KR20100122485A - 발광체층 쉐이핑을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

발광체층 쉐이핑을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20100122485A
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둥 티 두옹
폴 엔 윈버그
매튜 알 토마스
엘리어트 엠 피커링
무함마드 키자르
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일루미텍스, 인크.
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Abstract

발광 다이오드(LED)의 광 출력을 최대화하고 희망하는 세기 분포를 달성하도록 LED의 기판에 대해 제어된 깊이 또는 높이로 쉐이핑된 발광체층을 갖는 LED의 실시예들이 개시된다. 몇몇 실시예들에서, LED의 출구면이 방사휘도를 보존하도록 선택될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 기판과 측벽들을 비롯하여, 전체 LED를 쉐이핑하는 것, 또는 기판만을 쉐이핑하는 것은 발광체층으로부터 발광체층에서 생성된 빛의 정확히 100% 또는 대략적으로 100%를 추출할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 총 효율은 적어도 90% 이상이다. 몇몇 실시예들에서, 발광체층은 에칭, 기계적 쉐이핑, 또는 다양한 쉐이핑 방법들의 조합에 의해 쉐이핑될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 작은 발광체들을 형성하기 위해 발광체층의 일부분만이 쉐이핑된다. 쉐이핑되지 않은 부분은 LED을 위한 연속적인 전기적 접속부를 형성한다.

Description

발광체층 쉐이핑을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR EMITTER LAYER SHAPING}
본 출원은 35 U.S.C. 119(e)하에서, "EMITTER LAYER SHAPING"이라는 명칭으로 2008년 2월 8일에 출원된 미국 가특허 출원 제61/027,354호와, "EMITTER LAYER SHAPING"이라는 명칭으로 2008년 11월 25일에 출원된 미국 가특허 출원 제61/049,964호의 우선권을 주장한다. 본 출원은 "LED SYSTEM AND METHOD"이라는 명칭으로 2007년 10월 1일에 출원된 미국 특허 출원 제11/906,219호와, "LED SYSTEM AND METHOD"이라는 명칭으로 2007년 10월 1일에 출원된 미국 특허 출원 제11/906,194호와 관련된 것으로서, 이 특허 출원들 모두는 "SHAPED LIGHT EMITTING DIODES"이라는 명칭으로 2006년 10월 2일에 출원된 미국 가특허 출원 제60/827,818호와, "SYSTEM AND METHOD FOR A SHAPED SUBSTRATE LED"이라는 명칭으로 2007년 1월 22일에 출원된 미국 가특허 출원 제60/881,785호로부터 우선권을 주장한다. 본 명세서에서 참조된 모든 출원들은 그 전체가 본 명세서에 병합된다.
일반적으로, 본 발명개시는 발광 다이오드(LED) 디바이스에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 임의의 LED의 광 추출 효율을 최대화하기 위해 발광체 물질을 쉐이핑(shaping)하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드("LED")는 전자장치들에서는 아주 흔한 것이다. 이 LED들은 디지털 디스플레이, 조명 시스템, 컴퓨터, 텔레비전, 셀룰라 전화기, 및 기타의 다양한 디바이스들에서 이용된다. LED 기술에서의 개발은 하나 이상의 LED들을 이용한 백색광의 생성을 위한 방법 및 시스템을 이끌어냈다. LED 기술에서의 개발은 보다 많은 광자를 생성시키고 이에 따라 이전보다 많은 빛을 생성시키는 LED를 이끌어냈다. 이러한 두 개의 기술적인 개발들의 정점은 컴퓨터에서 트랜지스터가 진공관을 대체한 것 처럼, LED가 수 많은 통상적인 광원들, 예컨대 백열등, 형광등, 또는 할로겐등을 보충하거나 또는 이를 대체하여 이용되고 있는 중이라는 점이다.
LED는 적색, 녹색 및 청색을 포함하는 복수의 색으로 제조된다. 백색광을 생성시키는 한가지 방법은 적색, 녹색 및 청색 LED들을 서로 조합하여 이용하는 것을 수반한다. 적색, 녹색, 및 청색(RGB) LED들의 조합으로 이루워진 광원은 인간의 눈에 의해 백색광으로서 인지되는 빛을 생성시킬 것이다. 이것은 인간의 눈이 청색, 녹색, 또는 적색에 각각 민감한 세 가지 유형의 색 수용체를 갖기 때문에 일어난다.
LED 광원으로부터 백색광을 생성하는 두번째 방법은 단색(예컨대, 청색)의 단파장 LED로부터 빛을 생성하고, 이 빛의 일부분을 형광체 또는 이와 유사한 광자 변환 물질상에 비추는 것이다. 형광체는 고 에너지의 단파장 광파를 흡수하고, 저 에너지의 장파장 빛을 재방출시킨다. 만약 예컨대 (녹색과 적색 사이의) 노란색 영역의 빛을 방출시키는 형광체가 선택되면, 인간의 눈은 이와 같은 빛을 백색광으로서 인지한다. 이것은 노란색 빛이 인간의 안구내의 적색 수용체와 녹색 수용체 모두를 자극시키기 때문에 일어난다. 나노 입자 또는 기타 이와 유사한 발광성 물질과 같은 기타의 물질들이 이와 매우 동일한 방법으로 백색광을 생성시키는데에 이용될 수 있다.
백색광은 또한 자외선(UV) LED와 세 개의 개별적인 RGB 형광체를 활용하여 생성될 수 있다. 추가적으로, 백색광은 청색 LED와 노란색 LED로부터 생성될 수 있으며, 또한 청색, 녹색, 노란색 및 적색 LED를 조합형태로 활용하여 생성될 수 있다.
LED의 구축을 위한 현재의 산업동향은 기판(일반적으로 단결정 사파이어 또는 실리콘 카바이드) 위에 GaN 또는 InGaN과 같은 물질층을 증착시켜서 이용하는 것이다. 하나 이상의 층들(예컨대, GaN 또는 InGaN)은 광자 생성 및 전류 전도를 가능하게 해줄 수 있다. 일반적으로, 갈륨 질화물(GaN)의 제1층이 기판면에 도포되어 광자 생성 또는 전류 전도를 가능하게 해주는 기판의 결정구조로부터 도핑층의 결정구조로의 천이 영역을 형성한다. 이것에 이어서 일반적으로 GaN의 n도핑층이 뒤따른다. 그 다음 층은 광자를 생성하며 희망하는 파장의 빛을 생성하는데 필요한 물질로 도핑된 InGaN, AlGaN, AlInGaN 또는 기타의 화합물 반도체 물질층일 수 있다. 그 다음 층은 일반적으로 GaN의 P 도핑층이다. 이 구조물은 디바이스에 대한 전기적 접속을 위한 금속 부위를 생성시키기 위해 에칭과 증착에 의해 추가적으로 변경된다.
전통적인 다이오드에서와 같이, LED의 동작 동안에, 잉여 전자들은 n형 반도체로부터 p형 반도체내의 정공으로 이동한다. LED에서, 광자들은 이러한 프로세스 동안에 화합물 반도체층에서 해방되어 빛을 생성시킨다.
일반적인 제조 프로세스에서, 기판은 웨이퍼 형태로 제조되고 층들이 웨이퍼면에 도포된다. 층들이 도핑 또는 에칭되고 모든 특징물들이 언급한 다양한 프로세스들을 이용하여 정의되면, 개별적인 LED들이 웨이퍼로부터 분리된다. LED들은 일반적으로 직선형 변을 갖는 정사각형 또는 직사각형이다. 이것은 심각한 효율성 손실을 야기시킬 수 있으며, 방출된 빛이 불량한 방출 패턴을 갖도록 야기시킬 수 있다. 보다 희망하는 출력을 달성시키도록 플라스틱 돔과 같은, 개별적인 광학 디바이스가 종종 LED위에 배치된다.
수 많은 LED 응용예들에서, 주어진 전력 입력에 대해 가시광 출력을 최대화시키는 것이 바람직한데, 이러한 출력량은 종종 백색광의 경우 와트 당 루멘스(lm/W)로 표현되거나, 또는 청색과 같은 단파장광의 경우에서는 와트 당 밀리와트(mW/W)로 표현된다. 현존하는 LED 기술들은 이 비율[이것을 일반적으로 “총 효율(overall efficiency)” 또는 “월 플러그 효율(wall-plug efficiency)"이라고 부른다]을 증가시키려고 시도할 수 있다. 하지만, 현존하는 LED 기술들은 여전히 불량한 총 효율과 낮은 추출 효율로 고충을 겪고 있다.
본 명세서에서 개시된 완전한 발광체층 쉐이핑(Complete Emitter Layer Shaping; CELS) 프로세스의 실시예들은 임의의 발광 다이오드의 발광체 물질을 쉐이핑하여 발광 다이오드의 광 추출 효율을 최대화시키는 기하학적 및 광학적 솔루션을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이 프로세스는 GaN 쉐이핑으로서 불리워진다.
본 명세서에서 개시된 실시예들은 자외선, 가시광선 및 적외선 광을 포함하는 빛과 통상적으로 연계된 전자기 스펙트럼의 측면에서 진술되었다. 본 명세서에서 개시된 원리들은 이용되는 적합한 물질들이 관심대상의 파장에 투명한 임의의 전자기 방사 파장에 적용될 수 있다. 본 발명분야의 당업자는 본 명세서에서 개시된 발광체층 쉐이핑 방법 및 시스템이 넓은 범위의 파장들에서 들어맞도록 유사하게 이행될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 관심대상의 파장 범위의 예시는 테라 헤르쯔 주파수 범위이다.
LED의 발광물질은 복수의 기판들상에서 성장될 수 있다. 현재, 대다수의 InGaN LED는 사파이어 기판상에서 성장된다. 사파이어의 굴절율은 발광물질(InGaN)보다 훨씬 낮으며, 이에 따라 사파이어 기판내로 진입하는 광자들의 수는 매우 감소된다. 발광물질을 쉐이핑하는 데에 있어서, GaN 물질로부터 방출되는 모든 빛은 사파이어 기판내로 탈출하여 및 궁극적으로는 대기밖으로 탈출할 수 있다.
오늘날 시장에서의 거의 모든 청색 및 녹색 LED들은 사파이어 또는 실리콘 카바이드 기판에 도포되는 제1 물질층으로서 GaN(갈륨 질화물)을 이용하여 구축된다. 또한, 도포되는 실제의 층들은 GaN 뿐만이 아니라 InGaN, AlInGaP 등과 같은 화합물 반도체 물질들을 비롯하여, 가변적일 수 있으며 복잡하다. 오늘날의 과학 개발에는 LED층들을 위한 GaN 이외에도 다른 물질들을 이용하는 것을 포함한다. 본 출원발명에서 설명된 기술들은 발광 디바이스에서의 이러한 모든 층들 및 임의의 층들에 적용된다. 본 명세서에서 사용된 어구들 “완전한 발광체층 쉐이핑”, “CELS” 및 “GaN 쉐이핑”은 실제로 GaN을 쉐이핑하던지, 몇몇의 다른 물질을 쉐이핑하던지, 또는 이들의 조합물을 쉐이핑하던지 간에, 이러한 모든 활동들을 포함하는 것을 의미한다. 계산과 예시를 위해, 본 출원발명에 걸쳐서 GaN이 발광물질로서 이용된다. 하지만, 본 발명의 당업자는 본 명세서에서의 수학식과 상세설명이 다른 물질 세트에 걸쳐서 동일하게 적용되며 본 명세서에서 개시된 예시들에 의해 한정되지는 않는다는 것을 이해할 것이다.
빛 에너지가 생성되는 통상적인 LED는 높은 굴절율로 인한 불량한 광 추출 효율로 고충을 겪고 있다. 높은 굴절율 물질로부터 낮은 굴절율 물질로 천이하면, 전반사(total internal reflection; TIR)는 빛의 탈출 원뿔(escape cone)을 제한시킨다. 탈출 원뿔각은 임계각(critical angle)이다. 이 임계각은 스넬의 법칙을 이용하여 계산될 수 있다.
일 실시예에서, LED의 발광체층의 일부분은 LED의 기판에 대한 제어된 깊이 또는 높이로 쉐이핑된다. 본 명세서에서 개시된 실시예들에서, 발광체층은 마이크로 LED라고도 불리어지는 소형 발광체들의 어레이를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 마이크로 LED들 각각은 정사각형, 직사각형, 또는 육각형 형상을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 발광체층은 에칭에 의해 쉐이핑된다. 일 실시예에서, 기판은 사파이어이다. 일 실시예에서, 발광체층 물질은 기판과 연속적인 접촉을 이룬다. 일 실시예에서, 발광체층 물질은 기판과 전기적 접촉을 이룬다. 일 실시예에서, 발광체층 물질은 기판과의 전기적 평면 또는 연속적인 전기적 접속부를 형성한다.
