KR20190099055A - 발광다이오드를 구비한 광전자장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 발광다이오드(LED)들로, 각 발광다이오드(LED)가 나노와이어, 마이크로와이어, 및/또는 나노미터 또는 마이크로미터 범위의 피라미드형 구조가 되는 반도체 소자(22)를 포함하며, 쉘(24)이 적어도 부분적으로 상기 반도체 소자를 덮으며 방사를 방출하도록 구성된 발광다이오드들과; 그리고 각 발광다이오드(LED)에 대해 단일한 양자 우물, 복수의 양자 우물(44)들 또는 헤테로 구조를 포함하고, 쉘의 적어도 일부를 덮어 쉘 또는 반도체 소자와 접촉하며 광펌핑에 의해 쉘에 의해 방출된 방사를 다른 방사로 변환하도록 구성된 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)을 구비하는 광전자장치(5)에 관련된 것이다.

Description

발광다이오드를 구비한 광전자장치
본원은 프랑스 특허출원 제FR16/63507호에 대한 우선권을 주장하는 바, 이는 이 명세서의 일체적 부분으로 간주될 것이다.
본원은 특히 반도체 마이크로와이어(microwire) 또는 나노와이어(nanowire) 등의 3차원 소자들로 형성된 발광다이오드들을 구비하는 광전자장치, 특히 화상표시 스크린(display screen) 또는 화상 투영 장치(image projection device) 등의 광전자장치(optoelectronic device)에 관한 것이다.
화상(image)의 단위 요소가 되는 화상의 화소(pixel)는 광전자장치에 의해 화상 표시(display)된다. 광전자장치가 칼라 화상 화상표시 광전자장치인 경우, 이는 일반적으로 화상의 각 화소를 화상 표시하기 위해 화상표시 부화소(sub-pixel)로도 지칭되는 적어도 세 구성요소들을 구비하는데, 이들은 각각 (예를 들어 적, 녹, 및 청의) 거의 단일한 색상으로 광 방사(light radiation)를 방출한다. 세 화상표시 부화소들에 의해 방출된 방사들의 중첩이 관찰자에게 화상 표시되는 화상의 화소에 해당하는 색감(color sensation)을 제공한다. 이 경우 화상의 화소를 화상 표시하는 데 사용되는 세 화상표시 부화소들에 의한 조립체가 광전자장치의 화상표시 화소(display pixel)로 지칭된다.
발광다이오드들을 구비하는 광전자장치는 전기 신호를 전자기 방사(electromagnetic radiation)로 변환할 수 있는 장치로, 특히 광(light) 등의 전자기 방사를 방출하는 전용의 장치이다. 발광다이오드를 형성할 수 있는 3차원 소자의 예는 적어도 하나의 III족 원소와 하나의 V족 원소를 주로 포함하는 (예를 들어 질화갈륨; GaN 등의) 이하 III-V족 화합물로 지칭할 화합물 또는 적어도 하나의 II족 원소와 하나의 VI족 원소를 포함하는 (예를 들어 산화아연; ZnO 등의) 이하 II-VI족 화합물로 지칭할 화합물에 기반하는 반도체 물질을 포함하는 마이크로 와이어 또는 나노와이어들이다.
그러나 적색광을 방출하는 3차원 소자들을 포함하는 공지의 발광다이오드들은 불량한 내부 양자 효율(internal quantum efficiency)을 나타낸다.
광전자장치는 발광다이오드들 중의 적어도 일부에 대향하는(facing) 광발광성(photoluminescent) 물질의 블록들을 포함할 수 있다. 각 광발광성 블록은 연계된 발광다이오드에 의해 방출된 방사를 원하는 방사로 변환시키도록 구성된다. 공지의 광발광성 블록은 마이크로미터 범위의 광발광성 입자들 또는 양자점(quantum dot)들을 포함한다. 그러나 마이크로미터 범위의 광발광성 입자를 형성하는 데 사용되는 공지의 물질은 불량한 내부 양자 효율을 나타낸다. 뿐만 아니라, 양자점이 수명의 단축을 나타낸다.
본 발명의 목적은 발광다이오드를 구비한 전술한 광전자장치의 문제점의 점부 또는 일부를 해결하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광발광성 블록의 내부 양자 효율을 향상시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광발광성 블록의 수명을 연장시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 발광다이오드들이 특히 반도체 마이크로와이어 또는 나노와이어 등의 3차원 소자들을 포함하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광전자장치의 모든 발광다이오드들이 높은 내부 양자 효율을 나타내는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광전자장치의 광발광성 블록들이 높은 내부 양자 효율을 나타내는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 발광다이오드들을 구비하는 광전자장치가 산업적 규모 및 낮은 원가로 제조될 수 있게 하는 것이다.
이에 따라 본 발명은:
발광다이오드들로, 각 발광다이오드가 나노와이어, 마이크로와이어 및/또는 나노미터 또는 마이크로미터 범위의 피라미드 구조가 되는 반도체 소자를 포함하고, 쉘(shell)이 반도체 소자를 적어도 부분적으로 덮어 방사를 방출하도록 구성되는 발광다이오드들과; 그리고
단일한 양자 우물(quantum well), 복수의 양자 우물들 또는 헤테로 구조(heterostructure)를 포함하여, 쉘의 적어도 일부를 덮고 쉘 또는 반도체 소자와 접촉하여 광펌핑(optical pumping)에 의해 쉘에 의해 방출된 방사를 다른 방사로 변환하도록 구성된 각 발광다이오드에 대한 광발광성 코팅(coating)을
구비하는 광전자장치를 제공한다.
한 실시예에 따르면, 발광다이오드들은 제1 파장의 제1 방사를 방출하도록 구성되고, 광발광성 코팅은 광펌핑에 의해 제1 방사를 제2 파장의 제2 방사로 변환시키도록 구성된 제1 광발광성 코팅과 광펌핑에 의해 제1 방사를 제3 파장의 제3 방사로 변환시키도록 구성된 제2 광발광성 코팅과 광펌핑에 의해 제1 방사를 제4 파장의 제4 방사로 변환시키도록 구성된 제3 광발광성 코팅을 구비한다.
한 실시예에 따르면, 각 반도체 소자는 측면들과 상면을 포함하고, 광발광성 코팅과 쉘들이 반도체 소자들의 측면들과 상면들을 덮는다.
한 실시예에 따르면, 각 반도체 소자가 측면들과 상면을 포함하고, 쉘은 반도체 소자의 측면들을 덮고 반도체 소자들의 상면은 덮지 않으며, 광발광성 코팅은 반도체 소자들의 상면을 덮으며 측면들은 덮지 않는다.
한 실시예에 따르면, 광전자장치는 각 발광다이오드에 대해 쉘과 접촉하는 도전층을 더 구비한다.
한 실시예에 따르면, 각 발광다이오드에 대해 도전층이 반사층(reflective layer)으로 덮인다.
한 실시예에 따르면, 광전자장치는 적어도 부분적으로, 적어도 제2, 제3. 및 제4 방사에 대한 반사 물질로 구성되어 발광다이오드들을 둘러싸는, 기판 상에 안착되는 벽(wall)들을 더 구비한다.
