KR20180124153A - 광대역 미러 - Google Patents

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KR20180124153A
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Abstract

본 발명은 광대역 미러(1)를 설명하고, 이 광대역 미러(1)는 외부 표면 층(10); 및 외부 표면 층(10) 아래에 배열된 유전체 층 스택(11A, 11B, 12)을 포함하고, 유전체 층 스택(11A, 11B, 12)은 유전체 층 스택(11A, 11B, 12)의 인접하는 유전체 층들(11A, 12) 사이의 계면에 적어도 하나의 패터닝된 표면(110, 120)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 발광 다이오드(1)를 추가로 설명한다. 본 발명은 또한 광대역 미러(1)를 제조하는 방법을 설명하며, 이 방법은, 외부 표면 층(10)을 제공하는 단계 및 외부 표면 층(10) 아래에 유전체 층 스택(11A, 11B, 12)을 구축하기 위해 복수의 유전체 층들(11A, 11B, 12)을 도포하는 단계를 포함하고, 패터닝된 표면(110, 120)에 후속하는 유전체 층(11B, 12)을 도포하기 전에 적어도 하나의 유전체 층(11A, 12)의 표면을 패터닝하는 단계를 특징으로 한다.

Description

광대역 미러
본 발명은 광대역 미러, 발광 다이오드, 및 광대역 미러를 제조하는 방법을 설명한다.
광대역 미러들은 광학 시스템들의 효율을 최대화하고 컬러 무결성을 유지하기 위해 사용된다. 예를 들어, 조명 엔진들 및 투사기들에서 사용되는 미러들의 반사율을 증가시키는 것은 휘도의 개선 또는 증가에 직접 관련된다. 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector)(DBR)는 정밀하게 퇴적된 재료의 많은 층들을 포함하는, 일종의 반도체 미러이다. 그러나, DBR의 단점은 그것의 파장-의존성인데, 왜냐하면 특정한 DBR은 파장들의 소정의 대역 내의 광만을 반사시킬 수 있기 때문이다. 이 대역 밖의 광은 다층 스택에 의해서는 반사되지 않을 것이다. 게다가, DBR의 반사율 응답은 광의 입사 각도에 의존할 수 있다. 그러므로, DBR은 제한된 범위의 파장들 및 입사 각도들 내의 광만을 효과적으로 반사시킬 수 있다.
DBR의 대안으로서, 종래 기술의 금속 미러가 가능한 한 많은 광이 발광 표면을 통해 다이에서 나가는 것을 보장하기 위해 반사 배킹(reflective backing)으로서 배열될 수 있다. 반사 배킹과 발광 표면은 일반적으로 합성 다이의 대향 측들 상의 평행한 평면들이다. 반사 배킹은 또한 pn-접합(금속-반도체 접점) 내로의 주입 전류뿐만 아니라 디바이스의 후미를 통해 열을 통과시키도록 효과적으로 작용할 수 있다. 반사 배킹은 일반적으로 은, 알루미늄 또는 금과 같은 일부 적합한 금속으로 이루어진다. 그러나, 100% 반사율을 달성하는 것은 불가능하고, 금속 반사 배킹 층은 그러므로 다이의 방출 면에 그것을 복귀시키는 것 대신에 그것에 도달하는 광의 일부 퍼센티지를 흡수할 것이다. 반사 금속 층의 추가 단점은 그것의 온도 의존성인데, 왜냐하면 안전한 온도 범위 내에서 디바이스의 신뢰성 있는 동작을 보장하도록 주의를 기울여야 하기 때문이다. 그러나, 이러한 합성 다이 내의 p-n 다이오드 접합에서 상승하는 높은 온도들은 금속 반사 배킹에 대한 문제들을 야기할 수 있다. LED를 위한 양호한 광학 반사체인 금속은 그러나 LED가 높은 온도들에서 동작할 때 신뢰성 문제들을 야기할 수 있다. 이런 이유로, 일부 종래 기술의 LED들은 반사 배킹을 위해 덜 반사하는 금속을 사용하고, 약하게 반사하는 금속을 보상하고자 추가의 유전체 층을 포함시키도록 구성되었다. 그렇게 하여도, 이러한 합성 다이의 순수 반사는 일부 응용들을 위해 충분하지 않을 수 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 위에 설명된 문제들을 극복하는 개선된 미러를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 따른 광대역 미러; 청구항 10에 따른 발광 다이오드; 및 광대역 미러를 제조하는 청구항 11의 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 광대역 미러는 외부 표면 층 및 외부 표면 층 아래에 도포된 유전체 층 스택 - 저굴절률 층들(low-index layers)과 고굴절률 층들(high-index layers)의 교대하는 배열 - 을 포함하고, 유전체 층 스택은 적어도 하나의 패터닝된 표면 및 적어도 하나의 비패터닝된 표면을 포함하고, 패터닝된 표면은 고굴절률 층과 제1의 인접하는 저굴절률 층 사이의 계면에서 고굴절률 층의 한 측면 상에 형성되고, 비패터닝된 표면은 고굴절률 층과 제2의 인접하는 저굴절률 층 사이의 계면에서 고굴절률 층의 다른 측면 상에 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 맥락에서, 유전체 층은 반도체 다이의 제조에 사용된 반투명 유전체 재료의 플래너 층이라고 이해될 것이다. 유전체 층 스택은 또한 플래너 층 스택(planar layer stack) 또는 다층 박막 스택이라고도 한다.
