KR20080085401A - Light emitting diode with microlens - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 개략적인 단면도이며,1 is a schematic cross-sectional view of a light emitting diode according to the present invention,
도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드 상부에 마이크로 렌즈를 집적하는 제조방법을 도시한 것이며,Figure 2 illustrates a manufacturing method for integrating a micro lens on top of the light emitting diode according to the present invention,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 마이크로 렌즈가 구비된 발광 다이오드의 광학 사진이며,3 is an optical picture of a light emitting diode equipped with a micro lens manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 마이크로 렌즈의 전기적, 광학적 특성을 측정한 실험 그래프이며,4 is an experimental graph measuring electrical and optical characteristics of a microlens manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 마이크로 렌즈의 발광 특성을 측정한 사진이다. 5 is a photograph measuring light emission characteristics of a micro lens manufactured according to an exemplary embodiment of the present invention.
20세기가 전자(電子)의 시대라면 21세기는 광자(光子)의 시대라고 규정 될 만큼 광산업이 21세기 디지털 경제시대의 총아로 급부상하고 있다. 광산업은 정보 화 시대를 선도하는 전자, 정보, 통신 산업에 미치는 영향이 절대적일 뿐만 아니라 에너지, 의료를 포함한 거의 모든 산업 영역이 광기술을 바탕으로 날로 새롭게 바뀌어가고 있다. 또한 자연자원 및 에너지에 의존하지 않고 환경문제를 해결할 수 있는 지식 기술집약적 산업이어서 지속적인 성장이 예상 되고 있다. 일반적으로 광산업은 광통신(광섬유, 광커넥터), 광소재, 광원응용(LED, 태양전지), 광정보기기(광다이오드, 레이저 응용기기), 광정밀기기(광센서)등으로 분류할 수가 있다. 이 중에서 발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode)는 차세대 광원으로 지난 20년 동안 크게 발전해 왔다. If the 20th century is the era of electronics, the mining industry is rapidly emerging as the eldest son of the digital economy in the 21st century, so that the 21st century is defined as the era of photons. In the mining industry, the impact on the electronics, information, and telecommunications industries leading the information age is not only absolute, but almost all industrial sectors including energy and medical are being transformed day by day. It is also a knowledge technology-intensive industry that can solve environmental problems without relying on natural resources and energy. In general, the optical industry can be classified into optical communication (optical fiber, optical connector), optical material, light source application (LED, solar cell), optical information device (photodiode, laser application device), optical precision device (optical sensor). Among them, light emitting diodes (LEDs) are the next generation light sources and have been greatly developed for the past 20 years.
발광 다이오드(LED)는 화합물 반도체의 PN접합 다이오드로 전압을 가하면 빛을 방출하는 발광소자이다. 일반전구의 필라멘트 단락 현상이 없어 장수명이며, 소형 전구 대비 전력소모 1/5의 에너지 절약이 가능해 환경 친화적인 장점도 가지고 있다. 또한 반도체 특성상 전류인가와 동시에 응답하는 고속응답이며, 집적화된 발광 다이오드(Chip LED)의 보급과 함께 광 디바이스 중 가장 소형화 되었다. 옥외 전광판 등 대형화면 구성이 용이하며, 에폭시 패키징(Epoxy packaging)으로 온도, 충격 내구성이 우수하고, 청색 발광 다이오드(Blue LED)의 상용화 이후에는 총 천연색 구현이 가능하게 되었다. A light emitting diode (LED) is a light emitting device that emits light when a voltage is applied to a PN junction diode of a compound semiconductor. There is no filament short-circuit phenomenon in general light bulbs, and it has a long life. In addition, it is a high-speed response that responds simultaneously with application of current due to the characteristics of semiconductors, and has become the smallest among optical devices with the spread of integrated LEDs. It is easy to configure large screens such as outdoor billboards, and has excellent temperature and impact durability through epoxy packaging, and it is possible to realize a full color after commercialization of a blue LED.