몇몇 실시예들에서, 발광체층의 일부분만이 쉐이핑된다. 몇몇 실시예들에서, LED의 발광체층은 쉐이핑된 부분과 쉐이핑되지 않은 부분 또는 영역을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 발광체층의 쉐이핑된 부분은 제어된 깊이 또는 높이를 갖고, 발광체층의 쉐이핑되지 않은 부분 또는 영역은 전기적 평면 또는 대체로 연속적인 전기적 접속부를 형성하며, 이것은 대체로 기판과 연속적인 접촉을 이룬다. 몇몇 실시예들에서, 발광체층의 쉐이핑되지 않은 부분은 모서리들에서 전원에 결합될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 발광체층의 하나 이상의 쉐이핑된 부분들은 전원에 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 제한 광선(limiting ray)이 발광체층의 쉐이핑된 부분에서 최장거리 또는 대략적으로 최장거리를 횡단할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제한 광선은 기판에 대한 발광체층의 쉐이핑된 부분의 깊이 또는 높이로 대체로 종단되도록 선택될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 발광체층 물질은 발광체층의 쉐이핑된 부분에서 최장거리 또는 대체적으로 최장거리를 횡단하는 하나 이상의 제한 광선들에 기초하여 쉐이핑될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, LED의 측벽들은 또한 전반사를 이용하여 LED의 광출력을 최대화하고 희망하는 세기 분포를 달성하도록 쉐이핑될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, LED의 출구면(exit face)이 방사휘도(radiance)를 보존하도록 선택될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, LED의 측벽 형상은 다음의 제약사항에 기초하여 경험적으로 결정된다.
ㆍ 측벽을 비추는 발광체로부터 방출되는 모든 광선들은 임계각 이상의 각도로 이 측벽을 비춰야한다.
ㆍ 측벽으로부터 반사되어 나오는 모든 광선들은 출구면쪽으로 반사되어야 하며, 출구면에서의 입사각은 임계각 미만이어야 한다.
몇몇 실시예들에서, 측벽 형상에 대한 기준은 출구면에서 광 세기의 균일성 또는 무한대의 가우시안 분포, 또는 이 모두, 또는 다른 조건 세트를 더 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 방출된 빛이 희망하는 세기 또는 각도로 기판에 조사되는 것을 보장하도록 측벽은 쉐이핑될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 희망하는 세기 또는 각도는 기판의 특성, 예를 들어, 기판의 굴절율, 발광체 물질 또는 기타의 물질의 특성에 기초하여 결정될 수 있다.
본 명세서에서 개시된 실시예들은 수 많은 장점들을 제공한다. 예를 들어, 기판을 비롯하여 전체 LED를 쉐이핑하는 것 또는 기판만을 쉐이핑하는 것은 발광체층으로부터 발광체층에서 생성된 빛의 100% 또는 대략적으로 또는 대체적으로 이 빛의 100%를 추출하는 것을 달성할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 본 명세서에서 개시된 발광체 물질을 쉐이핑하는 것을 통해, 발광 다이오드는 광 추출 효율을 대략 최소한 90% 그 이상에서 달성할 수 있다.
본 명세서에서 개시된 실시예들에 의해 제공된 다른 장점은 단일 LED를 생성하기 위해, 마이크로 LED라고도 불리우는 미소 발광체의 대규모 어레이를 쉐이핑하는 능력이다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, LED의 발광체층은 하나의 마이크로 LED 또는 소수의 마이크로 LED들에서 수 백만의 마이크로 LED들의 어레이를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 개시된 실시예들에 의해 제공된 또 다른 장점은, 미소 발광체(마이크로 LED)로, 발광체층을 쉐이핑하는 데에 있어서 제거될 필요가 있는 발광물질의 총체적 부피를 또한 감소시킬 수 있다라는 점이다. 추가적으로, 본 명세서에서 개시된 실시예들을 통해, 기판 물질은 거의 제거될 필요가 없거나 또는 전혀 제거될 필요가 없는데, 이것은 예컨대 사파이어의 경우에서와 같이 기판 물질이 제거되기 어려울 수 있고 및/또는 제거하는데 비용이 많이 들기 때문에 LED의 생산을 가속화시켜줄 수 있고 LED의 생산 비용을 감소시켜줄 수 있다.
본 명세서에서 개시된 실시예들은 마운팅, 열 방산 및 조명의 균일성에 대한 추가적인 장점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 각각의 마이크로 LED의 발광 베이스는 마이크로 LED에 전력을 제공해주며 또한 마이크로 LED에 대한 열 제거 통로를 제공해주는 서브마운트에 직접 접합될 수 있다. 이러한 구조는 우수한 열 발산을 제공해줄 수 있다. 발광체들은 서로 멀리 흩어져있기 때문에, 열적 밀도가 또한 감소될 수 있다. 다른 예시로서, 매우 작은 크기의 각각의 마이크로 LED와 결합된 각각의 마이크로 LED의 탈출 각도는 빛이 기판의 두께내에 여전히 포함된 동안에 하나의 마이크로 LED로부터의 출구 광선들이 이웃하는 많은 수의 마이크로 LED들의 출구 광선들과 중첩되도록 해줄 수 있다. 빛이 기판의 출구면에 도달할 때, 수 많은 마이크로 LED들로부터의 빛은 평균화되어서 매우 균일한 광 출력 프로파일을 생성시킨다.
요약하면, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 다음의 영역들에서 기술적 장점들을 제공해줄 수 있다:
1. 전류 확산,
2. 열 제거,
3. 방출 균일성,
4. 비활성 영역(N층) 접촉부 대비 활성 영역(P층) 접촉부의 비율 증가,
5. 보다 높은 외부 양자 효율,
6. 보다 높은 추출 효율로 인한 루멘 당 낮은 열 생성,
7. 트루 밝기 보존.
본 명세서에서 개시된 실시예들의 다른 목적 및 장점은 이하의 상세설명과 첨부된 도면을 함께 고려할 때에 보다 잘 이해되고 인식될 것이다.
본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면들이 본 발명개시의 일정한 양태들을 도시하기 위해 포함되어 있다. 본 발명개시의 보다 명확한 효과는 도면들에서 도시된 예시적이고 이에 따라 비제한적인 실시예들을 참조함으로써 보다 손쉽게 명백해질 것이다. 가능하다면, 동일하거나 유사한 특징들(엘리먼트들)을 가리키기 위해 동일한 참조 번호들이 도면들에 걸쳐서 이용될 것이다. 도면들은 반드시 실척도로 도시되어 있는 것만은 아니다.
도 1은 어떻게 전반사(TIR)가 빛의 탈출 원뿔을 제한시켜서 낮은 광 추출 효율을 불러일으킬 수 있는지에 관한 한가지 예시에 대한 도식도이다.
도 2a 및 도 2b는 쉐이핑된 측벽들을 갖는 쉐이핑된 기판을 포함하는 정방형 발광체의 일 실시예의 도식도의 다양한 모습들을 도시한다.
도 3은 쉐이핑된 측벽들을 갖춘 쉐이핑된 기판의 예시적인 입체 모델의 측면도이다.
도 4는 쉐이핑된 측벽들로부터 반사되어 출구면에 이르는 광선들을 도시하는, 도 3의 입체 모델속을 진행하는 광선들의 한가지 예시를 도시한다.
도 5는 출구 검출기 평면에서의 근거리장 분포를 도시하는, 광선 추적 프로그램에서 생성된 정방형 발광체의 입체 모델의 스크린샷이다.
도 6은 출구 검출기 평면 뒤의 원거리장 분포를 도시하는, 도 5의 입체 모델의 스크린샷이다.
도 7a 내지 도 7d는 육각형 발광체의 일 실시예의 도식도의 다양한 모습들을 도시한다.
도 8은 LED의 발광체층을 쉐이핑함으로써 생성된 육각형 발광체의 일 실시예의 도식도이다.
도 9는 발광체층을 포함하는, 복수의 층들을 갖는 LED의 일 실시예의 도식도이다.
도 10 및 도 11은 근거리장과 원거리장 분포들을 도시하는, 육각형 발광체의 입체 모델의 스크린샷들이다.
도 12는 기판, 발광체층, 및 N접촉층을 포함하는 LED의 일 실시예의 도식도이다.
도 13은 발광체층의 쉐이핑된 부분에서 형성된 육각형 발광체들의 어레이를 갖는 발광체층과 기판을 포함하는 LED의 일 실시예의 도식도이다.
도 14는 다단계 메사 에칭 프로세스의 일 실시예의 도식도이다.
도 15는 곡선형 측벽들을 갖는 육각형 기하학적 구성의 마이크로 LED들의 어레이를 포함하는 LED의 일 실시예의 도식도이다.
도 16는 경사진 측벽들을 갖는 육각형 기하학적 구성의 마이크로 LED들의 어레이를 포함하는 LED의 일 실시예의 도식도이다.
도 17는 직선형 측벽들을 갖는 육각형 기하학적 구성의 마이크로 LED들의 어레이를 포함하는 LED의 일 실시예의 도식도이다.
본 발명개시 및 다양한 특징들 및 장점들의 상세설명은 첨부된 도면들에서 도시되고, 이하의 상세한 설명에서 설명된 예시적이며, 이에 따라 비제한적인 실시예들을 참조하여 보다 완벽하게 설명된다. 알려진 시작 물질들과 프로세스들의 상세설명은 본 발명개시의 자세한 설명을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 하기 위해 생략될 수 있다. 하지만, 상세한 설명 및 특정한 예시들은 바람직한 실시예들을 가리킨 것으로서, 이것은 단지 설명을 위해 주어진 것이지 본 발명을 제한시키기 위해 주어진 것은 아님을 이해해야 한다. 아래의 발명적 개념의 사상 및/또는 범위내에서의 다양한 대체, 수정, 추가 및/또는 재배열이 본 발명개시로부터 본 발명분야의 당업자에게 자명해질 것이다.
본 명세서에서 이용된, 용어 “구성하다”, “구성한”, “포함하다”, “포함한”, “갖다”, “갖는” 또는 이것들의 임의의 기타 변형체들은 비배타적 포함을 다루는 것을 의도한다. 예를 들어, 엘리먼트들의 리스트를 포함하는 프로세스, 제품, 물품, 또는 장치는 반드시 이러한 엘리먼트들로 한정될 필요는 없으며 명백하게 나열되지 않거나 또는 이러한 프로세스, 제품, 물품, 또는 장치에 내재된 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 이와 상반되게 명백히 진술되지 않는 한, “또는”은 포함적 논리합을 말하며 배타적 논리합을 말하지는 않는다. 예를 들어, 조건 A 또는 B는 다음 중에서, A가 참(또는 존재)이고 B가 거짓(또는 비존재)인 경우, A가 거짓(또는 비존재)이고 B가 참(또는 존재)인 경우, 및 A와 B 모두가 참(또는 존재)인 경우 중 어느 것에 의해서도 만족된다.
추가적으로, 본 명세서에서 주어진 임의의 예시들 또는 설명들은 어떠한 방식으로든지 이러한 것들이 활용되는 임의의 용어 또는 용어들에 대한 제한, 한정, 또는 명시적 정의로서 간주되어서는 안된다. 이 대신에, 이러한 예시들 또는 설명들은 하나의 특정한 실시예에 대해 기술된 예시적인 것이라고만 간주되어야 한다. 본 발명분야의 당업자는 이러한 예시들 또는 설명들이 활용되는 임의의 용어 또는 용어들은 다른 실시예들 뿐만이 아니라 본 명세세에서 또는 곳곳에서 주어질 수 있거나 또는 주어지지 않을 수 있는 이러한 용어 또는 용어들의 구현예 및 적응예를 망라하며, 이러한 모든 실시예들은 이러한 용어 또는 용어들의 범위내에 포함된다는 것을 알 것이다. 이와 같은 비제한적인 예시들 및 설명들을 지정하는 언어는, 비제한적인 예로서,“예를 들어”, “예컨대”, “예로서”, “일 실시예에서” 등을 포함한다.
이제부터, 본 발명개시의 예시적인 실시예들, 첨부된 도면들에서 도시된 예시들에 대해 상세하게 설명을 한다. 가능한 한, 다양한 도면들의 동일 및 대응하는 부품들(엘리먼트들)을 언급하기 위해 동일한 번호들이 도면들에 걸쳐서 이용될 것이다.
본 명세서에서 개시된 실시예들에서, LED는 LED로부터의 광 방출을 증가시키거나 또는 조정하기 위해 다양한 방법으로 쉐이핑될 수 있다. 일 실시예에서, 기판은 LED의 양자 우물 구역에 의해 생성된 빛 모두 또는 그 대다수가 LED의 기판의 출구면 밖으로 전파되어 나오도록 쉐이핑된다. 이를 위해, 출구면은 방사휘도 보전(conservation of radiance)의 원리를 고려하여 크기가 정해질 수 있다. 일 실시예에서, 출구면은 양자 우물 구역과 기판사이의 경계면을 관통하여 기판에 진입하는 빛 모두 또는 그 대다수가 출구면을 나오도록 해주고, 이로써 방사휘도를 보존하고자 하는 희망과 크기, 특히 출구면의 크기를 감소시키고자 하는 희망을 결합시키게 해주도록 하는 최소 크기일 수 있다. 추가적으로, 반사 또는 전반사(“TIR”)가 기판 측벽상에 입사하는 광빔이 출구면을 향해 반사하게 하고 임계각 이하의 각도로 출구면상으로 입사되게 해주도록 기판의 측벽들이 쉐이핑될 수 있다. 결과적으로, 출구면에서의 TIR로 인한 빛 손실은 감소되거나 제거된다. 추가적인 실시예에서, 측벽에 부딪치는 빛이 기판내에서 반사되고 측벽을 통과하지 못하도록 보장하기 위해, 기판의 측벽 또는 측벽들은 또한 빛이 측벽을 관통하여 나가지 못하도록 빛을 반사시키는 반사성 물질로 코팅될 수 있다. LED 기판 및 측벽을 쉐이핑하는 시스템 및 방법의 상세한 예시들이 "LED SYSTEM AND METHOD"이라는 명칭으로 2007년 10월 1일에 출원된 위에서 언급한 US 특허 출원 제11/906,219호 및 제11/906,194호에서 설명되어 있으며, 이 출원들 모두는 모든 목적을 위해 본 명세서에서 그 전체가 병합된다.
