KR20230159593A - Led 어레이들 및 디스플레이들을 위한 패터닝된 반사성 그리드들 - Google Patents
Led 어레이들 및 디스플레이들을 위한 패터닝된 반사성 그리드들 Download PDFInfo
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Abstract
LED 어레이들은 어레이 내의 인접 픽셀들 또는 인접 픽셀 그룹들 사이의 콘트라스트 비를 향상시키는 패터닝된 반사성 그리드들을 포함한다. 반사성 그리드 상의 패턴은 또한 반사성 그리드와, 반사성 그리드 상에 배치되고 반사성 그리드에 부착된 하나 이상의 재료 층 사이의 접착을 개선할 수 있다. 반사성 그리드는, 예를 들어, 반사성 금속 그리드, 유전체 반사기들의 그리드, 또는 분산 브래그 반사기(DBR)들의 그리드로서 형성될 수 있다. 금속 그리드로서 형성되는 경우, 반사성 그리드는 LED 다이오드 접합들의 일 측에 전기적 콘택트를 제공할 수 있다. 본 명세서는 또한 그러한 LED 어레이들에 대한 제조 공정들을 개시한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 3월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 제17/217,922호에 대한 우선권의 이익을 주장하고, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 발광 다이오드(LED) 어레이들, LED 어레이들을 포함하는 광원들, 및 LED 어레이들을 포함하는 디스플레이들에 관한 것이다.
무기 LED들은 자동차용 적응형 헤드라이트들, 증강 현실(AR) 디스플레이들, 가상 현실(VR) 디스플레이들, 혼합 현실(MR) 디스플레이들, 모바일 폰들을 위한 스마트 안경들 및 디스플레이들, 스마트 워치들, 모니터들 및 TV들, 및 모바일 폰들 내의 카메라들을 위한 플래시 조명을 포함하는 상이한 타입들의 디스플레이들, 매트릭스들 및 광 엔진들을 생성하기 위해 널리 사용되어 왔다. 이러한 아키텍처들 내의 개별 LED 픽셀들은 매트릭스 또는 디스플레이 크기 및 그의 인치당 픽셀 요건들에 따라 수 제곱 밀리미터 내지 수 제곱 마이크로미터까지의 면적을 가질 수 있다. 이러한 유형들의 LED 매트릭스들/디스플레이들은 일반적으로 도너 기판으로부터 컨트롤러 백플레인 또는 전자 장치 보드로의 개별 픽셀들의 전달 및 부착에 의해 실현된다. 이러한 어레이들은 또한, LED 픽셀들의 모놀리식으로(monolithically) 통합된 어레이가 도너 에피택셜 웨이퍼 상의 LED 모듈로 프로세싱된 다음 컨트롤러 백플레인에 전달 및 부착되는 모놀리식 접근법에 의해 생성될 수 있다.
이러한 어레이들/디스플레이들에 대한 핵심 사양들 중 하나는 콘트라스트 비(CR)이다. CR은 하나의 또는 한 그룹의 "온" 상태 픽셀(들) 대 인접한 "오프" 상태 픽셀들의 휘도 비율로서 정의된다. 이것은 광자들이 "온" 상태 픽셀로부터 이웃하는 "오프" 상태 픽셀들로 유출될 때 CR이 크게 저하된다는 것을 의미한다. 낮은 CR은 전형적으로 흐릿한 이미지들 또는 손상된 투사된 빔 패턴들을 초래한다.
본 명세서는 어레이 내의 인접 픽셀들 또는 인접 픽셀 그룹들 사이의 콘트라스트 비를 향상시키는 패터닝된 반사성 그리드들을 포함하는 LED 어레이들을 개시한다. 반사성 그리드 상의 패턴은 또한 반사성 그리드와, 반사성 그리드 상에 배치되고 반사성 그리드에 부착된 하나 이상의 재료 층 사이의 접착을 개선할 수 있다. 반사성 그리드는, 예를 들어, 반사성 금속 그리드, 유전체 반사기들의 그리드, 또는 분산 브래그 반사기(DBR)들의 그리드로서 형성될 수 있다. 금속 그리드로서 형성된 경우, 반사성 그리드는 LED 다이오드 접합들의 일 측에 전기적 콘택트를 제공할 수 있다. 본 명세서는 또한 이러한 LED 어레이들에 대한 제조 공정들을 개시한다.
본 명세서에 개시된 LED 어레이들은 인광체-변환된 또는 직접-컬러 LED들을 포함할 수 있다. 어레이들 내의 개별 LED들은 수 제곱 마이크로미터(마이크로LED) 내지 제곱 밀리미터(종래의 LED) 범위의 면적들을 갖는 발광 표면들을 가질 수 있다.
본 명세서에 개시된 LED 어레이들은 배경기술 섹션에서 위에 열거된 디바이스들 및 응용들 중 임의의 것에 유리하게 이용될 수 있다.
도 1은 예시적인 pcLED의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 각각 pcLED들의 어레이의 단면도 및 평면 개략도를 도시한다.
도 3a는 pcLED들의 어레이가 장착될 수 있는 전자 장치 보드의 개략적인 평면도를 도시하고, 도 3b는 유사하게 도 3a의 전자 장치 보드 상에 장착된 pcLED들의 어레이를 도시한다.
도 4a는 도파관들 및 투영 렌즈에 대해 배열된 pcLED들의 어레이의 개략적인 단면도를 도시한다. 도 4b는 도파관이 없는, 도 4a의 배열과 유사한 배열을 도시한다.
