KR20230113558A - 마이크로 led 빔 시준 - Google Patents
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Abstract
제1 층의 발광 표면으로부터 광을 방출하도록 구성된 복수의 발광 다이오드를 갖는 제1 층을 포함하는 발광 다이오드 어레이를 제조하는 방법으로서, 이 방법은, 제1 층의 발광 표면 위에 유전체 재료의 층을 증착하는 단계; 및 유전체 재료의 층을 통해 연장되는 복수의 애퍼처를 형성하는 단계로서, 각 애퍼처는 적어도 부분적으로 반사성인 내부 표면을 가지는, 단계를 포함하고, 복수의 애퍼처 중 적어도 하나의 애퍼처는 발광 다이오드로부터 방출되는 광이 적어도 하나의 애퍼처를 통과할 때 시준되도록 제1 층의 복수의 발광 다이오드 중 하나의 발광 다이오드 상에 중심을 두고 정렬된다.
Description
본 개시내용은 LED 어레이, 모놀리식 LED 어레이를 포함하는 LED 디바이스 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 발광이 개선된 LED 어레이를 제공한다.
마이크로 발광 다이오드(LED) 어레이는 크기가 100×100 ㎛2 이하인 LED 어레이로 정의될 수 있다. 마이크로 LED 어레이는 웨어러블 디스플레이, 헤드업 디스플레이, 캠코더, 뷰파인더, 멀티사이트 여기 소스(multisite excitation source) 및 피코 프로젝터와 같은 다양한 디바이스에 통합될 수 있는, 자체 발광 마이크로 디스플레이 및 프로젝터와 같은 수많은 상업용 애플리케이션 및 군사용 애플리케이션을 위해서 개발되고 있다.
Ⅲ족 질화물계 마이크로 LED는, 활성 발광 영역에 GaN, 및 InN 및 AlN과의 합금을 포함하는 무기 반도체 LED이다. Ⅲ족 질화물계 마이크로 LED는, 종래의 대면적의 LED, 특히 발광층이 유기 화합물인 유기 발광 다이오드(OLED)보다 훨씬 더 높은 전류 밀도에서 구동되고, 더 높은 광 전력 밀도를 방출할 수 있기 때문에 인기가 있다. 그 결과, 주어진 방향에서 광원의 단위 면적당 방출되는 광량으로 정의되고, 제곱미터당 칸델라(cd/㎡)로도 측정되며, 흔히 Nit(nt)로 지칭되는 더 높은 휘도(명도)는, 마이크로 LED를 높은 명도를 필요로 하거나 높은 명도로부터 이득을 얻는 응용분야, 예로서 고 명도 환경에서의 디스플레이 또는 프로젝션에 적합하게 한다.
또한, Ⅲ족 질화물 마이크로 LED에서 와트당 루멘(lm/W)으로 표현되는 높은 발광 효율은, 다른 광원에 비해 전력 사용량을 낮추고, 마이크로 LED를 특히 휴대용 디바이스에 적합하게 한다. 게다가, Ⅲ족 질화물의 고유한 재료 특성으로 인해, 마이크로 LED는 높거나 낮은 온도 및 습도와 같은 극한 조건에서 동작될 수 있으므로 웨어러블 및 실외 응용분야에서 성능 및 신뢰성의 이점을 제공한다.
발광 다이오드(LED) 디바이스가 광범위한 적용을 위한 효율적인 광원을 제공한다는 것이 추가로 알려져 있다. (더 작은 발광 표면적을 갖는) 더 작은 LED의 생산 및 다양한 파장의 LED 이미터를 어레이에 통합하는 것과 함께, LED 광 생성 효율 및 추출의 증가로 인해 특히 디스플레이 기술에서의 다수의 응용분야에 고품질 컬러 어레이를 제공하게 되었다.
증강 현실(Augmented Reality), 병합 현실(Merged Reality), 가상현실(Virtual Reality), 그리고 스마트 워치 및 모바일 디바이스와 같은 다이렉트 뷰 디스플레이(Direct View Display)를 포함하는 다양한 응용분야에서의 사용을 위해 여러 디스플레이 기술이 고려되고 마이크로 LED 디스플레이에 사용되고 있다. DMD(Digital Micro Mirrors) 및 LCoS(Liquid Crystal on Silicon)와 같은 기술은, 외부 광원이 시간 순차 모드에서 적색, 녹색 및 청색 광자를 생성하도록 사용되고 픽셀이 광학 소자로부터 광을 우회시키거나(DMD) 또는 이미지를 형성하기 위해 픽셀의 명도를 조정하도록 광을 흡수하는(LCoS) 반사 기술에 기초한다. 액정 디스플레이(LCD)는 일반적으로 백라이트(back light), 어드레스 가능한 백플레인(addressable back plane) 상의 LCD 패널 및 컬러 필터를 사용하여 이미지를 생성한다. 개별 픽셀을 켜고 끄며 비디오의 각 프레임에 대한 개별 픽셀의 명도를 조정하기 위해서 백플레인이 필요하다. OLED(Organic Light Emitting Diode) 또는 AMOLED(Active Matrix OLED)와 같은 발광 디스플레이 기술의 사용이 증가하고 있으며, 최근에는 Micro LED가 무선 마이크로 디스플레이 응용분야에 대한 더 낮은 전력 소비 및 보다 높은 이미지 대비를 제공한다. 특히 마이크로 LED는 마이크로 OLED 및 AMOLED 디스플레이보다 더 높은 효율 및 더 우수한 신뢰성을 제공한다.