LED의 발광물질은 복수의 기판들상에서 성장될 수 있다. 오늘날 시장에서 거의 모든 청색 및 녹색 LED들은 사파이어 또는 실리콘 카바이드 기판에 도포되는 제1 물질층으로서 GaN(갈륨 질화물)을 이용하여 구축된다. 또한, 도포되는 실제의 층들은 GaN뿐만이 아니라 InGaN, AlInGaP 등과 같은 화합물 반도체 물질들을 포함하여, 가변적일 수 있으며 복잡하다. 현재, 대다수의 InGaN LED는 사파이어 기판상에서 성장된다. 사파이어의 굴절율은 발광물질(InGaN)의 굴절율보다 훨씬 낮으며, 이에 따라 사파이어 기판내로 진입하는 광기판내로 진입하는 광자들의 수는 매우 감소된다. 높은 굴절율 물질로부터 낮은 굴절율 물질로의 천이시에, 전반사(TIR)는 빛의 탈출 원뿔을 제한시킨다. 탈출 원뿔각은 임계각이다. 이 임계각은 스넬의 법칙을 이용하여 계산될 수 있다.
굴절의 법칙으로도 알려진 스넬의 법칙은 물과 유리와 같은 두 개의 상이한 등방성 매질사이의 경계면을 통과하는 빛 또는 기타 파동들을 언급할 때에, 입사각와 굴절각 간의 관계를 설명하는데 이용되는 공식이다. 스넬의 법칙은 입사각과 굴절각의 사인값 비율이 매질의 굴절율에 좌우되는 상수라는 것을 말해준다.
도 1은 빛이 어떻게 LED 구조물(100)의 상이한 매질을 관통하여 이동하는지에 관한 도식도이다. 도 1의 예시에서는, 갈륨 질화물(GaN)과 사파이어 사이의 제1 경계[경계면(101)]과 사파이어와 공기 사이의 제2 경계[경계면(102)]이 존재한다. 훨씬 낮은 사파이어의 굴절율은 몇몇의 광자들로 하여금 보다 높은 굴절율을 갖는 발광물질내에 속박되도록 만든다. 발광물질내에 속박된 빛의 양은 LED의 광 추출 효율에 반비례한다. GaN 물질내에 보다 많은 빛이 속박되면, LED는 보다 덜 효율적이게 된다. 본 명세서에서 개시된 완전한 발광체층 쉐이핑(Complete Emitter Layer Shaping; CELS) 프로세스의 실시예들에 따라 발광물질을 쉐이핑하면 GaN으로부터 방출된 빛이 사파이어 기판내로 탈출하는 것을 용이하게 해주며, 궁극적으로는 사파이어로부터 공기로 탈출하도록 해줄 수 있다. 본 명세서에서 개시된 실시예들에 따르면, CELS 프로세스는 발광체 물질을 쉐이핑하는 것을 통해서 임의의 발광 다이오드의 광 추출 효율을 최대화시킬 수 있다. 본 명세서에서는 예시적인 발광 물질로서 GaN을 이용하기 때문에, 이 프로세스를 여기서 GaN 쉐이핑이라고도 부른다.
공기의 굴절율을 1로 하고, 사파이어의 굴절율을 1.77로 하고, GaN의 굴절율을 2.5로 가정하면, GaN에서의 출구각은 다음과 같이 계산될 수 있다:
[수학식 1]
Figure pct00001
이 예시에서 임계각은 GaN에서 생성된 빛에 대해 23.58도이다. 한가지 가정은 발광 영역 아래에 부분적 반사층 또는 완전한 반사층이 존재하며 이에 따라 빛은 반구내로만 방출된다라는 점이다.
탈출 원뿔은 방출된 전체 빛의 작은 일부분이다. 손실된 에너지의 양을 계산하기 위해, 탈출 원뿔 대비 램버시안(lambertian) 발광체의 투사된 입체각을 계산한다. 램버시안 발광체의 입체각은 π 스테라디안(steradian)이다. 23.58도 탈출 원뿔의 입체각은:
[수학식 2]
Figure pct00002
이다.
광 추출 효율은 대략 16%인데, 이것은 발광물질(GaN)내에서 생성된 에너지의 16%가 도 1의 예시에서의 LED의 윗면을 탈출했다는 것을 의미한다.
본 산업계내의 수 많은 사람들은 LED 구조내의 다양한 높은 굴절율 대 낮은 굴절율 경계면에서 TIR을 방해시키거나 또는 제한시키는 방법에 관해 초점을 두고 있지만, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 왜 TIR이 이러한 경계면들에서 존재하는지에 관해 초점을 둔다. TIR은 밝기(Brightness) 때문에 발생한다. 방사휘도 보전 이론이라고도 불리우는 밝기 이론은 광학장치에 적용되는 에너지 보전 이론이다. 방사휘도 보전 이론은 시스템의 방사휘도는 보전되어야 한다는 것을 말하고 있다.
방사휘도 보전 이론은:
[수학식 3]
Figure pct00003
이며, 여기서,
Φ = 광속(flux)
n = 굴절율
A = 면적
Ω = 입체각
이다.
생성된 모든 에너지는 A1으로부터 탈출하는 것으로 가정하고, 초기 방출 패턴과 최종 방출 패턴은 램버시안인 것으로 가정하면, 이 수학식은:
[수학식 3a]
Figure pct00004
로 축소된다.
주어진 굴절율의 물질로부터 보다 낮은 굴절율의 물질로의 천이시에, 보다 낮은 굴절율 물질에서의 방출 면적은 증가해야만 한다는 것을 밝기 공식은 명시하고 있다. 이것은 광속이 보전되고 입체각들은 동일하다는 것, 즉 램버시안이라는 것을 가정한다. 이러한 증가는 굴절율 비의 제곱과 직접 관련된다.
높은 굴절율 물질내의 작은 발광체 면적으로부터 낮은 굴절율 물질의 넓은 면적으로의 천이시에, 측벽들은 전반사를 이용하도록 쉐이핑된다. 양자 우물 구역으로부터 방출된 빛은 측벽들로부터 반사되어서 전반사를 거쳐서 보다 넓은 면적으로 향한다. 발광체로부터 나온 모든 광선들(또는 설계에 의해 결정된 일정량의 광선들)은 임계각보다 큰 각도로 측벽에 부딪쳐서 전반사된다. 출구에 부딪친 광선들은 바람직하게는 임계각보다 작은 각도이며, 출구면을 통과하여 낮은 굴절율 물질내의 넓은 면적내로 진입한다. 따라서, 시스템 밝기는 측벽들에 의해 정의된 광학 시스템을 통해 보존된다.
기저 기판은 사파이어이며, 발광 물질은 GaN이며, 희망하는 출구각은 90도, 즉 램버시안이라고 가정하면, 출구 면적은 밝기 이론([수학식 3])을 통해 계산될 수 있다. 위의 [수학식 3a]은 출구 면적의 유도식이다. 출구 면적 대 입력 면적 비는 굴절율들의 비의 제곱과 동일하다. 예로서, 발광 매질이 2.5의 굴절율을 갖고 종단 매질이 공기인 경우, 출력 방출이 램버시안인 것을 가정하면, 출구 면적은 입력 면적의 2.5배의 제곱과 동일하다. 이 예시에서, 출구 면적 대비 발광체 면적 비는 6.25:1이다.
도 2a 및 도 2b는 쉐이핑된 부분(10)과 쉐이핑된 측벽들(60, 65)을 포함하는 정방형 발광체(20)의 예시적인 실시예의 도식도의 평면도와 측면도를 도시한다. 몇몇 실시예들에서, 출구면(55)은 제조 프로세스의 허용오차 범위내에서 경계면(50)과 실질적으로 동일한 형상일 수 있고, 이에 실질적으로 평행하며, 이와 실질적으로 환형형태로 정렬되어 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 출구면(55)의 형상은 경계면(50)의 형상과 다를 수 있다.
출구면(55)의 면적은 밝기 이론([수학식 3])에 따라 밝기를 보전하도록 선택될 수 있다. 아래의 [수학식 3b]는 출구 면적의 예시적인 유도식을 도시한다.
[수학식 3b]
Figure pct00005
Φ1= 경계면(50)을 횡단하는 광속.
Φ2 = 출구면(55)을 나오는 광속. 밝기의 보전의 경우, Φ1= Φ2이다.
Ω1= 빛이 경계면(50)을 횡단하는 유효 입체각.
Ω2 = 빛이 출구면(55)을 떠나는 유효 입체각.
A1 = 경계면(50)의 면적.
A2 = 출구면(55)의 면적.
n1 = 기판 물질(10)의 굴절율.
n2 = 기판(10) 외부의 물체의 굴절율(예컨대, 공기 또는 기타 매질).
A2는 빛이 위의 수학식에 따라 보전되도록 하는 출구면(55)의 최소 표면 면적을 나타낸다. 다음을 가정한다. 경계면(50)이 대략 1mm제곱의 면적을 갖도록 양자 우물 구역(15)이 1mm제곱을 형성하고, n1 = 1.77, n2 = 1, Ω1 = 3, Ω2 = 1, 및 Φ1과 Φ2가 동일한 것으로 가정하면, 방사휘도를 보전하도록 A2는 적어도 9.3987 mm2이여야 한다. 이 예시에서, 유효 입체각들, 즉 Ω1과 Ω2, n1과 n2, Φ1과 Φ2는 주어진다. 유효 입체각들을 결정하는데 추가적인 가르침을 얻고자 한다면, 독자들은 위에서 언급하였던, "LED SYSTEM AND METHOD"이라는 명칭으로 2007년 10월 1일에 출원된 미국 특허 출원 제11/906,219 호 및 제11/906,194호를 참조바란다.
A2는 방사휘도를 보전하기 위한 출구면(55)의 최소 표면 면적 및 주어진 출력 원뿔 각 또는 방출 하프 각도에 대한 최소한의 가능한 크기를 나타낸다. 몇몇 실시예들에서, A2는 제조 프로세스에서의 허용오차, 양자 우물 구역의 크기 또는 형상에서의 오차 또는 기타의 요소들을 보상하도록 약간 더 넓을 수 있다. A2가 최소값보다 넓도록 결정되는 경우, 광속은 보전될 것이지만, (단위 면적 당 광속으로서 정의된) 발산도(exitance)는 최대 획득가능 값으로부터 감소될 수 있다.
디바이스의 높이는 시스템내의 제한 광선에 의해 결정될 수 있다. 이 광선은 높은 굴절율 물질내에서 최장거리를 횡단한다. 만약 방출 평면이 정방형이라면, 대각 광선이 제한 광선이다. 도 2a 및 도 2b에서 도시된 예시에서는, 방출 평면(40)이 정방형이기 때문에, 대각 광선(45)이 제한 광선이다.
한 변이 1이고 면적이 1제곱 단위인 단위 발광체와 2.5의 변과 6.25의 면적을 갖는 출구 발광체의 경우, 디바이스에 대한 최소 높이는 다음과 같이 계산될 수 있다:
[수학식 4]
Figure pct00006
정방형 발광체에 대한 높이:출구 모서리:발광체 모서리 비는 5.67:2.5:1이다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 높이를 결정하는데 경험적 방법이 이용될 수 있다. 방사휘도 보전은 최소 출구 면적을 규정하지만 높이는 규정하고 있지 않다.
다양한 실시예들에 따르면, LED의 발광체층 부분은 위에서 개시된 바와 같이 쉐이핑된다. 보다 구체적으로, 발광체층 물질이 대체로 (상술한 바와 같이 사파이어일 수 있는) 기판과 연속적으로 접촉해 있도록 발광체층은 기판에 대한 제어된 깊이 또는 높이로 쉐이핑된다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 발광물질의 연속층은 기판과 접촉해 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 발광체 물질의 연속층은 기판과 전기적 접촉을 이룰 수 있거나 또는 기판의 전기적 평면 또는 연속적인 전기적 접속을 형성할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 발광체층의 일부분만이 쉐이핑된다. 몇몇 실시예들에서, 발광체층은 제어된 깊이 또는 높이로 쉐이핑될 수 있는 쉐이핑된 부분과 쉐이핑되지 않은 부분 또는 구역을 포함할 수 있다.