도 5는 적응형 조명 시스템을 포함하는 예시적인 카메라 플래시 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 6은 적응형 조명 시스템을 포함하는 예시적인 디스플레이(예를 들어, AR/VR/MR) 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 7은 패터닝된 반사성 그리드를 포함하는 예시적인 LED 어레이의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 8a는 도 7에서와 같은 LED 어레이의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 8b는 도 8a에서와 같은 LED 어레이의 변형의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 8c는 파장 변환 구조체를 포함하는, 도 8a에서와 같은 LED 어레이의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 8d는 파장 변환 구조체를 포함하는, 도 8b에서와 같은 LED 어레이의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 9a, 도 9b, 및 도 9c는 도 8a의 LED 어레이를 제조하는 예시적인 방법 동안의 단계들을 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 도 8a의 LED 어레이를 제조하는 다른 예시적인 방법 동안의 단계들을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 각각 pcLED들의 어레이의 단면도 및 평면 개략도를 도시한다.
도 3a는 pcLED들의 어레이가 장착될 수 있는 전자 장치 보드의 개략적인 평면도를 도시하고, 도 3b는 유사하게 도 3a의 전자 장치 보드 상에 장착된 pcLED들의 어레이를 도시한다.
도 4a는 도파관들 및 투영 렌즈에 대해 배열된 pcLED들의 어레이의 개략적인 단면도를 도시한다. 도 4b는 도파관이 없는, 도 4a의 배열과 유사한 배열을 도시한다.
도 5는 적응형 조명 시스템을 포함하는 예시적인 카메라 플래시 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 6은 적응형 조명 시스템을 포함하는 예시적인 디스플레이(예를 들어, AR/VR/MR) 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 7은 패터닝된 반사성 그리드를 포함하는 예시적인 LED 어레이의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 8a는 도 7에서와 같은 LED 어레이의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 8b는 도 8a에서와 같은 LED 어레이의 변형의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 8c는 파장 변환 구조체를 포함하는, 도 8a에서와 같은 LED 어레이의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 8d는 파장 변환 구조체를 포함하는, 도 8b에서와 같은 LED 어레이의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 9a, 도 9b, 및 도 9c는 도 8a의 LED 어레이를 제조하는 예시적인 방법 동안의 단계들을 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 도 8a의 LED 어레이를 제조하는 다른 예시적인 방법 동안의 단계들을 도시한다.
이하의 상세한 설명은 도면들을 참조하여 읽혀져야 하며, 도면들에서 동일한 참조 번호들은 상이한 도면들 전체에 걸쳐 유사한 요소들을 지칭한다. 반드시 축척대로 그려진 것은 아닌 도면들은 선택적 실시예들을 도시하고, 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 상세한 설명은 본 발명의 원리들을 제한으로서가 아니라 예로서 예시한다.
도 1은 기판(104) 상에 배치된 발광 반도체 다이오드(LED) 구조(102) 및 LED 상에 배치된 인광체 층(106)을 포함하는 개별 pcLED(100)의 예를 도시한다. 발광 반도체 다이오드 구조체(102)는 전형적으로 n형 층과 p형 층 사이에 배치된 활성 영역을 포함한다. 다이오드 구조체를 가로지르는 적절한 순방향 바이어스의 인가는 활성 영역으로부터의 광의 방출을 초래한다. 방출된 광의 파장은 활성 영역의 조성 및 구조에 의해 결정된다.
LED는, 예를 들어, 자외선, 청색, 녹색, 또는 적색 광을 방출하는 III-질화물 LED일 수 있다. 임의의 다른 적절한 재료 시스템으로부터 형성되고 임의의 다른 적절한 파장의 광을 방출하는 LED들이 또한 사용될 수 있다. 다른 적절한 재료 시스템들은, 예를 들어, III-인화물 재료들, III-비화물 재료들, 및 II-VI 재료들을 포함할 수 있다.
pcLED로부터의 원하는 광학 출력 및 컬러 사양들에 따라, 임의의 적절한 인광체 재료들이 사용될 수 있다.
도 2a-도 2b는 기판(202) 상에 배치된 인광체 픽셀들(106)을 포함하는 pcLED들(100)의 어레이(200)의 단면도 및 평면도를 각각 도시한다. 이러한 어레이는 임의의 적절한 방식으로 배열된 임의의 적절한 수의 pcLED들을 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 어레이는 공유 기판 상에 모놀리식으로 형성된 것으로 도시되지만, 대안적으로 pcLED들의 어레이는 별개의 개별 pcLED들로부터 형성될 수 있다. 기판(202)은 LED를 구동하기 위한 CMOS 회로부를 임의적으로(optionally) 포함할 수 있고, 임의의 적절한 재료들로 형성될 수 있다.
도 2a-도 2b는 9개의 pcLED들의 3x3 어레이를 도시하지만, 그러한 어레이들은 예를 들어 수십, 수백 또는 수천 개의 LED들을 포함할 수 있다. 개별 LED들(픽셀들)은 어레이의 평면에서 폭들(예를 들어, 측방향 길이들), 예를 들어, 1 밀리미터(mm) 이하, 500 미크론(micron) 이하, 100 미크론 이하, 또는 50 미크론 이하를 가질 수 있다. 그러한 어레이 내의 LED들은 예를 들어, 수백 미크론, 100 미크론 이하, 50 미크론 이하, 10 미크론 이하, 또는 5 미크론 이하의 어레이의 평면 내의 폭을 갖는 스트리트들 또는 레인들에 의해 서로 이격될 수 있다. 도시된 예들은 대칭 행렬로 배열된 직사각형 픽셀들을 도시하지만, 픽셀들 및 어레이는 임의의 적절한 형상 또는 배열을 가질 수 있다.
약 50 미크론 이하의 어레이의 평면 내의 치수(예를 들어, 측방향 길이)를 갖는 LED들은 통상적으로 마이크로LED들이라 칭해지고, 이러한 마이크로LED들의 어레이는 마이크로LED 어레이라 칭해질 수 있다.
