KR20110039313A - 나노구조 ｌｅｄ - Google Patents

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요나스 올슨
유리 마르티노프
페터 한베르크
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글로 에이비
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Abstract

본 발명에 따른 디바이스는 기판의 제 1 영역으로부터 돌출하는 나노와이어의 제 1 그룹 및 기판의 제 2 영역에 있는 접촉 수단을 구비한 나노구조 LED를 포함한다. 나노와이어들의 제 1 그룹의 각각의 나노와이어 및 각각의 나노와이어의 상부 또는 나노와이어들 중 적어도 하나의 선택된 나노와이어는 광-반사 접촉 층에 의해 커버된다. 제 2 영역의 접촉 수단은 나노와이어들의 하부와 전기적으로 접촉되고, 광-반사 접촉 층은 p-i-n-접합을 통해 제 2 영역의 접촉 수단과 전기적으로 접촉된다. 그러므로 제 2 영역의 접촉 수단 및 광-반사 접촉 층 사이에 전압이 인가되면, 나노와이어 내에서 광이 발생된다. 광-반사 접촉 층의 상부에서는, 상기 층에 걸쳐 전압을 균등하게 하여 평균 직렬 저항을 감소시키기 위해 플립-칩 본딩을 위한 접촉 패드들의 제 1 그룹이 제공되고 분배되고 분리될 수 있다.

Description

나노구조 ＬＥＤ{A NANOSTRUCTURED LED}
본 발명은 LED들에 관한 것이다. 특히 본 발명은 나노구조 LED들에 관한 것이다.
나노와이어(nanowire) 기반 LED(Light Emitting Diode)들은 예를 들어 실리콘 또는 GaN과 같이, 반도체 나노와이어들 또는 기판상에서 성장된 반도체 나노와이어들의 어레이(array)들로 구성된다. 전형적으로 그와 같은 기판상에서 평면의 버퍼 층(buffer layer)이 우선 성장되고 후속해서 나노와이어들의 어레이가 버퍼 층의 표면에서 성장된다. 버퍼 층은 나노와이어들을 성장시키기 위한 기저 층(base layer)으로 사용된다. 추가적으로, 버퍼 층은 전류를 전송하는 역할을 한다. 버퍼 층은 통상적으로 LED에 의한 발광을 위해 투명하다.
각각의 나노와이어는 버퍼 층으로부터 돌출하고 나노와이어 코어(nanowire core) 주위에 또는 나노와이어 축을 따라 p-i-n 접합들을 형성하는 재료들의 다중 영역들을 포함한다. 전하 캐리어(charge carrier)들이 각각의 p- 및 n-영역들로 주입되면, 전하 캐리어들은 i-영역에서 재결합하고, 이 재결합이 광을 발생시킨다. 광은 각각의 나노와이어 내에 무작위로 발생되고 모든 방향들로 방출한다. 그와 같은 구조의 하나의 문제점은 단 발생된 광의 일부분만이 원하는 방향으로 지향되기 때문에 광의 실질적인 프랙션(fracton)이 소비되는 점이다.
나노와이어 기반 LED들과 연관되는 다른 문제점은 이 구조가 능동 영역, p-i-n 접합으로의 전류 전송을 위해 버퍼 층의 전도성에 의존하는 점이다. 더 큰 디바이스의 경우 접촉점 및 LED 내의 나노와이어들 사이의 거리가 상당하므로, 버퍼 층에 걸친 전압 강하 및 저항 손실들이 발생한다. 캐리어 재결합 및 광 발생은 n-접속 측 상의 접촉 패드 부근에서 현저하게 발행하므로 전류 군집(current crowding) 및 비-균질 휘도(luminance)를 발생시킬 것이다.
pn 접합 및 p-i-n 접합의 차이는 후자가 더 넓은 능동 영역을 가진다는 것이다. pn- 및 p-i-n 접합들 이 둘 모두가 LED 디바이스들 내에서의 광 발생을 위해 사용될 수 있을지라도, 더 넓은 능동 영역이i-영역에서의 재결합의 확률을 더 높임으로써 광의 생성을 가능하게 한다.
종래 기술은 효율이 높고 대규모 제조에 적합한 나노구조 LED를 제공하는 것을 가능하게 하는 것에 관하여 결점들을 갖는다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 결점들 중 적어도 일부를 극복하는 것이다. 이는 청구항 제 1 항에 규정되는 바와 같은 디바이스에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 디바이스는 적어도 하나의 나노와이어 및 접촉 수단을 구비한 나노구조 LED를 포함한다. 각각의 나노와이어는 기판상의 버퍼 층으로부터 돌출하고 pn- 또는 p-i-n-접합을 포함하고 각각의 나노와이어의 상부 부분 또는 나노와이어들의 적어도 하나의 선택된 나노와이어는 광-반사 또는 투명 접촉으로 커버된다. 접촉 수단은 각각의 나노와이어의 하부 부분과 전기적으로 접촉되고, 광-반사 또는 투명 접촉 층은 pn- 또는 p-i-n 접합을 통해 접촉 수단과 전기적으로 접촉된다. 그러므로 전압이 접촉 수단 및 광-반사 또는 투명 접촉 층 사이에 인가될 때, 광은 나노와이어의 능동 영역에서 발생된다. 버퍼 층의 상부에, 플립-칩 본딩(flip-chip bonding)을 위한 접촉 패드의 제 1 그룹은 평균 직렬 저항을 감소하도록 분배되고 분리된다.
