-형 전극(97)이 있다. 바깥쪽 삼각형(98)은 렌즈를 나타내고, 화살표들(99)은 LED로부터 방출된 빛의 가능한 경로를 보여준다.
도 10은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 높은 광추출 효율을 갖는 LED의 개략적인 모습을 보여준다. LED는 n-형 Ⅲ-질화물층(100), 활성 영역(101) 및 p-형 Ⅲ-질화물층(102)를 포함한다. n-형 Ⅲ-질화물층(100)에 인접하여 n-형 전극(103)이 있다. p-형 Ⅲ-질화물층(102)에 인접하여 잘린 육각 피라미드(truncated hexagonal pyramid)를 포함하는 n-형 ZnO 콘-형태의 요소(104)가 있고, ZnO(104)의 상부 위에 p-형 전극(105)가 있다. 바깥쪽 사다리꼴(106)은 플라스틱 렌즈들을 나타내고, 렌즈들은 고반사 코팅(107)을 가질 수 있다. ZnO 콘(104)은 예를 들면, {10-11} 평면의 표면(108)을 갖는 잘린 육각 피라미드일 수 있다. 화살표들(109)은 LED로부터 방출된 빛의 가능한 경로를 보여준다.
도 11은 높은 광추출 효율을 갖는 발광 다이오드(LED) 구조를 제조하는 방법을 나타낸다.
블록 110은 웨이퍼 접합된 구조를 형성하기 위하여 LED에 투명한 도전체를 포함하는 제1 광학 요소를 웨이퍼 접합하는 단계를 나타낸다.
블록 111은 제2 광학 요소로의 빛의 굴절을 최대화하기 위하여 제1 광학 요소를 조형하는 단계를 나타낸다.
블록 112는 웨이퍼 접합된 구조를 제2 광학 요소로 둘러싸거나 커버하는 단계를 나타낸다. 여기에서 제2 광학 요소는 제1 광학 요소의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가지며, 제2 광학 요소로부터 빛의 굴절을 최대화하도록 조형된다.
가능한 변경
본 발명의 장점은 조형된 표면으로부터 방출하는 빛을 추출하기 위하여 디자인된 광학기들(optics)과 조합된 (Al, Ga, In)N과 ZnO LED 구조의 본딩 및 조형으로부터 도출된다. 이 조합은 새로운 것이며, 특히 LED 응용을 위하여 기존의 소자 디자인들에 대하여 장점을 갖는다.
Ⅲ-질화물 LED는 예를 들면, (Al, Ga, In)N 물질들, (Al, Ga, In)As 물질들, (Al, Ga, In)P 물질들, (Al, Ga, In)AsPNSb 물질들로부터 만들어진 화합물 반도체 물질 또는 ZnGeN2 or ZnSnGeN2 물질들로부터 만들어진 화합물 반도체 물질로 구성될 수 있다.
(Al, Ga, In)N 물질들에 관련하여, LED는 극성(polar) c-면 {0001} (Al, Ga, In)N, a-면 {11-20}, 비극성 m-면 {1-100} (Al, Ga, In)N 또는 준극성(semipolar) (Al, Ga, In)N으로 구성될 수 있다. 여기에서 준극성은 두 개의 0이 아닌 h, i, 또는 k 밀러 지수(Miller indices)와 하나의 0이 아닌 / 밀러 지수, {hikl} 를 갖는 매우 다양한 평면들을 지칭한다.
덧붙여, LED는 예를 들면, 사파이어, 실리콘 카바이드, 실리콘, 저마늄, 갈륨 아세나이드(gallium arsenide), 갈륨 포스파이드(gallium phosphide), 인듐 포스파이드(indium phosphide) 또는 스피넬 웨이퍼(spinel wafer) 위에 또는 갈륨 질화물(gallium nitride) 위에 또는 다른 기판들로부터 제거된 자립형(free-standing) 갈륨 질화물 위에 성장될 수 있다.
고굴절율 물질들은 많은 다양한 물질들, 예를 들면, ZnO, GaN, SiC, SiON, SiN, SiO2, 고굴절율 금속 산화물, 고굴절율 고분자 또는 고굴절율 플라스틱 물질로 구성될 수 있다. 낮은 굴절율 물질들은 또한 많은 다양한 유형의 물질들, 예를 들면, 플라스틱으로 구성될 수 있다. 이러한 물질들은 임의의 수의 다양한 방법들을 사용하여 표면을 거칠게 처리하거나(roughened) 조형할 수 있다.
