KR20230159381A - 하프 캐비티 및 반사 측벽을 갖춘 초고밀도 led 어레이및 하이브리드 본딩 방법 - Google Patents

하프 캐비티 및 반사 측벽을 갖춘 초고밀도 led 어레이및 하이브리드 본딩 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230159381A
KR20230159381A KR1020237028117A KR20237028117A KR20230159381A KR 20230159381 A KR20230159381 A KR 20230159381A KR 1020237028117 A KR1020237028117 A KR 1020237028117A KR 20237028117 A KR20237028117 A KR 20237028117A KR 20230159381 A KR20230159381 A KR 20230159381A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
led
pixel driver
frontplane
array
Prior art date
Application number
KR1020237028117A
Other languages
English (en)
Inventor
콩-힌 헨리 초이
에웰리나 나탈리아 루카우
폴 스코트 마틴
Original Assignee
텍투스 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US17/154,480 external-priority patent/US11476387B2/en
Application filed by 텍투스 코포레이션 filed Critical 텍투스 코포레이션
Publication of KR20230159381A publication Critical patent/KR20230159381A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/16—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits
    • H01L25/167—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits comprising optoelectronic devices, e.g. LED, photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/15—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission
    • H01L27/153—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars
    • H01L27/156—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars two-dimensional arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/025—Physical imperfections, e.g. particular concentration or distribution of impurities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/40—Materials therefor
    • H01L33/405—Reflective materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/44—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the coatings, e.g. passivation layer or anti-reflective coating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/52—Encapsulations
    • H01L33/56—Materials, e.g. epoxy or silicone resin
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/62—Arrangements for conducting electric current to or from the semiconductor body, e.g. lead-frames, wire-bonds or solder balls
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2933/0008—Processes
    • H01L2933/0033—Processes relating to semiconductor body packages
    • H01L2933/0066—Processes relating to semiconductor body packages relating to arrangements for conducting electric current to or from the semiconductor body

Abstract

한 가지 접근 방식에서, LED 어레이는 하프 캐비티(half cavity) 및 직선 반사 측벽의 조합을 사용하여 투영 광학계의 집광 각도 내에 더 많은 광이 들어가도록 파워 분포를 개선한다. 어레이 내 LED는 아래로부터 위쪽으로 반사기, 더 얇은 p층 및 더 두꺼운 n층을 포함한다. n층과 p층 사이의 활성 영역(예컨대, 양자 우물 영역)이 광을 생성한다. 추가 구조가 없으면, 생성된 광은 등방성 분포를 가지며 투영 광학계의 집광 각도 내에 들어오는 광의 양은 많지 않다. 그러나, 하부 반사기와 p층이 활성 영역으로부터 방출되는 광에 대해 하프 캐비티를 형성한다. 이로 인해 앵귤러 파워 분포가 변경된다. 활성 영역으로부터 n층으로 위쪽으로 연장되는 직선 반사 측벽은 또한 변경된 파워 분포의 광을 투영 광학계의 집광 각도 내로 반사한다.

Description

하프 캐비티 및 반사 측벽을 갖춘 초고밀도 LED 어레이 및 하이브리드 본딩 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 11월 22일 출원된 미국 출원 제16/692,767호 "하프 캐비티 및 반사 측벽을 갖춘 초고밀도 LED 어레이(Ultra-dense Array of LEDs with Half Cavities and Reflective Sidewalls)"의 부분 계속 출원인 2021년 1월 21일 출원된 미국 출원 제17/154,480호의 이익을 주장하며, 그 전체가 참조로 포함된다.
기술분야
본 개시는 일반적으로 발광 다이오드(LED) 어레이에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 예컨대 콘택트렌즈에 사용되는 초고밀도 LED 어레이에 관한 것이다.
"펨토프로젝터(femtoprojector)"는 콘택트렌즈 내부에 포함된 이미지 소스의 이미지를 사용자의 망막에 투영하는 소형 프로젝터이다. 이미지 소스 및 관련 광학 시스템은 콘택트렌즈 내에 맞을 정도로 충분히 작다. 이러한 크기 요건을 충족하면서도 합리적인 해상도를 달성하기 위해, 이미지 소스의 픽셀 크기는 일반적으로 다른 응용을 위한 이미지 소스에서보다 훨씬 작다. 예를 들어, 기존의 LED 직접 발광 디스플레이는 최대 500픽셀/인치(복합 화이트 픽셀/인치)의 해상도와 한 컬러 픽셀에서 인접 컬러 픽셀까지 약 25㎛(미크론)의 피치를 가진 개별 적색, 녹색 및 청색 발광 LED를 사용한다. 반면에, 펨토프로젝터용 LED 어레이는 픽셀 피치가 2㎛ 이하이고 방출 면적이 1㎛2 미만인 픽셀 크기를 갖는 것이 바람직하다.
LED 어레이의 중요한 지표 중 하나는 추출 효율(extraction efficiency)이다. 이는 LED에 의해 생성된 광이 다른 광학 시스템에 커플링되는 효율이다. 콘택트렌즈에 맞는 투영 광학계(projection optics)의 경우와 같이, 투영 광학계의 집광 각도(collection angle)가 작은 경우, 이는 어려울 수 있다. 또한, 투영 광학계에 의해 이미지화되지 않는 광은 사실상 미광(stray light)이다. 광학 시스템을 잘 설계하면 미광을 줄이거나 방향을 바꿀 수 있지만, 소형 광학 시스템에서는 이 또한 어려울 수 있다.
따라서, 추출 효율이 높고 미광을 더 잘 제어할 수 있는 초고밀도(따라서, 해상도가 더 높은) LED 어레이를 형성하는 더 나은 접근 방식이 필요하다.
본 개시의 실시예들은 첨부 도면의 실시예들과 함께 고려될 때, 다음의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위로부터 보다 쉽게 명백해지는 다른 장점 및 특징을 갖는다.
도 1은 LED 어레이의 단면도이다.
도 2는 캐비티 두께에 따른 추출 효율을 나타낸 도표이다.
도 2a-2f는 도 2의 그래프를 따른 서로 다른 지점에서의 앵귤러 파워 분포(angular power distribution)의 도표이다.
도 3은 측벽의 효과를 보여주는 LED 픽셀의 단면도이다.
도 4는 방출 각도에 따른 측벽 높이의 도표이다.
도 5는 방출 각도에 따른 활성 영역 폭의 도표이다.
도 6은 스큐 광선의 효과를 보여주는 LED의 평면도이다.
도 7은 방출 각도에 따른 집광 효율을 나타낸 도표이다.
도 8은 비대칭 파워 분포를 가진 LED의 평면도이다.
도 9는 저굴절률 층을 갖는 LED 어레이의 단면도이다.
도 10은 흡수 경계를 갖는 LED 어레이의 단면도이다.
도 11은 유전체 측벽을 갖는 LED 어레이의 단면도이다.
도 12a-12c는 LED들 사이의 트렌치 에칭을 보여주는 단면도이다.
도 13a-13e는 중간 트렌치에 의해 분리된 성장하는 LED를 보여주는 단면도이다.
도 14a-14g는 LED 어레이의 금속 접촉부를 형성하는 공정을 나타내는 단면도이다.
도 15a-15d는 LED 어레이의 금속 접촉부를 형성하는 다른 공정을 나타내는 단면도이다.
도 16은 콘택트렌즈에 펨토프로젝터를 포함하는 안구 착용형(eye-mounted) 디스플레이의 단면을 보여준다.
도면 및 이하의 설명은 단지 예시로서의 바람직한 실시예에 관한 것이다. 다음의 논의로부터, 본원에 개시된 구조 및 방법의 대안적인 실시예들은 청구된 것의 원리에서 벗어나지 않고 채용될 수 있는 실행 가능한 대안으로 쉽게 알 수 있을 것이라는 점에 유의해야 한다.
