KR102658970B1 - 다이오드 어레이를 구비하는 광전자 장치 - Google Patents

다이오드 어레이를 구비하는 광전자 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축형 다이오드(100)의 어레이를 포함하는 광전자 장치로서, 각 다이오드는 그 안에 정상 전자기파가 형성되는 공명 공동을 형성하며, 각 발광 다이오드는 실질적으로 전자기파의 극값(110)의 레벨에 배치되어 있는 활성 영역(104)을 구비하며, 상기 어레이는, 상기 다이오드 어레이에 의하여 공급된 전자기 방사선의 강도를 최대화하도록 구성된 포토닉 결정을 형성하는 광전자 장치.

Description

다이오드 어레이를 구비하는 광전자 장치
본 특허 출원은, 여기에 참조로서 포함되어 있는, 프랑스 특허 출원 번호 FR18/55450호를 우선권으로 주장한다.
본 명세서는, 반도체 물질로 이루어진 발광 다이오드를 구비하는 광전자 장치, 특히 표시 스크린 또는 화상 투사 장치와 그의 제조 방법에 관한다.
투명 스크린, 예를 들어 안경, 자동차 앞유리 또는 판유리의 도파로 회절격자(waveguide grating)의 입구에 화상을 투사하고, 그런 후 그 화상은 사용자의 눈을 향하여 투사되는 것이 알려져 있다. 예를 들어 스마트 안경 또는 증강 현실 안경이 그러한 경우이다. 이것을 얻기 위하여, 광전자 장치는 스크린 상에 화상을 투사한다. 이 화상은 그런 후, 스크린에서 안내되어서 사용자가 화상을 볼 수 있게 하는 시스템에 도달한다. 광전자 장치는, 예를 들어, 반도체 물질로 이루어진 발광 다이오드를 구비할 수 있다. 장치들은, 실질적으로 특정 방향으로 전파하는, 발광 다이오드에 의하여 방출된 방사선만을 적절하게 안내하도록 구성된다. 따라서 발광 다이오드에 의하여 공급되는 방사선의 방향성은 그런 광전자 장치의 중요한 특성이다.
따라서, 일 실시형태는 축형 다이오드(axial diode) 어레이를 구비하는 광전자 장치를 제공하며, 각 다이오드는 그 안에 정상 전자기파가 형성되는 공명 공동(resonant cavity)을 형성하며, 각 발광 다이오드는 실질적으로 전자기파의 극값의 레벨에 배치되어 있는 활성 영역을 구비하며, 어레이는, 다이오드 어레이에 의하여 공급된 전자기 방사선의 강도를 최대화하도록 구성된 포토닉 결정(photonic crystal)을 형성한다.
일 실시형태에 따르면, 어레이는 그 위에 다이오드를 받치고 있는 지지부를 구비하며, 각 다이오드는, 지지부가 받치고 있는 제1 반도체 영역, 제1 반도체 영역과 접촉하는 활성 영역, 및 활성 영역과 접촉하고 있는 제2 반도체 영역의 적층을 구비한다.
일 실시형태에 따르면, 장치는 지지부와 다이오드의 제1 영역 사이에 반사층을 구비한다.
일 실시형태에 따르면, 반사층은 금속으로 이루어져 있다.
일 실시형태에 따르면, 다이오드의 제2 영역은 다이오드에 의하여 방출된 방사선에 대하여 적어도 부분적으로 투명한 도전층으로 덮여 있다.
일 실시형태에 따르면, 하나 이상의 다이오드의 높이는 kλ/2n에 실질적으로 비례하며, 여기서 λ는 다이오드에 의하여 방출된 방사선의 파장이며, k는 양의 정수이고, n은 고려된 광학 모드에서 다이오드의 유효 굴절율과 실질적으로 동일하다.
일 실시형태에 따르면, 다이오드는 전기적-절연 물질에 의하여 분리된다.
일 실시형태에 따르면, 어레이는 적어도 제1 및 제2 다이오드 어셈블리를 구비하며, 제1 어셈블리의 다이오드는 동일한 제1 높이를 가지며, 제2 어셈블리의 다이오드는 동일한 제2 높이를 가지며, 제1 및 제2 높이는 다르다.
일 실시형태에 따르면, 하나 이상의 다이오드에 대하여, 다이오드의 제1 영역은 에칭 정지층에 의하여 분리된 2 이상의 부분을 구비한다.
일 실시형태에 따르면, 각 에칭 정지층은 1 내지 200nm의 범위의 두께를 갖는다.
일 실시형태에 따르면, 공급된 전자기 방사선의 파장에 대한 어레이의 피치의 비율은 약 0.4 내지 약 0.92의 범위에 있다.
일 실시형태에 따르면, 다이오드는 발광 다이오드 또는 광다이오드이다.
다른 실시형태는 축형 다이오드의 어레이를 구비하는 광전자 장치를 제조하는 방법을 제공하며, 각 다이오드는 그 안에 정상 전자기파를 형성하는 공명 공동을 형성하며, 각 다이오드의 활성 영역은 실질적으로 전자기파의 극값의 레벨에 배치되며, 어레이의 피치는 다이오드 어레이에 의하여 공급되는 강도를 최대화하도록 구성된다.
일 실시형태에 따르면, 어레이의 다이오드의 형성은,
기판 상에, 어레이의 피치만큼 서로 떨어져 있는 제1 영역을 형성하고,
각 제1 영역 상에 활성 영역을 형성하고,
각 활성 영역 상에 제2 영역을 형성하는 것을 구비한다.
일 실시형태에 따르면, 이 방법은 제2 영역이 동일한 높이를 갖도록 모든 제2 영역을 에칭하는 제1 단계를 구비한다.
일 실시형태에 따르면, 이 방법은, 활성 영역이 전자기파의 극값의 레벨에 배치될 수 있게 하는 높이를 갖도록 모든 제1 영역을 에칭하는 제2 단계를 구비한다.
일 실시형태에 따르면, 제2 에칭 단계는 활성 영역의 형성 전에 수행된다.
일 실시형태에 따르면, 제2 에칭 단계는 기판을 제거하는 단계가 선행되며, 제2 에칭 단계는 기판에 가장 가까운 다이오드의 단부에서부터 수행된다.
일 실시형태에 따르면, 이 방법은, 제2 에칭 단계에 대한 정지층으로서 사용할 수 있는 하나 이상의 층을, 하나 이상의 다이오드의 제1 영역에 형성하는 것을 구비한다.
일 실시형태에 따르면, 다이오드는 발광 다이오드 또는 광다이오드이다.
전술의 장점 및 특징 그리고 다른 장점 및 특징은 그것으로 한정되지 않는, 첨부된 도면과 관련하여 특정 실시형태의 이하의 설명으로 상세하게 논의될 것이다.
도 1은 축형 발광 다이오드의 일 실시형태의 단순화된 부분 사시도이다.
도 2는 발광 다이오드의 어레이의 일 실시형태의 단순화된 부분 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 어레이의 발광 다이오드의 레이아웃의 예들을 개략적으로 보여준다.
도 4a 내지 도 4f는 도 2의 어레이를 제조하는 방법의 다른 실시형태의 단계에서 얻어진 구조물을 나타내는 단순화된 부분 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 도 2의 어레이를 제조하는 방법의 일 실시형태의 다른 단계에서 얻어진 구조물을 나타내는 단순화된 부분 단면도이다.
도 6은 도 2의 어레이를 제조하는 방법의 일 실시형태의 일 단계에서 얻어진 구조물을 나타내는 단순화된 부분 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 2의 어레이를 제조하는 방법의 다른 실시형태의 단계에서 얻어진 구조물을 나타내는 단순화된 부분 단면도이다.
