KR20140012177A - Led로부터의 다중 파장의 광을 반사하기 위한 분산형 브래그 반사기 - Google Patents

Led로부터의 다중 파장의 광을 반사하기 위한 분산형 브래그 반사기 Download PDF

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KR20140012177A
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차오 쿤 린
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도시바 테크노 센터 인크.
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Abstract

청색 LED 디바이스는 투명 기판, 및 상기 기판의 배면 상에 배치된 반사기 구조체를 갖는다. 반사기 구조체는 황색 광뿐만 아니라 청색 광을 반사하도록 구성된 층들을 갖는 분산형 브래그 반사기(DBR) 구조체를 포함한다. 한 실시예에서, DBR 구조체는 층들의 두께가 두꺼운 제1 부분을 포함하며, 또한 층들의 두께가 얇은 제2 부분도 포함한다. 전체 반사기 구조체는, 파장이 440-470 nm 범위인 광에 대해 97.5% 초과의 반사율을 갖는 것에 추가하여, 파장이 500-700 nm 범위인 광에 대해 90% 초과의 반사율을 갖는다.

Description

LED로부터의 다중 파장의 광을 반사하기 위한 분산형 브래그 반사기{DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR FOR REFLECTING LIGHT OF MULTIPLE WAVELENGTHS FROM AN LED}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2011년 9월 1일에 출원되고 발명의 명칭이 "Distributed Bragg Reflector for Reflecting Light of Multiple Wavelengths from an LED"인 미국 가출원 제61/530,385호로부터 35 U.S.C. §119 규정하에서 우선권을 주장하며, 상기 가출원의 요지는 본 출원에 참조로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 발광 다이오드(LED)에 관한 것이며, 더 구체적으로, 청색 및 황색 광을 잘 반사하는 반사기 구조체를 갖는 청색 LED에 관한 것이다.
도 1(종래 기술)은 한 종류의 소위 백색 LED 조립체(1)의 단순화한 단면도이다. 조립체(1)는 수평형 청색 LED 디바이스(2)를 포함한다. 청색 LED 디바이스(2)의 활성층(3)은 모든 방향으로 광을 방출하며, 상기 광은 LED 디바이스 내에서 무작위로 산란한다(bounce). 상당한 양(약 50%)의 광이 아래로 진행한다. 아래로 진행하는 광(4)은 LED 디바이스의 상부 표면에서 벗어날 수 있도록 위로 재반사되지 않고, 오히려 아래로 진행하는 광이 다이-부착 접착제 또는 알루미늄 코어 PCB에 의해 흡수되는 경우에는, 전체 백색 LED 조립체의 광 생성 효율은 악화될 것이다.
수평형 LED 디바이스의 구조체는 청색 광에 실질적으로 투명한 사파이어 기판(5)을 필요로 한다. 따라서, 반사기 구조체(6)는 아래쪽 방향으로 진행 중이었던 광을 반사하도록 투명 기판(5)의 배면(즉, 도면에서 하부 측) 상에 배치된다. 반사기 구조체(6)는 아래로 이동하는 광을 반사하여, LED 디바이스의 투명 기판 및 에피택셜 층을 통해 상기 광을 다시 위로 통과시킨다. 이어서, 반사된 광은 LED 디바이스를 빠져나와 실리콘과 같은 캡슐화제에 매립된 인광체(7)에 도달한다. 인광체는 청색 광의 일부를 흡수하고 형광을 발하여, 녹색, 황색 및 적색 광을 포함하는 파장이 더 긴 광을 재방출한다. 따라서, 전체 LED 조립체(1)로부터 방출된 광의 전체 스펙트럼은 백색 광인 것으로 여겨진다. 상기 백색 광은 조립체에 의해 생성된 유용한 광이다.
반사기 구조체(6)는 예를 들어 은과 같은, 고 반사성 금속의 단일 층일 수 있다. 불행하게도, 은은 오염 및 일렉트로마이그레이션(electromigration) 문제를 수반한다. 상기 및 다른 이유로 인해, 도 1의 LED 디바이스(2)와 같은 LED 디바이스는 내부 전반사(total internal reflection, TIR) 층(8), 분산형 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector,DBR) 구조체(9) 및 반사 금속 하부 층(underlying layer)(10)을 포함하는 반사기 구조체를 구비할 수 있다. 상기 층들의 결합은 고 반사성 금속의 단일 미러 층보다 반사율 측면에서 우수하다.
