KR20230056050A - 모놀리식 나노컬럼 구조 - Google Patents

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나지브 아시라프 칼리드
후아이 빈 르
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4233999 캐나다 인크.
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Abstract

갈륨-질화물(GaN) 나노컬럼의 어레이는 나노컬럼의 끝으로 향하는 광을 방출하기 위해 극성 c-평면 또는 반극성 평면에 양자 우물과 나노컬럼에서 방출된 광이 나노컬럼의 단부로부터 나오도록 안내되는 격자간 필러 물질을 갖는다.

Description

모놀리식 나노컬럼 구조
본 특허출원은 능동 반도체 에미터(active semiconductors emitter)를 이용한 디스플레이 기술(display technology) 및 조명 장치(illumination device)에 관한 것이다.
디스플레이 기술은 빠르게 발전하고 진화하고 있다. 마이크로 LED(마이크로 발광 다이오드(Micro Light Emitting Diodes))는 여전히 어려움이 있지만 새로운 차세대 디스플레이에 사용되고 있다. 컬러 스펙트럼(Color spectrum)은 CIE 걸러 영역을 부분적으로만 포함하는 동시에 매스 트랜스퍼(Mass Transfer) 방법을 사용하는 어셈블리(assembly)의 처리량은 여전히 상당한 과제로 남아 있다.
디스플레이 기술 분야는 현재 LED 백라이트 액정 셔터(LCD)를 사용하여 인간의 시각적 감지를 위한 이미지를 형성한다. 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode)(OLED)도 신제품에 적용되고 있다. 현재 기술은 마이크로 발광 다이오드(micro Light Emitting Diode)(마이크로 LED)를 사용하여 확장되고 있으며 중요한 과제가 남아 있다. 이들은 제한된 시각적 스펙트럼과 디스플레이 어셈블리의 심각한 어려움이다. 마이크로 LED를 사용하는 디스플레이 어셈블리에는, 매우 높은 정밀도로 수백만 개의 마이크로 LED를 자동으로 배치하여 픽셀을 형성한 다음 디스플레이를 형성하는, 매스 트랜스퍼(Mass Transfer)라는 새로운 기술이 필요하다. 디스플레이를 비용 효율적으로 만들기 위해 모든 것이 매우 빠른 속도로 이루어진다. 지금까지 이것은 달성되지 않았다.
과학 저널과 특허를 검토한 결과 나노와이어(nanowire)(NW) 및 나노컬럼(nanocolumn)(NC)이라고도 하는 나노구조(nanostructure)에서 광 에미터(light emitter)를 제조하는 데 여러 노력이 있었음을 알 수 있다.
NC 에미터(emitter)의 가장 유망한 기능은 방출(emission) 파장이 물질을 변경하지 않고도 NC의 직경에 따라 달라지는 것으로 밝혀졌다는 것이다. LED 물질의 경우, 서로 다른 컬러를 갖는 디스플레이가 서로 다른 기판, 즉 LED의 각 컬러에 대해 하나의 기판에서 오는 요소의 어셈블리을 필요로 하는 것과 같이 서로 다른 컬러는 물질의 변경을 필요로 한다. 이 어셈블리의 복잡성이 문제이다. NC 기술을 사용하면, 동일한 반도체 기판이 다른 컬러의 픽셀을 제공할 수 있다. NC 기술은 또한 단색 또는 다색이 될 수 있는 조명 소스를 제공할 것을 약속했다.
미국특허 공보 2003/0168964는 유기 활성 영역을 갖는 발광 나노와이어, 나노와이어 내 빈 영역을 채우고 p-접촉부를 형성하는 것을 기술한다. 이 출원은 발광 나노와이어(light emitting nanowire)로부터 디스플레이를 형성하는 방법이나 양자 우물(Quantum Well)(QW) 구조 및 결정 축 방향에 대한 설명을 기술하지 않는다. 또한 동일한 웨이퍼에서 제한된 범위의 파장을 보여준다. 이 공개는 청색광(blue light)으로 제한된다.
미국특허 10,177,195 및 미국특허 공개 2019/0131345는 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)을 사용하여 형성된 나노와이어를 사용하는 디스플레이의 제조를 보여준다. 나노와이어 또는 나노와이어 그룹화에 의해 생성된 컬러는 나노와이어의 직경을 변경하여 제어된다. 이 출원은 활성 영역에 서로 다른 물질이 사용되어 서로 다른 웨이퍼에서 서로 다른 컬러 세트를 제조한 다음 들어 올려 백플레인(backplane)에 장착해야 함을 보여준다. 이를 위해서는 아직 달성되지 않은 수준의 매스 트랜스퍼(Mass Transfer) 기술이 필요하다. 이 출원은 전기적 접촉부(electrical contact)를 형성하는 것을 개시하지 않는다.
미국특허 10,263,149는 촉매에 의해 보조되는 에피택시 및 MOCVD를 사용하여 성장된 나노와이어를 개시한다. 이 특허는 나노와이어의 직경을 제어하는 수단을 기술하지 않았고, 따라서 나노와이어에서 방출된 광의 컬러를 제어하는 기술도 설명하지 않는다. 이 출원은 나노와이어에서 디스플레이를 형성하는 방법을 설명하지 않는다.
미국특허 공개 2017/0279017은 나노와이어의 제조를 기술하지만 동일한 웨이퍼 상에 배치된 상이한 컬러의 집적된 모놀리식 픽셀을 기술하지는 않는다. 또한, 이 출원은 청색 LED가 백색광(White Light)에 인광체(phosphor)를 사용하는 방식과 유사한 나노와이어와 인 기술을 결합한다.
미국트허 공개 2018/0374988에는 활성 영역에 InGaN을 사용하여 나노 와이어를 제조하는 방법이 설명되어 있다. 제조된 나노와이어의 직경이 컬러를 결정한다. 전자빔 리소그래피(Electron-beam lithography)는 제조된 나노와이어의 직경을 제어하는 데 사용된다. 이 출원은 단일 나노와이어를 전기적으로 구동하는 방법을 설명한다. 그것은 단일 나노와이어만을 고려하기 때문에 나노와이어로부터 디스플레이를 형성하는 방법을 개시하지 않는다.
미국특허 10,263,149는 촉매에 의해 보조되는 에피택시 및 MOCVD를 사용하여 성장된 나노와이어를 개시한다. 이 특허는 나노와이어의 직경을 제어하는 수단을 기술하지 않았으므로, 나노와이어에서 방출된 광의 컬러를 제어하는 기술에 실패했다. 이 출원은 나노와이어에서 디스플레이를 형성하는 방법을 설명하지 않는다.
아메드(Ahmed)(US 2019/036306), 휴곤(Hugon)(US 2017/0352601 A1), 루(Lu)(US 2012/0261686 및 왕(Wang)(US 2012/0253982))는 모두 MOCVD를 사용하여 나노와이어 및 QW용 코어 쉘 구조를 성장시킨다.
아메트(Ahmed) 출원은 직경을 변경하여 에미터의 파장을 변경할 수 있는 방법을 보여준다. 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency)(EQE) 또는 커버할 수 있는 컬러 영역에 대한 언급 없이 두 가지 다른 컬러가 표시된다.
모든 개시 내용은 나노와이어 성장을 위해 MOCVD를 사용하여 코어 쉘 구조에서 QW를 성장시키고, 이는 QW가 m-평면에서 성장한다는 것을 의미한다.
NC 기반 디스플레이의 효율성은 얼마나 많은 전류가 뷰어(viewer)의 방향으로 광 출력으로 변환될 수 있는지로 정의된다. QW가 NC의 m-평면에서 성장하면 발광은 NC의 측면으로 향한다. EQE가 양호하더라도 NC 끝을 통한 광 출력은 방출 방향(emission direction)에 의해 방해를 받다.
제티안 미(Zetian Mi)의 두 가지 공개와 새키구치(Sekiguchi)의 응용 물리 레터(Applied Physics Letters 231104(2010)) 저널의 논문은 분자선 에피텍시(Molecular Beam Epitaxy)(MBE)에 의해 성장된 나노와이어를 보여주고, 제티안 미(Zetian Mi)만이 나노와이어에서 성장한 QW와 단일 프로세스의 단일 웨이퍼에서 적어도 세 가지 다른 파장을 보여준다. 그러나, 제니안 미(Zetian Mi)는 디스플레이 제작 방법을 공개하지 않았다. 이러한 QW는 c-평면에 있고 더 큰 직경의 나노와이어는 반극성 평면에 있다. C-평면 방출(emission direction)은 NC를 통해 더 나은 광 출력 효율을 약속한다.
제티안 미엣 등(Zetian Miet al.)은 460nm에서 635nm 범위로 제한된 상이한 파장의 웨이퍼 상의 에미터를 개시한다. 이러한 차이는 나노와이어의 직경을 변경함으로써 달성된다. 이 개시는 방출된 광이 어떻게 빠져나와 유용할 수 있는지 정의하지 않는다. 전기 연결을 제공하는 수단이 개시된다. 따라서, EQE는 제한된다. 새키구치(Sekiguchi) 등은 이미 터의 유사한 파장 범위를 설명하지만 장치의 EQE를 향상시키기 위한 구조는 없다. 전계발광(electroluminescence)(EL) 특성은 개시되어 있지 않다.
위의 선행 기술 요약은 나노와이어가 현재 디스플레이 기술의 일부 또는 모든 단점을 극복할 수 있는 잠재력을 가질 수 있음을 시사한다. 그러나, 선행 개시물 중 어느 것도 나노와이어 에미터를 서브픽셀(subpixel)/픽셀로 배치하기에 적합한 나노와이어 에미터를 만드는 방법과 충분한 에미터 효율 및 컬러 품질의 완전한 작동 디스플레이를 만드는 방법을 보여주려고 시도하지 않았다는 것도 분명하다. 결합하여, 이들 개시물은 동일한 웨이퍼 상에서 동일한 프로세스에서 상이한 파장의 성장하는 나노와이어 기반 에미터에 대한 설명을 제공한다. 제티안 미(Zetian Mi)를 제외하고 공개되지 않은 것은 성장 조건과 파장의 변화가 어떻게 발생하는지이다.
또한, 선행 기술 중 어느 것도 QW가 GaN 결정에서 성장하는 결정 평면의 함수로서 발광 광 효율과 관련된 문제를 다루지 않는다.
