KR20150105429A - 향상된 광 추출 효율을 위한 형상의 led - Google Patents

향상된 광 추출 효율을 위한 형상의 led Download PDF

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스테판 터코트
송난 우
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

발광 소자의 형상(400; 500)은 발광 소자(400; 500)의 표면들로부터 탈출할 수 있는 광의 양을 증가시키도록 설계된다. 발광 소자(400; 500)의 굴절률들 및 주변 환경은 광이 발광 소자(400; 500)의 표면을 통해 탈출할 수 있는 탈출 구역을 정의한다. 탈출 구역 밖에서 이동하는 광은 표면에서 전반사(TIR) 된다. 발광 소자(400; 500) 상의 표면들의 수를 증가시킴으로써, 탈출 구역들(410a-f, 411a-f; 510a-h, 511a-h)의 수가 증가될 수 있고, 그에 대응하여, 광이 표면들을 탈출하는 가능성이 증가한다. 4개보다 많은 변(402a-f; 502a-h)을 가진 다각형 표면 영역을 포함하는 발광 소자(400; 500)는, 직사각형 표면 영역을 포함하는 것과 비교하여, 더 높은 광 추출 효율을 보이고, 또한 더 균일한 전류 주입을 가능하게 하며, 감소된 기계적 스트레스를 겪는다.

Description

향상된 광 추출 효율을 위한 형상의 LED{SHAPED LED FOR ENHANCED LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY}
본 발명은 발광 디바이스들(light emitting devices)의 분야에 관한 것이고, 더 구체적으로는 디바이스의 표면들로부터의 광의 추출의 효율을 증가시키기 위한 형상을 가지는 발광 디바이스들에 관한 것이다.
조명 응용들(lighting applications)에 대한 고체형(solid-state) 발광 디바이스들(LEDs)의 늘어난 사용은 비용 및 조명 효율이 지배적인 요소들인 매우 경쟁적인 시장을 생성하였다. 디바이스들을 경쟁자로부터 구별하고 시장 점유율을 증가시키기 위하여, 디바이스들 및/또는 조명 조립체(lighting assembly)의 광 출력 효율을 개선하는 기술들이 요구된다.
광 출력 효율을 개선하기 위한 통상적인 기술은 도 1a에 도시된 것과 같이, 방출된 광을 원하는 방향으로 지향하는, 일반적으로 포물선형인 반사 구조체(reflective structure)(120)에 발광 디바이스(110)를 넣는 것이다. 이러한 반사체(reflector)(120)는 예를 들어, 카메라, 또는 셀폰과 같은 다른 휴대용 디바이스 내의 플래쉬 소자로부터의 광을 지향시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 반사체(120)에 의해 제공된 이점들을 최대화하기 위하여, 광선들(light rays)(140)에 의해 도시된 것과 같이, 대부분의 방출된 광은 그것이 원하는 방향(130)을 향해 재지향되도록 반사 표면(reflective surface)을 향해 지향되어야 한다. 광선들(150)에 의해 도시된 것과 같이, 반사 표면(120)에 부딪히지 않은 광은 원하지 않는 방향으로 이동할 것이다. 따라서, 포물선형 반사체를 사용하는 종래의 발광 디바이스들(110)은 통상적으로 광을 발광 소자(112)의 "위쪽(upper)" 발광 표면(114)에 대하여 횡 방향으로 반사 표면(120)을 향해 방출하도록 구성된다. 발광 소자(112)의 위쪽 표면(114)으로부터 방출된 광의 재지향(redirection)을 제공하기 위해, 도 1b에 도시된 것과 같은, 동심 측면-반사 렌즈(concentric side-reflecting lens)(118)가 통상적으로 사용된다.
유사한 방식으로, 반도체 발광 소자들은 디스플레이 스크린들을 조명하기 위한 백라이트들(backlights)로서 통상적으로 사용된다. 통상적으로, 측면-방출 구조체들(side-emitting structures)은 디스플레이 패널 아래에 위치된 광 가이드(light guide)에 인접하여 또는 그 내부에 위치된다. 측면-방출 광은 광 가이드를 조명하고, 이는 후속하여 디스플레이 패널을 조명한다.
발광 디바이스의 광 출력 효율을 증가시키는 것이 유리할 것이다. 광 출력의 균일성(uniformity)을 향상시키고/시키거나 발광 디바이스의 신뢰성(reliability)을 향상시키는 것이 또한 유리할 것이다.
이들 고려사항들의 하나 이상을 보다 잘 다루기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서, 발광 소자의 형상은 발광 소자의 표면들로부터 탈출하는 광의 양(amount of light)을 증가시키도록 설계된다. 발광 소자의 굴절률들(indices of refraction) 및 주변 환경은 광이 발광 소자의 표면을 통해 탈출할 수 있는 탈출 구역(escape zone)을 정의한다. 탈출 구역 밖에서 이동하는 광은 표면에서 전반사된다(TIR: totally internally reflected). 발광 소자 상의 표면들의 수를 증가시킴으로써, 탈출 구역들의 수가 증가될 수 있고, 그와 함께 광이 표면을 탈출하는 가능성도 대응하여 증가한다. 4개보다 많은 변을 가지는 다각형(polygonal) 표면은, 직사각형 표면에 비교하여, 더 균일한 전류 주입(current injection) 및 감소된 기계적 스트레스를 제공한다.