표준 마이크로 LED는 120도의 반치전폭(FWHM; Full-Width-Half-Maximum)인 람베르시안 방출(Lambertian emission)에 근접한 각도 분포로 광을 방출한다. 마이크로 LED 발광 디스플레이를 프로젝션 및/또는 릴레이 렌즈에 결합할 때, 렌즈의 허용 각도 내에 있는 광만이 사용된다. 예를 들어 일반적인 F/3 렌즈는 약 ±9.5도의 허용 각도를 갖는다. 람베르시안 마이크로 LED에 의해서 방출되는 광의 2.7%만이 ±9.5도 이내이고 97.3%의 나머지 광은 모두 손실된다.
기존의 솔루션은 시준(collimation)을 수행하기 위해 추가 광학 요소를 사용하는 것에 주로 의존한다. 이러한 광학 요소는 일반적으로 방출된 광을 시준하도록 각 마이크로 렌즈가 개별 마이크로 LED와 정렬되는 마이크로 렌즈 어레이로 구성된다. 마이크로 LED 디바이스와 광학 구성요소 사이의 기계적 정렬은 시준된 빔 분포를 (마이크로 LED 방출 영역에 수직인) 광학축을 중심으로 유지하기 위해서 (3 미크론의 픽셀 피치에 대해 0.25 미크론 이내의) 높은 정밀도를 필요로 한다.
전술된 문제들 중 적어도 일부를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 양태에 따르면, 제1 층의 발광 표면으로부터 광을 방출하도록 구성된 복수의 발광 다이오드를 갖는 제1 층을 포함하는 발광 다이오드 어레이를 제조하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 제1 층의 발광 표면 위에 유전체 재료의 층을 증착하는 단계; 유전체 재료의 층을 통해 연장되는 복수의 애퍼처를 형성하는 단계로서, 각 애퍼처는 적어도 부분적으로 반사성인 내부 표면을 가지는, 단계를 포함하고, 복수의 애퍼처 중 적어도 하나의 애퍼처는 발광 다이오드로부터 방출되는 광이 적어도 하나의 애퍼처를 통과할 때 시준되도록 제1 층의 복수의 발광 다이오드 중 하나의 발광 다이오드 상에 중심을 두고 정렬된다.
유리하게는, 이러한 방법은 높은 광학 효율을 갖는 LED 디바이스의 대량 제조에 매우 적합하고 시준을 통해 좁은 빔 방출 분포를 획득하는 단일 마이크로-LED 디바이스를 제공하며, 여기서 시준은 좁은 방출 분포를 획득하기 위해 추가의 광학 요소가 요구되지 않도록 웨이퍼 상의 에칭된 마이크로 애퍼처를 이용하여 획득된다. 추가 광학 요소가 없으면 디바이스의 구성요소 개수를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 광학 요소를 하부의 LED와 정렬시키는 단계를 요구하지 않음으로써 제조를 더욱 단순화시킨다. 또한, 각각의 개별 LED를 둘러싸는 반사 애퍼처를 제공하는 것은 향상된 광학적 격리를 제공하고 이웃하는 다이들 간의 혼선을 방지하는 것을 도우며, 이러한 LED 어레이가 광학 시스템에 결합될 때 미광(stray light)을 상당히 감소시킨다. 또한, 아래에 설명되는 제조 공정은 작은 피치 LED 웨이퍼에 적합하여 필요한 높은 충실도를 제공하며, LED가 고온 처리에 의해서 훼손되거나 손상되지 않음을 보장하도록 저온에서 추가로 운반될 수 있다.
바람직하게는, 유전층은 제1 층의 발광 표면에 걸쳐 연장되는 제1 표면 및 제2 대향 표면을 가지고, 복수의 애퍼처는 각각의 애퍼처가 유전층의 제1 표면 내의 제1 개구 및 유전층의 제2 표면 내의 제2 개구를 포함하도록 형성되며, 제2 개구는 애퍼처가 절두체 형태이도록 제1 개구보다 크다.
바람직하게는, 제1 개구는 하부의(underlying) 발광 다이오드의 영역에 대응한다.