본 발명의 광대역 미러의 장점은 반사율의 상당한 개선이 층 스택 내에 거칠어진 유전체 층들을 통합함으로써 달성된다는 것이다. 본 발명의 광대역 미러의 구성에 따라, 즉, 층들의 수, 사용된 재료들 등에 따라, 반사율의 개선이 넓은 범위의 입사 각도들 및 넓은 범위의 파장들에 걸쳐 관찰될 수 있다. 본 발명의 광대역 미러는 상이한 굴절률의 2개의 유전체 층들 사이에의 거칠어지거나 패터닝된 계면들의 포함을 통해 입사 광 반사를 효과적으로 증가시킨다. 본 발명의 광대역 미러의 추가 장점은 패터닝된 계면이 발광 층 내에 산란을 야기한다는 것이다. 이것은 산란이 디바이스로부터의 외부 광 방출에 유리하기 때문에 유익한 효과이다.
본 발명에 따르면, 발광 다이오드는 합성 다이이고 이러한 광대역 미러를 포함한다. 본 발명의 발광 다이오드는 양호하게 높은 광 출력을 특징으로 하는데, 왜냐하면 다이오드의 p-n 접합에 발생된 광의 모두가 본질적으로 발광 표면에서 다이오드로부터 나갈 수 있기 때문이다. 이것은 광의 상당한 부분이 반사 금속 층에 의해 흡수되는 비교할만한 종래 기술의 LED들과 유리하게 대조적이다.
본 발명에 따르면, 광대역 미러를 제조하는 방법은 외부 발광 표면 층을 제공하고 외부 표면 층 아래에 유전체 층 스택을 구축하기 위해 저굴절률 층들과 고굴절률 층들의 교대하는 배열을 도포하는 단계들을 포함하고, 고굴절률 층과 제1의 인접하는 저굴절률 층 사이의 계면에서 고굴절률 층의 한 측면 상에 적어도 하나의 패터닝된 표면, 및 고굴절률 층과 제2의 인접하는 저굴절률 층 사이의 계면에서 고굴절률 층의 다른 측면 상에 적어도 하나의 비패터닝된 표면을 달성하기 위해 적어도 하나의 유전체 층의 표면을 패터닝하는 단계를 특징으로 한다.
본 발명의 방법의 장점은 양호한 성능 특성들을 갖는 광대역 미러를 달성하기 위해 비교적 덜한 노력이 필요하다는 것이다. 반도체 제조로부터 공지된 통상적인 기술들이 유전체 층들을 도포하고 패터닝하는 단계들에서 사용될 수 있다. 본 발명의 광대역 미러를 포함시키도록 구성된 디바이스는 그러므로 적은 추가 비용으로 실현될 수 있다.
종속 청구항들 및 다음의 설명은 본 발명의 특히 유리한 실시예들 및 특징들을 개시한다. 실시예들의 특징들은 적절히 조합될 수 있다. 하나의 청구 카테고리의 맥락에서 설명된 특징들은 다른 청구 카테고리에 동등하게 적용할 수 있다.
