KR20220153076A - 마이크로 led 장치 - Google Patents

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KR20220153076A
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micro led
light
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사밀 미주어리
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플레세이 세미컨덕터스 리미티드
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Abstract

LED의 발광 효율을 개선하기 위한 마이크로 LED 장치에 관한 것이다. 마이크로 LED는 오목부를 포함하는 메사 구조 및 상기 오목부에 제공된 반도체 재료를 포함하고, 반도체 재료는, 메사 구조에 인접한 제1 면, 제1 면의 반대측인 제2 면, 및 전류 인가에 응답하여 발광하도록 구성된 발광 영역을 포함한다. 제2 면은 볼록면을 포함한다. 발광 영역에 의해 방출되어 볼록면에 입사하는 광은, 볼록면의 법선에 대한 입사각이 임계각보다 작으면 볼록면을 통해 투과되고, 볼록면을 통한 투과 시 굴절된다. 발광 영역은 볼록면의 초점면에 근접하여 위치한다. 발광 영역의 면적은 발광 영역에 평행한 평면에 있어서 볼록면의 단면적보다 작다.

Description

마이크로 LED 장치
본 개시내용은 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 LED의 발광 효율을 개선하는 방법에 관한 것이다.
LED는 전기 에너지를 광학 에너지로 변환한다. 반도체 LED에서, 이것은 일반적으로 n-도핑된 반도체 층의 전자와 p-도핑된 반도체 층의 정공의 재결합이 발생할 때 전자-정공 천이를 통해 발생한다. 활성 영역은 주요 발광이 일어나는 영역이다. LED의 양자 우물에서 생성된 광은 모든 방향으로 방출되지만, LED 재료의 경계에서의 굴절률의 변화는, 입사각이 임계각 범위 내에 있는 방출 광선만이 방출될 수 있음을 의미한다(그러나, 방출 광선의 일부는 각도 변화에 따른 작은 프레넬 손실로 인해 여전히 손실된다). 입사각이 이러한 탈출 범위를 벗어나면, 내부 전반사가 발생한다.
기존의 직육면체 LED에서는, 대부분의 방출된 광이 탈출을 위한 임계각 밖에 있기 때문에, 방출된 광선의 경로 길이가 길어서, 흡수율이 높다. 예를 들어, 마이크로 LED 어레이를 사용하여 장치 내의 경로 길이를 감소시킴으로써 열로서의 광선의 흡수를 감소시킬 수 있다. 이는, 발광 영역이 통상적으로 광 생성을 최대화하는 데 사용되는 큰 전극보다 지점 소스에 더 가깝다는 효과도 있다. 표면 상의 모든 지점이 모든 방향으로 방출되는 광을 생성하므로, 이는 광범위한 소스를 제공하며, 따라서 외부 광학 장치를 사용하여 방출된 광을 수렴하는 것은 효과적으로 수행될 수 없다. 마이크로 LED의 치수를 감소시키면, 방출 영역을 지점 소스에 더 가깝게 배치함으로써 이를 개선하지만, 방출되는 광의 양과 광속도 감소시킨다. 많은 마이크로 LED는 외부 양자 효율이 최대값인 전류 밀도보다 훨씬 낮은 전류 밀도로 동작한다. 따라서, 광학 효율을 증가시키고 양호한 동작 전류 밀도를 유지해야 할 필요가 있다.
일부 LED는, LED를 탈출하는 광자의 비율에 따른 발광 효율로 공기로 방출된다. 기판 재료의 굴절률은 일반적으로 공기의 굴절률보다 훨씬 높아서, 출사면의 법선에 가까운 광만이 탈출할 수 있다. 종종, LED는 투영 렌즈와 같은 집광 장치에 결합되며, 이 경우 탈출된 광이 발산하므로 LED를 탈출한 광을 포착하는 데 추가 손실이 있다. 이어서, 발광 효율은 LED를 탈출하는 광자의 비율 및 집광 장치에 의해 포착된 이러한 탈출한 광자의 비율 모두에 따라 달라진다. 탈출한 광자를 포착하는 효율은, 집광각(이용가능한 광자의 적어도 절반이 집광 장치에 의해 포착되는 입체각)에 비교되는 발산 광각(방출된 광의 1/2 출력 빔 폭에 의해 형성되는 입체각)의 크기에 따라 달라진다. LED는 120도의 반치전폭(full width half maximum; FWHM)을 갖는 램버시안(Lambertian) 방출에 가까운 각도 분포로 광을 방출한다. 렌즈의 수용 각도는 렌즈의 F 값(F number)에 의해 결정되며, 이러한 F 값은 통상적인 투영 렌즈의 경우 F/2.5 또는 F/3이어서 각각 11.3° 및 9.5°의 수용 각도를 제공할 수 있다. 램버시안 LED에 의해 방출되는 광의 2.7%만이 ±9.5° 내에 있으므로, 97.3%의 광이 손실된다. LED로부터의 발광 효율을 증가시키고 방출된 광을 시준해야 할 필요가 분명히 존재한다.
발광 효율을 향상시키는 데 사용되는 방안은, LED 표면에 무작위 나노텍스처링을 도입하는 것으로서, 광의 파장 규모에 따른 특성으로 인해 광의 무질서한 거동과 발광 효율이 증가한다(Applied Physics Letters 63, 1993, pp. 2174-2176). 유사하게, 광 파장 차수의 주기적 또는 비주기적 패턴이 LED의 방출면 또는 내부 계면에 도입될 수 있으며, 간섭 효과가 광 추출을 증가시킨다(U.S. Pat. No. 5,779,924 A 및 U.S. Pat. No. 6,831,302 B1). 그러나, 거칠기로 인해 광이 탈출하기 전에 다수의 내부 반사가 발생하여, 손실이 발생한다.