이런 LED의 특성으로 인해 과거에는 단순 표시 소자로 사용되었으나, 현재는 차세대 광원으로써 이동전화와 디지털 소자, 액정 표시 장치(LCD; Liquid Crystal Display)등의 BLU(BackLight Unit)으로 사용되거나, 자동차의 계기판이나 후미등, 교통신호, 경관조명, 일반 조명과 같이 조명으로 이용되고 있다. 또한 옥 내외 전 광판 같은 디스플레이 분야 및 수질 오염과 혈중 산소 농도를 측정하는 환경 분야와 바이오 분야에까지 널리 이용이 되고 있다. 그리고 매년 제품 성능의 향상과 원가의 하락으로 발광 다이오드(LED)의 적용 범위는 점점 더 확대되고 있다.Due to the characteristics of this LED, it was used as a simple display device in the past, but is now used as a BLU (BackLight Unit) for mobile phones, digital devices, liquid crystal displays (LCDs) as a next-generation light source, or as an instrument panel for automobiles. It is also used for lighting such as tail lights, traffic signals, landscape lighting, and general lighting. In addition, it is widely used in display fields such as indoor and outdoor electronic signboards, and in environmental and bio fields for measuring water pollution and blood oxygen concentration. In addition, the scope of application of light emitting diodes (LEDs) is increasing every year due to improved product performance and lower costs.
이렇게 발광 다이오드(LED)의 적용 범위가 확대됨에 따라 발광 다이오드(LED)의 전력 소모를 최소화시키며 고출력, 고효율이 요구되고 있다. As the application range of light emitting diodes (LEDs) is expanded, power consumption of light emitting diodes (LEDs) is minimized, and high power and high efficiency are required.
이런 요구를 충족시키는 방안으로 다양한 방법이 연구되고 있다. 그 방법은 크게 내부 양자 효율 개선과 외부 추출 효율 개선이 있는데, 내부 양자 효율 개선은 발광 다이오드(LED)의 활성층에서 빛을 방출하는 전자-정공의 재결합 확률을 높이고 빛을 방출하지 않는 재결합을 줄임으로써 개선될 수 있다. 하지만, 이런 내부 양자 효율 개선은 이미 청색 발광 다이오드에서는 70%, UV 발광 다이오드에서는 80%, AlGaAs에서는 99%의 효율이 개선된 상태로 내부 양자 효율을 개선하는 방법은 그 기술력이 한계를 보이고 있다. 반면에 외부 추출 효율 증가에 대해서는 활발한 연구가 진행되고 있는데, 외부 추출 효율 증가의 주된 핵심은 발광 다이오드(LED)내부에서 생성된 빛이 공기중으로 빠져나오기까지 존재하는 모든 계면에서의 전반사(TIR; total internal refraction)를 줄임으로써 생성된 빛의 추출 효율을 높이는 것이다. 특히 화합물 반도체로 만들어진 발광 다이오드(LED)의 경우 큰 굴절률을 가지므로 외부 추출 효율이 크게 떨어지는 문제점이 있다. 일예로 InGaN 기반의 발광 다이오드(LED)의 경우 외부 추출 효율은 4%에 그치고 있다. Various methods are being studied to meet these demands. The method is largely improved internal quantum efficiency and external extraction efficiency, which improves the probability of recombination of electron-holes emitting light in the active layer of light emitting diodes (LEDs) and reduces the non-light recombination. Can be improved. However, such internal quantum efficiency improvement has already improved the efficiency of 70% in blue light emitting diodes, 80% in UV light emitting diodes, and 99% in AlGaAs, and the method of improving internal quantum efficiency is limited. On the other hand, active research on increasing the external extraction efficiency is being conducted. The key to increasing the external extraction efficiency is the total reflection (TIR) at all interfaces that exist until the light generated inside the light emitting diode (LED) exits the air. By reducing internal refraction, the extraction efficiency of generated light is increased. In particular, in the case of a light emitting diode (LED) made of a compound semiconductor has a large refractive index has a problem that the external extraction efficiency is greatly reduced. For example, in the case of InGaN-based light emitting diodes (LEDs), the external extraction efficiency is only 4%.
외부 추출 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있는데, 예를 들어, 질화물계 발광 다이오드에서 사파이어와 질화물 계면에서 발생되는 전반사를 줄이 기 위하여, 사파이어 기판에 패턴을 형성하거나 요철을 주는 방법이 사용되고 있으며 또는, 사파이어 기판을 분리하여 흡수나 전반사를 제거하는 방법도 시도되고 있다. 또한 질화물과 공기와의 굴절률 차이에 의한 전반사 감소를 위하여 질화물 표면을 거칠기를 조절하여 추출 효율을 증가시키는 방법도 있다. Various studies are being conducted to improve the external extraction efficiency. For example, in order to reduce total reflection occurring at the interface between sapphire and nitride in a nitride-based light emitting diode, a method of forming a pattern or giving irregularities to the sapphire substrate is used. Alternatively, a method of separating the sapphire substrate to remove absorption or total reflection has also been attempted. There is also a method of increasing the extraction efficiency by controlling the roughness of the nitride surface to reduce the total reflection due to the difference in refractive index between the nitride and air.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode) 표면에 마이크로 렌즈 어레이를 형성하여 발광 다이오드의 광을 효율적으로 추출하여 추출 효율이 증가된 발광 다이오드를 제공하는데 목적이 있다. An object of the present invention is to provide a light emitting diode having a high extraction efficiency by forming a microlens array on the surface of a light emitting diode (LED) in order to solve the above problems of the prior art to efficiently extract light from the light emitting diode. There is this.