출원인은 이중층(dual-layer) p-접촉부 구조를 갖는 c-평면 및 반극성 평면(semipolar plane)에서 성장된 양자 우물(Quantum Well)로부터 유도된 나노컬럼 구조(nanocolumn structure)를 사용하여 향상된 수준의 발광 및 균일성을 제공이 가능하게 되어, 이 기술로 디스플레이를 구축할 수 있음을 발견했다. 본 명세서에 상세히 기술된 바와 같이, 종래 기술에서 발견되는 나노컬럼 구조는 전형적으로 충분한 강도(intensities), 광도(desired luminosity), 콘트라스트(contrast), 해상도(resolution) 등을 생성하지 않기 때문에 디스플레이를 구축하는 데 적합하지 않을 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 나노컬럼(nanocolumn)을 사용하는 디스플레이는 종래 기술의 나노컬럼을 사용하는 디스플레이의 단점을 극복한다.
갈륨-질화물(gallium-nitride)(GaN) 나노컬럼의 어레이(array of GaN nanocolumn)는 나노컬럼의 끝으로 향하는 광을 방출하기 위해 극성 c-평면 또는 반극성 평면에 양자 우물과 안내되는 나노컬럼에서 방출된 광이 나노컬럼의 단부로부터 나가도록 배치된 격자간 필러 물질(interstitial filler material)을 가진다. 나노컬럼의 측면은 나노컬럼의 길이 방향 축을 따라 광을 반사하는 물질로 코팅될 수 있다. 나노컬럼의 p-도핑된 단부는 금속화될 수 있고 n-도핑된 단부를 통해 광을 지향시키기 위해 반사 접촉부(reflective contact)가 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 나노컬럼 장치가 제공되고, 이는 음으로 도핑된 제1 단부 및 양으로 도핑된 제2 단부를 가지고, 제1 단부와 제2 단부 사이에 발광 영역(light emitting region)이 있는, 격자간 필러 물질을 갖는 갈륨-질화물(gallium-nitride)(GaN) 나노컬럼의 어레이인, 갈륨-질화물(GaN) 나노컬럼의 어레이 - 발광 영역에서 방출된 광은 나노컬럼 내에서 제1 단부 및 제2 단부로 안내됨 -; GaN 나노컬럼의 어레이의 제1 단부를 덮고 광을 위한 출구 윈도우를 제공하는 공통 투명 접촉부(common transparent contact); GaN 나노컬럼의 어레이의 제2 단부에 있는 금속 코팅(metal coating)- 상기 금속 코팅은 발광 영역으로부터 방출된 광의 흡수율이 낮을 정도로 충분히 얇으면서 GaN 나노컬럼의 어레이의 제2 단부에 접합하기에 충분한 두께를 가짐 -; 광을 출구 윈도우로 반사시키기 위한 픽셀 또는 서브픽셀을 나타내는 다수의 GaN 나노컬럼의 금속 코팅을 각각 덮는 반사 전도성 접촉부(reflective conductive contact)의 어레이 - 금속 코팅은 나노컬럼의 양으로 도핑된 GaN과 반사 전도성 접촉부 사이에 감소된 전기 저항을 제공함 -; 및 반사 전도성 접촉부(reflective conductive contact)의 어레이에 연결된 표면 접촉부(surface contact)를 갖는 드라이버 반도체 기판(driver semiconductor substrate)을 포함한다.
다른 실시예에서, 갈륨-질화물(GaN) 나노컬럼의 어레이를 포함하는 나노컬럼 장치(nanocolumn device)가 제공된다. 각각의 GaN 나노컬럼은 나노컬럼의 전체 폭을 확장하는 음으로 도핑된 제1 단부 영역(first end region), 나노컬럼의 전체 폭을 연장하는 양으로 도핑된 제2 단부 영역(second end region), 제1 단부 영역과 제2 단부 영역 사이의 c-평면 및 반극성 평면 중 어느 한 면에서 성장되는 발광 영역(light emitting region), 각각의 GaN 나노컬럼의 전체 길이에 걸쳐 측벽 표면과 접촉하고 덮는 절연 물질층(layer of insulating material), 제1 단부, 제2 단부 및 발광 영역에 걸쳐 연장되는 전체 길이의 수직 배치; 및 나노컬럼의 광을 출구 윈도우로 안내하는 데 도움이 되도록 절연 물질층과 접촉하고 덮는 반사 물질층(layer of reflective material)의 수직 배치(vertical arrangement)를 포함한다. GaN 나노컬럼의 어레이는 격자간 필러 물질을 포함하고, 여기서 발광 영역으로부터 방출된 광은 나노컬럼에서 제1 단부 영역 및 제2 단부 영역으로 안내된다. 공통 투명 접촉부는 GaN 나노컬럼의 어레이의 제1 단부을 덮고 광을 위한 출구 윈도우를 제공할 수 있다. 금속 코팅(metal coating)은 GaN 나노컬럼의 어레이의 제2 단부에 있을 수 있고, 금속 코팅은 GaN 나노컬럼의 어레이의 제2 단부에 접합되어 발광 영역으로부터 방출된 광의 투과를 허용한다. 반사 전도성 접촉부(reflective conductive contact)의 어레이는 광을 출구 윈도우로 반사시키기 위한 픽셀 또는 서브픽셀을 나타내는 다수의 GaN 나노컬럼의 금속 코팅을 각각 덮을 수 있고, 금속 코팅은 나노컬럼의 양으로 도핑된 GaN과 반사 전도성 접촉부 사이에 감소된 전기 저항을 제공한다. 드라이버 반도체 기판(driver semiconductor substrate)는 반사 전도성 접촉부의 어레이에 연결된 표면 접촉부(surface contact)를 가질 수 있다.
공통 투명 접촉부는 GaN 나노컬럼의 어레이의 제1 단부를 덮는 음으로 도핑된 GaN의 층을 가질 수 있다. GaN 나노컬럼의 어레이는 절연 물질로 코팅될 수 있고 절연 물질은 반사 물질로 코팅되어 나노컬럼의 광을 출구 윈도우로 안내하는 데 도움이 될 수 있다. 격자간 필러 물질은 흡광 물질을 포함할 수 있다.
GaN 나노컬럼의 어레이는 상이한 폭 치수를 갖고 상이한 컬러로 발광하는 서브픽셀 그룹을 포함할 수 있다. 나노컬럼의 발광 영역은 제1 단부 및 제2 단부를 향하는 광을 방출하기 위해 극성 c-평면 또는 반극성 평면에 있을 수 있다.
금속 코팅은 GaN 나노컬럼의 어레이의 제2 단부에 접합되도록 열처리된 니켈 및 금을 포함할 수 있다. 금속 코팅은 약 6nm 두께일 수 있고 거의 동일한 양의 니켈 및 금을 함유할 수 있다.
반사 전도성 접촉부의 어레이는 픽셀 어레이로 배치될 수 있고, 드라이버 반도체 기판은 이미지 디스플레이 장치를 제공하도록 구성될 수 있다. 갈륨-질화물(GaN) 나노컬럼의 어레이는 컬러 이미지 디스플레이 장치를 제공하기 위해 서브픽셀 그룹(subpixel group)으로 배치될 수 있다. 서브픽셀 그룹은 4개 이상이 될 수 있다.
반사 전도성 접촉부의 어레이는 갈륨-질화물(GaN) 나노컬럼의 어레이의 그룹을 구동하여 다양한 컬러를 제공하도록 배치될 수 있고, 드라이버 반도체 기판은 가변 컬러 조명 장치(variable color illumination device)을 제공하기 위해 그룹에 서로 다른 전압을 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 모놀리식 나노컬럼 발광 장치의 제조 방법이 제공되고, 방법은 갈륨-질화물(GaN) 나노컬럼의 어레이의 p-도핑된 단부에 금속 코팅을 적용하는 단계 - 금속 코팅은 GaN 나노컬럼의 발광 영역으로부터 방출된 광의 흡수율이 낮을 정도로 충분히 얇으면서 GaN 나노컬럼의 어레이의 p-도핑된 단부에 접합하기에 충분한 두께를 가짐 -, 광을 출구 윈도우로 반사시키기 위한 픽셀 또는 서브픽셀을 나타내는 다수의 GaN 나노컬럼의 금속 코팅을 각각 덮는 반사 전도성 접촉부(reflective conductive contact)의 어레이를 적용하는 단계를 포함하고, 금속 코팅은 나노컬럼의 p-도핑된 GaN과 반사 전도성 접촉부 사이에 감소된 전기 저항을 제공한다.
다른 실시예에서, 모놀리식 나노컬럼 발광 장치를 제조하는 방법이 제공되며, 방법은:
n-도핑된 GaN의 버퍼층 상에 갈륨-질화물(GaN) 나노컬럼의 어레이의 각 나노컬럼에 대한 n-도핑된 제1 단부 영역을 수직으로 성장시키는 단계 - 버퍼층은 공통 접촉부 및 출구 윈도우를 제공할 수 있음 -;
GaN 나노컬럼의 어레이의 각각의 나노컬럼에 대해 제1 단부 영역 상에 발광 영역을 수직으로 성장시키는 단계 - 발광 영역의 폭은 각각의 GaN 나노컬럼에 대한 제1 단부 영역의 폭과 동일함 -;
GaN 나노컬럼의 어레이의 각 나노컬럼에 대한 발광 영역 상에 p-도핑된 제2 단부 영역을 수직으로 성장시키는 단계 - 제2 단부 영역의 폭은 각 나노컬럼에 대한 제1 단부 영역 및 발광 영역의 폭과 동일함 -;
GaN 나노컬럼의 어레이의 각 나노컬럼 사이에 격자간 필러 물질을 스핀 코팅하는 단계;
GaN 나노컬럼의 어레이의 p-도핑된 제2 단부 영역을 폴리싱하는 단계;
GaN 나노컬럼의 어레이의 p-도핑된 제2 단부 영역에 금속 코팅을 적용하는 단계 - 금속 코팅은 GaN 나노컬럼의 어레이의 각 나노컬럼의 발광 영역으로부터 방출된 광의 흡수율이 낮도록 충분히 얇으면서 GaN 나노컬럼의 어레이의 p-도핑된 제2 단부 영역에 접합하기에 충분한 두께를 가짐 -; 및
광을 출구 윈도우로 반사시키기 위한 픽셀 또는 서브픽셀을 나타내는 다수의 GaN 나노컬럼의 금속 코팅을 각각 덮는 반사 전도성 접촉부(reflective conductive contact)의 어레이를 적용하는 단계를 포함하고, 여기서 금속 코팅은 GaN 나노컬럼의 어레이의 p-도핑된 제2 단부 영역과 반사 전도성 접촉부 사이에 감소된 전기 저항을 제공한다.