시준을 달성하는 것은 일반적으로 이차 광학 요소에 의존하며, 이러한 광학 요소는 종종 각 마이크로 렌즈가 방출된 광을 시준하기 위해 개별 마이크로 LED와 정렬되는 마이크로 렌즈 어레이로 이루어진다(예를 들어, US2009115970, US2007146655 및 US2009050905 A1). 이들 광학 요소는 LED 어레이와 정확하게 정렬되어야 한다.
LED의 측벽을 성형하면, 제조가 개선될 수 있고 광 추출이 증가될 수 있다(예를 들어, 미국 특허 7,598,149 B2). 메사를 에칭하여 활성층이 안착되는 포물선 메사 구조를 형성하는 것도 방출된 광을 시준할 수 있다(US2015236201 A1 및 US2017271557 A1). 광은 메사의 내면으로부터 반사되고 메사와 반대되는 방출면으로부터 LED 밖으로 반사된다. 이 방법은 활성층을 손상시길 위험이 있으며, 메사의 에칭 시 매끄러운 마무리를 얻기 어려워, 활성층의 메사 면에 거칠기가 생겨 가능한 시준 정도를 감소시킨다.
본 개시내용의 목적은 이차 광학 장치의 정렬 또는 복잡하고 값비싼 제조를 필요로 하지 않는 시준을 달성하기 위한 더 저렴하고 간단한 방법을 제공하는 것이다. 에칭은 종래의 포토리소그래피 기술로 수행될 수 있으며, 메사를 에칭하는 대신 LED 재료에 볼록 렌즈를 에칭함으로써, 활성층의 손상을 피할 수 있고 시준 정도가 개선될 수 있다.
이러한 배경에 대해, 이하를 제공한다.
마이크로 LED로서,
오목부를 포함하는 메사 구조; 및
메사 구조에 인접한 제1 면, 제1 면의 반대측인 제2 면, 및 전류 인가에 응답하여 발광하도록 구성된 발광 영역을 포함하는, 오목부에 제공된 반도체 재료를 포함하고,
제2 면은 볼록면을 포함하고,
발광 영역에 의해 방출되어 볼록면에 입사하는 광은, 볼록면의 법선에 대한 입사각이 임계각보다 작으면 볼록면을 통해 투과되고, 볼록면을 통한 투과 시 굴절되며,
발광 영역은 볼록면의 초점면에 근접하여 위치하고,
발광 영역의 면적은 발광 영역에 평행한 평면에 있어서 볼록면의 단면적보다 작다.
이러한 방식으로, 방출된 광의 굴절로 인해 좁은 시준 광 빔을 달성함으로써 집광 장치에 결합된 마이크로 LED의 전체 효율을 증가시킬 수 있다.
발광 영역으로부터 볼록면의 초점면까지의 거리는 볼록면의 초점 거리의 35% 미만일 수 있다.
발광 영역으로부터 볼록면의 초점면까지의 거리는 바람직하게 25% 미만, 또는 더욱 바람직하게 10% 미만일 수 있다.
유리하게, 발광 영역은 볼록면의 초점면에 근접하여, 볼록면을 통해 투과된 광이 렌즈의 중심축과 평행에 가깝게 굴절된다.
발광 영역의 면적은 볼록면의 단면적의 20% 미만일 수 있다.
발광 영역의 면적은 바람직하게 볼록면의 단면적의 10%, 또는 더욱 바람직하게 볼록면의 단면적의 5% 미만일 수 있다.
유리하게, 발광 영역은 볼록면의 단면적보다 작아서, 볼록면을 투과하는 발광 영역의 에지로부터 방출되는 광이 볼록면의 중심축과 평행에 가깝게 굴절된다.
발광 영역에 의해 방출되며 볼록면을 투과하는 광의 반치전폭은 60도 미만일 수 있다.
발광 영역에 의해 방출되며 볼록면을 투과하는 광의 반치전폭은 바람직하게 45도 미만, 더욱 바람직하게는 30도 미만, 더욱더 바람직하게는 25도 미만일 수 있다.
마이크로 LED로부터 방출되는 더 좁은 광 빔은, 주어진 수용 각도로 집광 장치에 의해 포착되는 광 빔의 비율을 증가시켜 마이크로 LED의 전체 효율을 증가시킨다.
선택적으로, 볼록면의 단면은 원형일 수 있다.
볼록면의 곡률 반경은 볼록면의 가장 넓은 부분의 단면 반경보다 클 수 있다.
유리하게, 제작의 용이함을 위해, 볼록면은 반구형이거나 반구형보다 작아야 한다.
발광 영역의 중심축은 볼록면의 중심축에 대하여 정렬될 수 있다.
유리하게, 발광 영역을 볼록면의 중심축과 정렬함으로써, 보다 균일한 광 빔이 생성된다.
선택적으로, 메사 구조와 반도체 재료 사이에 반사성 금속 층이 있을 수 있다.
이러한 방식으로, 볼록면에 입사하지 않는 발광 영역으로부터 방출된 광이 반사면에서 반사되고 후속하여 볼록면에 입사할 수 있으므로, 효율이 증가한다.
발광 영역은 볼록면보다 메사 구조에 더 가까울 수 있다.
유리하게, 그래서 발광 영역은 볼록면의 초점면에 더 가깝다.
복수의 마이크로 LED가 어레이로 배열될 수 있다.
마이크로 LED는 행과 열로 배열될 수 있다.
이러한 방식으로, 마이크로 LED는 고해상도 디스플레이를 형성할 수 있다.