발광 소자는 단면도 프로필(cross-section-view profile) 및 상부면도 프로필(top-view profile)을 포함하고, 본 발명의 실시예들에서, 이들 프로필들 중 적어도 하나는 직사각형과 실질적으로 상이하다. 예시적 실시예들에서, 프로필들은 적어도 5개의 변의 다각형들(polygons) 또는 적어도 7개의 평면의 다면체(polyhedron)를 포함한다. 프로필에 윤곽으로 나타내어진 표면들 중 하나 이상은 반사성일 수 있고, 이는 원하는 방향을 향해 광을 재지향시킬 것이다. 프로필에 윤곽으로 나타내어진 표면들(평면들) 중 하나 이상은 전기적 연결 또는 전류 주입 목적들을 위해 사용될 수 있다. 발광 소자는 기판(substrate) 상에 위치될 수 있고, 기판의 상부면도 프로필은 발광 소자의 상부면도 프로필에 대응할 수 있거나 상이할 수 있다. 기판은 직사각형이 아닌(non-rectangular) 프로필들을 가진 발광 소자들의 생성을 용이하게 하는 피쳐들(features)을 포함할 수 있다. LED는 그것의 면들에 의한 횡적인(2D) 형상을 가질 수 있고, 그 경우 상부면도가 다각형 특징을 보일 수 있고, 또는 다면체 형상으로 3개의 방향(3D)에서 형상을 가질 수 있다.
본 발명은 예시의 방식에 의하여 첨부 도면들을 참조하여, 더 상세히 설명된다:
도 1a는 포물선형 반사체를 가진 예시적인 선행 기술의 발광 디바이스를 나타내고, 도 1b는 그러한 반사체와 함께 사용하기 위한 예시적인 선행 기술의 측면 방출 디바이스를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 직사각형 발광 소자의 측면 및 상부면도들을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 직사각형 발광 소자의 예시적인 탈출 구역들을 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 육각형 발광 소자의 예시적인 탈출 구역들을 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 팔각형 발광 소자의 예시적인 탈출 구역들을 나타낸다.
도 6a 내지 도 6d는 직사각형이 아닌 발광 소자들을 위한 예시적인 대안적 형상들을 나타낸다.
도 7a 내지 도 7e는 직사각형이 아닌 발광 소자들을 포함하는 예시적인 웨이퍼들을 나타낸다.
도 8a 및 도 8b는 직사각형이 아닌 단면 프로필들을 가진 예시적인 발광 소자들을 나타낸다.
도면들에 걸쳐, 동일한 참조 번호들은 유사하거나 대응하는 피쳐들 및 기능들을 나타낸다. 도면들은 설명적인 목적들을 위해 포함되고, 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것으로 의도되지 않는다.
후술하는 설명에서, 한정이 아닌 설명의 목적들을 위해, 특정한 아키텍처, 인터페이스들, 기술들 등과 같은 구체적인 상세들이 본 발명의 개념들의 완전한 이해를 제공하기 위하여 제시된다. 그러나, 본 발명이 이들 구체적인 상세들로부터 벗어난 다른 실시예들에서도 실시될 수 있는 것이 본 기술분야의 기술자들에게 명백할 것이다. 마찬가지로, 본 설명의 본문은 도면들에서 도시된 것과 같은 예시적 실시예들에 대한 것이고, 청구항들에 명시적으로 포함된 한정들 외에 청구된 발명을 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 단순화와 명확화의 목적들을 위해, 잘 알려진 디바이스들, 회로들, 및 방법들의 상세한 설명들은 불필요한 상세로 본 발명의 설명을 모호하지 않게 하기 위하여 생략된다.
본 발명의 예시적 실시예들에서, 발광 소자의 형상은 디바이스 내의 지점들로부터 방출된 광이 표면의 수직에 대하여 임계각(critical angle)보다 더 큰 각도에서 표면에 부딪힐 가능성을 감소시키기 위하여 제어된다. 임계각은 표면의 각각의 면 상의 재료의 굴절률들 n1 및 n2에 의해 결정되고, 굴절률 n1을 가지는 매질로부터 굴절률 n2를 가지는 매질로 이동하는 광에 대하여, 다음과 같다:
Figure pct00001
임계각보다 큰 각도에서 표면에 부딪히는 광은 전반사되고, 표면을 통해 탈출하지 못할 것이다. 용어 "탈출 구역"은 광이 표면을 통해 탈출할 수 있는 각도들의 범위를 정의하기 위하여 사용된다.
이상적인 경우에서, 소자의 중심으로부터 방출되는 광은 표면에 수직인 각도에서 구체(sphere)의 표면에 부딪힐 것이기 때문에, 구체의 중심에서의 점 광원(point source)으로부터 나와서 구체의 표면에 부딪히는 모든 광은 표면을 통해 탈출할 것이다. 그러나, 점 광원들은 현재 실현가능하지 않고, 광원이 구체 내에서 일부 공간을 차지할 것임을 고려하면, 모든 광이 구체의 정확한 중심으로부터 방출되지는 못할 것이다.