도 8은 어레이의 특정한 특성에 따라서 도 2에서의 어레이와 같은 어레이에 의하여 방출된 강도를 보여주는 그래프이다.
도 9a 내지 도 9e는 발광 다이오드 어레이의 실시형태에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10a 내지 도 10e는 발광 다이오드 어레이의 다른 실시형태에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
동일한 구성요소는 각 도면에서 동일한 참조번호로 지정되며, 또한, 각 도면은 일정한 비율로 되어 있지 않다. 명확성을 위하여, 설명된 실시형태를 이해하기에 유용한 단계와 구성요소만이 도시되며 상세하게 설명될 것이다. 특히 고려된 광전자 장치는 상세하게 설명되지 않을 다른 구성품들을 선택적으로 구비한다.
이하의 설명에서, 용어 "앞", "뒤", "정부", "저부", "왼", "오른" 등과 같은 절대 위치 또는 "위에", "아래에", "상측의", "하측의" 등과 같은 상대 위치를 한정하는 용어, 또는 용어 "수평의", "수직의" 등과 같은 방향을 한정하는 용어가 언급되는 경우, 도면에서의 관련된 구성요소의 배향이 언급된다. 여기에서 용어 "약", "대략", "실질적으로" 및 "정도의"는 문제가 되는 값의 플러스 또는 마이너스 10%, 바람직하게는 플러스 또는 마이너스의 5%의 허용오차를 나타내기 위하여 사용된다.
"투명한" 또는 "반사하는" 구성요소에 관하여 말할 때는, 장치가 작동하려고 하는 파장에 대하여, 예를 들어, 고려되는 발광 다이오드에 의하여 방출된 전자기 방사선의 파장에 대하여 투명하거나 또는 반사하는 구성요소가 고려된다.
또한, 용어 발광 다이오드의 "활성 영역"은, 발광 다이오드에 의하여 제공된 전자기 방사선의 대부분이 방출되는 발광 다이오드의 영역을 의미한다.
용어 축형의 발광 다이오드는, 주 방향(main direction)을 따라서 가늘고 긴 형상, 예를 들어 실린더형을 갖는 3차원 구조물을 나타내는데, 5nm 내지 2.5㎛의 범위, 바람직하게는 50nm 내지 2.5㎛ 범위에서, 마이너(minor) 치수로 불리는 적어도 두 개의 치수를 갖는다. 메이저(major) 치수로 불리는 제3 치수는, 가장 큰 마이너 치수의 1배 이상, 바람직하게는 5배 이상, 더 바람직하게는 10배 이상이다. 일부 실시형태에 있어서, 마이너 치수는 약 1㎛ 이하, 바람직하게는 100nm 내지 1㎛의 범위 내에, 더 바람직하게는 100nm 내지 800nm의 범위 내일 수 있다. 일부 실시형태에서는, 각 발광 다이오드의 높이는 500nm 이상, 바람직하게는 1㎛ 내지 50㎛의 범위에 있을 수 있다.
도 1은 축형의 발광 다이오드(100)의 실시형태의 사시도이다.
발광 다이오드(100)는 영역(102), 활성 영역(104), 및 영역(106)의 적층을 구비한다. 영역(102)의 상측 표면은 활성 영역(104)의 하측 표면과 접촉한다. 활성 영역(104)의 상측 표면은 영역(106)의 하측 표면과 접촉한다.
활성 영역(104)이 영역(102)과 일직선을 이루며, 영역(106)은 활성 영역(104)과 일직선을 이루기 때문에, 발광 다이오드(100)은 축형이라고 불린다. 축 △은 축형 발광 다이오드의 축에 대응한다.
영역(102)은, 제1 도전형으로 도핑된, 예를 들어, P 도핑된 반도체 물질로 이루어져 있다. 영역(102)은, 영역(102)과 접촉하여 발광 다이오드(100)를 제어할 수 있게 하는 상호접속을 구비하는 지지부(105), 예를 들어 전자 회로, 예를 들어 인터포저(interposer)에 받쳐져 있다. 이 때, 축 △는 지지부(105)의 상측 표면에 대하여 직교한다. 영역(102)의 하측 표면(109), 즉 지지부(105)측의 표면은 반사층과 접촉한다. 예를 들어, 하측 표면(109)은 금속, 예를 들어 알루미늄으로 이루어진 층(107)에 의하여 지지부(105)로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, 금속층(107)은 전체적으로 또는 부분적으로 지지부(105)를 덮고 있다.
영역(106)은, 제1 도전형과는 다른, 제2 도전형, 예를 들어 N형의 반도체 물질로 이루어져 있다. 영역(106)의 상측 표면(111)은, 예를 들어, 하나 혹은 복수의 투명한 또는 반-반사하는 물질의 층(또는 층들의 적층)(미도시), 예를 들어 투명 도전성 산화물(TCO)의 층으로 덮여 있다.
영역(102 및 106)은, III-V 화합물, 예를 들어, III-N 화합물을 주로 구비하는 반도체 물질로 적어도 부분적으로 이루어질 수 있다. III-족 원소의 예로는 갈륨(Ga), 인듐(In) 또는 알루미늄(A1)을 구비한다. III-N 화합물은 GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, 또는 AlInGaN이다. 다른 V-족 원소들도 또한 사용될 수도 있는데, 예를 들어, 인(P) 또는 비소(As)이다. 일반적으로, III-V 화합물의 원소들은 다른 몰분율로 결합될 수도 있다.
영역(102 및 106)은 II-VI 화합물을 주로 구비하는 반도체 물질로 적어도 부분적으로 이루어질 수 있다. II-족 원소의 예로는 IIA-족 원소, 특히 베릴륨(Be) 및 마그네슘(Mg), IIB-족 원소, 특히 아연(Zn), 카드늄(Cd), 및 수은(Hg)을 구비한다. VI-족 원소의 예로는 VIA-족 원소, 특히 산소(O) 및 테릴륨(Te)을 구비한다. II-VI 화합물의 예로는 ZnO, ZnMgO, CdZnO, CdZnMgO, CdHgTe, CdTe, 또는 HgTe가 있다. 일반적으로, II-VI 화합물의 원소들은 다른 몰분율로 결합될 수도 있다.
영역(102 및 106)은 하나 이상의 IV-족 화합물을 주로 구비하는 반도체 물질로 적어도 부분적으로 이루어질 수도 있다. IV-족 반도체 물질의 예로는 실리콘(Si), 탄소(C), 게르마늄(Ge), 탄화실리콘 합금(SiC), 실리콘-게르마늄 합금(SiGe), 또는 탄화게르마늄 합금(GeC)이 있다.
영역(102 및 106)은 도펀트를 구비할 수도 있다. 예로서, III-V 화합물에 대하여, 도펀트는, P-형 II-족 도펀트, 예를 들어, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 카드늄(Cd), 또는 수은(Hg), P-형 IV-족 도펀트, 예를 들어, 탄소(C), 또는 N-형 IV-족도펀트, 예를 들어, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 세슘(Se), 황(S), 테르븀(Tb), 또는 주석(Sn)을 구비하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
바람직하게는, 영역(102)는 P-도핑된 GaN 영역이고 영역(106)은 N-도핑된 GaN 영역이다.