전류는, 반도체 재료의 제1 면에 인접한 제1 전극 및 반도체 재료의 제2 면에 인접한 제2 전극을 사용하여 인가될 수 있다.
제1 전극의 중심축은 볼록면의 중심축에 대하여 정렬될 수 있다.
이러한 방식으로, 발광 영역의 중심축은 볼록면의 중심축에 대하여 정렬된다.
발광 영역의 반경은 제1 전극의 반경에 의해 정의될 수 있다.
유리하게, 발광 영역은 시준을 증가시키고 에지 효과를 피하도록 작을 수 있다.
제1 전극의 면적은 볼록면의 단면적의 20% 미만일 수 있다.
제1 전극의 면적은, 바람직하게 볼록면의 단면적의 10% 미만, 더욱 바람직하게는 볼록면의 단면적의 5% 미만일 수 있다.
유리하게, 전극과 이에 따른 발광 영역은 볼록면의 단면적보다 작아서, 발광 영역의 에지로부터 방출되며 볼록면을 투과하는 광은 렌즈의 중심축과 평행에 가깝게 굴절된다.
이제, 본 개시내용의 특정 실시예를 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 설명한다.
도 1은 본 개시내용에 따라 마이크로 LED의 단면의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 개시내용에 따라 방출된 광의 광선 추적이 있는 마이크로 LED의 단면의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따라 마이크로 LED 어레이의 단면의 개략도를 도시한다.
도 4a는 본 개시내용의 실시예에 따라 마이크로 LED 어레이의 개략적인 사시도를 도시한다.
도 4b는 본 개시내용의 실시예에 따라 마이크로 LED 어레이의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 5a는 볼록 렌즈의 중심에 발광 영역이 있는 마이크로 LED의 광선 추적이 있는 개략적인 단면도를 도시한다.
도 5b는 본 개시내용의 실시예에 따라 볼록 렌즈의 초점면에 발광 영역을 갖는 마이크로 LED의 광선 추적이 있는 개략적인 단면도를 도시한다.
도 6a는 본 개시내용의 실시예에 따라 볼록 렌즈의 초점면에 발광 영역을 갖는 마이크로 LED의 광선 추적이 있는 개략적인 단면도를 도시한다.
도 6b는 볼록 렌즈의 초점면에 도 6a의 것보다 큰 특성 치수를 갖는 발광 영역을 갖는 마이크로 LED의 광선 추적이 있는 개략적인 단면도를 도시한다.
도 7a는, 반경 2 ㎛의 발광 영역과 8 ㎛의 피치를 갖는 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로 LED에 있어서 추출된 광의 반치전폭에 대하여, 곡률 반경 대 렌즈 높이의 비를 가변하는 효과를 도시한다.
도 7b는, 반경 2 ㎛의 발광 영역과 8 ㎛의 피치를 갖는 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로 LED에 있어서 광 추출 효율에 대하여, 곡률 반경 대 렌즈 높이의 비를 가변하는 효과를 도시한다.
도 7c는, 반경 2 ㎛의 발광 영역과 8 ㎛의 피치를 갖는 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로 LED에 있어서 F/1 렌즈와의 결합 효율에 대하여, 곡률 반경 대 렌즈 높이의 비를 가변하는 효과를 도시한다.
도 7d는, 반경 2 ㎛의 발광 영역과 8 ㎛의 피치를 갖는 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로 LED에 있어서 F/2 렌즈와의 결합 효율에 대하여, 곡률 반경 대 렌즈 높이의 비를 가변하는 효과를 도시한다.
도 7e는, 반경 2 ㎛의 발광 영역과 8 ㎛의 피치를 갖는 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로 LED에 있어서 F/3 렌즈와의 결합 효율에 대하여, 곡률 반경 대 렌즈 높이의 비를 가변하는 효과를 도시한다.
도 8a는, 8 ㎛의 피치를 갖는 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로 LED에 있어서 추출된 광의 반치전폭에 대하여, 렌즈의 곡률 반경과 발광 영역의 크기 모두를 가변하는 효과를 도시한다.
도 8b는, 8 ㎛의 피치를 갖는 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로 LED에 있어서 광 추출 효율에 대하여, 렌즈의 곡률 반경과 발광 영역의 크기 모두를 가변하는 효과를 도시한다.
도 8c는, 8 ㎛의 피치를 갖는 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로 LED에 있어서 F/1 렌즈와의 결합 효율에 대하여, 렌즈의 곡률 반경과 발광 영역의 크기 모두를 가변하는 효과를 도시한다.
도 8d는, 8 ㎛의 피치를 갖는 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로 LED에 있어서 F/2 렌즈와의 결합 효율에 대하여, 렌즈의 곡률 반경과 발광 영역의 크기 모두를 가변하는 효과를 도시한다.
도 8e는, 8 ㎛의 피치를 갖는 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로 LED에 있어서 F/3 렌즈와의 결합 효율에 대하여, 렌즈의 곡률 반경과 발광 영역의 크기 모두를 가변하는 효과를 도시한다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따라 마이크로 LED 어레이의 측면도의 현미경 이미지를 도시한다.
본 개시내용의 일 실시예에 따르면, 마이크로 LED(100)를 제공한다. 도 1을 참조하면, 마이크로 LED(100)는 제1 면 상에 오목부(111)를 갖는 메사 기판(110)을 포함한다. 메사 기판(110)의 제1 면 상에는 반도체 재료(120)가 제공된다. 반도체 재료(120)는 메사 기판(110)에 인접한 제1 면(121) 및 제1 면(121)의 반대측인 제2 면(122)을 포함한다.