한 실시예에 따르면, 광전자장치는 광발광성 코팅을 덮어 제1 방사를 차단하고 제2, 제3, 및 제4 방사들을 통과시키는 필터를 더 구비한다.
한 실시예에 따르면, 제1 파장은 360 nm 내지 430 nm의 범위, 제2 파장은 440 nm 내지 490 nm, 제3 파장은 510 nm 내지 570 nm의 범위, 그리고 제4 파장은 610 nm 내지 720 nm의 범위이다.
한 실시예에 따르면, 광발광성 코팅은 광펌핑에 의해 제1 방사를 제5 파장의 제5 방사로 변환시키도록 구성된 제4 광발광성 코팅을 더 구비한다.
한 실시예에 따르면, 제5 파장은 570 nm 내지 600 nm의 범위이다.
(본 발명의) 다른 실시예는 전술한 광전자장치를 제조하는 방법으로:
a) 발광다이오드들을 형성하는 단계와; 그리고
b) 광발광성 코팅을 형성하는 단계의
연속적 단계들을 구비하는 방법을 제공한다.
한 실시예에 따르면, 방법은 단계 b) 이전에 쉘을 덮는 도전층을 형성하는 단계와, 그리고 단계 b) 이전에 반도체 소자들 상부의 도전층과 쉘을 제거(withdrawal)하고 반도체 소자들의 상부에 광발광성 코팅을 형성하는 단계를 더 구비한다.
전술한 것 및 다른 특징과 이점들을 첨부된 도면을 참조한 이하의 특정한 실시예들의 비제한적인 설명에서 상세히 논의할 것인 바, 도면에서:
도 1 및 도 2는 발광다이오드들을 구비하는 광전자장치의 한 실시예의 직교 평면들에서의 부분 개략 단면도들;
도 3은 마이크로와이어 또는 나노와이어를 포함하는 발광다이오드들의 실시예에 대한 도 1의 상세도;
도 4 및 5는 발광다이오드들을 구비하는 광전자장치의 다른 실시예의 직교 평면들에서의 부분 개략 단면도들;
도 6 및 7은 발광다이오드들을 구비하는 광전자장치의 또 다른 실시예의 직교 평면들에서의 부분 개략 단면도들;
도 8a 내지 8e는 도 1에 보인 광전자장치의 제조 방법의 한 실시예의 연속적인 단계들에서 얻어진 구조들의 부분 개략 단면도들;
도 9a 내지 9d는 도 6에 보인 광전자장치의 제조 방법의 한 실시예의 연속적인 단계들에서 얻어진 구조들의 부분 개략 단면도들;
도 10은 전기발광 다이오드 전극 층의 다른 실시예의 도 3과 유사한 상세도이다.
명확성을 위해 동일한 요소들은 여러 도면들에서 동일한 참조 번호로 지시되었으며, 또한 전자회로의 표시에서 일반적이듯 여러 도면들은 축척대로 도시되지 않았다. 뿐만 아니라 이 명세서의 이해에 유용한 요소들만이 도시 및 설명될 것이다. 특히 광전자장치의 발광다이오드들을 바이어싱(biasing)시키는 수단은 잘 알려져 있으므로 설명하지 않을 것이다.
이 명세서는 예를 들어 마이크로와이어 또는 나노와이어 등의 3차원 소자들로 구성된 발광다이오드들을 구비하는 광전자장치에 관련된다. 이하의 설명에서 실시예들은 마이크로와이어 또는 나노와이어로 형성된 발광다이오드들에 대해 설명된다. 그러나 이 실시예들은 마이크로와이어 또는 나노와이어 이외의 3차우너 소자, 예를 들어 피라미드형 3차원 소자들로 구현될 수도 있다.
이하의 설명에서, 달리 지적되지 않는 한, "거의(substantially)", "대략(approximately)", 및 "정도(in the order of)"라는 용어들은 "10% 이내(to within 10%)"를 의미한다. 또한 발광다이오드의 "활성 영역(active area)"은 이로부터 발광다이오드에 의해 제공되는 전자기 방사(electromagnetic radiation)의 대부분이 방출되는 발광다이오드의 영역을 지칭한다. 또한 "물질로 주로 구성되는 화합물(compound mainly made of a material)" 또는 "물질에 기반하는 화합물(compound based on a material)"은 상기 물질을 95% 이상의 비율로 포함하는 화합물을 의미하는데, 이 비율은 바람직하기로 99%보다 크다. 뿐만 아니라, 에피택시 관계(epitaxial relationship)에 의해 제1 요소가 제2 요소와 링크(link)되어 지칭될 때, 이는 제1 요소가 제1 층으로 구성되고 제2 요소가 제1 층 상에 에피택시로 성장된 제2 층으로 구성되거나 그 역인 것을 의미한다.
"마이크로와이어(microwire)" 또는 "나노와이어(nanowire)"라는 용어는 10 nm 내지 10 μm, 바람직하기로 100 nm 내지 2 μm 범위의 부치수(minor dimension)로 지칭되는 두 치수들과, 최대 부치수의 1배 이상, 바람직하기로 5배 이상, 더욱 바람직하기로 10배 이상의 주치수(major dimension)로 지칭되는 제3의 치수를 가지는 우선 방향(preferred direction)을 따라 긴 형상의 3차원 구조물을 지칭한다. 어떤 실시예들에서는, 부치수가 약 1 μm 이하, 바람직하기로 100 nm 내지 1 μm, 더욱 바람직하기로 100 nm 내지 800 nm의 범위가 될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 각 마이크로와이어 또는 나노와이어의 높이가 500 nm 이상, 바람직하기로 1 μm 내지 50 μm, 가장 바람직하기로 1 μm 내지 15 μm의 범위가 될 수 있다.
이하의 설명에서 "와이어(wire)"라는 용어는 "마이크로와이어 또는 나노와이어(microwire or nanowire)"를 의미하도록 사용된다. 바람직하기로, 와이어의 우선 방향에 직교하는 평면에서 단면의 무게 중심을 통해 연장되는 와이어의 정중선(median line)은 거의 직선이고, 이하 "축(axis)"으로 지칭된다.
와이어들의 단면은 예를 들어 타원형(oval), 원형, 또는 특히 삼각형, 사각형, 정사각형 또는 육각형 등의 다각형 등과 같은 다른 형상들을 가질 수 있다. 이에 따라 "와이어의 단면 또는 이 와이어에 적층된 층에 관련하여 언급된 직경(diameter)"이라는 용어는 예를 들어 와이어 단면과 동일한 표면적을 가지는 원반의 직경에 해당하는 목표 구조의 표면적에 연계된 양(quantity)으로 이해되어야 할 것이다.
각 와이어의 단면은 와이어의 축을 따라 거의 동일하거나 와이어의 축을 따라 변할 수 있다. 한 예에서, 와이어는 원추형 또는 절두원추형(frustoconical) 형상을 가질 수 있다.