스넬 법칙에 따르면, 임계각보다 더 큰 각도로 고 굴절율 재료에서 저 굴절율 재료로 이동하는 모든 광은 어떠한 에너지 손실도 없이 고 굴절율 재료로 재반사될 것이다. 상기 메커니즘은 내부 전반사(TIR)로 공지되어 있다. TIR 층(8)은 임계각보다 더 큰 각도로 반사기를 향해 통과하는 청색 광을 반사하도록 구성된다(fashion). 반사기 구조체의 하부의 두 부분(9 및 10)(DBR 및 반사 금속 층)은 TIR 층을 통과하는 임의의 잔류 광을 반사하기 위해 제공된다.
가장 단순한 형태로서, DBR은 유전체의 1/4 파장 스택(quarter wave stack)이다. 1/4 파장 스택은 층들의 스택으로 이루어지며, 여기에서 층들을 형성하는 재료가 스택 아래쪽으로 층마다 교대된다. 이들 재료는, 교대하는 층들이 스택 아래쪽으로 고 굴절율, 및 이어서 저 굴절율, 및 이어서 고 굴절율 등을 갖도록 선택된다. 상부로부터 스택으로 입사하는 주어진 파장의 광에 대해, 상부 층은 파장의 1/4의 두께를 갖도록 제조되고, 상기 파장은 광이 상기 층을 통과할 때의 광의 파장이다. 광의 파장(λ), 진동수(f) 및 속도(v)는 식 λ=v/f로 주어진다. 광이 한 매질을 떠나 다른 매질에 입사할 경우, 광의 속도 및 파장은 변화할 수 있지만 진동수는 변화하지 않는다. 따라서, 상부 층을 형성하는 재료가 매질에서의 광의 속도(v)를 결정한다. 따라서, 이 재료 또한 상부 층에서의 광의 파장(λ)에 영향을 미친다.
각 재료는 굴절율(η)을 갖는다. 굴절율(η)은 매질 중의 광 속도에 대한 진공 중의 광 속도의 비이다. 매질 중 광의 파장은 식 λ=λο/η(여기에서, λο는 진공 중의 파장임)으로 주어진다. 대기를 통해 진행하는 광은 진공 중의 광 속도에 근접한 속도로 이동하여, 대기 중의 광의 파장은 진공 중의 광의 파장에 근접한다. 입사각이 0˚와 임계각 사이인 광에 대한 DBR의 반사율이 고려될 경우 DBR의 설계 파장(λο)은 통상적으로 LED 발광 파장보다 더 길다. 예를 들어, 450 nm LED에 대한 최적의 DBR 설계 파장은 약 510 nm이다. 층 매질 내의 1/4 파장을 결정하기 위해 관계식 QWOT=λο/4η(여기에서, η는 층을 형성하는 재료의 굴절율임)이 사용된다. 이러한 방식으로, 두께가 1/4 파장이 되기 위해 스택의 각 층이 얼마나 두꺼워야 하는지를 결정하는데 스택의 각종 층들의 재료의 굴절율이 사용된다.
광은 스택으로 들어가서 상부 층을 통과한 다음, 광의 일부가 상부 층과 스택에 있어서의 아래쪽의 다음 층 사이의 계면에서 반사된다. 광의 일부는 다음 계면까지 스택의 다음 층으로 아래로 진행한다. 계면이 저-굴절율 매질에서 고-굴절율 매질로의 계면일 경우, 계면으로부터 반사되는 어떤 광이라도 180˚의 위상 이동(phase shift)을 할 것이다. 반면, 계면이 고-굴절율 매질에서 저-굴절율 매질로의 계면일 경우, 반사되는 어떤 광도 위상 이동은 없을 것이다. 각 계면은 스택을 통과하는 광파(light wave)의 부분 반사를 유발한다. 위상 이동은, 스택의 층 두께와 조합하여, 계면들에서 반사되는 광의 일부가 모두 서로 같은 위상으로 스택의 상부 표면으로 돌아오도록 하는 것이다. 다수의 계면에서의 다수의 반사는 스택의 상부에서 보강 간섭과 모두 결합된다. 그 결과, 분산형 브래그 반사기는 저지 대역(stop-band)으로 공지된 한정된 스펙트럼 범위 내에서 고 반사율을 갖는다. 이어서, 최종적으로 반사기 구조체(6)의 하부는 반사 금속 층(10)이다.