중심에서 벗어난(off center) 지점들로부터 생성된 광은 표면에 수직이지 않은 각도들에서 구체의 표면에 부딪힐 것이지만, 광이 임계각보다 큰 각도들에서 구체의 표면에 부딪힐 가능성은 광이 임계각보다 큰 각도들에서 평면의 표면에 부딪힐 가능성보다 상당히 낮다. 이것은 구체의 표면 상의 각각의 지점이 표면에 관한 접선(tangent)에 대하여 탈출 구역을 가지는 사실 때문이고; 구체 내의 각각의 지점에 대하여, 이들 탈출 구역들은 겹칠(overlap) 것이다.
유사하게, 원통형(cylindrical) 표면의 면들로부터의 탈출 구역들 또한 겹칠 것이고, 이는 굽어진(curved) 외곽 표면 방향으로 방출된 광에 대한 높은 광 추출 효율을 제공한다.
광원을 둘러싸는 구체 또는 원통형 표면들의 사용에 의해 얻어질 수 있는 효율들에도 불구하고, 구체 또는 원통형 형상을 가진 발광 소자들을 형성하는 것과 연관된 비용들은 발광 소자들의 상업적 생산에 대하여 그들의 사용을 불가능하게 한다. 다수의 발광 소자의 웨이퍼로부터의 그러한 형상의 형성은 일반적으로 밀링(milling), 레이저-커팅, 또는 각각의 발광 소자의 기계적 톱질(mechanical sawing)을 요구할 것이고, 각각의 발광 소자 사이의 재료들의 상당한 낭비가 그러한 공정들에 의해 생성된다.
구체 또는 원통형 발광 디바이스들이 현재 실현가능하지 않더라도, 이 패러다임의 원리들은 광이 발광 영역 내의 지점들로부터 직접적으로 탈출하는 가능성을 향상시키는 다른 형상들을 사용하는 것에 적용될 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, 예를 들어, 다수의-면을 가진(multi-sided) 형상들이 탈출 구역들의 수를 증가시키기 위해 사용되고, 이에 의하여 발광 소자 내의 지점들로부터 생성된 광이 탈출 구역 내에 있을 가능성을 증가시킨다. 바람직하게, 형상들은 다수의 평면 표면을 사용하여 형성되고, 이에 의하여 곡선 표면들의 형상을 가져야 할 필요를 피하며; 인접한 발광 소자들의 평면 표면들이 정렬되어(in alignment) 웨이퍼 상에 배열되는 경우, 단일의 슬라이싱 공정이 이들 정렬된 표면들을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 추가적으로, 평면 표면들이 서로간에 인접한 경우, 개별화된(individualized){'개별화된(singulated)'} 발광 소자들의 형성에서 더 적은 재료가 낭비된다. 예를 들어, 정육각형 테셀레이션(regular hexagonal tessellation)은 육각형들 사이에 공간이 전혀 없는 육각형들의 패턴을 제공한다. 그러한 설계가 단순한 커팅/슬라이싱 패턴을 제공하지 않더라도, 레이저 슬라이싱과 같은 기술들의 발달에 의해, 육각형 슬라이스들을 초래하는 것의 비용은 고려되고 처리될 필요가 있는 낭비의 제거에 의해 상쇄될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 직사각형 발광 소자(200)의 측면 및 상부면도들을 도시한다. 도 2a에서 도시된 것과 같이, 발광 소자(200)로부터의 광의 대부분은 발광 소자의 위쪽 표면(204)으로부터 방출된다. 광(210)은 발광 소자(200)의 내부에서 생성되고, 표면(204)에 부딪힌다. 광(210)이 표면(204)에 관하여 발광 소자(200)의 탈출 구역 내에 있는 경우, 방출된 광(210')처럼 표면을 통해 탈출하는 것이 가능하고; 광(211)이 탈출 구역 내에 있지 않은 경우, 광(211)은 광(211')처럼 전반사될(TIR) 것이다.
위쪽 표면(204)에 부딪히는 광(210, 211)에 추가하여, 도 2b에 추가적으로 도시된 것과 같이, 일부 광(220, 221)은 발광 소자(200)의 측면들(202) 또는 에지들에 부딪힐 수 있다. 광(220)이 측면(202)에 관하여 탈출 구역 내에 있는 경우, 그것은 광(220')처럼 방출될 것이고, 광(221)이 탈출 구역 내에 있지 않은 경우, 그것은 광(221')처럼 전반사될 것이다.
표면들(204, 202)로부터 반사되는 광(211, 221)은 결국 그 표면의 탈출 구역 내의 다른 표면에 부딪힐 수 있고, 도 2b의 221''로서 도시된 것과 같이 그 표면으로부터 방출될 것이다. 그러나, 반사된 광 중 일부는 탈출하는 것이 가능해 지기 전에 발광 소자(200) 내에서 흡수될 수 있고; 그것은 또한, 도 2b의 222에서의 종료된 반사된 광에 의해 도시된 것과 같이, 내부적으로 반사되는 것을 계속할 수 있으며, 이는 이 반사된 광이 발광 소자(200) 내에서 흡수되고 열 에너지로 전환될 가능성을 추가로 증가시킨다.