이하의 설명에서, 피라미드 또는 절두(truncated) 피라미드라는 용어는 그 일부가 피라미드형 또는 긴 원추 형상인 3차원 구조를 지칭한다. 피라미드형 구조는 절두될 수 있는데, 즉 원추의 선단이 존재하지 않고 평탄한 영역으로 대체된다. 피라미드의 저변(base)은 측면 크기가 100 nm 내지 10 μm, 바람직하기로 1 μm 내지 3 μm인 다각형 내에 들어간다. 피라미드의 저변을 형성하는 다각형은 육각형이 될 수 있다. 피라미드의 저변으로부터 정점 또는 상부 평면(top plateau) 사이의 피라미드의 높이는 100 nm 내지 20 μm, 바람직하기로 1 μm 내지 10 μm로 변화된다.
도 1 및 2는 예를 들어 화상표시 스크린 또는 화상 투영 장치가 될 수 있는, 발광다이오드들을 구비하는 광전자장치(5)의 한 실시예를 보인다.
도 1은 하부로부터 상부로:
하부 표면(12)과 상부 표면(14)을 포함하는 반도체 기판(10)으로, 상부 표면(14)이 바람직하기로 적어도 발광다이오드들의 높이(level)인 반도체 기판과;
와이어 성장을 촉진하는(favoring) 도전 물질로 구성되고 표면(14) 상에 배치되는 시드 층(seed layer; 16)과;
시드 층(16)을 덮으며 시드 층(16)의 일부를 노출시키는 개구(opening; 20)들을 포함하는 절연층(18)과;
와이어(22)들(도 1에는 3개의 와이어가 도시됨)로, 각 와이어(22)는 개구(20)들 중의 하나를 통해 시드 층(16)과 접촉하는 와이어들과;
각 와이어(22)에 대해, 와이어(22)를 덮는 반도체 층들의 스택(stack)을 포함하는 쉘(shell; 24)과;
각 와이어(22)에 대해, 쉘(24)의 하부의 측변 상에 연장되고 절연층(18) 상에 연장되는 도전층(26)과;
각 와이어(22)에 대해, 쉘(24)의 상부를 덮는 반도체 층들의 스택을 포함하는 광발광성 코팅(photoluminescent coating; 28R, 28G, 28B)과;
전체 구조를 덮는 보호층(encapsulation layer; 30)과; 그리고
보호층(30) 상에 안착되는 필터(32)를
구비하는 구조를 보인다.
광전자장치(5)는 표면(12) 또는 표면(14) 상에서 기판(10)과 접촉하는 도시되지 않은 전극(electrode)을 구비한다.
각 와이어(22)와 관련 쉘(24)로 형성되는 조립체가 발광다이오드(light-emitting diode; LED를 형성한다. 각 쉘(24)은 특히, 발광다이오드(LED)에 의해 공급되는 전자기 방사의 대부분이 이로부터 방출되는 층인 활성층(active layer)을 포함한다. 조립체는 수 개의 발광다이오드(LED)들부터 수천 개의 발광다이오드들까지 포함할 수 있다.
한 실시예에서, 모든 발광다이오드(LED)들은 제1 파장으로 전자기 방사를 방출한다. 한 실시예에서, 광전자장치(5)는 적어도 세 종류의 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)들을 구비한다. 화상 표시될 화상의 각 화소에 대해, 광전자장치(5)는 세 종류의 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)을 가지는 부화소들을 구비한다. 제1 종류의 광발광성 코팅(28B)은 광펌핑(optical pumping)에 의해 제1 파장의 방사를 제2 파장의 방사로 변환하도록 구성되어 있다. 제2 종류의 광발광성 코팅(28G)은 광펌핑에 의해 제1 파장의 방사를 제3 파장의 방사로 변환시키도록 구성되어 있다. 제3 종류의 광발광성 코팅(28R)은 광펌핑에 의해 제1 파장의 방사를 제4 파장의 방사로 변환시키도록 구성되어 있다. 한 실시예에서, 제1, 제2, 제3 및 제4 파장들은 다르다. 한 실시예에서 제1 파장은 자외선 방사에 해당하여 360 nm 내지 430nm의 범위이다. 한 실시예에서 제2 파장은 청색광에 해당하여 440 nm 내지 490 nm의 범위이다. 한 실시예에서 제3 파장은 녹색광에 해당하여 510 nm 내지 570 nm의 범위이다. 한 실시예에서 제4 파장은 적색광에 해당하여 610 nm 내지 720 nm의 범위이다.
한 부화소(Pix)는 한 발광다이오드(LED)와 관련 발광성 코팅(28R, 28G, 28B)으로 형성된다. 화상 표시될 화상의 각 화소에 대해, 광전자장치(5)는 세 종류의 광발광성 코팅들을 가지는 부화소들을 구비한다. 한 예에서, 베이어 필터 모자이크(Bayer filter mosaic)처럼 보이는 9개의 부화소(Pix)들이 도 2에 도시되어 있다.
한 실시예에서, 광전자장치(5)는 도시되지 않은 제4 종류의 광발광성 코팅을 구비한다. 제4 종류의 광발광성 코팅은 광펌핑에 의해 제1 파장의 방사를 제5 파장의 방사로 변환시키도록 구성되어 있다. 한 실시예에서, 제5 파장은 황색광이 되어 570 nm 내지 600 nm의 범위이다. 한 실시예에서, 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5파장들은 다르다. 화상 표시될 화상의 각 화소에 대해, 광전자장치(5)는 4 종류의 광발광성 코팅들을 가지는 부화소들을 구비한다.
기판(10)은 단일 블록(monoblock) 구조 또는 그 위에 와이어들이 성장되고 다른 물질로 구성된 서포트(support)를 덮는 층이 될 수 있다. 기판(10)은 바람직하기로 반도체 기판인데, 예를 들어 실리콘, 게르마늄, 탄화실리콘, 사파이어, GaN 또는 GaAs 등의 III-V족 화합물 또는 ZnO 기판 등으로 구성된 기판이다. 바람직하기로 기판(10)은 단결정 실리콘 기판이다. 바람직하기로 기판은 미소전자공학에서 실행되는 제조 방법에 적합한 반도체 기판이다. 기판(10)은 SOI로도 지칭되는 절연체 상 실리콘(silicon on insulator) 방식의 다층 구조가 될 수 있다. 기판(10)이 다른 물질로 구성된 서포트를 덮는 층을 구비하는 경우, 이 층은 예를 들어 III-N 화합물 등의 III-V족 화합물로 구성될 수 있다. III족 원소의 예는 갈륨(Ga), 인듐(In), 또는 알루미늄(Al)을 포함한다. III-N 화합물의 예는 GaN, A1N, InN, InGaN, AlGaN, 또는 AlInGaN이다. 예를 들어 인 또는 비소 등의 다른 V족 원소들 역시 사용될 수 있다. 상기 층으로 덮이는 서포트는 실리콘, 게르마늄, 탄화실리콘, GaN 또는 GaAs 등의 III-V 화합물, 또는 ZnO 기판 등으로 구성될 수 있다.