일반적으로, 제1 조형 광학 요소는 60%가 넘는 투과도와 LED와 오믹 콘택을 만들기에 충분한 전기적인 전도성을 갖도록 선택된 임의의 고굴절율 물질을 포함할 수 있다. 본 명세서를 통하여 사용되는 ZnO는 임의의 도핑된 반도체층에 인접한 n 형, p 형 또는 비도핑된 것일 수 있다. (즉, p-형 반도체 또는 n-형 반도체에 인접한 n-형 ZnO 또는 p-형 또는 n-형 반도체에 인접한 p-형 ZnO)
위에서 주목된 바와 같이, 일 실시예에서 LED는 (Al, Ga, In)N 층들로 구성되며, 고굴절율 광추출 물질은 (Al, Ga, In)N 층들에 웨이퍼 접합된 ZnO 층들로 구성된다. 조형된 또는 표면이 거칠게 처리된 ZnO은 LED 내에서 반복적으로 일어나는 광반사들을 줄이고, 그리하여 LED로부터 더 많은 빛을 추출한다. ZnO의 (60% 이상의) 매우 투명한 특성은 LED 내부의 광흡수를 줄인다. ZnO의 전기적인 전도성 특성은 LED에서 활성 영역으로부터 균일한 발광을 가능하게 한다. 이 새로운 하이브리드 GaN/ZnO/조형 렌즈 디자인의 결과적인 외부 양자 효율(external quantum efficiency)은 기존의 GaN-계 LED 소자들보다 더 높을 것이다.
ZnO는 LED 방출에 더하여 청색, 황색, 적색 및 백색광과 같은 다른 색을 방출하도록 도핑될 수 있다.
더욱이, SiC 또는 GaN과 같은 전기적으로 전도성의 기판 위에 성장된 질화물 LED와 투명한 ZnO 전극의 조합은 LED의 제조에 요구되는 공정 단계들의 수를 줄일 수 있는데, 이것은 전극이 전기적으로 전도성의 물질 위에 쉽게 형성될 수 있기 때문이다. 그러나 다른 실시예들에서, ZnO는 반드시 웨이퍼 접합될 필요는 없고, 대신에 매우 다양한 수단에 의하여 증착될 수 있다.
마지막으로, 콘이나 다른 형태의 광학 요소들의 수에 관련하여 더 적은 수가 더 좋다. 각각의 콘은 이웃의 콘으로부터 발광을 흡수할 수 있기 때문이다. 오직 하나의 콘이 있을 때, 다른 콘들이 없으므로 다른 이웃 콘으로부터의 흡수와 같은 영향이 없다. 다중-콘 LED에 관한 추가 정보를 [7]에서 찾을 수 있다.
본 발명의 장점은 표준 사각 GaN 칩과 비교하여 광추출 효율을 굉장히 증가시킨다는 것이다. 아래의 표 1은 본 발명으로 제조된 동일한 에피택셜 물질이 20mA 구동 전류 아래에 460nm 파장에서 15-22mW의 발광을 낳는 것을 보여준다. 이것은 표준 사각 칩의 20mA에서 4-5mW의 파워에 대하여 약 500%의 증가이다.
표 1
공정 출력(20mA 전류 공급) 광추출 효율
일반적인 GaN 칩 4-4.5 mW 15 %
ZnO 콘/ GaN LED 9-11 mW 30 %
ZnO 콘/ GaN 및 플라스틱 조형 렌즈 15-22 mW 56-73 %
참조
다음의 문헌들이 참조에 의하여 여기에 통합될 것이다.
[1] Appl. Phys. Lett. 56, 737-39 (1990).[2] Appl. Phys. Lett. 64, 2839-41 (1994).[3] Appl. Phys. Lett. 81, 3152-54 (2002).
[4] Jpn. J. Appl. Phys. 43, L1275-77 (2004).
[5] J. J. Appl. Phys. 34, L797-99 (1995).
[6] J. J. Appl. Phys. 43, L180-82 (2004)
[7] Appl. Phys. Lett. 84, 855 (2004).
결론
이것으로 본 발명의 바람직한 실시예의 기술을 마친다. 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들의 앞의 기술은 도해와 설명의 목적으로 제공되었다. 이것은 한정적이거나 본 발명을 기술된 정확한 형태로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 많은 변용들과 변화들이 위의 교시에 비추어 가능하다. 발명의 범위가 이 상세한 설명에 의해서가 아니라 오히려 부가된 청구항들에 의하여 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. (a) 발광 다이오드(LED);
    (b) 상기 LED에 의하여 방출된 빛을 추출하기 위한, 상기 LED에 인접하고 고굴절율 물질을 포함하는 제1 조형 광학 요소; 및
    (c) 상기 LED와 상기 제1 조형 광학 요소에 의해 방출된 빛을 추출하기 위한, 낮은 굴절율 물질을 포함하고 상기 LED 및 상기 제1 조형 광학 요소 모두를 커버하거나 감싸는 하나 또는 그 이상의 제2 조형 광학 요소;를 포함하되,
    (d) 상기 낮은 굴절율 물질은 상기 고굴절율 물질보다 더 낮은 굴절율을 갖는 광전자 소자.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 LED로부터 상기 제1 조형 광학 요소로 들어오는 대부분의 빛이 상기 제2 조형 광학 요소로의 굴절을 위한 임계각 내에서 상기 제2 조형 광학 요소의 경계에 부딪치도록 상기 제1 조형 광학 요소가 조형되는 광전자 소자.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제2 조형 광학 요소로 들어오는 대부분의 빛이 상기 제2 조형 광학 요소로부터의 굴절을 위한 임계각 내에서 외부 매질의 경계에 부딪치도록 상기 제2 조형 광학 요소가 조형되는 광전자 소자.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 조형 광학 요소는 상기 LED를 둘러싸는 광전자 소자.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제1 조형 광학 요소는 콘 형태인 광전자 소자.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 제1 조형 광학 요소는 잘린 육각 피라미드(truncated hexagonal pyraid)인 광전자 소자.