추가로, 표면 접촉부를 갖는 드라이버 반도체 기판이 반사 전도성 접촉부의 어레이에 연결될 수 있다. GaN 나노컬럼의 어레이는 n-도핑된 GaN의 버퍼층에서 성장할 수 있고, n-도핑된 GaN은 공통 접점 및 출구 윈도우를 제공할 수 있다. 표면 접촉부를 갖는 드라이버 반도체 기판이 반사 전도성 접촉부의 어레이에 연결될 수 있다.
GaN 나노컬럼의 어레이는 절연 물질로 코팅될 수 있고 절연 물질은 반사 물질로 코팅되어 나노컬럼의 광을 출구 윈도우로 안내하는 데 도움이 될 수 있다.
GaN 나노컬럼의 어레이는 유전체 반사 물질로 코팅될 수 있다.
GaN 나노컬럼의 어레이 사이의 격자간 공간은 광 흡수 물질일 수 있는 격자간 필러 물질로 채워질 수 있다.
GaN 나노컬럼의 어레이는 상이한 폭 치수를 갖고 상이한 컬러로 발광하는 서브픽셀 그룹을 포함할 수 있다.
나노컬럼의 발광 영역은 제1 단부 및 제2 단부를 향하는 광을 방출하기 위해 극성 c-평면 또는 반극성 평면에 있을 수 있다.
금속 코팅은 니켈 및 금을 포함할 수 있으며, 니켈은 먼저 금이 니켈 상에 증착되고 열 처리되어 GaN 나노컬럼의 어레이의 p-도핑된 단부에 접합된다. 금속 코팅은 두께가 약 6nm일 수 있으며 거의 같은 양의 니켈과 금을 함유할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 통해 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 질화 갈륨 결정면의 도면이다;
도 2는 대부분의 광이 횡방향으로 방출되는 예시적인 종래 기술 나노컬럼이다;
도 3은 본 발명에 따른 예시적인 나노컬럼이다;
도 4는 방출된 광이 도시된 본 발명에 따른 예시적인 나노컬럼의 개략도이다;
도 5는 모놀리식 나노컬럼 에미터 패널의 제조와 관련된 단계를 예시하는 흐름도이다;
도 6은 나노컬럼의 직경과 나노컬럼에서 방출된 광의 파장 사이의 관계를 나타내는 그래프이다;
도 7은 2개의 나노컬럼 및 주변 층의 구조를 예시하는 본 발명에 따른 예시적인 나노컬럼의 개략도이다;
도 8a - 8h는 본 발명에 따른 나노컬럼 디스플레이 장치를 제조하는 단계의 개략도이다;
도 9는 다수의 픽셀을 포함하는 예시적인 디스플레이의 개략도이다;
도 10은 각각 3개의 서브픽셀을 갖는 다수의 픽셀을 포함하는 예시적인 디스플레이의 개략도이다; 및
도 11은 각각 5개의 서브픽셀을 갖는 다수의 픽셀을 포함하는 예시적인 디스플레이의 개략도이다.
본 발명은 나노컬럼을 포함하는 디스플레이 및 나노컬럼 기반 디스플레이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이러한 디스플레이는 스마트폰, 웨어러블 장치, 마이크로 디스플레이, 그래픽 디스플레이, 텔레비전 및 기타 장치에 사용될 수 있다. 명료함을 위해, 나노컬럼(NC)이라는 용어는 본 명세서 전반에 걸쳐 사용된다.
디스플레이의 기본 속성
디스플레이는 일반적으로 서브픽셀로 구성되는 픽셀의 2차원 배치이다. 디스플레이는 픽셀당 단일 서브픽셀 또는 픽셀당 복수의 서브픽셀을 가질 수 있다. 픽셀은 일반적으로 모든 서브픽셀이 외부에서 설정할 수 있는 가변 발광 레벨을 갖는 2차원 매트릭스로 배치된다. 디스플레이에 필요한 중요한 특성은 해상도, 컬러 범위(컬러 영역), 강도 범위(콘트라스트), 시야 및 픽셀이 변경되는 속도이다. 컬러와 강도의 균일성은 유용한 디스플레이를 제조하는 데 특히 중요하다.
인간의 눈의 속성
디스플레이에서 방출된 광이 인간 뷰어(human viewer)에 의해 인식되는 방식은 인간 눈의 속성에 따라 다르다. 인간의 눈에는 세 가지 유형의 원뿔(cone)이 있으며 각 유형은 특정 파장에 집중되는 것으로 알려진 다양한 파장 대역에 민감하다. 파장의 정확한 중심은 인구 내에서 변화하지만 일반적으로 청색의 경우 400~500nm, 녹색의 경우 500~600nm, 적색의 경우 520~680nm 대역에 있다.
컬러 인식은 또한 더 큰 동적 범위를 제공하지만 그레이 스케일 인식만 제공하는 간상체의 반응에 의해 영향을 받는다. 눈은 인간의 두뇌에 의한 컬러 처리와 관련된 매우 복잡한 방식으로 컬러를 인식한다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 대부분의 광 파장은 여러 유형의 원뿔을 활성화한다. 유일한 예외는 청색 원뿔만 활성화하는 약 415nm 미만의 파장과 적색 원뿔만 활성화하는 약 680nm 이상의 파장이다. 가능한 모든 컬러 범위는 인간의 눈에 있는 3개의 원뿔(적색, 녹색 및 청색)와 다양한 강도의 비율에서 사용할 수 있는 정보로부터 뇌에 의해 생성된다. 그러나, 현재의 반도체 기술로는 올바른 녹색을 생성할 수 없다.
청색 원뿔은 가장 민감하지만 모든 원뿔의 2%만 구성하고 녹색 원뿔은 모든 원뿔의 65%를 구성하고 적색 원뿔은 나머지 약 33%를 구성한다. 세 가지 유형의 원뿔은 동일한 수준의 광의 강도/광도에 대해 서로 다른 반응을 보이다. 즉, 주어진 광도의 광은 눈의 집합적 녹색 원뿔, 집합적 적색 원뿔 및 집합적 청색 원뿔에서 서로 다른 반응을 유도한다. 인지할 수 있는 바와 같이, 녹색 원뿔에 대한 자극 없이 적색 원뿔에 약간의 자극이 있을 때 뇌는 적색을 인지한다. 원뿔의 자극의 변화하는 양은 시각 피질이 광의 파장, 즉 컬러를 인식할 수 있도록 한다. 시각 피질(visual cortex)은 또한 추가 밝기 정보를 제공하는 망막(retina)의 간상체(rods)로부터 신호를 받는다.
아래 표 1은 녹색 원뿔의 응답과 비교하여 원뿔의 상대적 응답을 보여준다. 표 1에서 볼 수 있듯이 세 광원의 광도는 감도의 역수이다. 따라서, 녹색의 광도가 1mW이면 적색의 광도는 1.33mW, 청색의 광도는 3.85mW가 된다.
전체 스펙트럼과 백색광을 일치시키는 데 필요한 RGB 에미터당 전력
원뿔(cone) 상대 반응 녹색 광원의 필수 광도 = 1mW
청색 0.26 3.85 mW
적색 0.75 1.33 mW
녹색 1 1.0 W
디스플레이에서, 광은 전술한 바와 같이 픽셀 단위로 방출될 수 있다. 각각의 픽셀은 하나 이상의 서브픽셀을 포함할 수 있고, 각각의 서브픽셀은 특정 파장의 광을 방출할 수 있다. 서브픽셀에서 방출된 광은 눈의 적색, 녹색 및/또는 청색 원뿔을 다양한 정도로 활성화하기 위해 함께 작용할 수 있다. 일반적으로 가시광선은 부가적인 방식으로 작용하여 제1 서브픽셀의 강도가 제2 서브픽셀의 강도에 더해진다. 그런 다음 뇌는 전체 원뿔 활성화를 처리하여 인지된 컬러를 생성할 수 있다. 본 발명은 디스플레이를 설계하고 제조하기 위해 나노컬럼의 특성과 조합하여 전술한 눈의 특성을 사용한다.
선행기술 - 갈륨 질화물 결정면(Gallium Nitride crystal planes)
III-V 화합물 반도체인 질화갈륨(GaN)은 우르츠광(wurtzite)(육방정계(hexagonal)) 결정이다. 도 1과 같은 평면이 있다. m-평면은 수직축에 평행하고 c-평면은 수직축에 직각이며 반극성 평면은 도면과 같이 결정의 한쪽에서 반대쪽으로 기울어져 있다. 당업계에 공지되어 있고 여기에서 상세히 설명되는 바와 같이, 결정의 상이한 축은 그 위에 성장된 QW의 양자 효율(Quantum Efficiency)에 영향을 미치는 상이한 전기적 특성을 갖는다.
선행 기술 - 코어 쉘 양자 우물(Core shell quantum well)(m-평면)
본 명세서에 기재된 바와 같이, 나노컬럼으로부터 방출된 광이 디스플레이 및 조명 용도로 사용될 수 있는 유일한 방법은 양자 우물(QW)이 c-평면 및 반극성 평면에서 성장될 때이다; m-평면에 있지 않다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 프로세스는 m-평면 상에서 QW를 성장시킬 수만 있다. 따라서, MOCVD 프로세스를 사용하는 모든 선행 기술은 디스플레이 애플리케이션 분야에 만족스러운 결과를 가져오지 못할 수 있다. 코어 쉘 구조로서 MOCVD 성장 QW의 가장 중요한 한계는 광의 많은 부분이 나노컬럼의 종축에 직교한다는 것이다. 도 2는 m-평면에서 성장되고 광이 이웃하는 나노컬럼에 의해 흡수되거나 반사되는 종래 기술의 나노컬럼을 예시한다.