기판(10)은 고농도로 도핑되거나, 저농도로 도핑되거나, 도핑되지 않을 수 있다. 기판이 고농도로 도핑되는 경우, 반도체 기판(10)은 바람직하기로 수 mohm.cm보다 낮은, 금속에 유사한 저항성까지 전기 저항을 낮추도록 도핑될 수 있다. 예를 들어 기판(10)은 도펀트(dopant) 농도가 5*1016 atoms/cm3 내지 2*1020 atoms/cm3 의 범위로 고농도 도핑된다. 기판이 예를 들어 5*1016 atoms/cm3이라, 바람직하기로 대략 1015 atoms/cm3의 도펀트 농도로 저농도 도핑되는 경우, 기판보다 더 고농도 도핑된 제1 도전형 또는 제1 도전형에 반대되는 제2 도전형의 도핑 영역(doped area)이 구비될 수 있는데, 이는 표면(12)로부터 기판(10) 내로 시드 층(16) 밑까지 연장된다. 실리콘 기판(10)의 경우, P형 도펀트의 예는 붕소(B) 또는 인듐(In)이고 N형 도펀트의 예는 인(P), 비소(As), 또는 안티몬(antimony; Sb)이다. 기판(10)의 평면(14)은 a(100) 표면 또는 a(111)표면이 될 수 있다.
시드 층(16)은 와이어(22)들의 성장을 촉진하는 물질로 구성된다. 예를 들어, 시드 층(16)을 형성할 물질은 원소 주기율표의 IV, V, 또는 VI 열로부터의 천이금속의 질화물, 탄화물, 또는 붕소화물(boride)이 될 수 있다. 예를 들어 시드 층(16)은 질화알루미늄(AlN), 붕소(B), 질화붕소(BN), 티타늄(Ti), 또는 질화티타늄(TiN), 탄탈륨(Ta), 질화탄탈륨(TaN), 하프늄(Hf), 질화하프늄(HfN), 니오븀(Nb), 질화니오븀(NbN), 지르코늄(Zr), 붕산지르코늄(zirconium borate; ZrB2), 질화지르코늄(ZrN), 탄화실리콘(SiC), 질화탄화탄탈륨(TaCN), 예를 들어 Mg3N2 형태에 따른 질화마그네슘 등 x가 약 3이고 y가 약 2일 때 MgxNy 형태의 질화마그네슘, 또는 질화마그네슘갈륨(MgGaN), 텅스텐(W), 질화텅스텐(WN), 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 시드 층(16)은 기판(10)과 동일한 도전형으로 도핑될 수 있다. 시드 층(16)은 단일층(monolayer) 구조를 가지거나 두 층들 또는 둘보다 많은 층들의 스택이 될 수 있다. 시드 층(16)은 시드 섬(seed island)으로도 지칭되는 시드 패드(seed pad)들로 대체될 수 있는데, 각 와이어(22)는 시드 패드들 중의 하나 위에 안착된다.
절연층(18)은 예를 들어 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(x가 대략 3이고 y가 대략 4일 때 SixNy, 예를 들어 Si3N4), 산질화실리콘(silicon oxynitride)(특히 일반식 SiOxNy, 예를 들어 Si2ON2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2), 또는 다이아몬드 등의 유전 물질(dielectric material)로 구성될 수 있다.
와이어(22)는 적어도 부분적으로 적어도 하나의 반도체 물질로 구성된다. 이 반도체 물질은 실리콘, 게르마늄, 탄화실리콘, III-V족 화합물, II-VI족 화합물, 또는 이들 중 적어도 둘의 조합이 될 수 있다.
와이어(22)는 적어도 부분적으로, 예를 들어 III-N 화합물인 III-V족 화합물을 주로 포함하는 반도체 물질로 구성될 수 있다. III족 원소의 예는 갈륨(Ga), 인듐(In), 또는 알루미늄(Al)을 포함한다. III-N 화합물의 예는 GaN, A1N, InN, InGaN, AlGaN, 또는 AlInGaN들이다. 예를 들어 인 또는 비소 등의 다른 V족 원소들 역시 사용될 수 있다. 일반적으로 III-V족 화합물 내의 원소들이 다른 몰분율(molar fraction)들로 조합될 수 있다.
와이어(22)는 적어도 부분적으로 II-VI족 화합물을 주로 포함하는 반도체 물질로 구성될 수 있다. II족 원소의 예는 특히 베릴륨(Be) 및 마그네슘(Mg) 등의 IIA족 원소들과, 특히 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 및 수은(Hg) 등의 IIB족 원소들을 포함한다. VI족 원소의 예는 특히 산소(O)와 텔루륨(Te) 등의 VIA족 원소들을 포함한다. II-VI족 화합물의 예는 ZnO, ZnMgO, CdZnO, CdZnMgO, CdHgTe, CdTe, 또는 HgTe들이다. 일반적으로 II-VI족 화합물 내의 원소들이 다른 몰분율들로 조합될 수 있다.
와이어(22)는 도펀트(dopant)를 포함할 수 있다. 예를 들어 III-V족에 대해서는 도펀트가 예를 들어 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 또는 수은(Hg) 등의 P형 II족 도펀트, 예를 들어 탄소(C) 등의 P형 IV족 도펀트, 또는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 황(S), 테르븀(Tb), 또는 주석(Sn) 등의 N형 IV족 도펀트를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 도펀트들의 농도는 와이어(22) 내에서 균일하지 않을 수 있다. 한 예에서, 각 와이어(22)의 하부가 와이어(22)의 상부보다 더 고농도로 도핑될 수 있다.
두 인접 와이어(22)의 축들은 0.5 μm 내지 10 μm, 바람직하기로 1.5 μm 내지 4 μm만큼 이격될 수 있다.
도전층(26)은 예를 들어 알루미늄, 은, 동, 또는 아연 등의 금속 같은 도전 물질로 구성될 수 있다. 도전층(26)은 그래핀(graphene) 또는 예를 들어 산화인듐주석(ITO) 또는 산화알루미늄아연(AZO) 또는 산화갈륨아연(GZO) 등의 투명 도전 산화물(transparent conductive oxide; TCO) 등 제1, 제2, 제3, 제4 및 가능하기로 제5 파장에 대해 투명한 도전 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어 도전층(26)은 5 nm 내지 5 μm, 바람직하기로 500 nm 내지 5 μm 범위의 두께를 가진다.
보호층(30)은 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 파장의 방사에 대해 적어도 부분적으로 투명한, 예를 들어 실리콘 또는 산화물 등의 절연 물질로 구성된다. 보호층(30)의 최대 두께는 250 nm 내지 50 μm의 범위가 되어 보호층(30)은 발광다이오드(LED)들의 상부를 완전히 덮는다.
필터(32)는 발광다이오드(LED)들에서 방출되어 광발광성 블록(28R, 28G, 28B)에 의해 변환되지 않은 방사들을 차단하도록 구성된다. 필터(32)는 광발광성 블록(28R, 28G, 28B)에 의해 방출된 방사들을 통과시키도록(give way to) 구성되어 있다. 필터(32)는 다층 구조를 가질 수 있다. 한 실시예에서, 360 nm 내지 430 nm 범위의 제1 파장의 방사를 방출하는 발광다이오드(LED)들에 대해, 필터(32)는 대역 통과 필터(and pass filter) 특성을 가져 440 nm 내지 720 nm 파장의 방사만을 통과시키도록 할 수 있다.