발광체층과 기판 사이의 경계면의 면적은 상술한대로 선택될 수 있으며, 발광체층 물질의 높이는 발광체층의 쉐이핑된 부분내에서 최장거리 또는 대략적으로 최장거리를 횡단하는 하나 이상의 제한 광선들에 기초하여 선택될 수 있다. 특정한 예시로서, 도 2a는 제어된 높이(h)로 쉐이핑된 발광체(20)의 쉐이핑된 부분(10)을 도시한다. 이 예시에서, 쉐이핑된 부분은 발광체층, 예컨대, 비제한적인 예시로서, GaN층 또는 이와 다른 발광체층일 수 있다. 발광체(20)의 발광체층 물질의 쉐이핑되지 않은 부분은 도 2a에서 도시되지 않는다. 일 실시예에서, 상술한 바와 같은 제한 광선은 발광체층의 쉐이핑된 부분에서 최장거리 또는 대략적으로 최장거리를 횡단한다. 따라서, 도 2a의 예시에서, 제한 광선(45)은 발광체층의 쉐이핑된 부분의 깊이 또는 높이(h)에서 대체로 종단되도록 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 측벽의 형상은 경험적으로 결정된다. 측벽들에 대해서는 두가지 제약이 존재한다.
a. 발광체로부터 나와서 측벽에 부딪치는 모든 광선들은 임계각 이상의 각도로 이 측벽과 부딪쳐야 한다.
b. 측벽들로부터 반사되어 나오는 모든 광선들은 출구면을 향해 반사되어야 하며, 출구면에서의 입사각은 임계각 보다 작아야 한다.
측벽의 형상에 대한 다른 기준은 출구에서 광 세기의 균일성 또는 무한대의 가우시안 분포, 또는 이 모두, 또는 다른 조건 세트일 수 있다. 따라서, 방출된 빛이 희망하는 세기 또는 각도로 기판에 조사되는 것을 보장하기 위해 측벽들은 쉐이핑될 수 있으며, 이러한 희망하는 세기 또는 각도는 예컨대 기판의 굴절율과 같은 기판의 특성, 발광체 물질 또는 기타의 물질의 특성에 기초하여 결정될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 측벽들의 형상은 반복적으로 결정될 수 있다. 형상은 n개의 면들로 나눠진다. 측벽을 위한 면은 마이크로소프트 엑셀(마이크로소프트 및 엑셀은 워싱톤 레이몬드에 위치한 마이크로소프트사의 상표명들이다)과 같은 컴퓨터 프로그램을 이용하여 정의될 수 있다. 보다 구체적으로, 마이크로소프트 엑셀내의 그래프 특징물이 측벽 형상의 그래프를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 동일한 일반적 형상이 각각의 측벽에 사용될 수 있거나 서로 다른 형상들이 서로 다른 측벽들에 사용될 수 있다. 엑셀과 같은 프로그램을 이용하여, 희망하는 성능을 얻도록 각각의 면의 크기 및 각도가 변경될 수 있다. 특정된 측벽 형상을 갖는 (또는 특정된 면에 기초한 곡선형 측벽 형상을 갖는) 쉐이핑된 기판에 대한 입체 모델이 Solidworks, AutoCad, Pro Engineer 등과 같은 임의의 기계적 도안 프로그램을 이용하여 생성될 수 있다. 입체 모델은 또한 Zemax, TracePro, BRO, Lighttools 등과 같은 임의의 광선 추적 프로그램을 이용하여 생성되고 분석될 수 있다.
물리학에서, 광선 추적은 가변적인 전파 속도, 흡수 특성, 및 반사면들의 구역들을 갖는 시스템을 관통하는 파 또는 입자의 경로를 계산하는 방법이다. 이러한 환경들 하에서, 파면은 휘어질 수 있고, 방향을 변경할 수 있거나, 또는 표면들로부터 반사될 수 있어서, 분석을 복잡하게 만든다. 광선 추적은 이산적 양만큼 매질 관통 광선들이라고 불리우는 이상적인 좁은 빔을 반복적으로 진행시킴으로써 이러한 문제점을 해결한다. 단순한 문제들은 단순한 수학식을 이용하여 소수의 광선들을 전파시킴으로써 분석될 수 있다. 보다 상세한 분석들은 수 많은 광선들을 컴퓨터를 이용하여 전파시키도록 함으로써 수행될 수 있다. 전자기 방사의 문제점에 적용될 때에, 빛의 파장보다 훨씬 큰 치수의 물체를 광파들이 관통하여 전파하거나 그 주변을 전파하는 한에서 유효하게 되는 맥스웰 방정식에 대한 근사해(approximate solution)에 광선 추적은 종종 의존한다.
상업적으로 이용가능한 광선 추적 프로그램을 이용하여, 광선 추적 및 세기 및 방사휘도 분포 프로파일을 생성하도록 컴퓨터 시뮬레이션이 수행될 수 있다. 만약 결과적인 세기 및 방사휘도 프로파일이 불만족스런 분포를 갖거나 또는 쉐이핑된 기판의 전달 효율이 너무 낮으면, 다양한 면들의 변수들이 조정될 수 있고 시뮬레이션은 다시 수행될 수 있다. 이러한 프로세스는 자동적으로 면 변수들을 조정하는 컴퓨터 프로그램의 이용을 통해 자동화될 수 있다. 설명을 위해, 아래의 예시들은 Zemax 광학 설계 프로그램을 활용한다(Zemax는 워싱톤 벨레뷰에 있는 Zemax Development Corporation의 상표명이다).
Zemax 모델
밝기 공식에 의해 명시된 크기 제약 및 제한 광선 고려사항을 충족시키는 형상이 만들어지면, 이 형상은 광선 추적 프로그램내에서 모델링될 수 있다. 광선 추적 프로그램은 광선의 효율성, 근거리장 분포와 원거리장 분포를 결정하는 형상을 광선들이 거치도록 모델링할 것이다.
도 3은 쉐이핑된 측벽들(60, 65)을 갖는 쉐이핑된 부분(10)의 예시적인 입체 모델의 측면도이다. 측벽들(60, 65)을 갖는 쉐이핑된 부분(10)은 정방형 발광체(20)의 발광체층의 쉐이핑된 부분을 나타낸다. 특정한 예시로서, 쉐이핑된 부분(10)은 굴절율이 2.5인 GaN 물질을 대표한다. 출력 분포는 램버시안이다.
도 4는 도 3의 입체 모델속을 진행하는 광선들의 일 예를 도시한다. TIR로 인해, 광선(70)은 측벽들(60, 65)에 반사되어 출구면(55)으로 향하며, 광선들은 출구면(55)에서 굴절되어 이 출구면(55)을 통과한다.
도 5는 출구 검출기 평면(40)에서 예시적인 정방형 발광체(20)의 방사휘도를 보여주는, Zemax에서 생성된 입체 모델의 스크린샷이다. 임의의 모서리 효과 광선들이 정확하게 기록되는 것을 보장하기 위해 검출기 평면은 출구면(이 경우, 10단위 X 10단위)보다 크게 만들어 진다. 방사휘도는 검출기 평면(40)의 중심부분을 커버한다. GaN 물질의 경우, 도 5는 GaN 출구에서의 근거리장 분포를 도시한다.
도 6은 검출기 평면(40)에서의 방사 세기를 보여주는, 도 5의 입체 모델의 다른 스크린샷이다. 출구면에서의 방사 세기는 원거리에서의 방사휘도와 동등하며 이것은 종종 원거리장 분포라고 불리어진다. GaN 물질의 경우, 도 6은 GaN 뒤의 원거리장 분포를 나타낸다.
도 5와 도 6은 빛을 대기 밖으로 내보낼 때의 쉐이핑된 LED의 실시예의 효율성을 예시화한 것이다. 이 경우, 방출된 빛의 대략 94%가 발광체층으로부터 추출된다. 이것은 여러 물질층들내의 흡수 손실 및 프레넬 손실을 고려하고 있지 않다. 사파이어에서의 흡수 손실은 무시가능하며, GaN층은 매우 얇다. 몇몇 실시예들에서, GaN층은 대략 4-5 미크론의 두께를 가질 수 있다. 프레넬 손실은 다음과 같다:
[수학식 5]
Figure pct00007
프레넬 손실이 고려될 때에 발광체층으로부터 추출된 빛은 대략 84%이다.
기판의 출구면에 무반사 코팅을 추가함으로써, 사파이어 대 공기 프레넬 손실은 제거될 수 있다. 그러면 총 효율은 다음과 같을 것이다:
[수학식 6]
Figure pct00008
HEX 기하구조
정방형 발광체는 공간을 낭비하는 것 없이 서로가 완벽하게 끼워 맞춰진다는 장점을 갖는다. 또한, 다이싱 동작은 두 개의 직교하는 절단만을 갖도록 단순화된다. 정방형 발광체에 관한 추가적인 가르침을 얻고자 한다면, 독자들은 "LED SYSTEM AND METHOD"이라는 명칭으로 2007년 10월 1일에 출원된 미국 특허 출원 제11/906,219 호 및 제11/906,194호를 참조바란다. 정방형 프로파일은 동일한 길이의 변들을 갖는 직사각형 프로파일이라는 것을 유념해야 한다. 아래의 예시적인 실시예들에서는 육각형 발광체들이 설명되지만, 본 발명분야의 당업자는 본 명세서에서 개시된 방법들이 다양한 형상들에 적용될 수 있으며, 임의의 특정한 형상, 크기, 구성 또는 물질로 제한되지 않는다는 것을 알 것이다.
육각 패턴은 어떠한 공간도 낭비하는 것 없이 서로가 끼워 맞춰질 수 있다. 쉐이핑된 디바이스에서, 육각 패턴은 정방형 디바이스보다 낮은 물질 부피를 제공해줄 수 있다. 도 7a 내지 도 7d는 육각형 발광체(720)의 일 실시예의 도식도의 다양한 모습들을 도시한다.
면적비는 밝기 공식에 의해 명시되며, 이에 따라 발광체 면적(750) 대비 출구 면적(755) 비는 6.25:1 비율을 유지한다. 하지만, 높이(h)는 다음과 같이 감소될 것이다:
[수학식 7]
Figure pct00009
이제 높이는 위의 [수학식 4]에서 서술된 정방형 발광체(20)의 경우였을 때의 5.67 대신 4.01이다. 이 예시에서의 높이:한쪽끝 모서리:발광체 모서리 비는 4.01:2.5:1이다.
이러한 기초 단위 치수를 이용하여, 입체 모델이 생성되고 모델링될 수 있다. 예를 들어, 입체 모델은 ProE에서 생성될 수 있고, 그런 다음 Zemax에서 모델링될 수 있다. 도 8은 발광체층(80)을 쉐이핑함으로써 생성된 육각형 발광체(820)의 일 실시예의 도식도이다. 이 예시에서, 발광체층(80)은 쉐이핑된 부분(81)과 쉐이핑되지 않은 부분(82)을 포함한다. 쉐이핑된 부분(81)에서, 기판(810)과 측벽들(860, 865)은 광 추출 효율을 최대화시키기 위해 상술한 바와 같이 제어된 높이 h로 쉐이핑되고, 이로써 경계면(850)을 통과하여 기판(810)에 진입하는 양자 우물 구역(815)으로부터의 광자들이 최소한의 에너지 손실을 갖고 출구면(855)을 빠져 나갈 수 있도록 해준다. 양자 우물 구역에 관한 추가적인 가르침을 얻고자 한다면, 독자들은 "LED SYSTEM AND METHOD"이라는 명칭으로 2007년 10월 1일에 출원된 미국 특허 출원 제11/906,219호 및 제11/906,194호를 참조바란다.
도 9는 발광체층(80)을 포함하는, 복수의 층들(920)을 갖는 LED(900)의 일 실시예의 도식도이다. 발광체층(80)으로부터 방출된 빛은 경계면(101)을 통해 기판(90)에 진입하고, 기판(90)을 나와서 경계면(102)을 거쳐 대기로 나간다. 일 실시예에서, 기판(90)은 사파이어이다. 육각형 발광체(820)의 효율은 Zemax에서 분석된 입체 모델에 따라 대략 95.5%이다. 즉, 방출된 빛의 대략 95.5%가 발광체층으로부터 추출된다. 프레넬 손실을 고려하면, 총 추출 효율은 대략 85%이다:
[수학식 8]
Figure pct00010
도 10은 출구 검출기 평면에서의 근거리장 분포를 도시하는, 육각형 발광체의 입체 모델의 스크린샷이다. 도 11은 출구 검출기 평면 뒤의 원거리장 분포를 도시하는, 도 10의 입체 모델의 다른 스크린샷이다. 정방형으로 쉐이핑된 디바이스의 경우에서와 같이, 프레넬 손실을 제거시키기 위해 무반사 코팅이 사파이어 대 공기 경계면[경계면(102)]에서 추가될 수 있다. 그러면 총 추출 효율은 대략 92.6%가 될 것이다.