도 2에서, p-접촉부(51)는 일반적으로 불투명하므로 나노컬럼의 축에서 투과될 수 있는 광을 더욱 감소시킨다. 또한, m-평면에서 성장함에 따라 QW(57)는 각 나노컬럼의 각 측면에서 제한된 각도 분포에서만 광을 방출할 수 있다. MOCVD 프로세스를 사용하여 GaN에서 성장하는 QW는 본질적으로 도 2에 표시된 것처럼 코어 쉘 구조를 생성한다. 현재 MOCVD 프로세스를 사용하여 GaN에 QW를 성장시킬 때 m-평면 이외의 평면에서 성장을 얻을 수 있는 방법이 없다.
이러한 종래 기술 실시예에서, 대부분의 광은 수직축에 직각으로 방출되고 다음 나노컬럼으로부터 흡수되거나 반사된다. 매우 적은 양의 광만이 디스플레이 뷰어를 향해 나갈 것이며, 이미지의 일관성 있는 디스플레이를 방해할 수 있는 정도로 광이 산란될 것이다. m-평면에서 MOCVD 성장 QW의 장점은 큰 QW 표면적을 갖는 것을 포함한다. 그러나, 증가된 표면적에도 불구하고(c-평면에 구축된 동등한 QW 구조보다 많은 요소가 더 큼) 방출되는 유용한 광이 거의 없으며 이는 유효 EQE가 매우 낮다는 것을 의미한다.
C-평면과 반극성 평면의 양자 우물
c-평면 및 반극성 평면에서 성장된 QW를 가르치는 선행 기술 참고 문헌에서, 그들은 이러한 평면이 코어 쉘보다 어떤 이점을 갖는지 나타내지 않으며 효과적인 외부 양자 효율(Effective External Quantum Efficiency)(E2QE) 차이를 나타내지 않는다. 더욱이, 선행 기술 참조는 크로마틱 디스플레이를 구성하기 위해 서브픽셀 및 픽셀이 어떻게 형성될 수 있는지를 나타내지 않는다.
c-평면 또는 반극성 평면 상의 분자선 에피텍시(Molecular Beam Epitaxy)(MBE) 성장된 QW는 광 방출이 나노컬럼의 종축을 따라 수직으로 나가도록 허용하고, 이는 입사형으로 뷰어를 향한다. 광 추출(light extraction)을 향상시키는 수단을 제공함으로써 대부분의 광이 유용할 것이며 매우 높은 E2QE를 제공한다.
도 3은 MBE 프로세스를 통해 c-평면 또는 반극성 평면에서 QW가 성장한 이러한 나노컬럼의 개략도이다. MBE 프로세스의 자연스러운 부분은 c-평면과 반극성 평면에서 성장하는 QW가 나노컬럼의 직경에 따라 달라진다는 것이다. 예를 들어, 직경(또는 단면적)이 작으면, QW는 m면에 형성되고, 직경이 크면, m면에 QW가 형성될 수 있다. 그러면 c-평면과 반극성 평면이, QW가 나노컬럼에서 성장할 수 있고 디스플레이를 형성하는 수단을 제공할 수 있는 유일한 방법이라는 것이 잘 이해된다. 도 3을 참조하면, 나노컬럼은 공통 전극(common electrode)(예를 들어, n-GaN층(n-GaN layer))으로 작용할 수 있고 나노컬럼의 성장 프로세스에 필요할 수 있는 구조적 기판(structural substrate)(60)의 상부에 있는 버퍼층(buffer layer)(59)을 가질 수 있다. 버퍼층(59)과 접촉하는 n-GaN층(65)이 존재하도록 각각의 나노컬럼이 성장될 수 있다. QW(61)를 포함하는 활성 영역은 이후 n-GaN층(65)의 상부에서 성장될 수 있다. 나노컬럼은 별도의 전극을 통해 전기적으로 전력을 공급받을 수 있는 p-GaN층(63)을 더 포함할 수 있다.
도 3은 생산 프로세스 중 나노컬럼 구조를 보여주지만, 도 4는 생산 프로세스이 완료되면 단일 나노컬럼에 대한 보다 자세한 나노컬럼 구조 보기를 제공한다(즉, 나노컬럼 간 필러 물질이 없는 완전한 구조). 이와 같이, 성장 기판(growth substrate)(60)이 제거되었고 공통 전극으로 작용하는 버퍼층(59)이 광 방출(light emission)이 나노컬럼을 빠져나가는 층임을 관찰할 수 있다. 발광을 시각화하는 데 도움이 되도록, 광선(light ray)이 표시된다. 버퍼층(59)이 단일 나노컬럼 상에 있는 것으로 도 4에 도시되어 있지만, 이것은 단일 컬럼의 개략도이고 n-도핑된 GaN(59)의 층이 모든 나노컬럼에 걸칠 것임을 이해할 것이다.
도 4에 도시된 나노컬럼이 디스플레이 또는 조명 패널에 사용될 수 있기 때문에, 각각의 서브픽셀 및 전기 드라이버 회로에 대한 필수 연결을 포함하는 후면 패널(back panel)(69)은 반사체(reflector)로서도 작용할 수 있는 전도성 p-접촉층(P-contact layer)(67)에 연결될 수 있다. 따라서 p-접촉층(67)은 p-GaN층(63)과 후면 패널(69) 사이의 전기적 연결 및 뷰어가 있는 반대쪽을 향해 QW(61)에 의해 방출된 광을 반사하는 반사체로서 작용할 수 있다. 이와 같이, 광 투과(light transmission)가 상당히 증가할 수 있다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 층(67)은 밴드갭 에너지가 전기 연결을 설정하는 것을 어렵게 만드는 p-도핑된 GaN과 양호한 전도성 접촉부를 제공하는 복합층(complex layer)일 수 있다. 복합층의 이 부분은 투과성(즉, 약간만 흡수)일 수 있다. 접촉층(contact layer)(67)이 단일 나노컬럼 상에 있는 것으로 도 4에 도시되어 있지만, 이것은 단일 나노컬럼의 개략도이고 층(67)이 주어진 픽셀 또는 서브픽셀의 모든 나노컬럼에 걸칠 것임을 이해할 것이다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 나노컬럼의 직경은 방출된 광자의 파장에 영향을 미친다. 도 6은 직경과 파장 사이의 관계 그래프를 보여준다. 그래프에서 알 수 있듯이 직경이 클수록 생성되는 파장이 가장 낮다. MBE 프로세스를 통해 성장되는 나노컬럼의 직경을 조절할 수 있기 때문에 발광되는 광의 컬러를 조절할 수 있다. 따라서, 각각의 파장에 대해 원하는 정확한 나노컬럼 분포를 갖는 픽셀 및 서브픽셀을 생성할 수 있다.
바람직한 실시예
모노리스 단일 프로세스 크로마틱 발광 기판(Monolith single process chromatic emission substrate).
본 발명은 나노컬럼의 선택적 영역 성장(SAG), 복수의 QW를 사용하고, 아래에 자세히 설명된 바와 같이 상단에 또 다른 III-V 구조와 p-접촉을 사용하여 III-V족 화합물 반도체로부터 모놀리식 발광체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 복수의 이들 나노컬럼은 서브픽셀을 형성할 수 있다. 이러한 서브픽셀 그룹 중 하나 이상이 픽셀을 형성한다. RGB 서브픽셀의 경우 3개 이상의 파장을 사용하기 위해 현재 기술을 사용하는 것이 가능할 수 있지만 이들은 3개이다. 원하는 파장과 각 파장 전용 나노컬럼의 수를 선택하여 디스플레이의 컬러 재현율과 효율성을 향상시키는 것도 가능하다.
프로세스는 예를 들어 사파이어 또는 실리콘 시트와 같은 프로세스 기판을 제공하는 것으로 시작한다. 음으로 도핑된 GaN의 버퍼층이 이 프로세스 기판의 한 면에 증착된다. 이 버퍼층(59)은 결국 디스플레이의 발광창이 되고 나노컬럼에 대한 공통 접촉부(common contact)가 될 것이다. 2-μm Mo의 금속층은 히터에서 프로세스 기판으로의 균일하고 효율적인 열 전달을 위해 사파이어(또는 실리콘) 기판의 뒷면에 증착될 수 있다. GaN 나노컬럼의 선택적 영역 에피택시를 위해 버퍼층(59) 상의 성장 마스크로서 얇은 Ti 층(~10nm)이 먼저 사용된다. 예를 들어, 격자 상수 "a"의 삼각형 격자에 배치된 특정 측면 크기 "d"를 갖는 나노스케일 육각형 애퍼처는 예를 들어 e-빔 리소그래피 및 반응성 이온 에칭을 사용하여 제조될 수 있다. 나노컬럼의 성장에 앞서 Ti 마스크의 질화는 성장 과정에서 균열 및 열화를 방지하기 위해 약 400°C에서 수행할 수 있다. 그런 다음, n-GaN(500nm) 및 p-GaN(270nm) 나노컬럼 세그먼트는, 예를 들어, MBE 시스템에서 약 0.6sccm의 질소 유속과 ~2.5Х10-7Torr의 Ga 유속을 사용하여, 약 980°C 및 960°C의 기판 온도에서 각각 성장할 수 있다. 여러 쌍의 InxGa1-xN(~3nm)/GaN(~3nm)은 다중 QW 활성 영역으로 n- 및 p-GaN 세그먼트 사이에 삽입될 수 있다. 활성 영역의 성장 조건은 기판 온도 약 735°C 질소 유량 약 1.2sccm이고, Ga 및 In 빔 플럭스는 각각 ~1.8 Х 10-8 Torr 및 ~9.0 Х 10-8 Torr일 수 있다. Si 및 Mg는 각각 n- 및 p-도펀트로서 사용될 수 있다. 여기에 언급된 기판 온도는 프로세스 기판 뒷면의 열전대 판독값을 나타낸다. 실제 기판 표면 온도는 기판 및 샘플 크기에 따라 약 ~100-150°C 더 낮은 것으로 추정된다. 나노컬럼이 원하는 높이로 성장하면 잔여 Ti 마스크는 세척 프로세스로 제거할 수 있다.
