KR20080077259A - 고효율 발광 다이오드 - Google Patents

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KR20080077259A
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스티븐 피. 덴바스
슈지 나카무라
제임스 에스. 스펙
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더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

칩 및/또는 형광체 변환층으로부터 광추출이 최적화되는 (Al, Ga, In)N 발광 다이오드(LED). LED 및 패키지 광학의 형상의 새로운 형상으로 인해, 고효율 발광 다이오드가 구현된다.
발광 소자, 광학 요소, 형광체, 광학 소자, 3족 질화물

Description

고효율 발광 다이오드{High efficiency light emitting diode(LED)}
본 발명은 광전자공학 어플리케이션들에 대하여 발광 다이오드(LED) 광 추출과 관련된다.
InP/GaAs, AlGaInP/GaP, GaAs/GaN, ZnSSe/GaN 과 같은 물질들의 다양한 조합들을 사용하는 웨이퍼 본딩 기술이 광전자 집적, 발광 다이오드(LED)들, 수직 캐버티 표면 방출 레이저들(VCSELs) 및 전자공학 소자들의 어플리케이션들에 대하여 연구되어 왔다. (Appl. Phys. Lett. 56, 737-39 (1990); Appl. Phys. Lett. 64, 2839-41 (1994); Appl. Phys. Lett. 81, 3152-54 (2002); 및 J. J. Appl. Phys. 43, L1275-77 (2004)).
질화물 LED 시스템에서, p 타입 GaN 층 상에 투명한 전극들을 제조하는 여러 문헌들이 존재한다. 일반적인 방법은 Ni 및 Au의 얇은 금속들을 사용하는 것이다.(J. J. Appl. Phys. 34, L797-99 (1995)). 상기 금속 내의 광 흡수에 기인하여, 투과율은 단지 약 60%이다. 또한, GaN 물질의 경도 및 p 타입 GaN 전도도의 불안정성 때문에 광 추출 효율을 개선하기 위한 표면 특성 형성은 어렵다.
다른 접근법은 p 타입 GaN 상의 ZnO 층 성장을 사용하는 것이다.(J. J. Appl. Phys. 43, L180-82(2004)). 그러나, 이러한 방법은 매우 높은 진공 조건들을 사용하는 ZnO 결정 성장 장비를 필요로 한다. 더욱이, 광 추출의 목적을 위한 특성 형성들이 안정한 두꺼운 층들, 예를 들어, 500μm 두께를 성장하는 것이 어렵다.
본 발명은 다음의 동시 계류 중이며 공동으로 양도된 출원들과 관련된다:
Akihiko Murai, Christina Ye Chen, Lee S. McCarthy, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra에 의해, 2005년 6월 17일에 출원되고, "(Al,Ga,In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDING STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD,"의 명칭을 가지며, 변호사 관리 번호 30794.134-US-P1 (2005-536-1)인 미국 임시 출원 일련 번호 60/691,710;
Akihiko Murai, Christina Ye Chen, Daniel B. Thompson, Lee McCarthy, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra에 의해, 2005년 11월 1일에 출원되고, "(Al, Ga, In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDED STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS, AND ITS FABRICATION METHOD,"의 명칭을 가지며, 변호사 관리 번호 30794.134-US-P2 (2005-536-2)인 미국 임시 출원 일련 번호 60/732,319:
Akihiko Murai, Christina Ye Chen, Daniel B. Thompson, Lee S. McCarthy, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, 및 Umesh K. Mishra에 의해, 2006년 2월 3일에 출원되고, "(Al,Ga,In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDED STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD," 의 명칭을 가지며, 변호사 관리 번호 30794.134-US-P3 (2005-536-3)인 미국 임시 출원 일련 번호 60/764,881;
Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, Hisashi Masui, Natalie N. Fellows, 및 Akihiko Murai에 의해, 2005년 11월 11일에 출원되고, "HIGH LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED),"의 명칭을 가지며, 변호사 관리 번호 30794.161-US-P1 (2006-271-1)인 미국 임시 출원 일련 번호 60/734,040; 및
상기 출원들의 모든 내용은 여기에서 인용되어 통합된다.
본 출원은 다음의 공동-계류 중이며 공동으로 양도된 미국 특허 출원들의 35 U.S.C 섹션 119(e) 하의 이익을 주장한다:
Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura 및 James S. Speck에 의해, 2005년 12월 8일에 출원되고, "HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED)," 의 명칭을 가지며, 변호사 관리 번호 30794.164-US-P1 (2006-318-1)인 미국 임시 출원 일련 번호 60/748,480; 및
Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura 및 James S. Speck에 의해, 2006년 2월 3일에 출원되고, "HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED),"의 명칭을 가지며, 변호사 관리 번호 30794.164-US-P2 (2006-318-2)인 미국 임시 출원 일련 번호 60/764,975;
상기 출원들 모두는 여기에서 인용되어 통합된다.
본 발명은 형상을 가지는 플라스틱 광학 요소 및 형광체 다운-변환 층이 결합된 (Al, Ga, In)N 및 ZnO 직접 웨이퍼 본딩된 발광 다이오드 (LED)를 기술한다.
요약하면, 본 발명은 일반적으로 백색 광을 포함하는 다중 파장들의 광을 방출하는 광학 소자들을, 보통 발광 다이오드(LED)들을, 포함한다.
발명에 따른 광학 소자는 적어도 하나의 활성 영역을 포함하는 3족 질화물 발광 영역, 상기 3족 질화물 발광 영역의 적어도 하나의 면(side)에 웨이퍼 본딩되는 적어도 하나의 제1 형상의 광학 요소, 상기 제1 형상의 광학 요소들 및 상기 LED에 의해 방출되는 광을 추출하기 위하여 상기 3족 질화물 발광 영역 및 상기 적어도 하나의 제1 형상의 광학 요소를 모두 밀봉하는 적어도 하나의 제2 형상의 광학 요소, 상기 적어도 하나의 제2 형상의 광학 요소에 광학적으로 커플링되는 형광체를 포함하며, 여기에서 3족 질화물 발광 영역에 의해 방출되는 적어도 제1 파장 영역 내의 광이 적어도 하나의 제2 형상의 광학 요소들을 통과하며 그리고 적어도 제2 파장 영역 내의 광을 방출하기 위하여 형광체를 여기시키는 것을 특징으로 한다.