마이크로 발광체들의 어레이
GaN 쉐이핑의 한가지 장점은 하나의 LED를 생성하기 위한 대규모의 발광체들의 어레이를 쉐이핑하는 능력이다. 다른 장점은 미소 발광체들을 통해, 제거된 총체적인 부피가 또한 감소된다는 것이다. 도 12는 기판(90), 발광체층(80), 및 N접촉층(60)을 포함하는 LED(120)의 일 실시예의 도식도이다. 일 실시예에서, 기판(90)은 사파이어이다. 일 실시예에서, N접촉층(60)은 하나 이상의 N접촉점들을 포함한다. 일 실시예들에서, 발광체층(80)은 육각형으로 쉐이핑된 마이크로 LED들의 어레이를 포함한다. 일 실시예들에서, 발광체층(80)은 육각형으로 쉐이핑된 마이크로 LED들의 M x M 어레이를 포함한다. 일 실시예에서, LED(120)는 대략 100 미크론(W) x 100 미크론(L) x 80 미크론(D)이다. 도 12의 예시에서, 육각형으로 쉐이핑된 마이크로 LED들의 어레이는 발광체층(80)을 쉐이핑함으로써 형성된다. 개시된 시스템 및 방법의 실시예들은 임의의 기판을 활용하여도 여전히 방출된 광자들 모두 또는 대체로 모든 광자들을 추출해낼 수 있다. 이 예시를 위해, 기저 기판은 사파이어이지만, 다른 기판들이 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 발광체층의 쉐이핑된 부분은 기판과 대체로 연속적인 접촉을 이루고 전기적 평면을 형성하거나 또는 대체로 연속적인 전기적 접속부를 형성하는 쉐이핑되지 않은 부분에 대한 통로를 가져다준다. N접촉부는 전기적 평면을 형성하는 발광체층의 쉐이핑되지 않은 부분과 전기적 접속을 이룸으로써 전류가 발광체층의 쉐이핑되지 않은 부분을 거쳐서 발광체층의 쉐이핑된 부분으로 흐를 수 있도록 해준다. 일 실시예에서, N접촉부는 기판의 쉐이핑된 부분과 쉐이핑되지 않은 부분을 전원에 전기적으로 결합시켜줄 수 있는 금속 합금과 같은 전류 전도성 물질일 수 있다.
대안적인 실시예에서, 발광체층의 쉐이핑되지 않은 부분은 모서리들에서 전원에 결합될 수 있거나 또는 하나 이상의 쉐이핑된 부분들이 전원에 결합될 수 있거나, 또는 상기 구성의 임의의 조합 또는 다른 전류 공급 방법 또는 시스템이 이용될 수 있다. N접촉부보다 작고, N접촉부보다 개수가 많은 P접촉부가 또한 전원에 결합될 수 있다.
상술한 구성은 마운팅, 열 방산 및 조명의 균일성에서 추가적인 장점들을 갖는다. 매우 작은 크기의 각각의 마이크로 LED와 결합된 각각의 마이크로 LED의 탈출각은 빛이 기판의 두께내에서 여전히 감금된 동안에 하나의 디바이스로부터의 출구 광선들이 이웃하는 많은 수의 마이크로 LED들의 출구 광선들과 중첩되도록 해줄 것이다. 빛이 기판의 출구면에 도달할 때, 수 많은 마이크로 LED들로부터의 빛은 평균화되어서 매우 균일한 광 출력 프로파일을 생성시킨다. 몇몇 실시예들에 따르면, 발광체층내의 마이크로 LED들의 개수는 하나에서 소수 개까지, 또는 수천개까지, 또는 수백만개 또는 그 이상까지의 범위에서 존재할 수 있다.
열적 관점으로부터, 각각의 마이크로 LED의 발광 베이스는 마이크로 LED에 전력을 제공해주며 또한 마이크로 LED에 대한 열 제거 통로를 제공해주는 서브마운트에 직접 접합될 수 있다. 이것은 본질적으로 우수한 열 발산을 제공해준다. 발광체들은 서로 멀리 흩어져있기 때문에, 열적 밀도가 또한 감소될 수 있다.
마찬가지로, P층에 대한 전력은 LED의 표면에 모두 걸쳐서 매우 많은 갯수의 작은 점들로 제공되며, 이에 따라 전력은 서브마운트상의 거의 연속적인 금속화 평면에 의해 이러한 점들에 인가될 수 있다. 이것은 우수한 전류 확산을 제공해준다. 전류 확산은 디바이스로부터의 광출력의 최대량을 제공할 시에 알려진 문제점이다. 개선된 전류 확산을 달성하기 위해 본 발명분야에서는 P형 및 N형 GaN의 여러 레이아웃들에 관한 많은 구성들이 이용된다. 마이크로 LED 구성은 본질적으로 이러한 확산을 제공해준다.
보다 구체적으로, N층에서의 전류 확산은 N층내로의 비교적 소수의 접촉점들에 의해 달성되는데, 이것은 N층의 두께가 P층의 두께에 비해 크기때문이다. 예를 들어, 도 12에서 도시된 네 개의 위치들에서 N층에 접촉하는 것이 이것을 달성하는 한가지 방법이다. 이와 달리, N층은 중심점에서 접촉될 수 있거나 또는 어레이의 가장자리 주변의 다수의 점들에서 접촉될 수 있다.
제조 방법
에칭
에칭은 적절한 형상을 만들기 위해 고도로 제어된 방법으로 기판 물질을 제거하는 화학적 프로세스를 말한다. 일반적으로 두가지 유형의 에칭 방법들, 즉 습식 에칭과 건식 에칭이 존재한다: 습식 에칭은 기판 물질을 제거하기 위해 액상 에천트를 이용하는 것을 수반한다. 건식 에칭, 플라즈마 에칭 및 반응 이온 에칭에서, 이온들이 생성되어 기판상에 제공된다. 화학적 반응에 기초하거나 또는 입자 모멘텀에 기초하던지 간에, 물질이 기판으로부터 제거된다.
(양자 우물 구역을 포함하는 물질을 더 포함할 수 있는) 기판 물질의 웨이퍼로 시작하여, 포토레지스트의 특정한 패턴이 웨이퍼의 일면상에 증착될 수 있다. 그런 후 웨이퍼는 에칭된다. 포토레지스트로 뒤덮힌 웨이퍼상의 위치들은 에칭되지 않을 것인 반면에, 포토레지스트가 없는 장소에서는 물질이 제거될 것이다. 포토레지스트의 가장자리에서 희망하는 외형을 달성하기 위해 이러한 프로세스를 조정하는 방법은 많이 있다. 예를 들어, 포토레지스트의 두꺼운 층들은 도포되어 후에 에칭 프로세스 동안에 희생적으로 제거되거나, 또는 기타의 희생층들이 포토레지스트와 결합하여 이용될 수 있다. 이러한 층들은 LED기판의 희망하는 외형을 생성하기 위한 이와 같은 방법으로 에천트에 의해 시간이 지나면서 제거된다. 이것은 쉐이핑된 기판들을 생성하기 위해 웨이퍼를 정확하게 에칭하는데 활용될 수 있다. 다른 방법은 다수의 레지스트들과 다수의 에칭 단계들을 이용하는 것이다. 각각의 포토레지스트와 각각의 단계는 작은 물질층을 제거하는데 이용될 수 있다. 다수의 작은 단계들은 희망하는 3D 형상을 얻는데 이용될 수 있다.
에칭 파라미터는 기판 물질에 기초할 수 있다. 에칭율은 에천트와 기판에 따라 달라진다. 사파이어와 실리콘 카바이드와 같은 LED 응용들에서 이용되는 기판 물질들의 경우, 반응 이온 에칭을 이용한 에칭율은 분 당 250nm 내지 2.5μm의 범위에 이를 수 있는데, 이것은 상업적 제조목적상 느려질 수 있다. 실리콘 카바이드는 위 에칭율의 상한쪽에 있는 반면에 사파이어는 하한쪽에 있다.
몇몇 실시예들에서, InGaN/GaN계 에피(epi) 구조의 GaN 측벽들의 쉐이핑은 원환형 렌즈 템플릿을 이용하여 Cl2/BCl3/Ar 플라즈마에서 다단계 건조 에칭 프로세스에 의해 수행될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, n-GaN 및 n-GaN 및 InGaN 층들의 이러한 건조 에칭 프로세스는 포토레지스트와 Ni 포토 마스트를 이용하여 유도 결합된 플라즈마 반응 이온 에칭(inductively coupled plasmas reactive ion etching; ICP-RIE)에 의해 수행될 수 있다. 일정한 ICP/바이어스 전력, 즉 300/100 W 및 4 mTorr 체임버 압력에서 0.5nm 미만의 낮은 에칭면 거칠기를 유지하기 위해 Cl2/BCl3/Ar의 제어된 기체 흐름율이 이용될 수 있다. n-GaN을 위한 12,000 Å/min의 에칭율은 낮은 흐름율(Cl2/BCl3/Ar) 기체 혼합물을 이용하여 30 mTorr, 300 W ICP, 100 W 바이어스 전력에서 예상된다. 다단계 에칭 프로세스 동안에 GaN 측벽들의 낮은 표면 거칠기를 유지하기 위해 케어(Care)가 이용되어야 한다. 예로서, 100 W의 바이어스 전력에서 1nm 미만의 낮은 RMS(root mean square) 거칠기값이 유지되어야 한다.
GaN의 평탄한 거울형태의 면을 달성하기 위해 InGaN/GaN계 구조의 테이퍼 벽의 에칭의 경우, 비교적 높은 Cl2 흐름율과 낮은 체임버 압력(~ 4 mTorr)이 지속되어야 한다. ICP 전력 및 체임버 압력 최적화는 주의해서 수행되어야 하는데, 그 이유는 에칭된 면들의 테이퍼 형상은 항상 각자의 선택된 파라미터들에 의존하기 때문이다. 본 발명분야의 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 적절한 에칭 파라미터를 이용하여, InGaN/GaN계 발광 다이오드의 제조에 이용될 수 있는 n-GaN 의 거울형태의 측벽면들이 획득될 수 있다. 더군다나, 고정된 기체 흐름율, 및 비교적 낮은 ICP/바이어스 전력 및 체임버 압력에서, InGaN계 물질 테이퍼 측벽들 형상은 한층 더 개선되고 수정될 수 있다.
도 13은 발광체층(80)의 쉐이핑된 부분(81)에서 형성된 육각형 발광체들(820)의 어레이를 갖는 발광체층(80)과 기판(90)을 포함하는 LED(130)의 일 실시예의 도식도이다. 도 13에서 도시된 바와 같이, 발광체층의 일부분 또는 발광체층 일부층은 위의 도 8에서 도시된 쉐이핑된 측벽들을 가질 수 있는 마이크로 LED 발광체들의 어레이를 형성하도록 발광체층 물질을 제거함으로써 쉐이핑된다. 보다 구체적으로, 발광체들(820)간에 각각의 에칭 채널들(131)을 남겨두고 발광체층 물질(80)의 일반적으로 연속적인 쉐이핑되지 않은 층(82)이 기판(90)에 접하도록 하면서, 발광체층(80)은 기판(90)에 대한 제어된 높이 또는 깊이로 쉐이핑된다. 일 실시예에서, 각각의 에칭 채널(131)은 대략 0.4 미크론 폭을 갖는다. 즉, 이 예시에서, 마이크로 LED들(820)은 가장 좁은 지점에서 대략 0.4 미크론 만큼 이격될 수 있다.
도 13에서, 기판(90)에 접하는 발광체층(80)의 쉐이핑되지 않은 부분(82)은 쉐이핑되지 않은 발광체층 물질이 일반적으로 기판과 연속적인 접촉을 이루는 연속적인 N-GaN층(132)을 형성한다. 따라서, 일 실시예에서, 기판과 대체로 접촉해 있는 발광체층 물질의 연속층이 존재할 수 있으며, 이것은 전기적 접촉을 이루거나 또는 전기적 평면 또는 연속적인 전기적 접속부를 형성할 수 있다. 하나 이상의 실시예들에서, 발광체층 물질의 모든 부분 또는 대체로 모든 부분이 쉐이핑되지는 않기 때문에, 측벽을 형성하기 위해 제어된 깊이 또는 높이로 쉐이핑될 수 있는 발광체층의 쉐이핑된 부분과 쉐이핑되지 않은 (발광체층 물질의) 발광체층의 쉐이핑되지 않은 부분 또는 구역이 존재할 것이다. 일 실시예에서, 상술한 바와 같은 제한 광선은 발광체층의 쉐이핑된 부분에서 최장거리 또는 대략적으로 최장거리를 횡단한다(즉, 제한 광선은 쉐이핑된 마이크로 LED 발광체를 횡단할 수 있다). 따라서, 기판에 대한 발광체층의 쉐이핑된 부분의 깊이 또는 높이로 대체로 종단되도록 제한 광선이 선택될 수 있다. 추가로 상술한 바와 같이, 발광체층 물질(예컨대, 마이크로 LED 발광체들의 측벽들)은 발광체층의 쉐이핑된 부분에서 최장거리 또는 대체적으로 최장거리를 횡단하는 하나 이상의 제한 광선들에 기초하여 쉐이핑될 수 있다.
다단계 메사 에칭 프로세스
도 14는 다단계 메사 에칭 프로세스의 일 실시예의 도식도이다. 본 발명개시내에서, “메사”란 에칭 이후에 남아서 “메사”로서 나타나는 것을 형성하고 디바이스의 발광 부분이 되는 웨이퍼의 섹션을 말한다. 단계 141에서, 발광체층(80)은 에칭 채널(131)의 바닥을 정의하도록 패턴화된다. 단계 142에서, 등방성 에칭 화학물이 직선형 또는 거의 직선형의 측벽들을 달성하는데 이용된다. 단계 143에서, 발광체층(80)은 에칭 채널(131)의 상단부를 정의하도록 다시 패턴화된다. 단계 144에서, 이방성 에칭 화학물이 측벽상의 만곡부를 생성하는데 이용된다. 몇몇 실시예들에서, 후속하는 프로세싱은 금속화 및 패시베이션을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 발광체층들의 최종적인 프로파일을 보다 잘 정제시키는데에 다수의 포토 및 에칭 단계들이 이용될 수 있다. 측벽 프로파일을 직선형(등방성)에서 곡선형(이방성)으로 변경시키는데에 에칭 화학작용이 선택될 수 있다. 이것은 곡선형 형상을 생성하기 위해 단일 단계를 통해 행해질 수 있거나, 또는 다양한 면들을 발광체층 측벽 형상에서 에칭하기 위해 다단계로 행해질 수 있다. 제조 단계의 순서는 희망하는 바에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 메사의 상단이 제일 먼저 정의되고 이어서 포토 에칭이 뒤따를 수 있다. 단계들은 epi 구조물내에서 보다 깊이 에칭할 수 있다.