도 7은 본 명세서에 기술된 바와 같이 나노컬럼의 성장 완료 후에 추가될 수 있는 나노컬럼간 층을 포함하는 이 바람직한 실시예의 결과적인 구조를 예시한다. 이 실시예에서, n-접촉부는 n-GaN층일 수 있는 버퍼층(buffer layer)(59)을 통해 이루어질 수 있다. 나노컬럼 n-GaN층(65)은 이 버퍼층(59) 위에 성장되고 QW(61)는 n-GaN층(65) 위에 더 성장된다. 활성층(61) 상부에 p-GaN층(63)이 추가될 수 있다. p-접촉부 복합층(67)은 p-GaN층에 필요한 전기적 연결을 제공할 수 있으며, 그렇지 않으면 원래 출구 반대쪽을 향해 방출되기 때문에 나노컬럼을 빠져나가지 않을 광을 반사함으로써 방출된 광의 강도를 향상시킬 수 있다.
바람직한 실시예에서, p-접촉부 복합층(p-contact complex layer)(67)은 Ni층(75), Au층(73) 및 반사 금속층(reflective metal layer)(71)과 같은 다수의 층을 포함할 수 있다. 광 투과를 위해, 금속화 인터페이스층(metallization interface layer)(75 및 73)은 p-GaN에 접합되어 전류가 p-GaN과 금속 도체(metal conductor)(71) 사이에서 전도될 수 있도록 한다. p-접촉부 인터페이스층(p-contact interface layer)의 물질 두께가 중요하다. Ni/Au 층이 두꺼울수록 광의 흡수와 손실이 커진다. 바람직한 실시예는 p-접촉부의 증착을 위해 각 금속의 3nm를 사용할 수 있다. Pd와 같은 금속화 층을 위한 다른 금속이 또한 사용될 수 있다. 두 금속은 적절한 온도에서 Ni/Au가 p-GaN과 융합하는 복합체를 형성한다. 각각 약 3nm 이하의 두께에서, p-GaN과의 이러한 융합이 일어나지 않을 수 있으며 Ni/Au가 프로빙에서 살아남지 못하고 벗겨질 수 있다. 그러나, 디스플레이의 해당 측면(즉, 뷰어를 향한 출구의 반대쪽)을 향해 방출된 광이 통과하여 Au 층(73) 위에 추가된 반사(reflective) 및 전도층(conductive layer)(71)에서 반사될 수 있도록, 층이 각각 약 3nm로 유지되는 것이 최적일 수 있다. 전체 Ni/Au 층 두께가 약 6nm인 경우, 층을 통과하고 되돌아오는 광에 대해 약 10% 미만의 손실이 있을 수 있다(즉, 반사체를 향해 방광된 대부분의 광은 나노컬럼의 출구로 다시 반사된다).
광 투과를 향상시키고 전기적 절연을 보장하기 위해 각 나노컬럼 사이에 다수의 층이 있을 수 있으므로, 광을 방출하는 나노컬럼은 원하는 것으로 제한될 수 있다(즉, 전원이 공급되는 특정 전극을 통해 제어되고 인접한 전원 공급 나노컬럼에 의해 유도되지 않음). 따라서, 각 나노컬럼은 먼저 투명 절연층(transparent insulation layer)(81)으로 둘러싸일 수 있다. 절연층(81)의 외측에는 반사층(reflector layer)(79)이 추가되어 상기 반사층(reflector layer)(79)이 상기 나노컬럼 측으로 방출된 광을 나노컬럼으로 다시 반사시킬 수 있다. 따라서 반사층(79)은 더 많은 광자가 뷰어에게 도달할 수 있도록 나노컬럼의 출구를 향해 전파되는 광을 증가시킬 수 있다.
절연층(insulation layer)(81)은 SiO2를 포함할 수 있고 반사층(79)은 알루미늄(Al) 또는 가시광선 스펙트럼에 걸쳐 또는 적어도 나노컬럼의 방출 파장에 대해 반사하는 적합한 유전체 물질을 포함할 수 있다. 마지막으로, 불투명 흡수성 나노컬럼간 필러(inter-nanocolumn filler)(77)가 첨가될 수 있어, 나노컬럼 사이의 광 투과 또는 나노컬럼 사이의 틈새 공간으로부터 반사된 외부광이 없을 수 있다. 필러 물질(77)는 광 흡수를 개선하기 위해, 예를 들어 백색광에 대해 약 0.8보다 큰 흡수 계수를 제공하기 위해 흑연 또는 다른 안료를 첨가하는 옵션을 갖는 폴리이미드일 수 있다. 따라서 필러 물질은 반사 코팅을 빠져나가는 방출 잔여물과 표면의 주변으로부터 입사하는 광 모두인 광을 흡수하는 특성을 가질 수 있다.
장치 형성
나노컬럼의 반도체 기반 구조로부터 각각의 나노컬럼을 전류 인가 시 기능하는 장치로 만든 다음 디스플레이에 적합한 방식으로 광 추출을 향상시키는 것은 아래에서 설명하는 단계를 포함할 수 있고 바람직한 실시예의 일부를 형성할 수 있다. 당업자는 본 명세서에 제시된 단계의 변형이 본 개시 내용의 교시로부터 벗어나지 않고 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 디스플레이 또는 광원을 생산하는 상이한 단계는 도 5의 흐름도에 제시되어 있고 대응하는 제조 단계의 모놀리식 장치는 도 8a 내지 8h에 도시되어 있다.
단계 S1에서 지지 기판이 제공된다. 단계 S2에서, 음으로 도핑된 GaN의 균일한 층이 지지 기판 상에 성장된다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 다수의 나노컬럼이 먼저 구조 기판(structural substrate)(60) 상에 놓이는 버퍼층(59) 상에 성장된다. 기판(60)은 실리콘(Si), 사파이어 또는 버퍼 에피택셜 층을 갖는 벌크 GaN일 수 있다. GaN 나노컬럼의 선택적 영역 에피택시를 위한 성장 마스크로 사용되도록 에칭된(단계 S4) 기판 상에 마스킹 물질의 얇은 층이 증착될 수 있다(단계 S3). 마스킹 물질(masking material)는 에피택셜 성장이 더 높은 온도를 필요로 할 수 있으므로(예를 들어, 티타늄(Ti)일 수 있음) 임의의 단단한 물질일 수 있다.
MBE 프로세스를 사용하여 본 명세서에 기재된 바와 같이 나노컬럼을 성장시킨다(단계 S5). 양자 우물(QW)은 n-도핑된 GaN 나노컬럼 상에서 성장되고(단계 S6), 이어서 p-도핑된 GaN이 QW 영역 상에서 성장되어 나노컬럼을 계속 성장시킨다(단계 S7). 나노컬럼이 완성되면(즉, p-GaN층이 성장하면), 도 8b에 도시된 바와 같이 마스킹 물질이 제거될 수 있고 나노컬럼이 SiO2패시베이션층(passivation layer)으로 코팅될 수 있다(단계 S9). 패시베이션층(passivation layer)(81)은 알루미늄(Al) 또는 전기 절연 유전체일 수 있는 금속성 반사층(79)으로 코팅될 수 있다(단계 S10). 반사층(79) 및 패시베이션층(81)은 스퍼터링 프로세스를 통해 이루어질 수 있다. 도 8c는 광 흡수 물질(light absorbing material)(77)이 나노컬럼 사이 및 나노컬럼 위의 영역에 증착될 수 있는 다음 단계를 도시한다(단계 S11).
필러 흡수 물질(filler absorbing material)(77)은 예를 들어 스핀 코팅 및 베이킹에 의해 당업계에 공지된 바와 같은 임의의 적합한 증착 프로세스를 사용하여 증착될 수 있다.
평탄화(Planarization)
도 8d에 도시된 바와 같이, 웨이퍼는 나노컬럼의 상부를 노출시키기 위해 화학 기계 폴리싱/평단화(Chemical Mechanical Polishing/Planarization)(CMP) 프로세스를 사용하여 연마된다(단계 S12). 나노컬럼의 상단에 있는 p-GaN층은 그 후 추가 처리를 위해 사용할 수 있다.
P-접촉부(P-contacts)
이제 도 8e를 참조하면, 두께가 약 3nm일 수 있는 Ni(층(75), 단계 S13) 및 Au(층(73), 단계 S14)의 얇은 층이 나노컬럼의 노출된 상부에 증착될 수 있다. Ni/Au 층은 후속적으로 어닐링될 수 있다(단계 S15). 본 명세서에 기술된 바와 같이, 이것은 가시광선에 대해 매우 투명한 p-접촉부를 형성하고, Ni/Au의 금속 계면층(metal interface layer)은 왕복 광의 약 10% 미만을 흡수한다. 예를 들어 균일한 층을 증착하고 개별 접점 사이의 분리를 에칭함으로써 픽셀 또는 나노컬럼의 서브픽셀 그룹을 덮는 금속 반사 접촉부(Metal reflective contact)가 증착된다(단계 S16). 도 8e에 도시된 바와 같이, 각각의 서브픽셀은 전력이 공급될 때 전체 서브픽셀이 동시에 발광할 수 있도록 동일한 Ni/Au 75/73 층 및 금속 반사 접촉부(71)에 연결될 수 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 각각의 서브픽셀은 동일하거나 유사한 파장에서 광을 방출하는 다수의 나노컬럼으로 형성된다. 이는 단일 나노컬럼이 디스플레이 기능에 충분한 특성을 나타내기에 충분한 광을 방출하지 않을 수 있기 때문에 필요할 수 있다(즉, 단일 픽셀에 충분한 적색광을 제공하기 위해 동시에 광을 방출하는 여러 개의 적색 나노컬럼이 필요함).
Ni/Au 층(75, 73)은 원하는 p-접촉부를 생성하기 위해 450
Figure pct00001
에서 10분 동안 어닐링될 수 있다. 장치 구조를 완성하고 디스플레이의 개별 서브픽셀에 전류 경로를 제공하기 위해, 도 8f에 도시된 바와 같이 반사 및 전도층(71)이 양 전극용으로 증착될 수 있다. 픽셀 내의 서브픽셀의 모든 p-접점은 실리콘 백플레인(silicon backplane)(69) 상의 패턴과 구동 전자장치를 일치시키기 위해 연결되고 라우팅된다(단계 S17). 이 실리콘 백플레인(69)은 본 개시의 일부는 아니지만 당업계에 잘 알려져 있으며, 조명 패널의 경우 모든 서브픽셀이 유사한 방식으로 구동될 수 있는 반면, 디스플레이에서는 개별 픽셀이 어드레싱되고 구동된다. 반사 및 전도층(71)은 나노컬럼의 상부에서 나오는 광을 나노컬럼으로 다시 반사시킬 수 있다.
