KR20090099537A - Pyramidal photonic crystal light emitting device - Google Patents

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Abstract

A light-emitting device (LED) is described which comprises a light generating layer disposed between first and second layers of semiconductor material, each having a different type of doping. An upper surface of the first layer has either a tiling arrangement of pyramidal or frustro-pyramidal protrusions of semiconductor material surrounded by a material of different refractive index, or it has a tiling arrangement of inverted pyramidal or inverted frustro-pyramidal indentations in the semiconductor material filled by a material of different refractive index. Each comprises a photonic band structure. The protrusions or indentations and their tiling arrangement are configured for efficient extraction of light from the device via the upper surface of the first layer and in a beam with an emission profile that is substantially more directional than from a Lambertian source. An enhanced device employs a reflector beneath the second layer to utilise the microcavity effect. Methods for fabricating the device are also described, which employs anisotropic wet etching to produce the pyramidal protrusions or the inverted pyramidal indentations.

Description

피라미드형 광 결정 발광 소자{Pyramidal Photonic Crystal Light Emitting Device}Pyramidal Photonic Crystal Light Emitting Device

본 발명은 향상된 광 추출 및 방향성을 가지는 발광 다이오드들에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광 결정 구조들을 이용하는 소자들에 관한 것이다.The present invention relates to light emitting diodes having improved light extraction and directivity, and more particularly to devices using photonic crystal structures.

발광 다이오드(light emitting diode, 이하 'LED'라고 한다)들은 순방향으로 바이어스된 p-n 접합을 기초로 하는데, 최근에는 충분히 높은 휘도 레벨들에 도달했는바, 이제 발광 다이오드들은 새로운 고체 상태의 조명 어플리케이션들뿐 아니라, 프로젝터(projector) 광원들에 대한 대체물들로도 적합하다. 또한, LED들의 높은 효율들을 통하여 얻어진 경제적인 이득들뿐 아니라, 신뢰성, 긴 수명 및 환경적 이점들에 의하여, 이러한 시장들로의 진입도 가능하게 되어왔다. 구체적으로, 고체 상태의 조명의 어플리케이션들은, LED들이 대체 형광 조명 기술들에 의해 현재 획득 가능한 효율들을 능가할 것을 요구한다. Light emitting diodes (hereinafter referred to as' LED's) are based on forward-biased pn junctions, which have recently reached sufficiently high luminance levels, and now light emitting diodes are the only new solid state lighting applications. It is also suitable as a substitute for projector light sources. In addition to the economic benefits obtained through the high efficiencies of the LEDs, the entry into these markets has also been made possible by the reliability, long life and environmental advantages. Specifically, applications of solid state lighting require LEDs to surpass the efficiencies currently obtainable by alternative fluorescent lighting techniques.

액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, 이하 'LCD'라고 한다) 패널들에 대한 백라이트 유닛(Back Light Unit, 이하 'BLU'라고 한다)들은 LCD 패널의 성능에 있어서 중요한 요소들이다. 현재, 대부분의 LCD 패널들은 컴팩트 음극 형광(compact cathode fluorescent light, CCFL) 광원들을 이용한다. 그러나, 이러 한 광원들은 열등한(poor) 색상 범위(colour gamut), 환경적 재활용 및 제조 이슈들, 두께 및 프로파일, 고전압 요건들, 열등한 열 관리, 무게 및 높은 소비 전력을 포함한 여러 문제점들로 인한 문제를 가지고 있다. 이러한 문제점들을 경감시키기 위하여, LCD 제조업자들은 LED BLU 유닛들을 구현하고 있다. 이것들은 색상 범위, 낮은 소비 전력, 얇은 프로파일들, 저전압 요건들, 우수한 열 관리 및 낮은 무게를 포함하여, 많은 영역들에서 이점들을 제공한다.Back Light Units for Liquid Crystal Display (hereinafter referred to as "LCD") panels are important factors in the performance of LCD panels. Currently, most LCD panels use compact cathode fluorescent light (CCFL) light sources. However, these light sources are problematic due to several problems, including poor color gamut, environmental recycling and manufacturing issues, thickness and profile, high voltage requirements, inferior thermal management, weight and high power consumption. Have To alleviate these problems, LCD manufacturers are implementing LED BLU units. These offer advantages in many areas, including color range, low power consumption, thin profiles, low voltage requirements, good thermal management and low weight.

현재 LED BLU 시스템들은 미국 특허 번호 제7,052,152호에 개시된 바와 같이 LED의 후면을 가로질러 LED들을 배치한다. 소형 디스플레이들의 경우에는, 이것들은 일반적으로 저비용의 디자인들이다. 그러나, 대형 LCD 패널들, 예를 들어, 32인치 이상의 LCD 패널들의 경우에는, LCD 패널의 후면을 고르게 가로질러 광을 분포하기 위해 요구되는 LED들의 개수는 더 이상 이러한 접근이 비용 면에서 효과적이게 하지 못한다. 미국 특허 번호 제7,052,152호에서는, 32 인치의 LCD 패널 디스플레이에 대해 124개의 LED들이 이용되는 것이 제안되었다. Current LED BLU systems place LEDs across the back of the LED as disclosed in US Pat. No. 7,052,152. In the case of small displays, these are generally low cost designs. However, in the case of large LCD panels, eg, 32 inch or larger LCD panels, the number of LEDs required to distribute light evenly across the back of the LCD panel no longer makes this approach cost effective. can not do it. In US Pat. No. 7,052,152, it is proposed that 124 LEDs be used for a 32 inch LCD panel display.

일부 어플리케이션들의 경우에는, LED로부터의 더욱 등방성인(isotropic) 또는 램버시안(Lambertian) 광 분포가 요구되는데, 이를 얻기 위해 이용되는 기술의 하나는 이를 통해 광이 모이는(merge) 표면을 거칠게 하는 것이다. LED 제조 공정에 따라 어느 정도의 거칠기는 내재된다. 그러나, 식각과 같은 기술들을 이용하여, LED로부터 나오는 광의 스크램블링(scrambling)과 균일성을 향상하기 위하여 제어된 정도의 증가된 표면 거칠기를 얻을 수 있다.For some applications, a more isotropic or Lambertian light distribution from the LED is required, one of the techniques used to achieve this is to roughen the surface where light is collected. Some roughness is inherent in the LED manufacturing process. However, techniques such as etching can be used to obtain a controlled degree of increased surface roughness to improve scrambling and uniformity of the light coming from the LEDs.

미국 특허 출원 공개 번호 제2006/0181899호 및 제2006/0181903호는 확산광 이 전체 LCD 패널 표면을 가로질러 고르게 분포하도록 배치된 광학적 광 통로(light guide) 또는 도파관(waveguide)을 개시한다. 측면 실장된(side-mounted) LED 광원들을 이용하여 광은 광 통로 안으로 커플링된다(coupled). 측면 실장은, 다이렉트(direct) LED 백라이팅에 비해 백라이트 LCD의 단위 면적 당 필요한 LED들의 개수가 크게 감소되므로 유익하다. 32 인치의 LCD 패널이 12개밖에 안 되는 적은 LED 광원들로 측면 조명될 수 있음이 제안된다. 그러나, LCD 패널 상으로 확산된 광을 최대화하기 위하여, LED 광을 광 통로 안으로 최대한 광학적으로 커플링하는 것이 요구된다.US Patent Application Publication Nos. 2006/0181899 and 2006/0181903 disclose optical light guides or waveguides arranged such that diffused light is evenly distributed across the entire LCD panel surface. Light is coupled into the light path using side-mounted LED light sources. Side mounting is advantageous because the number of LEDs required per unit area of the backlight LCD is significantly reduced compared to direct LED backlighting. It is proposed that the 32-inch LCD panel can be side illuminated with as few as 12 LED light sources. However, in order to maximize the light diffused onto the LCD panel, it is desired to optically couple the LED light into the light path as much as possible.

고 휘도 LED들의 또 다른 어플리케이션 영역은 전면 프로젝터 및 후면 프로젝터 용 광 엔진들이다. 종래의 HID(High Intensity Discharge) 타입의 프로젝터 광 엔진들은 항상 낮은 효율과 짧은 수명으로 방해가 되어 왔고, 이는 소비 시장들로의 부진한 채택으로 이어졌다. 이러한 특정 어플리케이션에서, 광원의 에텐듀(Etendue) 값은 마이크로 디스플레이(microdisplay)의 에텐듀 값보다 작거나 마이크로 디스플레이의 에텐듀 값에 일치할 것이 요구된다. 이러한 호환성은 전체 광 프로젝션 엔진의 전체 시스템 효율을 향상시키는데 매우 중요하다. 또한, 높은 총 광 출력들(luminous outputs)과 낮은 소비 전력도, 특히 (50 인치보다 큰) 대형 후면 프로젝션 스크린들과 전면 프로젝션 시스템들이 요구되는 어플리케이션들에서 매우 중요하다. 열 관리 이슈들을 최소화하기 위해서는 낮은 소비 전력이 바람직하다. 작은 에텐듀 값들을 가진, 적색, 녹색 및 청색의 단색 LED 광원들 세트로부터의 광은 프로젝션 시스템에서 소정의 색을 생성할 수 있도록 다중화(multiplex) 된다. 이것은 컬러 휠들(colour wheels) 및 연관된 추가 비용들에 대한 요구를 제거한다. 에텐듀 값(E)은 아래의 수학식 1에 따라 계산된다.Another application area for high brightness LEDs is light engines for front projectors and rear projectors. Conventional High Intensity Discharge (HID) type projector light engines have always been hampered by low efficiency and short lifespan, which has led to sluggish adoption in consumer markets. In this particular application, the etendue value of the light source is required to be less than or equal to the etendue value of the microdisplay. This compatibility is very important to improve the overall system efficiency of the entire light projection engine. In addition, high total luminous outputs and low power consumption are also very important, especially in applications where large rear projection screens (greater than 50 inches) and front projection systems are required. Low power consumption is desirable to minimize thermal management issues. Light from a set of red, green and blue monochromatic LED light sources with small etendue values is multiplexed to produce a predetermined color in the projection system. This eliminates the need for color wheels and associated additional costs. The etendue value E is calculated according to Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112009038614814-PCT00001
Figure 112009038614814-PCT00001

여기서, E는 광원의 에텐듀이고, A는 발광 소자의 표면적이고, α는 광원의 반각이다. 그러므로, 프로젝션 어플리케이션들의 경우에, 발광원의 조준(collimation) 정도가 핵심적인 요소이고, 광원의 반각을 줄이는 것이 광엔진의 전체 효율을 크게 향상시키는 것을 알 수 있다. Here, E is etendue of the light source, A is the surface of the light emitting element, and α is the half angle of the light source. Therefore, in the case of projection applications, the degree of collimation of the light source is a key factor, and it can be seen that reducing the half angle of the light source greatly improves the overall efficiency of the light engine.

LED의 전체 효율은 세 가지 주된 요소들, 즉, 내부 양자 효율, 주입 효율 및 추출 효율에 의해 정량화될 수 있다. LED로부터의 광 추출 효율을 감소시키는 주된 제한 요소들 중 하나는, 방출된 광자들의 총 내부 전반사와, LED를 형성하는 고 굴절률의 에피(epi) 물질내에 광자들이 트랩핑(trapping)되는 현상이다. 이러한 트랩핑된 도파 모드들은, 그것들이 산란되거나 재 흡수될 때까지 LED 구조 내에서 전파된다. LED 구조의 두께는 지지될(supported) 수 있는 모드들의 개수를 결정한다.The overall efficiency of an LED can be quantified by three main factors: internal quantum efficiency, implantation efficiency and extraction efficiency. One of the major limitations in reducing light extraction efficiency from LEDs is the total internal reflection of the emitted photons and the trapping of photons in the high refractive index epi material forming the LED. These trapped waveguide modes propagate within the LED structure until they are scattered or reabsorbed. The thickness of the LED structure determines the number of modes that can be supported.

미국 특허 등록 번호 제5,779,924호 및 제5,955,749호는 에피 구조를 통해 광이 전파하는 경로에 영향을 주는, LED의 반도체 층들 상에 정의된 광 결정 패턴들의 이용을 개시한다. 형성된 광 밴드 구조는 트랩(trapped) 모드들이 외부로 추출되는 것을 허용하고, 그리하여, LED의 추출 효율, 그리고 궁극적으로는 총 외부 효율을 향상시킨다. LED에서 광 결정 구조들의 이용은 다른 광 추출 기술들에 비해 유익한데, 이는 그것들이 LED의 활성 표면 면적에 따라 비례적으로 적용될 수 있고, 그리하여 넓은 면적의 고 휘도 LED 다이(die)에 대한 광 추출을 향상시키는 이상적인 수단을 제공하기 때문이다. 절대적인(absolute) 광 출력이 요구되는 고체 상태의 조명 어플리케이션들의 경우에 LED 사이즈의 스케일링 특성은 중요하다. 그러나, 이러한 많은 광 결정 LED들에 대한 총 광 추출은, 많은 종래의 표면을 거칠게 한(surface-roughened) LED들만큼 높지는 않다.US Patent Nos. 5,779,924 and 5,955,749 disclose the use of photonic crystal patterns defined on semiconductor layers of LEDs that affect the path of light propagation through the epi structure. The formed optical band structure allows the trapped modes to be extracted outward, thereby improving the extraction efficiency of the LED, and ultimately the total external efficiency. The use of photonic crystal structures in LEDs is beneficial over other light extraction techniques, where they can be applied proportionally depending on the active surface area of the LED, and thus light extraction for large area high brightness LED dies. This is because it provides an ideal means to improve. In solid state lighting applications where absolute light output is required, the scaling characteristics of the LED size are important. However, total light extraction for many of these photonic crystal LEDs is not as high as many conventional surface-roughened LEDs.

미국 특허 등록 번호 제6,831,302호 및 미국 특허 출원 공개 번호 제2005/0285132호는 갈륨 나이트라이드(GaN)계 물질들을 이용하여 광 결정 구조들을 가진 발광 다이오드들을 제조하는 공정들을 개시한다. 상기 두 경우에서, 공정은 궁극적으로 LED 웨이퍼들의 수율과 비용에 영향을 주는, 많은 복잡하고 비용이 많이 드는 단계들을 포함한다. 구체적으로, 미국 특허 등록 번호 제6,831,302호는 격자 정합된(lattice matched) 단 결정 웨이퍼 상에 n-GaN 층, 활성 양자 우물(quantum well, QW) 영역 및 p-GaN 층을 성장시키는 단계, 이어서 상부면 상의 서브 마운트 또는 기판의 공융 접합(eutectic bonding) 단계, 웨이퍼를 플립핑(flipping)하는 단계, (레이저 리프트 오프(lift-off)와 같은 기술을 이용하여) 성장 웨이퍼로부터 리프트 오프하는 단계, 광학적으로 부드러운 표면을 제공하기 위해 (화학적 기계적 연마와 같은 공정을 이용하여) 표면을 연마하는 단계, (나노-임프린팅(nano-imprinting), 리소그래피(lithography), 또는 홀로그래피(holography)와 같은 공정에 의해) 표면 상에 광 결정 패턴을 정의하는 단계, 및 GaN의 적절한 건식 식각(예를 들어, RIE 또는 ICP) 또는 습식 식각을 이용하여 최종적으로 광 결정 패턴을 GaN 물질로 전달하는 단계를 포함하는 제조 공정을 개시한다.US Patent No. 6,831,302 and US Patent Application Publication No. 2005/0285132 disclose processes for manufacturing light emitting diodes with photonic crystal structures using gallium nitride (GaN) based materials. In both cases, the process includes many complex and expensive steps that ultimately affect the yield and cost of LED wafers. Specifically, US Pat. No. 6,831,302 discloses growing an n-GaN layer, an active quantum well (QW) region and a p-GaN layer on a lattice matched single crystal wafer, followed by Eutectic bonding of the sub-mount or substrate on the surface, flipping the wafer, lifting off from the growth wafer (using techniques such as laser lift-off), optical Polishing the surface (using a process such as chemical mechanical polishing) to provide a smooth surface, by a process such as nano-imprinting, lithography, or holography. ) Defining the photonic crystal pattern on the surface, and finally transferring the photonic crystal pattern to the GaN material using a suitable dry etching (eg RIE or ICP) or wet etching of GaN. It discloses a manufacturing process including the step of.

상기 포함된 복잡한 공정 단계들 중 하나는 웨이퍼들의 연마 단계인데, 이러한 웨이퍼들의 연마는 전체 웨이퍼에 걸쳐서 표면 품질을 제어하기 어렵기 때문에 수율에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 표면 도처의 작은 스크래치들은 LED 웨이퍼의 전역에 퍼지는 전류에 영향을 끼칠 수 있고, 결국 완성된 LED를 단락시키거나 순방향 전압에 부정적인 영향을 끼치는 경로를 제공할 수 있다. 또한, GaN 에피 구조의 두께는 광 결정 추출 패턴의 효과적인 설계에 중요하다. 높은 굴절률은 높은(highly) 멀티모드 도파처럼 작용함으로써, 두께가 LED 헤테로 구조(heterostructure)에 존재하는 모드들의 개수를 결정한다. 연마 공정을 이용함에 따라 LED 구조의 절대 두께에 걸쳐 불충분한 제어라는 결과를 낳고, 이는 결국 하나의 공정 배치(batch)에서 또 다른 공정 배치까지 LED 웨이퍼들의 전체 산출물에 영향을 준다. One of the complex process steps involved is the polishing of the wafers, which can negatively affect the yield since it is difficult to control the surface quality over the entire wafer. Small scratches all over the surface can affect the current spreading across the LED wafer, which in turn can provide a path that shorts the finished LED or negatively affects the forward voltage. In addition, the thickness of the GaN epi structure is important for the effective design of the photonic crystal extraction pattern. The high index of refraction acts like a highly multimode waveguide, whereby the thickness determines the number of modes present in the LED heterostructure. Using a polishing process results in insufficient control over the absolute thickness of the LED structure, which in turn affects the overall output of the LED wafers from one process batch to another.

또 다른 복잡한 제조 단계는, 작은 스케일의 일차(first-order) 광 결정 특징물들(features)을, 특징물들의 피치(pitch)에 대해 300nm에서 500nm의 범위로, 그리고, 홀(hole) 특징물들의 직경에 대해 200nm에서 400nm의 범위로 한정하는 단계이다. 이러한 패턴들은 현재 나노-임프린팅 또는 홀로그래피를 이용하여 한정된다. 전자의 기술은 LED 웨이퍼들 상의 이러한 작은 스케일의 특징물들에 대하여 현재 증명된 기술이 아니고, 단지 낮은 수율들이 달성된다. 또한, 이러한 기술은 적은 제조량들에 대한 높은 비용으로 인한 문제를 가진다. 후자의 리소그래피 기술은 복잡한 정렬과 안정성뿐 아니라 소량으로 인한 문제를 가진다.Another complex manufacturing step involves small scale first-order photonic crystal features in the range of 300 nm to 500 nm with respect to the pitch of the features, and of the hole features. It is a step of defining in the range of 200nm to 400nm with respect to the diameter. Such patterns are currently defined using nano-imprinting or holography. The former technique is not currently proven for such small scale features on LED wafers, only low yields are achieved. In addition, this technique has a problem due to the high cost for low production quantities. The latter lithography technique has problems due to complex alignment and stability as well as small amounts.