LED들의 어레이, 또는 그러한 어레이의 부분들은 세그먼트화된 모놀리식 구조로서 형성될 수 있고, 여기서 개별 LED 픽셀들이 트렌치들 및/또는 절연 재료에 의해 서로 전기적으로 격리되지만, 전기적으로 격리된 세그먼트들이 반도체 구조체의 부분들에 의해 서로 물리적으로 접속된 채로 유지된다.
LED 어레이 내의 개별 LED들은 개별적으로 어드레싱 가능할(동작 가능할) 수 있거나, 어레이 내의 픽셀 그룹 또는 서브세트의 일부로서 어드레싱 가능할 수 있거나, 어드레싱 가능하지 않을 수 있다. 따라서, 발광 픽셀 어레이들은 광 분포의 미세-입도의 강도, 공간적, 및 시간적 제어를 요구하거나 또는 이로부터 이익을 얻는 임의의 응용에 유용하다. 이러한 응용들은 픽셀 블록들 또는 개별 픽셀들로부터 방출된 광의 정확한 특수 패터닝을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 응용에 따라, 방출된 광은 스펙트럼적으로 구별되고, 시간에 따라 적응되고, 및/또는 환경적으로 반응할 수 있다. 그러한 발광 픽셀 어레이들은 다양한 강도, 공간, 또는 시간 패턴들로 미리 프로그래밍된 광 분포를 제공할 수 있다. 방출된 광은 수신된 센서 데이터에 적어도 부분적으로 기초할 수 있고 광 무선 통신을 위해 사용될 수 있다. 연관된 전자장치 및 광학계는 픽셀, 픽셀 블록, 또는 디바이스 레벨에서 구별될 수 있다.
도 3a-도 3b에 도시한 바와 같이, pcLED 어레이(200)는 전력 및 제어 모듈(302), 센서 모듈(304), 및 LED 부착 영역(306)을 포함하는 전자 장치 보드(300) 상에 장착될 수 있다. 전력 및 제어 모듈(302)은 외부 소스들로부터의 전력 및 제어 신호들 및 센서 모듈(304)로부터의 신호들을 수신할 수 있고, 전력 및 제어 모듈(302)은 그에 기초하여 LED들의 동작을 제어한다. 센서 모듈(304)은 임의의 적절한 센서들로부터, 예를 들어 온도 또는 광 센서들로부터 신호들을 수신할 수 있다. 대안적으로, pcLED 어레이(200)는 전력 및 제어 모듈 및 센서 모듈과는 별개인 보드(도시되지 않음) 상에 장착될 수 있다.
개개의 pcLED들은, 임의적으로 인광체 층에 인접하게 위치하거나 인광체 층 상에 배치된 렌즈 또는 기타의 광학적 요소를 포함하거나 이와 조합하여 배열될 수 있다. 도면에 도시되지 않은 이러한 광학적 요소는 "주 광학적 요소"로 지칭될 수 있다. 또한, 도 4a-도 4b에 도시한 바와 같이, (예를 들어, 전자 장치 보드(300) 상에 장착된) pcLED 어레이(200)는 의도된 응용에서 사용하기 위해 도파관들, 렌즈들, 또는 둘 다와 같은 보조적 광학적 요소들과 조합하여 배열될 수 있다. 도 4a에서, pcLED들(100)에 의해 방출된 광은 도파관들(402)에 의해 수집되고 투영 렌즈(404)로 지향된다. 투영 렌즈(404)는 예를 들어 프레넬 렌즈일 수 있다. 이러한 배열은 예를 들어 자동차 헤드라이트들에 사용하기에 적절할 수 있다. 도 4b에서, pcLED들(100)에 의해 방출된 광은 중간 도파관들의 사용 없이 투영 렌즈(404)에 의해 직접 수집된다. 이 배열은 pcLED들이 서로 충분히 가깝게 이격될 수 있을 때 특히 적절할 수 있고, 또한 자동차 헤드라이트에뿐만 아니라 카메라 플래시 응용에 이용될 수 있다. 마이크로LED 디스플레이 응용은, 예를 들어, 도 4a 및 도 4b에 도시된 것과 유사한 광학 배열들을 사용할 수 있다. 일반적으로, 원하는 응용에 따라, 광학적 요소들의 임의의 적절한 배열이 본 명세서에 설명된 LED 어레이들과 조합하여 사용될 수 있다.
독립적으로 동작 가능한 LED들의 어레이는 특정 목적을 위해 적응 가능한 조명을 제공하기 위해(예를 들어, 전술한 바와 같은) 렌즈, 렌즈 시스템, 또는 다른 광학 시스템과 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 동작 시에, 그러한 적응형 조명 시스템은 조명된 장면 또는 물체에 걸쳐 컬러 및/또는 강도에 의해 변화하고/하거나 원하는 방향으로 조준되는 조명을 제공할 수 있다. 컨트롤러는 장면 내의 물체들 또는 사람들의 위치들 및 컬러 특성들을 지시하는 데이터를 수신하고, 그 정보에 기초하여 장면에 적응된 조명을 제공하기 위해 LED 어레이 내의 LED들을 제어하도록 구성될 수 있다. 그러한 데이터는 예를 들어 이미지 센서, 또는 광학(예를 들어, 레이저 스캐닝) 또는 비광학(예를 들어, 밀리미터 레이더) 센서들에 의해 제공될 수 있다. 이러한 적응형 조명은 자동차, 모바일 디바이스 카메라, VR, 및 AR 응용들에 대해 점점 더 중요해지고 있다.