도 8g에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판층(Sapphire substrate layer)(60)은 웨이퍼로부터 제거될 수 있다(예를 들어, 사파이어 층을 제거하기 위한 리프트오프, 단계 S18). 음극의 경우, 나노컬럼의 발광 구조 하단에 있는 n-GaN 공통층(즉, 버퍼층(59))은 이후에 전원 소스(electrical power source)(85)의 공통 소스(common source)에 연결될 수 있다. 당업자는 각각의 나노컬럼의 음극 및 양극이 뒤바뀔 수 있으며, 동일한 것이 실리콘 백플레인 및 나노컬럼의 교대 설계에 의해 결정된다는 것을 인식할 것이다.
결과적인 일체형 디스플레이 또는 그 일부는 이제 방출되는 광으로 완성되어 도 8h에 도시된 바와 같이 디스플레이의 사용자에게 보일 수 있다.
상술한 제조 프로세스는 n-도핑된 버퍼층 상에 나노컬럼을 성장시키는 것을 포함하지만, p-도핑된 나노컬럼을 성장시키는 것으로 시작할 수 있음을 이해할 것이다. 이 경우 모놀리식 장치의 n-도핑된 상단 표면은 p-도핑된 상단 표면 대신 연마된다. 일반적인 전기 접촉부의 경우 나노컬럼을 가로지르는 n-도핑된 층이 없으므로 장치의 n-도핑된 면 위에 투명 전극을 증착할 수 있다. p-도핑된 표면의 경우, 지지 기판에서 분리되고 연마되어 나노컬럼의 p-도핑된 끝이 노출된다. 접점의 금속화 및 증착은 위에서 설명한 것과 동일하다.
서브픽셀당 나노컬럼 수
각 서브픽셀의 나노컬럼 수는 다음 방정식을 사용하여 결정할 수 있다.
Nλx = P'λx / (PnwХ Rλx),
여기서 Nλx는 서브픽셀에서 나노컬럼의 수이고, P'λx는 서브픽셀에 의한 유효 전력 출력(effective power output)이고, Pnw는 Vfd에서 단일 나노컬럼에 의한 최대 전력 출력(maximum power output)이고, Rλx는 서브픽셀에서 방출되는 광에 대한 인간의 눈의 상대적 광도 감도(relative photometric sensitivity)이다. 디스플레이는 각각 적색광, 녹색광 및 청색광을 방출하도록 구성된 3개의 서브픽셀을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 나노컬럼 기반 디스플레이(nanocolumn-based display)는 복수의 픽셀 - 각각의 픽셀은 5개의 서브픽셀을 포함하고, 각각은 복수의 나노컬럼을 포함하고, 각각의 복수의 나노컬럼은 특정 파장에서 광을 방출하도록 구성됨 -, 디스플레이의 모든 나노컬럼에 연결된 백플레인, 단일 픽셀의 단일 서브픽셀의 나노컬럼에 각각 연결된 복수의 접촉부를 포함하고, 5개의 서브픽셀 각각은 서로 다른 수의 나노컬럼을 포함한다. 5개의 서브픽셀 중 첫 번째는 약 700nm에서 광을 방출할 수 있고, 5개의 서브픽셀 중 두 번째는 약 610nm에서 광을 방출할 수 있고, 5개의 서브픽셀 중 3번째는 약 565nm에서 광을 방출할 수 있고, 5개의 서브픽셀 중 4번째는 광을 방출할 수 있고, 5개의 서브픽셀 중 5번째는 약 400nm에서 광을 방출할 수 있다. 제1 서브픽셀 및 제5 서브픽셀 각각은 제2 서브픽셀, 제3 서브픽셀 또는 제4 서브픽셀보다 더 많은 나노컬럼을 포함할 수 있다.
디스플레이는 각각의 픽셀에서 5개의 서브픽셀 중 어느 것이 활성화되는지를 제어하도록 구성된 제어 시스템(control system)을 포함할 수 있다. 이 제어 시스템은 디스플레이 주변 환경의 밝기가 임계값 이상인지 또는 임계값 미만인지를 감지하도록 구성된 환경 밝기 센서를 포함할 수 있다. 제어 시스템은 휘도가 임계값 미만인 경우 5개의 서브픽셀 모두를 활성화하고, 휘도가 임계값을 초과하는 경우 제2 서브픽셀, 제3 서브픽셀 및 제4 서브픽셀만 활성화하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 나노컬럼 기반 디스플레이(nanocolumn-based display)를 제조하는 방법은 디스플레이의 각 픽셀에서 서브픽셀의 수 m, 서브픽셀 x가 파장 λ에서 발광하는 파장 λx 및 서브픽셀 x가 파장 λ에서 발광하는 최대 작동 전력 P'λx를 결정하는 단계, 디스플레이가 작동하는 전압 Vfd 에서 나노컬럼이 광을 방출하는 전력 Pnw 및 각 λx에 대한 파장 λx의 광에 대한 인간의 눈의 상대적 광도 감도(relative photometric sensitivity) Rλ를 식별하는 단계, 각각의 서브픽셀에서 나노컬럼의 수 Nλx를 계산하는 단계 - 계산하는 단계는 방정식 Nλx= P'λx / (Pnw Х Rλx )을 푸는 것을 포함함 -, 각각 m개의 서브픽셀을 갖는 픽셀에 배치된 나노컬럼의 패턴을 결정하는 단계 - 패턴은 각각의 파장 λx에 대해 픽셀당 Nλx나노컬럼을 제공함 -, 및 결정된 패턴으로 기판에 나노컬럼을 성장시키는 단계를 포함한다.
도 9는 나노컬럼 기반 디스플레이(nanocolumn-based display)(150)의 개략도를 보여준다. 도 9와 관련하여 전술한 바와 같이, 디스플레이(150)는 픽셀(pixel)(151)의 2차원 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 픽셀(151)은 하나 이상의 서브픽셀(subpixel)(111a, 111b, 111c)을 포함할 수 있다. 각각의 서브픽셀(111a, 111b, 111c)은 원하는 파장 λa, λb, λc에서 광을 방출하는 나노컬럼 그룹을 포함할 수 있다. 각 그룹의 총 나노컬럼 수는 서브픽셀(111a, 111b, 111c)이 원하는 최대 광도로 발광할 수 있도록 선택될 수 있다. 원하는 총 최대 광도는 디스플레이가 사용될 주변 환경에 의해 결정될 수 있다. 그러면 픽셀의 광도는 간단히 L/T이고, 여기서 L은 디스플레이의 전체 광도이고 T는 디스플레이의 픽셀 수이다.
도 9에 표시된 대로 디스플레이를 설계하려면 "주어진 값(Given Values)" 아래에 나열된 값을 선택하고 "알려진 값(Known Values)" 아래에 나열된 속성을 결정하고 "계산된 값(Calculated Values)" 아래에 나열된 값을 계산해야 할 수 있다. 주어진 값과 알려진 값은 Nλ1, Nλ2 ... Nλm 을 계산하는 데 사용될 수 있고, 여기서 m은 디스플레이의 각 픽셀에 있는 서브픽셀의 수이고 Nλx는 디스플레이의 각 서브픽셀에 필요한 파장 λx에서 광을 방출하는 나노컬럼의 수이다. 서브픽셀당 나노컬럼의 수를 결정한 후 서브픽셀의 크기와 면적은 서브픽셀 간 거리(디스플레이의 콘트라스트에 영향을 줄 수 있음)에 따라 선택할 수 있다.
예시적인 계산이 아래에 제공된다.
나노컬럼 기반 디스플레이 디자인의 예
첫 번째 예시적인 디스플레이는 도 10에 도시되어 있으며 표준 RGB 디스플레이와 유사하다. 전술한 바와 같이, 디스플레이(150)의 각 픽셀(151)은 적색 서브픽셀(red subpixel)(111a), 녹색 서브픽셀(green subpixel)(111b) 및 청색 서브픽셀(blue subpixel)(111c)을 포함한다. 따라서, 디스플레이(150)에 대해 다음 값들이 선택되고 결정될 수 있다:
T = 1,125픽셀 * 2,436픽셀 = 2,740,500픽셀
L = 5,000니트(nit) = 92와트
m = 3개의 서브픽셀
λ1= 635나노미터(적색)
λ2= 530나노미터(녹색)
λ3= 450나노미터(청색)
Lp = L/T = 92/2,740,500 = 33.5x10-6 W = Pp;
여기서 픽셀당 광도 LP는 와트 단위로 측정된 픽셀당 전력 출력 PP 와 같다. 이제 우리는 나노컬럼이 서로 다른 Vfd및 전류 밀도에서 각각 다른 파장인 최대 작동 지점에서 작동하는 것으로 간주한다. 모두 같은 양의 전력을 생산한다. 따라서, 서브픽셀당 원하는 전력은 P'λ1= P'λ2 = P'λ3 = 33.5 x10-6/3 = 11.1 x10-6 와트이다.
그런 다음 인간 눈의 원뿔의 서로 다른 상대적 반응에 대해 전력을 정규화해야 한다. R635 = 0.75이고; R530 = 1이고; R450 = 0.26이다. 이러한 파장의 광에 대한 눈의 상대적 광도 감도는 위에서 논의된 인간 눈의 특성을 기반으로 할 수 있다.
Pp= Pnwλ1 + Pnwλ2 + Pnwλ3 이므로, 측정값에서 Pnwλ1 = Pnwλ2 = Pnwλ3 = 1 x10-6W를 얻는다.