그러므로, 종래의 표면이 거칠어진 LED 소자 또는 광 결정 LED 소자보다 우수하게 작동하고, 단순하고 비용 효율이 높은 방식으로 제조될 수 있는 새로운 타입의 표면 패터닝된(patterned) LED에 대한 요구가 있다.Therefore, there is a need for a new type of surface patterned LED that works better than conventional roughened LED devices or photonic crystal LED devices and can be manufactured in a simple and cost effective manner.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 발광 소자(LED)는 제1 형의 도핑(doping)을 가진 제1 반도체 물질을 포함하는 제1 층; 제2 형의 도핑을 가진 제2 반도체 물질을 포함하는 제2 층; 및 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 배치된 광 발생 층을 포함하고, 상기 제1 층은 상기 광 발생 층에서 먼(distal) 상부면 및 상기 광 발생 층에 가까운 하부면을 가지고, 상기 광 발생 층에서 발생된 광은 상기 제1 층의 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오고, 상기 제1 층은, 상기 제1 반도체 물질과는 다른 굴절률을 가진 물질로 둘러싸였으며, 상기 상부면으로부터 돌출되고 상기 제1 반도체 물질로 이루어진 피라미드형 또는 절두형(frustro) 피라미드형 돌출부들(protrusions)의 타일링(tiling) 배치를 더 포함하며, 상기 돌출부들의 타일링 배치와 주변 물질은 광 밴드 구조를 포함하고, 상기 돌출부들과 이들의 타일링 배치는, 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는 광이 램버시안(Lambertian) 광원으로부터 나오는 광보다 실질적으로 더욱 방향성을 갖도록 구성된다.According to a first aspect of the invention, a light emitting device (LED) comprises a first layer comprising a first semiconductor material with a doping of a first type; A second layer comprising a second semiconductor material with a doping of a second type; And a light generating layer disposed between the first layer and the second layer, the first layer having a top surface distal from the light generating layer and a bottom surface close to the light generating layer, Light generated in the light generating layer emerges from the LED structure through the top surface of the first layer, and the first layer is surrounded by a material having a refractive index different from that of the first semiconductor material and from the top surface. And further comprising a tiling arrangement of protruding pyramidal or frustro pyramidal protrusions made of the first semiconductor material, wherein the tiling arrangement of the protrusions and the surrounding material comprise a light band structure; The protrusions and their tiling arrangement are substantially more directional than light exiting the LED structure through the top surface from the Lambertian light source. It is configured to have.

본 발명의 제2 양상에 따르면, 발광 소자(LED)는 제1 형의 도핑을 가진 제1 반도체 물질을 포함하는 제1 층; 제2 형의 도핑을 가진 제2 반도체 물질을 포함하는 제2 층; 및 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 배치된 광 발생 층을 포함하고, 상기 제1 층은 상기 광 발생 층에서 먼 상부면 및 상기 광 발생층에 가까운 하부면을 가지고, 상기 광 발생 층에서 발생된 광은 상기 제1 층의 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오고, 상기 제1 층은, 상기 상부면에서 상기 광 발생 층을 향하여 연장되고 상기 제1 반도체 물질과는 다른 굴절률을 가진 물질을 포함하는, 상기 제1 반도체 물질 내의 역피라미드형 또는 절두형 역피라미드형 오목부들(indentations)의 타일링 배치를 더 포함하며, 상기 오목부들의 타일링 배치와 주변의 제1 반도체 물질은 광 밴드 구조를 포함하고, 상기 오목부들과 이들의 타일링 배치는, 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는 광이 램버시안 광원으로부터 나오는 광보다 실질적으로 더욱 방향성을 갖도록 구성된다.According to a second aspect of the invention, a light emitting device (LED) comprises: a first layer comprising a first semiconductor material with a doping of a first type; A second layer comprising a second semiconductor material with a doping of a second type; And a light generating layer disposed between the first layer and the second layer, the first layer having a top surface far from the light generating layer and a bottom surface close to the light generating layer, wherein the light generating layer Light emitted from the LED structure through the top surface of the first layer, wherein the first layer extends from the top surface toward the light generating layer and has a different refractive index than the first semiconductor material And further comprising a tiling arrangement of inverted pyramidal or truncated inverted pyramidal indentations in the first semiconductor material, wherein the tiling arrangement of the recesses and the surrounding first semiconductor material comprise a light band structure. Wherein the recesses and their tiling arrangement are substantially more directional than light exiting from the LED structure through the top surface than light exiting from a Lambertian light source. Have to be configured.

램버시안 광원은 단위 입체각 당, 어떠한 방향에서도 그 방향과 광이 방출되는 표면에 대한 법선 사이의 각도의 코사인에 비례하는 광속(luminous flux)을 방출한다. 이것은 구형 분포를 가진 균일한 발광을 이끈다. 본 발명에 따른 구조를 포함하는 발광 소자는 방출된 광의 강화된 방향성과, 상기 소자에 의해 발생된 광이 방출된 빔으로 커플링되는 효율에서의 향상을 결합시킨다. 이것은 피라미드형 또는 절두형 피라미드형 표면 돌출부들, 또는 역피라미드형 또는 절두형 역피라미드형 오목부들의 혁신적인 타일링 배치를 통해 얻어진다. Lambertian light sources emit luminous flux per unit solid angle that is proportional to the cosine of the angle between that direction and the normal to the surface from which light is emitted. This leads to uniform light emission with a spherical distribution. The light emitting device comprising the structure according to the invention combines the enhanced directionality of the emitted light with the improvement in the efficiency with which the light generated by the device is coupled to the emitted beam. This is achieved through an innovative tiling arrangement of pyramidal or truncated pyramidal surface protrusions, or inverted pyramidal or truncated inverted pyramidal recesses.

광 타일링 배치들의 세 가지 주요 종류들인, 단거리 및 장거리 질서를 가진 광 결정들, 단거리 이행 무질서지만 장거리 질서를 가진 광 준결정들, 단거리 간격 질서지만 장거리 무질서를 가진 비정질 타일링 배치가 바람직하다. 비정질의 경우에, 인접한 피라미드형 영역 사이의 간격은 고정되는 반면, 회전 대칭은 무작위화된다. Three main types of light tiling arrangements are photonic crystals with short range and long range order, photonic crystals with short range transitional disorder but long range order, and amorphous tiling arrangements with short range spacing order but long range disorder. In the case of amorphous, the spacing between adjacent pyramidal regions is fixed, while rotational symmetry is randomized.

본 발명에서, 종래의 일차 광 결정 패턴들과 비교할 때 향상된 광 추출을 제공하는 고차 피라미드형 또는 역피라미드형 광 결정 또는 준경정 패턴이 제안된다. 상기 광 결정의 신중한 디자인은 상기 소자에 의해 생성된 원거리장 광 패턴의 맞춤화를 허용한다. 구체적으로, 경사각 측벽들을 가진, 피라미드 형태의 돌출부들 또는 역피라미드 형태의 오목부들 및 그것들의 잘 정의된 타일링 배치는, 큰 격자 상수들(>1μm)를 가진 패턴들에 대해서도, 램버시안 광원에서 나오는 광보다 더 많이 평행하게 된 빔의 형태로 상기 LED로부터 광을 추출할 수 있다. In the present invention, higher order pyramidal or inverted pyramidal photonic crystals or quasi-crystalline patterns are proposed that provide improved light extraction as compared to conventional primary photonic crystal patterns. Careful design of the photonic crystal allows customization of the far-field light pattern produced by the device. Specifically, pyramidal protrusions or inverted pyramid-shaped recesses and their well-defined tiling arrangement with inclined angular sidewalls are obtained from the Lambertian light source, even for patterns with large lattice constants (> 1 μm). Light can be extracted from the LED in the form of a beam that is more parallel than the light.

바람직하게는, 상기 피라미드형 돌출부들 또는 역피라미드형 오목부들은 1.0μm보다 큰 사이즈를 가진다. 그러나, 그것들은 1.5μm 또는 2.0μm보다 큰 사이즈 또는 2.5μm보다 큰 사이즈를 가질 수 있다. 상대적으로 큰 피라미드 또는 역피라미드 사이즈들은 제조 공차들(tolerances)을 완화하고, 상기 피라미드형 돌출부들 또는 역피라미드형 오목부들의 형성에 앞서 표면 연마가 필요하지 않다는 점을 또한 의미하는데, 이것은 그것들은 치수들이 남아있는 표면 거칠기보다 충분히 크기 때문이다.Preferably, the pyramidal protrusions or inverted pyramidal recesses have a size greater than 1.0 μm. However, they may have a size larger than 1.5 μm or 2.0 μm or larger than 2.5 μm. Relatively large pyramid or inverted pyramid sizes alleviate manufacturing tolerances and also mean that no surface polishing is required prior to the formation of the pyramidal protrusions or inverted pyramidal indents, which are dimensions This is because they are larger than the remaining surface roughness.

더욱이, 상기 타일링 배치의 피치는 1.5μm보다 크지만, 피치는 2.0μm 또는 2.5μm보다 사이즈가 클 수 있고, 또는 3.0μm보다 사이즈가 클 수 있다.Moreover, the pitch of the tiling arrangement is greater than 1.5 μm, but the pitch may be larger than 2.0 μm or 2.5 μm, or larger than 3.0 μm.

많은 어플리케이션들의 경우에, 상기 돌출부들 또는 오목부들은, 광의 상당한 비율(>35%)이 수직 축에 대하여 30°반각을 가진 중앙 원뿔 내에서 추출되도록 구성되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 37%, 38% 또는 40% 이상이 중앙 원뿔에서 추출된다. 이것은, 프로젝션 어플리케이션들용 광원들로 종종 이용되는 좁게 연장된 광 통로들 안으로 광을 효율적이고 균일하게 커플링하는 것을 가능하게 한다.In many applications, the protrusions or recesses are preferably configured such that a significant proportion (> 35%) of light is extracted in the central cone with a 30 ° half angle with respect to the vertical axis. Preferably at least 37%, 38% or 40% is extracted from the central cone. This makes it possible to efficiently and uniformly couple light into narrowly extending light paths which are often used as light sources for projection applications.

다른 실시예에서, 상기 피라미드들 또는 역피라미드들 및 상기 타일링 패턴은, 광이 측면 방출 방식으로, 이것보다 큰 각도들에서 두드러지게 추출되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광은 좁은 중앙 원뿔 내부보다는, 수직 축 주변에서 평행하게 된 링 또는 도넛 형상의 분포로 방출될 수 있다. 이 경우에, 상기 분포는 수직에 대하여 30°, 40°, 50°, 또는 60° 보다 크거나 동일한 각도들에서 중심을 가질 수 있고, 또는 표면에 대하여 60°, 50°, 40°, 또는 30° 보다 작거나 동일한 각도들에서도 이와 같다.In another embodiment, the pyramids or inverted pyramids and the tiling pattern can be configured such that the light is prominently extracted at angles greater than this, in a lateral emission manner. For example, light may be emitted in a ring or donut-shaped distribution that becomes parallel around the vertical axis, rather than inside a narrow central cone. In this case, the distribution may be centered at angles greater than or equal to 30 °, 40 °, 50 °, or 60 ° with respect to the vertical, or 60 °, 50 °, 40 °, or 30 with respect to the surface. The same is true for angles less than or equal to °.

상기 제1 형의 도핑을 가진 상기 제1 반도체 물질은 n형으로 도핑되거나 p형으로 도핑될 수 있고, 이 경우에 상기 제2 형의 도핑을 가진 상기 제2 반도체 물질은 각각 p형으로 도핑되거나 n형으로 도핑될 것이다.The first semiconductor material with the doping of the first type may be doped with n-type or p-type, in which case the second semiconductor material with the doping of the second type is each doped with p-type or will be doped n-type.

상기 제1 층은 상기 제1 반도체 물질에서 소정의 깊이에 개재된 식각 저지 물질 층을 포함할 수 있고, 이 경우에 상기 제1 반도체 물질로 형성된 상기 돌출부들은 상기 식각 저지 물질 층의 표면으로부터 연장될 것이고, 상기 역피라미드형 오목부들은 상기 식각 저지 물질 층까지 아래로 연장될 것이다.The first layer may comprise a layer of etch stop material interposed at a predetermined depth in the first semiconductor material, in which case the protrusions formed of the first semiconductor material may extend from a surface of the etch stop material layer. And the inverted pyramidal recesses will extend down to the etch stop material layer.

구체적으로 바람직한 실시예에서, 상기 제1 반도체 물질은 n형으로 도핑된 GaN 또는 InGaN을 포함하고, 상기 제2 반도체 물질은 p형으로 도핑된 GaN 또는 InGaN을 포함한다. 상기 광 발생 층은 GaN-InGaN의 다중 양자 우물 구조를 포함하는 것이 바람직하다. 피라미드 직경들의 관점에서는, 고차 광 결정 치수들은 일반적으로 1.0μm에서 3.0μm의 범위이나, 이것은 파장, 원거리장 패턴, LED 두께 및 전체 GaN 헤테로 구조 내에서 상기 다중 양자 우물 구조의 위치를 포함하는 팩터들의 범위에 의존한다. 적절한 식각 저지 물질들은 AlGaN 및 InGaN을 포함한다.In a particularly preferred embodiment, the first semiconductor material comprises GaN or InGaN doped with n-type, and the second semiconductor material includes GaN or InGaN doped with p-type. The light generating layer preferably comprises a multi-quantum well structure of GaN-InGaN. In terms of pyramid diameters, higher order photonic crystal dimensions generally range from 1.0 μm to 3.0 μm, but this is due to factors including wavelength, far field pattern, LED thickness, and location of the multiple quantum well structure within the entire GaN heterostructure. Depends on the scope Suitable etch stop materials include AlGaN and InGaN.

광 추출을 향상시키기 위해서는, 상기 LED는, 상기 제1 층의 상부 추출 표면으로부터 멀어지는 쪽으로 전파하는 광을 반사하기 위한 광학 반사물을 더 포함하는 것이 바람직하며, 이런 방법이 아니라면 상기 광을 추출되지 않을 것이다. 상기 광학 반사물은, 상기 제2 층이 상기 광 발생 층과 상기 반사물 사이에 위치하도록 상기 제2 반도체 물질의 상기 제2 층에 인접하게 배치된다.In order to improve light extraction, the LED further comprises an optical reflector for reflecting light propagating away from the top extraction surface of the first layer, which otherwise would not be extracted. will be. The optical reflector is disposed adjacent to the second layer of the second semiconductor material such that the second layer is positioned between the light generating layer and the reflector.

바람직하게는, 상기 광학 반사물은 금속 물질의 단일 층을 포함하고, 또는 이것은 다중층 유전 구조를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 광학 반사물은 분산 브래그 반사물(distributed Bragg reflector, DBR) 또는 전방향성 반사물(omni-directional reflector, ODR)을 포함할 수 있다.Preferably, the optical reflector comprises a single layer of metallic material, or it may comprise a multilayer dielectric structure. In another embodiment, the optical reflector may comprise a distributed Bragg reflector (DBR) or an omni-directional reflector (ODR).

바람직하게는, 상기 광 발생 층과 상기 광학 반사물 사이의 이격 거리는, 상기 제1 층의 상기 상부면을 향하여 전파되는 발생된 광의 양을 향상시키는 마이크로 캐비티를 포함하기 위한 것이다. 상기 마이크로 캐비티 효과는 상기 광학 반사물에서 단순한 반사에 의해 제공된 것 이상으로 추출 효율에서 훨씬 큰 향상을 가져온다. 최적의 간격은 상기 광 발생 층에서 생성된 광의 파장의 0.5배에서 0.7배 사이이다. 마이크로 캐비티가 존재하는 경우, 상기 피라미드형 돌출부들 또는 상기 역피라미드형 오목부들 및 그것들의 타일링 배치는 상기 마이크로 캐비티 효과와 최적으로 협력하여, 상기 LED로부터의 광 추출의 효율을 향상시키도록 구성된다.Preferably, the separation distance between the light generating layer and the optical reflector is to include a micro cavity which enhances the amount of generated light propagating towards the top surface of the first layer. The micro cavity effect results in a much greater improvement in extraction efficiency than provided by simple reflections in the optical reflector. The optimum spacing is between 0.5 and 0.7 times the wavelength of light generated in the light generating layer. If there is a micro cavity, the pyramidal protrusions or the inverted pyramidal recesses and their tiling arrangement are configured to optimally cooperate with the micro cavity effect, to improve the efficiency of light extraction from the LED.

본 발명의 제3 양상에 따르면, 광학 프로젝터 유닛용 광 엔진은 상기 제1 또는 제2 양상에 따른 복수의 발광 소자들을 포함한다. 상술된 발광 소자는 특히, 전면 프로젝터 및 후면 프로젝터용 광 엔진을 포함하는, 고체 상태의 광원들의 어플리케이션에 적합하다. According to a third aspect of the invention, an optical engine for an optical projector unit comprises a plurality of light emitting elements according to the first or second aspect. The above-described light emitting element is particularly suitable for the application of solid state light sources, including light engines for front projectors and rear projectors.

본 발명의 제4 양상에 따르면, 상기 제1 양상에 따른 발광 소자의 제조 방법은: 제1 형의 도핑을 가지는 제1 반도체 물질을 포함하는 제1 층, 제2 형의 도핑을 가지는 제2 반도체 물질을 포함하는 제2 층, 및 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 배치된 광 발생 층을 포함하고, 상기 제1 층은 상기 광 발생 층에서 먼 상부면 및 상기 광 발생 층에 가까운 하부면을 가지고, 상기 광 발생 층에서 발생된 광은 상기 제1 층의 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는, 발광 소자 헤테로 구조를 제공하는 단계; 소정의 타일링 배치에 대응하는 위치들에서 마스크 물질의 아일랜드들(islands)을 포함하는 식각 마스크를 상기 제1 층 상에 형성하는 단계로서, 상기 제1 층의 상부에 포토 레지스트 층을 증착하는 단계, 상기 소정의 타일링 배치에 따라 노출시킴으로써 상기 포로 레지스트 층을 패터닝하는 단계, 및 상기 소정의 타일링 배치에 대응하는 위치들에서 포토 레지스트의 아일랜드들을 남길 수 있도록, 노출되지 않은 포토 레지스트를 제거하는 단계를 포함하는, 상기 식각 마스크를 상기 제1 층 상에 형성하는 단계; 소정의 결정 평면들을 따라 소정의 깊이까지 상기 제1 반도체 물질을 이방성 습식 식각하여, 상기 마스크 물질의 아일랜드들의 바로 아래의 위치들에서 상기 제1 층의 상기 제1 반도체 물질의 피라미드형 또는 절두형 피라미드형 돌출부들을 형성하는 단계; 및 다른 굴절률을 가진 주변 물질과 결합하여 소정의 광 밴드 구조를 포함하는, 상기 피라미드형 또는 절두형 피라미드형 돌출부들의 상기 소정의 타일링 배치를 남길 수 있도록, 상기 마스크 물질의 아일랜드들을 제거하는 단계를 포함한다.According to a fourth aspect of the present invention, a method of manufacturing a light emitting device according to the first aspect comprises: a first layer comprising a first semiconductor material having a doping of a first type, a second semiconductor having a doping of a second type A second layer comprising a material, and a light generating layer disposed between the first layer and the second layer, the first layer being a top surface far from the light generating layer and a lower portion near the light generating layer Providing a light emitting element heterostructure having a plane, wherein light generated in the light generating layer exits the LED structure through the top surface of the first layer; Forming an etch mask on the first layer, wherein the etching mask comprises islands of mask material at locations corresponding to a predetermined tiling arrangement, depositing a photoresist layer on top of the first layer, Patterning the captive resist layer by exposing according to the predetermined tiling arrangement, and removing the unexposed photo resist to leave islands of photoresist at locations corresponding to the predetermined tiling arrangement. Forming the etch mask on the first layer; Anisotropic wet etch the first semiconductor material to a predetermined depth along predetermined crystal planes, such that a pyramidal or truncated pyramid of the first semiconductor material of the first layer at locations immediately below the islands of the mask material Forming shaped protrusions; And removing islands of the mask material to leave the predetermined tiling arrangement of the pyramidal or truncated pyramidal protrusions, including a predetermined optical band structure in combination with a peripheral material having a different refractive index. do.