반도체 재료(120)는 제1 도핑 영역(123) 및 제2 도핑 영역(124)을 더 포함한다. 제1 도핑 영역(123)과 제2 도핑 영역(124) 사이의 계면(125)은 전류가 인가될 때 발광하도록 구성된다. 계면(125)은 반도체 재료(120)의 제2 면(122)보다 제1 면(121)에 더 가깝다. 전류를 인가하기 위한 전극(130, 140)은 반도체 재료(120)의 외측인 반도체 재료(120)의 양측에 제공된다. 전극(130)은, 메사 기판(110)과 반도체 재료(120) 사이에 위치하며 반도체 재료(120)의 제1 면(121) 상에 제공된다. 전극(130)의 중심축은 메사 기판(110)의 오목부(111)의 중심축과 정렬된다. 전극(140)은 반도체 재료(120)의 제2 면(122) 상에 제공된다.
전극(130, 140)에 전류가 인가되면, 계면(125) 중 발광하는 부분은 전극(130)에 가장 가까운 부분이고, 발광 영역(126)에 의해 주어진다. 전극(130)의 크기 및 형상은 발광 영역(126)의 크기 및 형상을 정의한다. 따라서, 발광 영역(126)의 특성 치수는 전극(130)의 특성 치수에 의해 정의된다. 전극(130)이 원형인 실시예에서, 특성 치수는 원형 전극의 직경일 수 있다.
반도체 재료(120)의 제2 면(122)은 볼록면(127)을 포함한다. 볼록면(127)의 중심축은 오목부(111)의 중심축과 정렬될 수 있다. 발광 영역(126)의 중심축은 볼록면(127)의 중심축과 정렬될 수 있고, 발광 영역(126)의 특성 치수는 볼록면(127)의 가장 넓은 치수보다 작을 수 있다.
도 2를 참조하면, 발광 영역(126)은 전극(130, 140)에 전류가 인가될 때 광선(210)을 방출하도록 구성된다. 광선은 발광 영역(126) 전체에서 방출되지만, 도 2에서는 설명의 명확성을 위해 단일 지점에서만 방출되는 3개의 예시적인 광선(210)만을 도시하고 있다. 예시적인 광선(210)은 볼록면(127)에 입사하고 광선(220)으로서 투과된다.
본 개시내용의 실시예는 어레이로 배열된 복수의 마이크로 LED(100)를 포함할 수 있다. 어레이(300)의 일부 단면의 개략도가 도 3에 도시되어 있다. 본 실시예에서, 메사 기판(110)은 제1 면 상에 복수의 오목부(111)를 갖는다. 반도체 재료(120)는 메사 기판(110)의 제1 면 상에 제공된다. 반도체 재료(120)는, 메사 기판(110)에 인접한 제1 면(121) 및 제1 면(121)의 반대측인 제2 면(122)을 포함한다. 단일 오목부(111)에 연관된 반도체 재료(120)와 구조는 단일 마이크로 LED(100)를 포함한다.
각 오목부(111) 내에서, 반도체 재료(120)는 제1 도핑 영역(123) 및 제2 도핑 영역(124)을 더 포함한다. 제1 도핑 영역(123)과 제2 도핑 영역(124) 사이의 계면(125)은 전류가 인가될 때 발광하도록 구성된다. 전류를 인가하기 위한 전극(130, 140)은 반도체 재료(120)의 외측인 반도체 재료(120)의 양측에 제공된다. 전극(130)은, 반도체 재료(120)의 제1 면(121) 상에 제공되며, 메사 기판(110)과 반도체 재료(120) 사이에 위치한다. 각 전극(130)의 중심축은 메사 기판(110)에서 대응하는 오목부(111)의 중심축과 정렬될 수 있다. 전극(140)은 반도체 재료(120)의 제2 면(122) 상에 제공된다. 전극(140)은 메사 기판(110)에서 인접한 오목부들(111) 사이에서 등거리일 수 있다.
반도체 재료(120)의 제2 면(122)은 복수의 볼록면(127)을 정의하는 복수의 볼록 영역을 포함한다. 각 볼록면(127)의 중심축은 메사 기판(110)의 오목부(111)의 중심축과 정렬될 수 있다.
도 4를 참조하면, 복수의 마이크로 LED(100)를 포함하는 어레이(400)가 도시되어 있다. 도 4a는 사시도를 도시하며, 도 4b는 평면도를 도시한다. 전극 트랙(410)은 전극(140)을 포함할 수 있다. 전극 트랙(410)은 인접한 마이크로 LED들(100) 사이에서 등거리로 연장될 수 있고, 볼록면(127)은 인접한 전극 트랙들(410) 사이의 중심에 위치한다. 전극(140)은 반도체 재료(120)의 제2 면(122) 상에 제공될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 사용시, 발광 영역(126)은 전극(130, 140)을 사용하여 전류가 인가될 때 발광한다. 볼록면(127)에 입사하는 광선은 볼록면(127)의 법선에 대한 입사각이 임계각보다 작으면 투과된다. 투과된 광선(220)은 도 2에 도시되어 있다. 볼록면(127)의 법선에 대한 광선(210)의 입사각이 임계각보다 크면, 광선(210)의 내부 전반사가 발생한다(도시하지 않는다). 투과되는 방출된 광선의 비율은, 추출 효율에 기여하며, 광선(210)이 볼록면(127)에 대한 법선으로 입사할 때 최대가 되는데, 이는 광선이 굴절될 때 발생하는 프레넬 반사를 또한 감소시키기 때문이다.
마이크로 LED(100)가 집광 장치에 결합되도록 의도된 경우, 집광 장치의 허용 각도 내에 있는 투과 광선만이 포착된다. 집광 장치의 허용 각도 밖에 있는 모든 광선은 손실된다. 따라서 투과된 광선을 굴절시킴으로써 달성될 수 있는 마이크로 LED(100)의 전체 효율의 개선을 위해서는 투과 광의 시준이 필요하다.