각 발광 다이오드에 대하여, 활성 영역(104)은 구속 수단을 구비할 수 있다. 예로서, 영역(104)는 단일 양자 우물을 구비할 수 있다. 이 때, 이것은, 영역(102 및 106)를 형성하는 반도체 물질과는 다르며 영역(102 및 106)를 형성하는 물질보다 작은 밴드갭을 갖는 반도체 물질을 구비한다. 활성 영역(104)은 다중 양자 우물을 구비할 수도 있다. 이 때 이것은, 양자 우물과 배리어층의 교차를 형성하는 반도체층의 적층을 구비한다.
도 1에서, 도시된 발광 다이오드(100)는 축 △의 원형 기저를 갖는 실린더 형상을 갖는다. 그러나 발광 다이오드(100)는 다각형 기저, 예를 들어, 정사각형, 사각형 또는 육각형의 기저를 갖는 축 △의 실린더 형상을 가질 수도 있다. 바람직하게는, 발광 다이오드(100)는 육각형의 기저를 갖는 실린더 형상을 갖는다.
발광 다이오드(100)의 높이(h), 즉 영역(102)의 하측 표면(109)과 영역(106)의 상측 표면(111) 사이의 거리는, 실질적으로, k*λ/2*neff에 비례하며, λ는 발광 다이오드에 의하여 방출된 방사선의 파장이며, neff는 고려된 광학 모드에서의 발광 다이오드의 유효 굴절율이며, k는 양의 정수이다. 유효 굴절율은, 예를 들어 요하임 피프렉(Joachim Piprek)의 저서 "Semiconductor Optoelectronic Devices : Introduction to Physics and Simulation"에 정의되어 있다.
높이(h)는 영역(102)의 높이(P1), 활성 영역(104)의 높이(P2), 영역(106)의 높이(P3), 및 표면(111)을 덮을 수도 있는 선택가능 층의 높이의 합과 같다.
발광 다이오드(100)는 축 △를 따르는 공명 공동을 형성한다. 따라서, 축 △를 따르는 정상 전자기파가 작동시 발광 다이오드 내에 형성하며, 이것은 도 1에서 커브(108)에 의하여 매우 개략적으로 나타내어져 있다. 그 전자기파는 발광 다이오드(100)의 대칭축을 따른다. 따라서, 예를 들어 그 전자기파는, 발광 다이오드가 원형의 단면을 갖는다면, 회전 대칭을 갖는다. 축 △를 따르는 정상 전자기파는, 노드, 즉 강도가 0인 지점은 공간에 정해져 있고, 다른 지점에서의 강도는 시간-변수일 수 있는 전자기파를 의미한다.
일 실시형태에 따르면, 활성 영역(104)은 전자기파의 극값(110)의 레벨에 배치되는 것이 유리하다. 이 때 발광 다이오드에 의하여 방출된 방사선의 파워 강도가 더 현저하며, 발광 다이오드로부터 나온 이 방사선은, 전자기파의 극값에 배치되지 않은 활성 영역을 갖는 동일한 구조의 발광 다이오드의 경우보다 더 강하다(intense).
도 2는 발광 다이오드(100)의 어레이(200)의 일 실시형태의 사시도이다.
어레이(200)는 충전(filling) 물질, 예를 들어 전기적-절연 물질, 예를 들어 산화실리콘의 층(202) 내에 배치된 발광 다이오드들(100)이다. 도 2의 실시형태에서, 모든 발광 다이오드(100)는 동일한 높이를 갖는다. 층(202)의 두께는, 예를 들어, 발광 다이오드의 높이와 동일하게 되도록 선택하여, 층(202)의 상측 표면이 각 발광 다이오드의 상측 표면, 즉 각 영역(106)의 상측 표면(111)과 동일면 상에 있게 한다.
전극층(미도시)은 발광 다이오드의 상측 표면과 접촉한다. 이것은 층(202)을 덮는 도전층일 수 있다. 전극층은 투명층이거나 또는 반-반사층일 수 있다.
어레이의 상측 표면은, 발광 다이오드 반대측의 전극층 표면에 대응한다.
12개의 발광 다이오드(100)가 도 2에 도시되어 있다. 실제로, 어레이(200)는 예를 들어 7 내지 100,000개의 발광 다이오드를 구비할 수 있다.
어레이(200)의 발광 다이오드(100)는 열과 행(3열 및 4행이 도 2에 예로서 도시되어 있음)으로 배열된다. 어레이의 피치는, 동일한 열 또는 인접한 열에서, 한 발광 다이오드(100)의 축과 가까운 한 발광 다이오드(100)의 축 사이의 거리이다. 피치(a)는 거의 일정하다. 상세하게는, 어레이의 피치는, 어레이(200)가 포토닉 결정을 형성하도록 선택된다. 형성된 포토닉 결정은 예를 들어 2D 포토닉 결정이다.
어레이(200)에 의하여 형성된 포토닉 결정의 특성은, 어레이의 모든 발광 다이오드(100)에 의하여 방출된 방사선의 강도가 더 현저하며 방사선이 포토닉 결정을 형성하지 않는 발광 다이오드(100)의 어셈블리의 경우보다 더 방향성이 있도록 선택되는 것이 유리하다.
도 2의 예에서, 지수 neff는, 발광 다이오드(100)의 GaN과 층(202)의 물질 사이의 표면적 비율 FF에 의하여 가중치가 부여된, 발광 다이오드(100)의 GaN과 층(202)의 물질의 굴절율의 평균과 실질적으로 동일하다. 따라서, 지수 neff는, 예를 들어 FF*nGaN + (1-FF)*nSiO2와 실질적으로 동일하며, nGaN은 발광 다이오드(100)의 GaN의 굴절율이며, nSiO2는 층(202)의 물질의 굴절율이며, FF는, 어레이(200)의 주기적 구성부의 수평 단면의 면적에 대한 발광 다이오드(100)의 수평 단면의 면적의 비율과 같다. 예를 들어, 어레이(200)의 주기적 구성부는 정사각 수평 단면을 갖는데, 발광 다이오드(100)를 중심으로 하여 2개의 인접하는 발광 다이오드의 축 △의 사이의 거리와 동일한 변 길이를 갖는다.
도 3a 내지 도 3b는, 어레이(200)의 발광 다이오드(100)의 레이아웃의 예를 개략적으로 보여준다. 특히, 도 3a는 소위 정사각 메쉬(mesh) 레이아웃을 나타내며 도 3b는 소위 육각 메쉬 레이아웃을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 어레이의 피치(a), 즉, 동일 열 또는 인접한 열에서 한 발광 다이오드의 축과, 최근접 발광 다이오드의 축 사이의 거리를 또한 나타낸다. 도 3a 및 도 3b는 또한 원형 기저를 갖는 발광 다이오드(100)의 반경(R)을 또한 나타낸다. 발광 다이오드가 원형 기저를 갖지 않는 경우에는 반경(R)은 그 안에 내접된 기저를 갖는 원의 반경에 대응한다.
도 3a는 4개의 발광 다이오드(100)를 갖는 3개의 열을 보여준다. 그런 레이아웃에서, 발광 다이오드(100)는 열과 행의 각 교차점에 배치되며, 열은 행에 수직한다.
도 3b는, 도 3a와 같이, 4개의 발광 다이오드(100)를 갖는 3개의 열을 보여준다. 그런 레이아웃에서는, 한 열에 있는 다이오드는 이전의 열과 다음의 열에서 발광 다이오드에 대하여 1/2 피치만큼 시프트되어 있다.
도 4a 내지 도 4f는, 도 2의 어레이(200)를 제조하는 방법의 일 실시형태의 단계에서 얻어진 구조물을 나타내는 단면도이다.
도 4a는 이후에 설명되는 단계를 형성한 후에 얻어진 구조물을 나타낸다.