변형예로, 와이어(2)들 사이의 도전층(26)과 절연층(18)을 덮지만 와이어(22) 상으로는 연장되지 않는, 도시되지 않은 경면 도전층(mirror conductive layer)이 구비될 수 있다. 경면 도전층은 예를 들어 알루미늄, 은, 동, 또는 아연으로 구성된 금속층이 될 수 있다.
작동에 있어, 도전층(26)들과 기판(10) 사이에 전압이 인가되어, 각 부화소(Pix)에 대해 발광다이오드(LED)들의 활성 영역이 그 부화소(Pix)에 연계된 도전층(26)과 기판(10) 사이에 인가되는 전압에 따른 강도로 광을 방출한다. 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)은 광펌핑에 의해 연계된 발광다이오드(LED)에 의해 방출된 방사의 적어도 일부를 원하는 방사로 변환한다. 한 실시예에서, 모든 발광다이오드(LED)들이 동일한 제1 파장으로 방출한다. 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)에 의해 변환되지 않은 발광다이오드(LED)들로부터의 방사를 차단하도록 구성된 필터(32)는 바람직하기로 전체 광전자장치(5)를 덮는다.
도 1 및 2에 도시된 실시예에서, 기판(10)은 대략 동일한 전위(potential)를 가지며 다른 전위들이 도전층(26)들에 인가될 수 있다. 이와는 달리, 도전층(26)들이 서로 접속되고 기판(10)의 부분들을 획정(delimit)하는 전기 절연 트렌치들이 기판(10)에 구비되는데, 기판(10)의 각 부분들은 적어도 하나의 와이어(22), 바람직하기호 한 와이어(22)에만 전기적으로 링크(link)된다. 도전층(26)들이 서로 접속되고 기판(10)에 절연된 부분들이 형성되는 경우, 접속된 도전층(26)들이 동일한 전위이고 다른 전위들이 기판(10)의 부분들에 인가될 수 있다.
도 3은 쉘(24)과 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)의 한 실시예에 대한 도 1의 상세도이다.
쉘(24)은 특히:
- 와이어(22)의 상부를 덮는 활성층(34)과;
- 와이어(22)와 반대되는 도전형을 가져 활성층(34)을 덮는 중간층(36)과; 그리고
- 중간층(36)을 덮는 접합층(bonding layer; 38)으로, 접합층(38)의 하부가 도전층(26)으로 덮이고 접합층(38)의 상부가 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)으로 덮이는 접합층을
포함하는 복수의 층들의 스택을 구비할 수 있다.
활성층(34)은 발광다이오드(LED)에 의해 공급되는 방사의 대부분이 이로부터 방출되는 층이다. 한 예에 따르면, 활성층(34)은 감금 수단(confinement means)을 구비할 수 있다. 활성층(34)은 단일한 양자 우물(quantum well)을 구비할 수 있다. 그러면 활성층은 와이어(22)와 중간층(36)을 형성하는 반도체 물질과 다른 반도체 물질을 포함하여 중간층(36)보다 더 작은 밴드갭(bandgap)을 가지게 된다. 활성층(34)은 복수의 양자 우물들을 구비할 수 있다. 그러면 활성층(36)은 양자 우물들(40) 과 장벽 층(barrier layer)(42)들이 교대하는(forming an alternation) 반도체 층들의 스택을 구비하게 된다. 바람직하기로, 활성층(34)의 층들은 와이어(22)와 에피택시 관계(epitaxial relationship)로 링크(link)된다.
한 실시예에서, 360 nm 내지 430 nm 범위에서 제1 자외선 파장의 방사를 방출하는 발광다이오드(LED)들은 각각 두께가 3 nm 내지 20 nm(예를 들어 6 nm) 및 1 nm 내지 30 nm(예를 들어 2.5 nm)를 가지는 GaN 및 InGaN 층들의 교대로 형성될 수 있는데, InGaN 층들은 0% 내지 15%의 In의 조성비를 가진다.
예를 들어 P형 도핑된 중간층(36)은 반도체 층 또는 반도체 층들의 스택이 될 수 있어 P-N 또는 P-I-N 접합을 가능하게 하는데, P형 중간층(36)과 N형 와이어(22) 사이의 활성층(34)의 P-N 또는 P-I-N 접합이다.
접합층(38)은 반도체 층 또는 반도체 층들의 스택이 될 수 있어 중간층(36)과 도전층(26) 사이에 저항 접촉(ohmic contact)을 형성할 수 있게 한다. 예를 들어, 접합층(38)은 와이어(22) 하부에 반대되는 도전형으로 예를 들어 1019 atoms/cm3 이상의 농도로 P형 도핑되는 등, 매우 고농도로 도핑되어 반도체 층을 열화(degenerate)시킬 수 있다.
쉘(24)을 형성하는 반도체 층들의 스택은 활성층(34) 및 중간층(36)과 접촉하는, 예를 들어 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 질화알루미늄인듐갈륨(AlInGaN) 또는 질화알루미늄인듐(AlInN) 등의 3원합금(ternary alloy)으로 형성된 전자 장벽 층(electron barrier layer)을 구비하여 활성층(34) 내의 전자 캐리어(carrier)들의 우수한 분포를 보장할 수 있다.
광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)은 반도체 층들의 스택으로 형성될 수 있다. 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)은 감금 수단을 구비할 수 있다. 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)은 단일한 양자 우물, 복수의 양자 우물들, 또는 이중 헤테로 구조(double heterostructure)를 구비할 수 있다. 그러면 제1 및 제2 반도체 층들 사이에 끼인 활성 반도체 층을 구비할 수 있다. 활성 반도체 층은 제1 및 제2 층들을 형성하는 반도체 물질과 다른 반도체 물질로 구성되어 제1 및 제2 층들보다 더 작은 밴드갭을 가진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)은 복수의 양자 우물들을 구비할 수 있다. 그러면 양자 우물(44)들과 장벽 층(46)들이 교대를 형성하는 반도체 층들의 스택을 구비하게 된다. 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)의 층들의 물질은 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)에 의해 방출되는 방사의 원하는 파장과 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)에 의해 수신된 방사의 파장에 좌우된다. 내부 양자 효율이 50%보다 높은 광발광성 코팅을 얻을 수 있다. 또한 긴 수명을 가지는 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)이 얻어질 수 있다.
예를 들어 도펀트가 없이 와이어(22)와 동일한 물질로 구성되고 1 nm to 5 μm 범위의 두께를 가지는 도시되지 않은 중간층이 쉘(24)과 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B) 사이에 구비되어 전류의 누설을 방지할 수 있다.
한 실시예에서, 360 nm 내지 430 nm의 제1 파장으로 방사를 방출하는 발광다이오드(LED)에 대해 450 nm의 제2 파장으로 방사를 방출하는 광발광성 코팅(28B)은 각각 3 nm 내지 20 nm(예를 들어 6 nm) 및 1 nm 내지 30 nm(예를 들어 2.5 nm)의 두께를 가지는 GaN 및 InGaN 층들의 교대로 형성될 수 있는데, InGAN 층들은 17% ± 5%의 In 조성비를 가진다.