그와 같은 나노구조 LED는 나노와이어 LED 칩 상의 p-접촉 패드들 및 n-접촉 패드들의 위치에 대응하고 캐리어 솔더링(soldering), 초음파 용접(ultrasonic welding), 본딩을 사용하거나 또는 전기적 전도성 글루(glue)를 사용하여 접착되는 접촉 패드들을 갖는 캐리어 상에 배치될 수 있다. 캐리어 상의 접촉 패드들은 LED 패키지의 적절한 전력 공급 리드(lead)에 전기적으로 접속될 수 있다.
본 발명의 하나의 목적은 플립-칩 본딩된 LED들과 관련된 문제들을 극복, 즉 효율을 증가시키고, 버퍼 층에서의 직렬 저항과 관련되는 손실들을 감소시키는 것이다. 본 발명의 부가적인 장점은 낮은 에너지 소모를 나타내는 것이다.
본 발명의 부가적인 목적은 독점적이고 개별적으로 어드레싱(addressing)될 수 있는 나노와이어들의 하나 이상의 접촉 그룹들을 포함하는 나노와이어 LED를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들은 종속 청구항들에서 규정된다. 본 발명의 다른 목적들, 장점들, 및 신규한 특징들은 첨부 도면들 및 청구항들과 함께 고려될 때 본 발명의 실시예들의 예들의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의해서 종래 기술에 비해 고효율을 가지며 대규모의 제조에 적합한 나노구조 LED가 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 이제 첨부 도면들을 참조하여 서술될 것이다;
도 1은 나노와이어 LED의 개략적인 구조를 도시한 도면;
도 2a) 하부 접촉부 및 LED의 능동 영역을 엄격하게 규정하는 상부 접촉부를 구비한 나노와이어 LED를 도시하고, 도 2b)는 독점적으로 그리고 개별적으로 어드레싱될 수 있는 두 능동 영역들을 구비한 나노와이어 LED를 도시한 도면;
도 3은 상부 접촉부 및 하부 접촉부를 구비한 나노와이어 LED를 도시한 도;
도 4는 여러 개별 접촉부를 가지며 나노와이어 LED 상의 접촉 패턴을 설계하는 방법에 대해 제안한 도면;
도 5는 여러 개별 접촉부를 가지며 나노와이어 LED에 대한 접촉 패턴을 설계하는 방법에 대해 도한 도면;
도 6은 p- 및 n- 접촉부들 사이의 접촉 범프(bump)들 을 구비한 캐리어 상으로 본딩된 나노와이어 구조를 도시한 도면;
도 7은 나노와이어들이 제거된 나노와이어들의 접촉 그룹들 사이에 있는 영역들을 구비하고 냉각 플랜지(cooling flange)들로 작동하는 LED 디바이스를 도시한 도면;
도 8은 제어 일렉트로닉스(electronics)를 구비한 캐리어 상에 실장되는 플립-칩 LED를 도시한 도면;
도 9는 LED 디바이스가 차량의 스마트 헤드-라이트로서 사용될 수 있는 방법을 도시한 도면.
다음에 설명될 실시예들은 모두 나노구조 LED/LED들에 기반하고, 그와 같은 LED의 종래 기술 버전은 WO2008048704에서 확인될 수 있다.
다음의 설명에서 용어 나노와이어 또는 나노요소는 약 1㎛보다 더 크지 않는 적어도 2차원들을 갖는 구조를 의미하도록 의도된다.