볼록면(127)은 투과된 광선(220)이 렌즈의 중심축을 향해 굴절되도록 광선(210)을 위한 렌즈로서 작용한다. 계면(125)은, 투과된 광선(220)이 서로 평행하게 그리고 렌즈의 중심축에 평행하게 굴절되도록 볼록면(127)의 초점면에 근접하게 위치한다. 시준 및 이에 따른 포착 효율이 최대화된다.
볼록면(127)에 의해 투과되는 방출된 광의 비율과 투과된 광이 굴절되는 정도 모두는 볼록면(127)의 법선에 대한 광선(210)의 입사각에 의존한다. 따라서, 투과 및 굴절은 발광 영역(126)과 볼록면(127) 사이의 거리에도 의존한다. 도 5를 참조하면, 볼록면(127)의 단면은 점선으로서 도시된 원(510)의 호를 형성한다. 볼록면(127)의 곡률 반경에 대한 계면(125)의 위치의 효과가 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 도 5a는 방출된 광선(210)의 투과를 최대화하는 구성을 도시하는 반면, 도 5b는 투과된 광의 시준을 최대화하는 구성을 도시한다.
도 5a는 원(510)의 중심과 교차하는 계면(125)을 도시한다. 따라서, 계면(125)의 중심은 볼록면(127)의 곡률 반경과 동일한 볼록면(127)의 중심으로부터의 거리이다. 계면(125)의 중심으로부터 방출된 광선은 표면에 법선으로 볼록면(127)에 입사하여, 굴절 없이 투과된다. 모든 광선(210)이 투과되므로 방출이 최대화되지만, 광선의 시준은 없다.
도 5b는 본 개시내용의 실시예를 도시한다. 계면(125)은 볼록면(127)에 의해 정의된 렌즈의 초점면에 근접하게 위치하여, 투과된 광선(220)이 서로 평행하거나 평행에 가깝게 굴절된다. 광선(220)은, 렌즈의 중심축에 대한 광선의 각도가 0이거나 최소화되고 투과된 광선(220)의 시준이 최대화되도록 굴절된다. 따라서, 광 결합 효율이 최대화된다.
설명한 바와 같이, 볼록면(127)에 대한 광선(210)의 입사각은 광선의 투과 여부 및 투과된 광선(220)이 굴절되는 정도에 영향을 미친다. 따라서, 볼록면(127)에 의해 정의된 렌즈의 중심축으로부터 유한한 거리에 있는 발광 영역(126) 상의 지점에서 방출된 광은, 렌즈의 중심축 상에 있는 발광 영역(126) 상의 지점으로부터 방출되는 광선과는 다른 투과 및 굴절을 겪는다. 특히, 발광 영역(126)이 렌즈의 초점면에 위치하면, 렌즈의 중심축에 있는 발광 영역(126) 상의 지점이 렌즈의 초점이 된다. 렌즈의 초점으로부터 방출되는 광은 투과된 광선들(220)이 서로 평행하고 렌즈의 중심축에 평행하도록 굴절된다. 렌즈의 초점면 상에 있지만 렌즈의 중심축으로부터 유한한 거리에 있는 지점으로부터 방출되는 광도 굴절되지만, 투과된 광선(220)은 더는 렌즈의 중심축과 평행하지 않다. 렌즈의 초점면 상에 있는 방출 지점의 경우, 방출 지점과 중심축 사이의 거리가 증가함에 따라 중심축에 대한 투과 광의 각도가 증가한다. 따라서, 발광 영역(126)의 에지로부터 방출되는 광이 렌즈의 중심축에 대해 보다 작은 각도로 굴절되도록 발광 영역(126)의 크기를 감소시키는 것이 바람직하다. 이는 마이크로 LED(100) 단면의 두 개의 개략도를 도시하는 도 6에 예시되어 있다. 발광 영역(126)의 특성 치수는 도 6b보다 도 6a에서 더 작아서, 도 6a의 발광 영역(126)의 에지로부터 방출되는 광선(610)은, 도 6b의 더 큰 발광 영역(126)의 에지로부터 방출되는 광선(620)보다 렌즈의 중심축에 대해 작은 각도를 갖도록 굴절된다.
마이크로 LED(100)의 집광 효율을 개선하는 것은 추출 효율의 최대화와 집광 장치에 대한 광학적 결합 효율 사이의 절충안이다. 이는 볼록면(127)의 곡률 반경을 가변하는 효과를 특정 실시예에 대해 도시하는 도 7에 의해 예시되어 있다. 그 결과는, 마이크로 LED(100)의 전체 폭이 8 ㎛이고, 오목부(111)의 깊이가 2.2 ㎛이고, 오목부(111)의 베이스로부터 반도체 재료(120)의 제2 면(122)의 평평한 부분까지의 거리가 2.45 ㎛이고, 발광 영역(126)의 특성 치수가 2 ㎛로 주어진다. 가장 넓은 부분에서, 볼록면(127)은 6.5 ㎛의 직경(A)을 갖는다. 볼록면(127)의 곡률 반경(R)은 가변되고, 볼록면(127)의 수직 치수(B)는
Figure pct00001
로 주어진다. 그래프는 x축에서 R/H로 플롯팅되며, 여기서 H는 볼록면(127)의 중심과 발광 영역(126) 사이의 거리이므로,
Figure pct00002
로 표시된다. 모든 치수가 동일한 인자에 의해 조정된다면 결과는 동일하게 유지된다.