그러한 광학 소자는 n 타입 ZnO 광학 요소를 포함하는 적어도 하나의 제1의 광학 요소들 중의 적어도 하나, 3족 질화물 발광 영역으로부터의 광 추출을 증가시키기 위하여 형성되는 적어도 하나의 제1의 광학 요소들 중의 적어도 하나, 3족 질화물 발광 영역으로부터의 광 추출 효율을 위하여 조절되는 각들을 포함하는 적어도 하나의 제1의 광학 요소, 원뿔 형상인 적어도 하나의 제1의 광학 요소들 중의 적어도 하나, 그리고 렌즈를 포함하는 적어도 하나의 제2의 광학 요소를 임의적으로 더 포함할 수 있다.
상기 광학 소자는 광 추출을 위하여 형성되는 적어도 하나의 제2의 광학 요소, 광 추출 효율에 적합한 각들을 포함하는 적어도 하나의 제2의 광학 요소, 울퉁불퉁한 표면을 가지는 적어도 하나의 제1의 광학 요소들과 3족 질화물 발광 영역 사이의 계면을 형성하는 층, 형광체 층에 커플링된 추가된 형광체 층, 상기 LED, 상기 제1의 광학 요소들, 및 상기 제2의 광학 요소들에 의해 방출되는 광을 추출하기 위해 상기 광학 소자, 상기 적어도 하나의 제1의 광학 요소들 및 상기 적어도 하나의 제2의 광학 요소들을 밀봉하는 제3의 광학 요소, 반사컵을 포함하는 상기 제3의 광학 요소, 및 광 추출 효율을 위해 형성되는 상기 형광체 층을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
상기 광학 소자는 또한 (Al, Ga, In)N 물질들, (Al, Ga, In)As 물질들, (Al, Ga, In)P 물질들, (Al, Ga, In)AsPNSb 물질들로부터의 화합물 반도체 물질, 및 ZnGeN2 또는 ZnSnGeN2 물질들로부터의 화합물 반도체 물질:로 구성되는 군의 적어도 하나를 포함하는 3족 질화물 발광층, 적어도 하나의 제1 광학 요소에 커플링되는 반사 코팅, 적어도 상기 제1 파장 영역을 통과(pass)시키고 상기 제2 파장 영역 내의 광의 적어도 일부를 반사시키는 3족 질화물 발광 영역 및 형광체 층 층 사이에 위치하는 반사기, 및 분산 브래그 반사기인 반사기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 발광 다이오드 어셈블리이다. 본 발명에 따른 이러한 어셈블리는 기판, 상기 기판에 커플링되는 n 타입 3족 질화물 층, 상기 n 타입 3족 질화물 층에 커플링되는 활성 층, 여기에서 상기 활성 층은 적어도 제1 파장 영역 내의 광을 방출하며, 및 상기 활성 층에 커플링되는 p 타입 3족 질화물 층을 포함하는 발광 소자, 상기 발광 소자 내에 광 흡수를 감소시킴으로써 상기 발광 소자의 효율을 증가시키는 형태로 형성되는, 상기 발광 소자에 커플링되는 적어도 하나의 산화물 층, 상기 적어도 하나의 산화물 층에 커플링되는 광학 요소, 및 발광 소자에 의해 방출되는 적어도 상기 제1 파장 영역 내의 광은 상기 형광체를 통과하고 적어도 제2 파장 영역 내의 광을 방출하기 위하여 상기 형광체를 여기시키는, 상기 적어도 하나의 산화물 층에 광학적으로 커플링되는 형광체를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 적어도 제1 파장 영역 및 제2 파장 영역 내의 광이 LED에 의해 방출되도록, 활성 3족 질화물 층, 여기에서 상기 활성 3족 질화물 층은 적어도 제1 파장 영역 내의 광을 방출하고, 상기 발광 소자에 커플링되는 적어도 하나의 산화물 층, 여기에서 상기 적어도 하나의 산화물 층은 상기 제1 파장 영역 내에 실질적으로 투명하고, 상기 적어도 하나의 산화물 층은 LED내의 광 흡수를 감소시킴으로써 LED의 효율을 증가시키는 형태로 형성되며, 및 적어도 제2 파장 영역 내의 광을 방출하도록 적어도 제1 파장 영역 내의 광이 상기 형광체와 충돌하고 상기 형광체를 여기시킬 수 있는, 상기 적어도 하나의 산화물 층에 광학적으로 커플링되는 형광체를 포함하는 다중 파장 영역들의 광을 방출하는 발광 다이오드(LED)이다.
그러한 실시예는 상기 산화물 층 및 상기 형광체 사이에 커플링되는 렌즈를 임의적으로 더 포함하며, 여기에서 상기 렌즈는 LED 내의 광흡수를 감소시킴으로써 LED의 효율을 증가시킨다.
다른 특성들 및 이점들은 개시되는 시스템 내에서 본래 갖추어져 있거나 또는 다음의 상세한 설명 및 첨부한 도면들로부터 당업자들에게 자명하다.
동일한 참조 번호들은 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 나타내는 도면들을 이제부터 참조한다:
도. 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 높은 광 추출 효율 발광 다이오드의 개요적인 도면을 도시하였다.
도 2는 높은 인덱스(index) 층 내의 멀리-위치한 형광체 다운-변환 층과 결합된 원뿔 형상인 LED를 도시하는 도 1의 변형례이다.
도. 3은 형광체 층의 후면 상에 분산 브래그 반사기 (DBR)가 결합된 형상을 가지는 백색 광 변환 층을 도시하는 도. 2의 변형례이다.
도. 4는 본 발명의 원뿔 형상인 광학 요소를 도해한다.
도. 5는 형광체 층 없이 다양한 형태의 렌즈를 가지는 도. 1의 변형례이다.
도. 6은 형광체 층은 없이 다양한 형태의 렌즈를 가지는 도. 1의 변형례이다.
도. 7은 렌즈 상의 두 개의 상부 측면 상에 형광체 층을 가지는 도. 5의 변형례이다.
도. 8은 렌즈의 두 개의 상부 측면 상에 형광체 층을 가지는 도. 6의변형례이다.
도. 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 높은 광 추출 효율 LED의 개요적 인 도면을 도시하였다.
도. 10은 도. 9의 변형례인데, 여기에서 반사컵의 상부 상에 위치하는 형광체 판은 광 추출에 유용하고자 울퉁불퉁한(roughened) 측면 및 평탄화된 측면을 포함한다.
도. 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중-원뿔 LED의 개요적인 도면을 도시하였다.
도. 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중-형상 LED의 개요적인 도면을 도시하였다.
도. 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중-형상 LED의 개요적인 도면을 도시하였다.
도. 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중-형상 LED의 개요적인 도면을 도시하였다.