하나의 실시예인, 본 발명에 따른 나노구조 LED의 도 1에서, 나노와이어(110)는 기판 또는 기판(도면에 기판은 도시되지 않는다) 상에 증착된 버퍼 층(120)으로부터 돌출하고, 여기서 기판 또는 버퍼 층은 Si, Ge, Al2O3, SiC, 석영, 유리, GaN 또는 나노와이어 성장 및 부가 프로세싱에 적합한 임의의 다른 재료일 수 있다. 버퍼 층(120)은 기판 재료와는 상이한 재료로 제조될 수 있다. 버퍼 층(120)은 통상적으로 원하는 나노와이어 재료와 정합(match)함으로써 이후에 프로세스에서 나노와이어들에 대한 성장 베이스(growth base)를 형성하도록 선택된다. 이는 나노와이어들의 격자 파라미터들 및 버퍼 층이 나노와이어 성장을 허용하도록 선택되는 것을 의미한다. 나노와이어들의 성장은 상기 언급된 응용예에서 서술되는 방법을 이용함으로써 달성될 수 있고, 여기서 널리 공지되어 있는 마스크 기술(mask technique)들은 pn- 또는 p-i-n 접합(160)을 발생시킨다. 나노와이어들은 임의의 반도체 재료로 구성될 수 있지만 GaN, InP, GaAs, AlInGaN, 및 InGaN 등과 같은 III-V 반도체들이 LED들의 제조에 적합하다. 그리고나서 일부 지정된 영역들에서, 버퍼 층(120)을 완전히 에칭하여 나노와이어들이 제거됨으로써, 결과적으로 나노와이어들이 기판으로부터 돌출된 제 1 영역 및 나노와이어가 없고 제 1 영역 내의 나노와이어들의 하부 부분(145)과 전기적으로 접촉되는 제 2 영역이 발생된다. 제 2 영역에서, 금속 또는 고도로 도핑(doping)된 반도체는 접촉 수단을 형성하도록 배열된다. 다음에, 용어 P-i-n-접합은 달리 표시되지 않으면 pn- 및 p-i-n 접합들 모두를 포함하도록 의도된다.
그 후에, 원리적으로, 기판은 버퍼 층 또는 기판을 접촉하는 접촉 패드(190)의 제 1 그룹의 위치들에서만 제외하고 나노와이어들로 커버되는데, 왜냐하면 접촉 패드들의 제 1 그룹의 위치에서 나노와이어들이 제거되었기 때문이다. 본 발명에 따르면, 접촉 패드(들)(180)의 제 2 그룹 및 광-반사 또는 투명 접촉 층(130)은 도 2a에 따른 나노와이어들(110) 상에 규정되므로, LED 디바이스의 발광 능동 영역을 엄격하게 규정한다. 접촉 패드(들)(180)의 제 2 그룹 및 광-반사 또는 투명 층(130)에 의해 규정되는 영역의 외부에 위치되는 모든 나노와이어들(110)은 전기적으로 데드(dead)될 것이므로, 접촉 패드(들)(190)의 제 1 그룹 및 접촉 패드(들)(180)의 제 2 그룹 사이에 인가되는 전압에 대한 광의 형성에 기여하지 않을 것이다. 능동 영역의 외부에 위치되는 나노와이어들로의 전류 유출은 존재하지 않는다. 그러므로, 나노와이어 기술은 접촉 패드들의 제 2 그룹에 의한 능동 영역들의 엄격한 규정을 가능하게 하는 고유의 능력을 제공하지만, 이는 평면 기술에서는 가능하지 않다.
도 2b는 접촉 패드(들)(180)의 제 2 그룹의 두 접촉 패드들이 존재하는 본 발명의 실시예를 도시한다. 상술한 바와 같이, 접촉 패드(들)(180)의 그룹 및 광-반사 또는 투명 층(130) 아래 위치되는 나노와이어들(110)만이 전압이 인가될 때 광을 발생하는데 능동일 것이다. 도 2b에서 나노와이어들의 상부에 있는 두 접촉부들의 분포는 접촉 패드(들)(180)의 제 2 그룹 및 광 반사 또는 투명 층(130)에 의해 규정되는 나노와이어들의 두 접촉 그룹들을 독점적으로 그리고 개별적으로 제어하는 것을 가능하게 한다. 능동 영역들 외에서의 나노와이어들로의 유출이 존재하지 않으므로, 능동 영역들의 해상력(resolution)은 접촉 패턴의 해상력에 의해 엄격하게 결정된다. 그러므로, 나노와이어들의 모든 접촉 그룹들이 독점적이고 배타적으로 어드레싱될 수 있는 나노와이어들의 다수의 접촉 그룹들을 갖는 기판은 예를 들어 디스플레이들, 레드-그린-블루 LED 셋업(Red-Blue-Blue LED setup)(RGB)들, 디머(dimmer)들, 차량용 헤드-라이트들 등을 형성하는데 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 광-반사 접촉 층(130) 또는 밀러 층(mirror layer)을 형성하는 금속 반사기는 제 1 영역 내의 돌출한 나노와이어들의 상부(140)에 형성된다. 광-반사 접촉 층(130)은 여러 방법들로 형성될 수 있지만, PVD(Physical Vapour Deposition) 방법 및 널리-공지되어 있는 기술들을 사용하는 것이 바람직한 방법이다. 반사기는 바람직하게도 알루미늄 또는 은으로 제조되지만, 다른 금속들 또는 금속 합금들이 또한 사용될 수 있다. 광-반사 접촉 층(130)의 목적은 광이 상기 구조를 바람직한 방향 이외의 방향으로 남도록 하지 않는 것이고, 하나의 단일 방향으로 방출된 광을 집중시키는 것이다. 게다가, 광-반사 접촉 층(130)은 통상적으로 나노와이어들로의 상부 접촉부로 기능을 할 수 있다.