바람직하게는, 애퍼처는 절두 원뿔 형태이다.
바람직하게는, 애퍼처의 내부 표면이 유전층에 수직인 평면에 대해 7.5도의 각도로 경사진다.
바람직하게는, 제2 층은 1 내지 5 미크론의 두께를 가진다.
바람직하게는, 애퍼처의 내부 표면은 반사성 금속으로 코팅된다.
하부의 LED 위에 이러한 내부 반사 애퍼처를 제공하는 것은 컷오프(cut-off) 각도를 감소시키고 프로젝션 렌즈에 대한 LED 디바이스의 결합 효율을 증가시키는 것으로 나타났다.
바람직하게는, 반사성 금속은 알려진 기술을 이용하여 쉽게 증착될 수 있고 후속하여 기계적 또는 화학적으로 광택을 낼 수 있는 알루미늄이다.
바람직하게는, 반사성 금속은 HiTUS(High-target-utilization sputtering) 프로세스를 이용하여 증착된다. 이것은 저온에서 애퍼처 내의 균일한 박막 증착을 허용한다.
바람직하게는, 제1 층의 발광 다이오드는 3 미크론 간격으로 이격된다.
바람직하게는, 유전층이 이산화규소 또는 중합체 중 하나로 형성된다.
바람직하게는, 복수의 애퍼처를 형성하는 것은 하드 마스크 재료를 유전층의 제2 표면 상에 증착시키고 하드 마스크 재료를 패터닝하여 애퍼처의 최대 폭을 정의하는 유전층의 영역을 노출시킴으로써 획득되며, 상기 최대 폭은 하부의 발광 다이오드의 대응하는 치수보다 크다.
바람직하게는, 하드 마스크 재료는 텅스텐이다.
바람직하게는, 하드 마스크 재료에 의해 정의된 유전층의 제2 표면 내의 개구로부터 유전층의 제1 표면 내의 개구까지 연장되는 경사진 내부 표면을 갖는 애퍼처를 생성하도록 유전층의 노출된 영역이 에칭되고, 제1 표면 내의 개구는 하부의 발광 다이오드의 영역에 대응한다. 이러한 프로세스는, 상세한 설명에서 개략화된 것과 함께 애퍼처의 위치 및 프로파일의 고해상 제어를 가능하게 하여, 청구된 방법이 작은 피치 LED 웨이퍼에 적용될 수 있게 한다.
바람직하게, 발광 다이오드 어레이는 모놀리식 발광 다이오드 어레이이다.
본 발명의 제2 양태에 따라 발광 다이오드 어레이가 제공되고, 이 발광 다이오드 어레이는, 제1 층의 발광 표면으로부터 광을 방출하도록 구성된 복수의 발광 다이오드를 갖는 제1 층; 및 제1 층의 발광 표면에 걸쳐 연장되는 유전층을 포함하며, 유전층은, 유전층을 통해 연장되는 복수의 애퍼처로서, 각 애퍼처는 적어도 부분적으로 반사성인 내부 표면을 가지는, 복수의 애퍼처를 포함하고, 복수의 애퍼처 중 적어도 하나의 애퍼처는, 발광 다이오드로부터 방출되는 광이 적어도 하나의 애퍼처를 통과할 때 시준되도록 복수의 발광 다이오드 중 하나의 발광 다이오드 상에 중심을 두고 정렬된다.
본 발명의 다른 양태들이 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 첨부된 청구범위로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 실시형태에 대한 상세한 설명이 도면을 참조하여 단지 예시로서 기술되어 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 모놀리식 LED 어레이의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 2 내지 8은 본 발명의 실시형태에 따른 LED 어레이에 대한 모놀리식 제조 프로세스의 단계들을 도시한다.
도 9 내지 15는 본 발명의 대안적인 실시형태에 따른 LED 어레이에 대한 제조 프로세스의 단계들을 도시한다.
도 16은 본 발명의 실시형태에 따른 모놀리식 LED 어레이의 사시도를 도시한다.
도 17은 전자 현미경을 통해 획득된 모놀리식 LED 어레이의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 18은 애퍼처 높이 대 측벽 각도의 표이다.
도 19는 3 미크론의 피치에 대한 서로 다른 반사 애퍼처 높이(H＝1 미크론, 2 미크론, 3.5 미크론 및 5 미크론)에 대한 발광 분포를 도시한다.
도 20은 3 미크론 피치의 마이크로 LED 디바이스에 있어서 반사 애퍼처 높이에 대한 반치전폭(full-width half-maximum angle; FWHM), 광 효율 및 다양한 렌즈에 대한 결합 효율을 표시한 다양한 그래프를 도시한다.
