거칠게 하는 것에 의해 광 추출이 개선된 발광 다이오드 document_id A220623052708

발광 다이오드(LED)는 전기 에너지를 광으로 변환하는 고체 디바이스의 중요한 부류이다. LED는 통상 2개의 반대로 도핑된 층 사이에 끼워진 반도체 물질의 능동층을 제공한다. 도핑된 층들을 통해 바이어스가 인가될 때, 정공과 전자가 능동층으로 주입되어 광을 생성하기 위해 재결합한다. 능동 구역에 의해 생성된 광은 모든 방향으로 발산되고 모든 노출된 표면을 통해 반도체 칩을 광이 탈출한다. 반도체 물질이 개선됨에 따라, 반도체 디바이스의 효율 또한 개선된다. 새로운 LED가 InAlGaN과 같은 물질로부터 만들어지고 있고, 이는 자외선에서 황갈색 스펙트럼으로의 효율적인 조명을 허용한다. 많은 새로운 LED가 종래의 광에 비해 전기 에너지를 광으로 전환하는 데 있어 더 효율적이고, 더 신뢰할 수 있다. LED가 개선됨에 따라, 교통 신호, 옥외 및 옥내 디스플레이, 자동차 헤드라이트 및 미등, 종래의 옥내 조명 등과 같은 많은 응용에서 종래의 광을 대체할 것이 예상된다. 종래의 LED의 효율성은 그것들의 능동층에 의해 생성되는 광의 모두를 방사할 수 없다는 것으로 인해 제한된다. LED에 에너지가 주어지면, 그것의 능동층으로부터 방사되는(모든 방향으로) 광이 많은 상이한 각도로 방사 표면에 도달한다. 통상적인 반도체 물질은 주위 공기(n 1.0) 또는 캡슐로 둘러싸인 에폭시(n 1.5)와 비교하여 높은 굴절률(n 2.2-3.8)을 가진다. 스넬(Snell)의 법칙에 따르면, 굴절률이 높은 구역으로부터 어떤 임계 각도(표면 정상 방향에 관하여) 내에 있는 굴절률이 낮은 구역으로 이동하는 광은, 더 낮은 굴절률을 가진 구역으로 가로질러 간다. 임계각 밖의 표면에 도달하는 광은 가로지르지는 않지만 내부 전반사(TIR)를 겪게 된다. LED의 경우, TIR 광은 흡수될 때까지, LED 내에서 계속해서 반사될 수 있다. 이런 현상 때문에, 종래의 LED에 의해 생성된 광의 대부분은 방사되지 않고, 그 효율을 저하시킨다. TIR 광의 백분율을 감소시키는 방법 중 하나는, LED 표면 상에 임의의 텍스처링(random texturing) 형태로 광 산란 중심부를 생성하는 것이다. 임의의 텍스처링은, 반응성 이온 에칭 동안 마스크로서 LED 표면 상의 서브미크론 직경의 폴리스티렌 구체를 사용하여 표면으로 패턴화된다. 텍스처링 표면은 임의 간섭 효과 때문에 스넬의 법칙에 의한 예측이 이루어지지 않는 방식으로 광을 굴절하고 반사하는 광의 파장과 비슷한 특징을 가진다. 이러한 접근법은 9 내지 30%만큼 방사 효율을 개선한다는 것을 보여주었다. US6,821,804에 논의된 것처럼, 표면 텍스처링의 한 가지 단점은, 그것이 p-형 GaN에 관한 것과 같은 텍스처링 전극 층에 관해 약한 전기 전도성을 가지는 LED에서의 효율적인 전류 확산을 방지할 수 있다는 점이다. 양호한 전기 전도도를 가지는 디바이스 또는 보다 작은 디바이스에서, p형 및 n형 층 접점으로부터의 전류는 각 층을 통해 확산된다. 약한 전기 전도도를 가지는 물질로 만들어진 디바이스나 더 큰 디바이스에서는, 전류가 층 전체를 통해 접점들로부터 확산될 수 없다. 그 결과, 능동층 부분은 전류를 경험하지 않게 되고, 광을 방사하지 않는다. 다이오드 영역을 통해 균일한 전류 주입을 생성하기 위해서는, 전도성 물질의 확산 층이 표면 상에 증착될 수 있다. 하지만, 이러한 확산 층은 종종, 층을 통해 광이 투과할 수 있도록, 광학적으로 투명할 필요가 있다. 임의의 표면 구조물이 LED 표면 상에 도입될 때, 효율적으로 얇고 광학적으로 투명한 전류 확산기가 쉽게 증착될 수 없다. LED로부터의 광 추출을 증가시키는 또 다른 방법은, 내부적으로 트래핑된 각도로부터 표면의 형태와 단계에 의해 결정되는 한정된 모드로 광을 리다이렉팅하는 내부 경계면 또는 방사 표면의 주기적인 패터닝을 포함하는 것이다. Krames 등에 의한 US5,779,924를 참조하라. 이 기술은 간섭 효과가 더 이상 임의적이지 않고 표면이 특이한 모드 또는 방향으로 광을 결합시키는 임의로 텍스처링된 표면의 특별한 경우이다. 이러한 접근법의 한 가지 단점은, 표면 형태와 패턴이, LED의 광의 단일 파장에 따라, 균일하고 아주 작아야 하기 때문에 그 구조를 제작하기가 어려울 수 있다는 점이다. 이러한 패턴은 또한 전술한 바와 같이, 광학적으로 투명한 전류 확산 층을 증착시키는 것이 어려움을 나타낼 수 있다. 광 추출의 증가는 또한 LED의 방사 표면을 중앙에 방사층을 가진 반구체 모양으로 만듦으로써, 실현되었다. 