위에서 언급된 것과 같이, 광이 표면을 통해 방출되는 가능성은 표면과 연관된 탈출 구역에 의해 좌우된다. 이 탈출 구역은 표면 중에 각각의 면 상의 굴절률들에 의해 결정된다. 광이 '임계각' 이내에서 표면에 부딪히는 경우, 광은 표면을 통해 이동할 것이고; 그렇지 않은 경우, 그것은 전반사될 것이다. 표면에 관하여, 구조체 내의 지점으로부터 표면에 대한 법선에 대한 임계각의 범위의 투영(projection)은 그 지점으로부터 생성된 광이 표면을 통해 탈출하는 구역을 정의한다.
AlInGaP 활성 영역의 굴절률은 약 3.5이고, 실리콘 봉합재(silicone encapsulant)의 굴절률은 약 1.4이다. 따라서, 위의 수학식(1)을 사용하여, 그러한 활성 영역 내에서 생성된 광이 표면을 통해 실리콘 봉합재 내로 탈출하기 위한 임계각은 약 23.6도이다. 이에 따라, 활성 영역 내의 지점으로부터 생성된 광에 대한 탈출 구역은 원뿔형(cone)이고, 그것의 단면은 2*23.6도의 각을 가지며(표면의 수직에 대하여 +/- 23.6도), 이는 약 0.53 스테라디안(steradians)의 입체각(solid angle)에 이른다. AlInGaP로부터 공기로의 광에 대한 탈출 구역은 약 +/- 17.5도이고, 이는 약 0.3 스테라디안에 이른다.
탈출 구역들이 입체각들로 정의되더라도, 본 개시는 제시와 이해의 용이성을 위해 2차원 모델을 사용하여 제시된다. 본 기술분야의 기술자는 2차원의 광학적 모델들의 후술하는 분석으로부터 얻어진 결론들이 3차원의 모델을 사용한 더 복잡한 분석으로부터 얻어질 수 있는 결론들과 동일한 것을 인식할 수 있을 것이다.
후속하는 제시에서, 이해의 용이성을 위해, AlInGaP 활성 영역 및 실리콘 봉합재의 이 예시적 조합에 대응하는 예시적인 임계각은 약 24도이다. 본 기술분야의 기술자는 본 발명의 원리들이 임의의 특정한 재료의 조합 및/또는 임계각의 임의의 특정한 값에 적용될 수 있는 것을 인식할 수 있을 것이다.
도 3a는 약 24도의 임계각의 위의 예시를 사용하는, 각각의 면들(202a, 202b, 203c, 및 203d){총괄하여 면들(202)}에 대한 발광 소자(200)의 중심에서의 지점(320)으로부터의 예시적 탈출 구역들(310a, 310b, 310c, 310d){총괄하여 원뿔형들(310)}의 상부면도를 각각 도시한다. 탈출 구역들(310) 내의 각도에서 중심 지점(320)으로부터 방출된 임의의 광은 표면(202)을 통해 탈출할 것이고; 탈출 구역들(310) 밖의 각도들에서 중심 지점(320)으로부터 방출된 광은 전반사될 것이다. 도시된 탈출 구역들(310) 밖의 영역들(330)은 도 3a에서 음영표시된다.
중심 지점(320)으로부터 생성될 수 있는 광은 임의의 각도에서 방출될 수 있다. 2차원 모델을 사용하여, 방출된 광은 면들(202)을 향하여 0-360도의 범위에 걸쳐 방출될 수 있다. 이 전체의 360도 범위 중, 광은 탈출 구역(310) 또는 TIR 영역(330) 중 하나에 있을 것이다. 24도의 임계각을 가정하면, 탈출 구역들은 192도(4*48도), 또는 방출된 광 중 반이 조금 더 되는(192/360) 범위에 이른다. 이에 따라, 활성 영역의 중심(320)으로부터 면들(202)을 향해 방출된 광의 거의 절반(178/360)은, 그것이 발광 소자(200)의 면들(202)에 부딪힐 때, 내부적으로 반사될 것이다. 위에서 언급된 것과 같이, 내부적으로 반사된 광은 그것이 탈출하기 전에 활성 영역을 통해 추가적으로 이동하고, 이에 의하여 그것이 탈출하기 전에 흡수될 가능성을 증가시킨다.
활성 영역 내의 임의의 특정한 지점에 대한 탈출 구역들은 그 특정한 지점과 발광 소자(200)의 각각의 면들(202) 사이의 관계에 따라 좌우될 것이다. 도 3b에 도시된 것과 같이, 중심(320)으로부터 벗어난 지점들로부터 탈출하는 것이 가능한 광의 양은 일반적으로 발광 소자(200)의 중심 지점(320)으로부터의 이 추정된 53%(192/360)보다 더욱 더 적을 것이다.