도 5는 전술한 시스템들과 유사하거나 동일할 수 있는 LED 어레이 및 렌즈 시스템(502)을 포함하는 예시적인 카메라 플래시 시스템(500)을 개략적으로 도시한다. 플래시 시스템(500)은 또한 마이크로프로세서와 같은 컨트롤러(504)에 의해 제어되는 LED 드라이버(506)를 포함한다. 컨트롤러(504)는 또한 카메라(507) 및 센서들(508)에 결합될 수 있고, 메모리(510)에 저장된 명령어들 및 프로파일들에 따라 동작할 수 있다. 카메라(507) 및 적응형 조명 시스템(502)은 컨트롤러(504)에 의해 제어되어 그들의 시야들을 매칭시킬 수 있다.
센서들(508)은, 예를 들어, 위치 센서들(예를 들어, 자이로스코프 및/또는 가속도계), 및/또는 시스템(500)의 위치, 속도 및 배향을 결정하는 데 이용될 수 있는 기타의 센서들을 포함할 수 있다. 센서들(508)로부터의 신호들은 컨트롤러(504)의 적절한 액션 과정(예를 들어, 어느 LED들이 현재 타겟을 조명하고 있는지, 및 어느 LED들이 미리 결정된 시간량 후에 타겟을 조명할 것인지)을 결정하기 위해 사용되도록 컨트롤러(504)에 공급될 수 있다.
동작 시에, 502에서의 LED 어레이의 일부 또는 모든 픽셀들로부터의 조명은 조절 - 비활성화, 최대 강도로 동작, 또는 중간 강도로 동작 - 될 수 있다. 502에서의 LED 어레이에 의해 방출된 광의 빔 포커스 또는 스티어링은 픽셀들의 하나 이상의 서브세트들을 활성화함으로써 전자적으로 수행되어, 조명 장치 내에서 렌즈의 포커스를 이동시키거나 광학계를 이동시키지 않고 빔 형상의 동적 조절을 허용할 수 있다.
도 6은 적응형 발광 어레이(610), 디스플레이(620), 발광 어레이 컨트롤러(630), 센서 시스템(640) 및 시스템 컨트롤러(650)를 포함하는 예시적인 디스플레이(예를 들어, AR/VR/MR) 시스템(600)을 개략적으로 도시한다. 제어 입력은 센서 시스템(640)에 제공되는 반면, 전력 및 사용자 데이터 입력은 시스템 컨트롤러(650)에 제공된다. 일부 실시예들에서, 시스템(600)에 포함된 모듈들은 단일 구조로 콤팩트하게 배열될 수 있거나, 하나 이상의 요소가 개별적으로 장착되어 무선 또는 유선 통신을 통해 연결될 수 있다. 예를 들어, 발광 어레이(610), 디스플레이(620), 및 센서 시스템(640)은 헤드셋 또는 안경 상에 장착될 수 있고, 발광 컨트롤러 및/또는 시스템 컨트롤러(650)는 별도로 장착된다.
발광 어레이(610)는 전술한 바와 같이, 예를 들어 AR/VR/MR 시스템들을 지원할 수 있는 그래픽 또는 객체 패턴들로 광을 투사하는 데 사용될 수 있는 하나 이상의 적응형 발광 어레이를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로LED들의 어레이들이 사용될 수 있다.
시스템(600)은, 예를 들어 적응형 발광 어레이(610)에 의해 방출된 광을 디스플레이(620)에 결합하기 위해, 적응형 발광 어레이(610) 및/또는 디스플레이(620)에 광범위한 광학계를 포함할 수 있다.
센서 시스템(640)은, 예를 들어, 환경을 모니터링하는 카메라들, 깊이 센서들, 또는 오디오 센서들과 같은 외부 센서들, 및 AR/VR/MR 헤드셋 위치를 모니터링하는 가속도계들 또는 2축 또는 3축 자이로스코프들와 같은 내부 센서들을 포함할 수 있다. 다른 센서들은 공기압, 스트레스 센서들, 온도 센서들, 또는 로컬 또는 원격 환경 모니터링에 필요한 임의의 다른 적절한 센서들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 제어 입력은 검출된 터치 또는 탭들, 제스처 입력, 또는 헤드셋 또는 디스플레이 위치에 기초한 제어를 포함할 수 있다.
센서 시스템(640)으로부터의 데이터에 반응하여, 시스템 컨트롤러(650)는 이미지들 또는 명령어들을 발광 어레이 컨트롤러(630)에 송신할 수 있다. 이미지들 또는 명령어들에 대한 변경 또는 수정은 또한 필요에 따라 사용자 데이터 입력 또는 자동화된 데이터 입력에 의해 이루어질 수 있다. 사용자 데이터 입력은 오디오 명령어들, 햅틱 피드백, 눈 또는 동공 포지셔닝, 또는 연결된 키보드, 마우스, 또는 게임 컨트롤러에 의해 제공되는 것을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
위에 요약된 바와 같이, 본 명세서는 어레이 내의 인접 픽셀들 또는 인접 픽셀 그룹들 사이의 콘트라스트 비를 향상시키는 패터닝된 반사성 그리드들을 포함하는 LED 어레이들, 및 이러한 LED 어레이들을 위한 제조 방법들을 개시한다. 반사성 그리드가 반사성 금속 그리드로서 형성되는 경우, LED 어레이들 내의 인접 픽셀들 사이의 광 누설("크로스-토크"로도 알려져 있음)을 감소시키는 이러한 접근법은 픽셀 측벽들을 고반사성 금속 또는 금속 합금으로 코팅함으로써 형성된 각각의 픽셀 내의 측벽 전기적 콘택트들을 사용할 수 있다. 이것은 LED 어레이 내의 픽셀들 사이에 금속 그리드를 생성한다. 각각의 픽셀 내의 광 구속(light confinement)은 금속 그리드의 상부 표면을 패터닝함으로써 더 향상된다. 패터닝된 금속 표면은 광 산란을 촉진하고, 측면 방출의 흡수를 증가시키고, 따라서 "온" 상태 픽셀들로부터 이웃하는 "오프" 상태 픽셀들로의 광 유출을 감소시킨다. 금속 반사기들이 아니라 유전체 반사기들 또는 DBR들로 대신 형성되는 반사성 그리드의 상부 표면은 광 구속을 더 향상시키기 위해 유사하게 패터닝될 수 있다.