도 21 및 22는 본 발명의 실시형태에 따른 모놀리식 LED 어레이의 형성에서 사용되는 전형적인 마스크 레이아웃을 도시한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 모놀리식 LED 어레이의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 2 내지 8은 본 발명의 실시형태에 따른 LED 어레이에 대한 모놀리식 제조 프로세스의 단계들을 도시한다.
도 9 내지 15는 본 발명의 대안적인 실시형태에 따른 LED 어레이에 대한 제조 프로세스의 단계들을 도시한다.
도 16은 본 발명의 실시형태에 따른 모놀리식 LED 어레이의 사시도를 도시한다.
도 17은 전자 현미경을 통해 획득된 모놀리식 LED 어레이의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 18은 애퍼처 높이 대 측벽 각도의 표이다.
도 19는 3 미크론의 피치에 대한 서로 다른 반사 애퍼처 높이(H＝1 미크론, 2 미크론, 3.5 미크론 및 5 미크론)에 대한 발광 분포를 도시한다.
도 20은 3 미크론 피치의 마이크로 LED 디바이스에 있어서 반사 애퍼처 높이에 대한 반치전폭(full-width half-maximum angle; FWHM), 광 효율 및 다양한 렌즈에 대한 결합 효율을 표시한 다양한 그래프를 도시한다.
도 21 및 22는 본 발명의 실시형태에 따른 모놀리식 LED 어레이의 형성에서 사용되는 전형적인 마스크 레이아웃을 도시한다.
모놀리식 마이크로 LED 어레이(100)의 단면도가 도 1에 도시되어 있다. 이 어레이는 (LED 웨이퍼(10)의 발광 표면으로 알려진) LED 웨이퍼(10)의 최상단 표면으로부터 광을 방출하도록 구성된 LED(11, 12, 13)를 갖는 LED 웨이퍼(10)로부터 형성된다. 각 LED(11, 12, 13)는 연관된 발광 표면을 갖는다. 전기 접속부가 도시되지는 않았지만, 각각의 LED는 개별적으로 어드레스 가능하고, 그에 따라 LED(11, 12, 13)와 연관된 발광 표면에 의해서 정의된 픽셀로부터의 광을 제어한다는 것이 이해되어야 한다. LED 웨이퍼(10)는 알려진 기술을 통해서 제공된다. 실시형태에서, LED(11, 12, 13)는 하나 이상의 양자 우물을 포함하는 활성 또는 발광 영역을 가운데에 두는 n-형 영역 및 p-형 영역을 갖는, 유기 금속 화학 증착법(MOCVD)에 의해 성장된 GaN 기반 에피택셜 다중 양자 우물(MQW; multiple quantum well) 구조에 의해서 제공된다. 이러한 디바이스는 알려진 방식으로 동작하며 당업자는 하나 이상의 추가 층을 포함하는 대안적인 구조, 또는 실제로는 아래에 기술된 방식으로 동작할 때 제공되는 임의의 다른 적절한 디바이스를 인식할 것이다. 유리하게는, 균일한 구조 및 높은 내부 양자 효율을 갖는 모놀리식 LED 어레이는 정교하게 형성된 시준 구조물과 결합되어, 정확하게 제어된 방출 각도를 갖는 개선된 광 출력 분포, 기존의 기술과 비교하여 더 적은 구성요소 및 감소된 처리 단계를 제공한다.
LED 웨이퍼(10)는 모놀리식 마이크로 LED 어레이이지만, 다른 예에서, LED 웨이퍼(10)는 복수의 발광 표면으로부터 광을 방출하도록 구성된 복수의 발광 다이오드를 갖는 층을 제공하기 위해 임의의 적절한 방식으로 형성된다. 예를 들어, LED 웨이퍼(10)는 픽 앤 플레이스(pick and place) 기술에 의해 형성된 발광 다이오드 층에 의해서 제공된다.
LED(11, 12, 13)는 서로 다른 주요 피크 파장(primary peak wavelength)을 갖는 광을 방출하도록 구성된다. 예에서, 하나의 LED(11)는 적색광(대략 620 ㎚)에 해당하는 주요 피크 파장을 갖는 광을 방출하고, 하나의 LED(12)는 녹색광(대략 520 ㎚)에 해당하는 주요 피크 파장을 갖는 광을 방출하며, 하나의 LED(13)는 청색광(대략 450 ㎚)에 해당하는 주요 피크 파장을 갖는 광을 방출한다. 다른 예에서, LED(11, 12, 13)는 동일한 주요 피크 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성되고/되거나 필요한 파장을 갖는 광을 제공하기 위한 색 변환 영역을 포함한다. 3개의 LED(11, 12, 13)가 도 1에 도시되어 있지만, 다른 예에서는 LED의 임의의 적절한 개수 및 구성이 본 명세서에 기술된 시준된 광 방출의 기능을 제공하는 데에 사용된다.