상기한 본 발명의 목적들 달성하기 위해 본 발명의 마이크로 렌즈가 구비된 발광 다이오드는 기판 상부에 N형-반도체층, 활성층 및 P형-반도체층이 순차적으로 적층되고, 상기 P형-반도체층으로부터 상기 N형-반도체층 일부까지 제거되어 N형-반도체층의 일부가 노출되어 있으며, 상기 노출된 N형-반도체층의 상부에 N형 전극 패드가 형성되어 있고, P형-반도체층의 상부에 투명 전도 막(TCL; Transparent Conducting layer)이 형성되며, 상기 P형-반도체층의 상부에 P형 전극 패드가 형성되어 있고, 상기 투명 전도 막 상부에 자외선 경화 수지인 접착제로 제작된 마이크로 렌즈들이 배열(array)되어 있는 특징을 가진다. In order to achieve the above objects of the present invention, a light emitting diode equipped with a microlens of the present invention is sequentially stacked with an N-semiconductor layer, an active layer and a P-semiconductor layer on a substrate, and the P-semiconductor layer Part of the N-semiconductor layer is removed to expose a portion of the N-semiconductor layer, an N-type electrode pad is formed on the exposed N-semiconductor layer, and an N-type semiconductor pad is formed on the P-semiconductor layer. A transparent conducting layer (TCL) is formed, a P-type electrode pad is formed on the P-semiconductor layer, and microlenses made of an adhesive made of UV curable resin are arranged on the transparent conducting layer. (array) has a feature.
또한 상기 기판과 N형-반도체층 사이에 기판 상부에 버퍼층(buffer layer)과 N형-반도체층 하부에 불순물이 첨가되지 않은 반도체층이 더 형성될 수 있다. In addition, between the substrate and the N-type semiconductor layer, a buffer layer may be further formed on the substrate and a semiconductor layer without impurities added to the lower portion of the N-type semiconductor layer.
상기 투명 전도 막은 광 투과성 금속막 또는 인듐 틴 산화물(ITO; Indium Tin Oxide)인 것이 바람직하며, 상기 버퍼층, 상기 불순물이 첨가되지 않은 반도체층, 상기 N형-반도체층 또는 P형-반도체층은 GaN인 것이 바람직하다.Preferably, the transparent conductive film is a light transmissive metal film or an indium tin oxide (ITO), and the buffer layer, the semiconductor layer to which the impurities are not added, the N-semiconductor layer, or the P-semiconductor layer are GaN. Is preferably.
상기 활성층은 InGaN 웰(well)과 InGaN 배리어(barrier) 층들이 여러 겹 적층된 멀티 퀀텀 웰(MQWs; Multi Quantum Wells)형태인 것이 바람직하다. The active layer is preferably in the form of multi quantum wells (MQWs) in which several InGaN wells and InGaN barrier layers are stacked.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 특징을 상세히 설명하고자 하며, 설명의 명료함을 위해 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 구성요소들은 동일한 참조번호로 나타낸다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, features of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and like reference numerals designate like elements throughout the specification for clarity of description.
또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다.In addition, unless there is another definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning that is commonly understood by those of ordinary skill in the art.