한 실시예에서, 360 nm 내지 430 nm의 제1 파장으로 방사를 방출하는 발광다이오드(LED)에 대해 530 nm의 제3 파장으로 방사를 방출하는 광발광성 코팅(28G)은 각각 3 nm 내지 20 nm(예를 들어 6 nm) 및 1 nm 내지 30 nm(예를 들어 2.5 nm)의 두께를 가지는 GaN 및 InGaN 층들의 교대로 형성될 수 있는데, InGAN 층들은 28% ± 5%의 In 조성비를 가진다.
한 실시예에서, 360 nm 내지 430 nm의 제1 파장으로 방사를 방출하는 발광다이오드(LED)에 대해 630 nm의 제3 파장으로 방사를 방출하는 광발광성 코팅(28R)은 각각 3 nm 내지 20 nm(예를 들어 6 nm) 및 1 nm 내지 30 nm(예를 들어 2.5 nm)의 두께를 가지는 GaN 및 InGaN 층들의 교대로 형성될 수 있는데, InGAN 층들은 45% ± 10%의 In 조성비를 가진다.
한 실시예에서, 360 nm 내지 430 nm의 제1 파장으로 방사를 방출하는 발광다이오드(LED)에 대해 580 nm의 제4 파장으로 방사를 방출하는 광발광성 코팅은 각각 3 nm 내지 20 nm(예를 들어 6 nm) 및 1 nm 내지 30 nm(예를 들어 2.5 nm)의 두께를 가지는 GaN 및 InGaN 층들의 교대로 형성될 수 있는데, InGAN 층들은 35% ± 5%의 In 조성비를 가진다.
도 1 및 2에 개시된 실시예에서, 각 발광다이오드(LED)에 대해 도전층(26)이 쉘(24)의 하부를 덮고, 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)이 쉘(24)의 상부를 덮는다. 이에 따라 도전층(26)은 발광다이오드(LED)로부터 방출되는 방사를 차단할 수 있다. 이와는 달리, 도전층(26)이 어망형(fishnet-like)의 패턴을 가져 전체 쉘(24) 상에 연장되고, 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)이 도전층(26)의 구멍(hole)들 내에서 쉘(24)을 덮으며 도전층(26) 상에 연장될 수 있다. 이는 얇은 Ni 층을 어닐링(annealing)하여 자기 조립(self-assembled) 마스크를 형성하는 자기 조립 마스킹 기법을 통하거나 T1O2 또는 S1O2 나노입자(nanosphere)를 사용하여 이뤄질 수 있다. 다른 실시예에서는, 도전층(26)이 발광다이오드(LED)에 의해 방출되는 방사에 대해 투명한 물질로 구성되어, 도전층(26)이 전체 쉘(24)을 덮고 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)이 도전층(26)을 덮는다.
도 4 및 5는 발광다이오드들을 구비하는 광전자장치(50)의 다른 실시예의 직교 평면들에서의 부분 개략 단면도들이다. 광전자장치(50)는 도 1에 도시된 광전자장치(5)와 동일한 요소들을 구비하고 절연층(18)으로부터 보호층(30) 내로 연장되는 벽(52)들을 더 구비한다. 벽(52)들은 보호층(30) 내에 부분(54)들을 획정(delimit)한다. 한 실시예에서, 각 부분(54)은 적어도 하나의 발광다이오드(LED), 바람직하기로 단지 하나의 발광다이오드(LED)를 포함한다. 한 실시예에 따르면, 벽(52)들이 격자(grid)를 형성하여 부분(54)들이 열과 행들로 배열된다. 도 5에서 부분(54)들은 정사각형 형상을 가진다. 그러나 부분(54)들의 형상은 다를 수 있다.
벽(52)들은 인접 부화소(Pix)들 사이의 누화(crosstalk)를 저감시킨다. 한 실시예에 따르면, 벽(52)들은 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)에 의해 방출된 파장들에 대한 반사 물질로 구성되거나 반사 코팅으로 덮인다. 벽(52)들은 예를 들어 알루미늄, 은, 실리콘, 또는 아연 등의 금속과 같은 도전 물질로 구성될 수 있다. 표면(14)에 직교하는 방향으로 측정한 벽(52)의 높이는 1 μm 내지 200 μm, 바람직하기로 5 μm 내지 30 μm의 범위이다. 표면(14)에 평행한 방향으로 측정한 벽(52)의 두께는 100 nm 내지 50 μm, 바람직하기로 1 μm 내지 10 μm의 범위이다. 도 5의 관점에서, 각 부분(54)의 면적은 1 μm 내지 100 μm, 바람직하기로 3 μm 내지 15 μm 범위의 측변을 가지는 정사각형의 면적이 된다.
도 6은 발광다이오드들을 구비하는 광전자 장치(55)의 다른 실시예의 부분 개략 단면도이다. 광전자장치(55)는 도 1에 도시된 광전자장치(5)와 동일한 요소들을 구비하는데, 차이는 각 발광다이오드(LED)에 대해 쉘(24)이 와이어(22)의 상면(top face)에 존재하지 않고 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)이 와이어(22)의 상면(upper face)만을 덮으며 도전층(26)이 쉘(24)의 하부에서 상부까지 쉘(24)의 측면들을 전체적으로 덮는 것이다. 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)은 반도체 층들의 스택이 될 수 있는데, 스택의 조성은 예를 들어 특히 도 3에 전술한 바와 동일할 수 있으며, 차이는 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)의 층들이 와이어(22)의 축에 거의 직교하여 적층(stacking) 방향이 와이어(22)의 축을 따르도록 와이어(22)의 상면 위에만 연장되는 것이다.
예를 들어 의도적 도펀트 없이 와이어(22)와 동일한 물질로 구성되고 1 nm 내지 5 μm의 두께를 가지는 도시되지 않은 중간층이 쉘(24)과 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B) 사이에 구비되어 전류의 누설을 방지할 수 있다. 발광다이오드(LED)에 의해 방출된 방사에 대한 도파 층(guide wave)로 작용하는 도전층(26)의 두께는 바람직하기로 500 nm 내지 5 μm의 범위이다.
도 7은 발광다이오드들을 구비하는 광전자장치(60)의 다른 실시예의 부분 개략 단면도이다. 광전자장치(60)는 도 6에 도시된 광전자장치(55)와 동일한 요소들을 구비하고, 각 발광다이오드(LED)에 대해 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)에 의해 방출된 방사의 파장에 대해 반사성인, 도전층(26)을 덮는 코팅(62)을 더 구비한다. 코팅(62)은 예를 들어 알루미늄, 은, 동, 또는 아연 등의 금속 같은 도전 물질로 구성될 수 있다. 코팅(62)의 두께는 100 nm 내지 50 μm, 바람직하기로 1 μm 내지 10 μm의 범위이다. 코팅(62)은 인접 부화소(Pix)들 간의 누화를 저감시킨다. 코팅(62)의 존재는 인접 와이어(22)들 사이의 거리를 단축시킬 수 있도록 한다.
한 실시예에서, 예를 들어 산화실리콘 층 등의 도시되지 않은 유전층(dielectric layer)이 각 발광다이오드(LED)에 대해 도전층(26)과 코팅(62) 사이에 구비될 수 있다.
중간 유전층은 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)에 의해 방출된 방사의 반사를 강화하여 손실을 저감시킨다.