도. 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중-형상 LED의 개요적인 도면을 도시하였다.
도. 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 높은 광 추출 효율 LED의 개요적인 도면을 도시하였다.
바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명에서, 본 발명이 실시될 수 있는 특정한 실시예를 설명하고자 도시되고 그 일부를 형성하는 첨부된 도면들을 참조한다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예들이 사용될 수 있으며 구조적인 변경들이 가능하다는 것이 이해될 수 있다.
개관
본 발명의 목적은 형상을 가지는 높은 굴절률 요소들을 (Al, Ga, In)N LED 및 형상을 가지는 광학 요소들과 결합함으로써 발광 다이오드(LED)로부터의 광 추출 효율을 증가시키는 수단을 제공하고자 함이다. 광 투과 및 광 추출을 증가시킴으로써, 뒤이은 소자 성능이 증가된다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 높은 굴절률 ZnO 층이 GaN LED에 웨이퍼 본딩된다. 높은 굴절률 ZnO 층 내에 원뿔이 식각되고 그리고 콘택들이 GaN LED 상에 제조된다. ZnO/GaN 하이브리드 LED는 그 다음에 다양한 구성의 렌즈들 내에 위치되고 그리고 높은 광 추출 효율을 위하여 형광체 층에 의해 덮인다.
기술적인 설명
도. 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 높은 광 추출 효율 LED (100)의 개요적인 도면을 도시하였다. 일반적으로, LED(100)는 (Al, Ga, In)N 및 ZnO 직접 웨이퍼-본딩(direct wafer-bonded) LED 구조이다. 이러한 실시예에서, 사파이어 기판 상의 하나 또는 그 이상의 3족 질화물 LED들(102), 여기에서 3족 질화물 LED(102)는 n 타입 3족 질화물 층(106), 활성 층(108), 및 p 타입 3족 질화물 층(110)을 포함한다. 하나 또는 그 이상의 n 타입 전극들(112) 또는 콘택들(콘택s)은 3족 질화물 LED(102) 상에 존재할 수 있다.
p 타입 전극(116) 또는 콘택이 n 타입 ZnO 원뿔(114)의 상면 상에 있으면서, 하나 또는 그 이상의, 또는 적어도 하나의, n0=2.1의 전형적인 굴절률을 가지는 n 타입 ZnO 원뿔들(114)은 LED(102)의 상면 상에 존재한다. LED(102) 및 n-ZnO 원뿔들(114) 모두는 nencap=1.5의 굴절률을 가지는 하나 또는 그 이상의 테이퍼된 또는 원뿔형의 플라스틱 렌즈들(118) 내에(within) 또는 아래에서(under) 밀봉된다. 그러나, 다른 물질들로 및/또는 다른 형상들로, 예를 들어, 각뿔형의, 원뿔형의, 육방정계의(hexagonal), 반구형의, 또는 그외의 형상들과 같은, 형성된 추가된 원뿔들(114)이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 동일한 LED(102) 상에 사용될 수 있다.
따라서, 이 도면은 (Al, Ga, In)N 계 LED(102), 상기 (Al, Ga, In)N LED(102)에 인접하거나, 상기 (Al, Ga, In)N LED(102)의 표면 상에 존재하거나, 또는 상기 (Al, Ga, In)N LED(102)을 둘러싸는 더 높은 굴절률의 하나 또는 그 이상의 제1 "형상의(shaped)" 광학 요소들 (예를 들어, n-ZnO 원뿔(114)) 및 상기 (Al, Ga, In)N LED(102) 및 상기 제1 형상의 광학 요소들(114)을 밀봉하며 더 낮은 굴절률을 가지는 하나 또는 그 이상의 제2 "형상의" 광학 요소들 (예를 들어, 렌즈(118))을 결합(combine)함으로써 높은 광 추출 효율을 제공하는 본 발명의 개념을 도해한다.
n-ZnO 원뿔(114)의 상부(LED(102)와 접촉하는 면과 대향하는)는 가장 높은 광 추출 효율을 구현하도록 형성된다(shaped). 더욱이, n-ZnO 원뿔(114)은 코팅되 지 않은 원뿔(114)의 상면을 향해, 반사에 의해, 광을 나아가게 하는 고반사 코팅을 가질 수 있다. 더욱이, 가장 높은 광 추출 효율을 구현하기 위하여 n-ZnO 원뿔(114)의 상면은 원뿔형의 플라스틱 렌즈(118)와 직접 접촉한다.
n-ZnO 원뿔(114) 및 원뿔형의 플라스틱 렌즈(118)의 임계각(Θc)은 원하는 각으로 조정될 수 있다. 만약 임계각 Θc이 약 60°이라면, 대부분의 광은 탈출 원뿔(the escape cone) 이내에 존재하기 때문에, LED(102)에 의해 방출되는 대부분의 광은 제1 패스 상에 원뿔(114)을 벗어나서 있게 한다(makes it out of the cone 114 on the first pass).
더욱이, 멀리 떨어진 형광체 층(120)은 플라스틱 렌즈의 상면 상에 위치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 형광체 층(120)은 다운-변환(down-conversion) 층이며, 그러나, 형광체 층(120)은 업-변환(up-conversion) 층일 수 있으며, 또는 업-변환 층 및 다운-변환 층 둘 다일 수 있다. 형광체 층(120)은 광 추출 효율을 향상시키기 위하여 제1 및 제2 형상의 광학 요소들과 유사한 방법으로 형성될 수 있다.
더욱이, 광을 반사하고 추출 효율을 향상시키기 위하여, 거울 또는 반사기(reflector) 층이 기판(104)의 후면 상에 위치될 수 있다.
광(122)이 원뿔(114)로부터 탈출(escape)할 때, 광(122)이 형광체 층(120)과 충돌하게 된다(strike). 통상적으로, 광(122)의 파장은 청색 또는 자외선 영역에 있으며, 그리고 LED(100)로부터 청색 또는 자외선 광으로 탈출한다. 그러나, 광(124)은 형광체(120)와 충돌할 때, 청색/자외선 광(124)은 황색 광(126)으로 다운-전환된다. 이러한 식으로, 청색 광(122) 및 황색 광(126) 둘 다 LED(100)로부터 방출하며, 이것은 결국 백색 광을 만든다.