본 발명의 마이크로 렌즈 어레이가 구비된 발광 다이오드는 도 1에 도시된 바와 같이 기판(110)위에 에피택셜 층(epitaxial layer)으로 성장한 버퍼층(120)과 불순물이 첨가되지 않은 반도체 층(130), N형-반도체층(140), 멀티 퀀텀 웰 형태의 활성층(150) 및 P형-반도체층(160)이 순차적으로 적층된 구조이며, P형-반도체층(160)으로부터 상기 N형-반도체층(140) 일부까지 에칭(etching)된 N형-반도체층(140)의 표면에 N형 전극 패드(190)가 존재하며, 상기 P형-반도체층(160)의 상부에 투명 전도 막(170)이 형성되며, 상기 P형-반도체층(160)의 상부 일부에 P형 전극 패드(180)가 존재하는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 1, a light emitting diode having a microlens array according to the present invention includes a
상기 투명 전도 막(170)과 상기 P형 전극패드(180)은 도 1에 도시된 바와 같 이 일정 부분에서 겹쳐져(overlap)되어 있는 것이 바람직하며, 상기 투명 전도 막(170) 상부에만 P형 전극패드(180)가 형성되어 있는 구조도 본 발명의 구성에 따른 효과를 얻을 수 있음은 자명하다. The transparent
상기 투명 전도 막 상부에 형성되는 상기 마이크로 렌즈는 자외선 경화 수지인 접착제의 도포; 마스크를 이용하여 도포된 접착제에 자외선을 조사하는 노광; 상기 노광 공정 후, 상기 마스크의 패턴에 의해 자외선에 조사되지 않은 접착제를 알콜류, 케톤류 또는 염소치환 탄화수소류 용제, 또는 이들의 혼합 용제를 이용하여 제거하는 현상; 상기 현상 후 상기 기판 상에 현상 공정에 의해 제거되지 않은 접착제를 접착제의 유리전이온도(glass transition temperature) 이상 버닝온도(burning temperature) 미만의 온도에서 열처리하여 제조되는 특징이 있다. The micro lens formed on the transparent conductive film is coated with an adhesive which is an ultraviolet curable resin; Exposure to irradiate ultraviolet rays to the adhesive applied using a mask; A phenomenon in which after the exposure step, the adhesive that is not irradiated with ultraviolet rays by the pattern of the mask is removed using an alcohol, a ketone or a chlorine-substituted hydrocarbon solvent, or a mixed solvent thereof; After the development, the adhesive that is not removed by the developing process on the substrate is characterized in that it is manufactured by heat treatment at a temperature below the burning temperature (burning temperature) or more than the glass transition temperature (glass transition temperature) of the adhesive.
상세하게는 도 2에 도시된 바와 같이 발광 다이오드의 투명 전도막(170)상에 스핀 코팅(spin coating)을 이용하여 자외선 경화 수지인 접착제(210)이 도포된 후, 제작하고자 하는 마이크로 렌즈의 크기와 배열을 결정하는 마스크(220)를 상기 접착제(210)가 도포된 투명 전도막(170)과 정렬시켜 고정시킨 후 자외선(UV; UltraViolet, 230)을 조사하여 마스크(220)상 패턴에 의해 결정되는 부분(221)을 통해 통과 된 자외선에 의해 도포된 접착제(210)가 부분(221)의 모양과 위치대로 경화되게 된다. 자외선이 통과되지 못하는 부분(222)에 대응하는 접착제(210) 부분은 경화되지 않는 상태로 남게 된다. 이러한 노광공정에 의해 마스크(220) 상의 패턴(221, 222)이 접착제(210)의 경화의 형태로 전사되게 된다. In detail, as shown in FIG. 2, the
노광 공정 후, 마스크(220) 패턴에 의해 경화된 접착제(211)와 경화되지 않 은 접착제(212)로 이루어진 접착제(210)에서 경화되지 않은 접착제(212)를 제거하여 경화된 접착제(211)만을 투명 전극막(170)상에 얻기 위해 자외선에 조사되지 않아 경화되지 않은 접착제(212)를 제거하기 위한 현상공정을 거치게 된다. After the exposure process, only the
현상공정에 사용되는 용제는 사용되는 자외선 경화 수지인 접착제(210)의 물질에 따라 결정된다. 자외선 경화 수지인 접착제(210)는 바람직하게 아크릴레이트(acrylate) 중합체 또는 공중합체인 것이 바람직하다. 이에 따른 용제는 바람직하게 알콜류(alcohols), 케톤류(ketones) 또는 염소치환 탄화수소류(chlorinated), 또는 이들의 혼합 용제가 바람직하며, 상기 알콜류 용제는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 또는 부탄올, 또는 이들의 혼합이 바람직하며, 상기 케톤류 용제는 아세톤, 메틸에틸케톤, 시클로헥사논 또는 디이소프로필케톤, 또는 이들의 혼합이 바람직하며, 상기 염소치환탄화수소류는 디클로로메탄, 염화메탄 또는 테트라클로로메탄, 또는 이들의 혼합이 바람직하다. The solvent used in the developing process is determined according to the material of the
상기의 바람직한 용제를 이용한 현상 공정이 수행된 후 투명 전도막(170)에는 자외선에 의해 경화된 접착제(211)만에 남게 된다. 상기 경화된 접착제(211)를 열처리하여 곡률을 가진 반구형의 렌즈형태가 되도록 제작 할 수 있는데, 이때 열처리 온도는 접착제(210)의 물질 특성인 유리 전이 온도(Tg; glass transition temperature)와 분해 온도(Td; degradation temperature)에 의해 결정된다. 바람직게는 유리 전이 온도(Tg) 이상 분해 온도(Td) 미만의 온도로 열처리 하는 것이 바람직하다. 이러한 열처리 공정에 의해 점성이 낮아진 경화된 접착제(211')는 표면 에너지의 최소화를 위해 물질 이동이 일어나 반구형의 형태를 가지게 되며 투명 전 극막(170)과 경화된 접착제(211') 사이, 투명 전극막(170)과 기상(vapor) 사이 및 접착제(211')와 기상 사이의 세 계면에너지에 의해 결정되는 젖음각(wetting angle)을 갖게 된다.After the developing process using the above preferred solvent is performed, the transparent