도 14의 예시에서, LED(140)의 일 실시예는 상술한 다단계 메사 에칭 프로세스에 의해 제조될 수 있다. 이 예시에서, LED(140)는 기판(90)과 발광체층(80)을 포함한다. 이 예시에서, 발광체층(80)은 기판(90)에 접해있는 발광체층(80)의 쉐이핑되지 않은 부분(82)을 남겨두고, 상술한 다단계 메사 에칭 프로세스에 의해 형성된 쉐이핑된 부분(81)을 포함한다. 다단계 메사 에칭 프로세스의 패턴화 및 에칭 단계들은 발광체들(820)간에 에칭 채널들(131)을 생성한다. 도 8을 참조하여 상술한 바와 같이, 각각의 발광체(820)는 쉐이핑된 측벽들(860)을 갖는 쉐이핑된 기판(810)과 양자 우물 구역(815)을 포함할 수 있다. 쉐이핑된 기판(810)은 발광 물질로 이루어진다. 일 실시예에서, 발광물질은 GaN이다. 일 실시예에서, 기판(90)은 사파이어이다.
다른 에칭 프로세스가 또한 LED(140)를 생산하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 발광체층을 쉐이핑하기 위한 하나의 방법 실시예는, 다음과 같은 순서로, 기판상에 p층 금속을 증착시키는 단계, p층 금속상에 반사층을 증착시키는 단계, 반사층상에 SiO2 보호층(버퍼)를 증착시키는 단계, 증착층들을 희망하는 형상으로 에칭하는 단계, 및 이어서 n층 금속을 증착시키는 단계를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 발광체층을 쉐이핑하기 위한 하나의 방법 실시예는, 다음과 같은 순서로, 마스크 A 패턴을 증착시키는 단계, 마스크 A 패턴에 따라 원하지 않는 물질을 에칭하여 제거하는 단계, 마스크 B 패턴을 증착시키는 단계, 마스크 B 패턴에 따라 추가적인 물질을 에칭하여 제거하는 단계, 희망하는 높이를 구축시키기 위해 패턴화-에칭 단계들을 반복하는 단계, n층 금속을 증착시키는 단계, n층 금속의 상부상에 p층 금속을 증착시키는 단계, 및 최종적으로 반사층을 증착시키는 단계를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들은 직선형 측벽을 얻어내기 위한 등방성 에칭 단계를 생략하고, 일 실시예에서 GaN을 포함하는 발광물질을 쉐이핑하는 단계로 바로 이동할 수 있다. 예를 들어, 발광체층을 쉐이핑하기 위한 하나의 방법 실시예는, 다음과 같은 순서로, p층 금속으로 기판을 블랭킷 코팅하는 단계, p층 금속으로 코팅된 기판을 포토레지스트 패턴화하는 단계, 및 이에 따라 희망하지 않는 물질을 에칭하여 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, ICP-RIE가 발광체층으로부터 희망하지 않는 물질을 에칭하여 제거하는데 활용된다. 다른 에칭 방법이 또한 사용될 수 있다.
이 방법은 단하나의 마스크 GaN 프로파일을 이용하며, 이에 따라 생성된 p접촉부는 하드 마스크로서 이용되고, 이로써 메사에 되정렬할 필요를 없애주며 포토레지스트 패턴화 단계를 제거시켜준다. 염소(Cl2) 기체와 삼염화붕소(BCl3) 기체의 농도를 변화시킴으로써, 상이한 GaN 에칭 기울기가 얻어질 수 있다. 보다 구체적으로, 몇몇 실시예들에서, GaN 물질이 에칭될 때에, Cl2 와 BCl3 농도들의 비율을 변경시켜서 국부적 기울기에 영향을 미치도록 하는 일련의 단계들이 수행된다. 예컨대, 보다 큰 농도의 Cl2 또는 Cl2만을 이용하여 보다 직선적인 측벽이 획득될 수 있다. BCl3-다량함유된 화학물은 측벽을 패시베이팅하기 위한 폴리머를 생성한다. 높이 = 0에서 특정한 기울기를 얻기 위해, Cl2와 BCl3 플라즈마는 특별한 농도비율을 가질 수 있다. 높이 = 1에서 다른 기울기를 얻기 위해, Cl2와 BCl3의 농도비율은 달라질 수 있다. 위 단계들은 희망하는 높이에 도달될 때 까지 반복될 수 있다. 발광체층의 높이 전부에 걸쳐서 그리고 에칭 플라즈마의 농도비율에 따라, 발광체층내의 각각의 마이크로 LED의 측벽들의 기울기는 매우 완만한 것에서부터 매우 급경사진 것으로 변할 수 있으며, 이에 따라 발광체층을 쉐이핑할 수 있다.
몇몇 실시예들은 프로파일링된 GaN 에칭을 위해 두 개의 마스크 물질로 단일 포토레지스트 패턴을 활용할 수 있다. 예를 들어, 발광체층을 쉐이핑하기 위한 하나의 방법 실시예는 다음의 특징들을 포함할 수 있다:
1) 포토레지스트 패턴은 최종적인 GaN 면적에 비해 큰 크기를 갖는다.
2) 추가적인 프로파일 제어를 위해 포커스/노출이 측벽들을 경사지게 하는데 활용될 수 있다.
3) 하드 마스크용으로 산화물을 이용한다. 일 실시예에서, BOE/HF에서 하드 마스크가 에칭될 수 있거나 또는 육플루오르화황(SF6) 플라즈마 에칭된다. BOE(Buffered Oxide Etch)는 보다 제어된 실리콘 산화물의 에칭율을 갖는 플루오르화 암모늄과 플루오린화 수소산(HF)의 혼합물이다.
4) 대략 1:1의 레지스트 에칭율과 대략 5:1의 산화물 에칭율을 이용한다. 1:1 에칭율은 레지스트가 에칭 도중에 소모되도록 하는 레지스트 두께를 목표로 삼는데 이용된다. 이것은 이전에 보호된 GaN의 구역을 노출시킨다.
5) 산화물 하드 마스크는 대략 5:1의 비율로 에칭되며, 에칭의 나머지에 대해서 산화물이 견고해지도록 만든다.
6) Cl2와 BCl3 비를 제어하는 것은 또한 프로파일 제어에 도움을 줄 수 있다.
기계적 쉐이핑
도 14는 마이크로 LED들의 어레이를 형성하는 하나의 방법을 도시하며, 이것은 예시적에 불과하고 본 발명을 이것으로 한정시키지는 않는다: 마이크로 LED들의 어레이를 형성하는 다른 방법이 가능하며, 이것은 본 발명의 범위내에 있다. 몇몇 실시예들에서, 쉐이핑된 GaN 물질을 생성하는 방법은 레이저를 이용하여 GaN 물질을 제거하여 희망하는 형상들을 형성하고 필요로 하는 평탄도를 제공하는 것을 수반한다. 레이저 제거는 양자 우물 구역 또는 기판 물질을 제거 또는 퇴출시키는 것을 통해 LED를 생성하도록 고전력 레이저를 이용하는 프로세스이다. 각각의 레이저 펄스는 소량의 물질만을 제거시킬 것이다. 레이저는 각각의 후속하는 펄스로 물질을 제거시키기 위해 병진이동될 수 있다. X, Y, 및 Z 방향들로 병진이동시킴으로써, 3D 형상이 제거될 수 있다. 레이저 제거의 실시예는 에칭 보다 신속하게 기판을 쉐이핑하는데 이용될 수 있다. 알려진 기술들을 이용하여, 레이저 제거는 실리콘 카바이드 및 사파이어내에서 분 당 대략 500μm 내지 1mm 두께를 제거시킬 수 있다.
다른 방법은 물질의 제거를 야기시키기 위해, 물 또는 오일내에 미립자를 이용하는 액체 분사 절단을 수반할 것이다. 물 분사가 물을 제거하여 희망하는 형상의 기판을 형성하는데 이용될 수 있다. 물 분사 제거의 일 실시예에서, 물의 짧은 펄스들이 단계들에서 웨이퍼를 제거하는데 이용될 수 있다. 웨이퍼를 제거하는데 물 펄스가 이용되는 프로세스는 레이저 삭제와 관련하여 상술한 프로세스와 유사할 수 있다. 물 분사 제거의 일 실시예에서, 일정한 각도로 웨이퍼 곳곳을 완전히 절단하고, 그러고 나서 각도를 약간 이동시키고, 약간 높아진 각도로 웨이퍼 곳곳을 절단하는데 물 분사가 이용되고, 결과적으로 희망하는 형상의 기판을 생성하는데에 물 분사가 이용될 수 있다. 추가적인 실시예에서, 물 분사는 물질이 제거되는 비율을 증가시키도록 연마 물질(예컨대, 산업용 다이아몬드 입자)로 채워질 수 있다.
다른 옵션은 그라인딩, 밀링, 서잉, 초음파 그라인딩, 폴리싱, 드릴링, 또는 기타의 기계적 제거 시스템 또는 방법을 통해 물질을 기계적으로 제거시키는 것이다. 기계적 제거를 통해 하나 이상의 LED들을 쉐이핑하기 위한 물질 제거 방법들은 많이 있다. 희망하는 형상을 형성하기 위해 물로 물질을 제거하는 위의 방법들을 하나하나씩 설명하였지만, 위 방법들은 결합될 수 있다. 예를 들어, 적절한 곡선형 측벽 형상을 보장하도록 기계적 제거와 물 분사 제거의 조합을 이용하는 것이 가능할 수 있다. 마찬가지로, 물로부터 기판 물질을 제거하는 방법들 및 기술들의 다양한 다른 조합들이 기판 물질에 따라 적절하게 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 기계적인 물질의 제거가 스테이지들에서 행해질 수 있다.
초음파 그라인딩의 실시예들에서, 하나 이상의 LED들의 반대 형상을 갖는 도구를 연마재와 함께 준비하여 기판 물질과 접촉시키면서 이 도구를 초음파 진동시켜서 기판 물질상에서 스크러빙/스쿠핑(scrubbing/scuffing) 동작이 일어나게 함으로써 물질이 제거되고 쉐이핑된 기판이 생성되게 한다.
LED 기판 및 측벽을 쉐이핑하기 위한 시스템 및 방법의 추가적인 예시들이 위에서 언급하였던, "LED SYSTEM AND METHOD"이라는 명칭으로 2007년 10월 1일에 출원된 미국 특허 출원 제11/906,219 호 및 제11/906,194호에서 기술되어 있으며, 이 출원들은 모든 목적을 위해 그 전체가 본 명세서내에 병합된다. 측벽을 쉐이핑하는 다양한 방법들이 상술한 발광체층에 적용될 수 있다. 예로서, 도 15는 곡선형 측벽들(155)을 갖는 육각형 기하학적 구성의 마이크로 LED(152)의 어레이를 포함하는 LED(150)의 일 실시예의 도식도이다. 이 예시에서 LED(150)는 직사각형 형상을 취한다. 하지만, 다른 형상들도 가능하다. 다른 예시로서, 도 16는 경사진 측벽들(165)을 갖는 육각형 기하학적 구성의 마이크로 LED(162)의 어레이 및 기판(161)을 포함하는 LED(160)의 일 실시예의 도식도이다. 또 다른 예시로서, 도 17은 직선형 측벽들(175)을 갖는 육각형 기하학적 구성의 마이크로 LED(172)의 어레이 및 기판(171)을 포함하는 LED(170)의 일 실시예의 도식도이다.
성장
몇몇 실시예들에서, 마이크로 LED는 또한 발광체층을 성장시킴으로써 제조될 수 있다. GaN을 예로 들면, 증착은 GaN 박막을 성장시키는 통상적으로 이용되는 수 많은 프로세스들 중에 하나이다. GaN은 SiC 및 사파이어와 같은 여러 기판들상에서 많은 유형의 에피택샬 성장에 의해 성장되었다. 예시적인 GaN 성장 방법은, 비제한적인 예시로서, 금속 유기 화학 기상 증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 요오드 기상 성장(iodine vapor phase growth; IVPG), 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE), 기계적 스퍼터링 에피택시(mechanical sputter epitaxy; MSE), 및 수소 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE)를 포함한다.