다음에서, 표현들 "저굴절률 재료(low refractive index material)"와 "저굴절률(low-index)"은 서로 교환하여 사용될 수 있다. "저굴절률 층(low-index layer)"은 그러므로 저굴절률 재료를 포함하는 층이라고 이해될 것이다. 유사하게, 표현들 "고굴절률 재료(high refractive index material)"와 "고굴절률(high-index)"은 서로 교환하여 사용될 수 있다. 용어들 "층"과 "유전체 층"은 동의어이다.
바람직하게는, 광대역 미러의 발광 표면인 외부 표면 층은 적합한 재료의 고굴절률 층을 포함한다. 예를 들어, 청색/녹색 LED를 달성하기 위해, 외부 표면 층은 바람직하게는 갈륨 질화물(GaN)의 층을 포함한다.
본 발명의 광대역 미러를 구성하기 위해, 연속하는 유전체 층들이 나중에 광대역 미러의 방출 면의 역할을 하는 상부 또는 외부 층 아래에 도포될 수 있다. 바람직하게는, 유전체 층은 500㎚ 내지 2㎛의 범위의 두께를 갖는다. 연속하는 층들은 임의의 적합한 기술을 사용하여, 예를 들어 증착에 의해 도포될 수 있다. 바람직하게는 플래너 층 스택의 유전체 층들은 저굴절률 층들과 고굴절률 층들의 교대하는 배열 내에 증강된다. 고굴절률 층을 위한 적합한 재료는 실리콘 질화물(Si3N4)일 수 있고, 저굴절률 층을 위한 적합한 재료는 실리콘 이산화물(SiO2)일 수 있다. 바람직하게는, 임의의 고굴절률 층이 저굴절률 층들 사이에 샌드위치식으로 배열된다.
통상의 기술자에게 분명한 바와 같이, 상이한 재료들이 층들을 위해 선택될 수 있는데, 왜냐하면 광대역 미러의 외부 표면에서 방출된 광의 컬러는 사용된 층 재료들 및 그들이 얼마나 도핑되는지에 매우 의존할 것이다.
본 발명은 플래너 층 스택 내에 포함된 패터닝되거나 거칠어진 유전체 층이 플래너 층 스택의 반사를 상당히 개선시킬 수 있다는 식견에 기초한다. 반사의 증가는 프레넬 등식들(Fresnel equations)에 의해 좌우되는 효과들의 조합, 즉, 고굴절률 층과 저굴절률 층 사이의 계면에 의해 발생된 반사의 증가와 투과의 대응하는 감소, 유전체 층의 거칠어진 표면에 의해 발생된 내부 반사의 증가 등에 의해 설명될 수 있다.
놀랍게도, 플래너 층 스택의 반사는 상이한 굴절률들을 갖는 유전체 층들 간의 패터닝된 계면에 의해 상당히 증가되는 것이 관찰되었다. 그러므로, 본 발명의 방법의 한 양호한 실시예는 외부 표면 층에 적어도 하나의 저굴절률 층을 도포하고, 그 저굴절률 층에 실리콘 질화물 층과 같은 고굴절률 층을 도포하고, 하부 표면을 거칠게 하기 위해 고굴절률 층을 패터닝하고, 고굴절률 층의 거칠어진 표면에 추가의 저굴절률 층을 도포하는 것을 포함한다. 이 방식으로, 패터닝된 계면은 상이한 굴절률들을 갖는 2개의 유전체 층들 사이에 형성된다. 층 퇴적 공정이 최종 저굴절률 층에 반사 금속 층을 도포함으로써 이 스테이지에서 종결될 수 있다. 플래너 층 스택 내의 "거칠어진 계면(roughened interface)"은 광대역 미러의 반사를 감소시키고 그것의 반사율을 증가시키는 작용을 하는데, 왜냐하면 그것은 발광 표면의 방향으로 광자들의 더 많은 부분을 효과적으로 복귀시키고, 반사 배킹을 향해 광자들의 더 적은 부분만을 통과시키어, 결국 발광 표면을 향해 이들의 대부분을 다시 복귀시키기 때문이다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 위에 설명된 층 퇴적 공정이 2개 이상의 이러한 "거칠어진 계면들"을 갖는 층 스택을 달성하기 위해 적어도 한 번 이상 반복된다. 몇 개의 이러한 "거칠어진 계면들"의 조합된 효과는 광대역 미러의 전체 반사를 상당히 증가시킨다. 각각의 "거칠어진 계면"은 광대역 미러의 반사율의 증가에 기여한다.