나노와이어 기반 LED들은 전면-방출이거나 후면-방출, 즉 나노와이어들 내에서 발생되는 광은 나노와이어들의 상부로부터, 또는 나노와이어들의 하부, 버퍼 층 및 기판을 통해 각각 방출된다. 나노와이어-기반 LED 디바이스는 그와 같으므로, 통상적으로 기계적 지지 및 전기적 접속들을 제공하는 캐리어 상에 실장된다. 캐리어는 광을 흡수해서는 안 되고 디바이스로부터의 발광을 제한해서는 안 된다. 개선된 효율을 갖는 LED를 구성하는 하나의 방법은 플립-칩 디바이스를 제조하는 것이다. 광 스펙트럼의 가시 영역에서 고 반사성을 갖는 금속 층이 나노와이어들의 상부에 형성된다. 나노와이어들이 성장했던 기판은 프로세스의 일부로서 제거되어, 버퍼 층(120)을 남겨서, 광이 나노와이어들에 대한 베이스(base)를 형성했던 상기 버퍼 층(120)을 통해 방출되는 것을 가능하게 한다. 그리고나서 나노와이어들의 상부로 지향되는 방출 광은 자신이 금속 층과 만날 때 반사되어서, 도 3에 도시된 바와 같은 구조를 남기는 광의 명백한 우세 방향을 발생시킨다. 상기 구조를 제조하는 이 방법은 방출되는 광의 더 큰 프랙션이 원하는 방향으로 가이드되는 것을 가능하게 함으로써 LED의 효율을 증가시킨다.
캐리어 웨이퍼(280)(도 6) 또는 마이크로 전자 구조에 구조를 부착할 수 있도록, 접촉 패드들은 또한 하부 층으로 칭해지는 버퍼 층(120) 상에 그리고 상부 층으로 칭해지는 광-반사 접촉 층(130) 상에 형성되어야만 한다. 이를 행하는 첫번째 방법은 하나의 접촉부를 버퍼 층에 형성하고 하나의 접촉부를 밀러 층에 형성하여, 층 자체가 나노와이어들에 전류를 분배하도록 하는 것이다. 이는 나노와이어 또는 나노와이어들의 그룹을 나머지의 나노와이어들 또는 나노와이어들과는 관계없이 어드레싱하는 것을 불가능하게 할 것인데, 왜냐하면 하나의 접촉 층의 적어도 하나의 접촉 패드들은 나노와이어들의 그룹들의 개별 어드레싱이 가능하게 분배될 필요가 있기 때문이다. 게다가, 각각의 접촉 층에 대한 하나의 단일 접촉부는 예를 들어 저항 손실들과 같은 손실들을 발생시킬 것인데, 왜냐하면 층에서의 전도 거리가 상대적으로 길 수 있기 때문이다. 접촉부들을 형성하는 두 번째 바람직한 방법은 서너 개의 접촉 패드들을 형성하고 예를 들어 접촉 패드들의 인터리빙 어레이(interleaving array)들의 층을 만들어서 상기 접촉 패드들을 버퍼 층(120) 표면에 걸쳐 분배하여 표면상의 전류 밀도를 균등화하는 것이다. 이는 버퍼 층에서의 직렬 저항으로부터 발생하는 저항 손실들을 감소시킴으로써 LED 디바이스의 효율을 개선시킨다. 저항 손실들의 영향력은 층의 저항률이 증가할수록 더욱더 강해진다. 낮은 저항을 갖는 금속 층의 경우, 이득은 작지만, 반도체 버퍼 층과 같은 더 높은 저항을 갖는 층의 경우, 이득은 상당히 클 수 있다. 버퍼 층 상의 접촉 패드들(190)의 제 1 그룹은 캐소드(cathode)라 칭해질 수 있고 광-반사 접촉 층의 상부에 있는 접촉 패드들(180)의 제 2 그룹은 애노드(anode)로 칭해질 수 있다.
나노와이어들의 접촉 그룹은 적어도 하나의 나노와이어를 포함하지만, 바람직하게도 각각의 접촉 그룹은 복수의 나노와이어들을 포함한다. 나노와이어들의 그룹에 복수의 나노와이어들을 가지는 것을 디바이스의 신뢰도를 향상시키는데, 왜냐하면 그러한 경우 나노와이어들의 그룹이 하나의 단일 나노와이어의 기능에 강하게 좌우되지 않기 때문이다. 그러나, 본 명세서에서 용어 그룹은 나노와이어들의 접촉 그룹이 단 하나의 나노와이어를 갖는 경우를 포함하는 경우를 포함하도록 규정된다.