도 7, 도 8a 내지 도 8d, 도 9a 내지 도 9c, 및 도 10a 내지 도 10b, 및 관련 설명은 주로 패터닝된 금속 반사성 그리드를 포함하는 LED 어레이들에 관한 것이지만, 이들은 또한 예를 들어 DBR들 또는 유전체 반사기들로 형성된 그리드들과 같은 비금속 반사기들로 형성된 패터닝된 반사성 그리드들을 포함하는 LED 어레이들의 구조 및 제조 방법들을 나타낸다.
도 7은 도 2b에 도시된 LED 어레이(200)와 구조 및 치수들이 유사할 수 있고 모놀리식 구조일 수 있는 패터닝된 반사성 금속 그리드를 포함하는 LED 어레이(700)의 평면도를 도시한다. LED 어레이(700)는 금속 그리드(720)에 의해 서로 광학적으로 격리된 LED들(710)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 금속 그리드(720)의 상부 표면은 LED들(710)의 상부 표면들과 같이 패터닝되거나 조면화(roughen)된다(둘 다 본 명세서에서 "패터닝"으로 지칭된다). 이 도면에 예시되고 이하에서 더 논의되는 실시예들에서, 금속 그리드는 또한 이 어레이를 위한 캐소드의 역할을 하지만, 이것은 선택사항이다. 금속 그리드는 대신에 애노드의 역할을 하거나, 또는 대안적으로 다이오드에 대한 전기적 콘택트로서 기능하지 않을 수 있다.
금속 그리드 상의 그리고 LED들 상의 패턴들은 동일한 형상, 크기 및 간격을 가질 수 있다. 대안적으로, 금속 그리드 상의 그리고 LED들 상의 패턴들은 픽셀 필드 및/또는 금속 그리드에 걸쳐 상이한 형상 및 크기 또는 간격을 가질 수 있다. 이러한 패턴들의 형상, 크기 및 간격은 상이한 응용들 및 파장들에 대해 최적화될 수 있다. 도 7의 예에서, 금속 그리드(720) 상의 패턴은 LED들(710) 상의 패턴과 상이하다.
금속 그리드 상의 그리고 LED들 상의 패턴들은 예를 들어 원뿔형 형상들, 어레이의 평면에서 측방향으로 수백 나노미터 내지 수 미크론의 범위(예를 들어, 100 nm, 300 nm, 500 nm, 1 미크론, 2 미크론, 5 미크론, 10 미크론)의 크기들, 수백 나노미터 내지 수 미크론의 범위(예를 들어, 100 nm, 300 nm, 500 nm, 1 미크론, 2 미크론, 5 미크론, 10 미크론)의 어레이의 평면에 수직인 높이들, 및 수십 나노미터 내지 약 수 미크론의 범위(예를 들어, 10 nm, 30 nm, 50 nm, 100 nm, 300 nm, 500 nm, 1 미크론, 2 미크론, 5 미크론, 10 미크론)의 특징형상(features)들 사이의 간격들을 갖는 특징형상들을 포함할 수 있다.
금속 그리드는, 예를 들어, 알루미늄, 알루미늄 코팅을 갖는 구리, 또는 알루미늄, 티타늄 텅스텐, 및 도금된 구리의 층 스택으로부터 형성되거나 이를 포함할 수 있다.
아래에 더 논의되는 바와 같이, 금속 그리드 및 LED들의 패터닝된 표면들은 패터닝된 기판 상에 반도체 다이오드 구조체의 에피택셜 층들을 성장시키고, 패터닝된 기판에 도달하는 반도체 다이오드 구조체 내의 트렌치들을 갖는 어레이의 픽셀들(개별 LED들)을 정의하고, 금속 그리드를 형성하기 위해 트렌치들 내에 금속을 퇴적하고, 그 후 (예를 들어, 레이저 리프트 오프 공정에 의해) 기판을 제거함으로써 생성될 수 있다. (반사 금속보다는) 유전체 반사기들 또는 DBR들의 패터닝된 반사성 그리드들은 금속 대신에 트렌치들 내에 유전체 반사기들 또는 DBR들을 퇴적함으로써 유사하게 형성될 수 있다.
대안적으로, 에피택셜 구조체 및 금속 그리드는 평면 기판 상에 성장될 수 있고, 표면 패턴들은 평면 기판으로부터 제거된 후에 생성될 수 있다. 이것은 유전체 반사기들 또는 DBR들로부터 형성된 반사성 그리드들에 대해서도 마찬가지로 해당된다.
반사성 그리드 및 LED 표면들의 패터닝은 "온" 및 "오프" 상태 픽셀들 사이의 광학적 격리를 증가시킴으로써 LED 어레이들/디스플레이들 내의 빔 프로파일/투사에 대한 더 양호한 제어, 향상된 콘트라스트 비, 및 더 선명한 이미지들과 조합하여 개선된 광 추출 효율을 제공한다. 또한, 패터닝은 패터닝된 표면의 상부에 퇴적되거나 침전된 임의의 층들의 접착을 향상시킨다. 예를 들어, 인광체 변환된 LED 어레이 또는 디스플레이 인광체 층들은 광자 변환을 위해 표면 상에 퇴적되거나 침전된다. 패터닝된 반사성 그리드 및 LED 다이 표면들은 LED 픽셀들의 이종 표면(heterogenous surface) 상의 인광체 또는 다른 층들(예를 들어, 봉합재 층들) 또는 보조 광학계들의 접착을 촉진할 것이다.