유전체 층의 거칠어진 표면은 임의의 적합한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 광 전기화학(photo-electrochemical)(PEC) 에칭, 미세가공(micromachining), 포토리소그래피(photolithography), 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography) 등의 기술들 중 하나 이상이 원하는 표면 구조 또는 토폴로지를 달성하기 위해 구현될 수 있다. 예를 들어, 선택된 기술이 이전에 퇴적된 유전체 층 상에 물결 모양 또는 이랑 모양의 구조와 같은 랜덤 패턴 또는 규칙적 패턴을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 패턴 및 패턴 밀도는 패터닝된 유전체 층과 후속하는 유전체 층 사이의 계면에서 원하는 반사를 달성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 패턴 특징들은 바람직하게는 100㎚ - 2㎛의 범위의 크기들을 갖는다.
본 발명의 광대역 미러의 양호하게 높은 반사율은 발광 표면과 반사 배킹 사이에 배열된 단지 3개의 유전체 층, 즉, 저굴절률 층, 패터닝된 표면을 갖는 고굴절률 층, 및 추가의 저굴절률 층으로 달성될 수 있다. 본 발명의 광대역 미러의 반사율은 패터닝된 층 계면들의 수를 증가시킴으로써 더욱 개선될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 광대역 미러의 플래너 층 스택 내에 배열된 거칠어진 저굴절률/고굴절률 계면들의 수는 반사 배킹 층의 사용을 없애거나 배제하도록 선택된다. 그러므로, 본 발명의 양호한 실시예에서, 광대역 미러는 위에 설명된 것과 같은 저굴절률과 고굴절률 층들의 교대하는 배열 내에 분포된 5개까지의 패터닝된 층 계면을 포함한다. 이러한 구성은 공지된 미러들의 반사율을 수 퍼센트만큼 초과하는 매우 양호한 반사율을 달성할 수 있다.
원하는 반사율을 달성하기 위해서 수십 개의 유전체 층을 필요로 하는 DBR과 대조적으로, 본 발명의 광대역 미러의 유전체 층 스택은 비교할만한 반사율을 달성하기 위해 바람직하게는 많아야 15개의 유전체 층, 가장 바람직하게는 많아야 3개의 유전체 층을 포함한다. 또한, 본 발명의 광대역 미러의 반사율은 본래 파장 의존성인 DBR과 다르게, 파장에 독립이다.
본 발명의 다른 목적들 및 특징들은 첨부 도면과 함께 고려된 다음의 상세한 설명들로부터 분명해질 것이다. 그러나, 도면은 단지 본 발명의 예시의 목적들을 위한 것이지 본 발명의 제한들의 정의로서 설계된 것은 아니라는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광대역 미러의 제1 실시예를 도시하고;
도 2는 본 발명에 따른 광대역 미러의 제2 실시예를 도시하고;
도 3은 본 발명에 따른 광대역 미러의 제3 실시예를 도시하고;
도 4는 패터닝된 유전체 배열을 도시하고;
도 5는 패터닝된 유전체 배열을 도시하고;
도 6은 도 4 및 도 5의 패터닝된 유전체 배열들을 위한 반사율의 그래프들을 도시하고;
도 7은 정규화된 방사 세기의 그래프들을 도시하고;
도 8은 종래 기술의 미러의 실시예를 도시하고;
도 9는 종래 기술의 미러의 추가 실시예를 도시한다.
도면에서, 유사한 번호는 전체에 걸쳐 유사한 물체들을 참조한다. 도면 내의 물체들은 반드시 축척에 맞게 그려지지 않았다.