분배된 접촉 패드들을 이용하는 방법은 또한 광-반사 접촉 층(130)의 상부에서의 제 2 영역에 적용 가능하다. 이 층은 흔히 금속 층이지만, 이 층은 또한 고 광학 반사도 및 상대적으로 높은 전기 전도성을 갖는 화합물(compound material)로 구성될 수 있다. 분배된 접촉 패드들은, 광-반사 접촉 층(130)이 적절히 적응되는 경우, 나노와이어들의 적어도 하나의 그룹에 대한 독점적 및 개별적 어드레싱이 가능할 것이다. 심지어 금속 광-반사 접촉 층(130)의 경우에서 분배된 접촉 패드들을 이용하는 다른 본질적인 장점은, 접촉 포인트들의 수가 증가함으로써 상기 구조가 캐리어 웨이퍼(280)에 본딩되는 경우, 개선된 구조적 지지가 제공되는 점이다.
접촉 패드들(190)의 제 1 그룹의 경우, 접촉 패드들이 상부 층 및 하부 층을 단락하지 않는 한, 많은 상이한 방법들로, 그리고 원리적으로 임의의 패턴을 이용하는 많은 기하학적 구조들로 분배가 행해질 수 있다. 분배된 접촉 패드들의 장점은 이들이 적용되는 층으로의 전류 분배를 균등화할 수 있다는 점이고, 이는 또한 불규칙적인 패턴으로 있는 분배된 접촉 패드들에 의해 달성될 수 있다. 그러므로, 접촉 패드들에 대한 기하학적 배열은 전류 분배 효과가 달성되는 한, 필수적이지 않다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 접촉 패드들에 대한 접촉 패턴은 상부 층 및 하부 층 각각에 대한 복수의 어레이들을 이용하고, 그리고 상부 층 및 하부 층에 대한 접촉 패드들의 어레이들을 서로에 대해 횡으로 배치되도록 함으로써 형성된다. 하부 층에 대한 접촉 패드들은, 예를 들어 버퍼 층을 통해 모두 접속될 수 있으므로, 이 접촉 층이 개별 어드레싱에 사용되지 않는 한, 나노와이어들 또는 나노와이어들의 그룹들 사이에 분배될 수 있다. 상부 층에 대한 접촉 패드들 또한 분배되지만, 이 접촉 층이 개별 어드레싱에 사용될 때, 도 7 및 8에 도시되는 바와 같이, 광-반사 접촉 층(130)을 통해 서로 전혀 접속되지 않는다.
다른 실시예에서, 상부 층 및 하부 층에 대한 접촉 패드들(190)의 제 1 그룹 및 접촉 패드들(180)의 제 2 그룹은 도 4에 도시되는 바와 같이 서로 직각인 어레이들로 형성된다. 전기적 절연 재료이거나 또는 단지 전도성 재료가 없을 수 있는 전기적 절연부(250)는 도 4 및 5에서의 설계에서 확인되는 바와 같이 그룹들을 분리하고 있다. 도 5에서, 접촉 패드들은 제 1 및 제 2 영역에 대해 정사각 또는 직사각형을 갖는 매트릭스 패턴(matrix pattern)으로 형성되고 서로에 대해 횡으로 배치된다. 또한, 기하학적 접촉 패드 셋업들의 결합들이 가능하다. 도 4 및 도 5 및 이의 결합들은 단지 디바이스의 전도성 패턴을 형성하는 서너 개의 가능한 방법들을 도시하지만, 물론 많은 수의 가능한 해법들이 존재한다.
접촉 패드들은 또한 LED 구조가 솔더링(soldering)에 의해 다른 웨이퍼에 부착되는 경우 본딩 프로세스에서 솔더링 범프(solering bump)들(260)(도 6 및 도 8)로 동작할 수 있다. 접촉 패드 및 웨이퍼에서의 재료의 유형이 적절하게 선택되면, 두 유닛들은 서로 열적으로 본딩될 수 있다. 다른 방법은 본딩 전에 솔더링 범프들을 접촉 패드들 상에 실장하는 것이다. 솔더링 범프들을 사용하여 캐리어 웨이퍼 상에 본딩된 플립-칩 LED 디바이스는 도 6 및 도 8에서 확인될 수 있다. 솔더링 범프들 상에서의 형상은 아무튼 실제 상황에서의 형상을 도시하고자 의도되지 않지만 도면의 이해를 용이하게 하도록 그와 같이 형성된다.
도 7에 따른 본 발명의 하나의 실시예에서, 나노와이어들은 접촉 패드들(190)의 제 1 그룹에 대한 하나의 공통 접촉부, 예를 들어 버퍼 층을 갖는다. 접촉 패드들(180)의 제 2 그룹 및 광-반사 접촉 층(130)이 분배되고 전기적으로 분리되어, 나노와이어들의 그룹들은 나노와이어들의 다른 그룹들과는 관계없이 독점적으로 그리고 개별적으로 어드레싱될 수 있어서, 나노와이어들의 그룹은 예를 들어 하나의 픽셀을 나타낸다. 이는 나노와이어들의 상이한 그룹들이 상이한 특성들을 갖는 배열을 갖는 것을 가능하게 하는데, 예를 들어 상이한 그룹들은 레드-그린-블루(RGB) 셋업에서 컬러를 나타내도록 적응될 수 있다. 도면(도 7)에서, 나노와이어들의 접촉 그룹들이 에칭된 트렌치(trench)에 의해 분리된다. 그러나, 이는 나노와이어들에 대한 분배된 접촉부들의 경우 필요하지 않다. 나노와이어들의 접촉 그룹들 사이의 전기적 데드 영역은 또한 능동이 아닌 나노와이어일 수 있는데 왜냐하면 능동 영역, 즉 나노와이어들의 능동 접촉 그룹은 광-접촉 층 및 접촉 패드들에 의해 엄격하게 규정되고, 나노와이어들의 각각의 능동 그룹은 개별적으로 어드레싱될 수 있기 때문이다. 이는 LED들의 평면 기술 제조에서는 그러하지 않는데, 여기서는 누설 전류 등이 LED들의 개별성(individuality)을 파괴할 것이기 때문이다.