따라서 각 서브픽셀에 필요한 각 파장에서 광을 방출하는 나노컬럼의 수는 다음과 같이 계산할 수 있다:
N635 = (P'635 / (Pnw λ1 x R635)) = (11.1 x10-6 / (1 x10-6 x 0.75)) = 14.8 = 15
N530 = (P'530 / (Pnw λ2 x R530)) = (11.1 x10-6 / (1 x10-6 x 1)) = 11
N450 = (P'450 / (Pnw λ3 x R450)) = (11.1 x10-6 / (1 x10-6 x 0.26)) = 42.7 = 43
위의 계산에 기초하여, 디스플레이(150)의 각 픽셀(151)은 635nm에서 광을 방출하는 15나노컬럼(적색광), 530nm에서 광을 방출하는 11나노컬럼(녹색광) 및 450nm에서 광을 방출하는 43나노컬럼(청색광)을 포함하도록 설계될 것이다. 위의 계산을 보면 Rλx값에서 가장 큰 변동이 발생한다는 것을 알 수 있다. 이러한 값을 기반으로 디스플레이에 가장 많은 청색 나노컬럼이 필요하고 가장 적은 녹색 나노컬럼이 필요하다는 것은 놀라운 일이 아니다. 도 10의 확장된 픽셀(151)은 이러한 계산에 기초하여 적색 나노컬럼, 녹색 나노컬럼 및 청색 나노컬럼의 비율을 대략적으로 도시한다.
이 예에서 설명하는 디스플레이는 현재 RGB 디스플레이와 유사할 수 있다. 그러나 이러한 디스플레이에 비해 몇 가지 이점을 제공할 수도 있다. 첫째, 이 디스플레이는 나노컬럼이 마이크로 LED보다 낮은 전압을 필요로 하기 때문에 전력을 덜 소비할 수 있다. 이는 스마트폰 및 웨어러블 장치와 같은 휴대용 장치에 특히 유리할 수 있으며, 이는 배터리 전원에 의존하는 것이며; 따라서 이 디스플레이는 배터리 수명을 연장할 수 있다. 둘째, 이 디스플레이는 모든 나노컬럼이 단일 기판에서 성장할 수 있기 때문에 마이크로 LED 디스플레이보다 제작이 더 쉬울 수 있다. 이는 디스플레이 비용을 크게 줄일 수 있다.
나노컬럼 기반 디스플레이 설계의 예 2
두 번째 예시적인 디스플레이는 도 11에 도시되어 있으며 강화된 에너지 효율적인 5색 디스플레이(enta-chromatic display)를 제공한다. 디스플레이(150)의 각 픽셀(151)은 파장이 각각 635nm, 530nm, 450nm, 570nm 및 420nm인 5개의 서브픽셀(111a, 111b, 111c, 111d, 111e)을 포함할 수 있다. 처음 3개의 서브픽셀은 가시 스펙트럼의 실질적인 부분인 광을 제공하기 위해 조합될 수 있는 파장의 광을 방출할 수 있다. 이러한 서브픽셀은 포함된 나노 열의 수를 포함하여 첫 번째 예에서와 동일하다.
나머지 2개의 서브픽셀은 적색 및 청색 원뿔에 대한 최대 감도의 파장에 해당하는 광을 방출할 수 있다. 최대 감도에서 사람의 눈에 동일한 효과를 내기 위해서는 더 적은 광도가 필요하다. 이것은 낮은 전류로 변환되어 전력 소비를 줄이다. 원뿔의 민감도가 높을수록 이 두 서브픽셀의 나노컬럼 수가 줄어든다.
픽셀에서 원하는 컬러를 얻기 위해 이러한 5개 서브픽셀의 강도를 선택하는 데 알고리즘이 사용될 수 있다. 일부 애플리케이션에서는 각각의 원뿔이 감도가 낮은 적색 및 청색 서브픽셀을 반드시 사용하지 않을 수 있다. 원하는 컬러에는 필요하지 않다. 더 높은 감도의 서브픽셀을 대신 사용할 수 있다.
모든 컬러에 대해 동일한 최고 밝기를 제공하기 위해 제1 및 제3 파장에 대해 충분한 나노컬럼을 제공하는 것이 가능하지만, 낮은 강도의 디스플레이가 허용되는 실내 또는 헤드 마운트 디스플레이 애플리케이션을 위해 전체(또는 거의 전체) CIE 컬러 영역 디스플레이가 예비될 수도 있다. 스마트폰, 태블릿, 웨어러블 장치 및 그래픽 디스플레이는 일광 및 극단적인 직사광선에 노출되었을 때 작동해야 하기 때문에 더 높은 디스플레이 밝기가 필요하다. 이러한 밝기는 원뿔이 더 민감한 다른 선택된 파장에 대해 예비될 수 있으므로 이러한 파장이 동일한 전체 또는 거의 전체 CIE 컬러 영역을 달성할 수 없는 경우에도 디스플레이 전력을 절약할 수 있다.
저휘도 체제(low brightness regime)와 고휘도 체제(high brightness regime)가 제공되는 경우, 서브픽셀에 대한 구동 신호 전력의 분배는 체제에 따라 변한다는 것을 알 수 있을 것이다. 저휘도 체제에서는 모든 서브픽셀이 원하는 픽셀 컬러를 제공하는 데 사용된다. 고휘도 체제에서 보라색 및 진적색 서브픽셀은 꺼져 있거나 감소된 CIE 컬러 영역 내에서 원하는 컬러로 픽셀의 밝기에 대한 기여도를 줄이는 데 사용된다.
위에서 논의한 두 가지 다른 컬러 영역을 달성하기 위해 디스플레이는 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다. 제어 시스템은 화면이 보여지는 밝기를 감지하도록 구성된 환경 밝기 센서(brightness sensor)를 포함할 수 있다. 밝기 센서가 특정 임계값 미만의 밝기를 감지하면 제어 시스템은 디스플레이에 5개의 서브픽셀을 모두 사용하도록 명령(command)할 수 있다. 이 명령은 5개의 모든 서브픽셀에 전압을 제공하여 수행할 수 있다. 밝기 센서가 임계값 이상의 밝기를 감지하면 제어 시스템은 예를 들어 해당 서브픽셀에만 전압을 제공하여 3개의 서브픽셀만 사용하도록 디스플레이에 명령할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 시스템은 사용자가 2개의 상이한 체제 사이에서 수동으로 전환할 수 있게 하는 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다.
당업자는 여기에서 논의된 제어 시스템이 다양한 환경 조명에서 다양한 컬러 구성표를 제공하기 위해 다양한 서브픽셀 구성과 함께 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 이는 본 발명에 따른 디스플레이가 넓은 컬러 영역을 표시하면서 매우 효율적이 되도록 할 수 있다. 또한, 그러한 제어 시스템은 임의의 수의 디스플레이 방식 사이에서 디스플레이를 전환하는 데 사용될 수 있으며 임의의 환경 센서에 의존할 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 11에 예시된 디스플레이는 거의 전체 가시 스펙트럼을 따라 광을 제공하면서 매우 효율적일 수 있다. 635nm, 530nm 및 450nm에서 광을 방출하는 서브픽셀(111a, 111b, 111c)은 이러한 기본 파장에 의해 정의된 임의의 컬러를 생성하도록 결합될 수 있으며 CIE 컬러 공간 차트에서 볼 수 있다. 각각 570nm 및 420nm에서 서브픽셀(111d 및 111e)은 이들 서브픽셀에 의해 생성될 수 있는 컬러 공간이 크지 않기 때문에 전력 소비를 줄이기 위한 것이나 처음 3개의 530nm 이미터와 결합된 청색 및 적색 원뿔의 최고 감도에 있으면 매우 효율적이다.
530nm, 420nm 및 570nm는 원뿔 활성화의 피크에 가깝기 때문에, 이러한 파장을 방출하는 서브픽셀은 원하는 광도를 달성하기 위해 매우 적은 전력과 적은 나노컬럼을 필요로 한다. 이것은 이러한 파장에서 광을 방출하는 더 적은 나노컬럼이 필요한 도 11에서 볼 수 있다. 635nm 및 450nm는 원뿔에 대한 활성화 피크 근처가 아니므로 635nm 및 450nm에서 발광하는 서브픽셀(111a, 111c)은 더 많은 전력 및 더 많은 나노컬럼을 필요로 할 수 있다.
일부 실시예에서, 나노컬럼 기반 디스플레이는 콘트라스트를 개선하도록 처리될 수 있다. 콘트라스트은 이미지의 하이라이트와 섀도우(shadow) 사이의 차이 및/또는 디스플레이에서 방출되는 광과 배경의 광도 사이의 차이일 수 있다. 콘트라스트는 비율로 측정할 수 있다. 콘트라스트는 디스플레이로부터 반사된 주변광 및 나노컬럼으로부터 나노컬럼 사이의 공간으로 누출되는 임의의 광으로부터의 양에 의해 제한될 수 있다.
나노컬럼 기반 디스플레이의 콘트라스트는 다음 방법 중 하나 이상을 사용하여 향상될 수 있다. 먼저, 콘트라스트 향상 컬러 필터(contrast enhancement color filter)가 방출 표면에 위치될 수 있다. 이러한 필터는 디스플레이 컬러와 일치하는 필터 컬러를 선택하여 콘트라스트를 향상시킬 수 있다. 예를 들어 3개의 서브픽셀을 사용하는 RGB 디스플레이에 대해 적색, 청색 및 녹색 필터를 선택할 수 있다. 이러한 필터는 다른 컬러의 모든 주변광을 제거하고 필터를 통해 전달되는 광의 일부를 흡수할 수 있다. 그 결과 배경이 검게 변하고 디스플레이 컬러가 더 밝게 나타날 수 있다. 둘째, 광 제어 필름 코팅(light control film coating)(반사 방지 필름(antireflective film)이라고도 함)이 디스플레이의 전면에 적용될 수 있다. 이러한 코팅은 나노컬럼 사이의 공간에서 방출된 광자를 흡수함으로써 픽셀 사이의 영역에서 주변광을 흡수할 수 있다. 셋째, 편광판(light polarizer)이 사용될 수 있다. 편광판을 통과한 후 주변광이 수정되어 필터에 갇힐 수 있다. 필터를 통과한 픽셀 광은 주변광에 의해 생성된 어두운 배경에 대해 밝은 광으로 나타날 수 있다.
나노컬럼 벽을 통해 빠져나가는 광의 배경 방출은 나노컬럼 사이의 공간을 흡광 물질로 채움으로써 감소될 수 있다. 이는 측벽 방출을 줄이고 콘트라스트를 증가시킬 수 있다. 그러한 방법은 측벽으로부터 방출되는 광자를 다시 나노컬럼으로 반사시키기 위해 다른 곳에서 기술된 방법에 더하여 사용될 수 있으며, 이는 또한 더 높은 콘트라스트에 기여할 수 있다.