도 1은 본 발명에 따른 광대역 미러(1)의 제1 실시예를 도시한다(이것 및 다음의 도면들에서, 합성 다이 다층 스택들은 과장된 비율들로 도시되고; 합성 다이의 높이는 일반적으로 5㎛ 내지 15㎛의 범위에 있다). 이 예시적인 실시예에서, 광대역 미러(1)가 4개의 플래너 층들(10, 11A, 12, 11B)의 스택 및 반사 배킹(13)을 포함하는 합성 다이로서 구성된다. 적합한 재료의 층들(11A, 12, 11B)이 서로 위에 퇴적되고, 최종 층(11B)은 반사 배킹(13)에 의해 종결된다. 플래너 층들(11A, 12, 11B)은 최상위 층(10)에서 시작하고 "하향"으로 작업하고, 제1 저굴절률 층(11A), 고굴절률 층(12), 및 제2 저굴절률 층(11B)을 도포하는, 증착 또는 기타 적합한 기술에 의해, 일반적인 방식으로 증강될 수 있다. 본 발명의 방법을 사용하여, 고굴절률 층(12)이 제1의 인접하는 저굴절률 층(11A)의 비패터닝된 표면 N에 도포된다. 고굴절률 층(12)의 표면은 다음의 또는 제2 저굴절률 층(11B)을 퇴적하기 전에 거칠어진다. 간단히 하기 위해, 거칠어진 패턴(120)은 지그-재그 선으로서 표시된다. 패턴 크기는 수 나노미터 내지 수 마이크로미터의 영역에 있을 수 있다. 패턴 크기와 층 특성들은 상호 관련될 수 있는데, 예를 들어 적합한 패턴 크기는 고굴절률 층(12)의 두께뿐만 아니라, 고굴절률 층(12)의 굴절률 및 인접하는 저굴절률 층(11B)의 굴절률에 의존할 수 있다.
최상위 층(10)의 외부 표면(100)은 발광 표면(100)이다. 청색 또는 녹색 LED로서 동작하기 위해, 최외각 층(10)은 갈륨 질화물(GaN)과 같은 고굴절률 재료를 포함하고, 저굴절률 층들(11A, 11B)은 (SiO2)와 같은 저굴절률 재료를 포함한다. 전기 접점들(도시되지 않음)이 일반적인 방식으로 제공된다. 광은 최외각 층(10)과 인접하는 층(11A) 사이의 p-n 접합에서 발생된다. 광자들은 초기에 본질적으로 모든 방향들로 이동하기 때문에, 반사 배킹(13)의 목적은 광자들을 발광 표면(100)의 방향으로 다시 재지향시키는 것이다. 그러나, 완전한 반사체 재료는 없기 때문에, 반사 배킹(13)에 도달하는 광자들의 일부 부분은 흡수될 것이다. 이런 바람직하지 않은 효과는 본 발명의 광대역 미러(1)의 구조에 의해 대처되는데, 왜냐하면 저굴절률/고굴절률 경계에서 패터닝되거나 거칠어진 표면(120)을 갖는 고굴절률 층(12)의 존재는 고굴절률 패터닝된 층(12) 내의 광자들의 양을 본질적으로 트랩하여 그들이 반사 배킹(13)의 방향으로 이동하게 하는 것 대신에, 그들을 다시 발광 표면(100)의 방향으로 보냄으로써 광자들의 궤적들에 영향을 주기 때문이다. 효과적으로, 적은 수의 광자들이 반사 배킹(13)에 도달하는 것에 성공할 것이고, 대응하여 반사 배킹에 의한 흡수로 인해 더 적은 부분이 손실될 것이다. 이 방식으로, 그것의 거칠어진 표면(120)을 갖는 고굴절률 패터닝된 층(12)은 본 발명의 광대역 미러(1)의 광 출력 L을 증가시킨다.
도 2는 본 발명에 따른 광대역 미러(1)의 제2 실시예를 도시한다. 여기서 또한, 광대역 미러(1)는 4개의 플래너 층들(10, 11A, 12, 11B)의 스택 및 반사 배킹(13)으로서 구성된다. 이 실시예에서, 제1 저굴절률 층(11A)의 표면은 고굴절률 층(12)을 퇴적하기 전에 패터닝되거나 거칠어진다. 제2 저굴절률 층(11B)이 고굴절률 층(12)의 비패터닝된 표면(N)에 도포된다. 저굴절률/고굴절률 경계와 함께 제1 고굴절률 층(12A)의 패터닝된 표면(110)도 또한 위에 설명된 것과 같이 광자들이 반사 배킹(13)의 방향으로 통과하는 것을 방지하고, 그들을 발광 표면(100)을 향해 재지향시키는 작용을 한다.