LED(102)는 청색/자외선 광 이외의 다른 색상들의 광을 만들 수 있다. LED(102)를 적절하게 도핑 함으로써, 녹색, 적색, 및 청색 광이 만들어 질수 있으며, 또는 다른 색상들의 광이 만들어 질 수 있으며, 그리고 형광체 층(120)을 여기시킴으로써 존재하는 원하는 추가된 색상들의 광 및 LED(102)로부터의 적절한 방출과 함께 LED 어셈블리(100)를 설계함으로써, LED(100)는 청색 및 황색 광 이외의 다른 조합들에 의해 백색 광을 만들 수 있다.
원뿔(114)의 형상을 정의하는 각(128) 및 렌즈(118)의 에지면 및 상면을 정의하는 각(130)은 광 방출을 증가시키기 위하여 조절될 수 있다. 각(128)은 LED(102)부터의 발광을 증가시키기 위하여 조절될 수 있으며; 각(130)은 렌즈(118)로부터의 발광을 증가시키기 위하여 조절될 수 있다. 비록, 이러한 각들(128 및 130)은 일반적으로 동일한 수치값, 예를 들어 약 60 도,을 가지지만, 각들(128 및 130)은 이러한 전형적인 값에서 다를 수 있으며 그리고 LED(102)로부터 방출되며 렌즈(118)의 상면과 부딪히는 광의 파장 뿐만 아니라 LED(102)에 대하여 사용되는 물질, 원뿔(114)에 대하여 사용되는 물질에 의존하여 각각 서로 다를 수 있다. 이러한 모든 각들은 본 발명의 범위 내에 있으며, 그리고 도면들에 도시된 약 60 도는 단지 도해의 목적이며 본 발명을 제한하고자 함은 아니다. 각들(128 및 130)에서의 변화들에도 불구하고, 렌즈(118)의 상면으로부터 반사되고 렌즈(118) 내로 다시 반사되는 어떠한 광(132)이 일반적으로 존재한다.
도 2는 원뿔 형상인 LED(200)와 높은 인덱스(index) 층(204) 내의 멀리-위치 한 형광체 다운-변환 층(202)를 결합하는 도 1의 변형례이다. 이러한 실시예에서, 형광체 다운-변환 층(202)은 최대 광 추출 효율을 위하여 형성되는데, 여기에서 높은 인덱스 층의 하부면(206, 상기 LED쪽을 향하는)은 평탄하며 그리고 다운-변환된 광(126) 및 펌프(LED) 광(122)에 대하여 가장 높은 광 추출 효율을 구현하기 위하여 상기 형광체 다운-변환 층은 외부 표면(208) 상에서 형성된다. 특히, 이러한 실시예에서, 형광체 층(202)은 가장 높은 가능한 광 추출 효율을 위하여 복수의 원뿔들 또는 각뿔들로 형성되는 백색 광 변환 층이다.
도. 3은 황색, 적색, 또는 녹색 광을 반사하지만, 청색-자외선(UV) 펌프된(pumped) 광(122)은 통과(pass)하도록 하기 위하여 형광체 층(202)의 후면 상의 분산 브래그 반사기(DBR, 300)와 형성된 백색 광 변환층(204)을 결합하는 도. 2의 변형례이다. 특히, DBR(300)은 청색 내지 UV 스펙트럼 내의 광을 통과시키면서, 적색 내지 녹색 스펙트럼 내의 광을 반사시키도록 조정될 수 있다. 추가적으로, 상기 형광체(202)의 형상을 가지는 표면(shaped surface, 208)은 어떤 파장들(304)들을 반사시키면서, 광(302)의 일부 파장들을 굴절시킬 수 있는데, 이것은 DBR(300)을 보조할 수 있거나 또는 DBR(300)을 제조하기 더 쉽도록 하는 광의 어떤 반사를 수행할 수 있다. 형광체 층(202) 및 DBR(300)을 위한 설계들은 모든 소자의 효율을 증가시키기 위해 서로를 보충할 수 있다.
도. 4는 약 60도 각(128) 원뿔(114)에 대하여, 대부분의 광은 탈출 원뿔 이내에 존재하기 때문에, 광(124)의 대부분은 상기 제1 패스 상에 벗어나서 있게 한다(makes it out on the first pass). 사용될 수 있는 물질들의, 그들의 다양한 굴절률들 및 임계각들과 함께, 예시들이 아래에서 주어진다:
공기/플라스틱=1/1.5, Θc=42o,
플라스틱/ZnO=1.5/2.1, Θc=46o,
ZnO/GaN=2.1/2.3, Θc=66o, 및
Air/ZNO=1/2.1, Θc=28o.
본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 물질들 및 각들이 사용될 수 있다.
도. 5는 형광체 층은 없이 다양한 형태의 렌즈를 가지는 도. 1의 변형례이다.
도. 5에서 도시된 것처럼, 오히려 광(132)이 렌즈(118) 내로 다시 반사되게 하여, 따라서 소자(100)의 밝기 및/또는 효율을 감소시키며, 렌즈(118)는 소자(100)로부터의 발광을 최대로 하는 형상으로 취할 수 있다. 각들 B(500) 및 C(502)은 소자(100)로부터의 광(504-508)의 발광을 최대화하기 위하여 선택된다. 각들 B(500) 및 C(502)은 LED(102)에 의해 방출되는 광의 파장 뿐만 아니라 원뿔(114), 렌즈(118)에 사용되는 물질들 및 각(128)에 기반하여 변경될 수 있다.
도 6은 형광체 층은 없이 다양한 형태의 렌즈를 가지는 도. 1의 변형례이다.
렌즈(118)에 대한 다른 표면 프로파일이 또한 사용될 수 있는데, 여기에서는 각들 D(600) 및 E(602)는 다른 광(604)이 렌즈(118)의 측면으로부터 반사되고 방출 되면서, 광(124)이 렌즈(118)의 상면으로부터 방출되도록 허용할 수 있다. 도. 5 및 6에서 도시된 것처럼, 렌즈(118)에 대한 많은 가능한 형태들이 본 발명의 범위 이내에서 가능하다.
도. 7은 렌즈 상의 두 개의 상부 측면 상에 형광체 층을 가지는 도. 5의 변형례이다.
렌즈(118)의 상부 표면들에 형광체 층(120)을 부가하여, 렌즈(118) 내에서 반사하는 동안 다양한 곳에서 광(700)이 형광체(120)를 여기시킬 뿐 아니라, 광(24)이 이제 직접 탈출하는 기회를 가진다. 광(700)의 일부는 렌즈(118)로부터 또한 탈출할 수 있으나, 그러나 형광체(120)로부터 광(700)의 다중 반사들은 다른 파장들로 광(700)의 추가 다운-변환 또는 업-변환을 제공할 수 있다.