도 7a는 방출된 광 빔의 반치전폭(FWHM)의 변화를 도시한다. 광학적 결합 효율은 가장 좁은 방출 광 빔에 대해 최대이므로, 최소 FWHM이다. 이는 볼록면(127)의 초점면에 위치하는 발광 영역(126)에 해당한다. 공기 중 렌즈의 경우, 초점 거리는 다음과 같이 주어진다.
Figure pct00003
여기서 f는 초점 거리, R은 렌즈의 곡률 반경, n은 반도체 재료(120)의 굴절률이다. 도 7a에 표시된 결과는 굴절률 n = 2.44인 재료에 대한 것이다. 그래프는 R/H에 대한 FWHM을 플롯팅하며, 여기서 H는 볼록면(127)의 중심과 발광 영역(126) 사이의 거리이다. R에 대한 하한은 볼록면(127)이 반구인 값이며,
Figure pct00004
해당한다. 가장 작은 FWHM은 H=f일 때 발생해야 하므로, R/H=0.59이다. 이는 데이터에서 볼 수 있다.
도 7b는 도 5a에 도시된 바와 같이 렌즈의 중심이 발광 영역(126)에 위치할 때 최대이어야 하는 광 추출 효율의 변화를 도시한다. 이는 R/H=1일 때 발생해야 하지만, 일부 광을 반사하는 메사 기판(110)으로 인해 R/H=1일 때 국부적인 최소값이 존재한다.
집광 장치에 결합된 마이크로 LED(100)의 전체 효율은 추출 효율(도 7b)과 방출된 광 빔의 FWHM(도 7a) 간의 절충안이다. 전체 효율은 F 번호가 상이한 3개의 상이한 집광 렌즈에 대한 도 7c 내지 도 7e에 도시되어 있다. F 번호는 렌즈의 직경에 대한 렌즈의 초점 거리의 비이며,
Figure pct00005
로 표현되는 렌즈의 수용 각도의 척도이다. 작은 F 번호는 큰 수용 각도에 해당하므로 결합 효율이 높다.
각 렌즈에 대한 가장 높은 전체 효율은 추출된 광 빔의 최소 FWHM을 나타내는 것과 동일한 R/H 값에서 발생한다. 이는 발광 영역(126)이 볼록면(127)의 초점면에 놓이는 곡률 반경에 해당한다. 이 R/H 값은 최대 추출 효율을 제공하지 않는다. 따라서, 의도된 응용분야에 따라, 더 좁은 광 빔을 획득하고 전체 효율을 최대화하기 위해 일부 추출 효율을 희생할 가치가 있고, 빔의 시준은 LED로부터 광을 추출하는 것보다 전체적인 광 포착 효율에 있어서 더욱 중요한 인자이다.
도 8은, 또한, FWHM, 광 추출 효율, 및 전체 효율의 변화를 도시한다. 도 8의 플롯은 곡률 반경과 발광 영역(126)의 특성 치수 P 모두에 따른 변화를 도시한다. 발광 영역(126)의 크기는 전극(130)의 크기에 의해 정의된다.
도 8a는 방출된 광 빔의 FWHM 변화를 도시한다. 최소 FWHM은, R = 3.25 ㎛로 표현되며 볼록면(127)의 초점면에 위치하는 발광 영역(126)에 대응하는 반경 R에서 발생한다. 또한, 발광 영역(126)의 특성 치수인 P를 감소시킴으로써 FWHM을 감소시킨다. 이것은 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 도 8a의 그래프는, 또한, 주어진 임의의 곡률 반경 값에서 P가 감소됨에 따라 FWHM이 일반적으로 감소함을 도시한다. 도 8a에서 알 수 있는 바와 같이, FWHM은, 예상 R = 3.25 ㎛에서 낮지만, 볼록면(127)의 초점면에 위치하는 발광 영역(126)에 대응하는 값 이외의 R 값에 대해서도 낮다. 이는 광이 표면을 통해 투과 시 굴절될 때 볼록면(127)에서 발생하는 프레넬 반사 때문이다. 프레넬 반사의 결과로, 볼록면(127)에 입사하는(0보다 크지만 내부 전반사에 대한 임계각보다 작은 표면의 법선에 대한 각도로 입사하는) 광 빔의 비율은 투과 및 굴절되고, 일부는 볼록면(127)에서 반사된다. 반사된 일부는 메사 기판(110)에 입사하고 메사 기판(110)으로부터 다시 볼록면(127)으로 반사되어, 결국 볼록면(127)을 통해 투과될 수 있다. 추출된 광은 프레넬 반사가 발생하지 않은 경우보다 낮은 FWHM으로 시준될 수 있지만, 추출 효율이 낮고 빔의 각도 분포가 덜 균일하다. 그 결과, FWHM이 낮아도, 볼록면(127)의 초점면에 위치하는 발광 영역(126)에 대응하는 반경(R)의 경우보다 전체 효율이 낮다. 예를 들어, R=9 ㎛ 및 P=1 ㎛의 경우, FWHM은 프레넬 반사를 고려할 때 26도이다(프레넬 반사를 고려하지 않을 때, FWHM은 76도이다). 그러나, 프레넬 반사를 고려할 때 방출된 광의 13%만이 FWHM 내에 있으므로, 전체 효율이 매우 낮다. R=3.25 ㎛ 및 P=1 ㎛의 경우, 발광 영역(126)은 볼록면(127)의 초점면에 위치한다. 이 경우, FWHM은 프레넬 반사를 고려할 때 25도이고, 방출된 광의 28%가 FWHM 내에 있으므로, 전체 효율은 R=9 ㎛의 경우보다 높다. 이는 전체 효율을 도시하고 FWHM과 추출 효율을 모두 고려하는 도 8c 내지 도 8e에 도시되어 있다.