도 3b는 면들(202a, 202b, 202c, 및 202d)에 관한 발광 소자(200) 내의 예시적 지점(321)의 예시적 탈출 구역들(311a, 311b, 311c, 및, 311d)을 도시한다. 이 예시적 2차원 모델에서 도시된 것과 같이, 탈출 구역들(311a 및 311b) 각각은 48도 전체 범위 내의 광이 표면들(202a 및 202b)을 통해 탈출하는 것을 가능하게 할 것이다. 그러나, 지점(321)은 중심으로부터 상당히 벗어나 있기 때문에, 탈출 구역들(311c 및 311d)의 폭(span)은 끝이 잘려지고(truncated), 이는 점선들(312, 313)에 의해 도시된 것과 같이 전체 48도 폭이 표면들(202c 및 202d)을 넘어 확장되기 때문이다. 이에 따라, 탈출 구역들(311c 및 311d)은 48도의 전체 탈출 범위보다 더 좁은 범위를 제공한다. 따라서, 지점(321)에서 생성된 면들(202c 및 202d)을 통해 탈출할 광의 양은 감소되고, 이들 면들(202c 및 202d)에서 전반사될 광의 양은 증가된다. 이 예시에서, 탈출 구역들(311)은 약 150도에 이르고, 지점(321)으로부터 표면들(202a-202d)을 향해 직접적으로 방출되는 광의 비율은 약 42%(150/360)로 감소된다.
발광 소자(200)로부터 직접적으로 표면들(202)을 빠져나가는 것으로 기대될 수 있는 광의 전체 비율은 발광 소자(200) 내의 각각의 지점으로부터 표면들(202)을 빠져나가는 것으로 기대될 수 있는 광의 비율의 적분(integral)일 것이다. 그러나, 도 3b의 예시가 도시하는 것처럼, 일반적으로 이 적분은 발광 소자의 중심에 있는 지점으로부터 표면들(202)을 빠져나가는 것으로 기대될 수 있는 광의 비율보다 더 작을 것이다. 이에 따라, 일반적으로 발광 소자의 중심으로부터 방출된 광에 기초하여 결정된 비율은, 전반사되는 것 없이, 표면들(202)을 직접적으로 빠져나가는 것으로 기대될 수 있는 광의 최대 비율로 고려될 수 있다.
통상적으로, 광 추출 효율(생성된 광의 양에 대한, 방출되는 광의 양)은 탈출 구역들의 크기를 증가시킴으로써, 일반적으로 굴절률들의 차이들을 감소시킴으로써 증가된다. 그러나, 굴절률 매칭의 비용과 복잡성은 실현가능한 및/또는 실제적인 개선의 정도를 제한한다.
도 4a 및 도 4b는 육각형 발광 소자(400) 내의 예시적 탈출 구역들을 도시한다. 실리콘 봉합재에 의해 둘러싸인 AlInGaP 활성 영역을 가지는 직사각형 발광 소자의 앞선 예시에서처럼, 각각의 예시적 탈출 구역의 폭은 약 48도이다.
도 4a의 탈출 구역들(410a-f)이 발광 소자(400)의 중심(420)에서 생성되는 광에 대하여 도시된다. 6개의 탈출 구역이 있기 때문에, 도 3a의 직사각형 발광 소자(200)에서의 53%(4*48/360)와 비교하면, 중심(420)으로부터 측벽들(402a-f)을 향하는 광 중에서 해 육각형 발광 소자(400)의 측벽들(402a-f)을 통해 직접적으로 탈출할 수 있는 광의 비율은 약 80%(6*48/360)이다.
도 4b의 탈출 구역들(411a-f)은 중심(420)으로부터 상당히 떨어져 있는 지점(421)에서 생성되는 광에 대하여 도시된다. 면들(402a-f)로부터 전반사될(음영표시된 TIR 영역들) 생성된 광의 비율이 도 4a의 예시보다 더 크더라도, 이들 TIR 영역들에 의해 포함된 각도들이 도 3b의 TIR 영역들에 의해 포함된 각도들보다 더 적은 값에 이르는 것을 볼 수 있을 것이다. 이 예시에서, 도 3b에서의 약 160도와 비교하면, 탈출 구역은 약 180도에 이른다. [직접적인 것은 아니다. 도 3b의 예시에서, 탈출 원뿔형(311a 및 311b)은 에지의 매우 적은 부분에 이른다. 그러나 광이 무작위의 방향으로 방출되고 있는 것을 가정하면, 이들 원뿔형들은 직접적으로 발광 소자(200)를 탈출할 수 있는 광의 절반보다 더 많은 값에 이를 수 있다.]
형상을 원형의 경계(circular perimeter)로 더 가까이 근사함에 따라, 광 추출 효율은 더 증가될 것이다. 도 5a 및 도 5b는 팔각형 발광 소자(500) 내의 예시적 탈출 구역들을 도시한다.
도 5a는 실리콘 봉합재에 의해 둘러싸인 동일한 예시적 AlInGaP 활성 영역을 사용하는 각각의 표면(502a-h)에 관한 발광 소자(500)의 중심(520)으로부터의 탈출 구역들(510a-h)을 도시한다. 각각의 탈출 구역들은 48도를 포함하고, 각각의 면(502a-h)은 중심(520)에 대하여 45도로 확장되기 때문에, 중심(520)으로부터 측벽들(502a-h)을 향해서는 탈출 구역(510a-h) 이내에 있지 않은 방향이 없다. 따라서, 도 3a의 직사각형 발광 소자(200)에서의 53%(4*48/360) 및 도 4a의 육각형 발광 소자(400)에서의 80%(6*48/360)와 비교하면, 팔각형 발광 소자(500)의 중심에서 측벽들(502a-h)을 향해 생성되는 모든 광(8*45/360 = 100%)은 발광 소자(500)를 빠져나갈 것이다.