몇몇 실시예들에서, LED의 발광체층을 쉐이핑하는 방법은 소형 발광체라고도 불리우는 마이크로 LED의 발광체 면적(a)과 출구 면적(b)을 결정하는 것을 포함할 수 있는데, 여기서 출구 면적(b)은 제1 기하학적 구성의 출구면을 갖고, 발광체 면적(a)은 제2 기하학적 구성의 양자 우물 구역을 갖는다. 출구 면적(b)과 발광체 면적(a)을 이용하여, 소형 발광체의 최소 높이(h)가 상술한 바와 같이 계산될 수 있다. 본 방법은 최소 높이(h)를 충족시키는 쉐이핑된 부분을 형성하도록 제1 기하학적 구성, 제2 기하학적 구성, 및 최소 높이(h)에 따른 증착에 의해 소형 발광체를 성장시키는 것을 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 마이크로 LED들이 이러한 방식으로 동시에 제조될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 쉐이핑되지 않은 부분이 또한 형성될 수 있다. 발광체층의 쉐이핑되지 않은 부분은 기저 기판에 접해 있다. 사파이어는 적합한 기저 기판 중의 하나의 예시이다. 소형 발광체를 성장시키는 경우에서, 발광체 면적에서부터 측벽까지의 직선형 전달 경로를 갖는 광선들의 적어도 대다수가 출구면에서 임계각 이하의 입사각으로 출구면에 반사되도록 소형 발광체의 측벽들이 위치되고 쉐이핑된다. 몇몇 실시예들에서, 마이크로 LED들은 또한 본 발명분야의 당업자에게 알려진 기술들을 이용하여 발광체층을 성장시키고 쉐이핑시킴으로써 제조될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 발광체층의 성장 및 쉐이핑은 교대로, 동시적으로, 또는 대체로 동시에 발생할 수 있다.
따라서, 몇몇 실시예들에서, LED의 발광체층을 쉐이핑하는 방법에 의해 제조된 LED는 기저 기판의 표면상의 발광체층을 포함할 수 있으며, 이 발광체층은 쉐이핑된 부분을 가지며, 이 쉐이핑된 부분은 출구 면적(b), 발광체 면적(a), 최소 높이(h), 및 측벽들을 포함하며, 출구 면적(b)은 제1 기하학적 구성의 출구면을 갖고, 발광체 면적(a)은 제2 기하학적 구성의 양자 우물 구역을 가지며, 최소 높이(h)는 출구 면적(b)과 발광체 면적(a)을 활용하여 결정되며, 각각의 측벽들은, 발광체 면적에서부터 측벽까지의 직선형 전달 경로를 갖는 광선들의 적어도 대다수가 출구면에서 임계각 이하의 입사각으로 출구면에 반사되도록 위치되고 쉐이핑된다.
응용들
쉐이핑된 발광체층을 갖는 LED들은 다양한 응용들에서 이용될 수 있다. 이와 같은 다재 다능함의 한가지 이유는 마이크로 LED들이 희망하는 LED들을 형성하도록 다양한 방법으로 배열될 수 있기 때문이다. 미소 발광체들의 어레이를 각각 갖는 LED들은 또한 희망하는 양의 빛과 희망하는 광 패턴을 생성해내도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 LED들 및/또는 LED들은 정방형, 직사각형, 원형, 또는 기타의 형상으로 배열될 수 있다. 희망하는 양의 빛을 생성하기 위해 LED들의 어레이를 이용하는 것은 보다 효율적일 수 있거나 또는 단일 LED를 이용하는 것 보다 적은 공간을 소모시킬 수 있다. 도 14를 예로 들면, 마이크로 LED들의 어레이는 웨이퍼 물질이 에칭 채널(131)과 발광체(820)를 형성하도록 제거되는 동일한 웨이퍼로부터 형성될 수 있다. 위 실시예들이 물질의 웨이퍼로부터 마이크로 LED들을 형성하는 것이 설명되었지만, LED들을 생성하기 위해 활용된 쉐이핑된 기판들은 기판 물질의 바(bar)로부터 형성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, LED를 이용하여 백색광을 생성하는 것이 희망될 수 있다. 이것은 단일색(예컨대, 청색)의 단파장 LED로부터의 빛을 인간의 눈이 백색광으로서 인식하는 파장의 빛을 흡수하고 재전달시키는 형광체 또는 기타 입자들에 비추게함으써 달성될 수 있다. 백색광을 생성하기 위해 형광체 또는 기타 입자들은 LED들의 실시예들과 함께 이용될 수 있다.
LED의 출구면 또는 출구면들을 코팅하는 것은 백색광 LED 제조의 단순화를 가능하게 해주며, 이로써 이것은 백색광 LED 제조의 비용을 감소시켜줄 수 있는 제조 장점을 가질 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼의 한쪽(이로부터 쉐이핑된 기판 LED들이 형성될 것이다)이 백색광을 방출시키도록 여기될 수 있는 형광체 또는 기타 입자들을 함유한 층으로 코팅될 수 있다(즉, 입자 코팅). 입자 코팅으로 코팅되지 않은 웨이퍼의 한쪽은 제거될 수 있다. 다수의 LED들을 생성하기 위해 웨이퍼가 제거될 때에, LED들은 백색광을 생성하는데 필요한 입자 코팅을 갖는 출구면을 가질 것이다. 또한, 쉐이핑된 기판은 기판에 진입하는 빛의 대다수를 알려진 출구면 또는 출구면들에 조사시키기 때문에, 특정한 출구면 또는 출구면들을 코팅하는 것은 백색광의 생성의 측면에서 매우 효과적일 수 있다. 따라서, 쉐이핑된 기판의 이용은 입자 코팅을 갖는 LED의 측벽들의 부분 또는 측벽들을 코팅할 필요성을 제거시켜줄 수 있다. 따라서, 각각의 LED에 입자 코팅을 개별적으로 도포시킬 필요가 없을 것이다. 웨이퍼의 한쪽에 입자 코팅을 도포시키는 것은 개개의 LED들에 입자 코팅을 도포시키는 것보다 값이 쌀 수 있다. 입자 코팅과의 상호작용에 의해 기판내로 다시 산란된 빛이 부분적으로 또는 완전히 재순환될 수 있도록 기판의 측벽들은 설계될 수 있다. 백색광을 생성하기 위해 LED와 함께 나노 입자를 활용하는 것은 최소의 빛 굴절이 일어나도록 해주며, 이에 따라 후방산란된 빛을 최소화해주고 출구면으로부터 방출된 빛을 최대화해준다.
LED들의 실시예들에 대한 잠재적인 응용들은 셀룰라 폰 디스플레이 조명을 포함한다. 현재의 시스템은 일반적으로 백색광을 생성하기 위해 형광체로 채워진 인캡슐런트(encapsulant) 물질을 갖는 삼면 발광 청색 LED를 이용한다. LED들의 면들은 일반적으로 불투명하며, 생성된 빛의 대부분이 측벽들에 의해 흡수된다. 이것은 빛의 50% 이상이 흡수로 손실되게 만든다. 또한, 인캡슐런트 대 공기의 경계면에서의 굴절율 변경은 임계각보다 큰 각도로 경계면에 부딪치는 출구 광선들에 대한 TIR 상황을 생성시킨다. 이것은 경계면에서 대략 44% 손실을 초래시킨다. 쉐이핑된 기판 LED의 실시예들은 생성된 빛의 80%를 도광판에 전달시켜줄 수 있으며, 그 결과로 매우 큰 시스템 밝기가 개선되도록 해준다.
LED들의 실시예들에 대한 다른 잠재적인 응용은 셀룰라 폰 카메라 플래쉬로서의 이용이다. 현재의 시스템들은 일반적으로 이미지의 중심부에 매우 밝은 영역을 생성시키고 가장자리들에서는 어두운 영역들을 생성시키는 가우시안 에너지 분포를 갖는 LED를 이용하는데, 이것은 피사체의 불균일한 조명을 유발시킨다. 또한, 현재의 플래쉬 유닛의 빔 형상은 원형인 반면에, CCD 카메라에 의해 캡쳐된 이미지는 직사각형이다. 추가적으로, 인캡슐런트 대 공기의 경계면에서의 굴절율 변경은 임계각보다 큰 각도로 경계면에 부딪치는 출구 광선들에 대한 TIR 상황을 생성시킨다. 이것은 출구 입체 각의 함수인 경계면에서의 손실을 유발시킨다. 반면에, LED의 실시예들은 직사각형 또는 정방형 플래쉬를 전달할 수 있는 것과 함께, LED의 기판에 진입하는 빛의 80%가 이미지 영역에 균일한 분포로 제공된다. 이것은 종래 기술의 LED 플래쉬 시스템에 대비하여 보다 균일한 화면 조명과 보다 높은 레벨의 조명을 초래시킨다.
LED들의 실시예들에 대한 다른 잠재적인 응용은 액정 디스플레이(“LCD”) 백라이트를 위한 이용이다. 전통적인 LCD 시스템들은 적색, 녹색 및 청색 LED들의 선형 어레이를 이용한다. LED들로부터의 빛은 혼합 도광판에 조사되어 균일한 색과 세기를 제공해준다. 일반적으로, LED는 자신 위에 돔(dome)을 배치시키며, 빛을 도광판에 조사시키는 타원형 반사체에 의해 빛은 캡쳐된다. 타원형 반사체는 점광원(point source)에 대해서는 잘 작동하지만, LED는 점광원이 아니며 광선들의 일부는 도광판 내부의 초점들(focii)에 도달하지 않을 것이다. 또한, 돔형의 인캐뷸런트로부터의 일부 빛은 180도 이상으로 방출되기 때문에, 일부 빛은 기판, PCB 보드 및 기타 부품들에 의해 흡수된다. 또한, 돔은 돔내의 빈 공간 부분의 크기에 비해 크기 때문에, 일부분의 빛은 일반적으로 굴절된다. 이러한 손실들은 증배되기 때문에, LED로부터 원래 방출된 빛의 오직 일부분만이 실제적으로 도광판에 도달한다.
반면에, LED의 실시예들은 LED의 기판에 진입하는 빛의 80%(프레넬 손실을 가정함)까지 희망하는 원뿔각으로 도광판에 제공해줄 수 있다. 결과적으로, 현재의 시스템들에서 가능한 것과 동일한 결과를 달성하기 위해 보다 낮은 전력 LED가 이용될 수 있거나 또는 동일한 전력 소모 레벨로 보다 많은 빛이 전달될 수 있다. 정말로, 몇몇 실시예들에서, 도광판은 필요하지 않을 수 있으며, LED들의 어레이가 LCD를 직접 백라이팅하는데 이용될 수 있다.
LED들의 실시예들에 대한 다른 잠재적인 이용은 자동차 헤드라이트, 플래쉬라이트, DLP(digital light processing) 시스템 및 기타 디바이스들에서이다. 희망하는 투사 원뿔 및 빔 프로파일을 제공하기 위해 LED의 형상이 선택될 수 있다. 또한, LED 및 콘덴서 렌즈 또는 "SEPARATE OPTICAL DEVICE FOR DIRECTING LIGHT FROM AN LED"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제11/649,018호에서 기술된 1차 광학 디바이스(Primary Optic Device; "POD")와 같은 기타의 광학 디바이스의 조합은 매우 작은 부피에서 방사 휘도를 보존하면서 좁은 입체각(0.1 스테라디안 미만)의 방출을 가능하게 해준다. 이와 같은 조합은 플래쉬라이트, 스팟 라이트 또는 기타 임의의 좁은 빔 응용에 적용가능하다.
요약하면, 본 명세서에서 개시된 마이크로 LED구성의 실시예들은 종래기술에 비해 아래와 같은 영역들에서의 개선들을 제공해줄 수 있다:
ㆍ 전류 확산
ㆍ 열 제거
ㆍ 방출 균일성
ㆍ 비활성 영역(N층) 접촉부 대비 활성 영역(P층) 접촉부의 비율 증가
ㆍ 보다 높은 외부 양자 효율성
ㆍ 보다 높은 추출 효율성으로 인한 루멘 당 낮은 열 생성
ㆍ 트루 밝기 보존
기판을 비롯한 LED 전체를 쉐이핑하는 것 또는 기판만을 쉐이핑하는 것에 비해 본 명세서에서 개시된 시스템 및 방법의 장점은 발광체층들로부터 발광체층들에서 생성된 빛의 100% 또는 대략적으로 또는 대체로 100%를 추출하는 것을 포함한다. 또한, 보다 적은 물질이 제거되고, 기판 물질(이것은 예컨대 사파이어의 경우, 제거하기가 어려울 수 있거나 또는 제거하는데 비용이 많이 들 수 있다)이 거의 또는 모두가 제거될 필요가 없는데, 이것은 LED의 생산을 가속화시켜줄 수 있고 LED의 생산 비용을 감소시켜줄 수 있다. 또한, 발광체층들은 몇몇의 LED 형성 프로세스들로 이미 에칭되었기 때문에, 본 명세서에서 설명된 바에 따라 발광체층들을 에칭하는 것은 제조에 요구되는 시간에 많이 추가하지 않고서 광 추출 효율을 많이 증가시킬 수 있다.
이러한 설계의 다른 특징은 방출된 빛의 색을 변경시키기 위해 기판의 출구면에서 형광체들이 추가될 수 있다라는 점이다. 만약 마이크로 LED들이 예컨대 청색광을 방출하고, 이러한 빛의 일부분을 녹색광으로 변환시키도록 형광체들이 추가되면, 방출광의 합은 백색광으로 나타날 것이다.
마이크로 LED들의 본래적인 설계로 인해, 형광체들로부터 기판으로 되반사되는 어떠한 빛도 마이크로 LED들의 양자 우물 구역에 다시 전반사될 것이다. 이것은 낮은 손실을 가지면서 효율적인 광자 재순환을 가능하게 해준다. 만약 나노입자 형광체가 이용되면, 후방산란은 없을 것이며 최대 효율이 획득될 것이다.