본 발명의 제5 양상에 따르면, 상기 제2 양상에 따른 발광 소자의 제조 방법은: 제1 형의 도핑을 가진 제1 반도체 물질을 포함하는 제1 층, 제2 형의 도핑을 가진 제2 반도체 물질을 포함하는 제2 층, 및 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 배치된 광 발생 층을 포함하고, 상기 제1 층은 상기 광 발생 층에서 먼 상부면 및 상기 광 발생 층에 가까운 하부면을 가지고, 상기 광 발생 층에서 생성된 광은 상기 제1 층의 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는, 발광 소자 헤테로 구조를 제공하는 단계; 소정의 타일링 배치에 대응하는 위치들에서 소실되는 마스크 물질의 아일랜드들을 포함하는 식각 마스크를 상기 제1 층 상에 형성하는 단계로서, 상기 제1 층의 상부에 포토 레지스트 층을 증착하는 단계, 상기 소정의 타일링 배치에 따라 노출시킴으로써 상기 포토 레지스트를 패터닝하는 단계, 및 상기 소정의 타일링 배치에 대응하는 위치들에서 소실된 포토 레지스트의 아일랜드들 남길 수 있도록, 노출되지 않은 포토 레지스트를 제거하는 단계를 포함하는, 상기 식각 마스크를 상기 제1 층 상에 형성하는 단계; 소정의 결정 평면들을 따라 소정의 깊이까지 상기 제1 반도체 물질을 이방성 습식 식각하여, 상기 소실된 마스크 물질의 아일랜드들의 바로 아래의 위치들에서 상기 제1 층의 상기 제1 반도체 물질에 피라미드형 또는 절두형 피라미드형 오목부들을 형성하는 단계; 및 역피라미드형 또는 절두형 역피라미드형 오목부들의 상기 소정의 타일링 배치를 상기 제1 반도체 물질에 남길 수 있도록, 남아있는 마스크 물질을 제거하는 단계를 포함하고, 상기 오목부들은 상기 주변의 제1 반도체 물질과 다른 굴절률을 가진 물질를 포함하고, 광 밴드 구조를 함께 포함한다.According to a fifth aspect of the present invention, a method of manufacturing a light emitting device according to the second aspect includes: a first layer comprising a first semiconductor material having a doping of a first type, a second semiconductor having a doping of a second type A second layer comprising a material, and a light generating layer disposed between the first layer and the second layer, the first layer being a top surface far from the light generating layer and a lower portion near the light generating layer Providing a light emitting device heterostructure having a surface, wherein light generated in the light generating layer exits the LED structure through the top surface of the first layer; Forming an etch mask on the first layer, the etching mask comprising islands of mask material lost at locations corresponding to a predetermined tiling arrangement, depositing a photoresist layer on top of the first layer; Patterning the photoresist by exposing according to a tiling arrangement of the substrate, and removing the unexposed photoresist to leave islands of missing photoresist at locations corresponding to the predetermined tiling arrangement. Forming the etch mask on the first layer; Anisotropically wet etch the first semiconductor material to a predetermined depth along predetermined crystal planes to pyramid or cut the first semiconductor material of the first layer at locations just below the islands of the lost mask material. Forming two pyramidal recesses; And removing the remaining mask material to leave the predetermined tiling arrangement of inverted pyramidal or truncated inverted pyramidal recesses in the first semiconductor material, the recesses being in the peripheral first portion. It includes a material having a refractive index different from that of the semiconductor material, and includes an optical band structure together.

상기 발광 소자 헤테로 구조 자체는 플립 칩 공정들을 포함하는, 여하한 적절한 알려진 공정에 의해 제조될 수 있다.The light emitting device heterostructure itself may be manufactured by any suitable known process, including flip chip processes.

상기 포토 레지스트 층은 그 자체로 상기 마스크 층일 수 있고, 이 경우, 상기 마스크 물질의 아일랜드들은 상기 포토 레지스트의 아일랜드들이다. UV 리소그래프를 포함하여, 노출에 의해 상기 포토 레지스트를 패터닝하는 여하한 적절한 공정이 이용될 것이다. 상기 노출된 포토 레지스트는 적절한 현상제(developer)를 이용하여 제거되고, 상기 남아있는 노출된 포토 레지스트의 아일랜드들은 스트립핑(stripping)에 의해 제거된다. KOH, NaOH 또는 H3PO4의 용액을 포함하는, 다양한 종류의 식각액들이 이방성 습식 식각을 위해 이용될 수 있다.The photoresist layer may itself be the mask layer, in which case the islands of the mask material are the islands of the photoresist. Any suitable process for patterning the photoresist by exposure, including UV lithography, will be used. The exposed photoresist is removed using a suitable developer, and the islands of the remaining exposed photoresist are removed by stripping. Various kinds of etchants, including solutions of KOH, NaOH or H 3 PO 4 , can be used for anisotropic wet etching.

다른 실시예에서, 상기 이방성 습식 식각에 대한 내식성(etch-resistant)이 있는 더 두꺼운 마스크 물질이 이용될 수 있다. 이 경우에, 추가적인 공정 단계들이 필요하다.In other embodiments, thicker mask materials that are etch-resistant to the anisotropic wet etch may be used. In this case, additional process steps are needed.

상기 제4 양상의 방법에서, 상기 식각 마스크를 형성하는 단계는: 상기 포토 레지스트 층을 증착하는 단계 이전에 상기 제1 층의 상부에 하드 마스크 물질 층을 증착하는 단계; 상기 포토 레지스트의 아일랜드들의 바로 아래에 하드 마스크 물질의 아일랜드들을 남길 수 있도록, 상기 포토 레지스트를 제거하는 단계 이후에 하드 마스크 물질을 제거하는 단계; 및 상기 소정의 타일링 배치에 대응하는 위치들에서 상기 하드 마스크 물질의 아일랜드들을 포함하는 상기 식각 마스크를 남길 수 있도록, 상기 남아있는 포토 레지스트의 아일랜드들을 제거하는 단계를 더 포함한다.In the method of the fourth aspect, forming the etch mask comprises: depositing a hard mask material layer on top of the first layer prior to depositing the photoresist layer; Removing the hard mask material after removing the photo resist to leave islands of hard mask material directly below the islands of the photo resist; And removing the remaining islands of photoresist so as to leave the etch mask comprising islands of the hard mask material at locations corresponding to the predetermined tiling arrangement.

상기 제5 양상의 방법에서, 상기 식각 마스크를 형성하는 단계는: 상기 포토 레지스트 층을 증착하는 단계 이전에 상기 제1 층의 상부에 하드 마스크 물질 층을 증착하는 단계; 상기 소실된 포토 레지스트의 아일랜드들의 바로 아래에 소실된 하드 마스크 물질의 아일랜드들을 남길 수 있도록, 상기 포토 레지스트를 제거하는 단계 이후에 하드 마스크 물질을 제거하는 단계; 및 상기 소정의 타일링 배치에 대응되는 위치들에서 상기 소실된 하드 마스크 물질의 아일랜드들을 포함하는 상기 식각 마스크를 남길 수 있도록, 상기 남아있는 포토 레지스트 아일랜드들을 제거하는 단계를 더 포함한다.In the method of the fifth aspect, the forming of the etch mask comprises: depositing a hard mask material layer on top of the first layer prior to depositing the photoresist layer; Removing the hard mask material after removing the photo resist to leave islands of missing hard mask material directly below the islands of the missing photo resist; And removing the remaining photoresist islands so as to leave the etch mask including the islands of lost hard mask material at locations corresponding to the predetermined tiling arrangement.

적절한 하드 마스크 물질들은 PECVD에 의해 증착된 SiO2 또는 Si3N4 또는 스퍼터링이나 증발에 의해 증착된 금속을 포함한다. 상기 피라미드형 돌출부들이 형성되면, 상기 남아있는 하드 마스크 물질의 아일랜드들은 적절한 습식 또는 건식 식각 공정에 의해 제거된다. 이와 유사하게, 상기 역피라미드형 오목부들이 형성되면, 상기 아일랜드들을 둘러싸는 남아있는 하드 마스크 물질은 적절한 습식 또는 건식 식각 공정에 의해 제거된다.Suitable hard mask materials include SiO 2 or Si 3 N 4 deposited by PECVD or metal deposited by sputtering or evaporation. Once the pyramidal protrusions are formed, the islands of remaining hard mask material are removed by a suitable wet or dry etching process. Similarly, once the inverted pyramidal recesses are formed, the remaining hard mask material surrounding the islands is removed by a suitable wet or dry etching process.

상기 제4 양상의 방법에서, 상기 이방성 습식의 깊이는 절단형 피라미드형 또는 피라미드형 돌출부들이 형성되는지 여부 및 그것들의 사이즈를 결정할 것이다. 그러나, 상기 이방성 습식 깊이의 정확한 제어는, 식각 속도 및 식각 시간을 기반으로 하는 경우에는 어려울 것이다. 이와 유사하게, 상기 제5 양상의 방법에서, 상기 이방성 식각의 깊이는 상기 형성된 오목부들의 사이즈를 결정할 것이다. 또한, 상기 이방성 식각 깊이의 정확한 제어는, 식각 속도 및 식각 시간을 기반으로 하는 경우에는 어려울 것이다. 더욱이, 절단형 역피라미드형 오목부들을 형성하기 위하여, 식각 저지가 필요하다.In the method of the fourth aspect, the depth of the anisotropic wet will determine whether cut pyramidal or pyramidal protrusions are formed and their size. However, accurate control of the anisotropic wet depth will be difficult when based on the etching rate and the etching time. Similarly, in the method of the fifth aspect, the depth of the anisotropic etching will determine the size of the formed recesses. In addition, accurate control of the anisotropic etching depth will be difficult when based on the etching rate and the etching time. Moreover, in order to form cut inverted pyramidal recesses, an etch stop is required.

바람직하게는, 상기 발광 소자 헤테로 구조의 상기 제1 층은 상기 제1 반도체 물질에서 상기 소정의 깊이에 개재된 식각 저지 물질 층을 포함한다. 상기 제1 반도체 물질의 상기 이방성 식각은 그 후로, 상기 식각 저지 물질 층에 도달될 때까지 계속될 것이고, 이것은 상기 제조 방법의 더욱 큰 균일성과 반복성을 제공한다. 상기 제5 양상의 방법에서, 꼭대기가 평평한 역피라미드형 오목부 또는 절두형 피라미드형 오목부들의 형성을 또한 허용한다. Advantageously, said first layer of said light emitting device heterostructure comprises an etch stop material layer interposed at said predetermined depth in said first semiconductor material. The anisotropic etching of the first semiconductor material will then continue until reaching the etch stop material layer, which provides greater uniformity and repeatability of the manufacturing method. In the method of the fifth aspect, it also allows the formation of inverted pyramidal recesses or truncated pyramidal recesses with flat tops.

따라서, 본 발명은 광 결정 타입의 LED 구조의 간소화된 제조 방법을 제공하며, 여기서 저비용의 광 리소그래피 또는 이와 유사한 공정을 이용함으로써, 그리고 복잡한 연마 공정들에 대한 필요성 없이, 대형 특징물 광 결정에 대한 정의(definition)가 LED 상에 이송된다.Accordingly, the present invention provides a simplified method of manufacturing a photonic crystal type LED structure, wherein the use of low cost photolithography or similar processes, and for large feature photonic crystals, without the need for complex polishing processes Definitions are transferred on the LEDs.

본 발명의 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 이하에서 보다 상세하게 설명될 것이다.Embodiments of the present invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings.

도 1은 제안된 소자의 횡단면을 도시한다.1 shows a cross section of the proposed device.

도 2A는 정사각형 격자에 배치된 피라미드들을 도시한다.2A shows pyramids arranged in a square grid.

도 2B는 12겹(fold) 준결정(quasicrystal)에 배치된 피라미드들을 도시한다.2B shows the pyramids arranged in a twelve fold quasicrystal.

도 3은 거울 이격 거리에 대한 양자 우물의 함수로서 나타난 GaN LED의 정규화된 광도를 도시한다.3 shows the normalized luminosity of GaN LEDs as a function of quantum wells for mirror spacing.

도 4A에서 4D는 발광 소자를 제조하기 위한 플립(Flip) 칩 기반의 제조 공정을 나타낸다.4A illustrates a flip chip based manufacturing process for manufacturing a light emitting device.

도 4E에서 4I는 도 4D에 도시된 소자의 상부층의 피라미드형 광 결정 구조를 제조하기 위한 추가적인 제조 단계들을 나타낸다.4I in FIG. 4E shows additional fabrication steps for fabricating the pyramidal photonic crystal structure of the upper layer of the device shown in FIG. 4D.

도 5A는 패터닝되지 않은 소자와 비교하여 피라미드형 광 결정 LED에 대한 30° 원뿔에서 광 추출의 향상을 도시한다.5A shows the improvement in light extraction at the 30 ° cone for pyramidal photonic crystal LEDs compared to the unpatterned device.

도 5B는 패터닝되지 않은 소자와 비교하여 피라미드형 광 결정 LED에 대한 총 광 추출의 향상을 도시한다.5B shows the improvement in total light extraction for pyramidal photonic crystal LEDs compared to the unpatterned device.

도 5C는 서로 다른 피라미드형 광 결정 발광 소자들에 대하여 30° 원뿔에서 광의 비율을 도시한다.5C shows the ratio of light at a 30 ° cone for different pyramidal photonic crystal light emitting devices.

도 6A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 결정 LED 구조에 대한 원거리 장(far-field) 패턴을 도시한다.6A shows a far-field pattern for a photonic crystal LED structure according to a preferred embodiment of the present invention.

도 6B는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 광 결정 LED 구조에 대한 원거리장 패턴을 도시한다.Figure 6B shows a far field pattern for a photonic crystal LED structure according to another preferred embodiment of the present invention.

도 7A는 본 발명의 제조 방법을 이용하여 형성된 고립된 피라미드의 SEM 현미경사진을 도시한다.7A shows SEM micrographs of isolated pyramids formed using the manufacturing method of the present invention.

도 7B는 본 발명의 제조 방법을 이용하여 형성된 피라미드들의 광 준결정 배치의 SEM 현미경사진을 도시한다.7B shows SEM micrographs of photo quasicrystalline arrangements of pyramids formed using the manufacturing method of the present invention.

도 8A는 패터닝되지 않은 LED에 비교하였을 경우에, 종래의 광 결정 LED 및 마이크로 캐비티(micro-cavity)를 가지는 피라미드형 광 결정 LED 의 광 추출 향상 대비 광 결정 충전 분율(fill fraction)을 도시한 도면이다.FIG. 8A shows the light crystal fill fraction versus light extraction enhancement of conventional photonic crystal LEDs and pyramidal photonic crystal LEDs with micro-cavities when compared to non-patterned LEDs. FIG. to be.

도 8B는 마이크로 캐비티를 가지는 패터닝되지 않은 LED와 마이크로 캐비티를 가지지 않는 패터닝되지 않은 LED에 비교하였을 경우에, 피라미드형 광 결정 LED의 광 추출 향상 대비 광 결정 충전 분율을 도시한 도면이다.FIG. 8B shows the fraction of photonic crystal charges versus light extraction enhancement of pyramidal photonic crystal LEDs when compared to unpatterned LEDs with microcavities and unpatterned LEDs without microcavities.

도 9는 패터닝되지 않은 LED에 비교하였을 경우에, 피라미드형 광 결정 LED의 광 추출 향상 대비 LED 헤테로 구조 코어(core) 두께를 도시한 도면이다.FIG. 9 shows the thickness of the LED heterostructure core compared to the light extraction enhancement of the pyramidal photonic crystal LED when compared to the unpatterned LED.

도 10은 역(inverted) 피라미드형 소자의 횡단면을 도시한다.10 shows a cross section of an inverted pyramidal element.

도 11A에서 11D는 발광 소자를 제조하기 위한 플립 칩 기반의 제조 공정을 나타낸다.11A illustrates a flip chip based manufacturing process for manufacturing a light emitting device.

도 11E에서 11I 또는 11J는 도 11D에 도시된 소자의 상부층의 역피라미드형 또는 절두형의(truncated) 역피라미드형 광 결정 구조를 제조하기 위한 추가적인 제조 단계들을 나타낸다.11I or 11J in FIG. 11E represent additional fabrication steps for fabricating the inverted pyramid or truncated inverted pyramidal photonic crystal structure of the top layer of the device shown in FIG. 11D.

도 12A는 패터닝되지 않은 소자와 비교하였을 경우의, 피라미드형 광 결정 LED에 대한 30° 원뿔에서 광 추출의 향상을 도시한다.FIG. 12A shows the improvement in light extraction at a 30 ° cone for a pyramidal photonic crystal LED when compared to an unpatterned device.

도 12B는 패터닝되지 않은 소자와 비교하였을 경우의, 피라미드형 광 결정 LED에 대한 총 광 추출의 향상을 도시한다.12B shows the improvement in total light extraction for pyramidal photonic crystal LEDs as compared to the unpatterned device.

도 12C는 서로 다른 피라미드형 광 결정 발광 소자들에 대한 30° 원뿔에서 광의 비율을 도시한다.12C shows the ratio of light at a 30 ° cone for different pyramidal photonic crystal light emitting devices.

도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 결정 LED 구조에 대한 원거리장 패턴을 도시한다.13 shows a far-field pattern for a photonic crystal LED structure according to a preferred embodiment of the present invention.

도 14는 본 발명의 제조 방법을 이용하여 형성된 고립된 역피라미드의 SEM 현미경사진을 도시한다.14 shows SEM micrographs of isolated inverted pyramids formed using the preparation method of the present invention.

도 15A는 패터닝되지 않은 LED에 비교되었을 경우에, 종래의 광 결정 LED 및 마이크로 캐비티를 가지는 역피라미드형 광 결정 LED의 광 추출 향상 대비 광 결정 충전 분율의 도면이다.FIG. 15A is a plot of photonic crystal charge fraction vs. light extraction enhancement of conventional photonic crystal LEDs and inverse pyramid type photonic crystal LEDs with microcavities when compared to unpatterned LEDs.

도 15B는 마이크로 캐비티를 가지는 패터닝되지 않은 LED와 마이크로 캐비티를 가지지 않는 패터닝되지 않은 LED에 비교되었을 경우에, 역피라미드형 광 결정 LED의 광 추출 향상 대비 광 결정 충전 분율의 도면이다.FIG. 15B is a plot of photonic crystal charge fraction versus light extraction enhancement of an inverse pyramid type photonic crystal LED when compared to an unpatterned LED with a micro cavity and an unpatterned LED without a micro cavity. FIG.

본 발명의 목적은 향상된 광 추출뿐 아니라 발광 소자들로부터의 맞춤식(tailored) 원거리장 방출을 제공하는데 있다. 이러한 소자들은, InGaN, InGaP, InGaAs, InP 또는 ZnO를 포함하며 그렇지만 이에 한정되는 것은 아닌, 다양한 범위의 발광 반도체 물질을 사용할 수 있다. 본 명세서는 녹색 InGaN 발광 소자들에 구현된 방향성 광 추출 기술의 구현에 초점을 맞출 것이다. 그러나, 상기 디자인은 (청색 또는 UV와 같은) 다른 방출 파장들에 대하여서도, 이러한 물질뿐 아니라 적색 파장과 황색 파장에 적합한 InGaP와 같은 다른 물질 시스템들을 이용하여, 동등하게 최적화되거나 구현될 수 있다.It is an object of the present invention to provide tailored far-field emission from light emitting devices as well as improved light extraction. Such devices may use a wide range of light emitting semiconductor materials, including but not limited to InGaN, InGaP, InGaAs, InP or ZnO. The specification will focus on the implementation of the directional light extraction technology implemented in green InGaN light emitting devices. However, the design can be equally optimized or implemented for other emission wavelengths (such as blue or UV), as well as other material systems such as InGaP that are suitable for the red and yellow wavelengths as well.

본 발명의 바람직한 구현에서, 일차 광 결정 패턴들에 비해 증가된 광 추출을 제공하는 신규한 고차(high-order) 피라미드형 광 결정(photonic crystal, PC) 또는 준결정 패턴이 제안된다. 또한, 광 결정 디자인은 소자들에 의해 방출된 원거리장 광분포의 맞춤화를 허용한다. 광 결정 서브(sub) 영역들의 피라미드의 형태와 그것들의 잘 정의된 타일링(tiling) 배치는 램버시안 광원에서 나오는 광보다 더 많이 평행하게 된 빔의 형태로 상기 소자로부터 광이 추출되는 것을 가능하게 한다. 상기 소자를 제조하기 위한 단순화된 공정이 또한 상술될 것이다.In a preferred embodiment of the present invention, a novel high-order pyramidal photonic crystal (PC) or quasicrystalline pattern is proposed that provides increased light extraction compared to primary photonic crystal patterns. The photonic crystal design also allows customization of the far field light distribution emitted by the devices. The shape of the pyramid of the photonic crystal sub-regions and their well-defined tiling arrangement enable light to be extracted from the device in the form of a beam that is more parallel than the light from the Lambertian light source. . Simplified processes for manufacturing the device will also be described above.