도 5b는 측벽들(502a-h)에 관하여 중심에서 벗어난 지점(511)으로부터의 탈출 구역들(511a-h)을 나타낸다. 볼 수 있는 것과 같이, 팔각형 발광 소자(500)의 탈출 구역들(511a-h)은 도 4b의 육각형 발광 소자(400)의 탈출 구역들(411a-f) 및 도 2b의 직사각형 발광 소자(200)의 탈출 구역들(311a-d)보다 더 큰 영역을 포함한다.
광 추출 효율에서의 추가적인 개선들은 발광 소자의 면들의 수 및 대응하여 탈출 구역들의 수를 추가적으로 증가시킴으로써 성취될 수 있다.
발광 소자의 형상이 원형의 형상으로 근접함에 따라, 직사각형 형상과 비교하여 다른 이점들이 또한 실현될 수 있다.
반도체 발광 소자들은 반도체층들을 통한 그리고 이들 층들 사이의 발광 영역으로의 전류 주입을 필요로 한다. 반도체층들 및 발광 영역의 전체 영역으로의 전류 주입을 제공하기 위하여, 반도체층들로 전류를 제공하는 콘택트들은 반도체층의 표면 영역의 가능한 많은 부분을 덮기 위한 형상을 가진다.
직사각형 발광 소자는 일반적으로 N-타입 및 P-타입 반도체층 각각에 연결되는 직사각형 콘택트들을 가질 수 있다. 그러나, 직사각형 콘택트는 균일하지 않은 전류 주입 및 전류 크라우딩(crowding)을 보일 것이고, 이는 균일하지 않은 광 출력 패턴을 야기할 것이다. 전류 크라우딩과 같은 이들 부작용들 중 일부는 콘택트들의 모서리들에서 발생할 개연성이 더 크고, 콘택트의 모서리에서 형성된 각이 더 좁아질수록 더 두드러질 수 있다. 따라서, 직사각형 다이(die)의 모서리들은 균일하지 않은 전류 스프레딩(spreading) 및 다른 전기적 에지 효과들에 더 취약할 것이다.
직사각형에서, 모서리들은 90도의 각을 가진다. 육각형에서, 각은 120도로 증가되고, 팔각형에서 각은 135도로 증가된다. 따라서, 균일하지 않은 전류 주입, 전류 크라우딩, 및 다른 것과 같은 부작용들은 발광 소자의 면들의 수가 증가됨에 따라 상당히 감소될 것이다.
추가적으로, 직사각형 구조체는 직각의 모서리들에서 집중된 기계적 스트레스를 보이고, 기계적 오류들이 이들 모서리들에서 생성될 개연성이 더 크다. 한편, 직사각형 구조체보다 더 많은 변들을 가진 구조체들 상의 모서리들은 모서리들이 무디기(blunter) 때문에 더 작은 기계적 스트레스를 보일 것이다. 발광 소자의 경계를 따르는 변들의 수를 증가시킴으로써, 내부 각들은 증가되고, 이는 발광 소자의 꼭짓점에서 발생하는 기계적 스트레스를 감소시킨다.
기대될 수 있는 측면-방출 효율의 상당한 증가로 인하여, 다변 다각형들의 사용은 오로지 또는 주로 측면들을 통해 방출하는 발광 소자를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 그러한 실시예들은 발광 소자에 대한 상부 및 하부 콘택트들을 위한 콘택트 증착의 완전한 블랭킷 시트들(full blanket sheets)을 가능하게 할 수 있고, 이들 콘택트들이 불투명하게(opaque) 되는 것을 가능하게 할 수 있으며, 이에 의하여 반사 재료들을 포함하는 콘택트들을 위해 사용될 수 있는 재료들의 범위를 확장된다.
본 기술분야의 기술자는 발광 소자의 면들로부터 원하는 광 출력 패턴을 성취하기 위하여 임의의 다양한 형상들이 이용될 수 있고, 이들 형상들은 정다각형들 또는 대칭적일 필요조차 없는 것을 인식할 수 있을 것이다. 도 6a 내지 도 6d는 다른 예시적 형상들(610, 612, 614 및 616)을 도시한다. 도 6c 및 도 6d에서, 반사 표면(650)은, 발광 소자들(614, 616)의 면들로부터의 광의 비대칭적인 분포를 생성하게끔, 그 표면에 부딪히는 광을 입사각(angle of incidence)에 관계없이 재지향시키도록 발광 소자들(614 및 616)의 면들 중 하나에서 형성된다. 그러한 비대칭적인 분포는 예를 들어, 디스플레이에 백라이팅을 제공하는 도파관(waveguide)의 에지들을 따라 유리하게 사용될 수 있다.