도 1에 도시된 광전자장치(5)를 제조하는 방법의 한 실시예가 도 8a내지 8e에 관련하여 설명될 것이다.
도 8a는 다음 단계들을 실행한 이후 얻어진 구조를 도시하는데:
(1) 기판(10)의 표면(14) 상에 시드 층(16)을 형성하는 단계.
시드 층(16)은 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 또는 금속-유기 기상 증착 에피택시(metal-organic vapor phase epitaxy; MOVPE)로도 알려진 금속-유기 화학적 기상 증착(metal-organic chemical vapor deposition; MOCVD) 방법으로 적층될 수 있다. 그러나 분자선 에피택시(molecular-beam epitaxy; MBE), 가스원(gas-source) MBE(GSMBE), 금속-유기 MBE(MOMBE). 플라즈마 지원(plasma-assisted) MBE(PAMBE), 원자층 에피택시(atomic layer epitaxy; ALE), 하이드라이드 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy; HVPE), 또는 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 방법이 사용될 수 있다. 또한 기화 또는 반응성 음극 스퍼터링(evaporation or reactive cathode sputtering) 등의 방법도 사용될 수 있다.
시드 층(16)이 질화알루미늄으로 구성되면 거의 표면 처리되고(texture) 원하는 극성(preferred polarity)을 가질 것이다. 층(16)의 표면처리(texturing)는 시드 층의 적층 후 수행되는 추가적 처리에 의해 이뤄질 수 있다. 이 처리는 예를 들어 암모니아(NH3) 흐름 하에서의 어닐링이다.
(2) 예를 들어 등방성 적층(conformal deposition), 특히 CVD에 의해 절연층(18)을 적층하는 단계.
(3) 절연층(18)에 개구(20)들을 형성하는 단계. 이는 반응성 이온 식각(RIE) 또는 유도결합(inductively coupled) 플라즈마 또는 ICP 식각 등의 이방성 식각(anistropic etching)이 될 수 있다.
도 8b는 다음 단계 이후 얻어진 구조를 보이는데:
(4) 각 개구(20) 내에 와이어(22)를 성장시키는 단계.
와이어(22)를 성장시키는 방법은 CVD, MOCVD, MBE, GSMBE, PAMBE, ALE, HVPE, ALD 방식의 방법이 될 수 있다. 또한 예를 들어 화학 욕 적층(chemical bath deposition; CBD), 열수 법(hydrothermal method)들, 액체공급 화염 분사 열분해(liquid-feed flame spray pyrolysis), 또는 전착(electrodeposition) 등의 전기화학적(electrochemical) 방법들도 사용될 수 있다.
예를 들어, 와이어(22)를 성장시키는 방법은 반응용기(reactor) 내에 III족 원소의 전구체(precursor) 또는 V족 원소의 전구체를 주입(inject)하는 단계를 포함할 수 있다.
도 8c는 다음 단계들을 실행한 이후 얻어진 구조를 보이는데:
(5) 에피택시에 의해 각 와이어(22)에 대해 쉘(24)을 형성할 층들을 형성하는 단계. 쉘(24)을 형성할 층들의 적층은 개구(20) 외측의 와이어(22)와 절연층(18)의 일부 상에만 이뤄진다.
쉘로 덮인 와이어를 구비하는 발광다이오드(LED)를 제조하는 방법의 예는 특허출원 제US2015/0280053호에 개시되어 있다.
도 8d는 다음 단계들을 실행한 이후 얻어진 구조를 보이는데:
(6) 쉘(24)의 상부 상에 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)을 형성하는 단계.
광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)을 성장시키는 방법은 CVD, MOCVD, MBE, GSMBE, PAMBE, ALE, HVPE, ALD 방식의 방법이 될 수 있다. 또한 예를 들어 화학 욕 적층(CBD), 열수 법들, 액체공급 화염 분사 열분해, 또는 전착 등의 전기화학적 방법들도 사용될 수 있다.
한 실시예에서, 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)의 형성 단계는 전체 구조 상에 마스크 층을 적층하고, 마스크 층을 식각하여 쉘(24)의 상부를 노출시키며, 층의 노출된 부분에 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)을 형성하고 마스크 층을 제거(withdrawal)하는 단계를 포함할 수 있다.
도 8e는 다음 단계들을 실행한 이후 얻어진 구조를 보이는데:
(7) 각 발광다이오드(LED)에 대해 예를 들어 등방성 적층으로 도전층(26)을 식각하고 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)을 덮는 도전층의 부분들을 식각하는 단계. 도 8e 및 도 8d의 단계는 호환될 수 있음에 주목해야 한다. 이에 따라 도전층이 먼저 형성된 다음, 광발광성 코팅의 형성이 후속될 수도 있다.
다른 실시예에서는 단계 (7)이 단계 (6) 이전에 수행될 수 있다.
광전자장치(5)를 제조하는 방법의 후속 단계들은 다음과 같은데:
(8) 보호층(30)을 형성하는 단계. 보호층(30)이 실리콘으로 구성되는 경우, 보호층(30)은 스핀 코팅(spin coating), 제트 인쇄, 또는 실크 스크린 인쇄 방법으로 적층될 수 있다. 보호층(30)이 산화물인 경우, 이는 CVD로 적층될 수 있다.
(9) 필터(32)를 형성하는 단계.
도 6에 도시된 광전자장치(55)를 제조하는 방법의 한 실시예를 도 9a 내지 9d에 관련하여 설명한다.
도 9a는 전술한 단계 (1), (2), (3), (4), 및 (5)들을 실행한 이후 얻어진 구조를 보인다.
도 9b는 다음 단계들을 실행한 이후 얻어진 구조를 보이는데:
(6') 각 발광다이오드(LED)에 대해 예를 들어 등방성 적층에 의해 전체적인 쉘(24) 상과 쉘(24) 둘레의 절연층(18) 상에 도전층(26)을 형성하는 단계.
도 9c는 다음 단계들을 실행한 이후 얻어진 구조를 보이는데:
(7 ') 각 발광다이오드(LED)에 대해 와이어(22) 상부의 도전층(26)과 쉘(24)을 제거하여 와이어(22)의 상면을 노출시키는 단계. 이는 ICP 식각 또는 화학적 기계적 연마(chemical-mechanical planarization; CMP)에 의해 수행될 수 있다.
도 9d는 다음 단계들을 실행한 이후 얻어진 구조를 보이는데:
(8') 와이어(22)의 상부에 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)을 형성하는 단계로, 여기서 적층 방향은 와이어(22)의 축을 따른다.
와이어들의 코팅(28R, 28G, 28B)을 성장시키는 방법은 CVD, MOCVD, MBE, GSMBE, PAMBE, ALE, HVPE, ALD 방식의 방법이 될 수 있다. 또한 예를 들어 화학 욕 적층(CBD), 열수 법들, 액체공급 화염 분사 열분해, 또는 전착 등의 전기화학적 방법들도 사용될 수 있다.
광전자장치(55)를 제조하는 방법의 후속 단계들은 전술한 단계 (8) 및 (9)를 포함한다.