애퍼처(aperture)/스루홀(through-hole)/공동(cavity)(25)을 갖는 유전층(20)이 LED 웨이퍼(10) 상단에 배치되고 상기 발광 표면 위에 분포되며, 각 애퍼처는 하부의 LED 웨이퍼(10)의 LED와 중앙 정렬된다. 각 애퍼처의 폭이 하부의 LED로부터의 거리에 따라 증가하도록 애퍼처(25)는 경사진 측벽을 가진다. 바람직한 실시형태에서, 애퍼처(25)는 높이(또는 깊이)가 3 미크론이고 LED 웨이퍼(10)와의 인터페이스에서 가로지르는 1.7 미크론의 개구를 가지고 대향하는 표면에서 2.5 미크론까지 연장하며 측벽이 0.4 미크론의 폭에 걸쳐 7.5°의 각도로 기울어진 절두 원뿔형 프로파일을 가진다. 대안적인 실시형태에서, 애퍼처(25)는 LED로부터 방출된 광을 추가로 시준하도록 작용하는 포물선형 프로파일을 가진다. 당업자는 애퍼처(25)의 정확한 3차원 형태가 하부의 LED의 형태 및 그로부터 방출되는 광의 각도 분포에 따라 달라질 수 있음을 이해할 것이다. 실시형태에서, 유전층(20)은 이산화규소로 형성된다.
유전층의 최상단 표면(즉, LED 웨이퍼(10)의 발광 표면과 접촉하는 유전층(20)의 표면과 대향하는 표면)은 하드 마스크층(30)으로 코팅된다. 유전층(20)의 표면이 LED 웨이퍼(10)와 접촉하는 것으로 도시되었지만, 다른 예에서 이 구조는 LED 웨이퍼(10)와 유전층(20) 사이에 하나 이상의 개재층(intervening layer)을 포함한다. 실시형태에서, 하드 마스크층(30)은 텅스텐으로 형성된다.
반사 재료의 외부층(40)은 노출된 LED(11, 12, 13)의 발광 표면을 남기는 하드 마스크층(30) 및 애퍼처(25)의 노출된 내부 표면 위에 제공된다. 실시형태에서, 반사 재료(40)는 알루미늄이다. 모놀리식 LED 어레이의 사시도가 도 16에 도시되어 있으며, 여기서 LED는 RGB(red-green-blue) 행으로 배열되고 화살표는 애퍼처(25)를 통해 LED(11, 12, 13)로부터 방출되는 광의 방향을 나타내기 위해 제공된다.
사용시에, 각각의 LED(11, 12, 13)로부터 방출된 광은 위에 있는 애퍼처의 내부 표면/측벽을 코팅하는 반사 재료(40)로부터 내부 반사를 겪는다. 이것은 (프로젝션 또는 릴레이 렌즈와 같은) 임의의 후속 광학장치에 대한 광학 결합이 전체 디바이스의 광학 효율과 함께 개선되도록 모놀리식 LED 어레이(100)의 각각의 개별적인 LED로부터 방출된 광을 시준하며 효과를 가진다. 어레이(100) 내에 위치된 이웃하는 LED로부터의 혼선(Cross-talk) 또한 최소화된다.
도 2 내지 8은 본 발명의 실시형태에 따른 도 1의 모놀리식 LED 어레이(100)를 제조하는 단계들을 도시한다.
도 2는 LED 웨이퍼(10) 상에 유전 재료의 층(20)을 증착하는 단계를 도시한다. 웨이퍼 상의 마이크로 LED 디바이스에 대한 손상을 방지하기 위해, 저온 증착 방법이 바람직하며 대략 3 미크론 이상의 두께의 저응력 이산화규소 층을 증착하도록 사용되지만, 더 작고 보다 조밀하게 패킹된 LED를 갖는 더 얇은 층일 수 있다.
도 3에 도시된 단계에서, 유전층(20)의 상단 표면은 LED 웨이퍼(10) 내의 LED(11, 12, 13)보다 크고 중심에 있는 개구부를 포함하는 마스크를 사용하여 에칭할 준비가 되도록 패터닝된다. 마스크 개구부는 에칭된 애퍼처(25)의 바닥이 LED(11, 12, 13)의 발광 표면과 유사한 크기가 되도록 에칭 측벽 각도를 허용하는 크기이다. 바람직한 실시형태에서, 재료의 얇은 층(30)은 유전체 에칭을 위한 하드 마스크로서 작용할 유전층(20)의 상단에 (텅스텐과 같이) 증착된다. 이러한 하드 마스크(30)는 유전층을 에칭하기 전에 패터닝된다. 이는 포토레지스트의 두꺼운 오버레이어를 필요로 하지 않고 비교적 두꺼운 유전층 내에 비교적 작은 기하학적 구조가 에칭되는 것을 가능하게 하여, 마이크로 LED 어레이를 생산하기 위한 개선된 프로세스를 제공한다. 하드 마스크는 (i) 건식 에칭 또는 (ⅱ) 리프트-오프 프로세스를 사용하여 패터닝될 수 있다.