도 3은 본 발명에 따른 광대역 미러(1)의 제3 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 광대역 미러(1)는 8개의 플래너 층들(10, 11A, 12, 11B)의 스택으로서 구성된다. 3개의 고굴절률 층들(12)은 저굴절률 층들(11A, 11B) 사이에 샌드위치된다. 각각의 고굴절률 층(12)이 선행하는 저굴절률 층(11A, 11B)의 비패터닝된 표면 N에 도포된다. 각각의 고굴절률 층(12)의 표면은 후속하는 저굴절률 층(11A, 11B)을 퇴적하기 전에 거칠어진다. (그것의 거칠어진 표면(120)을 갖는) 각각의 고굴절률 층(12)은 보다 많은 광자들을 반대 방향으로 "통과하게 하기"보다는 발광 표면(100)의 방향으로 효과적으로 "다시 보내기" 때문에, 몇 개의 이러한 고굴절률 층들(12)을 사용하는 순수 결과는 광자들이 거의 또는 전혀 미러(1)의 최하위 면(101)에 가지 않게 하는 것이다. 그러므로, 이 후면(101)에 반사 배킹을 도포할 필요가 없다. 반사 배킹을 필요로 하지 않는 것과 연관된 장점들, 즉, 온도 독립성뿐만 아니라 비용 절약의 장점들이 있다. 도입부에서 설명된 것과 같이, 만족할만한 반사 금속 배킹은 비싸고, 또한 높은 온도들에 민감하다.
도 4 - 6은 본 발명의 원리를 도시한다. 사파이어 웨이퍼가 한 측면 상에 패터닝될 때, 전반사(total reflectance)의 증가가 관찰될 수 있다. 본 발명과 관련된 실험들에서, 패터닝된 사파이어 웨이퍼(14)가 가시 광 범위에서 제로에 가까운 반사율을 갖는 재료를 포함하는 흡수체 층(15) 위에 배열된다. 적합한 재료는 뭉쳐진 매트 검정 종이 층일 수 있다. 사파이어 기판은 고굴절률을 갖는 반면, 공기는 저굴절률을 갖는다. 공지된 굴절 법칙들이 (웨이퍼의 각각의 측 상의) 공기/웨이퍼 경계들에 적용된다. 패터닝된 표면(140)은 고굴절률/저굴절률 계면 및 패턴 기하 구조 때문에 웨이퍼 내에 광자들을 산란시키는 작용을 할 것이다. 광자들을 산란시킴으로써, 웨이퍼 내의 내부 전반사(total internal reflection)의 입사들이 증가된다. 패터닝된 웨이퍼(14)의 반사율을 측정하기 위해, 입사 광 Li는 웨이퍼(14)를 통해 지향되고 반사된 광 Lr의 양이 측정된다. 실험이 도 4의 흡수체(15)를 향해 마주하는 패터닝된 표면(140)을 갖는 배열에 대해 그리고 도 5의 흡수체(15)로부터 멀리 향한 패터닝된 표면(140)을 갖는 배열에 대해 수행된다. 관찰된 결과들이 도 4의 배열에 대한 제1 반사율 그래프(40), 및 도 5의 배열에 대한 제2 반사율 그래프(50)를 도시한 도 6에 도시된다. 400㎚ 내지 750㎚(X-축)의 파장 범위에 대해 관찰들이 이루어졌다. 흡수체(15)를 향해 마주하는 패터닝된 표면(140)으로, 패터닝된 사파이어 기판(14)은 전체 파장 범위에 걸쳐 50%를 초과하는 반사율을 나타내는데, 즉, 광의 거의 반이 파장에 관계없이, 웨이퍼(14)를 통해 다시 반사된다. 흡수체(14)로부터 밖으로 향하는 패터닝된 표면(140)으로, 패터닝된 사파이어 기판(14)은 약 15%의 반사율을 나타내는데, 즉, 광의 약 85%가 웨이퍼(14)를 통해 통과한다. 각각의 경우에, 웨이퍼(14)는 광자들의 반사된 퍼센티지가 후방 흡수체에 도달하는 것을 방지하는 작용을 한다.