도 2(종래 기술)는 510 nm의 설계 파장을 기초로 한, 도 1의 종래 기술의 LED 디바이스(2)의 분산형 브래그 반사기의 각종 층들의 두께 및 재료를 제시하는 표이다. 2개의 열 사이의 선 위의 π 기호는 2개 열의 재료들 사이의 계면에 의해 반사된 광이 180˚만큼 위상 이동함을 나타낸다. 상부 SiO2 층은 4101 Å의 두께를 가지며, TIR 층(8)이다. DBR 구조체(9)는 3개의 주기를 포함하며, 각 주기는 두께가 447 Å인 제1 TiO2 층 및 두께가 820 Å인 제2 SiO2 층을 갖는다.
도 3은 도 2에 설명된 반사기 설계의 수직 입사 반사율 스펙트럼을 도시한 도면이다. 스펙트럼의 저지 대역은 약 510 nm에 집중되며, 저지 대역의 단파장 측은 450 nm에 정렬된다. 이론적 계산에 따르면, 광 입사 각이 표면 법선으로부터 반사기에 대한 지표 각으로 갈수록 증가할 경우, 반사율 스펙트럼은 단파장을 향해 청색-이동한다. 반사기는 광범위한 입사각 범위에 걸쳐 450 nm의 파장을 갖는 광에 대해 고 반사율을 보장하도록 최적화되었다. 도 4a는 반사기 구조체(6)의 반사율 대 반사기 상의 지점(11)에 도달하는 450 nm 파장의 광의 입사각을 기록한 도면이다. 입사각이 0˚와 58˚사이인 광은 DBR 및 금속 반사기에 의해 반사되는 반면, 입사각이 58˚보다 큰 광은 TIR 층에 의해 반사된다. 모든 입사각에 대한 반사기의 총 반사율을 평가하기 위해, 정규화된 각 반사율(normalized angular reflectance)이 정의된다. 도 4b에 있어서, 광은 균일한 각 분포(angular distribution)로 모든 방향으로부터 반사기 상의 지점(11)을 향해 전송되는 것으로 추정된다. 입사각(θ)으로 지점(11)에 도달하는, 지점 상에 입사하는 광량을 상정한다. 다수의 상이한 광선이 실제로 상기 입사각으로부터 그 지점에 도달할 수 있으며, 여기에서 광선은 원추 형태로 상기 지점까지 통과하는 것으로 생각될 수 있다. 도 4b에 예시된 원추(12)의 상부 립(lip)은 입사각(θ)에 대한 상기 광선의 발원 지점의 원을 나타낸다. 따라서, 0˚의 입사각에서보다 1˚의 입사각에서 지점(11) 상에 입사하는 광이 더 많다. 더 큰 각도에서는 더 많은 양의 광이 고려되며, 0˚(직각)에서 90˚(지표 각)까지의 각도에 대해 반사된 광의 상응하는 총 량이 결정된다. 이어서, 정규화된 각 반사율은, 각 반사율(도 4a)을 입사각의 사인 의존성과 통합함으로써 계산되고 완전한 각 반사율 스펙트럼으로 정규화된다. 상기 분석은, 도 1의 백색 LED 조립체의 LED에 의해 방출된 청색 광에 대한 반사기의 성능을 비교하기 위해, 주어진 파장, 예를 들어 450 nm의 광에 대해 수행된다. 상기 방식으로 분석할 경우, 도 1의 LED 디바이스의 종래 기술의 반사기 구조체는 입사 청색 광(파장이 450 nm임)에 대해 약 97%의 반사율을 갖는다. 따라서, 아래로 이동하는 대부분의 모든 청색 광(4)은 이어서 반사기 위로 재반사되어 LED 디바이스를 빠져나갈 수 있다. DBR(9)을 포함하는 반사기 구조체는 은과 같은 반사 금속의 단순 미러 층보다 더 효율적이다.
청색 LED 디바이스는 인듐, 갈륨 및 질소를 포함하는 활성층을 갖는다. 활성층은 준-단색광(quasi-monochromatic) 및 비-간섭성인 청색 광을 방출하도록 구성된다. 청색 LED는 또한 투명 기판(가시광에 대해 실질적으로 투명함), 및 상기 기판의 배면 상에 배치된 반사기 구조체를 갖는다. 반사기 구조체는 녹색, 황색 및 적색 광뿐만 아니라 청색 광을 반사하도록 구성된 층들을 갖는 분산형 브래그 반사기(DBR) 구조체를 포함한다. 한 실시예에서, DBR 구조체는 층들의 두께가 상대적으로 더 두꺼운 제1 부분을 포함하며, 층들의 두께가 상대적으로 더 얇은 제2 부분도 또한 포함한다. 전체 반사기 구조체는 또한 440 nm-470 nm 사이의 제1 범위의 파장의 광에 대해 97.5% 초과의 정규화된 각 반사율을 갖는 것에 추가하여, 500 nm-700 nm 사이의 제2 범위의 파장의 광에 대해 95% 초과의 정규화된 각 반사율을 갖는다. 반사기 구조체는, 전체 LED 디바이스가 500 nm 내지 700 nm 범위의 파장을 갖는 광에 대해 85% 초과의 광자 재생 효율(Photon Recycling Efficiency,PRE)을 갖도록, 투명 기판에서 반사기 구조체까지 통과하는 광을 반사한다.