  7. 제1 항에 있어서, 복수의 제1 조형 광학 요소들을 더 포함하는 광전자 소자.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 고굴절율 물질은 60% 보다 큰 투과도와 상기 LED와 오믹 콘택을 만들기에 충분한 전기적인 전도성을 갖도록 선택되는 광전자 소자.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 제2 조형 광학 요소는 플라스틱 렌즈인 광전자 소자.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 LED는 (Al, Ga, In)N을 포함하고, 상기 제1 조형 광학 요소는 상기 (Al, Ga, In)N에 웨이퍼 접합된 ZnO를 포함하는 광전자 소자.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 LED는 극성 c-면 {0001} (Al, Ga, In)N, a-면 {11-20} (Al, Ga, In)N, 비극성 m-면 {1-100} (Al, Ga, In)N 또는 준극성 (Al, Ga, In)N을 포함하되, 상기 준극성은 두 개의 0이 아닌 h, i, 또는 k 밀러 지수와 하나의 0이 아닌 / 밀러 지수 {hikl}를 갖는 매우 다양한 평면들을 지칭하는 광전자 소자.
  12. 제10 항에 있어서, 상기 ZnO는 투명하고 상기 LED 내부의 광흡수를 줄이는 광전자 소자.
  13. 제10 항에 있어서, 상기 ZnO는 상기 LED 방출에 더하여 청색, 황색, 적색 및 백색광과 같은 다른 색들을 방출하도록 도핑되는 광전자 소자.
  14. 제10 항에 있어서, 상기 ZnO는 전기적으로 전도성이고 상기 LED 내의 활성영역으로부터 균일한 발광을 가능하게 하는 광전자 소자.
  15. 제10 항에 있어서, 상기 ZnO는 표면이 거칠게 처리되거나 조형된 광전자 소자.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 표면이 거칠게 처리되거나 조형된 ZnO는 상기 LED 내에서 반복적으로 발생하는 광반사를 줄여서 상기 LED로부터 더 많은 빛을 추 출하는 광전자 소자.
  17. 제1 항에 있어서, 상기 LED는 (Al, Ga, In)N 물질, (Al, Ga, In)As 물질, (Al, Ga, In)P 물질, (Al, Ga, In)AsPNSb 물질을 포함하는 화합물 반도체 물질 또는 ZnGeN2 또는 ZnSnGeN2 물질을 포함하는 화합물 반도체 물질을 포함하는 광전자 소자.
  18. 제1 항에 있어서, 상기 LED는 사파이어, 실리콘 카바이드, 실리콘, 저마늄, 갈륨 아세나이드(gallium arsenide), 갈륨 포스파이드(gallium phosphide), 인듐 포스파이드(indium phosphide) 또는 스피넬(spinel) 웨이퍼 위에 또는 갈륨 질화물 위에 또는 다른 기판들로부터 제거된 자립형(free-standing) 갈륨 질화물 위에 성장되는 광전자 소자.
  19. 제1 항에 있어서, 상기 고굴절율 광추출 물질은 ZnO, GaN, SiC, SiON, SiN, SiO2, 고굴절율 금속 산화물, 고굴절율 고분자 또는 고굴절율 플라스틱 물질, 실리콘, 글래스, 또는 석영, 또는 상기 물질들의 임의의 혼합물(composite)을 포함하는 광전자 소자.
  20. (a) 웨이퍼 접합된 구조를 형성하기 위하여 LED에 투명한 전도체를 포함 하는 제1 광학 요소를 웨이퍼 접합하는 단계;
    (b) 제2 광학 요소로의 빛의 굴절을 최대화하기 위하여 상기 제1 광학 요소를 조형하는 단계; 및
    (c) 상기 웨이퍼 접합된 구조를 제2 광학 요소로 둘러싸거나 커버하는 단계를 포함하되, 상기 제2 광학 요소는 상기 제1 광학 요소의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 가지며 상기 제2 광학 요소로부터 빛의 굴절을 최대화하도록 조형되는 높은 광추출 효율을 갖는 발광 다이오드(LED) 구조의 제조방법.
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