개별 접촉 영역들을 RGB 셋업에 있는 상이한 컬러들로 나타내는 것은 여러 방법들로 행해질 수 있다. 나노와이어들의 그룹은 상이한 전압 레벨들에 상이하게 반응하도록 적응될 수 있어서, 제 1 전압 레벨은 빨간 광을 나타내고, 제 2 전압 레벨은 녹색 광을 나타내고, 제 3 전압 레벨은 파란 광을 나타내도록 한다. 따라서, 나노와이어들의 접촉 그룹들은 원하는 파장, 따라서 원하는 컬러의 광을 방출하도록 제어될 수 있다. 다른 가능한 해법은 나노와이어들의 상이한 접촉 그룹들이 상이한 재료 조성물을 갖는 나노와이어들을 포함함으로써, 상이한 그룹들의 나노와이어들이 동일한 전압 레벨에 상이하게 반응하도록 하는 것이다. 동일한 방식으로, 나노와이어들의 접촉 그룹은 인가된 전압에 반응하도록 적응될 수 있어서, 증가된 전압은 강도가 증가하는 결과를 발생시키고, 따라서 더 높은 전압은 나노와이어들의 상기 특정 그룹의 방출을 더 강하게 하는 결과를 발생시키도록 한다. 상기 방법에서, 컬러화된 방출, 예를 들어 RGB의 강도는 컬러에 따라(color by color) 제어될 수 있다.
다른 실시예에서, 나노와이어들의 다수의 그룹들이 모든 그룹을 독점적으로 그리고 개별적으로 어드레싱하는 것이 가능한 기판에 배열된다. 나노와이어들의 그룹들은 전압이 인가될 때 모두 동일한 특성들을 가질 수 있는데(여기서는 능동 그룹으로 칭해진다) 비록 능동 그룹들의 수가 원하는 광량(amount of light)에 따라 변화될 수 있을지라도 상기와 같이 동일한 특성을 갖는다. 이는 예를 들어 LED들을 차량(예를 들어 자동차, 트럭, 운반 차량 등) 내의 헤드라이트로 사용될 때 매우 유용할 수 있다. 광량(하이-빔(high-beam) 또는 로 빔(low beam))은 나노와이어들의 능동 그룹들의 수에 의해 제어된다. 즉, 더 많은 능동 그룹들은 더 많은 발광을 의미한다. 게다가, 나노와이어들의 상이한 그룹들은 상이한 조명 모드들로부터 기인할 수 있다; 예를 들어 도 8에 도시되는 바와 같이 고속도로 운전을 위한 하나의 모드, 시골에서의 운전을 위한 하나의 모드, 및 불리한 날씨에서의 운전을 위한 하나의 모드 등.