시드층(302)이 기판(304) 상에 형성된다. 이 때 발광 다이오드(100)는 시드층(302)으로부터 형성된다. 더 상세하게는, 발광 다이오드(100)는, 영역(106)이 시드층(302)과 접촉하는 방법으로 형성된다. 각 발광 다이오드(100)의 활성 영역(104)은 영역(106) 상에 배치되고 영역(102)은 활성 영역(104) 상에 배치된다.
또한, 발광 다이오드(100)는 어레이(200)를 형성하도록, 즉, 소정의 어레이(200) 피치를 갖는 열과 행을 형성하도록 배치된다. 도 4a 내지 도 4f에는 단지 하나의 열만이 도시되어 있다.
시드층(302) 상에 발광 다이오드의 형성 전에, 발광 다이오드가 배치될 위치에 있는 시드층(302) 부분만이 노출되도록 마스크(미도시)가 형성될 수 있다. 변형으로서, 시드층을 에칭하여 발광 다이오드가 배치될 위치에 배치된 패드를 형성할 수 있다.
발광 다이오드(100)의 성장 방법은 화학기상증착(CVD) 또는 금속-유기 기상 에피텍시(MOVPE)라고도 알려져 있는, 금속-유기 화학 기상증착(MOCVD)과 같은 방법일 수 있다. 그러나, 분자-빔 에피텍시(MBE), 가스-원 MBE(GSMBE), 금속-유기 MBE(MOMBE), 플라즈마-보조 MBE(PAMBE), 원자층 에피텍시(ALE), 또는 하이드라이드 기상 에피텍시(HVPE)와 같은 방법이 사용될 수도 있다. 그러나, 전기화학적 공정이 사용될 수 있는데, 예를 들어, 화학조증착(CBD), 열수 처리, 액체 에어로졸 열분해, 또는 전기증착법이다.
발광 다이오드(100)의 성장 조건은 어레이(200)의 모든 발광 다이오드가 실질적으로 동일한 속도로 형성되도록 한다는 것이다. 따라서, 영역(102 및 106)의 높이 및 활성 영역(104)의 높이는 어레이(200)의 모든 발광 다이오드에 대하여 실질적으로 동일하다.
영역(102) 및 활성 영역(104)의 높이는, 작동시에, 활성 영역(104)이 전자기파의 극값에 배치하도록 결정된, 전술된 값 P1과 P2에 실질적으로 대응한다. 영역(106)의 높이는 소정값 P3보다 크다. 영역(106)의 높이는, 특히, 시드층(302)으로부터의 영역(106)의 성장이 시작되는 것으로 인하여, 정확하게 제어하는 것이 어려울 수 있다. 또한, 시드층에 직접 반도체를 형성하는 것은 시드층 바로 위의 반도체 물질에 결함 결정을 발생시킬 수 있다. 따라서 영역(106)의 일부분을 제거하는 것이 바람직할 수 있다.
도 4b는, 층(202)의 물질, 예를 들어 전기적-절연 물질, 예를 들어 산화실리콘에 대응하는 충전 물질층(306)을 형성한 후에 얻어진 구조물을 나타낸다. 층(306)은 예를 들어 그 구조물 상에 충전 물질층을 증착함으로써 형성되는데, 그 층은 발광 다이오드(100)의 높이 보다 큰 두께를 갖는다. 그런 후, 충전 물질층은, 도 1과 관련하여 설명된 표면(109)에 각각 대응하는, 영역(102)의 상측 표면을 노출시키기 위하여, 평탄화되게 부분적으로 제거된다. 따라서 층(306)의 상측 표면은 각 영역(102)의 상측 표면과 실질적으로 동일면 상에 있다. 변형으로서, 이 방법은, 영역(102)이 부분적으로 에칭되는 에칭 단계를 구비할 수도 있다.
충전 물질은, 어레이(200)에 의하여 형성된 포토닉 결정이 소정의 특성을 갖도록, 즉 발광 다이오드(100)에 의하여 방출된 방사선의 방향성 및 강도를 개선하는 갖도록 선택된다.
도 4c는 이전 단계에서 획득한 구조물 상에 층(308)을 증착한 후에 얻어진 구조물을 나타낸다. 층(308)은 반사층, 예를 들어 금속층, 예를 들어 알루미늄층이다. 층(308)은 또한 어레이(200)의 모든 영역(102)을 서로 연결하는 전기적-도전층이다. 어레이(200)의 발광 다이오드(100)는 따라서 층(308)을 통하여 제어될 수 있다.
도 4d는, 예를 들어, 금속-대-금속 접합, 열압축, 또는 지지부(310)의 측에 공정(eutectic)의 사용으로 솔더링함으로써, 층(306)과 접촉하지 않은, 층(308)의 표면을 지지부(310)에 접합한 후에 얻어진 구조물을 나타낸다. 지지부(310)는 예를 들어, 층(308)과 접촉하는, 도시되지 않은 상호접속을 구비하는 전자 회로, 예를 들어, 인터포저이다.
도 4e는 기판(304) 및 시드층(302)를 제거한 후에 얻어진 구조물을 나타낸다. 또한 층(306) 및 영역(106)은 에칭되어서, 영역(106) 각각의 높이가, 활성 영역을 전술한 바와 같이 배치할 수 있게 하는 값 P3을 갖게 한다. 이 단계는 유리하게는 발광 다이오드의 높이(h)를 정확하게 제어하게 하고 결정 결함을 가질 수 있는 영역(106)의 부분을 제거할 수 있게 한다.
도 4f는 이전 단계에서 얻어진 구조물에 층(312)의 증착 후에 얻어진 구조물을 나타낸다. 층(312)은, 방사선의 방출을 가능하게 하기 위하여, 투명하거나 또는 반-반사형이며, 발광 다이오드(100)를 제어하기 이하여, 도전성이다. 층(312)은, 예를 들어, 투명 도전성 산화물, 예를 들어 아연산화물 또는 인듐주석산화물로 이루어지며, 또는 산화물층들의 적층일 수도 있는데, 그 적층 물질의 두께 및 굴절율에 따라서 적층의 반사율을 조정할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 도 2의 어레이(200)를 제조하는 방법의 일 실시형태의 다른 단계에서 얻어진 구조물을 나타내는 단면도이다. 보다 상세하게는, 도 5a 내지 도 5d는 영역(106)의 형성을 적어도 부분적으로 나타낸다.
도 5a는 기판(304)을 덮는 시드층(302) 상에 영역(106)을 형성한 후에 얻어진 구조물을 나타낸다.
본 실시형태는, 예를 들어 발광 다이오드(100)의 성장의 조건이 다른 높이를 갖는 영역(106)이 얻어지도록 하는 경우에 적용된다.
도 5b는, 영역(106) 상에 충전 물질, 예를 들어 산화실리콘층(402)의 형성 후의 구조물을 나타낸다. 층(402)의 형성은, 예를 들어, 층(302)에 배치된 영역(106)의 높이보다 큰 두께를 갖는 충전 물질의 층을 증착하는 것을 구비한다.
도 5c는, 모든 영역(106)의 상측 표면 및 층(402)의 상측 표면이 동일 평면이 되도록 영역(106) 및 층(402)을 에칭한 후에 얻어진 구조물을 나타낸다. 이 때, 영역(106)은 모두 동일한 높이를 갖는다.
도 5d는 층(402)의 제거 후에 얻어진 구조물을 나타낸다.