(i)의 경우, 하드 마스크 재료(30)의 얇은 층이 유전층 상에 증착되고 윈도우 개구부가 당업자에게 알려진 표준 포토리소그래피 기술을 이용하여 하부의 LED(11, 12 및 13)의 위치 위에 패터닝된다. 하드 마스크 재료(30)는 그 다음 알려진 건식 에칭 기술을 사용하여 에칭되고 포토리소그래피로부터의 임의의 포토레지스트가 제거된다.
(ⅱ)의 경우, 포토레지스트 층이 증착되고 개구부의 역 패턴이 레지스트 내에 인쇄된다. 그 다음 하드 마스크 재료(30)가 포토레지스트 위에 증착되고 LED(11, 12, 13) 위에 있는 하드 마스크 재료를 제거하도록 표준 리프트-오프 기술이 사용되어 도 3에 도시된 구조를 생성한다.
도 4에 도시된 단계에서, 유전체 재료는 하드 마스크 재료(30)의 아일랜드 사이에 애퍼처(25)를 LED 웨이퍼(10)까지 생성하기 위해 알려진 프로세스를 통해서 에칭되며, 각 애퍼처(25)는 LED(11, 12, 13)의 중심에 위치된다. 개구부 측벽(애퍼처(25)의 내부 표면)의 각도는 산화물 층의 두께 및 에칭 화학에 의해 결정된다.
도 5 및 6에서, 에칭된 웨이퍼는 애퍼처(25)의 내부 표면으로부터 포토레지스트(50)를 제거하기 위해 선택적인 리프트-오프를 거치거나 선택적으로 디벨롭(develop)되는 포토레지스트(50) 층으로 코팅되어, LED 웨이퍼(10)의 LED 위의 에칭된 애퍼처(25)의 바닥에 포토레지스트(50) 층을 유지하는 동시에 측벽이 노출된 채로 남겨둔다. 바람직한 실시형태에서, 이것은 마스크 정렬 프로세스를 이용하여 인쇄된다. 대안적인 실시형태에서, 이러한 단계는 반사 재료(40)를 후속하여 증착하도록 사용되는 마스크 윈도우가 유전체 재료(20)를 패터닝하도록 사용되는 마스크 내의 윈도우에 자가 정렬할 수 있도록 레지스트-에치-백(resist-etch-back) 기술을 이용하여 달성된다.
도 7은 구조의 노출된 표면 상에 등각 반사 재료(40)의 얇은 층의 증착을 도시한다. 실시형태에서, 재료는 알루미늄이고 50 ㎚의 두께로 증착된다. 증착은 바람직하게는 HiTUS(High-target-utilization sputtering) 방법을 이용하여 획득된다. 스퍼터링은 고밀도 플라즈마의 원격 생성에 의해 수행된다. 플라즈마는 타겟 및 코팅될 기판을 포함하는 메인 프로세스 챔버 내로 개방되는 측면 챔버에서 생성된다. 플라스마는 (종래의 마그네트론 스퍼터링에서와 같이) 타겟 자체로부터가 아닌 원격으로 생성되기 때문에, 타겟에 대한 이온 전류는 타겟에 인가되는 전압과는 무관하다. 플라즈마 밀도와 증착 속도의 최적의 균형은 기판 바이어스 없이 증착 프로세스에 저에너지 '플라즈마 어시스트'를 전달하도록 설정된다. 이것은 박막 코팅 특성에 유익한 영향을 미치고 반응성 증착 프로세스를 향상시킴으로써 빠른 증착 속도로 고밀도 필름을 온도 민감성 중합체 기판 상에 코팅할 수 있게 하며 저온에서 애퍼처 측벽 상에 균일한 박막 증착을 허용한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 표준 리프트-오프 절차에서 하부의 포토레지스트를 용해시킴으로써 애퍼처(25)의 바닥으로부터 반사 재료가 제거되고 - 애퍼처 측벽에 의해 제공되는 반사 내부 표면에 의해서 노출되고 둘러싸이는 LED(11, 12, 13)의 발광 표면을 남겨둔다. 그 다음 LED로부터 방출된 임의의 광이 각자의 애퍼처(25)를 빠져나가기 전에 시준된다.