피라미드 직경이라는 관점에서 볼 때, 고차 광 결정 치수들은 사이즈가 1.0 μm보다 큰데, 사이즈가 1.5 μm 또는 2.0μm 보다 클 수도 있고, 나아가 3.0 μm, 3.5 μm 그리고 4.0 μm까지 일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이러한 사이즈는 원거리장 패턴, LED 두께, 및 GaN 헤테로 구조의 광 발생 영역 내의 양자 우물들의 위치에 따라 변동한다. In terms of pyramid diameter, higher order photonic crystal dimensions may be larger than 1.0 μm in size, but may be larger than 1.5 μm or 2.0 μm and further up to 3.0 μm, 3.5 μm and 4.0 μm, but are not limited thereto. . This size varies with the far field pattern, the LED thickness, and the position of the quantum wells within the light generating region of the GaN heterostructure.

도 1은 제안된 발광 소자의 횡단면을 예시하는데, 상기 발광 소자는 주기적, 준결정적, 비정질 또는 다른 복잡하게 정렬되거나 반복되는 타일링 배치로, n형으 로 도핑된 GaN 또는 InGaN 층 밖으로 돌출된 피라미드들(101)을 포함한다. 피라미드형 타일링 배치는 트랩된 광이 광 결정의 블로치 모드들(Bloch modes) 안으로 커플링되게 하는 분산 밴드들을 제공할 수 있게 디자인된다. 광이 블로치 모드들로 커플링되면, 광 결정은 자유 공간으로 광을 커플링하는 수단을 제공한다.1 illustrates a cross-section of a proposed light emitting device, which is a periodic, quasi-crystalline, amorphous or other complexly aligned or repeated tiling arrangement, with pyramids protruding out of an n-doped GaN or InGaN layer. 101). The pyramidal tiling arrangement is designed to provide scattering bands that allow the trapped light to couple into the Bloch modes of the photonic crystal. If the light is coupled in bleach modes, the photonic crystal provides a means for coupling the light into free space.

도 1에 도시된 소자는 발광 헤테로 구조를 포함하는데, 상기 발광 헤테로 구조는 n-GaN 또는 InGaN 상부층(102)과 하부의 p형 GaN 또는 InGaN 층(104)를 포함하고, 다중 양자 우물(multiple quantum well, MQW) 구조(103)가 상기 층들 사이에 존재한다. p형 층(104)의 바로 아래에 반사물 층(105)이 존재하는데, 반사물 층(105)은 은과 같은 금속 반사물의 형태이거나 DBR 또는 전방향성 반사물(ODR)의 형태일 수 있다. 발광 구조는 캐리어 기판 즉, 마운트(106)에 의해 지지된다. 바람직한 실시예에서, 캐리어 기판은 금속 또는 금속 합금과 같은 높은 열전도성을 가진 전기 전도성 물질, 또는 대신에 실리콘 또는 실리콘 카바이드를 포함한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, AlGaN, InGaN과 같은 물질들로 형성되나 이러한 물질들에 한정되지 않는 식각 저지 층(107)이 존재하는데, 식각 저지 층(107)은 피라미드들의 깊이에 대한 정확한 조절을 가능하게 한다. 상기 층은 n형 층들(101, 102) 사이에 개재된다.The device shown in FIG. 1 comprises a light emitting heterostructure, which includes an n-GaN or InGaN top layer 102 and a bottom p-type GaN or InGaN layer 104 and a multiple quantum well. well, MQW) structure 103 is present between the layers. There is a reflector layer 105 directly below the p-type layer 104, which may be in the form of a metal reflector such as silver or in the form of a DBR or omni-directional reflector (ODR). The light emitting structure is supported by a carrier substrate, i. In a preferred embodiment, the carrier substrate comprises a highly thermally conductive electrically conductive material, such as a metal or metal alloy, or instead silicon or silicon carbide. In another preferred embodiment, there is an etch stop layer 107 formed of, but not limited to, materials such as AlGaN, InGaN, which allows precise control of the depth of the pyramids. Let's do it. The layer is sandwiched between n-type layers 101 and 102.

본 발명에서 바람직한 광 타일링 배치들의 세 가지 주요 종류들이 있는데, 이러한 주요 종류들에서 상기 배치들은 이하의 특성들, 즉, 단거리 및 장거리 질서를 가진, 광 결정들 타일링 배치; 단거리 이행(translation) 무질서지만 장거리 질서를 가진, 준결정들 타일링 배치; 및 단거리 간격 질서와 장거리 무질서를 가진, 비정질 타일링 배치를 가진다. 비정질 배치의 경우에, 인접한 피라미드형 영역과 역피라미드형 영역 사이의 간격은 고정되는 반면, 회전 대칭은 무작위화된다. There are three main kinds of optical tiling arrangements preferred in the present invention, in which the arrangements comprise photonic crystal tiling arrangements having the following characteristics: short range and long range order; Quasi-crystals tiling placement, with short-range translation disorder but long-range order; And an amorphous tiling arrangement, with short-range spacing order and long-range disorder. In the case of an amorphous arrangement, the spacing between adjacent pyramidal and inverted pyramidal regions is fixed, while rotational symmetry is randomized.

이러한 종류들의 패터닝은 또한 상술된 타일링 배치들로 구성된, 반복되는 셀(cell)들을 포함할 수 있다. 또한, 그것들은 결함들을 가진 영역들, 다시 말해, 피라미드들과 역피라미드들이 제거되었거나, 피라미드들의 형태나 사이즈가 변형된 영역들을 포함할 수 있다. 서브 영역들은 또한 식각되지 않은 날카로운 정점(apex) 영역들을 가진 피라미드들을 포함할 수 있는데, 이는 꼭대기가 평평한(flat-top)(절두형(frustro)) 피라미드들을 초래한다. This kind of patterning may also include repeated cells, composed of the tiling arrangements described above. They may also include areas with defects, ie areas where pyramids and inverted pyramids have been removed or where the shape or size of the pyramids has been modified. Sub-regions may also include pyramids with sharp apex regions that are not etched, resulting in flat-top (frustro) pyramids.

이러한 패터닝은 수많은 파라미터들로 특징 지워질 수 있는데, 상기 파라미터들은 두 개의 인접한 피라미드들 또는 역피라미드들의 중심들이 서로 떨어져 있는 거리로 정의되는 격자의 피치(a), 및 피라미드의 결정학적으로 노출된 표면과 GaN 격자의 수평 결정 평면 사이에 형성되는 각도(θ)를 포함한다. 본 발명의 일 양상에서, 식각 저지 층(107)은 식각 깊이를 제어하기 위해 이용된다. 이것은 바닥(base)에서 피라미드 직경의 정확한 제어를 가능하게 한다. 소정의 식각 깊이(d)에 대한 피라미드들의 바닥의 직경(φ)은 다음의 수학식 2와 같다.This patterning can be characterized by a number of parameters, the parameters of which are defined by the distance (a) of the lattice defined by the distance between the centers of two adjacent pyramids or inverted pyramids, and the crystallographically exposed surface of the pyramid. An angle θ formed between the horizontal crystal planes of the GaN lattice. In one aspect of the invention, etch stop layer 107 is used to control the etch depth. This allows precise control of the pyramid diameter at the base. The diameter? Of the bottom of the pyramids for the predetermined etch depth d is given by Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112009038614814-PCT00002
Figure 112009038614814-PCT00002

본 발명의 주된 양상들 중 하나는 결정학적으로 정렬된 대형 특징물들을 이용하여 최대 패턴 재현 정확도뿐 아니라 완화된 위치 정확도를 제공하는 것이다. One of the main aspects of the present invention is to provide relaxed position accuracy as well as maximum pattern reproduction accuracy using crystallographically aligned large features.

(c-평면 GaN에 형성된) 육각형의 피라미드들 또는 역피라미드들은 일정한 패턴, 준결정적 패턴, 비정질 패턴 또는 다른 적절한 배치로 배치될 수 있다. 도 2A는 육각형의 피라미드들이 정사각형 격자에 배치되어 광 결정을 형성하는 예를 도시한다. 도 2B는 12겹의 대칭 사각-삼각 준결정 타일링으로 배치되어 광 준 결정을 형성하는 피라미드들 또는 역피라미드들을 도시한다.Hexagonal pyramids or inverted pyramids (formed in c-plane GaN) may be arranged in a constant pattern, semicrystalline pattern, amorphous pattern or other suitable arrangement. 2A shows an example where hexagonal pyramids are arranged in a square grating to form a photonic crystal. FIG. 2B shows pyramids or inverted pyramids arranged in twelve ply symmetric square-triangular quasicrystalline tiling to form a quasi-crystal.

본 발명의 개선된 실시예(version)는 발광 영역 아래 어딘가에 위치하여 아래쪽으로 전파되는 광을 위쪽 방향으로 반사하는 광학 반사물을 이용한다. 나아가, 발광 영역과 반사물 사이의 이격 거리는, 소위 마이크로 캐비티 효과로 인하여 위쪽으로 향한 발광을 향상시킬 수 있도록 디자인된다. 피라미드형 또는 역피라미드형 광 결정은 이어서 마이크로 캐비티 효과와 함께 최적화되어 광 추출을 향상시킨다. 2003년 4월 7일자 "Appl. Phys. Lett. 82, 14, 2221"에서 쉔(Shen)이 상술한 바와 같이, 아래의 수학식들은 양자 우물 영역들과 반사물 사이의 이격 거리의 함수로 나타나는, LED의 상부면에서 상대적 출력 세기를 나타낸다.An improved version of the present invention utilizes an optical reflector located somewhere below the light emitting region and reflecting light propagating downwards upwards. Furthermore, the separation distance between the light emitting area and the reflector is designed to improve the upward light emission due to the so-called micro cavity effect. Pyramidal or inverted pyramidal photonic crystals are then optimized with microcavity effects to improve light extraction. As described by Shen in April 7, 2003, Appl. Phys. Lett. 82, 14, 2221, the following equations appear as a function of the separation distance between the quantum well regions and the reflector: , Represents the relative power intensity at the top of the LED.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112009038614814-PCT00003
Figure 112009038614814-PCT00003

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112009038614814-PCT00004
Figure 112009038614814-PCT00004

여기서, 관계된 파라미터들은 아래와 같다.Here, related parameters are as follows.

wo = 방출된 광의 진폭,w o = amplitude of emitted light,

wr = 반사된 광의 진폭,w r = amplitude of reflected light,

φ = 거울에서 반사로 인한 위상 변화,φ = phase change due to reflection in the mirror,

φ' = 방출된 광과 반사된 광 사이의 경로 거리 차이로 인한 위상 변화로, 마이크로 캐비티와 양자 우물 사이의 이격 거리뿐 아니라 LED 물질에서 입사각과 파장에 따라 변함, φ ' = Phase change due to the difference in path distance between emitted and reflected light, which varies with the angle of incidence and wavelength in the LED material as well as the separation distance between the microcavity and the quantum wells,

θ = 수직에 대한 방출 각.θ = emission angle with respect to the vertical.

마이크로 캐비티 효과를 설명하기 위하여, 도 3은 거울을 가진 GaN LED 소자로부터 획득된 광의 광도의 도면을 양자 우물에서 거울까지의 거리의 함수로써 도시한다. 광도는 거울을 가지지 않는 GaN LED로부터 획득된 광도를 기준으로 정규화됨으로써, 향상 정도를 나타낸다. 단순화를 위하여, 거울은 100%의 반사율을 가지는 것으로 가정한다. 반사물을 가지지 않는 평평한 베어(bare) GaN 발광 소자에 비교할 때, 대략적으로 최대 약 3.5배 많은 광이 추출됨이 명백하다. 반사물만으로의 기여에 대해서는, 이것은 마이크로 캐비티 효과로 인해 약 1.75배 많은 광이 추출된 것에 해당한다. 양자 우물들을 거울로부터 적당한 거리에 배치하는 것이 LED에서 최대 추출 효율을 얻기 위해 중요하다.To illustrate the micro cavity effect, FIG. 3 shows a plot of the intensity of light obtained from a GaN LED element with a mirror as a function of the distance from the quantum well to the mirror. Luminance is normalized based on the luminosity obtained from GaN LEDs without a mirror, thereby indicating the degree of improvement. For simplicity, it is assumed that the mirror has a reflectance of 100%. When compared to a flat bare GaN light emitting device having no reflector, it is evident that approximately up to about 3.5 times more light is extracted. For the contribution to the reflector alone, this corresponds to about 1.75 times more light extracted due to the microcavity effect. Placing quantum wells at a suitable distance from the mirror is important for obtaining maximum extraction efficiency in the LED.

이러한 마이크로 캐비티 효과는 또한 램버시안 광원의 원거리장 방사 형태와 비교할 때 LED의 원거리장 방사 형태들에서 편차들(deviations)을 도입한다. 현재 발명의 맥락에서, 증가된 로브(lobe) 방출은 상부면 광 결정 패턴과 결합하여 최적 화될 수 있고, 그럼으로써 두 가지 추출 기술들을 개별적으로 이용하여 기대되는 것에 비해 그러한 LED로부터 향상된 광 추출 및 방향성을 가능하게 한다. 이러한 마이크로 캐비티 효과는 헤테로 구조 내의 방출의 등방성을 감소시키고, 그럼으로써, 내부적으로 광 결정에 입사하는 광이 좀더 평행하게 되도록 한다.This microcavity effect also introduces deviations in the far field radiation forms of the LED as compared to the far field radiation forms of the Lambertian light source. In the context of the present invention, increased lobe emission can be optimized in combination with the top surface photonic crystal pattern, thereby improving light extraction and directivity from such LEDs as would be expected by using two extraction techniques separately. To make it possible. This microcavity effect reduces the isotropy of the emission in the heterostructure, thereby causing the light incident internally to the photonic crystal to be more parallel.

광 밴드 구조가 제공하는 고 종회비를 가진 특징물들과 큰 유전 상수로 인해, LED 도파 모드들을 광 밴드 구조의 분산 밴드들과 효과적으로 오버랩하고 그럼으로써 그들 사이에 강한 커플링을 허용하는 것이 가능하다. 그러나, 두꺼운 코어 LED 내의 등방성 방출의 경우에 많은 도파 모드들이 설정된다. 이 경우에, 광 결정의 분산 밴드들은 모든 트랩 모드들과 오버랩되게 디자인될 수 없다. 그러나, 마이크로 캐비티를 이용하여 광을 평행 정렬시킴으로써, 설정된 도파 모드들의 수가 줄어든다. 그 결과로써, 광 밴드 구조는 그러한 LED 내에 트랩된, 더욱 밀집되고 좀더 적은 수의 모드들을 효과적으로 추출하기 위해 최적으로 디자인될 수 있다.Due to the high aspect ratio features provided by the optical band structure and the large dielectric constant, it is possible to effectively overlap the LED waveguide modes with the dispersion bands of the optical band structure and thereby allow strong coupling between them. However, many waveguide modes are set in the case of isotropic emission in thick core LEDs. In this case, the dispersion bands of the photonic crystal cannot be designed to overlap with all trap modes. However, by parallelly aligning light using a micro cavity, the number of set waveguide modes is reduced. As a result, the optical band structure can be optimally designed to effectively extract more dense and fewer modes trapped in such LEDs.

본 발명의 다른 양상은 상술된 피라미드형 구조 타입의 광 밴드 구조 LED의 단순화된 제조 방법이다. 도 4A에서 4I에 가능한 제조 공정이 도시된다. 먼저, 금속 유기 화학 기상 증착(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD) 또는 (MBE와 같은) 다른 유사한 기술들에 의해, 격자 정합된 기판(410) 상에 n형으로 도핑된 GaN 또는 InGaN 층(401)을 성장시킨다. 이용되는 일반적인 기판들은 사파이어, GaN 및 SiC이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, InGaN 또는 AlGaN과 같은 물질로 형성된 식각 저지 층(409)이 n-GaN 층에 개재된다. n-GaN 또는 InGaN 층의 성장은 식각 저지 층 위의 층(408)으로 계속된다. 다중 GaN-InGaN 양자 우물들(402)이 성장되고 여기에 p형 GaN 층(403) 이 이어진다. 이 단계에서 생성되는 완성된(complete) LED 헤테로 구조 스택이 도 4A에 도시된다.Another aspect of the invention is a simplified method of manufacturing a wide band structure LED of the pyramidal structure type described above. In Figure 4A a possible manufacturing process for 4I is shown. First, an n-type doped GaN or InGaN layer 401 on the lattice matched substrate 410 by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) or other similar techniques (such as MBE). Grow). Common substrates used are sapphire, GaN and SiC. In a preferred embodiment of the present invention, an etch stop layer 409 formed of a material such as InGaN or AlGaN is interposed in the n-GaN layer. Growth of the n-GaN or InGaN layer continues to layer 408 over the etch stop layer. Multiple GaN-InGaN quantum wells 402 are grown followed by a p-type GaN layer 403. The complete LED heterostructure stack created at this stage is shown in FIG. 4A.

도 4B에 도시된 바와 같이, 이어서 p-GaN 층(403)의 상부에 거울(404)이 증착된다. 반사물은 스퍼터링(sputtering) 또는 증발(evaporation)에 의해 증착되는, 은 또는 금과 같은 적절한 금속층을 포함하는 금속일 수 있다. 다른 실시예에서, 반사물은 분산 궤환형 반사물(DBR) 또는 전방향성 반사물(ODR)의 형태의 유전 다중층 스택을 포함할 수 있다. 이러한 구조들은 PECVD와 같은 기술을 이용하여 스퍼터링으로 증착될 수 있다.As shown in FIG. 4B, a mirror 404 is then deposited on top of the p-GaN layer 403. The reflector may be a metal comprising a suitable metal layer, such as silver or gold, deposited by sputtering or evaporation. In another embodiment, the reflector may comprise a dielectric multilayer stack in the form of a distributed feedback reflector (DBR) or an omnidirectional reflector (ODR). Such structures can be deposited by sputtering using techniques such as PECVD.

도 4C에 도시된 바와 같이, 이어서 도 4B의 헤테로 구조가 기판(405)에 본딩된다. 기판(405)은 바람직하게는 금속 합금인데, 이는 금속 합금이 우수한 열적 전기적 전도성을 허용하기 때문이다. 그러나, 기판(405)은 SiC 또는 Si와 같은 다른 물질들을 포함할 수 있다. 본딩 동작에 앞서, 본딩 공정을 원조하기 위하여 추가적인 층들이 거울(404) 상에 증착될 수 있다.As shown in FIG. 4C, the heterostructure of FIG. 4B is then bonded to the substrate 405. The substrate 405 is preferably a metal alloy because the metal alloy allows for good thermal electrical conductivity. However, the substrate 405 may include other materials such as SiC or Si. Prior to the bonding operation, additional layers may be deposited on the mirror 404 to aid in the bonding process.

종래의 최종 제조 단계에서, 사파이어 기판(410)이 이어서 레이저 리프트 오프 또는 다른 유사한 기술을 이용하여 제거되어, 도 4D에 도시된 헤테로 구조를 제공한다. 비록 일반적으로 식각 저지 층이 부재하더라도, 이러한 구조는 종래의 최종 완결된 소자를 형성할 수 있다. 레이저 리프트 오프 공정은 n-GaN 층(401)의 표면을 (일반적으로 대략 50nm에서 300nm의 수준으로) 거칠게 남겨둔다. 또 다른 종래의 소자에서는, 이러한 표면은 광 추출을 향상하기 위해 더 거칠게 만들어 질 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 광 밴드 구조 피라미드들의 치수들은 표면 거칠기에 비해 크고, 그리하여, 패터닝에 앞서 표면을 연마할 것이 요구되지 않는다.In a conventional final fabrication step, the sapphire substrate 410 is then removed using laser lift off or other similar technique to provide the heterostructure shown in FIG. 4D. Although generally lacking an etch stop layer, this structure can form a conventional final finished device. The laser lift off process leaves the surface of n-GaN layer 401 rough (typically at a level of approximately 50 nm to 300 nm). In another conventional device, such surfaces can be made rougher to improve light extraction. In one aspect of the invention, the dimensions of the light band structure pyramids are large compared to the surface roughness, and thus, it is not required to polish the surface prior to patterning.