그런 후 발광 다이오드(100)의 성장은, 예를 들어, 도 4a와 관련하여 설명된 구조물에 도달하기 위하여 재개된다. 이 때 발광 다이오드(100)는 실질적으로 동일한 속도로 성장한다. 도 5d의 단계는 예를 들어 영역(106)의 나머지 성장 및 활성 영역(104)과 영역(102)의 성장의 단계가 이어진다. 변형으로서, 도 5d의 단계는 활성 영역(104) 및 영역(102)의 성장의 단계가 바로 이어질 수도 있다. 이 경우에, 도 5d의 영역(106)의 높이는 이미 도 4a의 영역(106)의 높이에 대응한다. 따라서 영역(106 및 102) 및 영역(104)은 어레이 내의 어떤 발광 다이오드든지간에 실질적으로 동일한 높이를 갖는다. 이 때 도 4a 내지 도 4f와 관련하여 설명된 방법이 재개된다.
도 6은 도 2의 어레이를 제조하는 방법의 다른 실시형태의 단계에서 얻은 구조물을 나타내는 단면도이다. 예를 들어 이 단계는 도 5d에서 나타낸 단계 이후에 이어진다.
이 단계에서는, 에칭 정지층(502)이, 예를 들어 도 5a 내지 도 5d와 관련하여 설명된 방법에서, 이전에 형성되어 평탄화된 영역(106)의 부분(106a) 상에 형성된다. 예로서, 에칭 정지층(502)을 형성하는 물질은 질화물, 탄화물, 금속 또는 원소 주기율표의 행 IV, V 또는 VI로부터의 전이금속의 붕소화물 또는 이들 화합물의 조합일 수 있다. 예로서, 에칭 정지층(502)은 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(Al2O3), 붕소(B), 질화붕소(BN), 티타늄(Ti), 질화티타늄(TiN), 탄탈륨(Ta), 질화탄탈(TaN), 하프늄(Hf), 질화하프늄(HfN), 니오븀(Nb), 질화니오븀(NbN), 지르코늄(Zr), 붕화지르코늄(ZrB2), 질화지르코늄(ZrN), 탄화실리콘(SiC), 탄탈륨 탄화질화물(TaCN), MgxNy형태의 질화마그네슘, 여기서 x는 약 3이며, y는 약 2이고, 예를 들어 Mg3N2 형태의 질화마그네슘으로 이루어져 있다. 층(502)은 예를 들어 약 1 내지 100nm의 범위에서 두께를 갖는다.
그런 후, 영역(106)의 부분(106b)이 층(502) 상에 형성된다. 그런 후, 활성 영역(104) 및 영역(102)이 영역(106) 상에 형성된다.
부분(106b)의 높이는 소정의 높이(P3)에 실질적으로 대응한다. 부분(106a)의 높이는 결정 결함의 대부분을 포함하기에 충분하게 크다.
그런 후, 도 6의 단계는 도 4b 내지 도 4f와 관련하여 설명된 단계로 이어지는데, 도 4e와 관련하여 이전에 설명된 단계의 에칭이 에칭 정지층(502)에서 정지하며, 예컨데, 에칭 정지층(502)의 제거를 구비한다.
도 7a 및 도 7b는 도 2의 어레이를 제조하는 방법의 다른 실시형태의 단계에서 얻은 구조물을 나타내는 단면도이다. 더 상세하게는, 도 7a 및 도 7b는 다른 높이를 갖는 발광 다이오드를 구비하는 어레이의 제조를 나타낸다.
도 7a는 발광 다이오드(100)의 성장에 대응하는 도 4a의 단계에 상응하는 단계로서, 이 단계에서, 복수의 에칭 정지층이 각 영역(106)에 형성되어 있다는 차이점을 갖는다. 도 7a에서, 3개의 에칭 정지층(602a, 602b, 및 602c)이 각 영역(106)에 형성되어 있으며, 층(602a)은 시드층(302)에 가장 가깝게 있으며, 층(602c)은 활성 영역(104)에 가장 가깝게 있다. 에칭 정지층은, 예를 들어 동일한 물질로 이루어져 있으며, 영역(106)의 부분들에 의하여 서로 분리되어 있다.
도 7b는, 도 4b, 도 4c, 및 도 4d와 관련하여 이전에 설명된 것과 유사한 단계 이후에 도 7a의 구조물로부터 얻은 발광 다이오드 어레이를 나타낸다.
이 때, 이 방법은 에칭 단계를 구비한다. 이 단계에서, 발광 다이오드(100)의 어셈블리(604)에 대하여, 각 발광 다이오드(100)의 영역(106)이 자유단에서 에칭 정지층(602c)까지 에칭되며, 에칭 정지층(602c)도 에칭되어 있다. 발광 다이오드(100)의 어셈블리(606)에 대하여는, 각 발광 다이오드(100)의 영역(106)이 자유단에서부터 에칭 정지층(602b)까지 계속 에칭되고, 그런 후 에칭 정지층(602b)과 에칭 정지층(602c) 사이에 배치된 영역(106)의 부분이 노출되도록 에칭되어 있다. 발광 다이오드(100)의 어셈블리(608)에 대하여는, 각 발광 다이오드(100)의 영역(106)이 자유단으로부터 에칭 정지층(602a)까지 계속 에칭되고, 그런 후, 에칭 정지층(602b)과 에칭 정지층(602a) 사이에 배치된 영역(106)의 부분이 노출되도록 에칭되어 있다.
각 어셈블리(604, 606, 및 608)의 발광 다이오드는, 예를 들어 동일한 파장(λ)를 갖는 방사선을 공급하며, 예를 들어 λ/2n의 다른 배수의 총 높이(h)를 갖는다. 변형으로서, 각 어셈블리(604, 606, 및 608)의 발광 다이오드는 다른 파장의 방사선을 방출하도록 하는 것에 적용될 수 있으며, 그에 따라서 다른 높이를 갖는다.
에칭 정지층(602a, 602b, 및 602c)의 물질 및 치수는, 발광 다이오드의 작동에 무시할만한 정도의 영향을 미치도록 선택된다.
그런 후, 층(312)이 구조물 상에 증착된다. 층(312)은, 예를 들어 정해진 발광 다이오드 어셈블리의 영역(106)의 상측 부분을 둘러싸일 수 있다. 층(312)의 두께는 각 발광 다이오드(100)의 상측 표면을 덮도록 선택된다.
반사층(308)은 예를 들어 복수의 연결되지 않은 부분으로 분할되어 있으며, 각 부분은 발광 다이오드 어셈블리와 접촉하고 있다. 따라서 각 발광 다이오드 어셈블리는 서로 독립적으로 제어될 수 있다.
일반적으로, 에칭 정지층의 수는 어레이 내에서 요구되는 각 발광 다이오드의 높이의 수에 대응한다.
전술된 제조 방법 실시형태들의 장점은 발광 다이오드(100) 내에 활성 영역(104)을 정확하게 배치할 수 있게 한다는 것, 즉 높이 P1, P2 및 P3의 값을 제어할 수 있게 한다는 점이다.