도 8b는 도 5a에 도시된 바와 같이 발광 영역(126)이 렌즈의 중심에 위치할 때 최대이어야 하는 광 추출 효율의 변화를 도시한다. 도 8b에서 시뮬레이션된 시스템의 경우, 이는 4.7 ㎛의 곡률 반경에 해당해야 한다. 메사 기판(110)으로부터의 광의 반사로 인해 R에 대한 실제 최대값에 약간의 변화가 있다. 도 8b는, 또한, P가 감소됨에 따라 광 추출 효율도 일반적으로 증가함을 도시한다. 이는, 렌즈의 중심축에 있는 발광 영역(126) 상의 지점으로부터 방출되는 광이 렌즈의 중심축으로부터의 유한한 거리에 있는 발광 영역(126) 상의 지점으로부터 방출되는 광보다 작은 각도로 볼록면(127)에 입사할 것이므로, 예상될 수 있다.
도 8c, 도 8d, 및 도 8e는 3개의 상이한 F 번호를 갖는 렌즈에 결합될 때 LED의 전체 효율을 도시한다. 전술한 바와 같이, 전체 효율은 광 추출 효율과 (FWHM에 의해 측정된) 추출된 광의 시준 간의 절충안이다. 도 8c 내지 도 8e는, 모두 도 7c 내지 도 7e에 도시된 바와 같이 초점면에 위치하는 발광 영역(126)에 대응하는 곡률 반경 R=3.25 ㎛에 대해 최대 효율이 획득된다는 것을 도시한다. 이는 최소 FWHM에 해당하지만, 최적의 광 추출 효율에는 해당하지 않다. 도 8c 내지 도 8e는 모두 최적의 FWHM 및 최적의 광 추출 효율에 대응하는 가능한 한 작은 발광 영역(126)으로 최대 효율이 획득됨을 도시한다. 곡률 반경의 선택은 FWHM을 감소시키는 것과 광 추출 효율을 증가시키는 것 간의 절충안인 반면, 작은 발광 영역(126)은 FWHM을 감소시키고 또한 광 추출 효율을 증가시키는 데 바람직할 수 있다. 따라서, 발광 영역(126)의 크기가 감소될 때 방출되는 광자의 수가 감소되더라도, 추출 효율과 시준의 개선이 충분하여 발광 영역(126)의 크기를 감소시켜 렌즈에 의해 더 많은 광자가 포획되는 결과를 낳는다. 따라서, 렌즈로부터의 시준이 없고 발광 영역(126)이 작은 마이크로 LED(100)보다 본 개시내용의 마이크로 LED(100)에 렌즈를 결합할 때 동일한 수의 광자를 포착하는 데 전력이 덜 필요하다.
본 개시내용의 일 실시예에서, 발광 영역(126)으로부터 볼록면(127)의 초점면까지의 거리는 볼록면(127)의 초점 거리의 35% 미만일 수 있다. 발광 영역(126)으로부터 볼록면(127)의 초점면까지의 거리는 바람직하게는 25% 미만, 더욱 바람직하게는 10% 미만일 수 있다. 본 개시내용의 소정의 실시예에서, 발광 영역(126)으로부터 볼록면(127)의 초점면까지의 거리는 볼록면(127)의 초점 거리의 2 ㎛ 미만이다. 발광 영역(126)으로부터 볼록면(127)의 초점면까지의 거리는 바람직하게 1.5 ㎛ 미만, 보다 바람직하게는 0.5 ㎛ 미만일 수 있다.
본 개시내용의 일 실시예에서, 발광 영역(126)의 면적은 볼록면(127)의 단면적의 20% 미만일 수 있다. 발광 영역(126)의 면적은 바람직하게 볼록면(127)의 단면적의 10% 미만일 수 있고, 더욱 바람직하게는 발광 영역(127)의 단면적의 5% 미만일 수 있다. 본 개시내용의 소정의 실시예에서, 발광 영역(126)의 직경은 3 ㎛ 미만일 수 있다. 발광 영역(126)의 직경은 바람직하게는 2 ㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 1.5 ㎛ 미만일 수 있다.
본 개시내용의 일 실시예에서, 전극(130)의 면적은 볼록면(127)의 단면적의 20% 미만일 수 있다. 전극(130)의 면적은 바람직하게 볼록면(127)의 단면적의 10% 미만, 더욱 바람직하게는 볼록면(127)의 단면적의 5% 미만일 수 있다.
본 개시내용의 일 실시예에서, 볼록면(127)을 투과하며 발광 영역(126)에 의해 방출되는 광의 반치전폭은 60도 미만일 수 있다. 볼록면(127)을 투과하며 발광 영역(126)에 의해 방출되는 광의 반치전폭은 바람직하게 45도 미만, 더욱 바람직하게는 30도 미만, 더욱더 바람직하게는 25도 미만일 수 있다. 소정의 실시예에서, 볼록면(127)을 투과하며 발광 영역(126)에 의해 방출되는 광의 반치전폭은 20도일 수 있다.
메사 기판(110)은 SiO2와 같은 산화물 재료를 포함할 수 있다. 메시 기판은, 메사 기판(110)과 반도체 재료(120) 사이의 표면에 알루미늄 또는 은과 같은 얇은 반사층을 가질 수 있다. 반도체 재료(120)는 GaN일 수 있다. 볼록면(127)은 에칭될 수 있다.