도 8a는 전술한 바와 같은 패터닝된 금속 그리드를 포함하는 LED 어레이(800)의 일부의 단면도를 나타낸다. LED 어레이(800)는 반사성 금속으로 형성된 금속 그리드 부분들(820)에 의해 서로 분리되고 광학적으로 격리된 LED들(810)을 포함한다. 도시된 예에서, 각각의 LED(810)는 n형 영역(816)과 p형 영역(817) 사이에 끼워진 활성 영역(815)을 포함한다. 금속 그리드 부분들(820)은 절연체 층들(818)에 의해 p형 영역들(817)로부터 격리되고, n형 영역들(816)에 대한 전기적 콘택트들을 형성한다. 따라서, 금속 그리드는 캐소드 콘택트로서 역할을 한다. 애노드 콘택트들(819)은 p형 영역들에 대한 전기적 콘택트를 제공한다.
어레이의 평면 내의 광 추출 상부 표면(825)은 전술한 바와 같이 패터닝된다. 도시된 예에서, 금속 그리드 부분들(820)의 상부 표면들 상의 패턴은 LED들(810)의 상부 발광 표면들 상의 패턴과 동일하지만, 위에 언급한 바와 같이 이러한 패턴들은 상이할 수 있다.
일부 실시예들에서, 금속 그리드 부분들(캐소드 콘택트들)은 약 2 미크론 내지 약 10 미크론의 어레이의 평면에서의 측방향 폭을 가질 수 있고, 픽셀(820)의 반대 방향 측벽들을 형성하는 금속 그리드 부분들의 중심에서 중심까지의 간격은 약 40 미크론(예를 들어, 30 미크론 내지 50 미크론)일 수 있고, 어레이로부터의 평면에 수직인 에피택셜 반도체 구조체(n형 영역, 활성 영역, 및 p형 영역)의 두께는 약 6 미크론 이하일 수 있고, 어레이의 평면에 수직인 패터닝된 표면들에서의 표면 특징형상들의 높이는 약 1 내지 2 미크론일 수 있다. 임의의 다른 적절한 치수들이 사용될 수 있다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 일부 변형예들에서 금속 그리드 부분들(820)의 패터닝된 표면들은 LED들(810)의 발광 표면들 위로 연장된다. 이러한 픽셀 기하구조는 각각의 픽셀 내의 측방향 복사의 더 양호한 반사/트래핑을 초래하고, 따라서 콘트라스트 비를 개선한다. 금속 그리드 부분들은 예를 들어, 약 1 내지 약 10 미크론만큼 LED 표면들 위로 연장될 수 있다.
도 8c 및 도 8d에 도시된 바와 같이, 파장 변환 구조체(830)는 반도체 LED 어레이의 패터닝된 광 추출 표면(825) 상에 형성되거나 그에 부착될 수 있다. 파장 변환 구조체는 예를 들어, 바인더 재료 내에 배치된 인광체 입자들을 포함할 수 있다. 인광체 입자들은 반도체 LED들에 의해 방출된 광을 흡수하고 이에 반응하여 더 긴 파장의 광을 방출한다. 예를 들어 실리콘일 수 있는 바인더 재료는 반도체 LED들에 의해 방출된 광 및 인광체 입자들에 의해 방출된 광을 투과시키도록 선택된다. 파장 변환 구조체는 예를 들어, 약 5 미크론 내지 약 40 미크론, 또는 약 10 미크론 내지 약 15 미크론의 표면(825)에 수직인 두께를 가질 수 있고, 예를 들어, 약 15 미크론 이하, 약 10 미크론 이하, 또는 약 5 미크론 이하의 직경을 갖는 인광체 입자들을 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이 반사성(예를 들어, 반사성 금속) 그리드를 패터닝하는 것은 파장 변환 구조체에서 광의 측방향 전파를 감소시키는 것을 도울 수 있고, 그에 의해 인광체 변환 LED 어레이에 대한 CR을 향상시킬 수 있다. 패터닝된 반사성 그리드들은 얇은 저-산란 파장 변환 구조체들에 대해 특히 유리하다.
전술한 바와 같이, 본 명세서에 개시된 바와 같은 패터닝된 반사성 그리드들을 포함하는 LED 어레이들은 패터닝된 기판 상에 성장될 수 있다. 이제 도 9a를 참조하면, 패터닝된 기판(900)은 예를 들어 사파이어, 실리콘 탄화물, 실리콘, 갈륨 질화물, 갈륨 비화물 또는 임의의 다른 적절한 재료로 형성될 수 있다. 기판 상의 패턴들은 습식 및/또는 건식 에칭 또는 나노임프린트 공정에 의해 형성될 수 있고, 기판 상에 생성되거나 그 상부에 추가될 수 있다. 즉, 기판의 패터닝된 부분은 하부 기판의 나머지와 동일한 재료 조성으로부터 형성될 수 있거나 상이한 조성을 가질 수 있다. 패턴들의 형상, 크기 및 간격은 LED 컬러 또는 응용 요건들에 따라 최적화될 수 있다. 반사성(예를 들어, 금속) 그리드 표면들 및 LED 다이 표면들이 상이한 패턴들을 가져야 하면, 기판의 대응하는 부분들이 그에 따라 패터닝될 수 있다.