한 가지 접근 방식에서, LED 어레이는 하프 캐비티(half cavity) 및 경사진 직선 반사 측벽의 조합을 사용하여 투영 광학계의 집광 각도 내에 더 많은 광이 들어가도록 파워 분배를 개선한다. "하부"에서 위쪽으로, 어레이 내 LED는 반사판, 더 얇은 p층 및 더 두꺼운 n층을 포함한다. 장치 구조를 설명할 때 "하부(bottom)" 또는 "아래(down)"는 발광 방향의 반대 방향이고 "상부(top)" 또는 "위(up)"는 발광 방향에 있다. n층과 p층 사이의 활성 영역(예컨대, 양자 우물 영역)이 광을 생성한다. 추가 구조가 없으면, 생성된 광은 등방성 분포를 가지며 투영 광학계의 집광 각도 내에 들어오는 광의 양은 많지 않다. 그러나, 하부 반사기와 p층이 활성 영역으로부터 방출되는 광에 대해 하프 캐비티를 형성한다. 이로 인해 앵귤러 파워 분포가 변경된다. 활성 영역으로부터 n-층으로 위쪽으로 비스듬히 연장되는 직선 반사 측벽은 변경된 파워 분포의 광을 투영 광학계의 집광 각도 내로 반사한다.
한 가지 접근 방식에서, 하프 캐비티는 하나 이상의 로브를 사용하여 앵귤러 파워 분포를 생성하며, 각 로브는 법선에서 일부 각도를 따라 최대 파워를 생성한다. 예를 들어, 제1 로브는 법선에 대해 35°의 각도에서 최대 파워를 생성할 수 있고, 제2 로브는 74°의 각도에서 최대 파워를 생성할 수 있다. 측벽은 17.5°의 측벽 각도로 기울어질 수 있으며, 이는 제1 로브를 법선 방향(0° 각도)으로 반사한다. 측벽은 제1 로브는 내부 전반사로 인해 반사되지만 제2 로브는 측벽을 통과하여 흡수되도록 구성될 수 있어, 미광을 줄일 수 있다.
또 다른 양태는 이러한 장치의 제작과 관련된다. p층, 양자 우물, 비의도적 도핑된(unintentionally doped) n층은 총 0.7㎛ 정도일 수 있으며, 추가 층이 추가될 경우 LED 스택의 총 높이는 0.7㎛보다 훨씬 더 높아질 수 있다. 반면에, 콘택트렌즈에 사용되는 LED 어레이는 피치가 2㎛ 이하일 수 있으며, 각 픽셀 내의 개별 구조는 2㎛ 피치의 일부에 불과할 수 있다. 이로 인해 개별 구조가 높은 종횡비를 가지게 되어, 제작하기가 더 어렵게 된다.
한 제조 접근방식에서는, 반도체 스택이 에피택셜 성장된다. 스택은 "하부"에서부터 위로 갈수록 더 두꺼운 n층, 활성 영역(예컨대, 양자 우물), 더 얇은 p층, 반사층을 포함한다. (하부와 상부는 이전 단락과 비교하여 반대라는 것에 유의한다. 장치 제작을 설명하는 맥락에서 장치는 "하부"에서 시작하여 "위쪽"으로 이동하면서 제작된다.) 트렌치 배열은 모든 층을 통해 더 두꺼운 n층 내부로 에칭된다. 트렌치는 개별 LED를 분리하고 트렌치의 측면은 LED의 측벽을 형성한다. 트렌치는 적어도 부분적으로 유전체로 채워진다. 이 구조는 (예컨대, 화학적 기계적 연마를 사용하여) 평탄화되어, 각 LED의 반사층 및 LED들 사이의 평탄화된 유전체를 포함하는 상부면을 생성한다. 반사층에 대한 금속 접촉부는 예를 들어 리프트오프 공정에 의해 이 평평한 상부면 상에 형성된다.
도 1 내지 11은 다양한 설계의 LED 어레이를 보여준다. 도 12 내지 15는 다양한 제조 공정을 보여준다. 이들 예는 더 두꺼운 n층 위에 성장한 더 얇은 p층을 사용한다. 그러나, p층과 n층은 역전될 수도 있다(즉, 더 두꺼운 p층 위에 더 얇은 n층이 있을 수도 있다). 도 1 내지 11에서, "상부" "하부" "위" "아래" 등의 방향은 광이 위쪽으로 방출되는 디스플레이 관점에서 본 것이다. 도 12 내지 15에서는, 베이스 기판이 하부에 있는 제조 관점에서 취한 것이므로 방향이 반대이다. 따라서, 도 1 내지 11에서는 더 얇은 p층이 더 두꺼운 n층 아래에 있지만, 도 12 내지 15에서는 더 얇은 p층이 더 두꺼운 n층 위에 있다.
도 1은 LED 어레이(100)의 단면도이다. 각 LED(100)는 하부 p층(112), 활성 영역(114) 및 상부 n층(116)을 갖는 반도체 스택을 포함한다. 활성 영역(114)은 양자 우물 영역일 수 있다. 다른 이득 매질은 헤테로구조 및 양자점 층을 포함할 수 있다. LED(100)는 또한 바닥층(112) 아래에 위치한 하부 반사기(120)를 포함한다. 하부 반사기(120) 및 바닥층(112)은 도 2에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 활성 영역(114)으로부터 방출되는 광을 위한 하프 캐비티를 형성한다. LED 어레이에는 또한 각진 반사 측벽(130)을 갖는다. 측벽은 "직선"이며, 이는 단면에서 선으로 나타남을 의미한다. 이들의 3차원 형상은 평평하거나(예컨대, 피라미드의 한 면) 원뿔형일 수 있다. 이 예에서, 측벽(130)은 유전체(132)로 채워진 트렌치로 구성된다. 측벽(130)은 유전체(132)와 반도체 스택 사이의 계면에서의 내부 전반사로 인해 반사적이다. 여기서, 이들은 하부 반사기를 통해 그리고 반도체 스택을 통해 상부 층으로 확장된다. 어레이는 또한 상부 캡슐화 재료(140)를 포함한다.
하부 층(112)과 하부 반사기(120)에 의해 형성된 하프 캐비티 및 각진 측벽(130)은 함께 활성 영역으로부터 방출된 광을 재분배하여 더 많은 광이 투영 광학계로 커플링되도록 한다(도 1에는 도시되어 있지 않음). 엄밀히 말해 광선 세트가 원뿔에 걸쳐 있지 않더라도, 투영 광학계에 의해 수집되는 광선 세트는 투영 광학계의 집광 각도 또는 집광 콘(collection cone)이라고 지칭될 것이다. 한 접근 방식에서, 하프 캐비티(112/120)는 활성 영역으로부터의 광을 로브(들)로 집중시키고, 측벽(130)은 로브를 반도체 스택에 수직인 방향으로 반사한다.
도 1에는 LED 어레이에 대한 파라미터가 표시되어 있다. "피치(pitch)"는 어레이 내 인접한 LED들 사이의 피치이다. θSW는 법선 방향으로부터 측정된 측벽의 경사각으로, θSW=0°는 수직 측벽이 된다. hSW는 하부 반사기의 상부로부터 측정된 측벽의 높이 또는 두께이다. tHC는 하프 캐비티의 높이 또는 두께이다. wQW는 활성 영역(114)의 폭이다.
도 1은 피치=1.3㎛인 GaN(질화 갈륨) LED 어레이에 대해 축척으로 도시되어 있다. 측벽(130)의 측벽 각도는 θSW=15°이고 높이는 hSW=0.7㎛이다. 이 예에서, p층(112)의 두께는 0.17㎛(tHC=0.17㎛)이며, 0.78 파장의 하프 캐비티를 생성한다. n층(116)의 두께는 5.5㎛이다.