대안적인 실시형태에서, 애퍼처를 포함하는 유전층은 애퍼처가 인쇄되는 광이미지 가능한(photoimageable) 중합체 층이다. 이러한 실시형태에 따른 모놀리식 LED 어레이(100)를 제조하는 핵심 단계가 도 9 및 10에 도시되어 있으며, 이들은 위의 도 2 내지 4에 도시된 단계를 대체한다. 도 9는 LED 웨이퍼(10)를 중합체 층(21)으로 코팅하는 단계를 도시한다. 중합체 층의 두께는 LED 웨이퍼(10)의 LED들의 폭과 피치 및 필요한 원뿔형 애퍼처(25)의 측벽 각도에 의해 설정되는 제한 내에서 가능한 최대로 선택된다.
도 10은 중합체 층(21)에 생성된 애퍼처(25)의 형성을 도시한다. 이들은 필요한 패턴으로 중합체 층을 포토-이미징하고, 이어서 임프린트 또는 에칭 프로세스 함으로써 생성된다. 표시된 치수는 3 미크론 피치 LED 웨이퍼(10)에 대한 것이다. 애퍼처(25)는 몰딩 또는 임프린팅 방법에 의해 중합체 층에 생성될 수도 있다. 애퍼처(25)의 측벽은 후속하여 위의 도 5 내지 8 또는 아래의 도 11 내지 15와 관련해 기술된 바와 같이 반사층으로 코팅된다.
대안적인 실시형태에서, 반사 재료(40)는 증착된 후에 증착-후 포토 마스크, 에칭 및 스트립 프로세스를 이용하여 패터닝된다. 이러한 프로세스는 도 5 내지 8을 대체하는 도 11 내지 15에 의해 도시되어 있다.
도 11은 애퍼처의 측벽이 등각으로 코팅되도록 반사 재료(40)로 코팅된 유전층(20)을 도시한다.
그 다음 반사 재료(40)는 도 12에 도시된 바와 같이 애퍼처 측벽 위의 영역에도 도포되는 에칭 저항 재료(41)로 코팅된다.
도 13은 에칭 저항성 재료(41) 내에 생성되는 일련의 애퍼처(600)을 도시한다. 실시형태에서 이것은 마스킹된 광 노출 및 디벨롭 프로세스를 통해 수행된다. 대안적인 실시형태에서 이러한 단계는 자가 정렬 스페이서 프로세스를 통해 수행된다.
도 14에 도시된 단계에서, 반사 재료(40)는 에칭 저항 재료(41)에 의해 커버되지 않은 영역에 애퍼처를 생성하도록 에칭된다. 에칭 저항 재료는 후속하여 제거되어 도 15의 구조를 생성한다.
(각각 도 9와 10 및 도 11 내지 15와 관련하여 기술된) 애퍼처(25)를 정의하고 반사 재료(40)를 패터닝하기 위한 대안적인 프로세스는 모놀리식 어레이(100)를 제공하기 위해 둘 중 하나가 사용되거나, 둘 모두가 사용되지 않거나, 또는 둘 모두가 사용될 수 있도록 상호 배타적이지 않다.
도 17은 전자 현미경을 이용하여 획득된 모놀리식 LED 어레이(100)의 단면을 나타내며, 이웃하는 애퍼처들의 상단과 바닥 개구부 사이의 거리를 그들의 기저부에서 (즉, 유전층(20)과 LED 웨이퍼 층(10) 사이의 인터페이스에서) 1.3 미크론으로, 그들의 상단부(유전층의 대향하는 표면)에서 0.5 미크론으로 나타내었다.
도 18은 유전층(20)을 통과하는 반사 애퍼처(25)의 상응하는 높이에 대해 유전층의 대향하는 표면에 의해서 형성된 평면에 수직인 방향에 대한 경사진 내부 애퍼처 벽의 각도 세타(theta)를 예시하는 표를 도시한다.
도 19는 LED 웨이퍼(10)의 LED 사이 간격인 3 미크론의 피치(pitch)에 대해서 반사 애퍼처(25)의 서로 다른 높이(A＝1 미크론, B＝2 미크론, C＝3.5 미크론 및 D＝5 미크론)에 대한 발광 분포를 도시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 컷오프 각도는 반사 애퍼처(25)가 없는 경우의 전형적인 람베르시안 분포에 대한 90°로부터 5 미크론의 개구 높이에 대한 48°까지 감소된다.
(반사 재료의 거울 마감 표면과 LED로부터 방출되는 광에 대한 람베르시안 분포를 가정하는) 도 20a의 시뮬레이션 결과에서 나타내어진 바와 같이, 방출된 광의 반치전폭(FWHM; Full-Width-Half-Maximum)은 120°로부터 1 미크론보다 큰 애퍼처 높이에 대해 80°미만까지 감소된다.
도 20c 내지 20e는 애퍼처 높이를 갖는 F/3, F/2 및 F/1 렌즈에 대한 광학적 결합의 결과적인 증가를 도시하며, 이에 따라 애퍼처(25)를 빠져나가는 현재 시준된 광의 보다 큰 비율이 렌즈의 수용각 내에 있다.