도. 8은 렌즈의 두 개의 상부 측면 상에 형광체 층을 가지는 도. 6의 변형례이다. 도. 7에서 도시된 것처럼, 이제 광(800)은 렌즈(118) 내에 형광체 층(120)을 여기시키는 다양한 기회들을 또한 가진다. 이것은 백색 광을 제공하기 위해 필요한 파장 균형(balancing) 또는 파장 선호(preferences)를 제공할 수 있거나, 또는 원한다면, 형광체(120)의 특성들 및 렌즈(118)의 형태에 근거하여 LED(102)는 어떠한 파장들을 방출하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 그리고 제한을 목적으로 하지 않는, 따뜻한 광을 에뮬레이션하는 몇몇의 반사들 및 방출들을 만드는 어셈블리(100)를 설계함으로써, 백색 광의 어떠한 “색상”, 예를 들어 “따뜻한” 광,을 제공하도록 렌즈(118)의 형태 및 형광체(120)의 특성들이 조정될 수 있다.
도. 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 높은 광 추출 효율 LED의 개요적 인 도면을 도시하였다.
n 타입 ZnO 원뿔(114)을 가지는 LED(102) 모두를 포함하는, 이러한 실시예에서, 반사 코팅(900)이 n-ZnO 원뿔의 측면으로 적용되며, 구형 플라스틱 렌즈가 상기 n-ZnO 원뿔의 상부 상에 위치하며, 그리고 상기 렌즈 및 상기 n-ZnO 원뿔의 상부는 제3 “형상의” 광학 요소인 반사컵 내에 밀봉된다. n-ZnO 원뿔(114) 상의 고반사 코팅(900)은 반사들을 통하여, 광을 코팅되지 않은 원뿔(114)의 상부로 향하여 가이드하는데, 여기에서 n-ZnO 원뿔(114)의 상부는 반사컵(902)에 의해 둘러싸인다.
더욱이, 형광체 판(120)이 반사컵(900)의 상부 상에 위치한다. 형광체 판(120)은 높은 인덱스 층 내에 임베디드된 형광체를 포함하는 멀리 위치하는 형광체 다운-변한 층이다. 다운-변환 층(120)으로부터 가장 높은 광 추출 효율을 구현하기 위하여 높은 인덱스 층의 하부 표면(904, LED를 향하는)은 평탄하고 그리고 상기 높은 인덱스 층의 상부 표면(906)은 거칠다.
도. 10은 도. 9의 변형례인데, 여기에서 상기 반사컵의 상부 상에 위치하는 상기 형광체 판은 광 추출에 유용하고자 울퉁불퉁한(roughened) 면 및 평탄화된 면을 포함한다. 또한, 이러한 실시예에서, 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide (ITO)), 아연 산화물(Zinc Oxide (ZnO)), 및/또는 관심 파장 영역에서 투명하거나 대부분 투명한 다른 물질들로 형성될 수 있는 투명한 전도성 산화물(TCO) 층(1000)은 LED(102) 및 n 타입 ZnO 원뿔(114) 사이에 배치되며, 여기에서 상기 n 타입 ZnO 원뿔(114)은 이산화 티타늄(TiO2)과 같은 높은 인덱스의 절연물질로 형성된다.
도. 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중-원뿔 LED의 개요적인 도면을 도시하였다. 특히, 제3의 광학 요소로 작용하는 상부 원뿔은 형광체 층(120)의 상부에 존재한다.
도. 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중-형상 LED의 개요적인 도면을 도시하였다. 특히, 복수의 형광체 층들이, 예를 들어 층들(120 및 1200),이 도시되는데, 여기에서 제2 형광체 층(1200)는 제1 형광체 층(120)을 밀봉한다.
도. 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중-형상 LED의 개요적인 도면을 도시하였다. 특히, 복수의 형광체 층들, 층(120) 및 층(1200)이 도시되는데, 여기에서 제2 형광체 층(1200)은 제1 형광체 층(120)을 밀봉하고, 그리고 상기 제1 형광체 층(120)은 복수의 원뿔들을 포함한다.
도. 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED의 개요적인 도면을 도시하였다. 특히, 더 높은 굴절률을 가지는 복수의 제1 "형상의" 광학 요소들(예를 들어, n-ZnO 원뿔들(114))이 하나 또는 그 이상의 (Al, Ga, In)N LED들(106)에 인접하거나, 하나 또는 그 이상의 (Al, Ga, In)N LED들(106)의 표면 상에 있거나, 또는 하나 또는 그 이상의 (Al, Ga, In)N LED들(106)을 둘러싸는데, 여기에서 더 낮은 굴절률을 가지는 하나 또는 그 이상의 제2 "형상의" 광학 요소들(예를 들어, 상기 렌즈(118))은 상기 (Al, Ga, In)N LED들(106) 및 상기 제1 형상의 광학 요소들(114)을 밀봉한다.
도. 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED의 개요적인 도면을 도시하였다. 특히, 더 높은 굴절률을 가지는 복수의 제1 "형상의" 광학 요소들(예를 들어, 상기 n-ZnO 원뿔들(114))은 하나 또는 그 이상의 (Al, Ga, In)N LED들(106)에 인접하거나, 하나 또는 그 이상의 (Al, Ga, In)N LED들(106)의 표면 상에 있거나, 또는 하나 또는 그 이상의 (Al, Ga, In)N LED들(106)을 둘러싸는데, 여기에서 더 낮은 굴절률을 가지는 하나 또는 그 이상의 제2 "형상의" 광학 요소들(예를 들어, 상기 렌즈(118))은 상기 (Al, Ga, In)N LED들(106) 및 상기 제1 형상의 광학 요소들(114)을 밀봉한다. 그러나, 이러한 실시예는 상기 LED(100)의 두 양면들 상에 제1 및 제2 n-ZnO 원뿔 형상인 요소들(114)을 포함한다. 상기 LED들(102) 및 제1 및 제2 n-ZnO 원뿔 형상인 요소들(114)은 렌즈(118)에 의해 모두 밀봉된다.