다른 설계에서는 다른 치수를 사용한다. 예를 들어, 피치는 0.5㎛~2.0㎛ 범위일 수 있으며, 활성 영역은 피치의 40%~90%의 폭을 갖는다. 이러한 작은 피치는 높은 종횡비 구조를 초래한다. 예를 들어, 측벽의 높이는 0.7㎛~1.5㎛ 범위일 수 있다.
도 2는 하프 캐비티의 효과를 보여준다. 하프 캐비티 효과에서, 활성 영역(114)으로부터 위쪽으로 방출되는 광은 하부 반사기(120)로부터 반사되는 아래쪽으로 방출되는 광과 간섭한다. 그 결과, 특정 방향을 따라 전파되는 파동이 보강 간섭인지 파괴 간섭인지에 따라 광의 파워 분포가 등방성 분포에서 다른 분포로 재분배된다. 반도체(116)가 상부 캡슐화 재료(140)보다 굴절률이 높은 경우, 이 두 재료(116, 140) 사이의 계면은 임계각(θc)을 정의한다. 임계각보다 더 비스듬한 각도로 입사하는 광은 계면에서 내부적으로 전반사될 것이다.
도 2는 캐비티 두께에 따른 추출 효율을 나타낸 도표이다. 하프 캐비티 두께(tHC)는 매질 내 파장에 의해 정규화된다. 이 예에서, 반도체(116) 및 캡슐화 재료(140)의 굴절률은 각각 2.4 및 1.6이며, 이는 2.4/1.6=1.5의 비율 및 40도를 약간 넘는 임계각 θc를 산출한다. 다른 재료가 사용될 수도 있다. 굴절률의 비율은 1.2보다 클 수 있다. 도 2의 추출 효율은 구조의 측면 범위가 모두 무한대라고 가정할 때(즉, 픽셀화 및 측벽의 효과는 무시됨), 임계각 내에 속하는 방출광의 백분율로 정의된다. 이 도표는 약 0.00λ, 0.78λ, 1.34λ 등에서 최대값을 갖는다.
도 2a-2f는 도 2의 도표를 따른 서로 다른 지점에서의 앵귤러 파워 분포(angular power distribution)의 도표이다. 이들 도표는 각 각도에서 방출되는 상대적인 파워량을 보여주는데, 여기서 파워는 방위각 방향에 걸쳐 통합된다. 따라서, 법선 방향(0도)을 따른 광은 가장 강한 강도(면적당 파워)를 가질 수 있지만, 큰 입체 각에 걸쳐 있지 않으므로, 방위각에 걸쳐 통합한 후 법선 방향을 따른 총 파워는 높지 않다. 도 2a는 도 2의 2A 지점에서의 앵귤러 파워 분포(최대값은 0.00)를 보여주고, 도 2b는 2B 지점에서의 앵귤러 파워 분포(최대값은 0.78 등)를 보여준다. 도 2a, 2b, 2c는 세 개의 최대값을 보여준다. 도 2d와 2e는 두 개의 최소값을 보여준다. 도 2f는 하프 캐비티의 두께가 무한대인 점근적인 경우를 보여준다. 이는 하부 반사기가 없는 상황(즉, 등방성 분포)과 동일하다. 이 계산은 간섭만 고려하며 퍼셀(Purcell effect) 효과나 플라즈몬 효과(plasmonic effects)와 같은 효과는 포함하지 않는다.
각각의 최대값과 최소값(도 2a-2e)에 대해, 하프 캐비티는 활성 영역으로부터 방출된 광을 하나 이상의 로브가 있는 앵귤러 파워 분포로 재분배한다. 도 2a는 최대 파워 각도가 약 40도인 단일 로브를 보여주고, 도 2b는 약 35° 및 74° 등에서 최대 파워를 갖는 두 개의 로브를 보여준다. 임계각은 점선으로 표시되어 있다. 도 2a-2c의 최대값에 대한 앵귤러 파워 분포에서, 제1 로브(즉, 법선에 가장 가까운 로브)는 임계각 내에 속한다. 도 2d-2e의 최소값의 경우, 앵귤러 파워 분포의 어떤 로브도 대부분 임계각 내에 속하지 않는다.
도 2에서 볼 수 있듯이, 양자 우물이 하부 반사기에 충분히 가깝게 위치하면, 방출 패턴이 개별 로브가 있는 분포로 변경된다. 이 차이는 로브가 하나 또는 두 개와 같이 몇 개만 있을 때 더 뚜렷하게 나타난다. 측벽은 로브가 투영 광학계의 집광 각도 내에 들어오도록 로브의 방향을 바꾸는 데 사용된다.
도 3은 측벽의 효과를 보여주는 LED 픽셀의 단면도이다. 하프 캐비티 거리의 조정은 측벽 및/또는 반사기 형상과 결합되어 방향성의 제어를 향상시키고 투영 광학계와의 커플링 효율을 높일 수 있다. 또한 제작 공정의 복잡성을 줄일 수도 있다. 표시된 대부분의 예에서, 픽셀은 원형으로 가정한다. 픽셀은 정사각형 또는 육각형 격자로 배열될 수 있다. 정사각형 그리드에서 가능한 배열의 단면도가 도 3에 도시되어 있다. 경사진 측벽은 유전체가 반도체보다 굴절률이 낮고 방출된 광선이 임계각을 넘어 측벽에 부딪힐 때 우수한 반사기가 된다.
투영 광학계가 법선(캡슐화 재료)에서 10° 이내의 광만 수집하고 나머지는 미광인 경우를 고려한다. 그러면 광학계의 수치 조리개(NA)는 nencap·sin10°이며, 여기서 nencap은 캡슐화 재료의 굴절률이다. 하프 캐비티 높이와 측벽 경사는 이 집광 콘에 의해 수집된 광의 양을 증가시키도록 선택된다. 하프 캐비티 두께가 약 0.78λ이면, 두 개의 방출 로브가 있으며(도 2b 참조), 약 35° 및 74° 에서 최대 파워를 갖는다.
한 설계에서, 측벽 각도(θSW)는 약 17.5°이며, 이는 제1 로브의 최대 파워 각도인 약 35°의 절반이다. 이 설계는 제1 로브를 법선 방향으로 방향을 바꾼다.
다른 설계에서, 측벽 각도(θSW)는 약 37°이며, 이는 제 2 로브의 최대 파워 각도인 약 74°의 절반이다. 이 설계는 또한 법선 방향을 따라 단일 로브(제2 로브)를 생성한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 관심 로브의 최대 파워 각도가 θemission이고 이 로브를 법선으로 반사하기 위해 측벽이 θemission/2 각도로 경사져 있다고 가정한다. 활성 영역으로부터의 모든 광선을 반사하는 데 필요한 최소 측벽 높이 hSW는 도 3의 기하학적 구조에 의해 다음과 같이 결정될 수 있다.
(1)
활성 영역 wQW의 폭은 다음과 같이 주어진다.
(2)
도 4는 픽셀 피치(hSW/피치)에 의해 정규화된 이 측벽 높이를 방출 각도(θemission)의 함수로 나타낸 도표이다. 도 5는 픽셀 피치(wQW/피치)에 의해 정규화된 활성 영역 폭을 방출 각도(θemission)의 함수로 나타낸 도표이다. 경사진 측벽은 활성 영역의 폭을 감소시키므로 이 둘 사이에는 트레이드오프가 있다. 측벽 높이를 식 1의 높이보다 낮추는 것은 일부 광선이 차단되지 않고 법선으로 방향이 변경된다는 것을 의미한다. 그러나, 활성 영역의 크기를 줄이는 것은 활성 영역에 비해 더 높은 전류 밀도 및 더 큰 측벽 둘레를 의미하며, 이 둘 모두 양자 효율과 신뢰성에 해로울 수 있다.