이하의 도8, 도 9a 내지 도 9e 및 도 10a 내지 도 10e는 전술된 실시형태에 따르는 어레이의 예들에 대한 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 그런 시뮬레이션은 발광 다이오드의 치수와 어레이의 피치의 치수를 결정하는 방법을 나타낸다. 시뮬레이션에 대하여, 고려된 어레이의 발광 다이오드는 GaN 영역(102 및 106)을 구비한다. 영역(102)은 30nm 이상의 두께를 갖는다. 활성 영역(104)은 단일의 InGaN층을 구비하며 40nm인 두께를 갖는다. 층(306)은 신화실리콘으로 이루어져 있으며 반사성 물질의 층(308)은 알루미늄으로 이루어져 있다. 층(312)은 50nm 두께를 갖는다. 층(312)은 고려되는 파장에서 실질적으로 2인 굴절율을 갖는 투명 도전성 산화물, 예를 들어 ITO로 이루어져 있다. 고려되는 발광 다이오드(100)는 원형 기저를 갖는 실린더의 형상을 갖는다. 어레이의 발광 다이오드는 정사각 메쉬로 정렬되어 있다. 각 열과 각 행은 7개의 발광 다이오드를 구비한다. 따라서 여기에서의 어레이는 49개의 발광 다이오드를 구비한다. 다음의 시뮬레이션에서 모든 발광 다이오드는 동일한 높이를 갖는 것으로 간주된다.
정사각 메쉬에 대한 충전율에 대하여 다음의 구속;
5% ≤πR2/a2 ≤ 65%
이 부가되도록 선택되는데, 여기서 R은 각 발광 다이오드의 단면의 반경이고 a 는 어레이의 피치이다.
도 8은 제1 비율(a/λ)에 따르는, 어레이에 의하여 방출된 방사선의 강도(Power)의 변화의 커브를 구비하는 그래프로서, λ는 어레이에 의하여 방출된 방사선의 파장이며, 어레이의 각 예, 즉 각 커브는 다른 값의 제2 비율(2πR/λ)에 대응한다.
명확하게 하기 위하여, 6개의 커브만이 도 8에 도시되어 있다. 실제로, 시뮬레이션은 제2 비율(2πR/λ)을 0.7에서 1.7까지 변화시킴으로써 실행된다.
이 도면은, 강도 피크가 나타나는 제1 비율(a/λ)의 하나 또는 복수의 범위의 값을 결정할 수 있게 한다. 두 개의 영역(702 및 704)을 관찰하는 것이 가능하며, 각각은 그런 값의 범위에 해당한다. 각 커브는 두 개의 영역(702 및 704) 중 적어도 하나에 피크를 구비한다.
영역(702)은, 약 0.4 내지 약 0.82의 범위에 있는 제1 비율(a/λ)의 값의 범위에 실질적으로 해당한다. 영역(704)은 약 0.8 내지 약 0.92의 범위에 있는 제1 비율(a/λ)의 값의 범위에 실질적으로 해당한다.
도 9a 내지 도 9e는 발광 다이오드의 어레이의 실시형태에 대한 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프이다. 상세하게는, 도 9a 및 도 9b는, 어레이에 대하여 최적의 특성을 결정할 수 있게 하는 영역(702)과 관련된 범위에 있는 제1 비율(a/λ)을 갖는 어레이의 경우에서의 시뮬레이션을 나타내며 도 9c 내지 도 9e는 선택된 특성의 경우에서의 시뮬레이션의 결과를 보여준다.
발광 다이오드에 의하여 방출된 방사선의 파장(λ)이, 예를 들어, 청색광에 대하여는 450nm, 녹색광에 대하여는 530nm 또는 적색광에 대하여는 630nm에서 선택된다. 영역(702)에 대응하는 범위에서 최대를 갖는 커브 중 하나의 선택과 그 선택된 커브의 최대에서의 제1 비율(a/λ)의 값은, 발광 다이오드의 반경(R)과 어레이의 피치(a)를 결정하게 할 수 있다.
예로서, 630nm 파장과, 영역 702에서, 모든 커브 중에서 가장 현저한 방출 강도에 대응하는 극점을 갖는 커브 706이 여기서는 선택된다. 이 때 제1 비율(a/λ)은 실질적으로 0.7111이며, 따라서 제2 비율(2πR/λ)은 실질적으로 1.1이다. 따라서, 피치(a)는 실질적으로 448nm와 같으며 반경 R은 110nm와 같다.
도 9a는, 이전에 선택된 조건에서 발광 다이오드의 총 높이(h)에 따르는, 어레이의 발광 다이오드의 상측 표면에 의하여 방출된 강도(Top Power)를 나타낸다.
190nm, 375nm 및 550nm와 같은 높이(h)에 대한 3개의 강도 피크를 관찰할 수 있다.
h의 값은 이들 값들 중에서 선택된다. 상측 표면에 의하여 방출된 강도가 190nm와 같은 높이(h)에 대하여 더 높지만, 여기서는 제조의 용이성을 위하여 375nm와 같이 되도록 선택된다.
도 9b는, 영역(102)의 두께 P1에 따르는 미리-결정된 특성을 갖는 발광 다이오드의 어레이에 의하여 방출된 강도를 나타낸다. 특정한 값의 범위에서, 단일의 최대값을 관찰할 수 있고, 이것은 영역(102)의 두께 P1에 대한 값, 여기서는, 40nm를 결정할 수 있게 한다.
도 9c는 발광 다이오드에 의하여 방출된 방사선의 파장(λ)에 따르는 어레이의 상측 표면에 의하여 방출된 방사선의 강도를 나타낸다. 커브 802는 포토닉 결정을 형성하지 않은 발광 다이오드의 어레이에 해당하며, 커브 804는 포토닉 결정을 형성하고 미리-결정된 특성을 갖는 어레이에 해당한다. 이 값들을 정규화시켜서 커브 802의 최대가 값 1에 대응하게 한다.
일 실시형태에 따르는, 미리-결정된 특정을 갖는 발광 다이오드의 어레이는, 상측 표면의 레벨에서, 포토닉 결정을 형성하지 않는 어레이에 의하여 방출된 방사선의 강도 보다 1.5배 더 큰 강도를 갖는 방사선을 방출한다는 것을 관찰할 수 있다.
도 9d는, 어레이의 상측 표면에 직교하는 방향과 방출된 방사선 사이의 각도에 따르는 전술된 어레이에 의하여 방출된 방사선의 강도를 나타낸다. 어레이에 의하여 방출된 방사선은 방향성을 갖는 것이 유리하다.
도 9e는 어레이의 상측 표면에 대하여 측정된 입체각에 따르는 축적된 형태의 어레이에 의하여 방출된 방사선의 강도를 나타낸다. 도 9e는 공명 공동을 형성하지 않는 축형 발광 다이오드의 어레이에 대응하는 커브(806)와 미리-결정된 특성을 가지며 공명 공동을 형성하는 축형 발광 다이오드로 이루어진 포토닉 결정에 대응하는 커브(808)를 구비한다.
일 실시형태에 따르는 어레이(커브(808))가 더 큰 방향성 강도를 공급하는 것을 관찰할 수 있다. 실제로, 커브 808에 따르는 어레이는 30°입체각에서 강도의 50%를 제공하는 반면에 커브 806에 대응하는 어레이는 45°입체각에서 강도의 50%를 제공한다.
따라서, 도 2의 실시형태에 따르는 미리-결정된 특성을 갖는 어레이는 커브 806에 대응하는 발광 다이오드 어레이에 의하여 제공된 방사선보다 더 큰 방향성 및 더 큰 강도의 방사선을 제공한다.
도 10a 내지 도 10e는 발광 다이오드 어레이의 다른 실시형태에 대한 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프이다. 더 상세하게는, 도 10a 및 도 10b는, 어레이에 대한 최적 특성을 결정할 수 있게 하는 영역(704)과 관련된 범위에서 제1 비율(a/λ)을 갖는 어레이의 경우에서의 시뮬레이션의 결과를 나타내며 도 10c 내지 도 10e는 선택된 특성에 대한 시뮬레이션의 결과를 보여준다.