에피택셜 층들(817, 815, 및 816)은, 예를 들어, MOCVD 및 MBE와 같은 종래의 성장 기법들 중 임의의 것을 사용하여 기판(900) 상에 성장될 수 있다. 패터닝된 기판 상에 직접 성장된 에피택셜 층은 기판의 패턴과 상보적인 패턴을 취한다.
도 9b에 도시된 바와 같이, 에피택셜 층들이 성장된 후에, LED 픽셀들 또는 다이들은 정의된 픽셀들 상에 측벽들을 형성하기 위해, 습식 및/또는 건식 에칭 공정에 의해, 에피택셜 층들을 통해 패터닝된 기판까지 아래로 트렌치들(910)을 에칭함으로써 어레이 내에 정의된다. 이제 도 9c를 참조하면, 절연층들(818)이 트렌치들 내에 퇴적된 다음, 트렌치들 내에 반사성 금속이 퇴적되어, 도시된 예에서 캐소드 콘택트로서도 기능하는 반사성 금속 그리드를 형성할 수 있다. 트렌치의 바닥은 패터닝된 기판에 도달하고, 따라서 기판과 접촉하여 형성된 금속 그리드의 부분은 기판의 패턴과 상보적인 패턴을 취한다.
금속 그리드는 전기도금에 의해 형성될 수 있다. 전기도금은 일반적으로 전기도금될 재료와 동일한 재료(예를 들어, 알루미늄)인 시드 층을 필요로 한다. 대안적으로, 상이한 재료의 시드 층, 예를 들어 티타늄 텅스텐 합금과 같이, 예를 들어 더 강하게 흡수하는 금속 재료가 사용될 수 있다. 일 변형예에서, 금속(예를 들어, 알루미늄) n-콘택트 층이 n형 층의 측벽들 상에 퇴적되고, 이후 티타늄 텅스텐 시드 층이 트렌치의 바닥에 퇴적되고, 이후 금속 그리드의 나머지 부분이 트렌치 내로 전기도금된다. 이 접근법은 디바이스의 n-콘택트 품질(및 따라서 순방향 전압 Vf)을 손상시키지 않고 (금속 그리드의 패터닝된 표면에서 광학적 흡수 재료을 사용함으로써) CR을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 고에너지 레이저 빔이 기판을 제거하는 레이저 리프트-오프와 같은 웨이퍼 제거 공정을 이용하여 기판이 제거된다. 기판 제거는 패터닝된 표면들을 다이/픽셀 필드 및 픽셀들 사이에 노출된 금속 그리드 상에 남긴다.
이제 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 전술된 공정 단계들은 기판(1000)의 평면 표면 상에서 수행될 수 있다. 기판 제거 시에, 금속 그리드 및 LED들의 노출된 표면들(1025)은 평면일 것이다. 이어서, 이러한 평면 표면들은 습식 및/또는 건식 에칭 공정들을 이용하여 패터닝되어 전술한 바와 같은 원하는 패턴들을 제공할 수 있다.
기판 제거 (및 평면 기판이 사용된 경우 표면 패터닝) 후에, 세정 용액은 리프트 오프 공정으로부터의 임의의 잔류물들을 제거하고, 생성된 패턴들을 필요에 따라 추가로 성형하기 위해 사용될 수 있다. 반사성 그리드가 반사성 금속 그리드인 경우, 세정 용액은 금속 층들을 공격하지 않도록 선택되어야 한다. 이 표면 세정 후에, 인광체 또는 보호적 또는 보조적 광학계 층이 이들 패턴의 상부에 추가되어 다이 필드 및 금속 그리드 상에 블랭킷 또는 세그먼트화된 상부 층을 생성할 수 있다.
다시 도 8b를 참조하면, 반사성(예를 들어, 금속) 그리드 부분들(820)의 패터닝된 표면들이 LED들(810)의 발광 표면들 위로 연장되는 LED 어레이는 예를 들어, 에피택셜 층들(도 9b)을 통해 그리고 기판 내로 트렌치들을 에칭함으로써 형성될 수 있다. 대안적으로, 기판 제거 후에, LED들의 광 추출 표면들(825)은, 반사성 그리드가 에칭 공정으로부터 보호된다면, 반사성 그리드 부분들의 패터닝된 표면들이 LED들의 에칭된 패터닝된 표면들을 넘어 연장되도록 선택적으로 에칭될 수 있다.
본 개시내용은 예시적이며 제한적이지 않다. 본 개시내용에 비추어 추가의 수정들이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이며, 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.
Claims (20)
- 발광 다이오드 어레이로서,
각각이 발광 표면을 포함하는 복수의 발광 다이오드들;
복수의 개구들을 정의하는 반사성 그리드 - 상기 개구들 내에서 상기 발광 다이오드들 중 대응하는 것들은 그들의 발광 표면들이 상기 반사성 그리드로부터 나오는 것과 동일한 방향을 향하도록 배치되며, 상기 반사성 그리드는 각각의 발광 다이오드에 반사성 측벽들을 제공하고, 상기 발광 표면들과 인접하여 배열되고 상기 발광 표면들과 동일한 방향을 향하는 패터닝된 광 산란 표면들을 포함하는, 반사성 그리드
를 포함하는, 발광 다이오드 어레이. - 제1항에 있어서, 상기 발광 표면들은 광을 산란시키도록 패터닝되는, 발광 다이오드 어레이.
- 제2항에 있어서, 상기 발광 표면들 및 상기 반사성 그리드 표면들은 상이한 광 산란 패턴들을 포함하는, 발광 다이오드 어레이.
- 제2항에 있어서, 상기 발광 표면들 및 상기 반사성 그리드 표면들은 동일한 광 산란 패턴을 포함하는, 발광 다이오드 어레이.