이때 열처리 온도가 유리 전이 온도(Tg) 보다 낮으면 열처리시 경화된 접착제(211)의 점성이 너무 커 표면 장력에 의한 물질이동이 일어 날 수 없어 반구형의 렌즈형태를 얻을 수 없으며, 분해 온도(Td)보다 높으면 접착제의 분자 화학적 구조가 변화되어 원하는 굴절 마이크로 렌즈의 효과를 얻을 수 없다. At this time, if the heat treatment temperature is lower than the glass transition temperature (Tg), the viscosity of the cured adhesive 211 during the heat treatment is too large to prevent mass transfer due to surface tension, and thus a hemispherical lens shape cannot be obtained and the decomposition temperature (Td) Higher than), the molecular chemical structure of the adhesive is changed and the effect of the desired refractive microlens is not obtained.
또한 열처리 시 경화된 접착제(211')의 젖음각을 조절하기 위해 열처리 분위기를 조절 할 수 있다. 상기 열처리 분위기는 투명 전극막(170)과 기상(vapor) 사이 및 경화된 접착제(211')과 기상 사이의 계면에너지들에 영향을 주므로 젖음각의 각도가 달라지게되어 마이크로 렌즈의 형상을 조절할 수 있게 한다. In addition, the heat treatment atmosphere may be adjusted to adjust the wetting angle of the cured adhesive 211 ′ during the heat treatment. The heat treatment atmosphere affects interfacial energies between the
마이크로 렌즈의 형상에 영향을 미치는 또 다른 요소로 도포된 접착제(210)의 두께가 있다. 도포 공정 시 기판이 회전되는 속도 또는 기판에 가해지는 가속도, 또는 이들의 조합에 의해 기판 상 도포되는 접착제의 두께를 조절하여 마이크로 렌즈의 형상을 조절 할 수 있다. Another factor affecting the shape of the microlenses is the thickness of the adhesive 210 applied. The shape of the microlens may be controlled by adjusting the thickness of the adhesive applied on the substrate by the speed at which the substrate is rotated during the coating process, the acceleration applied to the substrate, or a combination thereof.
도 1과 도 2를 통해 본 발명의 마이크로 렌즈가 구비된 발광 다이오드의 바람직한 제작 방법과 구조를 설명하였다. 이때, 발광 다이오드 최상부에 위치하는 투명 전극막 상의 마이크로 렌즈의 배열은 동일한 모양의 마이크로 렌즈들이 일정한 간격 또는 불규칙한 간격으로 배열되어 있을 수 있으며, 다른 모양, 다른 크기 또는 다른 모양과 크기를 갖는 두 개 이상의 마이크로 렌즈들이 일정한 간격 또는 불규칙한 간격으로 배열되어 있을 수 있다. 1 and 2 have been described a preferred manufacturing method and structure of a light emitting diode with a micro lens of the present invention. At this time, the arrangement of the micro lenses on the transparent electrode film positioned on the top of the light emitting diode may be arranged in a uniform interval or irregular intervals of the micro lenses of the same shape, two or more different shapes, different sizes or different shapes and sizes The micro lenses may be arranged at regular or irregular intervals.
마이크로 렌즈의 크기, 형태 및 배열은 외부 추출 효율을 극대화 하고, 균일한 발광을 위해 최적화 되는 것이 바람직하다. The size, shape, and arrangement of the microlenses are preferably optimized for maximizing external extraction efficiency and for uniform light emission.
다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the invention to those skilled in the art will fully convey. Accordingly, the present invention is not limited to the embodiments described below and may be embodied in other forms.
(실시예 1)(Example 1)
(0001)면의 사파이어 단결정 기판 위에 OMVPE(Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy)를 이용하여 도 1에 도시된 바와 같이 버퍼층과 불순물이 첨가되지 않은 반도체 층, N형-반도체층, 멀티 퀀텀 웰 형태의 활성층 및 P형-반도체층을 에피텍셜(epitaxial)하게 성장시켰다. Using an OMVPE (Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy) on a (0001) faced sapphire substrate, a semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an active layer in the form of a multi-quantum well, as shown in FIG. And the P-semiconductor layer was epitaxially grown.