관찰된 결과들은 본 발명의 유전체 미러로 전환가능한데, 왜냐하면 실리콘 질화물의 굴절률은 사파이어의 것보다 높은 반면, 실리콘 이산화물의 굴절률은 공기보다 높지만 실리콘 질화물 및 사파이어보다 낮기 때문이다. 관찰된 효과는 위에 도 1에 설명된 본 발명의 광대역 미러에서 유리하게 하는 데 사용되고: 반사 배킹(13)에 접하는 고굴절률 층(12)의 패터닝된 표면으로, 광의 약 50% 또는 반이 발광 표면(100)을 향해 다시 반사될 것이다. 다른 반은 고굴절률 층(12)을 통해 통과하여 반사 배킹(13)에 도달하고, 반사를 겪고, 이 광의 대부분, 즉, 약 85%는 고굴절률 층(12)을 통해 통과하고 발광 표면(100)에 도달한다. 고굴절률/저굴절률 경계에 있는 패터닝된 표면과 함께, 고굴절률 층(12)은 광대역 미러(1)의 순수 반사(패키지 반사율)를 상당히 증가시킨다. 관찰된 효과는 파장에 독립이고, 그러므로 예를 들어, 임의의 컬러의 LED의 광 출력을 개선시키기 위해, 광범위한 응용들에서 사용될 수 있다.
도 7은 입사 각도 θ(X-축)에 대한 정규화된 방사 세기(Y-축)의 다양한 그래프들을 도시한다. 기준 그래프 R은 입사 방사의 각도 분포를 표시한다. 2개의 추가 그래프들 P8, P9는 각각 도 8 및 도 9에 도시한 것과 같은 종래 기술의 유전체 미러들(8, 9)의 성능을 도시한다. 종래 기술의 유전체 미러(8)는 반사 배킹(13)으로 배킹된 GaN 층(10)을 포함하고, 그것의 그래프 P8은 전체 각도 범위에 걸쳐 기준 곡선 R과의 일관된 차이를 도시한다. 도 9의 종래 기술의 유전체 미러(9)는 GaN 층(10)과 반사 배킹(13) 사이에 저굴절률 SiO2 층(91)을 포함하고, 그것의 그래프 P9는 GaN 및 SiO2의 상이한 굴절률들에 의해 결정된 임계 각도(내부 전반사의 각도)를 지나서의 반사율의 증가를 도시한다. 그 각도를 지나, 그것의 반사율 곡선 P9는 곡선 R과 본질적으로 일치한다. 곡선 P1은 도 1에 도시한 본 발명의 광대역 미러의 반사율이고, 곡선 P2는 도 2의 실시예의 본 발명의 광대역 미러의 반사율이다. 이들 곡선 P1, P2는 45°주위의 영역에서의 상당한 개선, 즉, 가장 큰 입사 방사의 영역을 도시한다. 도 1 및 도 2의 실시예들은 그러므로 도 8의 종래 기술의 미러보다 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 약 11.5% 더 많은 반사성, 및 도 9의 종래 기술의 미러보다 2% 더 많은 반사성을 갖는다.
본 발명이 양호한 실시예들 및 그에 대한 변형들의 형태로 개시되었지만, 수많은 추가적인 수정들 및 변형들이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고서 그에 대해 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 광대역 미러를 "하부 미러"로서 사용하는 것 대신에, 그것은 측면 미러로서 실현될 수 있다. 이러한 응용의 예는 칩-스케일-패키지 다이의 사파이어 벽들을 코팅하는 것일 수 있다.
명료하게 하기 위해, 본원 전체에 걸친 단수 표현("a" or "an")의 사용은 복수를 배제하지 않고, "포함하는"은 다른 단계들 또는 요소들을 배제하지 않는다는 것을 이해해야 한다.