- 제1항에 있어서, 상기 반사성 그리드의 상기 패터닝된 광 산란 표면들은 인접한 발광 표면들과 동일 평면 상에 있는, 발광 다이오드 어레이.
- 제1항에 있어서, 상기 반사성 그리드의 상기 패터닝된 광 산란 표면들은 상기 광 산란 표면들이 향하는 방향으로 상기 발광 표면들을 넘어 연장되는, 발광 다이오드 어레이.
- 제1항에 있어서, 상기 반사성 그리드는 상기 발광 다이오드들에 전기적 콘택트를 제공하는 반사성 금속 그리드이거나 이를 포함하는, 발광 다이오드 어레이.
- 제1항에 있어서, 상기 발광 표면들 및 상기 반사성 그리드의 상기 패터닝된 광 산란 표면들 상에 배치된 파장 변환 구조체를 포함하는, 발광 다이오드 어레이.
- 제1항에 있어서,
상기 발광 표면들은 50 미크론 이하의 반사성 측벽에 평행한 가장 긴 치수들을 갖고;
인접한 발광 표면들은 10 미크론 이하만큼 서로 이격되는, 발광 다이오드 어레이. - 제9항에 있어서, 상기 발광 표면들 및 상기 반사성 그리드의 상기 패터닝된 광 산란 표면들 상에 배치된 파장 변환 구조체를 포함하고,
상기 발광 표면들은 광을 산란시키도록 패터닝되고;
상기 파장 변환 구조체는 상기 발광 표면들이 향하는 방향으로 약 30 미크론 미만의 두께를 갖고;
상기 파장 변환 구조체는 바인더 내에 분산된 인광체 입자들을 포함하고, 상기 인광체 입자들은 약 20 미크론 미만 및 1 미크론 초과의 직경들을 갖는, 발광 다이오드 어레이. - 디스플레이 시스템으로서,
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 발광 다이오드 어레이;
디스플레이; 및
상기 발광 다이오드 어레이로부터 이격되고, 상기 발광 다이오드 어레이로부터의 광을 상기 디스플레이에 결합하도록 배열된 광학계 또는 광학 시스템
을 포함하는, 디스플레이 시스템. - 모바일 디바이스로서,
카메라; 및
플래시 조명 시스템
을 포함하고, 상기 플래시 조명 시스템은:
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 발광 다이오드 어레이; 및
상기 발광 다이오드 어레이로부터 이격되고 상기 발광 다이오드 어레이에 의해 방출된 광을 상기 카메라의 시야 내로 향하게 하도록 배열된 광학 또는 광학 시스템
을 포함하는, 모바일 디바이스. - 발광 다이오드 어레이를 제조하는 방법으로서,
패터닝된 기판 상에 반도체 층들의 스택을 배치하는 단계 - 상기 반도체 층들은 n형 영역, p형 영역, 및 상기 n형 영역과 상기 p형 영역 사이에 배치된 활성 영역을 포함함 -;
상기 반도체 층들의 스택을 통해 트렌치들을 에칭하여 각각의 트렌치의 바닥에서 상기 패터닝된 기판을 노출시키는 단계 - 상기 트렌치들은 그리드를 형성하고 상기 발광 다이오드 어레이의 개별 발광 다이오드들을 정의함 -;
상기 발광 다이오드들 상에 반사성 측벽들을 형성하기 위해 상기 트렌치들 내에 반사기들을 퇴적하는 단계 - 상기 반사성 측벽들은 상기 기판에 의해 패터닝되는, 상기 패터닝된 기판과 접촉하는 표면들을 가짐 -; 및
상기 발광 다이오드들 및 상기 반사성 측벽들로부터 상기 패터닝된 기판을 제거하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제13항에 있어서, 상기 반사성 측벽들은 상기 발광 다이오드들에 전기적 콘택트를 제공하는, 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 발광 다이오드들은 상기 기판에 의해 패터닝된 발광 표면들을 포함하는, 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 반사성 측벽들의 패터닝된 표면들이 상기 발광 다이오드들의 인접한 표면들을 넘어 연장되도록 상기 기판 내로 상기 트렌치들을 에칭하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 기판을 제거한 후에, 상기 반사성 측벽들의 패터닝된 표면들이 상기 발광 다이오드들의 에칭된 표면들을 넘어 연장되도록 상기 기판과 이전에 접촉한 상기 발광 다이오드의 표면들을 에칭하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 기판을 제거한 후에, 상기 발광 다이오드들의 발광 표면들 및 상기 반사성 측벽들의 패터닝된 표면들과 접촉한 상기 발광 다이오드들 상에 파장 변환 구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
- 발광 다이오드 어레이를 제조하는 방법으로서,
평면 기판 상에 반도체 층들의 스택을 배치하는 단계 - 상기 반도체 층들은 n형 영역, p형 영역, 및 상기 n형 영역과 상기 p형 영역 사이에 배치된 활성 영역을 포함함 -;
상기 반도체 층들의 스택을 통해 트렌치들을 에칭하여 각각의 트렌치의 바닥에서 상기 평면 기판을 노출시키는 단계 - 상기 트렌치들은 그리드를 형성하고 상기 발광 다이오드 어레이의 개별 발광 다이오드들을 정의함 -;
상기 발광 다이오드들 상에 반사성 측벽들을 형성하기 위해 상기 트렌치들 내에 반사기들을 퇴적하는 단계;
상기 발광 다이오드들 및 상기 반사성 측벽들로부터 상기 평면 기판을 제거하는 단계; 및
광을 산란시키기 위해, 이전에 상기 기판과 접촉한 상기 반사성 측벽들의 표면들을 패터닝하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제19항에 있어서, 상기 반사성 측벽들은 상기 발광 다이오드들에 전기적 콘택트를 제공하는, 방법.
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