상세하게는 (0001)면의 사파이어 단결정 기판 위에 40 nm 두께의 GaN 버퍼 층을 형성시키고 1.5 ㎛ 두께의 불순물이 첨가되지 않은 GaN와 2.0 ㎛ 두께의 N형-GaN를 성장시킨 후, 3 nm 두께의 InGaN 웰과 7 nm 두께의 InGaN 배리어를 한 겹으로 다섯 겹을 성장시켜 활성층을 형성시켰다. 상기 활성층 상부에 0.13 ㎛ 두께의 P형-GaN를 성장시킨 후 N형-GaN에 전극을 형성시키기 위해 ICP(Inductive Coupled Plasma)를 이용하여 상기 P형-GaN 층과 상기 활성층 일부를 P형-GaN의 표면으로부터 0.6 ㎛의 깊이까지 에칭시켰다. Specifically, a GaN buffer layer having a thickness of 40 nm was formed on a (0001) sapphire single crystal substrate, and GaN and 1.5 nm thick N-type GaN, which had no thickness of 1.5 μm, were grown, and then 3 nm thick. Five layers of InGaN wells and 7 nm thick InGaN barriers were grown in one layer to form an active layer. After growing 0.13 μm thick P-GaN on the active layer, the P-GaN layer and a portion of the active layer were formed using an inductive coupled plasma (ICP) to form an electrode on the N-GaN. The surface was etched to a depth of 0.6 mu m.
상기 P형-GaN 표면에 전자 빔 증착기(E-beam evaporator)를 이용하여 50 Å Ni과 50 Å Au를 증착시키고, N2:O2의 몰비율이 4:1이 되도록 분위기 가스를 흘리 며 450 ℃에서 1분간 열처리하여 투명 전도막인 광 투과성 금속막을 형성시켰다. N형 전극패드와 P형 전극패드는 상기 에칭 공정에 의해 표면에 드러난 N형-GaN 상부와 P형-GaN 상부 일부에 각각 200/250/4000 Å의 Cr/Ni/Au를 증착하여 형성시켰다. 50 Å Ni and 50 Å Au were deposited on the surface of the P-GaN using an E-beam evaporator, and the atmosphere gas was flowed at 450 ° C. such that the molar ratio of N 2:
상기의 방법을 통해 제작된 발광 다이오드 최상부에 접착제로 만들어진 마이크로 렌즈를 형성시키기 위해 스핀 코팅기를 이용하여 4000 rpm으로 점도(ASTM D-1084)가 1900 cP인 자외선 경화 접착제(Dymax, OP-4-20663)를 상기 광 투과성 금속막 위에 도포한 후 직경 10um 크기를 갖는 패턴이 10 X 10개 반복되는 마스크를 상기 접착제가 도포된 광 투과성 금속막과 정렬시켜 고정시킨 후 자외선을 조사하였다. 자외선의 조사 후 아세톤을 이용하여 자외선에 의해 경화되지 않은 접착제를 제거하고 사용된 접착제의 유리 전이 온도(Tg, ASTM E-831)가 104℃ 이므로 130℃에서 5분 열처리하여 도 3와 같은 마이크로 렌즈 어레이를 제작하였다. Ultraviolet curing adhesive (Dymax, OP-4-20663) having a viscosity (ASTM D-1084) of 1900 cP at 4000 rpm using a spin coater to form a microlens made of adhesive on top of the light emitting diode manufactured by the above method. ) Was applied onto the light transmissive metal film, and then a mask having 10 × 10 patterns having a diameter of 10 μm was aligned and fixed with the light transmissive metal film to which the adhesive was applied, followed by irradiation with ultraviolet rays. After irradiating with UV light, the acetone was used to remove the uncured adhesive and the glass transition temperature (Tg, ASTM E-831) of the used adhesive was 104 ° C. The array was produced.
실시예 1에서는 열처리를 130℃에서 행하였지만, 자외선 경화 접착제(Dymax, OP-4-20663)의 분해 온도(Td)가 180℃이므로, 104℃ 이상 180℃ 미만에 해당하는 온도구간에서 선택된 온도로 열처리 하여 마이크로 렌즈 어레이를 제작하여도 무방하다.In Example 1, the heat treatment was performed at 130 ° C., but the decomposition temperature (Td) of the ultraviolet curing adhesive (Dymax, OP-4-20663) was 180 ° C., so that the temperature was selected at a temperature range corresponding to 104 ° C. or more and less than 180 ° C. The microlens array may be manufactured by heat treatment.