위의 분석은 픽셀의 직경을 따라 이동하는 광선에 대해 단순화한 것이다. 실제로는, 방출은 모든 방위각 방향에서 동일하며 대부분의 방출은 직경을 따라 발생하지 않는다. 도 6은 스큐 광선의 효과를 보여주는 LED의 평면도이다. 지점(610)으로부터의 광선이 20°에서 제1 로브가 있는 파워 분포에 따라 방출된다고 가정한다. 광선(621)은 20°에서 방출되어 원형 픽셀의 직경을 따라 이동한다. 이는 도 3에 표시된 지오메트리로 설명된다. 광선(622 및 623)은 20°에서 방출되지만, 측면에 비스듬히 입사하기 때문에 도 3의 기하학적 구조를 따르지 않는다. 가능한 모든 방위각 방향을 고려할 때, 최적의 측벽 각도는 여전히 방출 각도의 절반에 가깝고 최소 높이 계산은 여전히 정확하지만, 방출 각도가 증가함에 따라 집광 효율은 떨어진다.
도 7은 방출 각도에 따른 집광 효율을 나타낸 도표이다. 이 도표에서, 양자 우물 스택이 전체 표면에 걸쳐 균일한 방출을 하고 모든 곳의 방출이 법선 방향에 대해 단일 방향을 따른다고 가정한다. 즉, 방출 각도가 30°이면 모든 광선은 30°의 각도로 그러나 모든 방위각 방향으로 방출된다. 그러면 측벽은 약 15°로 기울어진다. 도 7은 더 큰 방출 각도에서 스큐 광선의 영향이 더 크기 때문에 100%에서부터 떨어지는 집광 효율을 보여준다. 곡선(710)은 10°의 집광 콘에 대한 집광 효율을 나타내고, 곡선(720)은 20°의 집광 콘에 대한 집광 효율을 나타낸다.
일부 실시예는 방출의 방위각 대칭을 줄이도록 설계된다. 도 8은 비대칭 파워 분포를 가진 LED의 평면도이다. 이 예에서, 픽셀은 주 방출 방향(810)을 가지며, 이는 횡단 방향에 비해 이 방향을 따라 더 많은 파워가 방출됨을 의미한다. 또한, 원형 픽셀 대신 정사각형 또는 직사각형 픽셀이 사용되며, 직선 측벽 중 두 개가 주 방출 방향에 수직으로 이어진다. 이방성 자발 방출을 갖는 것으로 알려진 에피택시 구조는 비극성(nonpolar) 또는 반극성(semi-polar) GaN과 같이 오프컷이 큰 결정 위에 성장한 반도체 양자 우물 또는 다양한 양자 와이어 구조를 포함한다.
이들 광선이 우연히 미광으로 집광 콘으로 다시 산란되는 것을 방지하기 위해 투영 광학계의 집광 콘 외부 방향으로의 방출을 억제하는 것이 바람직할 수 있다. 반도체-캡슐화 인터페이스의 임계각을 벗어난 광선은 반도체 내에 갇히기 때문에, 반도체(예컨대, LED)보다 굴절률이 낮은 캡슐화 층은 일반적으로 이 기능을 어느 정도 제공할 수 있다.
더 많은 제어가 필요한 경우, 얇은 "저굴절률 층"이 사용될 수 있다. 도 9는 저굴절률 층(910)을 갖는 LED 어레이의 단면도이다. 저굴절률 층(910)이 LED 층(116)의 상부에 위치하며, 반도체(116)와 캡슐화 재료(140)보다 굴절률이 훨씬 낮다. 예를 들어, 저굴절률 층은 에어 갭일 수 있다. 저굴절률 층의 굴절률은 자신과 반도체 사이의 임계각이 반도체 재료 내부의 투영 광학계의 집광 콘과 거의 일치하도록 선택될 수 있다.
하프 캐비티 효과와 경사진 측벽의 조합은 원치 않는 방출을 억제하는 또 다른 수단을 제공한다. 하프 캐비티 두께가 약 0.8λ이고 측벽 각도가 17.5°인 경우를 살펴보면, 35°에 대해 제1 로브는 거의 법선에 대해 회전하는 반면, 74° 주변의 제2 로브는 39°로 회전한다. 이 제2 로브는 캡슐화 재료의 굴절률이 1.51 미만인 경우 차단될 수 있다. 이는 SiO2와 같은 일반적인 유전체 재료로 달성할 수 있다. 추가 억제는 "저굴절률 층"을 통해 다시 수행될 수 있다.
도 10은 LED들 사이에 흡수 경계를 갖는 LED 어레이의 단면도이다. 여기서, LED 픽셀들 사이에 깊은 수직 트렌치(1010)가 생성되고 크롬 또는 텅스텐과 같은 흡수성 금속으로 채워진다. 입사각(θincidence)이 더 높을 경우(즉, 더 비스듬할 경우) 흡수성이 매우 높은 금속의 경우에도 반사율이 높다. 하프 캐비티 및 경사진 측벽에 의해 거의 법선으로 방향이 바뀌는 광선의 경우 반사율이 높을 것이다. 다른 광선은 수직 흡수 금속에 의해 더 높은 흡수를 경험할 것이며, 몇 번의 바운스 후에 효과적으로 억제될 수 있다.
또 다른 접근 방식은 측벽 표면을 직접 활용하는 것이다. 도 11은 유전체(1132) 측벽을 갖는 LED 어레이의 단면도이다. 도 11은 측벽의 확대된 단면을 포함한다. 흡수 재료(1134)는 유전체(1132) 측벽들 사이의 영역에 도입될 수 있다. 유전체(1132)의 굴절률은 원하는 로브(예컨대, 도 2b의 제1 로브)가 광선(1110)과 같이 내부 전반사되도록 선택된다. 다른 로브로부터의 광선(1112)은 유전체 층(1132)을 통과하여 그 뒤에 있는 흡수 구조물(1134)에 의해 흡수된다. 도 11의 클로즈업에서 볼 수 있듯이, 유전체의 두께가 유전체 층의 왕복 위상 변화가 반사 방지 조건을 만족하도록 되는 경우에 흡수가 더욱 향상될 수 있다. 다른 버전에서는, 경사진 측벽과 흡수체 사이의 유전체가 다층 유전체 구조로 대체되어, 법선 방향을 따라 전파되는 광선만 잘 반사되고 다른 방향의 광선은 흡수체를 향하도록 설계된다.
도 12 내지 15는 다양한 제조 공정을 보여준다. 도 12 내지 13은 LED들 사이에 측벽 트렌치를 형성하기 위한 두 가지 다른 제작 공정을 보여준다. 도 14 내지 15는 LED에 접촉부를 부착하기 위한 다양한 제작 공정을 보여준다. 도 12 내지 15에서, 기판은 도 1 내지 11과 비교하여 거꾸로 되어 있다. 즉, 도 12 내지 15에서 반사기가 스택의 상부에 있고 더 두꺼운 n층이 스택의 하부에 있다. 결과적으로, 도 12 내지 15의 방향도 도 1 내지 11에 비해 반대이다.
도 12a-12c는 LED들 사이의 트렌치 에칭을 보여주는 단면도이다. 이들 도면에서, 반도체 웨이퍼(1210)는 부분적으로 처리된다. 도 12에는 도시되어 있지 않지만, 반도체 웨이퍼(1210)는 아래에서 위로 더 두꺼운 n층(116), 활성 영역(114), 더 얇은 p층(112) 및 반사층(120)을 포함하며, 여기서 참조 번호는 도 1에 도시된 이들 층을 지칭한다. 도 12에서, 측벽 트렌치는 이들 층 내부로 에칭된다.