도 21은 3 미크론 두께의 유전층(20)을 갖는 3 미크론 피치에서의 1.7 미크론 폭 LED의 어레이에 대해 치수화된 유전층(20)을 패터닝하도록 사용될 수 있는 예시적인 마스크를 도시한다. 윈도우의 정확한 형태(도 20a에서의 정사각형 및 도 20b에서의 원형)는 자연스럽게 어레이를 구성하는 LED에 의존한다.
도 22는 반사 재료(40)의 리프트-오프(lift-off) 프로세스에 사용되는 제2 마스크(300)와 정렬된, 유전층(20)을 패터닝하도록 사용되는 제1 마스크(200)를 도시한다.
따라서 본 발명에 따른 모놀리식 LED 어레이(100)가 제공된다.
Claims (15)
- 제1 층의 발광 표면으로부터 광을 방출하도록 구성된 복수의 발광 다이오드를 갖는 제1 층을 포함하는 발광 다이오드 어레이를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
상기 제1 층의 발광 표면 위에 유전체 재료의 층을 증착하는 단계; 및
상기 유전체 재료의 층을 통해 연장되는 복수의 애퍼처를 형성하는 단계로서, 각 애퍼처는 적어도 부분적으로 반사성인 내부 표면을 가지는, 단계
를 포함하고,
상기 복수의 애퍼처 중 적어도 하나의 애퍼처는 발광 다이오드로부터 방출되는 광이 상기 적어도 하나의 애퍼처를 통과할 때 시준되도록 상기 제1 층의 복수의 발광 다이오드 중 하나의 발광 다이오드 상에 중심을 두고 정렬되는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 유전층은 제1 층의 발광 표면에 걸쳐 연장되는 제1 표면 및 제2 대향 표면을 가지고, 상기 복수의 애퍼처는 각각의 애퍼처가 유전층의 제1 표면 내의 제1 개구 및 유전층의 제2 표면 내의 제2 개구를 포함하도록 형성되며, 상기 제2 개구는 상기 애퍼처가 절두체 형태이도록 상기 제1 개구보다 큰, 방법. - 제2항에 있어서,
상기 제1 개구는 하부의(underlying) 발광 다이오드의 영역에 대응하는, 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애퍼처는 절두 원뿔형인, 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
애퍼처의 내부 표면이 유전층에 수직인 평면에 대해 7.5도의 각도로 경사지도록 상기 애퍼처가 형성되는, 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유전층이 1 내지 5 미크론의 두께로 증착되는, 방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애퍼처의 내부 표면을 반사성 금속으로 코팅하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제7항에 있어서,
상기 반사성 금속은 알루미늄인, 방법. - 제7항에 있어서,
상기 반사성 금속은 HiTUS(High-target-utilization sputtering) 프로세스를 이용하여 증착되는, 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 층의 발광 다이오드는 3 미크론 간격으로 이격되는, 방법. - 제10항에 있어서,
상기 유전층이 이산화규소 또는 중합체 중 하나로 형성되는, 방법. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
유전층에 복수의 애퍼처를 형성하는 단계는, 하드 마스크 재료를 유전층의 제2 표면 상에 증착하는 단계; 및 상기 하드 마스크 재료를 패터닝하여 애퍼처의 최대 폭을 정의하는 유전층의 영역을 노출시키는 단계를 포함하고, 상기 최대 폭은 하부의 발광 다이오드의 대응하는 치수보다 큰, 방법. - 제12항에 있어서,
상기 하드 마스크 재료는 텅스텐인, 방법. - 제12항에 있어서,
상기 하드 마스크 재료에 의해 정의된 유전층의 제2 표면 내의 개구로부터 유전층의 제1 표면 내의 개구까지 연장되는 경사진 내부 표면을 갖는 애퍼처를 생성하도록 유전층의 노출된 영역을 에칭하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 제1 표면 내의 개구는 하부의 발광 다이오드의 영역에 대응하는, 방법. - 발광 다이오드 어레이로서,
제1 층의 발광 표면으로부터 광을 방출하도록 구성된 복수의 발광 다이오드를 갖는 제1 층; 및
상기 제1 층의 발광 표면에 걸쳐 연장되는 유전층
을 포함하고,
상기 유전층은,
상기 유전층을 통해 연장되는 복수의 애퍼처로서, 각 애퍼처가 적어도 부분적으로 반사성인 내부 표면을 가지는 복수의 애퍼처를 포함하고,
상기 복수의 애퍼처 중 적어도 하나의 애퍼처는, 발광 다이오드로부터 방출되는 광이 상기 적어도 하나의 애퍼처를 통과할 때 시준되도록 복수의 발광 다이오드 중 하나의 발광 다이오드 상에 중심을 두고 정렬되는,
발광 다이오드 어레이.
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