그와 같은 디바이스를 제조하는 하나의 방법은 기판상에 n-도핑된 GaN 버퍼의 상부에 나노와이어들의 어레이 또는 어레이들을 성장시키는 것이다. 나노와이어들은 일정한 어레이 또는 갭(gap)들을 갖는 서브-어레이들의 세트로 배열되고, 각각의 서브-어레이는 개별 픽셀에 대응한다. 나노와이어들은 n-도핑된 GaN 코어, 능동 복사 InGaN 층, 및 p-도핑된 쉘(shell)로 구성된다. 후-프로세싱(post processing) 동안 나노와이어들은 우선 쉘, 금속 반사기 및 금속 본드 패드(bond pad)로의 p-접촉을 형성하는 금속 스택(metal stack)으로 도포된다. 금속 층들은 디바이스의 개별 픽셀들을 형성하도록 패터닝(patterning)된다. 이 픽셀들은 서로 전기적으로 절연된다. 후속해서 버퍼로의 공통 n-접촉부가 디스플레이의 능동 영역 외부에 있는 영역에 형성된다. 거기서 나노와이어들은 예를 들어 에칭에 의해 국지적으로 제거되고 밑에 있는 절연 마스크 층이 제거되어 GaN 버퍼 층이 노출된다. n-접촉부들이 이에 적용되어 접촉 패드들이 형성된다. 기판 상에서 제조되는 나노와이어 LED 다이(die)는 기판상에 제조되는 나노와이어 LED 다이 상의 p- 및 n-접촉 패드들의 위치들에 대응하는 접촉 패드들을 갖는 서브-실장 웨이퍼 상에 배치되고, 솔더링 또는 초음파 웰딩(welding)을 사용하여 부착된다. 서브-실장 웨이퍼는 또는 LED 픽셀들을 구동하기 위해 능동 트랜지스터 전류원(current source)를 포함할 수 있다. 그리고나서, 원 기판의 재료는 연마, 에칭, 래핑(lapping) 또는 이들의 결합된 방법들에 의해 제거된다. 최종적으로, 컬러 변환 인광물질(phosphor)이 광이 기판을 나가는 표면에 인가되어 예를 들어 파란 광 방출로부터 백색 광을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 나노와이어들 상부에 있는 광-반사 접촉 층(130)은 알루미늄 또는 은이다. 다른 금속들 중에서, 은은 광 스펙트럼의 가시 영역에서 가장 양호한 반사 계수를 가지지만, 구조 내에 캐핑(capping)되지 않으면 정상적인 대기(atmosphere)에서 부식 손상을 나타내는 경향이 더 많다. Si3N4, SiO2, Al2O3 또는 다른 안정적인 유전체가 캐핑 층(capping layer)으로 사용될 수 있다. 증착 이후에 캐핑 층은 바람직하게도 개별 나노와이어들 또는 나노와이어들의 그룹들의 밀러 층으로의 독점적이고 개별적인 전기 접촉부가 가능하도록 패터닝된다. 알루미늄은 다른 양호한 옵션이다. 이것은 가시 영역에서 은보다 다소 낮은 반사 지수를 갖지만, 건조 대기 환경들에서 매우 양호한 부식 저항을 나타낸다. 디바이스 신뢰도를 개선하기 위해서, 상술한 바와 같은 추가 유전체 캐핑이 여전히 바람직할 수 있다. 가능한 다른 해법들은 예를 들어 가공된 Bragg 반사기 스택들에 통합될 때 특정한 파장 간격들에서 실제로 은보다 고 저항 계수들에 도달할 수 있는 비-금속 고 반사율 재료들이다. 이는 SiO2, Si3N4, 및 Al2O3와 같은 화합물로부터 유전체 다중 층들을 포함한다. 이와 같은 유전체 밀러들은 전기적으로 비-전도성이다. 그러므로 이것들은 다중층 유전체 밀러들 이전에 나노와이어들 상으로 증착되는 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide: ITO)과 같은 투명한 전도성 재료들과 결합될 수 있다. 그리고나서 다중 층 유전체 밀러는 투명 전도체 따라서 디바이스로의 전기적 접속이 가능하도록 패터닝되어야만 한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 광-반사 접촉 층(130)은 나노구조 LED의 상부에 증착되어 광-반사 접촉 층(130)이 제 1 영역의 나노와이어들의 적어도 하나의 그룹에 대해 주변 나노와이어들의 측벽들 아래로 신장되도록 한다. 이는 부가적으로 나노구조 LED의 효율을 개선하는데, 왜냐하면 이 배열로 발생되는 광이 구조를 남기기 위해서는 단 하나의 방향만이 존재하고 이는 바람직하고 사용자에 의해 규정된 방향이기 때문이다. 모든 다른 방향들에서 광은 단 하나의 개방 출구를 통해 나갈 때까지 반사될 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 나노구조 LED는 고 전기적 전도성을 갖는 글루(glue)를 사용하여, 새로운 캐리어 웨이퍼(280) 상에 부착된다. 이는 바람직하게도 새로운 캐리어 웨이퍼(280)가 복잡한 패턴의 리드들을 포함하지 않을 때 행해지지만, 이는 단지 전력을 LED들에 공급하려고 의도된 큰 접촉 영역이다. 그럼에도 불구하고, 부착 기술은 또한 더 복잡한 패턴의 리드들을 갖는 애플리케이션들을 더 요구하는데 사용될 수 있다.
새로운 캐리어 웨이퍼(280)로 동작하는 캐리어는 상이한 형태들을 가질 수 있다. 이는 부가 프로세싱을 위한 새로운 기판일 수 있다. 이는 LED 칩이 완전한 디바이스에 다른 중요한 특징들을 바로 추가하는 마이크로일렉트로닉 기판일 수 있다. 새로운 웨이퍼는 또한 함께 조립될 때 LED 기판을 공급하기 위해 단지 전자 리드들만을 공급하는 웨이퍼일 수 있다. 이 의미에서의 웨이퍼는 제한하는 것으로 그리고 단지 반도체 재료들만을 포함하는 것으로 의도되지 않는다. 이는 또한 예를 들어 충분한 기판 지지를 제공하는 유리 기판 또는 임의의 다른 기판일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 나노구조 LED는 적어도 하나의 나노와이어 및 접촉 수단을 포함하고, 각각의 나노와이어는 기판으로부터 돌출하고, 각각의 나노와이어는 pn- 또는 p-i-n-접합(160)을 포함하고 각각의 나노와이어의 상부(140)는 투명 접촉 층으로 커버된다. 접촉 수단은 각각의 나노와이어의 하부(145)와 전기적으로 접촉되고 투명 접촉 층은 pn- 또는 p-i-n-접합을 통해 접촉 수단과 전기적으로 접촉되고 여기서 접촉 수단은 분배되고 서로 분리된 접촉 패드(190)의 제 1 그룹이다.