도 12a에서, 하드 마스크(1220)가 웨이퍼 상에 증착되고 그 위에 더 부드러운 포토레지스트 층(1230)이 증착된다. 포토레지스트(1230)는 경사진 표면(1232)을 갖도록 성형된다. 이는 포토레지스트(1230)가 다른 위치에서 다른 각도로 현상되도록 하는 그레이 스케일 노광에 의해 수행될 수 있다. 이는 포토레지스트 구조의 가장자리에 경사진 측벽(1232)을 형성하는 데 활용될 수 있다. 또 다른 접근법은 현상 후 포토레지스트(1230)를 재용융하는 것이다. 포토레지스트의 각 조각은 경사진 측면(1232)을 갖는 물방울 모양을 형성하고, 응고될 때 경사진 측면을 유지한다.
성형된 포토레지스트 프로파일은 그 후 반도체 웨이퍼(1210)로 전사된다. 일부 경우에, 포토레지스트 구조(1230)를 빠르게 파괴하지 않는 적당한 파워로 반도체가 에칭될 수 있다면, 성형된 포토레지스트 구조는 형상을 반도체 웨이퍼(1210)로 직접 전사하기 위한 건식 에칭 마스크로서 사용될 수 있다.
도 12b에 도시된 바와 같이, 더 높은 파워로 건식 에칭되는 GaN과 같은 반도체의 경우, 성형된 포토레지스트(1230)는 먼저 포토레지스트와 하드 반도체 재료 사이의 경도를 갖는 중간 하드 마스크(1220)로 전사될 수 있다. 도 12b는 경사진 측벽(1222)이 하드 마스크(1220)로 전사된 것을 나타낸다. 경사진 측벽은 그 후 하드 마스크로부터 반도체로 전사되어 도 12c에 도시된 바와 같치 LED들 사이에 트렌치(1240)를 형성한다.
다른 접근 방식은 성형된 구조를 에피택셜 방식으로 성장시키는 것이다. 도 13a-13e는 중간 트렌치에 의해 분리된 성장하는 LED를 보여주는 단면도이다. 도 12에서, LED들 사이의 트렌치는 LED들 사이의 재료를 제거하여 형성된다. 도 13에서, 트렌치들은 그 사이에 트렌치가 있는 LED를 성장시켜 형성된다. 이 구현에서, 도 13a에 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼(1310) 상에 Al2O3 또는 Si3N4 또는 SiO2와 같은 얇은 유전체 형태의 성장 마스크(1320)가 먼저 증착된다. 여기서, 반도체 웨이퍼(1310)는 도 1의 더 두꺼운 n층(116)을 포함하지만, 아직 도 1의 활성 영역 또는 p층을 포함하지 않는 기판이다. 도 13b에 도시된 바와 같이, 짧은 페데스탈(1318)이 먼저 성장한다. 그 다음에 다른 결정학적 면이 선호되도록 성장 모드가 변경된다. 이 과정에서, 도 13c에 도시된 바와 같이, 픽셀의 가장자리에 경사면(1317)이 형성된다. 이들 경사면은 결국 경사진 측벽이 된다. 이 시점에서 픽셀(1316) 자체는 n-도핑된다. 그 다음에 도 13d에 도시된 바와 같이, 양자 우물(1314)과 얇은 p층(1312)의 성장이 이어진다. 마지막으로, 도 13e에 도시된 바와 같이 리프트오프 또는 에칭에 의해 각 LED를 둘러싸도록 반사 금속 층(1320)이 형성된다.
도 12 내지 13은 LED들 사이에 트렌치를 형성하기 위한 두 가지 다른 공정을 보여준다. 도 14a-14f는 이들 LED를 위한 금속 접촉부를 형성하는 공정을 나타내는 단면도이다. 도 14a는 도 12 및/또는 도 13의 끝에서 시작된다. 공정의 이 시점에서, 웨이퍼는 반사판(120), 더 얇은 p층(112), 양자 우물 활성 영역(114), 더 두꺼운 n층(116)의 기본 LED 스택을 갖는다. 인접한 LED는 트렌치(1430)에 의해 분리되는데, 트렌치는 도 12 또는 13의 접근 방식을 사용하여 형성될 수 있다. 도 14b에서, 유전체(1432)가 웨이퍼 상에 증착되어 트렌치(1430)를 채운다. 또는, 유전체(1432)가 트렌치들을 부분적으로 채우고, 유전체 다음에 흡수성 재료가 증착될 수 있다. 유전체(1432)의 예는 SiO2, Si3N4, Al2O3, 벤조사이클로부텐(BCB), 스핀온 유리, 폴리이미드 등이 있다. 관련된 높은 종횡비로 인해, 유전체의 상부 표면은 일부 토폴로지를 나타낼 수 있다.
도 14c에서, 상부면은 예를 들어 화학적 기계적 연마를 통해 평탄화된다. 이는 반사층(120) 및 인접 유전체(1432) 모두와 평탄면을 형성한다. 일부 경우에 따라 표면 평탄도는 200nm 이상이다. 다른 접근법에서, 평면화된 표면은 도 14b에서 BCB를 증착한 다음 건식 에칭으로 다시 에칭함으로써 생성될 수 있다.
도 14d-14f에서, 반사층(120)에 대한 금속 접촉부가 형성된다. 이들 LED 픽셀은 매우 작기 때문에, 인접한 평면 유전체(1432)가 존재하지 않으면, 반사층(120)에만 금속 접촉부를 형성하는 것이 어려울 수 있다.
도 14d-14f에서, 금속 접촉부는 리프트오프 공정을 사용하여 형성된다. 도 14d에서, 포토레지스트 구조(1442)가 평탄면 상에 증착된 다음 패턴화된다. 유전체(1432)는 포토레지스트 구조물(1442)에 의해 덮이지만, 반사층(120)은 노출된다. 도 14d에서, 포토레지스트 구조물(1442)은 금속 또는 산화물과 같은 하드 마스크(1443)로 덮인다. 도 14e에서, 금속 층(1444)이 이 구조물(1442-1443) 상에 증착된다. 반사기(120)에 증착된 금속 층(1444a)은 LED에 대한 금속 접촉부가 될 것이다. 포토레지스트 구조물(1442-1443) 상에 증착된 금속 층(1444b)은 리프트오프에 의해 제거될 것이다. 결과의 금속 접촉부(1445) 도 14f에 도시되어 있다. 리프트오프 공정의 대안으로 전기 도금에 의한 금속 증착 및 뒤이은 금속 에칭이 있다.
반사기(120) 및 유전체(1432)를 함께 평탄화하면 포토레지스트(1442) 및 금속(1444) 구조물을 증착할 수 있는 더 큰 평탄면이 생성된다. 예를 들어, 도 14d에서, 포토레지스트 융기부(1442)는 유전체(1432) 및 반사기(120)에 의해 지지된다. 융기부는 높고 가늘며(높은 종횡비) 토포그래피 위에 생성하기 어려울 수 있다. 유전체(1432) 및 반사기(120)를 평탄화하면 이들 높은 종횡비 피처를 위한 평탄면이 생성된다. 금속 증착 및 리프트오프에 대해서도 마찬가지이다. 예를 들어, 포토레지스트 융기부(1442)는 0.1㎛ 내지 0.5㎛의 폭과 1㎛ 내지 2㎛의 높이를 가질 수 있다. 금속 접촉부(1445)는 0.4㎛ 내지 2㎛의 폭과 1㎛ 내지 2㎛의 높이를 가질 수 있다. 이들 피처의 종횡비(높이:폭)는 2:1 이상일 수 있다.
도 14g에 도시된 바와 같이, LED 어레이(1410)는 하나의 기판(1400)에서 지지된다. 대응하는 픽셀 드라이버의 어레이(1450)는 다른 기판(1490)에서 지지된다. 픽셀 드라이버는 LED를 구동한다. 예를 들어, LED 어레이(1410)는 GaN 기판 상의 GaN LED일 수 있고, 픽셀 드라이버는 실리콘 기판 상의 CMOS 드라이브이다. LED 기판(1400) 상의 금속 범프(1445)는 픽셀 드라이버 기판(1490) 상의 대응하는 금속 범프(1455)에 본딩될 수 있다. 열 압축 본딩이 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, LED 어레이(1410)는 이미지 소스를 형성하기 위해 대응하는 픽셀 드라이버(1450)에 연결될 수 있다.