제조 공정은 플라즈마 에칭과 결합된 포토리소그래피를 포함할 수 있다. 소정의 실시예에서는, 400 nm의 도핑되지 않은 실리콘 유리(USG) 하드 마스크 및 1780 nm의 포토레지스트가 사용될 수 있다. 이어서, 2단계 플라즈마 에칭이 사용될 수 있다. 이것은 20% Ar과 30% Cl2를 사용하여 720 W에서의 90초 및 20% Ar과 50% Cl2를 사용하여 720 W에서의 140초를 포함할 수 있다. 이 공정은 도 9에 도시된 구조를 제공한다.
메사 기판(110)은 메사 기판(110)의 에지를 손상시킬 수 있는 에칭에 의해 성형될 수 있다. 이것은 마이크로 LED(100)의 내부 양자 효율(및 이에 따라 외부 양자 효율)에 악영향을 미칠 수 있다. 그 효과는 메사 기판 표면에 가까운 반도체 재료(120)의 에지로 제한될 수 있으므로, 발광 영역(126)이 메사 기판(110)에 가까울 때만 에지 효과에 의해 외부 양자 효율이 감소될 수 있다. 포물선 메사는 발광 영역(126) 근처에서 좁을 수 있고, 따라서 발광 영역(126)은 에지 효과를 겪을 수 있다. 본 개시내용에서, 메사 기판(110)은 포물선 형상이 아니며, 마이크로 LED(100)가 메사 에칭 열화를 겪지 않도록 설계된다. 메사 기판(110)의 오목부(111)의 형상은, 제1 도핑 영역(123)과 제2 도핑 영역(124) 사이의 계면(125)에서의 폭이 발광 영역(126)보다 크도록 하여 에칭으로 인한 반도체 재료(120)의 손상된 영역이 발광 영역(126)과 겹치지 않도록 한다.

Claims (21)

  1. 마이크로 LED로서,
    오목부를 포함하는 메사 구조; 및
    상기 메사 구조에 인접한 제1 면, 상기 제1 면의 반대측인 제2 면, 및 전류 인가에 응답하여 발광하도록 구성된 발광 영역을 포함하는, 상기 오목부에 제공된 반도체 재료를 포함하고,
    상기 제2 면은 볼록면을 포함하고,
    상기 발광 영역에 의해 방출되어 상기 볼록면에 입사하는 광은, 상기 볼록면의 법선에 대한 입사각이 임계각보다 작으면 상기 볼록면을 통해 투과되고, 상기 볼록면을 통한 투과 시 굴절되며,
    상기 발광 영역은 상기 볼록면의 초점면에 근접하여 위치하고,
    상기 발광 영역의 면적은 상기 발광 영역에 평행한 평면에 있어서 상기 볼록면의 단면적보다 작은, 마이크로 LED.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광 영역으로부터 상기 볼록면의 초점면까지의 거리는 상기 볼록면의 초점 거리의 35% 미만인, 마이크로 LED.
  3. 제2항에 있어서, 상기 발광 영역으로부터 상기 볼록면의 초점면까지의 거리는 바람직하게 25% 미만, 또는 더욱 바람직하게 10% 미만인, 마이크로 LED.
  4. 제1항에 있어서, 상기 발광 영역의 면적은 상기 볼록면의 단면적의 20% 미만인, 마이크로 LED.
  5. 제4항에 있어서, 상기 발광 영역의 면적은, 바람직하게 상기 볼록면의 단면적의 10% 미만, 또는 더욱 바람직하게 상기 볼록면의 단면적의 5% 미만인, 마이크로 LED.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼록면을 통해 투과되는 상기 발광 영역에 의해 방출되는 광의 반치전폭(full width half maximum)은 60도 미만인, 마이크로 LED.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼록면을 통해 투과되는 상기 발광 영역에 의해 방출되는 광의 반치전폭은 바람직하게 45도 미만, 또는 더욱 바람직하게 30도 미만, 또는 더욱더 바람직하게 25도 미만인, 마이크로 LED.
  8. 제1항에 있어서, 상기 볼록면의 단면은 원형인, 마이크로 LED.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼록면의 곡률 반경은 상기 볼록면의 최대로 넓은 부분의 단면 반경보다 큰, 마이크로 LED.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 영역의 중심축은 상기 볼록면의 중심축에 대하여 정렬된, 마이크로 LED.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 메사 구조와 상기 반도체 재료 사이에 반사 금속층을 더 포함하는, 마이크로 LED.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 영역은 상기 볼록면보다 상기 메사 구조에 더 가까운, 마이크로 LED.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 마이크로 LED가 어레이로 배열된, 마이크로 LED.
  14. 제13항에 있어서, 상기 마이크로 LED들은 행과 열로 배열된, 마이크로 LED.
  15. 제1항에 있어서, 상기 전류는, 상기 반도체 재료의 제1 면에 인접한 제1 전극 및 상기 반도체 재료의 제2 면에 인접한 제2 전극을 사용하여 인가되는, 마이크로 LED.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 전극의 중심축은 상기 볼록면의 중심축에 대하여 정렬된, 마이크로 LED.
  17. 제16항에 있어서, 상기 발광 영역의 반경은 상기 제1 전극의 반경에 의해 정의되는, 마이크로 LED.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 전극의 면적은 상기 볼록면의 단면적의 20% 미만인, 마이크로 LED.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 전극의 면적은, 바람직하게 상기 볼록면의 단면적의 10% 미만, 또는 더욱 바람직하게 상기 볼록면의 단면적의 5% 미만인, 마이크로 LED.
  20. 제1항에 있어서, 상기 오목부의 단면적은 상기 발광 영역의 면적보다 큰, 마이크로 LED.
  21. 제20항에 있어서, 상기 발광 영역의 에지는 상기 오목부의 에지로부터 1 ㎛를 초과할 수 있는, 마이크로 LED.
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