도 3에서 알 수 있듯이 발광 다이오드 최 상부에 지름이 10 ㎛로 크기가 고르며 둥근 구형의 마이크로 렌즈가 형성되었음을 알 수 있으며, 매끄러운 표면을 가지며 형태의 불규칙한 변화 없이 대칭적인 구 형태로 제작됨을 알 수 있다. As can be seen in FIG. 3, it can be seen that a round spherical microlens has a uniform size with a diameter of 10 μm at the top of the light emitting diode, and has a smooth surface and is manufactured in a symmetrical spherical shape without irregular change in shape. .
제작된 마이크로 렌즈의 1차원 프로 파일러 메터 측정 결과, 제작된 마리크로 렌즈의 광 투과성 금속막에서 렌즈의 중심까지의 높이가 4 ㎛이며, 렌즈 중심부 의 곡률반경이 4.7 ㎛이고 지름이 10 ㎛임을 알 수 있다.As a result of measuring the 1D profiler of the manufactured microlens, it was found that the height from the light-transmissive metal film of the manufactured microlens to the center of the lens was 4 µm, and the curvature radius of the lens center was 4.7 µm and the diameter was 10 µm. Can be.
실시예 1에 따라 제작된 발광 다이오드 표면에 위치하는 마이크로 렌즈는 파장이 350nm에서 1300nm까지의 빛에 대해 99% 이상의 높은 투과도를 가지는 특징이 있으며, 동일한 파장대역에서 1.56 의 굴절율을 갖는 특징이 있다. The microlens positioned on the surface of the light emitting diode manufactured according to Example 1 has a characteristic of having a transmittance of 99% or more for light having a wavelength of 350 nm to 1300 nm, and has a refractive index of 1.56 in the same wavelength band.
본 발명에 따른 마이크로 렌즈가 구비된 발광 다이오드의 외부 추출 효율을 측정하기 위해 마이크로 렌즈를 형성시키지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 제작된 발광 다이오드(이하 기준 발광 다이오드)를 기준으로 하여 마이크로 렌즈가 구비된 발광 다이오드의 전기적 특성과 광학적 특성을 측정하였다.Based on a light emitting diode (hereinafter referred to as a reference light emitting diode) manufactured using the same method as Example 1 except that no microlens was formed to measure the external extraction efficiency of the light emitting diode having the microlens according to the present invention. The electrical and optical properties of the light emitting diode with a micro lens were measured.
상기 측정n시 기준 다이오드, 실시예 1과 동일한 방법으로 제작된 10 ㎛ 마이크로 렌즈가 구비된 발광 다이오드(이하 10 ㎛ 발광 다이오드)와 마스크 패턴의 크기가 직경 20 ㎛인 마스크를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제작된 20 ㎛ 마이크로 렌즈가 집적된 발광 다이오드(이하 20 ㎛ 발광 다이오드)를 각각 10개씩으로 하여 총 30개의 샘플을 이용하였다. 도 4는 상기 기준 다이오드, 10 ㎛ 발광 다이오드 및 20 ㎛ 발광 다이오드의 전기적 광학적 특성의 측정 결과를 I(current)-V(Voltage)-L(Light) 축을 이용하여 나타낸 것이다. 광학적 특성(I-L)을 살펴보면 20mA에서 10 ㎛ 발광 다이오드의 경우 기준 발광 다이오드에 비해서 1.24배, 20 ㎛ 발광 다이오드의 경우에는 1.17배 외부 추출이 증가하였다. 전기적 특성(I-V)을 살펴보면 기준 다이오드, 10 ㎛ 발광 다이오드 및 20 ㎛ 발광 다이오드 모두 전류가 증가함에 따라 전압이 거의 변하지 않아 저항의 열화 없이 외부 추 출이 증가하였음을 보여주고 있다. Except for using a reference diode, a light emitting diode equipped with a 10 μm microlenses manufactured in the same manner as in Example 1 (hereinafter, 10 μm light emitting diodes) and a mask having a mask pattern having a diameter of 20 μm A total of 30 samples were used, with 10 light emitting diodes (hereinafter referred to as 20 μm light emitting diodes) integrated with a 20 μm microlens fabricated in the same manner as 1. 4 illustrates measurement results of the electrical and optical characteristics of the reference diode, the 10 μm light emitting diode, and the 20 μm light emitting diode using the I (current) -V (Voltage) -L (Light) axis. Looking at the optical characteristics (I-L), the external extraction was increased by 1.24 times in the case of 10 μm light emitting diode at 20 mA and 1.17 times in the case of 20 μm light emitting diode. The electrical characteristics (I-V) show that the voltage of the reference diode, the 10 μm light emitting diode, and the 20 μm light emitting diode increased little with the increase of the current, so that the external extraction increased without deterioration of the resistance.