도 4E에서 4I는 도 4I에 도시된 바와 같은, 본 발명에 따른 소자를 제조하기 위해 필요한 추가적인 공정 단계들을 도시한다.4I in FIG. 4E shows the additional process steps required to manufacture the device according to the invention, as shown in FIG. 4I.

도 4E는 마스킹 층들의 증착을 도시한다. 구체적으로, 선택적 방법 단계가 도시되는데, 그것에 의하여, n-GaN 층(401) 안으로 소정의 패턴을 이어서 이송하기 위해 하드 마스크 층(406)이 증착된다. 이것은 PECVD에 의해 증착되는 SiO2 또는 Si3N4를 포함할 수 있고, 또는 이것은 스퍼터링 또는 증발에 의해 증착되는 금속일 수 있다. 이어서 하드 마스크(406) 상에 포토 레지스트 층(407)이 증착된다. 그러나, 일부 환경에서는, 하드 마스크 층은 생략될 수 있고, 포토 레지스트 층(407)은 n-GaN 층(401) 상으로 바로 증착된다.4E shows the deposition of masking layers. Specifically, optional method steps are shown whereby a hard mask layer 406 is deposited to subsequently transfer a predetermined pattern into the n-GaN layer 401. This may include SiO 2 or Si 3 N 4 deposited by PECVD, or it may be a metal deposited by sputtering or evaporation. A photoresist layer 407 is then deposited on the hard mask 406. However, in some circumstances, the hard mask layer may be omitted and the photoresist layer 407 is deposited directly onto the n-GaN layer 401.

피라미드형 특징물들의 큰 사이즈로 인해, 포토 레지스트(407)는 그것을 소정의 타일링 배치로 패터닝하는 데에 표준 UV 리소그래피를 이용하여 노출될 수 있다. 노출된 영역들의 가로 형태는 소정의 피라미드들의 횡단면의 형태에 대응될 수 있고, 그렇지 않으면 사각형과 같은 더 단순한 형태들일 수 있다. 노출된 포토 레지스트는 이어서 현상되어, 도 4F에 도시된 바와 같이, 피라미드들의 정점들(vertices)의 소정의 위치들에 대응하는 고립된 아일랜드들(islands) 모양의 물질을 남겨둔다. 하드 마스크(406)가 존재하는 경우라면, 이어서 RIE, ICP 또는 유사한 공정을 이용하여 하드 마스크(406)는 건식 식각된다. 이러한 단계는 도 4G에 도시된 바와 같이, 포토 레지스트(407)에서 하드 마스크(406)까지 패터닝을 전달한다. 남아있는 포토 레지스트(407)는 이어서 제거된다(stripped).Due to the large size of the pyramidal features, photoresist 407 can be exposed using standard UV lithography to pattern it into a predetermined tiling arrangement. The transverse shape of the exposed areas may correspond to the shape of the cross section of certain pyramids, or else may be simpler shapes such as squares. The exposed photoresist is then developed, leaving isolated island-like material corresponding to predetermined locations of the vertices of the pyramids, as shown in FIG. 4F. If hard mask 406 is present, then hard mask 406 is dry etched using RIE, ICP or similar processes. This step transfers the patterning from the photoresist 407 to the hard mask 406, as shown in FIG. 4G. The remaining photoresist 407 is subsequently stripped.

이에 이어서, 도 4H에 도시된 바와 같이, n-GaN 층(401)이 이방성 습식 식각을 이용하여 결정학적으로 습식 식각된다. GaN을 습식 식각하는 바람직한 방법은 실온에서 100℃까지의 배스(bath) 온도 범위로 1M에서 8M까지의 농도 범위에서 KOH 용액을 이용하는 것이다. 식각 시간은 약 45분 정도의 범위이다. 다른 실시예에서의 습식 식각액(etchants)은 NaOH 또는 H3PO4를 포함한다.Subsequently, as shown in FIG. 4H, the n-GaN layer 401 is crystallographically wet etched using anisotropic wet etching. A preferred method of wet etching GaN is to use a KOH solution in a concentration range from 1M to 8M with a bath temperature range from room temperature to 100 ° C. The etching time is in the range of about 45 minutes. In another embodiment the wet etchant comprises NaOH or H 3 PO 4 .

식각 공정으로 형성된 육각형의 피라미드들의 결정 면들은 GaN 결정의 {10-1-1} 평면들이다. 그것들은 피라미드들의 바닥과 58.4°의 각도를 형성한다. 식각 저지 층(409)의 존재는 피라미드들의 높이에 대한 정확한 조정을 가능하게 하고, 결과적으로 피라미드들의 바닥 직경의 정확한 조정도 가능하게 한다. 최종적으로, 하드 마스크(406)가 이용되는 경우라면, 하드 마스크(406)는 이어서 적절한 습식 또는 건식 식각 공정을 이용하여 제거되어, 도 4I에 도시된 최종 구조를 남긴다.The crystal planes of the hexagonal pyramids formed by the etching process are {10-1-1} planes of the GaN crystal. They form an angle of 58.4 ° with the bottom of the pyramids. The presence of the etch stop layer 409 allows for accurate adjustment of the heights of the pyramids, and consequently also for accurate adjustment of the bottom diameter of the pyramids. Finally, if hard mask 406 is used, hard mask 406 is then removed using a suitable wet or dry etching process, leaving the final structure shown in FIG. 4I.

도 7A는 상기 공정으로 생성된 피라미드들 중 하나의 SEM 현미경사진을 도시한다. 이 경우에, 피라미드는 고립된 상태이고, 바람직한 제조 실시예를 이용하여 701에 나타낸 결정 {10-1-1} 면을 갖도록 형성된다. 도 7B는 이러한 피라미드들의 광 준결정 타일링의 SEM 현미경사진을 도시하는데, 이는 바람직한 제조 기술을 이용하여 n-GaN의 상부면에서 식각된 것들이다. 피라미드들은 사각형-삼각형 타일링 으로 배치되고, 도 7B에 도시된 작도 선들은 밑에 있는 타일링 사각형들과 삼각형들을 나타내고, 반면 원들은 준결정 패턴의 정점들을 강조한다.7A shows an SEM micrograph of one of the pyramids produced by the process. In this case, the pyramid is in an isolated state and is formed to have the crystal {10-1-1} face shown in 701 using the preferred manufacturing example. FIG. 7B shows an SEM micrograph of the photo quasicrystalline tiling of these pyramids, which were etched at the top surface of n-GaN using preferred fabrication techniques. The pyramids are arranged in square-triangle tiling, and the construction lines shown in FIG. 7B represent the underlying tiling squares and triangles, while the circles highlight the vertices of the quasi-crystalline pattern.

바람직한 실시예에서, 층들(401, 409, 408)을 포함하는 복합(composite) n-GaN 상부 영역이 발광 구조 위에 위치한다. 그러므로, 광은 층(402)에서 방출되어, 영역(401)을 통해 최종적으로 탈출하기 전에 내부 다중 반사들을 경험한다.In a preferred embodiment, a composite n-GaN top region comprising layers 401, 409, 408 is positioned over the light emitting structure. Therefore, light is emitted at layer 402 to experience internal multiple reflections before finally escaping through region 401.

두꺼운 n-GaN 성장 영역이 고품질의 양자 우물(QW) 층들의 형성을 위한 결함 밀도를 줄이기 위해 필요하고, 그러므로 LED의 내부 양자 효율을 향상시킨다. 제조상의 이점들을 위하여, 상부 영역(층들(401, 409, 408))은 손상되기 쉬운(fragile) 양자 우물 영역(402)에 대한 보호 층으로 작용하여, 피라미드들의 습식 식각 중의 손상을 예방하고 양자 우물 영역에서 표면 재결합을 최소화한다. 또한, 양자 우물 영역으로의 식각은, 최대 활성 발광 면적을 줄임으로써 LED의 총 광 출력에 부정적인 영향을 준다.Thick n-GaN growth regions are needed to reduce the defect density for the formation of high quality quantum well (QW) layers, thus improving the internal quantum efficiency of the LED. For manufacturing advantages, the upper region (layers 401, 409, 408) acts as a protective layer for the fragile quantum well region 402, preventing damage during wet etching of the pyramids and quantum wells. Minimize surface recombination in the region. In addition, etching into the quantum well region negatively affects the total light output of the LED by reducing the maximum active light emitting area.

또한, 광학 추출 향상에 관해서, 요구되는 피라미드 치수들은 2.5μm의 피치에 중심을 가지는 약 1.75μm의 직경 정도의 수준이다. 이러한 치수들은 층(401)의 최소 두께를 제한하고, 그리하여, 피라미드들은 두꺼운 n-GaN 층에 존재하는 것이 바람직하다. 또한, 향상된 광 추출을 위하여, 식각으로 LED의 도파 영역의 총 두께를 줄이는 것은 헤테로 구조에 존재하는 트랩 모드들의 수를 감소시킨다. 이것은 광 밴드 구조들이 더 많은 비율의 트랩 모드들과 오버랩되는 것을 허용하고, 그럼으로써 도 8에 도시된 바와 같이 향상된 광 추출을 가져온다. 또한, n-GaN은 높은 전도성을 가지고, 이러한 특성은 소자로부터의 광 추출에 부정적인 영향을 줄 수 있는 광 밴드 구조의 상부면 상에 증착될 개별적인 전기 전류 확산 층들의 필요성을 최소화한다.In addition, in terms of optical extraction enhancement, the required pyramid dimensions are on the order of about 1.75 μm in diameter centered on a pitch of 2.5 μm. These dimensions limit the minimum thickness of layer 401, so that the pyramids are preferably present in the thick n-GaN layer. In addition, for improved light extraction, reducing the total thickness of the waveguide region of the LED by etching reduces the number of trap modes present in the heterostructure. This allows the optical band structures to overlap with a higher proportion of trap modes, thereby resulting in improved light extraction as shown in FIG. 8. In addition, n-GaN has high conductivity and this property minimizes the need for individual electric current spreading layers to be deposited on the top surface of the light band structure, which can negatively affect light extraction from the device.

도 5A, 5B 및 5C는 수치적 시뮬레이션들의 결과들을 도시하는데, 일반적인 피라미드형 광 밴드 구조들을 가진 소자들의 성능을 나타낸다. z축은 반사물을 가진 패터닝되지 않은 LED에 대비한 총 추출 향상 팩터(factor)를 보여준다. 이러한 결과들은 충전 분율의 함수로서 (% 단위로) x축(501)을 따라, 그리고, 광 밴드 구조의 피치의 함수로서 (nm 단위로) y축(502)을 따라 도시된다. 충전 분율은 직경/피치*100으로 정의된다.5A, 5B, and 5C show the results of numerical simulations, showing the performance of devices with typical pyramidal optical band structures. The z-axis shows the total extraction enhancement factor against unpatterned LEDs with reflectors. These results are shown along the x-axis 501 (in%) as a function of fill fraction and along the y-axis 502 (in nm) as a function of the pitch of the optical band structure. The filling fraction is defined as diameter / pitch * 100.

도 5A는 격자 상수(a)와 충전 분율의 함수로서 나타낸, 바닥 반사물을 가진 패터닝되지 않은 LED에 대비한 피라미드형 광 결정에 관한 중앙 30°원뿔에서의 추출 향상을 도시한다. 이러한 결과들은 2500nm의 피치와 75%의 충전 분율의 경우에, 그리고 d=0.6/λn~131nm의 위치에 존재하며 양자 우물 영역의 바로 아래 위치하는 최적화된 마이크로 캐비티 디자인을 가진 경우에, 5.45의 최대 향상을 보여준다. 이러한 파라미터들은 2.5μm 피치 상에 간격을 가진 약 1.9μm의 피라미드 직경들을 가진 소자에 해당한다.FIG. 5A shows the extraction enhancement at the central 30 ° cone for pyramidal photonic crystals versus unpatterned LEDs with bottom reflectors, expressed as a function of lattice constant (a) and charge fraction. These results are at a maximum of 5.45 for a pitch of 2500 nm and a filling fraction of 75%, and with an optimized microcavity design located at d = 0.6 / λn to 131 nm and located just below the quantum well region. Shows an improvement. These parameters correspond to devices with pyramid diameters of about 1.9 μm with spacing on a 2.5 μm pitch.

시뮬레이션들은 2차원 시간 영역 유한 차분법(2D Finite Difference Time Domain method)을 이용하여 수행되었다. 이러한 시뮬레이션들은 2차원에서 3차원 시뮬레이션들로의 변환에서 공간상의 수치적 불일치를 포함하지 않으므로, 실험 결과들은 훨씬 큰 추출 값들을 제공하는 것으로 기대된다는 점이 중요하다.Simulations were performed using the 2D Finite Difference Time Domain method. Since these simulations do not include spatial numerical inconsistencies in the conversion from two-dimensional to three-dimensional simulations, it is important that the experimental results are expected to provide much larger extraction values.

도 5B는 격자 상수와 충전 분율의 함수로서 나타낸, 바닥 반사물을 가지며 패터닝되지 않은 LED에 대비한 총 추출의 향상을 도시한다. 이러한 결과들은 도 5A에 도시된 바와 같이, 최적 작동 범위가, 2500nm의 피치 및 75%의 충전 분율에서, 양자 우물들의 바로 아래에 위치한 최적화된 마이크로 캐비티 디자인을 가지고 나타나는 점을 강조한다.FIG. 5B shows the improvement in total extraction versus unpatterned LEDs with bottom reflectors, represented as a function of lattice constant and charge fraction. These results emphasize that, as shown in FIG. 5A, the optimum operating range appears with an optimized microcavity design located just below the quantum wells, at a pitch of 2500 nm and a fill fraction of 75%.

마지막으로, 도 5C는 피라미드형 광 결정 구조를 가진 소자에 대해 30°원뿔에서 광의 비율을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 소자에서 방출되는 광의 45%까지는 소자의 표면에 수직으로 30°의 반각을 가진 중앙 원뿔 내에 들어 오도록 지향시킬 수 있다. 이것은 램버시안 발광 소자에 비해 방향성 원뿔 내에 84% 더 많은 광이 들어있다는 것에 해당한다. 이와 같이 증가된 방향성은 피라미드들의 정돈된 배치뿐 아니라 피라미드들의 잘 정의된 경사각 측벽들로 인한 것이다. 경사각 측벽들은, 일정한 수직 측벽의, 식각된, 공기 로드(air rod)의 광 결정 LED들에 비해 30도 원뿔에서 대략 30% 더 많은 광을 제공한다.Finally, Figure 5C shows the ratio of light at a 30 ° cone for a device with a pyramidal photonic crystal structure. As shown, up to 45% of the light emitted from the device can be directed to fall within a central cone with a half angle perpendicular to the surface of the device. This corresponds to 84% more light in the directional cones compared to Lambertian light emitting devices. This increased directionality is due not only to the orderly arrangement of the pyramids but also to the well defined inclined angle sidewalls of the pyramids. Inclined angle sidewalls provide approximately 30% more light at a 30 degree cone compared to etched, air rod photonic crystal LEDs of a constant vertical sidewall.

도 6A 및 6B는 평면에서의 광 분포를 통한 횡단면들이며, 대표적인 원거리장 패턴들을 도시한다. 이러한 결과는 x축을 따라 원거리장 각도(601)의 함수로 도시되고, 광도(602)는 바닥 반사물을 가진 패터닝되지 않은 LED로부터의 광도에 대해 정규화된다. 원거리장 패턴은 LED 표면의 수직면에 대하여 참조된다. 도 6A는 1500nm의 격자 상수와 1120nm의 피라미드 직경을 가진 LED에 대한 원거리장 패턴을 도시하는데, 이것은 반사물과 최적화된 마이크로 캐비티를 가진 발광 소자에 비해 2.67 배 및 그보다 더 높은 총 추출 향상을 제공한다. 30°원뿔에서의 향상은 x4.57이고, 30°원뿔은 총 추출광의 40.5%를 포함한다. 6A and 6B are cross-sections through light distribution in the plane and show representative far field patterns. This result is shown as a function of the far field angle 601 along the x axis, and the luminance 602 is normalized to the luminance from an unpatterned LED with a bottom reflector. The far field pattern is referenced to the vertical plane of the LED surface. 6A shows a far field pattern for an LED with a lattice constant of 1500 nm and a pyramid diameter of 1120 nm, which provides a 2.67 times and higher total extraction improvement over light emitting devices with reflectors and optimized microcavities. . The improvement in the 30 ° cone is x4.57 and the 30 ° cone contains 40.5% of the total extracted light.

도 6B는 2500nm의 격자 상수와 1870nm의 피라미드 직경을 가진 LED에 대한 원거리장 패턴을 나타내는데, 반사물과 최적화된 마이크로 캐비티를 가진 발광 소자에 비해 3.61 배 및 그보다 더 높은 총 추출 향상을 제공한다. 30°원뿔에서의 향상은 x5.45이고, 30°원뿔은 총 광의 35.8%를 포함한다. 이것은 램버시안 발광 소자에 비해 방향성 원뿔 내에 46% 더 많은 광이 들어오는 것에 해당한다.6B shows a far field pattern for an LED with a lattice constant of 2500 nm and a pyramid diameter of 1870 nm, providing 3.61 times and higher total extraction enhancement compared to light emitting devices with reflectors and optimized microcavities. The improvement in the 30 ° cone is x5.45 and the 30 ° cone contains 35.8% of the total light. This corresponds to 46% more light entering the directional cones than Lambertian light emitting devices.

아래의 표 1은 동일한 녹색 GaN LED가, 단순한 램버시안 방출기로서, 식각된 공기 로드들을 포함하는 일차 광 결정 LED로서, 그리고 식각된 피라미드들을 포함하는 피라미드형 광 결정 LED로서 구성될 경우에, 30°의 좁은 원뿔 각도에서 방출되는 광을 총 방출되는 광의 비율로 비교한 결과를 보여준다. 광 결정 소자들의 경우에, 30°원뿔 내에 최대 비율의 광을 추출하도록 치수들이 최적화된다. 일차 광 결정의 치수들은 350nm의 피치, 대략 210nm의 공기 로드 직경 및 약 120nm의 식각 깊이를 가지는 격자 공기 로드들을 포함하였고, 반면 피라미드형 광 결정 치수들은 상술된 바와 같다.Table 1 below shows 30 ° when the same green GaN LED is configured as a simple Lambertian emitter, as a primary photonic crystal LED with etched air rods, and as a pyramidal photonic crystal LED with etched pyramids. Shows the result of comparing the light emitted at a narrow cone angle with the ratio of total emitted light. In the case of photonic crystal elements, the dimensions are optimized to extract the maximum proportion of light within the 30 ° cone. The dimensions of the primary photonic crystals included lattice air rods with a pitch of 350 nm, an air rod diameter of approximately 210 nm and an etch depth of about 120 nm, while the pyramidal photonic crystal dimensions were as described above.

[표 1]TABLE 1

소자 종류Device type 램버시안 LEDLambertian LED 광결정 LEDPhotonic Crystal LED 피라미드형 광결정 LEDPyramid Photonic Crystal LED 30° 원뿔 내에 있는 광의 비율Proportion of light within a 30 ° cone 24.924.9 34.934.9 45.045.0

표 1에 나타난 바와 같이, 더 많은 광학 구조가 이용될수록 방향성의 증가가 얻어진다.As shown in Table 1, the more optical structures are used, the more directional increase is obtained.

도 8A 및 8B는 광 밴드 구조가 마이크로 캐비티 발광 소자와 함께 최적화된 경우에 획득 가능한 증가된 광 추출을 보여준다. 이 경우에, 500nm의 피치와 단순 한 반사물을 가지는 일반적인 광 결정이 동일한 피치를 가지지만 추가로 마이크로 캐비티 반사물을 가지는 피라미드형 광 결정과 비교된다. 도 8A 및 8B 모두에서, 총 광 향상(802)은 광 결정 충전 분율(801)의 함수로서 그려진다.8A and 8B show the increased light extraction obtainable when the optical band structure is optimized with the micro cavity light emitting device. In this case, a typical photonic crystal with a pitch of 500 nm and a simple reflector is compared with a pyramidal photonic crystal with the same pitch but further with a micro cavity reflector. In both FIGS. 8A and 8B, the total light enhancement 802 is plotted as a function of the photonic crystal charge fraction 801.