도 15a-15c는 도 14d-14g에 도시된 공정에 대한 대안인, LED 어레이의 금속 접촉부를 형성하는 다른 공정을 나타내는 단면도이다. 도 15a는 도 14c의 마지막 시점에서 시작하며 더 두꺼운 n-층(116), 활성 영역(114), 더 얇은 p-층(112) 및 반사기(120)의 구조를 갖는다. 인접한 LED는 트렌치(1430)에 의해 분리되고, 트렌치는 유전체(1432)로 채워진다. 상부 표면은 평탄화되어 반사기(120) 및 유전체(1432)를 포함하는 평탄면을 남긴다. 도 15a에서, 산화물 층(1542)이 상부 표면 상에 형성된다. 이는, 예를 들어 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 공정 또는 스핀온글래스(spin-on-glass)를 사용하여 증착될 수 있다. 도 15b에서, 금속 플러그(1545)가 산화물 층(1542)을 통해 생성되고 개별 LED의 반사층(120)과 접촉한다. 이들 플러그(1545)는 높은 종횡비를 가질 수 있다. 이들은 폭이 0.25~0.50㎛, 높이가 2~3㎛일 수 있으며, 높이 대 폭의 종횡비가 4:1 이상일 수 있다. LED 피치도 일반적으로 3㎛ 이하로 작다는 점을 상기한다. LED 피치와 비교한 플러그(1545) 및 산화물(1542)의 높이가 도 15b에 축척으로 도시되어 있다. 한 접근 방식에서, 비아의 종횡비가 높기 때문에 산화물 층(1542)을 통과하는 비아는 패터닝된 다음 플라즈마 에칭된다. 구리 도금 공정이 비아에 금속 플러그를 형성한다. 화학적 기계적 연마가 상부 표면을 평탄화한다. "평탄화된" 표면에서 금속 플러그는 산화물 층(1542)의 상부 표면 약간 아래에 위치한다. 금속 플러그는 일반적으로 상부 표면 200nm 이하 아래에 있으며 상부 표면에서 불과 몇 nm 아래에 있을 수 있다. 이 부분은 도 15b에 축척으로 도시되지 않았다. 높이의 차이는 도 15b에서 볼 수 있도록 도시되어 있다.
유사한 구조가 픽셀 드라이버 어레이에 연결된 금속 플러그를 형성한다. 도 15c에 도시된 바와 같이, LED 어레이(1510)는 하나의 기판(1500) 상에 지지되고, 대응하는 픽셀 드라이버의 어레이(1550)는 다른 기판(1590) 상에 지지된다. LED 기판(1500) 상에 금속 플러그(1545)를 갖는 산화물(1542)이 픽셀 드라이버 기판(1590) 상의 유사한 산화물(1552) 및 금속 플러그(1555) 구조에 본딩된다. 대응하는 산화물(1542-1552)은 산화물-산화물 본딩을 형성하고, 대응하는 금속 플러그(1545-1555)는 금속-금속 본딩을 형성한다. 한 접근 방식에서, 금속 플러그(1545-1555)가 서로 정렬되고 이어서 산화물 층(1542-1552)이 서로 본딩된다. 이 시점에서 금속 플러그(1545-1555)는 정렬되지만 서로 접촉하지는 않는다. 구조의 온도가 상승한다. 이로 인해 금속 플러그(1545-1555)가 팽창하여 서로 접촉하게 된다. 이 후 이들은 서로 본딩될 수 있다. 이를 하이브리드 본딩이라고 한다. 도 15c는 금속 플러그(1545-1555)가 아직 접촉하지 않은 온도 상승 전의 두 기판을 보여준다. 도 15d는 하이브리드 본딩이 완료된 후의 두 기판을 보여준다.
도 14 및 15는 하나의 기판에 LED 어레이를 생성하고 LED 어레이를 다른 기판의 CMOS 회로일 수 있는 픽셀 드라이버 어레이에 본딩하는 두 가지 공정을 보여준다. 이 본딩은 웨이퍼-웨이퍼 레벨에서 이루어질 수 있는데, 여기서 다수의 LED 어레이를 갖는 웨이퍼가 다수의 대응하는 픽셀 드라이버 어레이를 갖는 웨이퍼에 본딩된다. 또는 LED가 있는 단일 다이가 대응하는 픽셀 드라이버가 있는 다이에 본딩되는 다이-다이 레벨에서 수행될 수도 있다. 이는 또한 개별 싱귤레이션 다이가 여전히 웨이퍼 형태로 다이에 본딩되는 웨이퍼-다이 레벨에서 이루어질 수도 있다. 예를 들어, GaN 웨이퍼가 LED 어레이의 다이로 싱귤레이션될 수 있으며, 이후 한 번에 한 다이씩 CMOS 웨이퍼의 대응 드라이버 어레이에 본딩될 수 있다. 전술한 모놀리식 초고밀도 LED 어레이의 한 가지 가능한 용도는 콘택트렌즈 기반 디스플레이의 이미지 소스로서, 디스플레이된 이미지가 착용자의 실제 세계의 시야를 오버레이(또는 대체)하도록 하는 것이다. 도 16은 콘택트렌즈(1650)에 펨토프로젝터(1600)를 포함하는 안구 착용형 디스플레이의 단면을 보여준다.
도 16은 안구에 대해 움직이지 않도록 설계될 수 있는 공막 콘택트렌즈를 사용하는 실시예를 도시하는데, 콘택트렌즈가 공막일 필요는 없다. 안구의 수액(aqueous)은 눈의 각막(1674)과 수정체(1676) 사이에 위치한다. 유리체(vitreous)는 수정체(1676)와 망막(1678) 사이의 부피를 포함하여 안구의 대부분을 채운다. 홍채(1684)는 눈의 개구부를 제한한다.
콘택트렌즈(1650)는 바람직하게는 2mm 미만의 두께를 가지며, 펨토프로젝터(1600)는 바람직하게는 2mm x 2mm x 2mm 또는 그 이하의 부피에 들어맞는다. 콘택트렌즈(1650)는 착용하기 편하고, 산소가 각막(1674)에 도달할 수 있게 허용함으로써 눈 건강을 유지한다. 펨토프로젝터(1600)는 이미지 소스(1612/1614) 및 투영 광학계(1630)를 포함한다. 이미지 소스는 백플레인(1612) 및 프론트플레인(1614)을 포함하며, 그 예는 위에서 설명하였다. 이 예에서, 백플레인(1612)은 픽셀 드라이버를 포함하는 CMOS 주문형 집적 회로(ASIC)이고, 프론트플레인(1614)은 GaN LED 어레이를 포함한다. 백플레인 전자 장치(1612)는 안구 착용형 디스플레이 외부의 소스로부터 데이터 패킷을 수신한다. 백플레인 ASIC(1612)은 데이터 패킷을 프론트플레인 GaN LED 어레이(1614)의 구동 전류로 변환하며, 이는 광학 시스템(1630)에 의해 사용자의 망막(1678)에 투영되는 광을 생성한다.
일부 설계에서, 광학 시스템(1630)은 2개의 미러 시스템이다. 예를 들어, 미국 특허 출원번호 16/034,761, "안구 착용형 이미징 시스템을 위한 고급 광학 설계(Advanced Optical Designs for Eye-Mounted Imaging Systems)"(40785) 및 미국 특허 출원번호 10,353,204, "펨토프로젝터 광학 시스템(Femtoprojector Optical Systems)"(37915)를 참조한다(이들은 모두 전체가 참조로 포함된다). 이러한 광학 시스템(1630)은 콘택트렌즈 내에 들어맞도록 충분히 작고, 2mm x 2mm x 2mm 부피 또는 심지어 1mm x 1mm x 1mm 부피에 들어맞을 정도로 작을 수 있다. 이러한 설계는 공기 중에서 측정할 때 10도~40도(5~20도의 반각(half angle))의 집광 각도를 가질 수 있다. 굴절률이 더 높은 매질에서 측정하면, 그에 따라 집광 각도가 감소한다.