광대역 반사기 1
외부 층 10
발광 표면 100
후면 101
저굴절률 층 11A, 11B
패터닝된 표면 110
고굴절률 층 12
패터닝된 표면 120
반사체 13
패터닝된 사파이어 기판 14
패터닝된 표면 140
흡수체 15
반사율 그래프 40, 50
종래 기술의 반사기 8, 9
방출된 광 L
입사 광 Li
반사된 광 Lr
방사 세기 R
방사 세기 P8, P9
방사 세기 P1, P2

Claims (15)

  1. 광대역 미러(1)로서,
    외부 표면 층(10); 및
    상기 외부 표면 층(10) 아래에 배열되고 저굴절률 층들(low-index layers)(11A, 11B)과 고굴절률 층들(high-index layers)(12)의 교대하는 배열(alternating arrangement)을 포함하는 유전체 층 스택(dielectric layer stack)(11A, 11B, 12)
    을 포함하고,
    상기 유전체 층 스택(11A, 11B, 12)은 적어도 하나의 패터닝된 표면(110, 120) 및 적어도 하나의 비패터닝된 표면(N)을 포함하고, 상기 패터닝된 표면(110, 120)은 고굴절률 층(12)과 제1의 인접하는 저굴절률 층(11A, 11B) 사이의 계면에서 고굴절률 층(12)의 한 측면 상에 형성되고; 상기 비패터닝된 표면(N)은 상기 고굴절률 층(12)과 제2의 인접하는 저굴절률 층(11A, 11B) 사이의 계면에서 상기 고굴절률 층(12)의 다른 측면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 미러(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 패터닝된 표면(120)은 고굴절률을 갖는 재료를 포함하는 유전체 층(12) 상에 형성되는 광대역 미러.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유전체 층 스택(11A, 11B, 12)은 반사 배킹(reflective backing)(13)에 의해 종결되는(terminated) 광대역 미러.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 고굴절률 재료의 층(12)이 저굴절률 재료의 층들(11A, 11B) 사이에 배열되는 광대역 미러.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 패터닝된 표면(110, 120)은 100㎚ 내지 2.0㎛의 범위의 특징 크기(feature size)를 갖는 패턴을 포함하는 광대역 미러.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 유전체 층(10, 11A, 11B, 12)은 500㎚ 내지 2.0㎛의 범위의 두께를 갖는 광대역 미러.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 많아야 15개의 유전체 층(10, 11A, 11B, 12), 더 바람직하게는 많아야 9개의 유전체 층(10, 11A, 11B, 12), 가장 바람직하게는 많아야 3개의 유전체 층(10, 11A, 11B, 12)을 포함하는 광대역 미러.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전체 층 스택(11A, 11B, 12)은 적어도 2개의 패터닝된 표면(110, 120)을 포함하는 광대역 미러.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 표면 층(10)은 고굴절률 재료의 층을 포함하는 광대역 미러.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 광대역 미러(1)를 포함하는 발광 다이오드(1).
  11. 광대역 미러(1)를 제조하는 방법으로서,
    외부 표면 층(10)을 제공하는 단계;
    상기 외부 표면 층(10) 아래에 유전체 층 스택(11A, 11B, 12)을 구축(build)하기 위해 저굴절률 층들(11A, 11B)과 고굴절률 층들(12)의 교대하는 배열을 도포(applying)하는 단계,
    상기 고굴절률 층(12)과 제1의 인접하는 저굴절률 층(11A, 11B) 사이의 계면에서 고굴절률 층(12)의 한 측면 상에 적어도 하나의 패터닝된 표면(110, 120)을 형성하고, 상기 고굴절률 층(12)과 제2의 인접하는 저굴절률 층(11A, 11B) 사이의 계면에서 상기 고굴절률 층(12)의 다른 측면 상에 적어도 하나의 비패터닝된 표면(N)을 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복수의 유전체 층들(11A, 11B, 12)을 도포하는 단계는 고굴절률 재료 층들(12)과 저굴절률 재료 층들(11A, 11B)을 교대로 도포하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 층 표면을 패터닝하는 단계는 광 전기화학(photo-electrochemical)(PEC) 에칭 단계, 미세가공(micromachining) 단계, 포토리소그래피(photolithography) 단계, 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography) 단계 중 임의의 것을 포함하는 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패터닝하는 단계는 상기 패터닝된 층(11A, 12)과 후속하는 층(12, 11B) 사이의 경계에서 내부 전반사(total internal reflection)를 달성하기 위해 규칙적인 표면 구조를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전체 층 스택은 실리콘 이산화물 층들(11A, 11B)과 실리콘 질화물 층들(12)을 교대로 도포함으로써 구축되는 방법.
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