도 8A에서, 실선(803)은 반사물을 가지며 패터닝되지 않은 LED로부터의 출력을 기준으로 정규화되는 광 결정에 관한 총 추출 향상을 나타낸다. 점선(804)은, 반사물을 가지며 패터닝되지 않은 LED와 비교할 때, 마이크로 캐비티 및 반사물 모두를 가진 광 결정에 관한 총 광 추출 향상을 나타낸다. 도 8B는 마이크로 캐비티 효과의 결과로써 얻어지는 증가된 추출을 강조한다. 점선(805)은 마이크로 캐비티가 일체화될 때의 광 결정의 증가된 추출 효과를, 반사물 및 마이크로 캐비티를 가지며 패터닝되지 않은 LED를 기준으로 정규화시킨 것을 나타내며, 동일한 소자에 대하여 오직 반사물만을 가지며 패터닝되지 않은 LED로부터의 출력을 기준으로 정규화될 때의 결과를 보여주는 실선(803)과 비교하여 보여준다. 그리하여, 결합된 효과들로 인한 차이의 증가가 명확하게 보여진다. In FIG. 8A, the solid line 803 represents the total extraction enhancement for light crystals that have a reflector and are normalized based on the output from the unpatterned LED. Dotted line 804 represents the total light extraction enhancement for light crystals with both microcavities and reflectors as compared to LEDs with reflectors and not patterned. 8B highlights the increased extraction obtained as a result of the micro cavity effect. Dotted line 805 indicates the increased extraction effect of the photonic crystal when the microcavity is integrated, normalized based on the non-patterned LED with reflectors and microcavities, patterning with only reflectors for the same device. This is shown in comparison with a solid line 803 showing the results when normalized based on the output from an unlit LED. Thus, the increase in difference due to the combined effects is clearly seen.

도 9는 피라미드형 및 역피라미드형의 광 밴드 구조의 발광 헤테로 구조의 두께 감소의 효과를 나타낸다. 반사물을 가지며 평평한 베어 LED에 대비했을 때의 광 추출(902)의 향상이, LED 헤테로 구조 코어 두께들(901)의 변화에 대하여 나노 미터 단위로 그려진다. 헤테로 구조의 두께가 감소함에 따라, 광 추출의 양이 증가한다는 점이 명백하게 보여진다. 본 실시예의 경우에, 광 결정 패턴의 치수들과 배치(geometry)은 모든 헤테로 구조 두께 값들에 대하여 불변이고, 마이크로 캐비티 효과는 이용되지 않았다. 그리하여, 광학 추출의 경우에, 피라미드형 구조들이 헤테로 구조 안으로 식각되는 것은 LED의 유효 두께가 결과적으로 감소하기 때문에 유익하다는 점이 명백해진다.Fig. 9 shows the effect of reducing the thickness of light emitting heterostructures of pyramidal and inverse pyramid type optical band structures. The improvement in light extraction 902 as compared to flat bare LEDs with reflectors is plotted in nanometers for changes in LED heterostructure core thicknesses 901. It is clearly seen that as the thickness of the heterostructure decreases, the amount of light extraction increases. In the case of this example, the dimensions and geometry of the photonic crystal pattern are invariant for all heterostructure thickness values, and the microcavity effect was not used. Thus, in the case of optical extraction, it is evident that the etching of the pyramidal structures into the heterostructure is beneficial because the effective thickness of the LED results in a decrease.

본 발명의 또 다른 바람직한 구현에서, 신규한 고차 역피라미드형 광 결정 또는 준결정 패턴이 제안되는데, 이것은 일차 광 결정 패턴들에 비해 증가된 광 추출을 제공한다. 광 결정 디자인은 또한 소자들에 의해 방출된 원거리장 광 분포의 맞춤화를 허용한다. 광 결정 서브 영역들의 역피라미드 형태와 그것들의 잘 정의된 타일링 배치는 램버시안 광원에서 나오는 광보다 더 많이 평행하게 된 빔의 형태로 상기 소자로부터 광이 추출되는 것을 가능하게 한다. 또한, 상기 소자를 제조하기 위한 단순화된 공정이 상술될 것이다. In another preferred embodiment of the present invention, a novel high order inverse pyramid type photonic crystal or quasicrystalline pattern is proposed, which provides increased light extraction compared to primary photonic crystal patterns. Photonic crystal design also allows customization of the far-field light distribution emitted by the devices. The inverted pyramid form of the photonic crystal subregions and their well-defined tiling arrangement enable light to be extracted from the device in the form of a beam that is more parallel than the light coming from the Lambertian light source. In addition, a simplified process for manufacturing the device will be described in detail.

역피라미드 직경이라는 관점에서 볼 때에서, 고차 광 결정 치수들은 사이즈가 1.0μm 보다 큰데, 사이즈는 1.5μm 또는 2.0μm 보다 클 수도 있고, 나아가 3.0μm, 3.5μm 및 4.0μm까지 일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이것은 원거리장 패턴, LED 두께 및 GaN 헤테로 구조의 광 발생 영역 내의 양자 우물들의 위치에 따라 변동한다.In terms of inverse pyramid diameter, higher order photonic crystal dimensions may be larger than 1.0 μm in size, which may be greater than 1.5 μm or 2.0 μm, and further up to 3.0 μm, 3.5 μm and 4.0 μm, but not limited thereto. It doesn't work. This varies with the far field pattern, the LED thickness and the position of the quantum wells within the light generating region of the GaN heterostructure.

도 10은 제안된 발광 소자의 횡단면을 도시하는데, 상기 발광 소자는 주기적, 준결정적, 비정질 또는 다른 복잡하게 정렬되거나 반복된 타일링 배치로, n형으로 도핑된 GaN 또는 InGaN 층에 식각된 피라미드들(1001)을 포함한다. 역피라미드형 타일링 배치는 트랩된 광이 광 결정의 블로치 모드들 안으로 커플링되게 하는 분산 밴드들을 제공할 수 있도록 디자인된다. 광이 블로치 모드들로 커플링되면, 광 결정은 자유 공간 으로 광을 커플링하는 수단을 제공한다. Fig. 10 shows a cross section of the proposed light emitting device, which is a pyramid etched in an n-type doped GaN or InGaN layer in a periodic, quasi-crystalline, amorphous or other complexly aligned or repeated tiling arrangement. 1001). The inverted pyramidal tiling arrangement is designed to provide dispersion bands that allow the trapped light to couple into the bleach modes of the photonic crystal. If the light is coupled in bleach modes, the photonic crystal provides a means for coupling the light into free space.

도 10에 도시된 소자는 발광 헤테로 구조를 포함하는데, 상기 발광 헤테로 구조는 n-GaN 또는 InGaN 상부층(1002) 및 하부의 p형 GaN 또는 InGaN 층(1004)을 포함하고, 다중 양자 우물(MQW) 구조(1003)가 상기 층들 사이에 존재한다. p형 층(1004) 바로 아래에 반사물 층(1005)이 존재하는데, 반사물 층(1005)은 은과 같은 금속 반사물의 형태이거나 분산 궤환형 반사물(DBR) 또는 전방향성 반사물(ODR)의 형태일 수 있다. 발광 구조는 캐리어 기판 즉, 마운트(1006)에 의해 지지된다. 바람직한 실시예에서, 캐리어 기판은 금속 또는 금속 합금과 같은 높은 열전도성을 가지는 전기적 전도성 물질, 또는 대신에 실리콘 또는 실리콘 카바이드를 포함한다.The device shown in FIG. 10 includes a light emitting heterostructure, which includes an n-GaN or InGaN top layer 1002 and a bottom p-type GaN or InGaN layer 1004, and a multi quantum well (MQW). Structure 1003 is present between the layers. There is a reflector layer 1005 directly below the p-type layer 1004, which may be in the form of a metal reflector such as silver or a distributed feedback reflector (DBR) or omnidirectional reflector (ODR). It may be in the form of. The light emitting structure is supported by a carrier substrate, that is, mount 1006. In a preferred embodiment, the carrier substrate comprises an electrically conductive material having high thermal conductivity, such as a metal or metal alloy, or instead silicon or silicon carbide.

또한, 광 결정은 결함들을 가진 영역들, 다시 말해, 역피라미드들이 제거되거나 역피라미드들의 형태나 사이즈가 변형되는 영역들 포함할 수 있다. 서브 영역들은 또한 식각되지 않은 날카로운 정점 영역들을 가진 역피라미드들을 포함할 수 있는데, 이는 꼭대기가 평평한(절두형) 역피라미드들을 초래한다.In addition, the photonic crystal may include regions having defects, that is, regions in which the reverse pyramids are removed or the shape or size of the reverse pyramids is modified. Sub-regions may also include inverted pyramids with sharp etched regions that are not etched, resulting in flattened (frustrated) inverted pyramids.

이러한 패터닝은 수많은 파라미터들로 특징 지워질 수 있는데, 상기 파라미터들은 두 개의 인접한 역피라미드들의 중심들이 서로 떨어져 있는 거리로 정의되는 격자의 피치(a), 및 역피라미드의 결정학적으로 노출된 표면과 GaN 격자의 수평 결정 평면 사이에 형성되는 각도(θ)를 포함한다. 본 발명의 일 양상에서, 식각 저지 층(1007)은 식각 깊이를 제어하기 위해 이용된다. 이것은 바닥에서 역피라미드 직경의 정확한 제어를 가능하게 한다. 소정의 식각 깊이(d)에 대한 피라미드들의 바닥의 직경(φ)은 다음의 수학식 5와 같다.This patterning can be characterized by a number of parameters, the parameters of which are defined by the distance (a) of the lattice defined by the distance between the centers of two adjacent inverse pyramids, and the crystallographic exposed surface of the inverse pyramid and the GaN lattice And an angle θ formed between the horizontal crystal planes of. In one aspect of the invention, an etch stop layer 1007 is used to control the etch depth. This allows precise control of the reverse pyramid diameter at the bottom. The diameter φ of the bottom of the pyramids for the predetermined etch depth d is given by Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

본 발명의 다른 양상은 상술된 역피라미드 타입의 광 밴드 구조 LED의 단순화된 제조 방법이다. 도 11A에서 11J에 가능한 제조 공정의 두 가지 변형들이 도시된다. 먼저, 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 또는 (MBE와 같은) 다른 유사한 기술들에 의해, 격자 정합된 기판(1110) 상에 n형으로 도핑된 GaN 또는 InGaN 층(1101)을 성장시킨다. 이용되는 일반적인 기판들은 사파이어, GaN 및 SiC이다. 본 발명의 특정 실시예에서, InGaN 또는 AlGaN과 같은 물질로부터 형성된 식각 저지 층(409)은 n-GaN 층에 개재된다. n-GaN 또는 InGaN 층의 성장은 식각 저지 층 위의 층(1108)으로 계속된다. 다중 GaN-InGaN 양자 우물들(1102)이 성장되고 여기에 p형 GaN 층(1103)이 이어진다. 이 단계에서 생성되는 완성된 LED 헤테로 구조 스택이 도 11A에 도시된다.Another aspect of the present invention is a simplified method of manufacturing the inverted pyramid type optical band structure LED described above. In Fig. 11A two variations of the manufacturing process possible for 11J are shown. First, an n-doped GaN or InGaN layer 1101 is grown on the lattice matched substrate 1110 by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or other similar techniques (such as MBE). Common substrates used are sapphire, GaN and SiC. In certain embodiments of the invention, an etch stop layer 409 formed from a material such as InGaN or AlGaN is interposed in the n-GaN layer. Growth of the n-GaN or InGaN layer continues to layer 1108 over the etch stop layer. Multiple GaN-InGaN quantum wells 1102 are grown followed by a p-type GaN layer 1103. The completed LED heterostructure stack created at this stage is shown in FIG. 11A.

도 11B에 도시된 바와 같이, 이어서 p-GaN 층(1103)의 상부에 거울(1104)이 증착된다. 반사물은 스퍼터링 또는 증발에 의해 증착되는, 은 또는 금과 같은 적절한 금속 층을 포함하는 금속일 수 있다. 다른 실시예에서, 반사물은 분산 궤환형 반사물(DBR) 또는 전방향성 반사물(ODR)의 형태의 유전체 다중층 스택을 포함할 수 있다. 이러한 구조들은 PECVD와 같은 기술들을 이용하여 스퍼터링으로 증착될 수 있다.As shown in FIG. 11B, a mirror 1104 is then deposited on top of the p-GaN layer 1103. The reflector may be a metal comprising a suitable metal layer, such as silver or gold, deposited by sputtering or evaporation. In another embodiment, the reflector may comprise a dielectric multilayer stack in the form of a distributed feedback reflector (DBR) or an omnidirectional reflector (ODR). Such structures can be deposited by sputtering using techniques such as PECVD.

도 11C에 도시된 바와 같이, 이어서 도 11B의 헤테로 구조가 기판(1105)에 본딩된다. 기판(1105)은 바람직하게는 금속 합금인데, 이는 금속 합금이 우수한 열적 전기적 전도성을 허용하기 때문이다. 그러나, 기판(1105)은 SiC 또는 Si와 같은 다른 물질들을 포함할 수 있다. 본딩 동작에 앞서, 본딩 공정을 원조하기 위하여 추가적인 층들이 거울(1104) 상에 증착될 수 있다.As shown in FIG. 11C, the heterostructure of FIG. 11B is then bonded to the substrate 1105. The substrate 1105 is preferably a metal alloy because the metal alloy allows for good thermal electrical conductivity. However, the substrate 1105 may include other materials such as SiC or Si. Prior to the bonding operation, additional layers may be deposited on the mirror 1104 to aid in the bonding process.

종래의 최종 제조 단계에서, 사파이어 기판(1110)은 이어서 레이저 리프트 오프 또는 다른 유사한 기술을 이용하여 제거되어, 도 11D에 도시된 헤테로 구조를 제공한다. 비록 일반적으로 식각 저지 층이 부재하더라도, 이러한 구조는 종래의 최종 완결된 소자를 형성할 수 있다. 레이저 리프트 오프 공정은 n-GaN 층(1101)의 표면을 (일반적으로 대략 50nm에서 300nm의 수준으로) 거칠게 남겨둔다. 또 다른 종래의 소자에서, 이러한 표면은 광 추출을 향상시키기 위해 더 거칠게 만들어질 수 있다. 본 발명의 일 양상에서, 광 밴드 구조 피라미드들의 치수들은 표면 거칠기에 비해 크고, 그리하여 패터닝에 앞서 표면을 연마할 것이 요구되지 않는다.In a conventional final fabrication step, the sapphire substrate 1110 is then removed using laser lift off or other similar technique to provide the heterostructure shown in FIG. 11D. Although generally lacking an etch stop layer, this structure can form a conventional final finished device. The laser lift off process leaves the surface of n-GaN layer 1101 rough (at a level of approximately 50 nm to 300 nm in general). In another conventional device, such surfaces can be made rougher to improve light extraction. In one aspect of the present invention, the dimensions of the light band structure pyramids are large compared to the surface roughness, and thus it is not required to polish the surface prior to patterning.

도 11E에서 11I 또는 11J는 도 11I 및 11J에 도시된 바와 같은, 본 발명에 따른 최종 소자를 제조하기 위해 필요한 추가적인 공정 단계들을 도시한다. 그 최종 단계가 도 11I에 도시된 공정의 실시예의 경우에는 선행하는 단계들인 도 11A 내지 11H에서 식각 저지 층(1109)이 없지만, 도 11J에 도시된 소자를 이끄는 공정의 실시예의 경우에는 식각 저지 층(1109)이 존재한다. 11I or 11J in FIG. 11E illustrate additional processing steps required to fabricate the final device according to the present invention, as shown in FIGS. 11I and 11J. Although the final step is not an etch stop layer 1109 in the preceding steps, in the case of the embodiment of the process shown in FIG. 11I, the etch stop layer in the embodiment of the process leading the device shown in FIG. 11J. (1109) is present.

도 11E는 마스킹 층들의 증착을 도시한다. 구체적으로, 선택적 방법 단계가 도시되고, 그것에 의하여, n-GaN 층(1101) 안으로 소정의 패턴을 이어서 이송하기 위해 하드 마스크 층(1106)이 증착된다. 이것은 PECVD에 의해 증착되는 SiO2 또는 Si3N4를 포함할 수 있고, 또는 이것은 스퍼터링 또는 증발에 의해 증착되는 금속일 수 있다. 이어서 하드 마스크(1106) 상에 포토 레지스트 층(1107)이 증착된다. 그러나, 일부 환경들에서, 하드 마스크 층은 생략될 수 있고, 포토 레지스트 층(1107)은 n-GaN 층(1101) 상으로 바로 증착된다.11E shows deposition of masking layers. Specifically, an optional method step is shown whereby a hard mask layer 1106 is deposited to subsequently transfer a predetermined pattern into the n-GaN layer 1101. This may include SiO 2 or Si 3 N 4 deposited by PECVD, or it may be a metal deposited by sputtering or evaporation. A photoresist layer 1107 is then deposited on the hard mask 1106. However, in some circumstances, the hard mask layer can be omitted and the photoresist layer 1107 is deposited directly onto the n-GaN layer 1101.

역피라미드형 특징물들의 큰 사이즈로 인해, 포토 레지스트(1107)는 그것을 소정의 타일링 배치로 패터닝하기 위한 표준 UV 리소그래피를 이용하여 노출될 수 있다. 노출된 영역들의 가로 형태는 소정의 역피라미드들의 횡단면의 형태에 대응할 수 있고, 그렇지 않으면 사각형과 같은 더 단순한 형태들일 수 있다. 노출된 포토 레지스트는 이어서 현상되어, 도 11F에 도시된 바와 같이, 역피라미드들의 정점들의 소정의 위치들에 대응하는 고립된 아일랜드들 모양의 물질을 남겨둔다. 하드 마스크(1106)가 존재하는 경우라면, 이어서 RIE, ICP 또는 유사한 공정을 이용하여 하드 마스크(1106)는 건식 식각된다. 이러한 단계는 도 11G에 도시된 바와 같이, 포토 레지스트(1107)에서 하드 마스크(1106)까지 패터닝을 전달한다. 남아있는 포토 레지스트(1107)는 이어서 제거된다.Due to the large size of the inverted pyramidal features, photoresist 1107 can be exposed using standard UV lithography to pattern it into a predetermined tiling arrangement. The transverse shape of the exposed areas may correspond to the shape of the cross section of certain inverted pyramids, or else may be simpler shapes such as squares. The exposed photoresist is then developed, leaving isolated island-like material corresponding to predetermined locations of the vertices of the inverse pyramids, as shown in FIG. 11F. If the hard mask 1106 is present, then the hard mask 1106 is dry etched using RIE, ICP or similar processes. This step transfers the patterning from the photoresist 1107 to the hard mask 1106, as shown in FIG. 11G. The remaining photoresist 1107 is then removed.

이에 이어서, 도 11H에 도시된 바와 같이, n-GaN 층(1101)이 이방성 습식 식각을 이용하여 결정학적으로 습식 식각된다. GaN을 습식 식각하는 바람직한 방법은 실온에서 100℃까지의 배스 온도 범위로 1M에서 8M까지의 농도 범위에서 KOH 용액을 이용하는 것이다. 식각 시간은 약 45분 정도의 범위이다. 대체 가능한 습식 에천트들에는 NaOH 또는 H3PO4가 포함된다. 식각 공정으로 형성되는 육각형의 역피라미드들의 결정 면들은 GaN 결정의 {10-1-1} 평면들이다. 그것들은 피라미드들의 바닥과 58.4°의 각도를 형성한다. 최종적으로, 하드 마스크(1106)가 이용되는 경우라면, 하드 마스크(1106)는 이어서 적절한 습식 또는 건식 식각 공정을 이용하여 제거되어, 도 11I에 도시된 최종 구조를 남긴다.Subsequently, as shown in FIG. 11H, n-GaN layer 1101 is crystallographically wet etched using anisotropic wet etching. A preferred method of wet etching GaN is to use a KOH solution in a concentration range of 1M to 8M with bath temperature ranging from room temperature to 100 ° C. The etching time is in the range of about 45 minutes. Alternative wet etchants include NaOH or H 3 PO 4 . Crystal planes of hexagonal inverted pyramids formed by an etching process are {10-1-1} planes of GaN crystals. They form an angle of 58.4 ° with the bottom of the pyramids. Finally, if hard mask 1106 is used, hard mask 1106 is then removed using a suitable wet or dry etching process, leaving the final structure shown in FIG. 11I.