발광체(1614)의 어레이는 불균일한 해상도를 가질 수 있다. 예를 들어, 어레이의 중앙 영역이 중심와(fovea)에 이미징될 수 있으며, 따라서 중앙 픽셀은 어레이의 주변부에 있는 픽셀에 비해 더 높은 해상도(즉, 픽셀들 사이의 더 작은 피치)를 가질 수 있다. 프론트플레인(1612)과 백플레인(1614)의 피치는 일치할 수 있으며, 이 경우 백플레인의 중앙에 있는 각 픽셀 드라이버에 대한 영역이 주변부에 비해 더 적다. 또는, 백플레인(1614)은 균일한 피치를 가질 수 있고, 프론트플레인(1612)은 여전히 가변 피치를 가질 수 있다. 한 접근 방식에서, 배선 층이 균일한 피치 백플레인(1614)과 가변 피치 프론트플레인(1612) 사이를 연결한다. 상이한 배선 층을 사용함으로써, 동일한 백플레인이 상이한 프런트플레인들과 함께 사용될 수 있다.
안구 착용형 펨토프로젝터 디스플레이는 200x200 컬러 픽셀 어레이를 사용할 수 있다. 디스플레이는 단색 또는 컬러일 수 있다. 컬러 픽셀당 3개의 LED가 있는 3컬러 디스플레이에는 총 120,000개 이상의 LED가 있을 수 있다.
모놀리식 초 고밀도 LED 디스플레이의 또 다른 용도로는 안경이나 고글과 같은 안경에서 증강, 혼합 또는 인공 현실 애플리케이션과 같이 착용자의 현실 세계 시야에 오버레이되는 이미지 또는 몰입형 시각 경험을 만드는 것이다.
상세한 설명이 많은 세부사항을 포함하고 있지만, 이들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며 단지 다른 예를 예시하는 것으로 해석되어야 한다. 본 개시의 범위는 위에서 상세하게 논의되지 않은 다른 실시예를 포함함을 이해해야 한다. 예를 들어, 전술한 원리는 n층과 p층의 역할이 반대인 LED 어레이에도 적용될 수 있다. 첨부된 특허청구범위에 정의된 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에 개시된 방법 및 장치의 구성, 동작 및 세부사항에서 당업자에게 명백한 다양한 다른 수정, 변형 및 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위 및 그 법적 균등물에 의해 판단되어야 한다.

Claims (20)

  1. LED 프론트플레인(frontplane) 및 픽셀 드라이버 백플레인(pixel driver backplane)을 포함하는 이미지 소스를 제조하는 방법으로서,
    LED 어레이를 갖는 LED 프론트플레인을 제조하는 단계와,
    픽셀 드라이버 어레이를 위한 접촉부를 포함하는 픽셀 드라이버 백플레인을 제조하는 단계와,
    상기 LED 프론트플레인을 상기 픽셀 드라이버 백플레인과 하이브리드 본딩하는 단계를 포함하되,
    상기 LED 프론트플레인을 제조하는 단계는,
    유전체로 LED 프론트플레인 내의 트렌치를 적어도 부분적으로 채우는 단계 - 상기 LED 프론트플레인은 아래에서 위로 순서대로 n층과 p층 중 하나인 하부층, 활성 영역, n층과 p층 중 다른 하나인 상부층, 및 반사층을 포함하고, 상기 트렌치는 상기 반사층, 상기 상부층, 상기 활성 영역을 통해 상기 하부층으로 연장되며, 상기 트렌치는 인접한 개별 LED의 활성 영역을 분리함 - 와,
    상기 LED 프론트플레인을 평탄화하여 평탄화된 유전체 및 반사층을 포함하는 상부면을 생성하는 단계와,
    상기 상부면 상에 산화물층을 형성하는 단계와,
    상기 산화물 층을 통해 금속 플러그를 생성하고 개별 LED의 상기 반사층에 접촉시키는 단계를 포함하고,
    상기 픽셀 드라이버 백플레인을 제조하는 단계는,
    상기 접촉부를 포함하는 평탄면 상에 산화물 층을 형성하는 단계와,
    상기 산화물 층을 통해 금속 플러그를 생성하고 상기 접촉부에 접촉시키는 단계를 포함하며,
    상기 LED 프론트플레인을 상기 픽셀 드라이버 백플레인과 하이브리드 본딩하는 단계에서, 상기 LED 프론트플레인으로부터의 산화물 층과 상기 픽셀 드라이버 백플레인으로부터의 산화물 층은 산화물-산화물 본딩을 형성하고, 상기 LED 프론트플레인으로부터의 금속 플러그와 상기 픽셀 드라이버 백플레인으로부터의 금속 플러그는 금속-금속 본딩을 형성하는,
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LED 프론트플레인을 상기 픽셀 드라이버 백플레인과 하이브리드 본딩하는 단계는,
    상기 LED 프런트플레인으로부터의 금속 플러그를 상기 픽셀 드라이버 백플레인으로부터의 금속 플러그와 정렬하는 단계와,
    상기 LED 프론트플레인으로부터의 산화물 층과 상기 픽셀 드라이버 백플레인으로부터의 산화물 층을 본딩하는 단계 - 상기 LED 프론트플레인으로부터의 금속 플러그와 상기 픽셀 드라이버 백플레인으로부터의 금속 플러그는 정렬되지만 서로 접촉하지 않음 - 와,
    상기 금속 플러그들의 온도를 증가시켜, 상기 LED 프론트플레인으로부터의 금속 플러그와 상기 픽셀 드라이버 백플레인으로부터의 금속 플러그가 확장되어 서로 접촉하고 서로 본딩되게 하는 단계를 포함하는,
    방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 LED 프론트플레인으로부터의 금속 플러그는 높이 대 폭의 종횡비가 4:1 이상인,
    방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 LED 프론트플레인을 위한 상기 금속 플러그를 생성하는 것은,
    상기 산화물 층을 통해 상기 반사층까지 비아를 플라즈마 에칭하는 것과,
    상기 비아를 금속 플러그로 채우는 것을 포함하는,
    방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 어레이 내의 LED들 사이의 피치는 3㎛ 이하이고, 상기 트렌치는 높이 대 폭의 종횡비가 1:1 이상인,
    방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 LED 프론트플레인을 상기 픽셀 드라이버 백플레인과 하이브리드 본딩하는 단계는, 복수의 LED 프론트플레인을 포함하는 웨이퍼와 복수의 픽셀 드라이버 백플레인을 포함하는 별개의 웨이퍼의 웨이퍼-웨이퍼 본딩을 포함하는,
    방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 LED 프론트플레인을 상기 픽셀 드라이버 백플레인과 하이브리드 본딩하는 단계는, 복수의 LED 프론트플레인을 포함하는 웨이퍼와 상기 픽셀 드라이버 백플레인을 포함하는 다이의 웨이퍼-다이 본딩을 포함하는,
    방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 LED 프론트플레인을 상기 픽셀 드라이버 백플레인과 하이브리드 본딩하는 단계는, 상기 LED 프론트플레인을 포함하는 다이와 상기 픽셀 드라이버 백플레인을 포함하는 별개의 다이의 다이-다이 본딩을 포함하는,
    방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 LED 프론트플레인은 평탄화 전에 적어도 1㎛의 토포그래피를 가지며, 상기 토포그래피는 상기 평탄화에 의해 0.2㎛ 미만으로 감소하는,
    방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 LED 프론트플레인을 제조하는 단계는,
    상기 하부층, 상기 활성 영역, 상기 상부층 및 상기 반사층을 갖는 웨이퍼를 생성하는 단계와,
    상기 반사층, 상기 상부층, 상기 활성 영역을 통해 상기 하부층으로 상기 트렌치를 에칭하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 LED 프론트플레인을 제조하는 단계는, 웨이퍼 상에 상기 하부층, 상기 활성 영역, 상기 상부층 및 상기 반사층을 성장시키는 단계를 더 포함하되, 상기 층들은 상기 트렌치를 형성하는 패턴으로 성장되는,
    방법.