이러한 구조는 방사된 광량을 증가시키는데 반해, 그 제작은 어렵다. Scifres와 Burnhan에 의한 US3,954,534는, 각 LED 위에 각각의 반구체를 가진 LED의 배열을 형성하는 방법을 개시한다. 이러한 반구체는 기판에 형성되고, 다이오드 배열은 그것들 위에서 성장한다. 이후 다이오드와 렌즈 구조물은, 기판으로부터 에칭되어 사라진다. 이러한 방법의 한 가지 단점은 기판 경계면에서의 구조물의 형성이 제한되고, 기판으로부터 그 구조물의 리프트 오프(lift off)가 제조 비용의 상승을 가져온다는 점이다. 또한, 각 반구체는 그것 위에 직접 방사 층을 가지고, 이는 정밀한 제조를 요구한다. US5,431,766는 물과 산소가 없는 상태에서, 실리콘(Si)의 광전기화학 산화 및 용해를 개시한다. 무수 HF-아세토니트릴(MeCN) 용액에서의 에칭률과 광 전류는 적어도 600㎽/㎠까지의 광 강도에 정비례하고, 공간적으로 4미크론/분보다 큰 선택적인 에칭률을 만든다. 실리콘 분자당 4개의 전자 이동 반응이 고 에너지 반응 중간 생성물로부터 전자 주입 때문에 3.3보다 큰 양자 수율과 함께 일어난다. US5,793,062는 접점과 같은 흡수 구역으로부터 멀리 광을 리다이렉팅하고 또한 LED 표면 쪽으로 광의 방향을 수정하도록 광학상으로 비흡수층을 포함함으로써, LED로부터의 광 추출을 증강하기 위한 구조물을 개시한다. 이러한 구조물의 한 가지 단점은, 비흡수층이 하부가 절단된 좁은 각도의 층의 형성을 요구한다는 점인데, 이는 많은 물질 시스템에서 제조하기가 어려울 수 있다. US6,744,071는 마주보는 단자 구조물을 가지는 질화물 반도체 요소를 개시하고, 그러한 단자는 서로 마주보고 있다. 질화물 반도체 요소는 지지 구조물 위에 전도성 층, 제 1 단자, 발광 층을 가지는 질화물 반도체 및 제 2 단자를 연속적으로 포함한다. 제 1 단자와 제 1 절연 보호층은, 전도성 층과 질화물 반도체의 제 1 전도형 질화물 반도체 층 사이에 끼워져 있다. US6,821,804는, 효율을 증가시키기 위해 LED 상에 또는 그 내부에 광 추출 구조물을 가지는 LED를 개시한다. 새로운 광 추출 구조는 광이 패키지 속으로 빠져 나가는데 더 유리한 방향으로 광을 반사, 굴절, 산란시키기 위한 표면들을 제공한다. 그 구조는 광 추출 요소이거나 산란 층의 배열일 수 있다. 광 추출 요소는 많은 다른 모양들을 가지고 있으며, 종래의 LED 위로 LED의 효율을 높이기 위해 여러 위치에 놓이게 된다. 산란 층은 광에 관한 산란 중심부를 제공하고, 또한 많은 위치에 배치될 수 있다. 또한 US6,821,804에 논의된 것처럼, 광 추출을 증강시키는 또 다른 방식은, 광자를 LED의 방사 표면 상의 박막 금속층 내에서 표면 플라스몬(plasmon) 모드 속으로 결합하는 것이고, 이는 방사 모드 내로 다시 방사된다. 이들 구조물은 반도체로부터 금속 층에 있는 표면 플라스몬 속으로 방사된 광자의 결합에 의존하고, 이는 또한 최종적으로 추출된 광자 내로 결합된다. 이 디바이스의 단점 중 하나는 주기적인 구조가 얕은 홈의 깊이(003c#0.1.mu.m)로 된 1차원적인 규정된 격자이기 때문에, 제조하기가 어렵다는 점이다. 또한, 전체 외부 양자 효율은, 아마도 광자 대 표면 플라스몬과, 표면 플라스몬 대 주위 광자 변환 메커니즘의 비능률로 인해, 낮다(1.4 내지 1.5%). 이 구조는 또한 전술한 바와 같이, 전류 확산 층과 동일한 어려움을 나타낸다. 광 추출은 또한 꼭지점을 자른 역 피라미드를 생성하기 위해, LED 칩의 측면에 각도를 줌으로써 개선될 수 있다. 각도를 지닌 표면은 방사 표면을 가진 기판 물질에 트래핑된 TIR 광을 제공한다. 이 접근법을 사용하면, 외부 양자 효율은 InGaAlP 물질 시스템에 관해 35% 내지 50%만큼 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 접근법은 상당한 양의 광이 기판에 트래핑된 디바이스 용으로 작용한다. 사파이어 기판 위에서 성장한 GaN 디바이스의 경우, 대부분의 광이 GaN 막에 트래핑되어, LED 칩 측면에 각을 지게하는 것은 원하는 증강을 제공하지 않게 된다. 광 추출을 증강하기 위한 또 다른 접근법은 광자 재활용이다. 이 방법은 전자와 정공을 쉽게 광으로 그리고 그 반대로 전환시키는 고효율 능동층이 있는 LED에 의존한다. TIR 광은 LED의 표면에서 반사하여 능동층을 가격하고, 그곳에서 전자-정공 쌍으로 다시 전환된다. 능동층의 고 효율성으로 인해, 전자-정공 쌍은 거의 즉시 임의의 방향으로 다시 방사되는 광으로 다시 변환된다. 재활용된 광 중 어느 정도는 임계 각도 내의 LED 방사 표면 중 하나를 가격하고 빠져나간다. 능동층으로 다시 반사되어 온 광은 동일한 과정을 다시 거치게 된다.