역피라미드들의 절대적 치수들은, 식각된 하드 마스크 영역들의 치수들에 의해 주로 결정될 것이다. 하드 마스크의 주변부들이 식각 저지 장벽을 제공할 것이고, GaN의 상부면(c-평면)이 아래쪽으로 식각되어 역피라미드들을 형성하는 것을 허용한다. 역피라미드의 명목 직경은, 식각된 하드 마스크 영역의 주변 상의 어떤 두 개의 점들 사이에 해당하는 거리 중 최대 거리와 동일해질 것이다. 부차적으로, 역피라미드의 직경은 또한 서로 다른 결정 평면들의 선택적인 식각율, 그리고, 결과적으로 총 식각 시간에 의해 결정된다. The absolute dimensions of the inverted pyramids will mainly be determined by the dimensions of the etched hard mask regions. Peripherals of the hard mask will provide an etch stop barrier and allow the top surface (c-plane) of GaN to be etched downward to form inverse pyramids. The nominal diameter of the inverse pyramid will be equal to the maximum of the corresponding distances between any two points on the periphery of the etched hard mask area. In addition, the diameter of the inverted pyramid is also determined by the selective etching rate of the different crystal planes, and consequently the total etching time.

또 다른 실시예에서, 식각 저지 층(1109)이 층들(1101, 1108) 사이의 n형으로 도핑된 물질 형태로 개재되어 존재한다. 식각 저지 층은, 비록 다른 적절한 물질들이 이용될 수 있지만, AlGaN, InGaN과 같은 물질을 포함한다. 식각 저지층(1109)의 존재는 절두형의 역피라미드들(역 절두형 피라미드들)의 형성을 허용하고, 또한 피라미드형 구조의 높이의 정확한 제어를 허용하며, 반면에 식각 시간은 역피라미드들의 절대 직경을 결정한다. 도 11J는 식각 및 하드 마스크 제거 후의 최종 구조를 도시한다. 도 11 J에 삽입된 도면은 절두형의 역피라미드 구조의 확 대된 평면도를 보여준다.In another embodiment, the etch stop layer 1109 is interposed in the form of an n-type doped material between the layers 1101 and 1108. The etch stop layer includes materials such as AlGaN, InGaN, although other suitable materials may be used. The presence of the etch stop layer 1109 allows the formation of truncated inverted pyramids (inverted truncated pyramids), and also allows precise control of the height of the pyramidal structure, while the etch time is the absolute of the inverted pyramids. Determine the diameter. 11J shows the final structure after etching and hard mask removal. The figure inserted in FIG. 11J shows an enlarged plan view of the truncated inverted pyramid structure.

도 14는 상기 공정에 의해 생성된 역피라미드들 중 하나의 SEM 현미경사진을 도시한다. 이 경우에, 피라미드는 고립된 상태이고, 바람직한 제조 실시예를 이용하여 701에 나타낸 결정 {10-1-1} 면으로 형성된다.14 shows an SEM micrograph of one of the inverted pyramids produced by the process. In this case, the pyramids are in an isolated state and are formed with the crystal {10-1-1} face shown in 701 using the preferred manufacturing example.

바람직한 실시예에서, 층들(1101, 1109, 1108)을 포함하는 복합 n-GaN 상부 영역이 발광 구조 위에 위치한다. 그러므로, 광은 층(1102)에서 방출되어, 영역(1101)을 통해 최종적으로 탈출하기 전에 내부 다중 반사들을 경험한다.In a preferred embodiment, a complex n-GaN top region comprising layers 1101, 1109, 1108 is positioned over the light emitting structure. Therefore, light is emitted at layer 1102 to experience internal multiple reflections before finally escaping through region 1101.

두꺼운 n-GaN 성장 영역은 고품질의 양자 우물(QW) 층들의 형성을 위한 결함 밀도를 줄이기 위해 필요하고, 그러므로 LED의 내부 양자 효율을 향상시킨다. 제조상의 이점들을 위하여, 상부 영역(층들(1101, 1109, 1108))은 손상되기 쉬운 양자 우물 영역(1102)에 대한 보호 층으로 작용하여, 역피라미드들의 습식 식각 중의 손상을 예방하고, 양자 우물 영역에서 표면 재결합을 최소화한다. 또한, 양자 우물 안으로의 식각은, 최대 활성 발광 면적을 줄임으로써 LED의 총 광 출력에 부정적인 영향을 준다. Thick n-GaN growth regions are needed to reduce the defect density for the formation of high quality quantum well (QW) layers, thus improving the internal quantum efficiency of the LED. For manufacturing advantages, the upper region (layers 1101, 1109, 1108) acts as a protective layer for vulnerable quantum well regions 1102 to prevent damage during wet etching of the inverted pyramids and to prevent quantum well regions. Minimize surface recombination at In addition, etching into the quantum well negatively affects the total light output of the LED by reducing the maximum active light emitting area.

또한, 광학 추출 향상에 관해서, 요구되는 역피라미드 치수들은 2.5μm의 피치에 중심을 가지는 약 1.75μm의 직경 정도의 수준이다. 이러한 치수들은 층(1101)의 최소 두께를 제한하고, 그리하여, 역피라미드들은 두꺼운 n-GaN 층에 존재하는 것이 바람직하다. 또한, 향상된 광 추출에 위하여, 식각으로 LED에서 도파 영역의 총 두께를 줄이는 것은 헤테로 구조에 존재하는 트랩 모드들의 수를 감소시킨다. 이것은 광 밴드 구조들이 더 많은 비율의 트랩 모드들과 오버랩되는 것 을 허용하고, 그럼으로써 도 15에 도시된 바와 같이 향상된 광 추출을 가져온다. 또한, n-GaN은 높은 전도성을 가지고, 이러한 특성은 소자로부터의 광 추출에 부정적인 영향을 줄 수 있는 광 밴드 구조의 상부면 상에 증착될 개별적인 전기 전류 확산 층들의 필요성을 최소화한다.In addition, with respect to optical extraction enhancement, the required reverse pyramid dimensions are on the order of a diameter of about 1.75 μm centered on a pitch of 2.5 μm. These dimensions limit the minimum thickness of layer 1101, so that inverse pyramids are preferably present in the thick n-GaN layer. In addition, for improved light extraction, reducing the total thickness of the waveguide region in the LED by etching reduces the number of trap modes present in the heterostructure. This allows the optical band structures to overlap with a higher proportion of trap modes, thereby resulting in improved light extraction as shown in FIG. 15. In addition, n-GaN has high conductivity and this property minimizes the need for individual electric current spreading layers to be deposited on the top surface of the light band structure, which can negatively affect light extraction from the device.

도 12A, 12B 및 12C는 수치적 시뮬레이션들의 결과들을 도시하는데, 일반적인 역피라미드형 광 밴드 구조 소자들의 성능을 나타낸다. z축은 반사물을 가진 패터닝되지 않은 LED에 대비한 총 추출 향상 팩터를 보여준다. 이러한 결과들은 광 밴드 구조의 피치의 함수로서 (nm 단위로) y축(1202)을 따라 도시된다. 충전 분율은 직경/피치*100으로 정의된다.12A, 12B and 12C show the results of the numerical simulations, showing the performance of typical inverted pyramid type optical band structure elements. The z-axis shows the total extraction enhancement factor against unpatterned LEDs with reflectors. These results are shown along the y axis 1202 (in nm) as a function of the pitch of the optical band structure. The filling fraction is defined as diameter / pitch * 100.

도 12A는 격자 상수(a)와 충전 분율의 함수로 나타낸, 바닥 반사물을 가진 패터닝되지 않은 LED에 대비한 역피라미드형 광 결정에 관한 중앙 30°원뿔에서의 추출 향상을 도시한다. 이러한 결과들은 1500nm의 피치와 100%의 충전 분율의 경우에, 그리고 d=0.6/λn~131nm의 위치에 존재하며 양자 우물 영역의 바로 아래에 위치하는 최적화된 마이크로 캐비티 디자인을 가진 경우에, 4.90의 최대 향상을 보여준다. 이러한 파라미터들은 1.5μm 피치 상에 간격을 가진 약 1.5μm의 역피라미드 직경들을 가진 소자에 해당한다. FIG. 12A shows the extraction enhancement at the central 30 ° cone for the inverted pyramidal photonic crystals versus the unpatterned LED with bottom reflector, expressed as a function of lattice constant (a) and charge fraction. These results are 4.90 for a pitch of 1500 nm and a fill fraction of 100%, and with an optimized microcavity design located at d = 0.6 / λn to 131 nm and located just below the quantum well region. Shows maximum improvement. These parameters correspond to devices with inverse pyramid diameters of about 1.5 μm with spacing on a 1.5 μm pitch.

시뮬레이션들은 상기 피라미드형인 경우와 같이, 2차원 시간 영역 유한 차분법을 이용하여 수행되었고, 그리하여, 이 경우의 실험적인 결과들은 훨씬 큰 추출 값들을 제공하는 것으로 기대된다.Simulations were performed using the two-dimensional time domain finite difference method, as in the case of the pyramidal form, and the experimental results in this case are expected to provide much larger extraction values.

도 12B는 격자 상수와 충전 분율의 함수로서 나타낸, 바닥 반사물을 가지며 패터닝되지 않은 LED에 대비한 총 추출의 향상을 도시한다. 이러한 결과들은 도 12A에 도시된 바와 같이, 최적 작동 범위가, 1500nm의 피치 및 100%의 충전 분율에서, 양자 우물들의 바로 아래에 위치한 최적화된 마이크로 캐비티 디자인을 가지고 나타나는 점을 강조한다. 12B shows the improvement in total extraction versus unpatterned LEDs with bottom reflectors, represented as a function of lattice constant and charge fraction. These results emphasize that, as shown in FIG. 12A, the optimum operating range appears with an optimized microcavity design located just below the quantum wells, at a pitch of 1500 nm and a fill fraction of 100%.

마지막으로, 도 12C는 역피라미드형 광 결정 구조를 가진 소자에 대해 30°원뿔에서 광 비율을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 소자에서 방출되는 광의 39%까지는 소자의 표면에 수직으로 30°의 반각을 가진 중앙 원뿔 내에 들어오도록 지향시킬 수 있다. 이것은 램버시안 발광 소자에 비해 방향성 원뿔 내에 57% 더 많은 광이 들어있다는 것에 해당한다. 이와 같이 증가된 방향성은 역피라미드들의 정돈된 배치뿐 아니라 역피라미드들의 잘 정의된 경사각 측벽들로 인한 것이다. 경사각 측벽들은, 일정한 수직 측벽의, 식각된, 공기 로드의 광 결정 LED들에 비해 30도 원뿔에서 대략 15% 더 많은 광을 제공한다.Finally, FIG. 12C shows the light ratio at the 30 ° cone for the device with inverse pyramid type photonic crystal structure. As shown, up to 39% of the light emitted from the device can be directed to enter the central cone with a half angle perpendicular to the surface of the device. This corresponds to 57% more light in the directional cones than Lambertian light emitting devices. This increased directionality is due not only to the ordered arrangement of the inverted pyramids but also to the well defined inclined angle sidewalls of the inverted pyramids. Tilt angle sidewalls provide approximately 15% more light at the 30 degree cone compared to the etched, air loaded photonic crystal LEDs of constant vertical sidewalls.

도 13은 역피라미드형 구조에 대한 평면에서의 광 분포를 통한 횡단면이고, 대표적인 원거리장 패턴을 도시한다. 이러한 결과는 x축을 따라 원거리장 각도(1301)의 함수로서 도시되고 나타내며, 광도(1302)는 바닥 반사물을 가진 패터닝되지 않은 LED로부터의 광도에 대해 정규화된다. 원거리장 패턴은 LED 표면의 수직면에 대하여 참조된다. 도 13은 1500nm의 격자 상수와 1500nm의 피라미드 직경을 가진 LED에 대한 원거리장 패턴을 도시하는데, 이것은 반사물과 최적화된 마이크로 캐비티를 가진 발광 소자에 비해 2.98 배 및 그보다 더 높은 총 추출 향상을 제공한다. 30°원뿔에서의 향상은 x4.85이고, 30°원뿔은 총 추출광의 38.6%을 포 함한다.FIG. 13 is a cross section through light distribution in plane for an inverted pyramidal structure and illustrates a representative far-field pattern. FIG. This result is shown and represented as a function of the far field angle 1301 along the x axis, and the luminance 1302 is normalized to the luminance from the unpatterned LED with the bottom reflector. The far field pattern is referenced to the vertical plane of the LED surface. FIG. 13 shows a far field pattern for an LED with a lattice constant of 1500 nm and a pyramid diameter of 1500 nm, which provides a 2.98 times and higher total extraction enhancement compared to light emitting devices with reflectors and optimized microcavities. . The improvement in the 30 ° cone is x4.85 and the 30 ° cone contains 38.6% of the total extracted light.

아래의 표 2는 동일한 녹색 GaN LED가, 단순한 램버시안 방출기로서, 식각된 공기 로드들을 포함하는 일차 광 결정 LED로서, 그리고 식각된 역피라미드들을 포함하는 역피라미드형 광 결정 LED로서 구성될 경우에, 30°의 좁은 원뿔 각도에서 방출되는 광을 총 방출되는 광의 비율로 비교한 결과를 보여준다. 광 결정 소자들의 경우에, 30°원뿔 내에 최대 비율의 광을 추출할 수 있도록 치수들이 최적화되었다. 일차 광 결정의 치수들은 350nm의 피치, 대략 210nm의 공기 로드 직경 및 약 120nm의 식각 깊이를 가지는 격자 공기 로드들을 포함하였고, 반면 역피라미드형 광 결정 치수들은 상술된 바와 같다.Table 2 below shows that when the same green GaN LED is configured as a simple Lambertian emitter, as a primary photonic crystal LED including etched air rods, and as an inverted pyramid type photonic crystal LED including etched inverse pyramids, The results show a comparison of the light emitted at a narrow cone angle of 30 ° as a percentage of the total emitted light. In the case of photonic crystal elements, the dimensions have been optimized to extract the maximum proportion of light within the 30 ° cone. The dimensions of the primary photonic crystals included lattice air rods with a pitch of 350 nm, an air rod diameter of approximately 210 nm and an etch depth of about 120 nm, while the reverse pyramid type photonic crystal dimensions were as described above.

[표 2]TABLE 2

소자 종류Device type 램버시안 LEDLambertian LED 광결정 LEDPhotonic Crystal LED 피라미드형 광결정 LEDPyramid Photonic Crystal LED 30°원뿔 내에 있는 광의 비율The proportion of light within a 30 ° cone 24.924.9 34.934.9 38.638.6

표 2에 나타난 바와 같이, 더 많은 광학 구조가 이용될수록 방향성의 증가가 얻어진다.As shown in Table 2, the more the optical structure is used, the more the directional increase is obtained.

도 15A 및 15B는 광 밴드 구조가 마이크로 캐비티 발광 소자와 함께 최적화된 경우에 획득 가능한 증가된 광 추출을 보여준다. 이 경우에, 500nm의 피치와 단순한 반사물을 가진 일반적인 광 결정이, 동일한 피치를 가지지만 추가로 마이크로 캐비티 반사물을 가지는 역피라미드형 광 결정과 비교된다. 도 15A 및 15B 모두에서, 총 광 향상(1502)은 광 결정 충전 분율(1501)의 함수로서 그려진다.15A and 15B show the increased light extraction obtainable when the optical band structure is optimized with the micro cavity light emitting device. In this case, a typical photonic crystal with a pitch of 500 nm and a simple reflector is compared with an inverted pyramidal photonic crystal with the same pitch but further microcavity reflectors. In both FIGS. 15A and 15B, the total light enhancement 1502 is plotted as a function of the photonic crystal charge fraction 1501.

도 15A에서, 실선(1503)은 반사물을 가지며 패터닝되지 않은 LED로부터의 출 력을 기준으로 정규화되는 광 결정에 대한 총 추출 향상을 나타낸다. 점선(1504)은, 반사물을 가지며 패터닝되지 않은 LED와 비교할 때, 마이크로 캐비티 및 반사물 모두를 가진 광 결정에 관한 총 광 추출 향상을 나타낸다. 도 15B는 마이크로 캐비티 효과의 결과로써 얻어지는 증가된 추출을 강조한다. 점선(1505)은 마이크로 캐비티가 일체화될 때의 광 결정의 증가된 추출 효과를, 반사물 및 마이크로 캐비티를 가지며 패터닝되지 않은 LED를 기준으로 정규화시킨 것을 나타내며, 동일한 소자에 대하여 오직 반사물만을 가지며 패터닝되지 않은 LED로부터의 출력을 기준으로 정규화될 때의 결과를 보여주는 실선(1503)과 비교하여 보여준다. 그리하여, 결합된 효과들로 인한 차이의 증가가 명백하게 보여진다.In FIG. 15A, solid line 1503 shows the total extraction improvement for the photonic crystal with reflectors and normalized based on output from the unpatterned LED. Dotted line 1504 represents the total light extraction enhancement for light crystals with both microcavities and reflectors as compared to LEDs with reflectors and not patterned. 15B highlights the increased extraction obtained as a result of the micro cavity effect. Dotted line 1505 indicates the increased extraction effect of the photonic crystal when the microcavity is integrated, normalized based on the unpatterned LED with the reflector and microcavity, patterning with only the reflector for the same device. This is shown in comparison with a solid line 1503 showing the results when normalized based on the output from an unlit LED. Thus, the increase in difference due to the combined effects is clearly seen.

본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 본 발명이 매우 효율적이고 방향성을 가진 발광 소자들이 실현되도록 함으로써, 상기 발광 소자들을 현재 존재하는 광원들에 대한 대체적인 (고체 상태) 광원들로서 실용적이도록 만들 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 발명은 피라미드형 돌출부과 역피라미드형 식각부 및 그것들의 타일링 배치의 신중한 디자인에 대한 것으로, 이것은 효율적인 광 커플링을 위해 최적화될 수 있는 광 밴드 구조를 이끌고, 상기 소자로부터 방출된 광의 전파 및 원거리장 특성들을 제어하는 것을 허용한다. 상기 소자의 실용성은 상기 소자들을 제조하기 위한 단순한 패터닝 및 식각 공정의 제공에 의해 더욱 향상되고, 이것은 더 종래의 소자들을 제조하기 위한 기존의 기술들을 보강하는 데에 손쉽게 이용될 수 있다.One of ordinary skill in the art can make the light emitting elements practical as alternative (solid state) light sources for existing light sources by allowing the present invention to be realized with highly efficient and directional light emitting elements. I will understand. The present invention is directed to the careful design of pyramidal protrusions and inverted pyramidal etches and their tiling arrangements, which lead to optical band structures that can be optimized for efficient optical coupling, and the propagation and distance of light emitted from the device. Allows you to control chapter properties. The practicality of the device is further enhanced by the provision of simple patterning and etching processes for manufacturing the devices, which can be easily used to augment existing techniques for manufacturing more conventional devices.