마이크로 렌즈를 집적시킬 경우기준 발광 다이오드에 비해서 외부 추출 효율이 증가하는 것을 육안으로 확인하기 위해서 0.1mA, 0.5mA 및 1mA의 낮은 전류에서 사진 상 이미지를 측정하였다. 효과적인 비교를 위하여 0.1mA, 0.5mA 및 1mA의 전류에서 기준 다이오드, 10 ㎛ 발광 다이오드 및 20 ㎛ 발광 다이오드의 사진을 도 5로 통합하여 도시하였으며, 사진상 표기된 'ref'는 기준 다이오드를, '20'은 20 ㎛ 발광 다이오드를, '10'은 10 ㎛ 발광 다이오드를 의미하며, 사진상 표기'-'오른쪽에 표기된 '0.1mA', '0.5mA' 및 '1mA'은 각각 흐르는 전류량을 의미한다. 도 5에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 집적시킨 경우 더 밝아진 것을 확인할 수 있으며, 발광 다이오드 표면층에 집적된 마이크로 렌즈의 크기가 작을수록 더 밝아지는 것을 알 수 있다. In order to visually confirm that the external extraction efficiency is increased compared to the reference light emitting diode when the microlenses are integrated, photographic images were measured at low currents of 0.1 mA, 0.5 mA, and 1 mA. For an effective comparison, the photographs of the reference diodes, 10 μm light emitting diodes and 20 μm light emitting diodes at currents of 0.1 mA, 0.5 mA and 1 mA are shown in Fig. 5, and 'ref' in the photograph indicates the reference diode and '20'. Denotes a 20 μm light emitting diode, and “10” denotes a 10 μm light emitting diode, and “0.1 mA”, “0.5 mA” and “1 mA” indicated on the right of the photograph indicate '-' on the right. As can be seen in Figure 5 it can be seen that when the integrated microlens according to the present invention is brighter, the smaller the size of the microlens integrated on the LED surface layer is brighter.
본 발명의 마이크로 렌즈가 구비된 발광 다이오드는 저항의 열화 없이 마이크로 렌즈가 집적되지 않은 발광 다이오드를 기준으로 직경이 10 ㎛인 마이크로 렌즈가 집적된 발광 다이오드의 경우 1.24배, 20 ㎛ 마이크로 렌즈가 집적된 발광 다이오드의 경우 1.17배의 외부 추출 효율을 증가시킬 수 있다.The light emitting diode equipped with the microlens of the present invention is 1.24 times the microlens integrated with the microlens having a diameter of 10 μm based on the light emitting diode in which the microlens is not integrated without deterioration of resistance. In the case of a light emitting diode, the external extraction efficiency can be increased by 1.17 times.
또한 본 발명의 자외선 경화 접착제로 형성된 마이크로 렌즈는 파장이 350nm에서 1300nm까지의 빛에 대해 99% 이상의 높은 투과도를 가지고 동일한 파장대역에서 1.56 의 굴절율을 갖는 특징이 있으므로 질화물계 발광 다이오드의 마이크로 렌즈로 매우 뛰어난 성질을 가진다.In addition, the microlens formed of the ultraviolet curing adhesive of the present invention has a high transmittance of 99% or more for light of 350 nm to 1300 nm, and has a refractive index of 1.56 in the same wavelength band. Has excellent properties
또한 본 발명의 마이크로 렌즈가 구비된 발광 다이오드는 마이크로 렌즈가 집적되는 기판의 종류와 무관하게 기판과의 접착성이 매우 뛰어나며, 높은 광학적 투과율을 갖고, 화학 약품에 대한 내성이 강한 특징을 가지며, 마이크로 렌즈의 제작 과정 중 휘발이 일어나지 않으며, 소프트 베이킹(soft baking)이나 하드 베이킹(hard baking) 단계 없이 빠르고 간단한 저온공정을 통해 제작되는 장점이 있다. In addition, the light emitting diode equipped with the microlens of the present invention has excellent adhesiveness with the substrate, high optical transmittance, and strong resistance to chemicals, regardless of the type of the substrate on which the microlens is integrated. Volatilization does not occur during the manufacturing process of the lens, there is an advantage that is produced through a quick and simple low temperature process without a soft baking (hard baking) or hard baking (hard baking) step.
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