이 실시예에서, 투명 접촉 층은 또한 바람직하게도 접촉 패드들로 분배되고 배열되어 모든 접촉 패드가 독점적이고 개별적으로 하나의 나노와이어 또는 나노와이어들의 하나의 그룹에 전기적으로 접속되도록 한다. 이 방법에서, 본 실시예는 본 명세서 초기에 기술된 바와 같은 방법으로 적용될 수 있는데, 구별되는 점은 광이 상부에서 반사되고 하부를 통해 방출되는 대신, 나노와이어들의 상부를 통해 방출되는 점이다. 그러므로, 이 실시예에서 나노구조 LED는 예를 들어 캐리어 웨이퍼에 본딩될 필요가 없다.
p-접촉 및 n-접촉이 상호 교환하여 사용됨으로써 p-접촉이 나노와이어들의 상부를 접촉하는 상부 접촉부로서 사용되는데 제한되지 않고, n-접촉이 나노와이어들의 하부 부분을 접촉하는 접촉부로서 사용되는데 제한되지 않는 것이 당업자에 의해 이해되어야만 한다. 본 발명이 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예들로 고려되는 것과 관련하여 기술되었을지라도, 본 발명은 개시된 실시예들로 제한되지 않음이 이해되어야만 한다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위 내에서 다양한 수정들 및 등가의 장치들을 커버하도록 의도된다.

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 나노와이어 및 접촉 수단을 포함하는 나노구조 LED로서, 각각의 나노와이어는 기판으로부터 도출하고, 각각의 나노와이어는 pn- 또는 p-i-n-접합(160)을 포함하고 각각의 나노와이어의 상부(140) 또는 나노와이어들의 적어도 하나의 선택된 나노와이어는 광-반사 또는 투명 접촉 층(130)으로 커버되어 나노와이어들의 적어도 하나의 접촉 그룹을 형성하고, 상기 접촉 수단은 각각의 나노와이어의 하부(145)와 전기적으로 접촉되고, 상기 광-반사 또는 투명 접촉 층(130)은 상기 pn- 또는 p-i-n-접합을 통해 상기 접촉 수단과 전기적으로 접속되는, 나노구조 LED에 있어서, 상기 접촉 수단은 평균 직렬 저항을 감소하도록 분배되고 서로 분리되는 접촉 패드들(190)의 제 1 그룹인 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 사기 기판 및 상기 적어도 하나의 나노와이어 사이에 버퍼 층(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광-반사 또는 투명 접촉 층(130)은 나노와이어들(110)의 복수의 접촉 그룹들을 규정하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 광-반사 또는 투명 접촉 층(130)에 의해 형성되는 표면의 상부에 분배되는 분배된 접촉 패드들(180)의 제 2 그룹을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  5. 제 4 항에 있어서,
    접촉 패드들(180)의 제 2 그룹에서의 하나 이상의 접촉 패드들은 나노와이어들(110)의 적어도 하나의 접촉 그룹과 개별적으로 접촉되어 나노와이어들(110)의 상기 적어도 하나의 접촉 그룹은 나노와이어들(110)의 다른 그룹들과는 개별적으로 그리고 독립적으로 처리될 수 있는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  6. 제 5 항에 있어서,
    나노와이어들(110)의 다른 그룹들과 개별적으로 그리고 독립적으로 처리될 수 있는 나노와이어들의 복수의 그와 같은 접촉 그룹들이 존재하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    분배된 접촉 패드들(190)의 제 1 그룹의 모든 접촉 패드들은 상기 버퍼 층(120)을 통해 접속되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노와이어들 및 분배된 접촉 패드들(190)의 제 1 그룹은 상기 기판의 동일한 측에 위치되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조 LED는 상기 접촉 패드들의 제 1 그룹(190) 및 접촉 패드들의 제 2 그룹(180)에 본딩되는 캐리어 구조(280)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  10. 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 패드들(190)의 제 1 그룹 및/또는 상기 접촉 패드들의 제 2 그룹(180)은 어레이들을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광-반사 접촉 층(130)은 알루미늄 또는 은인 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광-반사 접촉 층(130)은 상기 제 1 영역의 주변의 나노와이어들의 측벽들 아래로 신장되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  13. 제 1 항 내지 제 8 항, 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투명 접촉 층(130)은 ZnxO1 -x 또는 InxSnyO1 -x-y인 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조 LED는 캐리어 구조상에 부착되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
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