도. 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED의 개요적인 도면을 도시하였다. 특히, 이러한 실시예에서, LED 및 상기 n-ZnO 원뿔(114)사이의 계면을 형성하는 p-Gan 층(110)은 광 추출을 향상시키기 위하여 형상을 가지거나 또는 울퉁불퉁할 수 있다. 이러한 표면의 거칠기 작업(roughening)은 다음의 관련된 출원들에서 설명된 기술들을 사용할 수 있다: Tetsuo Fujii, Yan Gao, Evelyn L. Hu, 및 Shuji Nakamura에 의해, 2003년 12월 9일에 출원되고, 표면 러프닝에 의한 고효율 갈륨 질화물 계 발광 다이오드들(HIGHLY EFFICIENT 갈륨 NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODES VIA SURFACE ROUGHENING)의 명칭을 가지며, 변호사 관리 번호가 30794.108-WO-01 (2004-063-1)인 PCT 국제 출원 번호 PCT/US03/39211; 및 Carole Schwach, Claude C.A. Weisbuch, Steven P. DenBaars, Henri Benisty, 및 Shuji Nakamura에 의해, 2004년 9월 10일에 출원되며, 리사이클링 유도 모드들에 의한 백색, 단일 또는 다중 색상 발광 다이오드들(WHITE, SINGLE OR MULTI-COLOR LIGHT EMITTING DIODES BY RECYCLING GUIDED MODES)의 명칭을 가지며, 변호사 관리 번호가 30794.115-US-01 (2004-064-1)인 미국 특허 출원 일련 번호 10/938,704, 상기 출원들은 여기에서 인용되어 여기에서 통합된다.
이점들 및 개선들
본 발명의 이점들은 LED들로부터 방출되는 광을 추출하기 위해 설계되는 형상을 가지는 광학 요소들을 결합한 (Al, Ga, In)N 및 ZnO LED들을 본딩(bonding)하고 형성(shaping)하는 것에서 유래한다. 이러한 결합은 신규하고 특히, LED 어플리케이션들에 대하여, 존재하는 소자 설계들에 대하여 이점들을 가진다.
3족 질화물 LED는 (Al, Ga, In)N 물질들, (Al, Ga, In)As 물질들, (Al, Ga, In)P 물질들, (Al, Ga, In)AsPNSb 물질들로부터의 화합물 반도체 물질, 또는 ZnGeN2 또는 ZnSnGeN2 물질들로부터의 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 (Al, Ga, In)N 물질들에 관해서는, 상기 LED는 c-face {0001} (극성의) (Al, Ga, In)N, a-face {11-20}, m-face {1-100} (비극성의) (Al, Ga, In)N, 또는 (반극성의(semipolar)) (Al, Ga, In)N을 포함할 수 있는데, 여기에서 반극성은 두 개의 0이 아닌 h, i, 또는 k 밀러 지수들, 및 0이 아닌 밀러 지수, {hikl}를 가지는 매우 다양한 평면들을 언급한다.
더욱이, 상기 LED는 사파이어, 실리콘 카바이드, 실리콘, 게르마늄, 게르마늄 비소, 갈륨 인화물(gallium phosphide), 인듐 인화물(indium phosphide), 또는 첨정석 웨이퍼(spinel wafer)들 상에서, 또는 갈륨 질화물 상에서, 다른 기판들로부터 제거되는 독립한(free-standing) 갈륨 질화물을 포함하여, 성장될 수 있다.
높은 굴절률 물질들은 ZnO, TiO2, GaN, SiC, SiON, SiN, SiO2, 높은 굴절률의 금속 산화물들, 높은 굴절률의 폴리머들, 또는 높은 굴절률의 플라스틱 물질을 포함하는 많은 다른 물질들을 포함할 수 있다. 낮은 굴절률 물질들은 또한 플라스틱들을 포함하여 많은 다양한 형태들의 물질들을 포함할 수 있다. 이러한 물질들은 울퉁불퉁해지거나(roughened), 평탄화되거나(smoothed) 또는 어떤 많은 다양한 방법들을 사용하여 형성될 수 있다.
형광체는 테르븀(terbium) 및 가돌리늄(gadolinium)과 같은 다른 희토류 원소들로 세륨을 대체함으로써 조절되거나 YAG 내의 어떤 또는 모든 알루미늄을 갈륨으로 대체함으로써 조절되는 Ce3 +:YAG을 포함하여, 세륨(III)-도핑된 YAG (YAG:Ce3 +, 또는 Y3Al5O12:Ce3 +)일 수 있다.
비록 특정한 A, B, C, D 및 Θc의 각들이 여기에서 설명되지만, 당업자들은 이러한 A, B, C, D 및 Θc의 각들은 가장 높은 광 추출 효율을 구현하기 위하여 다르게 조절될 수 있다는 것을 인식할 수 있다.
앞에서 설명된 것처럼, 하나의 실시예에서, 상기 LED는 (Al, Ga, In)N 층들 을 포함하고 그리고 높은 굴절률의 광 추출 물질들은 (Al, Ga, In)N 층들과 웨이퍼 본딩되는 ZnO 층들을 포함한다. ZnO는 LED 내에서 반복적으로 발생하는 광 반사들을 감소시키며, 그리고 따라서 상기 LED로부터 더 많은 광을 추출한다. ZnO의 높은 투명 특성은 LED 내의 광 흡수를 감소시킨다. ZnO의 전기 전도성 특성은 LED 내의 활성 영역으로부터 방출되는 균일한 광을 가능하게 한다. 이러한 새로운 하이브리드 GaN/ZnO/형상을 가지는 렌즈 설계의 결과적인 외부 양자 효율은 현존하는 GaN계 LED 소자들의 그것보다 더 높아야 한다.
더욱이, 전극은 전기 전도성 물질 상에 쉽게 형성될 수 있기 때문에, SiC 또는 GaN과 같은 전기 전도성 기판들 상에 성장된 질화물 LED와 투명한 ZnO 전극의 결합은 LED들의 제조에 필요한 공정 단계들의 수를 감소시킬 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 상기 ZnO는 반드시 웨이퍼 본딩될 필요는 없으며, 다양한 방법들에 의해 증착될 수 있다.
마지막으로, 원뿔들, 렌즈 또는 다른 형상을 가지는 광학 요소들의 개수에 관해서, 각각의 원뿔은 그 다음의 원뿔로부터의 방출을 흡수할 수 있기 때문에, 더 작은 개수가 더 바람직하다. 단지 하나의 원뿔이 존재할 때, 그 다음의 원뿔로부터의 어떠한 영향도 없다(흡수가 없으며, 그 다음의 원뿔이 존재하지 않기 때문이다).
그럼에도 불구하고, 당업자들은 임의의 개수의 LED들, 제1 형상의 광학 요소들 및 제2 형상의 광학 요소들이 임의의 개수의 구성들로 배열되어 존재할 수 있다는 것을 알 수 있다. 더욱이, 상기 LED들, 제1 형상의 광학 요소들 및 제2 형상의 광학 요소들은 임의의 개수의 기하학적 형태들 또는 형상들을 포함할 수 있으며 그리고 원뿔들, 각뿔들 등에 제한되지 않는다.