  12. 이미지 소스로서,
    LED 프론트 플레인과,
    픽셀 드라이버 백플레인을 포함하되,
    상기 LED 프론트 플레인은,
    LED 어레이 - 상기 LED 어레이의 LED는, n층 및 p층 중 하나인 하부층, n층 및 p층 중 다른 하나인 상부층, 및 상기 하부층과 상기 상부층 사이의 활성 영역을 포함하는 반도체 스택과, 상기 하부층 아래의 하부 반사기를 포함함 - 와,
    상기 하부 반사기를 통해 연장되는 트렌치와,
    상기 하부 반사기 아래의 산화물 층, 및 상기 산화물 층을 관통하며 상기 하부 반사기와 접촉하는 금속 플러그 어레이를 포함하고,
    상기 픽셀 드라이버 백플레인은,
    픽셀 드라이버에 대한 접촉부를 갖는 픽셀 드라이버 어레이와,
    산화물 층 - 상기 산화물 층은 상기 산화물 층을 관통하며 상기 픽셀 드라이버에 대한 접촉부와 접촉하는 금속 플러그 어레이를 갖고, 상기 픽셀 드라이버 백플레인으로부터의 산화물 층 및 금속 플러그는 상기 LED 프론트플레인으로부터의 산화물 층 및 금속 플러그에 본딩됨 - 을 포함하는,
    이미지 소스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 LED 프론트플레인으로부터의 금속 플러그는 높이 대 폭의 종횡비가 4:1 이상인,
    이미지 소스.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 어레이 내의 LED들 사이의 피치는 3㎛ 이하이고, 상기 LED 프론트플레인으로부터의 산화물 층 및 상기 픽셀 드라이버 백플레인으로부터의 산화물 층의 결합 두께는 4㎛ 이상인,
    이미지 소스.
  15. 제12항에 있어서,
    각각의 LED는, 상기 픽셀 드라이버 백플레인 상의 대응하는 금속 플러그에 본딩된 상기 LED 프론트플레인 상의 금속 플러그 중 하나에 의해 대응하는 픽셀 드라이버에 개별적으로 연결되는,
    이미지 소스.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 LED 어레이는 적어도 200 x 200개의 LED의 어레이를 포함하고, 상기 LED 프론트플레인 및 상기 픽셀 드라이버 백플레인은 각각 2mm x 2mm 이하의 면적을 갖는,
    이미지 소스.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 하부 반사기 및 상기 하부층은 상기 활성 영역으로부터 방출된 광을 위한 하프 캐비티(half cavity)를 형성하는,
    이미지 소스.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 LED는, 상기 활성 영역으로부터 위쪽으로 연장되고 상기 상부 층에 인접한 반사 측벽을 더 포함하되, 상기 하프 캐비티는 상기 활성 영역으로부터 방출된 광을 적어도 하나의 로브를 갖는 앵귤러 파워 분포(angular power distribution)로 재분배하고, 상기 반사 측벽은 상기 로브 중 적어도 하나를 상기 활성 영역의 법선에 더 가까운 방향으로 반사하는,
    이미지 소스.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 반사 측벽은 상기 LED 어레이의 피치에 대한 상기 측벽의 높이의 비율이 적어도 2:1인 직선 반사 측벽인,
    이미지 소스.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 LED 프론트플레인은 GaN LED 어레이를 포함하고 상기 픽셀 드라이버 백플레인은 CMOS 픽셀 드라이버 어레이를 포함하는,
    이미지 소스.
KR1020237028117A 2021-01-21 2022-01-14 하프 캐비티 및 반사 측벽을 갖춘 초고밀도 led 어레이및 하이브리드 본딩 방법 KR20230159381A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/154,480 2021-01-21
US17/154,480 US11476387B2 (en) 2019-11-22 2021-01-21 Ultra-dense array of LEDs with half cavities and reflective sidewalls, and hybrid bonding methods
PCT/US2022/012583 WO2022159348A1 (en) 2021-01-21 2022-01-14 Ultra-dense array of leds with half cavities and reflective sidewalls, and hybrid bonding methods

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230159381A true KR20230159381A (ko) 2023-11-21

Family

ID=82549107

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237028117A KR20230159381A (ko) 2021-01-21 2022-01-14 하프 캐비티 및 반사 측벽을 갖춘 초고밀도 led 어레이및 하이브리드 본딩 방법

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4272265A1 (ko)
KR (1) KR20230159381A (ko)
WO (1) WO2022159348A1 (ko)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070045640A1 (en) * 2005-08-23 2007-03-01 Erchak Alexei A Light emitting devices for liquid crystal displays
WO2010132552A1 (en) * 2009-05-12 2010-11-18 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Printed assemblies of ultrathin, microscale inorganic light emitting diodes for deformable and semitransparent displays
US10768515B2 (en) * 2017-12-12 2020-09-08 Tectus Corporation Method for manufacturing ultra-dense LED projector using thinned gallium nitride
WO2020100294A1 (ja) * 2018-11-16 2020-05-22 堺ディスプレイプロダクト株式会社 マイクロｌｅｄデバイスおよびその製造方法
US11127881B2 (en) * 2019-11-22 2021-09-21 Tectus Corporation Ultra-dense array of LEDs with half cavities and reflective sidewalls

Also Published As

Publication number Publication date
EP4272265A1 (en) 2023-11-08
WO2022159348A1 (en) 2022-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11264365B2 (en) Image display device and display
TWI760282B (zh) 用於直接視野顯示之具有集成反射器的發光二極體及其製造方式
CN112820724A (zh) 图像显示元件及图像显示元件的制造方法
US11067879B2 (en) Ultra-dense LED projector using thinned gallium nitride
TW202129194A (zh) 用於主光線偏離補償的微發光二極體設計
CN111213243B (zh) 超致密led投影仪
JP7249787B2 (ja) 表示素子及び表示装置
JP2013501357A (ja) ピクセル化されたｌｅｄ
TWI686964B (zh) 微型led元件、影像顯示元件、及製造方法
JP2023527963A (ja) 水平発光を用いるマルチカラーｌｅｄピクセルユニットのシステム及び方法
JP2022536911A (ja) マルチカラーｌｅｄピクセルユニットのシステム及び方法
TWI805028B (zh) 顯示基板以及顯示裝置
US11158669B2 (en) Ultra-dense array of LEDs with half cavities and reflective sidewalls, and manufacturing methods
TW202346981A (zh) 在微發光二極體上的階梯式微透鏡
US11476387B2 (en) Ultra-dense array of LEDs with half cavities and reflective sidewalls, and hybrid bonding methods
JP2010092957A (ja) 発光ダイオード及びその製造方法
KR20090099537A (ko) 피라미드형 광 결정 발광 소자
US11973174B2 (en) LED displays fabricated using hybrid bonding
US20030124754A1 (en) Process for efficient light extraction from light emitting chips
KR20230159381A (ko) 하프 캐비티 및 반사 측벽을 갖춘 초고밀도 led 어레이및 하이브리드 본딩 방법
TW202349647A (zh) 具有光萃取效率增強的微顯示器架構
US20230317895A1 (en) Ultra-dense array of leds with ruthenium mirrors
EP4356438A1 (en) Micro light-emitting diode with improved light extraction