도 7a는 복수의 육각형 발광 소자(400)를 포함하는 예시적 웨이퍼를 도시한다. 더 굵은 선들(710, 720, 730)은, 기판(770) 상의 개별화된 발광 소자들(400)의 측면도를 도시하는 도 7b에 도시된 것과 같은 각각의 육각형 발광 소자들(400)을 개별화하기 위해 웨이퍼에 대하여 행해질 수 있는 커트들을 도시한다. 도시된 것처럼, 기판(770) 및 발광 소자(400)를 포함하는 결과 다이(resultant die)는 육각형일 것이고, 잔여물(residual waste)은 최소이다. 도 7a의 예시에서, 발광 소자들(400)은, 도 7c에 도시된 것과 같은 선들(720 및 730)에 따른 슬라이싱에 의해 육각형이 되는 형상을 가지는 직사각형 발광 소자들로서 생성될 것이다.
대안적으로, 발광 소자들이 다각형 경계를 가진 각각의 소자들로서 웨이퍼 상에 형성되는 경우, 웨이퍼는 기판의 직사각형 부분들을 생성하기 위하여 수직적인 방식으로 커팅될 것이고, 도 7d 및 도 7e에 도시된 것과 같이, 이들 상에서 직사각형이 아닌 발광 소자들이 위치된다.
도 7d는 웨이퍼의 상부면도를 나타내고, 여기에 각각의 팔각형 발광 소자들(500)이 형성되어 있다. 이와 같은 형성은 반도체 제조의 기술분야에서 통상적인 종래의 포토리소그래픽(photolithographic) 또는 다른 기술들을 사용하여 성취될 수 있으며, 소자들(500) 사이에는 제거가능한 재료가 위치된다. DRIE(Deep Reactive-Ion Etching), FIB(Focused Ion Beam) 에칭, 및 ICP(Inductive Coupled Plasma) 에칭과 같은 다른 형성 기술들이 또한 사용될 수 있다. 각각의 소자들을 형성한 후, 웨이퍼는 각각의 발광 소자들(500)을 개별화하기 위하여 선들(740, 750)을 따라 슬라이싱될 것이다.
도 7e는 그러한 슬라이싱, 및 소자들(500) 사이의 재료가 있는 경우 그러한 재료의 제거 이후의 각각의 발광 소자들(500)의 단면을 나타낸다. 도시된 것처럼, 팔각형 발광 소자들(500)은 직사각형 형상을 가진 다이로서 성형된 웨이퍼 기판(780) 상에 위치된다. 발광 소자를 직사각형 다이 상에 위치시키는 것은 다이의 후속 프로세싱을 위한 종래의 피킹(picking) 및 배치 기술들의 사용을 용이하게 할 수 있다.
종래의 또는 종래의 것이 아닌 기판들 상에서 사각형이 아닌 발광 소자들을 형성하고 개별화하기 위한 다른 기술들이 본 개시를 고려하여 본 기술분야의 기술자에게 분명할 것이다. 예를 들어, 도 7a 또는 도 7c의 웨이퍼(성장 기판) 상의 발광 소자들은, 플립-칩(flip-chip) 실시예에서 다른 기판에 부착될 수 있고, 성장 기판은 후속하여 제거될 수 있다. 이 예시에서, 다이의 형상은 성장 기판 상의 발광 소자들의 배치에 관계없이 두 번째 기판이 슬라이싱되는 방법에 의하여 결정될 것이다.
이상적인 구체 방출기(ideal spherical emitter)의 전술한 패러다임을 사용하여, 본 기술분야의 기술자는 본 발명의 원리들이 발광 소자의 경계를 성형하는 것에 한정되지 않는다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
발광 디바이스들은 직사각형 단면(또는 측면도 프로필) 뿐만 아니라 직사각형 경계(또는 상부면도 프로필)를 가진다. 따라서, 이들 직사각형 프로필들 중 하나의 형상을 변화시키는 것은 이들 프로필들에 의해 윤곽이 나타내어진 표면들로부터의 광 출력 효율을 향상할 수 있다. 구체적으로, 발광 층의 '위' 또는 '아래'의 표면들의 개수를 증가시킴으로써 발광 소자의 측면도 프로필을 변화시키는 것은 이들 표면들로부터 탈출하는 광에 대한 광 출력 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 비평면적인 발광 소자들(801, 802)의 예시적 단면들을 나타낸다. 이들 예시들에서, 각각의 발광 소자들(801, 802)은 기판들(820A, 820B) 상에서 또는 기판들 내에서 형성되는 피쳐들(821, 822) 위에 형성된다. 각각의 발광 소자들(801, 802)은 N-타입과 P-타입 반도체층들(810A, 810B 및 814A, 814B) 사이에 끼어있는 활성 층(812A, 812B)을 포함한다. 피쳐들(821, 822)로 인하여, 발광 소자들(801-804)의 층들(810A, 810B, 812A, 812B, 및 814A, 814B)은 비평면적이다.
도 8a에서, 발광 소자들(801)은 외곽 영역들보다 위에서 확장된 중심 영역에 의하여 볼록(convex)하다. 발광 소자의 비평면적 형상은 층(814A)의 외곽 표면에서의 전반사의 가능성을 감소시킴으로써 위쪽 층(814A)을 빠져나가는 광에 대한 광 추출 효율을 향상시킬 것이다.