인용문헌
다음의 문헌들은 여기에서 인용되어 통합된다:
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. Appl. Phys. Lett. 84, 855 (2004).
결론
요약하여, 본 발명은 일반적으로 백색 광을 포함하는 다중 파장들의 광을 방출하는 광학 소자들을, 보통 발광 다이오드(LED)들을, 포함한다.
발명에 따른 광학 소자는 적어도 하나의 활성 영역을 포함하는 3족 질화물 발광 영역, 상기 3족 질화물 발광 영역의 적어도 하나의 면(side)에 웨이퍼 본딩되는 적어도 하나의 제1 형상의 광학 요소, 상기 제1 형상의 광학 요소들 및 상기 LED에 의해 방출되는 광을 추출하기 위하여 상기 3족 질화물 발광 영역 및 상기 적어도 하나의 제1 형상의 광학 요소를 모두 밀봉하는 적어도 하나의 제2 형상의 광학 요소, 상기 적어도 하나의 제2 형상의 광학 요소에 광학적으로 커플링되는 형광 체를 포함하며, 여기에서 3족 질화물 발광 영역에 의해 방출되는 적어도 제1 파장 영역 내의 광이 적어도 하나의 제2 형상의 광학 요소들을 통과하며 그리고 적어도 제2 파장 영역 내의 광을 방출하기 위하여 형광체를 여기시키는 것을 특징으로 한다.
그러한 광학 소자는 n 타입 ZnO 광학 요소를 포함하는 적어도 하나의 제1 형상의 광학 요소들 중의 적어도 하나, 3족 질화물 발광 영역으로부터의 광 추출을 증가시키기 위하여 형성되는 적어도 하나의 제1 형상의 광학 요소들 중의 적어도 하나, 3족 질화물 발광 영역으로부터의 광 추출 효율을 위하여 조절되는 각들을 포함하는 적어도 하나의 제1 형상의 광학 요소, 원뿔 형상인 적어도 하나의 제1 형상의 광학 요소들 중의 적어도 하나, 그리고 렌즈를 포함하는 적어도 하나의 제2 형상의 광학 요소를 임의적으로 더 포함할 수 있다.
상기 광학 소자는 광 추출을 위하여 형성되는 적어도 하나의 제2 형상의 광학 요소, 광 추출 효율에 적합한 각들을 포함하는 적어도 하나의 제2 형상의 광학 요소, 울퉁불퉁한 표면을 가지는 적어도 하나의 제1 형상의 광학 요소들과 3족 질화물 발광 영역 사이의 계면을 형성하는 층, 형광체 층에 커플링된 추가된 형광체 층, 상기 LED, 상기 제1 형상의 광학 요소들, 및 상기 제2 형상의 광학 요소들에 의해 방출되는 광을 추출하기 위해 상기 광학 소자, 상기 적어도 하나의 제1 형상의 광학 요소들 및 상기 적어도 하나의 제2 형상의 광학 요소들을 밀봉하는 제3의 광학 요소, 반사컵을 포함하는 상기 제3의 광학 요소, 및 광 추출 효율을 위해 형성되는 상기 형광체 층을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
상기 광학 소자는 또한 (Al, Ga, In)N 물질들, (Al, Ga, In)As 물질들, (Al, Ga, In)P 물질들, (Al, Ga, In)AsPNSb 물질들로부터의 화합물 반도체 물질, 및 ZnGeN2 또는 ZnSnGeN2 물질들로부터의 화합물 반도체 물질:로 구성되는 군의 적어도 하나를 포함하는 3족 질화물 발광층, 적어도 하나의 제1 광학 요소에 커플링되는 반사 코팅, 적어도 상기 제1 파장 영역을 통과(pass)시키고 상기 제2 파장 영역 내의 광의 적어도 일부를 반사시키는 3족 질화물 발광 영역 및 형광체 층 층 사이에 위치하는 반사기, 및 분산 브래그 반사기인 반사기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 발광 다이오드 어셈블리이다. 본 발명에 따른 이러한 어셈블리는 기판, 상기 기판에 커플링되는 n 타입 3족 질화물 층, 상기 n 타입 3족 질화물 층에 커플링되는 활성 층, 여기에서 상기 활성 층은 적어도 제1 파장 영역 내의 광을 방출하며, 및 상기 활성 층에 커플링되는 p 타입 3족 질화물 층을 포함하는 발광 소자, 상기 발광 소자 내에 광 흡수를 감소시킴으로써 상기 발광 소자의 효율을 증가시키는 형태로 형성되는, 상기 발광 소자에 커플링되는 적어도 하나의 산화물 층, 상기 적어도 하나의 산화물 층에 커플링되는 광학 요소, 및 발광 소자에 의해 방출되는 적어도 상기 제1 파장 영역 내의 광은 상기 형광체를 통과하고 적어도 제2 파장 영역 내의 광을 방출하기 위하여 상기 형광체를 여기시키는, 상기 적어도 하나의 산화물 층에 광학적으로 커플링되는 형광체를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 적어도 제1 파장 영역 및 제2 파장 영역 내의 광이 LED에 의해 방출되도록, 활성 3족 질화물 층, 여기에서 상기 활성 3족 질화물 층은 적어도 제1 파장 영역 내의 광을 방출하고, 상기 발광 소자에 커플링되는 적어도 하나의 산화물 층, 여기에서 상기 적어도 하나의 산화물 층은 상기 제1 파장 영역 내에 실질적으로 투명하고, 상기 적어도 하나의 산화물 층은 LED내의 광 흡수를 감소시킴으로써 LED의 효율을 증가시키는 형태로 형성되며, 및 적어도 제2 파장 영역 내의 광을 방출하도록 적어도 제1 파장 영역 내의 광이 상기 형광체와 충돌하고 상기 형광체를 여기시킬 수 있는, 상기 적어도 하나의 산화물 층에 광학적으로 커플링되는 형광체를 포함하는 다중 파장 영역들의 광을 방출하는 발광 다이오드(LED)이다.
그러한 실시예는 상기 산화물 층 및 상기 형광체 사이에 커플링되는 렌즈를 임의적으로 더 포함하며, 여기에서 상기 렌즈는 LED 내의 광흡수를 감소시킴으로써 LED의 효율을 증가시킨다.