Claims (34)

발광 소자(light-emitting device, LED)로서,As a light-emitting device (LED), 제1 형의 도핑(doping)을 가진 제1 반도체 물질을 포함하는 제1 층;A first layer comprising a first semiconductor material with a doping of a first type; 제2 형의 도핑을 가진 제2 반도체 물질을 포함하는 제2 층; 및A second layer comprising a second semiconductor material with a doping of a second type; And 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 배치된 광 발생 층을 포함하고,A light generating layer disposed between the first layer and the second layer, 상기 제1 층은 상기 광 발생 층에서 먼(distal) 상부면 및 상기 광 발생 층에 가까운 하부면을 가지고, The first layer has a top surface distant from the light generating layer and a bottom surface close to the light generating layer, 상기 광 발생 층에서 발생된 광은 상기 제1 층의 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오고, Light generated in the light generating layer exits the LED structure through the top surface of the first layer, 상기 제1 층은, 상기 제1 반도체 물질과는 다른 굴절률을 가진 물질로 둘러싸였으며, 상기 상부면으로부터 돌출되고 상기 제1 반도체 물질로 이루어진 피라미드형 또는 절두형(frustro) 피라미드형 돌출부들(protrusions)의 타일링(tiling) 배치를 더 포함하며, The first layer is surrounded by a material having a refractive index different from that of the first semiconductor material, and protrudes from the top surface and consists of the first semiconductor material and pyramidal or frustro pyramidal protrusions. Further comprises a tiling arrangement of 상기 돌출부들의 타일링 배치와 주변 물질은 광 밴드 구조(photonic band structure)를 포함하고, The tiling arrangement of the protrusions and the surrounding material comprises a photonic band structure, 상기 돌출부들과 이들의 타일링 배치는, 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는 광이 램버시안(Lambertian) 광원으로부터 나오는 광보다 실질적으로 더욱 방향성을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 LED.And the protrusions and their tiling arrangement are configured such that light exiting the LED structure through the top surface is substantially more directional than light exiting from a Lambertian light source. 발광 소자(LED)로서,As a light emitting element (LED), 제1 형의 도핑을 가진 제1 반도체 물질을 포함하는 제1 층;A first layer comprising a first semiconductor material with a doping of a first type; 제2 형의 도핑을 가진 제2 반도체 물질을 포함하는 제2 층; 및A second layer comprising a second semiconductor material with a doping of a second type; And 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 배치된 광 발생 층을 포함하고,A light generating layer disposed between the first layer and the second layer, 상기 제1 층은 상기 광 발생 층에서 먼 상부면 및 상기 광 발생층에 가까운 하부면을 가지고,The first layer has a top surface far from the light generating layer and a bottom surface close to the light generating layer, 상기 광 발생 층에서 발생된 광은 상기 제1 층의 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오고, Light generated in the light generating layer exits the LED structure through the top surface of the first layer, 상기 제1 층은, 상기 상부면에서 상기 광 발생 층을 향하여 연장되고 상기 제1 반도체 물질과는 다른 굴절률을 가진 물질을 포함하는, 상기 제1 반도체 물질 내의 역피라미드형 또는 절두형 역피라미드형 오목부들(indentations)의 타일링 배치를 더 포함하며, The first layer is inverted pyramidal or truncated inverted pyramidal in the first semiconductor material, the material extending from the top surface toward the light generating layer and having a different refractive index than the first semiconductor material. Further comprising a tiling arrangement of indentations, 상기 오목부들의 타일링 배치와 주변의 제1 반도체 물질은 광 밴드 구조를 포함하고,The tiling arrangement of the recesses and the surrounding first semiconductor material comprise an optical band structure, 상기 오목부들과 이들의 타일링 배치는, 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는 광이 램버시안 광원으로부터 나오는 광보다 실질적으로 더욱 방향성을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 LED.Wherein the recesses and their tiling arrangement are configured such that light exiting the LED structure through the top surface is substantially more directional than light exiting a Lambertian light source. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 타일링 배치는 광 결정(photonic crystal), 광 준결정(photonic quasicrystal), 또는 비정질 타일링 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED.Wherein said tiling arrangement comprises a photonic crystal, a photonic quasicrystal, or an amorphous tiling pattern. 제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 타일링 배치는 광 결정, 광 준결정, 또는 비정질 타일링 패턴으로 구성된 반복되는 셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED. And wherein said tiling arrangement comprises repeating cells composed of a photonic crystal, a photoquasitic crystal, or an amorphous tiling pattern. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 타일링 배치는 결함(defect)을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED. And wherein said tiling arrangement comprises a defect. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 돌출부들 또는 상기 오목부들은 1.0μm보다 큰 사이즈를 가지는 것을 특징으로 하는 LED.LEDs, characterized in that the protrusions or recesses have a size greater than 1.0 μm. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 돌출부들 또는 상기 오목부들은 1.5μm보다 큰 사이즈를 가지는 것을 특징으로 하는 LED.LEDs, characterized in that the protrusions or recesses have a size greater than 1.5 μm. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 돌출부들 또는 상기 오목부들은 2.0μm보다 큰 사이즈를 가지는 것을 특징으로 하는 LED.Wherein the protrusions or recesses have a size greater than 2.0 μm. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 돌출부들 또는 상기 오목부들은 2.5μm보다 큰 사이즈를 가지는 것을 특징으로 하는 LED.Wherein the protrusions or recesses have a size greater than 2.5 μm. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 9, 상기 타일링 배치의 피치(pitch)는 1.5μm보다 큰 것을 특징으로 하는 LED.Wherein the pitch of the tiling arrangement is greater than 1.5 μm. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 9, 상기 타일링 배치의 피치는 2.0μm보다 큰 것을 특징으로 하는 LED.And the pitch of the tiling arrangement is greater than 2.0 μm. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 9, 상기 타일링 배치의 피치는 2.5μm보다 큰 것을 특징으로 하는 LED.Wherein the pitch of the tiling arrangement is greater than 2.5 μm. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 9, 상기 타일링 배치의 피치는 3.0μm보다 큰 것을 특징으로 하는 LED.Wherein the pitch of the tiling arrangement is greater than 3.0 μm. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 13, 상기 제2 반도체 물질의 상기 제2 층에 인접하게 배치된 광학 반사물을 더 포함하여, 상기 제2 층이 상기 광 발생 층과 상기 반사물 사이에 위치하는 것을 특 징으로 하는 LED.And an optical reflector disposed adjacent said second layer of said second semiconductor material, said second layer being located between said light generating layer and said reflector. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 광 발생 층과 상기 광학 반사물 사이의 이격 거리는, 상기 제1 층의 상기 상부면을 향하여 전파되는 발생된 광의 양을 향상시키는 마이크로 캐비티를 포함하기 위한 것임을 특징으로 하는 LED.And the separation distance between the light generating layer and the optical reflector is to include a micro cavity which enhances the amount of generated light propagating towards the top surface of the first layer. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 돌출부들 또는 상기 오목부들과 그것들의 타일링 배치는 상기 마이크로 캐비티 효과와 최적으로 협력하여, 상기 LED로부터의 광 추출 효율을 향상시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 LED.And the protrusions or the recesses and their tiling arrangement are configured to optimally cooperate with the microcavity effect to improve light extraction efficiency from the LED. 제1항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 16, 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는 광의 35% 이상은 상기 표면 법선에 대하여 30°반각을 가진 원뿔 내에 있는 것을 특징으로 하는 LED.At least 35% of the light exiting the LED structure through the top surface is in a cone having a 30 ° half angle with respect to the surface normal. 제1항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 16, 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는 광의 37% 이상은 상기 표면 법선에 대하여 30°반각을 가진 원뿔 내에 있는 것을 특징으로 하는 LED.At least 37% of the light exiting the LED structure through the top surface is in a cone having a 30 ° half angle to the surface normal. 제1항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 16, 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는 광의 38% 이상은 상기 표면 법선에 대하여 30°반각을 가진 원뿔 내에 있는 것을 특징으로 하는 LED.Wherein at least 38% of the light exiting the LED structure through the top surface is in a cone having a 30 ° half angle to the surface normal. 제1항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 16, 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는 광의 40% 이상은 상기 표면 법선에 대하여 30°반각을 가진 원뿔 내에 있는 것을 특징으로 하는 LED.Wherein at least 40% of the light exiting the LED structure through the top surface is in a cone having a 30 ° half angle to the surface normal. 제1항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 16, 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는 광의 분포는 상기 상부면에 대하여 60°보다 작거나 60°와 동일한 각도에 중심을 두는 것을 특징으로 하는 LED.And wherein the distribution of light exiting the LED structure through the top surface is centered at an angle less than or equal to 60 ° with respect to the top surface. 제1항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 16, 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는 광의 분포는 상기 상부면에 대하여 50°보다 작거나 50°와 동일한 각도에 중심을 두는 것을 특징으로 하는 LED.And wherein the distribution of light exiting the LED structure through the top surface is centered at an angle less than or equal to 50 ° with respect to the top surface. 제1항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 16, 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는 광의 분포는 상기 상부면에 대하여 40°보다 작거나 40°와 동일한 각도에 중심을 두는 것을 특징으로 하는 LED.And wherein the distribution of light exiting the LED structure through the top surface is centered at an angle less than 40 ° or equal to 40 ° with respect to the top surface. 제1항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 16, 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는 광의 분포는 상기 상부면에 대하여 30°보다 작거나 30°와 동일한 각도에 중심을 두는 것을 특징으로 하는 LED.And wherein the distribution of light exiting the LED structure through the top surface is centered at an angle less than or equal to 30 ° with respect to the top surface. 제1항 내지 제24항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 24, 상기 제1 층은 상기 제1 반도체 물질에서 소정의 깊이에 개재된 식각 저지 물질 층을 포함하여, 상기 제1 반도체 물질로 형성된 돌출부들이 상기 식각 저지 물질 층의 표면으로부터 연장되거나, 상기 제1 반도체 물질의 상기 오목부들이 오직 상기 식각 저지 물질 층의 표면까지만 연장되는 것을 특징으로 하는 LED.The first layer includes an etch stop material layer interposed at a predetermined depth in the first semiconductor material, such that protrusions formed of the first semiconductor material extend from a surface of the etch stop material layer, or The recesses of which extend only to the surface of the etch stop material layer. 제1항 내지 제25항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 25, 상기 제1 반도체 물질은 n형으로 도핑된 GaN을 포함하고, 상기 제2 반도체 물질은 p형으로 도핑된 GaN을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED.Wherein the first semiconductor material comprises GaN doped with n-type and the second semiconductor material comprises GaN doped with p-type. 제1항에 따른 돌출부들(projections)을 가지는 제1 층을 포함하는 발광 소자(LED)의 제조 방법으로서,A method of manufacturing a light emitting device (LED) comprising a first layer having projections according to claim 1, 제1 형의 도핑을 가지는 제1 반도체 물질을 포함하는 제1 층, 제2 형의 도핑을 가지는 제2 반도체 물질을 포함하는 제2 층, 및 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 배치된 광 발생 층을 포함하고, 상기 제1 층은 상기 광 발생 층에서 먼 상부면 및 상기 광 발생 층에 가까운 하부면을 가지고, 상기 광 발생 층에서 발생된 광은 상기 제1 층의 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는, 발광 소자 헤테로 구조(heterostructure)를 제공하는 단계;A first layer comprising a first semiconductor material having a doping of a first type, a second layer comprising a second semiconductor material having a doping of a second type, and disposed between the first layer and the second layer A light generating layer, said first layer having a top surface far from said light generating layer and a bottom surface close to said light generating layer, wherein light generated in said light generating layer passes through the top surface of said first layer Providing a light emitting device heterostructure emerging from the LED structure; 소정의 타일링 배치에 대응하는 위치들에서 마스크 물질의 아일랜드들(islands)을 포함하는 식각 마스크를 상기 제1 층 상에 형성하는 단계로서,Forming an etch mask on the first layer, the etching mask comprising islands of mask material at locations corresponding to a predetermined tiling arrangement, 상기 제1 층의 상부에 포토 레지스트 층을 증착하는 단계,Depositing a photoresist layer on top of the first layer, 상기 소정의 타일링 배치에 따라 노출시킴으로써 상기 포로 레지스트 층을 패터닝하는 단계, 및Patterning the captive resist layer by exposing according to the predetermined tiling arrangement, and 상기 소정의 타일링 배치에 대응하는 위치들에서 포토 레지스트의 아일랜드들을 남길 수 있도록, 노출되지 않은 포토 레지스트를 제거하는 단계를 포함하는, 상기 식각 마스크를 상기 제1 층 상에 형성하는 단계;Forming the etch mask on the first layer, including removing the unexposed photoresist so as to leave islands of photoresist at locations corresponding to the predetermined tiling arrangement; 소정의 결정 평면들을 따라 소정의 깊이까지 상기 제1 반도체 물질을 이방성 습식 식각하여, 상기 마스크 물질의 아일랜드들의 바로 아래의 위치들에서 상기 제1 층의 상기 제1 반도체 물질의 피라미드형 또는 절두형 피라미드형 돌출부들을 형성하는 단계; 및Anisotropic wet etch the first semiconductor material to a predetermined depth along predetermined crystal planes, such that a pyramidal or truncated pyramid of the first semiconductor material of the first layer at locations immediately below the islands of the mask material Forming shaped protrusions; And 다른 굴절률을 가진 주변 물질과 결합하여 소정의 광 밴드 구조를 포함하는, 상기 피라미드형 또는 절두형 피라미드형 돌출부들의 상기 소정의 타일링 배치를 남길 수 있도록, 상기 마스크 물질의 아일랜드들을 제거하는 단계를 포함하는 LED의 제조 방법.Removing islands of the mask material to leave the desired tiling arrangement of the pyramidal or truncated pyramidal protrusions, including a predetermined optical band structure in combination with a peripheral material having a different refractive index; Method of manufacturing LEDs. 제27항에 있어서,The method of claim 27, 상기 식각 마스크를 형성하는 단계는:The forming of the etching mask may include: 상기 포토 레지스트 층을 증착하는 단계 이전에 상기 제1 층의 상부에 하드 마스크 물질 층을 증착하는 단계;Depositing a layer of hard mask material on top of the first layer prior to depositing the photoresist layer; 상기 포토 레지스트의 아일랜드들의 바로 아래에 하드 마스크 물질의 아일랜드들을 남길 수 있도록, 상기 포토 레지스트를 제거하는 단계 이후에 하드 마스크 물질을 제거하는 단계; 및Removing the hard mask material after removing the photo resist to leave islands of hard mask material directly below the islands of the photo resist; And 상기 소정의 타일링 배치에 대응하는 위치들에서 상기 하드 마스크 물질의 아일랜드들을 포함하는 상기 식각 마스크를 남길 수 있도록, 상기 남아있는 포토 레지스트의 아일랜드들을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED의 제조 방법.Removing the islands of the remaining photoresist so as to leave the etch mask comprising islands of the hard mask material at locations corresponding to the predetermined tiling arrangement. Way. 제2항에 따른 오목부들을 가진 제1 층을 포함하는 발광 소자의 제조 방법으로서,A manufacturing method of a light emitting device comprising a first layer having recesses according to claim 2, 제1 형의 도핑을 가진 제1 반도체 물질을 포함하는 제1 층, 제2 형의 도핑을 가진 제2 반도체 물질을 포함하는 제2 층, 및 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 배치된 광 발생 층을 포함하고, 상기 제1 층은 상기 광 발생 층에서 먼 상부면 및 상기 광 발생 층에 가까운 하부면을 가지고, 상기 광 발생 층에서 생성된 광은 상기 제1 층의 상기 상부면을 통해 상기 LED 구조로부터 나오는, 발광 소자 헤테로 구조를 제공하는 단계;A first layer comprising a first semiconductor material with a doping of a first type, a second layer comprising a second semiconductor material with a doping of a second type, and disposed between the first layer and the second layer A light generating layer, said first layer having a top surface far from said light generating layer and a bottom surface close to said light generating layer, wherein light generated in said light generating layer is directed to said top surface of said first layer; Providing a light emitting device heterostructure, emerging from the LED structure through; 소정의 타일링 배치에 대응하는 위치들에서 소실되는 마스크 물질의 아일랜드들을 포함하는 식각 마스크를 상기 제1 층 상에 형성하는 단계로서,Forming an etch mask on the first layer, the etching mask comprising islands of mask material missing at locations corresponding to a predetermined tiling arrangement, 상기 제1 층의 상부에 포토 레지스트 층을 증착하는 단계,Depositing a photoresist layer on top of the first layer, 상기 소정의 타일링 배치에 따라 노출시킴으로써 상기 포토 레지스트를 패터닝하는 단계, 및Patterning the photoresist by exposing according to the predetermined tiling arrangement, and 상기 소정의 타일링 배치에 대응하는 위치들에서 소실된 포토 레지스트의 아일랜드들 남길 수 있도록, 노출되지 않은 포토 레지스트를 제거하는 단계를 포함하는, 상기 식각 마스크를 상기 제1 층 상에 형성하는 단계;Forming the etch mask on the first layer, including removing the unexposed photoresist to leave islands of missing photoresist at locations corresponding to the predetermined tiling arrangement; 소정의 결정 평면들을 따라 소정의 깊이까지 상기 제1 반도체 물질을 이방성 습식 식각하여, 상기 소실된 마스크 물질의 아일랜드들의 바로 아래의 위치들에서 상기 제1 층의 상기 제1 반도체 물질에 피라미드형 또는 절두형 피라미드형 오목부들을 형성하는 단계; 및Anisotropically wet etch the first semiconductor material to a predetermined depth along predetermined crystal planes to pyramid or cut the first semiconductor material of the first layer at locations just below the islands of the lost mask material. Forming two pyramidal recesses; And 역피라미드형 또는 절두형 역피라미드형 오목부들의 상기 소정의 타일링 배치를 상기 제1 반도체 물질에 남길 수 있도록, 남아있는 마스크 물질을 제거하는 단계를 포함하고,Removing the remaining mask material to leave the predetermined tiling arrangement of inverted pyramidal or truncated inverted pyramidal recesses in the first semiconductor material, 상기 오목부들은 상기 주변의 제1 반도체 물질과 다른 굴절률을 가진 물질를 포함하고, 광 밴드 구조를 함께 포함하는 것을 특징으로 하는 LED의 제조 방법.The concave portion includes a material having a refractive index different from that of the surrounding first semiconductor material, and includes a light band structure together. 제29항에 있어서,The method of claim 29, 상기 식각 마스크를 형성하는 단계는,Forming the etching mask, 상기 포토 레지스트 층을 증착하는 단계 이전에 상기 제1 층의 상부에 하드 마스크 물질 층을 증착하는 단계;Depositing a layer of hard mask material on top of the first layer prior to depositing the photoresist layer; 상기 소실된 포토 레지스트의 아일랜드들의 바로 아래에 소실된 하드 마스크 물질의 아일랜드들을 남길 수 있도록, 상기 포토 레지스트를 제거하는 단계 이후에 하드 마스크 물질을 제거하는 단계; 및Removing the hard mask material after removing the photo resist to leave islands of missing hard mask material directly below the islands of the missing photo resist; And 상기 소정의 타일링 배치에 대응되는 위치들에서 상기 소실된 하드 마스크 물질의 아일랜드들을 포함하는 상기 식각 마스크를 남길 수 있도록, 상기 남아있는 포토 레지스트 아일랜드들을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED의 제조 방법.Removing the remaining photoresist islands to leave the etch mask comprising islands of the lost hard mask material at locations corresponding to the predetermined tiling arrangement. Manufacturing method. 제27항 내지 제30항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 27 to 30, 상기 발광 소자 헤테로 구조의 상기 제1 층은 상기 제1 반도체 물질의 상기 소정의 깊이에 개재된 식각 저지 물질 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED의 제조 방법.And wherein said first layer of said light emitting element heterostructure comprises an etch stop material layer interposed at said predetermined depth of said first semiconductor material. 제31항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 소정의 깊이는 상기 발광 소자에 대하여 요구되는 두께에 대응되는 것 을 특징으로 하는 LED의 제조 방법.And said predetermined depth corresponds to the thickness required for said light emitting element. 제31항에 있어서,The method of claim 31, wherein 상기 소정의 깊이는 절두형 피라미드형 돌출부 또는 절두형 역피라미드형 오목부의 요구되는 형태에 대응되는 것을 특징으로 하는 LED의 제조 방법.The predetermined depth corresponds to the required shape of the truncated pyramidal protrusion or the truncated inverted pyramid-shaped recess. 제27항 내지 제33항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 27 to 33, 상기 발광 소자 헤테로 구조는 플립(flip) 칩 공정을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 LED의 제조 방법.The light emitting device heterostructure is manufactured using a flip chip process.
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