위에서 설명한 제조 방법 및 결과 특성은 스마트폰 디스플레이와 같은 디스플레이 역할을 하는 나노컬럼 장치에 적용될 수 있다. 또한 조명이나 광원으로 제작된 장치와 디지털 카메라의 뷰 파인더 및 가상/증강 현실 헤드 마운트 디스플레이 또는 기타 유사한 목적을 위한 마이크로 디스플레이에 사용될 수 있는 레티나(retina) 또는 표면에 이미지를 투사하는 데 사용되는 장치에도 적용될 수 있다. 이러한 장치에서 나노컬럼은 유사하게 제작되며 원하는 컬러 영역 및 강도에 대해 그룹이 생성된다. 여기에 설명된 계산은 또한 모든 유형의 나노컬럼 장치에 적용될 수 있다.
조명 장치의 경우 두 가지 이상의 컬러를 사용하여 컬러 온도를 조정할 수 있다. 더 많은 파장을 사용하면 자연광의 경우처럼 더 자연스럽게 느껴지는 조명을 제공할 수 있다. 드라이버는 원하는 경우 컬러 온도를 변경하기 위해 서로 다른 파장 나노컬럼의 각 그룹에 제어되고 가변적인 전류를 제공할 수 있으며, 또는 장치는 고정된 파장 구성을 제공하도록 설계될 수 있다. 광학 배치가 장치에서 나오는 광 출력을 혼합할 때, 서로 다른 파장 그룹의 나노컬럼을 장치를 직접 볼 때 별개의 컬러 블록으로 인지되지만 단일 조명 색조를 나타내도록 광학 배치에 의해 혼합되는 큰 블록 또는 매크로 서브픽셀로 배치하는 것이 가능하다(밀접한 인터리브 서브픽셀을 제공하는 대신).

Claims (23)

  1. 나노컬럼 장치에 있어서,
    갈륨-질화물(GaN) 나노컬럼의 어레이;
    공통 투명 접촉부;
    GaN 나노컬럼의 상기 어레이의 제2 단부에 있는 금속 코팅;
    반사 전도성 접촉부의 어레이;
    드라이버 반도체 기판
    을 포함하고,
    상기 GaN 나노컬럼은의 각각은,
    음으로 도핑된 제1 단부, 양으로 도핑된 제2 단부, 및 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 발광 영역;
    상기 GaN 나노컬럼의 각각의 전체 길이에 걸쳐 측벽 표면을 접촉하고 덮는 절연 물질층 - 상기 전체 길이는 상기 제1 단부, 상기 제2 단부 및 상기 발광 영역 위로 연장됨 -; 및
    상기 나노컬럼의 광을 출구 윈도우로 안내하는 것을 돕기 위해 상기 절연 물질층과 접촉하고 덮는 반사 물질층
    을 포함하고,
    상기 GaN 나노컬럼의 어레이는,
    격자간 필러 물질을 갖고,
    상기 발광 영역으로부터 방출된 광은,
    상기 나노컬럼 내에서 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부로 안내되고,
    상기 공통 투명 접촉부는,
    GaN 나노컬럼의 상기 어레이의 제1 단부를 덮고, 상기 광에 대한 상기 출구 윈도우를 제공하고,
    상기 금속 코팅은, 상기 발광 영역으로부터 방출된 상기 광의 흡수율이 낮을 정도로 충분히 얇으면서 GaN 나노컬럼의 상기 어레이의 상기 제2 단부에 접합(bond)하기에 충분한 두께를 가지고,
    상기 반사 전도성 접촉부의 각각은,
    상기 광을 상기 출구 윈도우로 반사시키기 위한 픽셀 또는 서브픽셀을 나타내는 다수의 상기 GaN 나노컬럼의 상기 금속 코팅을 덮고,-
    상기 금속 코팅은,
    상기 나노컬럼의 양으로 도핑된 GaN과 상기 반사 전도성 접촉부 사이에 감소된 전기 저항을 제공하고,
    상기 드라이버 반도체 기판은,
    반사 전도성 접촉부의 상기 어레이에 연결된 표면 접촉부를 갖는
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공통 투명 접촉부는,
    GaN 나노컬럼의 상기 어레이의 상기 제1 단부를 덮는 음으로 도핑된 GaN의 층을 포함하는
    장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    GaN 나노컬럼의 상기 어레이는,
    절연 물질로 코팅되고,
    상기 절연 물질은,
    상기 나노컬럼의 광을 상기 출구 윈도우로 안내(guide)하는 것을 돕기 위해 반사 물질로 코팅되는
    장치.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 격자간 필러 물질은,
    흡광 물질을 포함하는
    장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    GaN 나노컬럼의 상기 어레이는,
    상이한 폭 치수를 갖고 상이한 컬러로 발광하는 서브픽셀 그룹을 포함하는
    장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노컬럼의 상기 발광 영역은,
    상기 제1 단부 및 상기 제2 단부로 향하는 광을 방출하기 위해 극성 c-평면 또는 반극성 평면에 있는
    장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 코팅은,
    GaN 나노컬럼의 상기 어레이의 상기 제2 단부에 접합(bond)되도록 열처리된 니켈 및 금을 포함하는
    장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속 코팅은,
    두께가 약 6 nm이고,
    거의 동일한 양의 니켈 및 금을 함유하는
    장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    반사 전도성 접촉부의 상기 어레이는,
    픽셀 어레이로 배치되고,
    상기 드라이버 반도체 기판은,
    이미지 디스플레이 장치를 제공하도록 구성되는
    장치.
  10. 제9항에 있어서,
    갈륨-질화물(GaN) 나노컬럼의 상기 어레이는,
    컬러 이미지 디스플레이 장치를 제공하기 위해 서브픽셀 그룹으로 배치되는
    장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 서브픽셀 그룹은 4개 이상인
    장치.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    반사 전도성 접촉부의 상기 어레이는,
    상이한 컬러를 제공하기 위해 갈륨-질화물(GaN) 나노컬럼의 상기 어레이의 그룹을 구동하도록 구성되고,
    상기 드라이버 반도체 기판은,
    가변 컬러 조명 장치를 제공하기 위해 상기 그룹에 상이한 전압을 제공하도록 구성되는
    장치.
  13. 모노리식 나노컬럼 발광 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    갈륨-질화물(GaN) 나노컬럼의 어레이의 p-도핑된 단부에 금속 코팅을 적용하는 단계
    를 포함하고,
    상기 금속 코팅은,
    상기 GaN 나노컬럼의 발광 영역으로부터 방출된 광의 흡수율이 낮을 정도로 충분히 얇으면서 GaN 나노컬럼의 어레이의 p-도핑된 단부에 접합하기에 충분한 두께를 가지고,
    상기 방법은,
    GaN 나노컬럼의 상기 어레이의 각각의 나노컬럼을 절연 물질로 코팅하는 단계 - 상기 절연 물질은 각각의 나노컬럼의 전체 길이에 걸쳐 측벽 표면을 덮고, 상기 전체 길이는 상기 GaN 나노컬럼 각각의 n-도핑 단부, 발광 영역 및 p-도핑 단부에 걸쳐 연장됨 -, 및
    상기 나노컬럼 내의 광을 출구 윈도우로 안내하는 것을 돕기 위해 GaN 나노컬럼의 상기 어레이의 각각의 나노컬럼의 상기 절연 물질을 반사 물질로 코팅하는 단계, 및
    상기 나노컬럼 내의 광을 출구 윈도우로 안내하는 것을 돕기 위해 상기 GaN 나노컬럼의 어레이의 각각의 나노컬럼을 각 나노컬럼의 전체 길이에 걸쳐 측벽 표면을 덮는 유전체 반사 물질로 코팅하는 단계 - 상기 전체 길이는 n-도핑된 단부, 발광 영역 및 상기 GaN 나노컬럼 각각의 상기 p-도핑된 단부에 걸쳐 연장됨 -
    중 하나를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 광을 상기 출구 윈도우로 반사시키기 위한 픽셀 또는 서브픽셀을 나타내는 다수의 상기 GaN 나노컬럼의 상기 금속 코팅을 각각 덮는 반사 전도성 접촉부의 어레이를 적용하는 단계 - 상기 금속 코팅은 상기 나노컬럼의 p-도핑된 GaN와 반사 전도성 접촉부 사이에 감소된 전기 저항을 제공함 -
    를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    n-도핑된 GaN의 버퍼층 상에 GaN 나노컬럼의 상기 어레이를 성장시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 n-도핑된 GaN은,
    공통 접촉부 및 상기 출구 윈도우를 제공할 수 있는
    방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    반사 전도성 접촉부의 상기 어레이에 연결된 표면 접촉부를 갖는 드라이버 반도체 기판을 부착하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  16. 제13항, 제14항 또는 제15항에 있어서,
    GaN 나노컬럼의 상기 어레이를 절연 물질로 코팅하는 단계; 및
    상기 나노컬럼의 광을 상기 출구 윈도우로 안내하는 것을 돕기 위해 상기 절연 물질을 반사 물질로 코팅하는 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 제13항, 제14항 또는 제15항에 있어서,
    GaN 나노컬럼의 상기 어레이를 유전체 반사 물질로 코팅하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    GaN 나노컬럼의 상기 어레이 사이의 공간을 격자간 필러 물질로 채우는 단계
    를 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 필러 물질은,
    광 흡수 물질인
    방법.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    GaN 나노컬럼의 상기 어레이는,
    상이한 폭 치수를 갖고, 상이한 컬러로 발광하는 서브픽셀 그룹을 포함하는
    방법.
  21. 제13항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노컬럼의 상기 발광 영역은,
    상기 제1 단부 및 상기 제2 단부로 향하는 광을 방출하기 위해 극성 c-평면 또는 반극성 평면에 있는
    방법.
  22. 제13항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 코팅은,
    니켈 및 금을 포함하고,
    상기 니켈이 먼저 증착되고,
    상기 금이 상기 니켈 상에 증착되고, GaN 나노컬럼의 어레이의 p-도핑된 단부에 접합하기 위해 열처리되는
    방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 금속 코팅은,
    두께가 약 6 nm이고,
    거의 동일한 양의 니켈 및 금을 함유하는
    방법.
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