이러한 유형의 구성의 추가적인 특징은 기판 물질의 광학적으로 평탄화된 측벽들을 가능하게 해준다는 것이다. 일반적으로 산업계에서는, 개개의 다이들은 다이아몬드 서잉(sawing) 또는 스크라이빙(scribing)과 브레이킹(breaking)으로 절단되어 분리된다. 이러한 방법들은 광학적으로 거칠거나(산란 표면) 또는 아마도 광학적으로 평탄하지만 무작위적인 외형(스크라이빙되고 브레이킹된 표면들)을 갖는 다이 측벽들을 생성한다. 산업계에서는 통상적으로, 다이 분리 방법들은 말 그대로 디바이스들을 분리하는 방법으로서만 바라보고 있으며, 이러한 표면들의 퀄리티에는 거의 관심을 두고 있지 않다.
쉐이핑된 발광체층들을 갖는 LED들의 다양한 실시예들에 따르면, 측벽들은 다이의 가장자리들에 가까운 마이크로 LED들로부터의 광선들의 방향을 유지하도록 하는 추가적인 TIR 표면들로서 이용될 수 있다. 이 경우, 가장자리 근처의 마이크로 LED로부터 나온 광선은 기판의 출구면에 도달하기 전에 측벽에 부딪칠 수 있다. 측벽은 광학적으로 평탄화되어 있으므로, 광선은 전반사되어 기판의 출구면에 전달될 것이다. 이것은 출구면에 부딪치는 광선들이 임계각보다 크지 않은 각도로 부딪치게 하는 상황을 유지하며, 그래서 광선들은 출구면을 통과할 수 있다.
일 실시예에서, LED 다이는 산업계에서 흔히 행해지는 것처럼 분리될 수 있거나, 또는 일반 산업계 실시에 따라 분리될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 시스템 및 방법의 실시예들은 기존의 LED 제조 프로세스들과 손쉽게 병합될 수 있어서, 상업화를 능률적으로 만들고 가능하게는 기존의 장비 및 시설을 이용할 수 있다.
위에서 개시된 실시예들에서, 프레넬 손실은 발광체층과 기판 사이의 경계면에서 발생할 수 있으며, 기판과 공기 또는 기타의 매질 사이의 경계면에서 발생할 수 있다. 기판과 공기 또는 기타의 매질 사이의 경계면에서의 프레넬 손실은 무반사 코팅으로 기판의 출구면을 코팅함으로써 감소될 수 있다.
희망한다면, 기판의 측벽들은 광학적을 평탄하지 않도록 남겨둘 수 있거나, 또는 부분적으로 평탄화될 수 있으며, 이 경우, 측벽들에 부딪치는 빛의 일부분은 1차 출구면에 반사되는 것 대신에 측벽들을 통해 나가도록 허용될 수 있다. 이것은 어떠한 조명 상황에서도 장점을 가질 수 있다.
본 발명개시는 특정한 실시예들을 설명하고 있지만, 본 실시예들은 예시적이며 본 발명의 범위는 이러한 실시예들로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 상술한 실시예들에 대해 수많은 변형, 수정, 추가, 및 개선이 가능하다. 예로서, 사파이어 및 실리콘 카바이드에 더하여, 빛의 통과를 허용해주는 다른 기판들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 기판들은 유리, 주조가능 유리, 또는 다이아몬드로 만들어질 수 있다. 이러한 변형, 수정, 추가, 및 개선은 아래의 청구범위에서 기재된 본 발명의 범위내에 속하는 것으로 한다.
80: 발광체층, 81: 쉐이핑된 부분
82: 쉐이핑되지 않은 부분, 920: LED 층들
80: 발광체층, 90: 기판
131: 에칭 채널들, 132: 연속적인 N-GaN 층

Claims (25)

  1. 발광 다이오드(LED)의 발광체층을 쉐이핑(shaping)하는 방법에 있어서,
    소형 발광체의 출구 면적(b)과 발광체 면적(a)을 결정하는 단계로서, 상기 출구 면적(b)은 제1 기하학적 구성의 출구면을 가지며, 상기 발광체 면적(a)은 제2 기하학적 구성의 양자 우물 구역을 갖는 것인, 상기 출구 면적(b)과 발광체 면적(a)을 결정하는 단계;
    상기 출구 면적(b)과 상기 발광체 면적(a)을 활용하여 상기 소형 발광체의 최소 높이(h)를 결정하는 단계;
    상기 최소 높이(h)를 충족시키는 하나 이상의 소형 발광체들을 갖는 쉐이핑된 부분을 형성하기 위하여, 상기 제1 기하학적 구성, 상기 제2 기하학적 구성, 및 상기 최소 높이(h)에 따라 발광물질로부터 물질을 제거하거나 또는 상기 발광물질을 성장시키는 단계; 및
    상기 소형 발광체들의 측벽들을 쉐이핑하는 단계
    를 포함하며, 상기 측벽들 각각은, 상기 발광체 면적에서부터 상기 측벽까지의 직선형 전달 경로를 갖는 광선들의 적어도 대다수가 상기 출구면에서 임계각 이하의 입사각으로 상기 출구면에 반사되도록 위치되고 쉐이핑되는 것인, 발광 다이오드(LED)의 발광체층을 쉐이핑하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광물질로부터 물질을 제거하는 단계는,
    상기 제1 기하학적 구성을 갖는 제1 마스크를 이용하여 상기 발광물질을 패턴화하는 단계;
    상기 최소 높이(h)와 상기 제1 기하학적 구성에 따라 상기 발광물질을 에칭하는 단계;
    상기 제2 기하학적 구성을 갖는 제2 마스크를 이용하여 상기 발광물질을 패턴화하는 단계;
    상기 제2 기하학적 구성에 따라 상기 발광물질을 에칭하는 단계
    를 더 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED)의 발광체층을 쉐이핑하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 마스크는 상기 발광체층내에서 에칭 채널들의 최소 폭을 정의하고, 상기 하나 이상의 소형 발광체들은 상기 에칭 채널들의 최소 폭만큼 서로 이격된 소형 발광체들의 어레이를 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED)의 발광체층을 쉐이핑하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 발광물질은 갈륨 질화물(GaN)을 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED)의 발광체층을 쉐이핑하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 기하학적 구성, 상기 제2 기하학적 구성, 및 상기 최소 높이(h)에 따른 증착에 의해 상기 발광물질로부터 물질을 제거하는 단계 또는 상기 발광물질을 성장시키는 단계는 기저 기판에 접해있는 쉐이핑되지 않은 부분을 더 형성하는 것인, 발광 다이오드(LED)의 발광체층을 쉐이핑하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기저 기판은 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED)의 발광체층을 쉐이핑하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 기저 기판의 표면상에 무반사 코팅을 도포시키는 단계를 더 포함하며, 상기 기저 기판의 표면은 공기와 인터페이싱(interface)하는 것인, 발광 다이오드(LED)의 발광체층을 쉐이핑하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 기하학적 구성은 네 개의 변들 또는 여섯 개의 변들을 갖는 것인, 발광 다이오드(LED)의 발광체층을 쉐이핑하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 소형 발광체의 최소 높이(h)를 결정하는 단계는 상기 소형 발광체의 발광체 면적(a)으로부터 상기 출구 면적(b) 까지 최장 거리 또는 대략적으로 최장 거리를 횡단하는 하나 이상의 제한 광선들을 결정하는 단계를 더 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED)의 발광체층을 쉐이핑하는 방법.
  10. 발광 다이오드(LED)의 발광체층을 쉐이핑하는 방법에 의해 제조된 발광 다이오드(LED)에 있어서, 상기 방법은,
    소형 발광체의 출구 면적(b)과 발광체 면적(a)을 결정하는 단계로서, 상기 출구 면적(b)은 제1 기하학적 구성의 출구면을 가지며, 상기 발광체 면적(a)은 제2 기하학적 구성의 양자 우물 구역을 갖는 것인, 상기 출구 면적(b)과 발광체 면적(a)을 결정하는 단계;
    상기 출구 면적(b)과 상기 발광체 면적(a)을 활용하여 상기 소형 발광체의 최소 높이(h)를 결정하는 단계;
    상기 최소 높이(h)를 충족시키는 하나 이상의 소형 발광체들을 갖는 쉐이핑된 부분을 형성하기 위해, 상기 제1 기하학적 구성, 상기 제2 기하학적 구성, 및 상기 최소 높이(h)에 따라 발광물질로부터 물질 제거를 하거나 또는 상기 발광물질을 성장시키는 단계; 및
    상기 소형 발광체들의 측벽들을 쉐이핑하는 단계
    를 포함하며, 상기 측벽들 각각은, 상기 발광체 면적에서부터 상기 측벽까지의 직선형 전달 경로를 갖는 광선들의 적어도 대다수가 상기 출구면에서 임계각 이하의 입사각으로 상기 출구면에 반사되도록 위치되고 쉐이핑되는 것인, 발광 다이오드(LED).
  11. 제10항에 있어서, 상기 발광체 물질은 갈륨 질화물(GaN)을 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED).
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 기하학적 구성, 상기 제2 기하학적 구성, 및 상기 최소 높이(h)에 따른 증착에 의해 상기 발광물질로부터 물질을 제거하거나 또는 상기 발광물질을 성장시키는 단계는 기저 기판에 접해있는 쉐이핑되지 않은 부분을 더 형성하는 것인, 발광 다이오드(LED)의 발광체층을 쉐이핑하는 방법에 의해 제조된 발광 다이오드(LED).
  13. 제12항에 있어서, 상기 기저 기판은 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED).
  14. 제12항에 있어서, 상기 방법은 상기 기저 기판의 표면상에 무반사 코팅을 도포시키는 단계를 더 포함하며, 상기 기저 기판의 표면은 공기와 인터페이싱하는 것인, 발광 다이오드(LED).
  15. 제10항에 있어서, 상기 발광물질로부터 물질을 제거하는 단계는,
    상기 제1 기하학적 구성을 갖는 제1 마스크를 이용하여 상기 발광층을 패턴화하는 단계;
    상기 최소 높이(h)와 상기 제1 기하학적 구성에 따라 상기 발광층을 에칭하는 단계;
    상기 제2 기하학적 구성을 갖는 제2 마스크를 이용하여 상기 발광층을 패턴화하는 단계;
    상기 제2 기하학적 구성에 따라 상기 발광물질을 에칭하는 단계
    를 더 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED).
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 마스크는 상기 발광체층내에서 에칭 채널들의 최소 폭을 정의하고, 상기 하나 이상의 소형 발광체들은 상기 에칭 채널들의 최소 폭만큼 서로 이격된 소형 발광체들의 어레이를 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED).
  17. 제10항에 있어서, 상기 제1 기하학적 구성은 네 개의 변들 또는 여섯 개의 변들을 갖는 것인, 발광 다이오드(LED).
  18. 제10항에 있어서, 상기 소형 발광체의 최소 높이(h)를 결정하는 단계는 상기 소형 발광체의 상기 발광체 면적(a)으로부터 상기 출구 면적(b) 까지 최장 거리 또는 대략적으로 최장 거리를 횡단하는 하나 이상의 제한 광선들을 결정하는 단계를 더 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED).
  19. 발광 다이오드(LED)에 있어서,
    기저 기판; 및
    상기 기저 기판의 표면상의 발광체층
    을 포함하며,
    상기 발광체층은 쉐이핑된 부분을 가지며, 상기 쉐이핑된 부분은 출구 면적(b), 발광체 면적(a), 최소 높이(h), 및 측벽들을 포함하며, 상기 출구 면적(b)은 제1 기하학적 구성의 출구면을 갖고, 상기 발광체 면적(a)은 제2 기하학적 구성의 양자 우물 구역을 가지며, 상기 최소 높이(h)는 상기 출구 면적(b)과 상기 발광체 면적(a)을 활용하여 결정되며, 상기 측벽들 각각은, 상기 발광체 면적에서부터 상기 측벽까지의 직선형 전달 경로를 갖는 광선들의 적어도 대다수가 상기 출구면에서 임계각 이하의 입사각으로 상기 출구면에 반사되도록 위치되고 쉐이핑되는 것인, 발광 다이오드(LED).
  20. 제19항에 있어서, 상기 발광체층은 상기 기저 기판에 접해 있는 쉐이핑되지 않은 부분을 더 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED).
  21. 제19항에 있어서, 상기 발광체층은 갈륨 질화물(GaN)을 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED).
  22. 제19항에 있어서, 상기 기저 기판은 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED).
  23. 제19항에 있어서, 상기 제1 기하학적 구성과 상기 제2 기하학적 구성은 서로다른 크기의 정방형, 직사각형, 또는 육각형을 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED).
  24. 제19항에 있어서, 상기 발광체층은 출구 면적(b), 발광체 면적(a), 최소 높이(h), 및 측벽들을 각각 갖는 발광체들의 어레이를 포함하는 것인, 발광 다이오드(LED).
  25. 제19항에 있어서, 상기 발광체층의 쉐이핑된 부분은 상기 발광 다이오드(LED)로부터 적어도 75%의 광 추출을 달성하도록 쉐이핑되는 것인, 발광 다이오드(LED).
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