여기에서는 630nm 파장이 이전과 같이 선택되고 제공된 커브 중에서 가장 큰 방출강도에 대응하는 극값을 갖는 도 8의 커브(708)가 선택된다. 극값에 대응하는 비율(a/λ)은 실질적으로 0.85와 같으며 커브의 비율(2πR/λ)은 실질적으로 1.49와 같다. 따라서 결정된 피치 a는 536.7nm와 같고 결정된 반경 R은 150nm와 같다.
도 10a는, 미리-결정된 조건에서 발광 다이오드의 총 높이(h)에 따르는 발광 다이오드의 상측 표면에 의하여 방출된 강도(Top Power)를 나타낸다.
실질적으로 180nm 및 325nm와 같은 높이(h)에 대한 두개의 강도 피크를 관찰할 수 있다.
값 h는 이들 값 중에서 선택된다. 여기서는 h가 325nm와 같게 되도록 선택되며, 이것은 가장 강한 강도에 대응한다.
도 10b는 영역(102)의 두께 P1에 따르는 미리-결정된 특성을 갖는 발광 다이오드의 어레이에 의하여 방출된 방사선의 강도를 나타낸다.
특정한 범위의 값에서, 영역(102)의 두께 P1에 대한 값을 결정할 수 있게 하는 단일 최대값을 관찰할 수 있는데, 그 값은 여기서는 40nm이다.
도 10c는 발광 다이오드에 의하여 방출된 방사선의 파장(λ)에 따르는 어레이의 상측 표면에 의하여 방출된 방사선의 강도를 나타낸다. 커브(902)는 포토닉 결정을 형성하지 않는 발광 다이오드의 어레이에 해당하며, 커브(904)는 포토닉 결정을 형성하며 미리-결정된 특성을 갖는 어레이에 해당한다. 이 값은 정규화되어서 커브 902의 최대값이 값 1에 대응하게 한다.
일 실시형태에 따르며 미리-결정된 특성을 갖는 발광 다이오드의 어레이는, 상측 표면의 레벨에서, 포토닉 결정을 형성하지 않는 어레이에 대하여 1.6배 더 큰 강도를 갖는 방사선을 방출한다.
도 10d는 어레이의 상측 표면에 수직한 방향과 방출된 방사선과의 사이의 각도에 따르는 미리-결정된 어레이에 의하여 방출된 방사선의 강도를 나타낸다. 방사선은 도 9a 내지 도 9e와 관련하여 설명된 경우보다 더 방향성을 갖는 것을 관찰할 수 있다.
도 10e는 어레이의 상측 표면에 대하여 측정된 입체각에 따르는 축적된 형태의 어레이에 의하여 방출된 방사선의 강도를 나타낸다. 도 10e는 공명 공동을 형성하지 않는 축형 발광 다이오드를 구비하는 어레이에 대응하는 커브(906)과 공명 공동을 형성하며 미리-결정된 특성을 갖는 축형 발광 다이오드를 구비하는 포토닉 결정에 대응하는 커브(908)을 구비한다.
일 실시형태에 따르는 어레이(커브 908)는 더 큰 방향성 강도를 제공한다. 실제로, 커브(908)에 대응하는 어레이는 33°입체각에서 강도의 50%를 제공하지만 커브(906)에 대응하는 어레이는 45°입체각에서 강도의 50%를 제공한다.
따라서, 도 2의 실시형태에 따르며 미리-결정된 특성을 갖는 어레이는, 커브(906)에 대응하는 발광 다이오드의 어레이에 의하여 제공된 방사선보다 더 큰 방향성과 더 큰 강도를 갖는 방사선을 제공한다.
본 발명자는, 다른 특성을 갖는 도 1 및 도 2과 관련하여 설명된 바와 같은 발광 다이오드의 어레이에 대하여, 특히 다른 형태의 단면을 갖는 발광 다이오드의 어레이에 대하여, 단일 양자 우물이 아닌 다중 양자 우물을 구비하는 활성 영역을 갖는 발광 다이오드에 대하여, 또는 정사각 메쉬 레이아웃 이외에 육각형을 갖는 발광 다이오드에 대하여, 또는 다른 물질의 발광 다이오드에 대하여, 유사한 시뮬레이션을 실행했다. 이 때 이 시뮬레이션 결과는 발광 다이오드와 어레이의 특성값을, 전술된 바와 같이, 결정할 수 있게 하며, 발광 다이오드의 어레이에 의하여 방출된 방사선의 강도 및 방향성에서의 증가를 보여준다.
특정한 실시형태가 설명되어 있다. 다양한 변경과 수정이 당업자에 의해서 나타날 것이다. 특히 발광 다이오드의 경우만이 여기에 설명되어 있지만, 이 실시형태는 광다이오드에도 또한 적용될 수 있다.
다른 변형을 갖는 다수의 실시형태가 앞에서 설명되었다. 당업자는 이들 다수의 실시형태와 변형들의 다수의 구성요소를 임의의 진보성을 나타냄 없이 결합시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. 축형 다이오드들(axial diode; 100)의 어레이(200)를 구비하는 광전자 장치로서, 각 다이오드는 그 안에 정상 전자기파가 형성되는 공명 공동(resonant cavity)을 형성하며, 각 다이오드는 실질적으로 상기 전자기파의 극값(110)의 레벨에 배치되어 있는 활성 영역(104)을 구비하며, 상기 어레이는, 상기 어레이에 의하여 공급된 전자기 방사선의 강도를 최대화하도록 구성된 포토닉 결정(photonic crystal)을 형성하는 광전자 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 어레이(200)는 그 위에 상기 축형 다이오드들(100)을 받치고 있는 지지부(105, 310)를 구비하며, 각 다이오드는, 상기 지지부가 받치고 있는 제1 반도체 영역(102), 상기 제1 반도체 영역과 접촉하는 상기 활성 영역(104) 및 상기 활성 영역과 접촉하고 있는 제2 반도체 영역(106)의 적층을 구비하는 광전자 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 지지부(105, 310)와 상기 다이오드들의 제1 반도체 영역(102)들 사이에 반사층(107, 308)을 구비하는 광전자 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반사층(107, 308)은 금속으로 이루어져 있는 광전자 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 다이오드들의 제2 반도체 영역(106)들은 상기 다이오드들에 의하여 방출된 방사선에 대하여 적어도 부분적으로 투명한 도전층(312)으로 덮여 있는 광전자 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 축형 다이오드들(100) 중 적어도 하나의 높이(h)는 kλ/2n에 비례하며, 여기서 λ는 상기 다이오드에 의하여 방출된 방사선의 파장이며, k는 양의 정수이고, n은 고려된 광학 모드에서 상기 다이오드의 유효 굴절율과 동일한 광전자 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 축형 다이오드들(100)은 전기적-절연 물질(202, 306)에 의하여 분리되는 광전자 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 어레이는 적어도 제1 및 제2 다이오드 어셈블리(604, 606, 608)를 구비하며, 상기 제1 다이오드 어셈블리의 다이오드들은 동일한 제1 높이를 가지며, 상기 제2 다이오드 어셈블리의 다이오드들은 동일한 제2 높이를 가지며, 제1 및 제2 높이는 상이한 광전자 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 다이오드들 중 적어도 하나에 대하여, 상기 다이오드의 제1 반도체 영역은 에칭 정지층(502, 602a, 602b, 602c)에 의하여 분리된 2 이상의 부분들(106a, 106b)을 구비하는 광전자 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 에칭 정지층(502, 602a, 602b, 602c)은 1 내지 200nm의 범위의 두께를 갖는 광전자 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    공급된 상기 전자기 방사선의 파장에 대한 상기 어레이의 피치의 비율은 0.4 내지 0.92의 범위에 있는 광전자 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이오드들은 발광 다이오드 또는 광다이오드인 광전자 장치.