도 8b에서, 발광 소자(802)는 외곽 영역들보다 아래에서 확장된 중심 영역에 의하여 오목(concave)하다. 이 구성은 '플립-칩' 실시예에서 사용될 수 있고, 이때 광은 기판(820B)이 제거된 후에 하위 층(810)을 통해 방출되는 것으로 의도된다. 발광 소자(802)의 비평면적 형상은 층(810B)의 외곽 표면에서의 전반사의 가능성을 감소시킴으로써 하위 층(810B)을 빠져나가는 광에 대한 광 추출 효율을 향상시킬 것이다.
본 기술분야의 기술자는 이들 도면들에서 도시되는 층들의 특정한 형상들이 단지 설명의 목적들을 위해 제시되고, 다른 형상들이 기술이 허용함에 따라 형성될 수 있는 것을 인식할 수 있을 것이다. 본 기술분야의 기술자는 또한 820A 및 820B와 유사한 기판들의 오목하거나 볼록한 표면들 상에서의 패싯들(facets)의 생성을 포함하는 단면 형상 및 경계 형상의 조합이 발광 소자의 표면들을 직접적으로 탈출하는 광의 양의 증가시키기 위하여 사용될 수 있는 것을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명이 도면들 및 전술한 설명에서 상세히 도시되고 설명되었지만, 그러한 도시 및 설명은 설명적이거나 예시적이고, 한정적이지 않은 것으로 고려될 것이고; 본 발명은 개시된 실시예들로 한정되지 않는다. 개시된 실시예들에 대한 다양한 변형들이 도면들, 명세서, 첨부된 청구항들의 학습으로부터 청구된 발명을 실시하는 본 기술분야의 기술자들에 의해 이해되고 영향받을 수 있을 것이다. 청구항들에서, 단어 "포함하는"은 다른 요소들 및 단계들을 배제하지 아니하며, 부정 관사 "일(a)" 또는 "일(an)"은 복수를 배제하지 아니한다. 소정의 수단들이 상호적으로 상이한 종속 청구항들에서 인용되는 단순 사실은 이점을 위한 이들 수단들의 조합이 사용될 수 없는 것을 나타내는 것은 아니다. 청구항들 내의 임의의 참조 부호들은 범위를 한정하는 것으로서 해석될 수 없다.

Claims (18)

  1. 발광 소자(light emitting element)로서,
    N-타입층,
    P-타입층, 및
    상기 N-타입층과 상기 P-타입층 사이에 위치되는 활성층(active layer)
    을 포함하고,
    상기 발광 소자는 단면도 프로필(cross-section-view profile) 및 평면의 프로필(planar profile)을 포함하고, 이들 프로필들 중 적어도 하나는 4개보다 많은 변을 가진 다각형(polygon)을 포함하는, 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상부 프로필(top profile)은 4개보다 많은 변을 가진 상기 다각형을 포함하는, 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단면도 프로필은 4개보다 많은 변을 가진 상기 다각형을 포함하는, 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 N-타입층, 상기 P-타입층, 및 상기 활성층이 위에 위치되는 직사각형 표면을 포함하는 기판(substrate)을 포함하는, 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다각형은 정다각형(regular polygon)인, 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    발광 소자는 적어도 7개의 면의 다면체(polyhedron)인, 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자는 하나 이상의 반사 표면(reflective surfaces)을 포함하는, 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자는 다수의 다각형 또는 다면체의 조합에 대응하는 형상을 가지는, 발광 소자.
  9. 복수의 발광 소자를 포함하고,
    각각의 발광 소자는 단면도 프로필 및 상부면도 프로필(top-view profile)을 가지며,
    이들 프로필들 중 적어도 하나는 4개보다 많은 변을 가진 다각형을 포함하는, 기판.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상부면도 프로필은 4개보다 많은 변을 가진 상기 다각형을 포함하는, 기판.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기판은 적어도 하나의 상기 프로필이 4개보다 많은 변을 가진 상기 다각형이 되게 하는 피쳐들(features)을 포함하는, 기판.
  12. 기판 상에 복수의 발광 소자들을 형성하는 단계를 포함하고,
    각각의 발광 소자는 단면도 프로필 및 평면의 프로필을 가지며,
    이들 프로필들 중 적어도 하나는 4개보다 많은 변을 가진 다각형을 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 프로필은 적어도 7개의 면의 다면체를 포함하는, 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    각각의 발광 소자의 적어도 하나의 표면은 반사성인, 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 발광 소자들을 개별화하기(singulate) 위하여 상기 기판을 슬라이싱하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 슬라이싱하는 단계는 직사각형인 상기 기판의 부분 상에서 개별화된 상기 발광 소자들을 제공하기 위하여 2개의 직교(orthogonal) 방향으로 수행되는, 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 슬라이싱하는 단계는 4개보다 많은 변을 가진 상기 다각형을 포함하는 상기 기판의 부분 상에서 개별화된 상기 발광 소자들을 제공하기 위하여 적어도 2개의 직교가 아닌 방향으로 수행되는, 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 발광 소자들을 4개보다 많은 변을 가진 다각형을 포함하는 하나 이상의 프로필을 가지는 발광 디바이스들로 개별화하기 위하여, 복수의 직선의 커트(straight line cuts)를 사용하여 상기 기판을 슬라이싱하는 단계를 포함하는, 방법.
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