본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 여기에서 종료한다. 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들의 앞에서의 설명은 도해 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이것은 포괄적이거나 개시되는 정확한 형태로 본 발명을 제한하고자 함이 아니다. 많은 변형례들 및 변경들이 상기 취지의 측면에서 가능하다. 본 발명의 범위는 이러한 상세한 설명에 의해 제한되지 않으며, 오히려 여기에 첨부된 특허 청구 범위에 의해 제한되는 것으로 의도된다.
본 발명에 의하면, 더 많은 광을 높은 효율로 추출할 수 있는 발광 다이오드를 구현할 수 있다.

Claims (21)

  1. 적어도 하나의 활성 영역을 포함하는 발광 소자;
    상기 발광 소자의 적어도 일면에 커플링되는(coupled) 적어도 하나의 제1의 광학 요소(first shaped optical element);
    상기 활성 영역 및 상기 제1의 광학 요소들에 의해 방출(emit)되는 광을 추출(extract)하기 위해 상기 발광 소자 및 상기 적어도 하나의 제1의 광학 요소를 모두 밀봉(encapsulating)하는 적어도 하나의 제2의 광학 요소(second shaped optical element); 및
    상기 적어도 하나의 제2의 광학 요소에 광학적으로 커플링되는 형광체(phosphor)를 포함하고, 적어도 제2 파장 영역 내의 광을 방출하기 위하여 3족 질화물(III-nitride) 발광 영역에 의해 방출되는 적어도 제1 파장 영역 내의 광은 상기 적어도 하나의 제2의 광학 요소들을 통과(pass through)하며 그리고 상기 형광체를 여기(excite)시키는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1의 광학 요소는 상기 발광 소자에 웨이퍼 본딩되는(wafer bonded) 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1의 광학 요소들 중의 적어도 하나는 ZnO 광학 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1의 광학 요소들 중의 적어도 하나는 상기 3족 질화물 발광 영역으로부터의 광 추출을 증가시키기 위하여 형성되는(shaped) 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1의 광학 요소들은 상기 3족 질화물 발광 영역으로부터의 광 추출 효율에 적합한 각(angle)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1의 광학 요소들 중의 적어도 하나는 원뿔 형상인 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2의 광학 요소는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2의 광학 요소는 광 추출을 위하여 형성되는(shaped) 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2의 광학 요소는 광 추출 효율에 적합한 각(angle)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 3족 질화물 발광 영역과 상기 적어도 하나의 제1의 광학 요소들 사이의 계면을 형성하는 하나의 층(a layer)은 울퉁불퉁한(roughened) 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 형광체 층에 커플링되는 추가된 형광체 층을 더 포함하는 광학 소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 3족 질화물 발광 영역, 상기 제1의 광학 요소들 및 상기 제2의 광학 요소들에 의해 방출되는 광을 추출하기 위하여 상기 3족 질화물 발광 영역, 상기 적어도 하나의 제1의 광학 요소들 및 상기 적어도 하나의 제2의 광학 요소들을 밀봉하는 제3의 광학 요소(third shaped optical element)를 더 포함하는 광학 소자.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제3의 광학 요소는 반사컵(reflector cup)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  14. 제1항에 있어서, 상기 형광체 층은 광 추출 효율을 위하여 형성되는(shaped) 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  15. 제1항에 있어서, 상기 발광 소자는 (Al, Ga, In)N 물질들, (Al, Ga, In)As 물질들, (Al, Ga, In)P 물질들, (Al, Ga, In)AsPNSb 물질들로부터의 화합물 반도체 물질, 및 ZnGeN2 또는 ZnSnGeN2 물질들로부터의 화합물 반도체 물질:로 구성되는 군에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  16. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 광학 요소에 커플링되는 반사 코팅을 더 포함하는 광학 소자.
  17. 제1항에 있어서, 적어도 상기 제1 파장 영역을 통과시키고(pass) 그리고 상기 제2 파장 영역 내의 광의 적어도 일부를 반사시키는, 상기 형광체 층과 상기 발광 영역 사이에 위치하는 반사기(reflector)를 더 포함하는 광학 소자.
  18. 제17항에 있어서, 상기 반사기는 분산 브래그 반사기(a distributed Bragg reflector)인 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  19. 기판;
    발광 소자;
    상기 발광 소자에 커플링되며, 상기 발광 소자 내의 광의 내부 반사를 감소시킴으로써 상기 발광 소자의 효율을 증가시키는 형태로 형성되는 적어도 하나의 산화물 층;
    상기 적어도 하나의 산화물 층에 커플링되는, 광학 요소; 및
    상기 적어도 하나의 산화물 층에 광학적으로 커플링되는 형광체;를 포함하는 발광 다이오드(LED) 어셈블리로서,
    상기 발광 소자는:
    상기 기판에 커플링되는 n 타입 3족 질화물 층;
    상기 n 타입 3족 질화물 층에 커플링되며, 적어도 제1 파장 영역 내의 광을 방출하는 활성층; 및
    상기 활성층에 커플링되는, p 타입 3족 질화물 층;을 포함하고,
    적어도 제2 파장 영역 내의 광을 방출하기 위해 상기 발광 소자에 의해 방출되는 적어도 상기 제1 파장 영역 내의 광이 상기 형광체를 통과하며 그리고 상기 형광체를 여기시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드(LED) 어셈블리.
  20. 다중 파장 영역들의 광을 방출하는 발광 다이오드(LED)로서, 상기 발광 다이오드는:
    활성 3족 질화물 층, 여기에서 상기 활성 3족 질화물 층은 적어도 제1 파장 영역 내의 광을 방출하며;
    상기 발광 소자에 커플링되며, 제1 파장 영역에서 실질적으로 투명하며, 상기 발광 다이오드(LED) 내의 광의 내부 반사를 감소시킴으로써 상기 LED의 효율을 증가시키는 형태로 형성되는, 적어도 하나의 산화물 층; 및
    적어도 제2 파장 영역 내의 광을 방출하기 위하여 적어도 상기 제1 파장 영역 내의 광이 상기 형광체에 부딪치고(strike) 그리고 상기 형광체를 여기시키도록 상기 적어도 하나의 산화물 층에 광학적으로 커플링되는 형광체;를 포함하며,
    적어도 상기 제1 파장 영역 및 상기 제2 파장 영역 내의 광이 상기 LED에 의해 방출되는 다중 파장 영역들의 광을 방출하는 발광 다이오드(LED).
  21. 제19항에 있어서, 상기 산화물 층과 상기 형광체 사이에 커플링되는 렌즈를 더 포함하며, 상기 렌즈는 상기 LED 내에 광 흡수를 감소시킴으로써 상기 LED의 효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드(LED).
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