  13. 축형 다이오드들(100)의 어레이(200)를 구비하는 광전자 장치를 제조하는 방법으로서, 각 다이오드는 그 안에 정상 전자기파를 형성하는 공명 공동을 형성하며, 각 다이오드의 활성 영역(104)은 상기 전자기파의 극값(110)의 레벨에 배치되며, 상기 어레이는, 상기 어레이에 의하여 공급되는 전자기 방사선의 강도를 최대화하도록 구성된 포토닉 결정을 형성하는 광전자 장치의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 어레이의 다이오드들의 형성은,
    기판(304) 상에, 상기 어레이의 피치만큼 서로 떨어져 있는 제1 반도체 영역(106)들을 형성하고,
    각각의 상기 제1 반도체 영역 상에 활성 영역(104)을 형성하고,
    각각의 상기 활성 영역 상에 제2 반도체 영역(102)을 형성하는 것을 구비하는 광전자 장치의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 반도체 영역들이 동일한 높이를 갖도록 모든 상기 제2 반도체 영역들을 에칭하는 제1 단계를 구비하는 광전자 장치의 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서
    상기 활성 영역이 상기 전자기파의 극값의 레벨에 배치될 수 있게 하는 높이를 갖도록 모든 상기 제1 반도체 영역들을 에칭하는 제2 단계를 구비하는 광전자 장치의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 단계는 상기 활성 영역들의 형성 전에 수행되는 광전자 장치의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제2 단계는 상기 기판을 제거하는 단계가 선행되며, 상기 제2 단계는 상기 기판에 가장 가까운 다이오드의 단부에서부터 수행되는 광전자 장치의 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제2 단계의 정지층으로서 사용할 수 있는 하나 이상의 층을, 상기 다이오드들 중 적어도 하나의 제1 반도체 영역에 형성하는 것을 구비하는 광전자 장치의 제조 방법.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이오드들은 발광 다이오드 또는 광다이오드인 광전자 장치의 제조 방법.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3118292A1 (fr) * 2020-12-17 2022-06-24 Aledia Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes tridimensionnelles de type axial
FR3118289A1 (fr) * 2020-12-17 2022-06-24 Aledia Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes tridimensionnelles de type axial
FR3118290A1 (fr) * 2020-12-17 2022-06-24 Aledia Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes tridimensionnelles de type axial
FR3118291B1 (fr) * 2020-12-17 2023-04-14 Aledia Dispositif optoélectronique à diodes électroluminescentes tridimensionnelles de type axial
FR3136863A1 (fr) * 2022-06-20 2023-12-22 Aledia Elément émetteur de lumière à générateur d’onde stationnaire et dispositif optoélectronique associé
FR3137497A1 (fr) * 2022-06-30 2024-01-05 Aledia Dispositif optoélectronique à réflecteur

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5309386B2 (ja) 2007-08-20 2013-10-09 国立大学法人北海道大学 半導体発光素子アレー、その製造方法、及び光送信機器

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS539386B2 (ko) * 1973-08-22 1978-04-05
US5226053A (en) * 1991-12-27 1993-07-06 At&T Bell Laboratories Light emitting diode
US6117699A (en) * 1998-04-10 2000-09-12 Hewlett-Packard Company Monolithic multiple wavelength VCSEL array
JP2002141603A (ja) * 2000-11-01 2002-05-17 Ricoh Co Ltd 半導体レーザ装置および半導体レーザアレイおよび半導体レーザ装置の製造方法および送信モジュールおよびローカルエリアネットワークシステムおよび光データリンクシステムおよび光インターコネクションシステム
AU2003259533A1 (en) * 2002-07-31 2004-02-25 Firecomms Limited A light emitting diode
US6977954B2 (en) * 2003-07-25 2005-12-20 University Of Connecticut Semiconductor laser array device employing modulation doped quantum well structures
US7595511B2 (en) * 2003-08-08 2009-09-29 Sang-Kyu Kang Nitride micro light emitting diode with high brightness and method of manufacturing the same
WO2006060599A2 (en) * 2004-12-02 2006-06-08 The Regents Of The University Of California Semiconductor devices based on coalesced nano-rod arrays
JP2006196658A (ja) * 2005-01-13 2006-07-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体発光素子およびその製造方法
EP2410582B1 (en) * 2005-05-24 2019-09-04 LG Electronics Inc. Nano rod type light emitting diode and method for fabricating a nano rod type light emitting diode
US8163575B2 (en) * 2005-06-17 2012-04-24 Philips Lumileds Lighting Company Llc Grown photonic crystals in semiconductor light emitting devices
US7560736B2 (en) * 2005-08-15 2009-07-14 General Electric Company Mid-infrared resonant cavity light emitting diodes
EP1804350A1 (en) * 2005-12-27 2007-07-04 Interuniversitair Microelektronica Centrum A semiconductor laser comprising elongate nanostructures
US7924413B2 (en) * 2006-04-28 2011-04-12 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Nanowire-based photonic devices
US7465954B2 (en) * 2006-04-28 2008-12-16 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Nanowire devices and systems, light-emitting nanowires, and methods of precisely positioning nanoparticles
US7915624B2 (en) * 2006-08-06 2011-03-29 Lightwave Photonics, Inc. III-nitride light-emitting devices with one or more resonance reflectors and reflective engineered growth templates for such devices, and methods
JP2008066590A (ja) * 2006-09-08 2008-03-21 Matsushita Electric Works Ltd 化合物半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体素子の製造方法
US7642562B2 (en) * 2006-09-29 2010-01-05 Innolume Gmbh Long-wavelength resonant-cavity light-emitting diode
JP2008311317A (ja) * 2007-06-12 2008-12-25 Eudyna Devices Inc 半導体発光素子
KR20090012493A (ko) * 2007-07-30 2009-02-04 삼성전기주식회사 광자결정 발광소자
US20090078316A1 (en) * 2007-09-24 2009-03-26 Qualcomm Incorporated Interferometric photovoltaic cell
JP2009188249A (ja) * 2008-02-07 2009-08-20 Nanoteco Corp 発光ダイオードおよびその製造方法、発光ダイオードアレイ
KR20100126437A (ko) * 2008-02-25 2010-12-01 라이트웨이브 포토닉스 인코포레이티드 전류-주입/터널링 발광소자 및 방법
KR101473288B1 (ko) * 2012-05-14 2014-12-16 내셔널 칭화 유니버시티 발광 다이오드 디스플레이 및 그 제조 방법
US9929311B2 (en) * 2013-07-17 2018-03-27 Marubun Corporation Semiconductor light emitting element and method for producing the same
CN106663718B (zh) * 2014-05-27 2019-10-01 斯兰纳Uv科技有限公司 光电装置
WO2016051908A1 (ja) * 2014-10-01 2016-04-07 日本碍子株式会社 発光素子および発光素子の製造方法
CN105914278B (zh) * 2016-06-03 2018-12-11 华南理工大学 一种高光萃取效率的近紫外led芯片及其制备方法
KR102592696B1 (ko) * 2018-06-05 2023-10-24 삼성전자주식회사 다파장 광원 장치, 이를 포함하는 다기능 프로젝터 및 다기능 프로젝터를 포함하는 전자 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5309386B2 (ja) 2007-08-20 2013-10-09 国立大学法人北海道大学 半導体発光素子アレー、その製造方法、及び光送信機器

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