도 10은 도전층(26)이 적어도, 예를 들어 P형 등의 제1 도전형으로 매우 고농도 도핑된 반도체 층(64)과 예를 들어 N형 등 제1 도전형에 반대되는 제2 도전형으로 매우 고농도 도핑된 제2 반도체 층(66)의 스택을 포함하는 터널 접합(tunnel-junction) 구조를 가지는, 발광다이오드들의 도전층(26)의 다른 실시예에 대한 도 3과 매우 유사한 도면이다. 쉘(24)과 접촉하는 층(64)은 쉘(24)의 외층(outer layer)과 동일한 도전형의 도펀트들을 가진다. 층(64)의 도펀트 농도는 1019 atoms/cm3, 바람직하기로 1020 atoms/cm3보다 높다. 층(64)의 두께는 10 nm 내지 100 nm의 범위이다. 층(66)의 도펀트 농도는 1019 atoms/cm3, 바람직하기로 1020 atoms/cm3보다 높다. 층(66)의 두께는 10 nm보다 커서, 예를 들어 10 nm 내지 100 nm의 범위이다. 이와 같이 층(64)과 층(66) 사이에 터널 접합이 얻어진다. 전기 전하들은 층(64)과 쉘(24) 사이를 터널 효과에 의해 흐를 수 있다. 한 실시예에 따르면, 쉘(24)의 외층이 전술한 층(38)이 되는 경우, 층(38, 64)들은 병합될 수 있다.
(이상에서) 특정한 실시예들이 설명되었다. 당업계에 통상의 기술을 가진 자라면 여러 가지 변형과 변형을 할 수 있을 것이다. 특히 전술한 실시예들에서는 벽(52)들이 표면(14)에 거의 직교하는 측면들을 가지지만 벽(52)들의 측면은 예를 들어 표면(14)에 대해 경사되는 등의 형상을 가질 수 있다.
뿐만 아니라, 다양한 변형예들을 가지는 몇 가지 실시예들을 설명하였다. 이 실시예들과 변형예들의 일부 요소들은 조합될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 관련하여 전술한 광전자장치(55)는 도 4에 관련하여 전술한 벽(52)들을 구비할 수 있다.

Claims (14)

  1. 각 발광다이오드(LED)가 나노와이어, 마이크로와이어, 및/또는 나노미터 또는 마이크로미터 범위의 피라미드형 구조에 대응하는 반도체 소자(22)를 포함하며, 쉘(24)이 적어도 부분적으로 상기 반도체 소자를 덮으며 방사를 방출하도록 구성된, 발광다이오드들과; 그리고
    상기 각 발광다이오드에 대해, 단일한 양자 우물, 복수의 양자 우물(44)들 또는 헤테로 구조를 포함하고, 상기 쉘의 적어도 일부를 덮어 상기 쉘 또는 상기 반도체 소자와 접촉하며, 광펌핑에 의해 상기 쉘에 의해 방출된 방사를 다른 방사로 변환하도록 구성된 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)을
    구비하는 광전자장치(5; 55; 60).
  2. 청구항 1에서,
    상기 발광다이오드(LED)들이 제1 파장의 제1 방사를 방출하도록 구성되고, 상기 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)이, 광펌핑에 의해 상기 제1 방사를 제2 파장의 제2 방사로 변환하도록 구성된 제1 광발광성 코팅(28B)과, 광펌핑에 의해 상기 제1 방사를 제3 파장의 제3 방사로 변환하도록 구성된 제2 광발광성 코팅(28G)과, 광펌핑에 의해 상기 제1 방사를 제4 파장의 제4 방사로 변환하도록 구성된 제3 광발광성 코팅(28R)을 구비하는 광전자장치.
  3. 청구항 1 또는 2에서,
    상기 각 반도체 소자(22)가 측면들과 상면을 포함하고,
    상기 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)과 쉘(24)이 상기 반도체 소자들의 상기 측면들과 상기 상면들을 덮는 광전자장치.
  4. 청구항 1 또는 2에서,
    상기 각 반도체 소자(22)가 측면들과 상면을 포함하고,
    상기 쉘(24)이 상기 반도체 소자들의 상기 측면들을 덮고 상기 반도체 소자들의 상기 상면들을 덮지 않으며,
    상기 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)들이 상기 반도체 소자들의 상기 상면들을 덮으며 상기 반도체 소자들의 상기 측면들을 덮지 않는 광전자장치.
  5. 청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에서,
    각 발광다이오드(LED)에 대해, 상기 쉘(24)과 접촉하는 전기적 도전층(26)을 구비하는 광전자장치.
  6. 청구항 5에서,
    각 발광다이오드(LED)에 대해, 상기 도전층(26)이 반사층(62)으로 덮이는 광전자장치.
  7. 청구항 5 또는 6에서,
    상기 도전층(26)이 터널 접합 구조를 포함하는 광전자장치.
  8. 청구항 2 또는, 청구항 2를 인용할 때 청구항 3 내지 7 중의 어느 한 항에서,
    상기 기판(10) 상에 안착되고, 적어도 상기 제2, 제3 및 제4 방사에 대한 반사 물질로 적어도 부분적으로 형성되며, 상기 발광다이오드(LED)들을 둘러싸는, 벽(52)들을 더 구비하는 광전자장치.
  9. 청구항 2 또는, 청구항 2를 인용할 때 청구항 3 내지 8 중의 어느 한 항에서,
    상기 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)들을 덮어 상기 제1 방사를 차단하고 상기 제2, 제3, 및 제4 방사들을 통과시키는 필터(32)를 더 구비하는 광전자장치.
  10. 청구항 2 또는, 청구항 2를 인용할 때 청구항 3 내지 9 중의 어느 한 항에서,
    상기 제1 파장이 360 nm 내지 430 nm의 범위이고,
    상기 제2 파장이 440 nm 내지 490 nm의 범위이며,
    상기 제3 파장이 510 nm 내지 570 nm의 범위이고, 그리고
    상기 제4 파장이 610 nm 내지 720 nm의 범위인 광전자장치.
  11. 청구항 2 또는, 청구항 2를 인용할 때 청구항 3 내지 10 중의 어느 한 항에서,
    상기 광발광성 코팅들이, 광펌핑에 의해 상기 제1 방사를 제5 파장의 제5 방사로 변환시키도록 구성된 제4 광발광성 코팅을 더 구비하는 광전자장치.
  12. 청구항 11에서,
    상기 제5 파장이 570 nm 내지 600 nm의 범위인 광전자장치.
  13. 청구항 1 내지 12 중의 어느 한 항에 따른 광전자장치(5; 55; 60)를 제조하는 방법으로:
    a) 상기 발광다이오드(LED)들을 형성하는 단계와; 그리고
    b) 상기 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)을 형성하는 단계의
    연속적인 단계들을 구비하는 광전자장치의 제조 방법.
  14. 청구항 13에서,
    상기 단계 b) 이전에, 상기 쉘(24)들을 덮는 전기적 도전층(26)을 형성하는 단계와, 그리고 상기 단계 b) 이전에, 상기 반도체 소자(22)들 상부에서 상기 도전층들과 쉘(24)들을 제거하는 단계 및 상기 반도체 소자들의 상부에 상기 광발광성 코팅(28R, 28G, 28B)을 형성하는 단계를 구비하는 광전자장치의 제조 방법.
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