추가 상세내용 및 실시형태 및 기술은 하기 상세 설명에 설명된다. 본 요약은 본 발명을 정의하고자 하는 것이 아니다. 본 발명은 청구항에 의해 정의된다.
동일한 숫자가 동일한 구성요소를 나타내는 첨부 도면은 본 발명의 실시형태를 예시한다.
도 1(종래 기술)은 종래의 소위 백색 LED의 단순화한 단면도이다.
도 2(종래 기술)는 도 1의 종래 기술의 LED 디바이스의 분산형 브래그 반사기의 각종 층들의 두께 및 구성 재료를 제시하는 표이다.
도 3(종래 기술)은 도 1의 종래 기술의 LED 디바이스의 반사기 구조체에 대한 수직 입사각에서의 입사광의 반사율 대 파장을 기록한 도면이다.
도 4a(종래 기술)는 도 1의 종래 기술의 LED 디바이스의 반사기 구조체의 반사율 대 반사기 상의 어느 한 지점에 도달하는 450 nm 파장의 광의 입사각을 기록한 도면이다.
도 4b(종래 기술)는 정규화된 각 반사율을 결정하는데 수반되는 고려사항을 예시하는 개념도이다.
도 5는 한 신규한 양태에 따른 백색 LED 조립체의 도해이다.
도 6은 도 5의 백색 LED 조립체 내의 청색 LED 디바이스의 단순화한 단면도이다.
도 7은 도 5-6의 신규한 반사기 구조체의 각종 층들의 두께 및 구성 재료를 제시하는 표이다.
도 8은 도 5-7의 신규한 반사기 구조체에 있어서 반사기 표면에 수직인 입사광의 반사율 대 파장을 기록한 도면이다.
도 9는 도 5-7의 신규 반사기 구조체의 450 nm 및 580 nm에서의 정규화된 각 반사율을 도 1-4의 종래 기술의 반사기 구조체의 것과 비교한 표이다.
도 10은 도 5-7의 신규한 반사기 구조체의 측정된 PRE 값(450 nm, 580 nm 및 630 nm에서)을 도 1-4의 종래 기술의 반사기 구조체의 계산된 PRE 값(450 nm, 580 nm 및 630 nm에서)과 비교한 표이다.
도 11은 500 nm 내지 700 nm 범위 및 440 nm 내지 470 nm의 다른 범위의 파장을 갖는 광에 대해 높은 정규화된 각 반사율을 나타내는 청색 LED 상에 반사기 구조체를 형성하기 위한 방법의 흐름도이다.
본 발명의 일부 실시형태에 대해 이제 상세히 서술하고자 하며, 그 실시예는 첨부 도면에 예시된다.
도 5는 한 신규 양태에 따른 백색 LED 조립체(20)의 단순화한 단면도이다. 백색 LED 조립체(20)는 청색 LED 디바이스(21), 알루미늄 코어 PCB(22), 한 쌍의 와이어 본드(23 및 24), 및 소정량의 인광체(25)를 포함한다. 인광체의 입자는 예시된 바와 같이 실리콘의 돔 구조체에 현수된다. LED 디바이스(21)는, 예시되지 않은 다른 부분들과 함께, p-형 층(26), 활성층(27), n-형 층(28), 버퍼 층(29) 및 2개의 금속 전극(30 및 31)을 포함하는 에피택셜 층 부분을 포함한다. 층(26-28)은 질화 갈륨 재료로 제조되며 활성층은 GaN 청색 LED 기술분야에 공지된 바와 같이 활성층이 소위 청색 광을 방출하도록 인듐을 포함한다. 이 광은 준-단색광이며 비-간섭성이다. 본 실시예에서, 활성층(27)에 의해 방출된 광의 파장은 대역폭이 비교적 좁으며 약 450 nm에 집중된다.
에피택셜 층은 투명 기판(32) 상에 배치된다. 투명 기판(32)은 사파이어, SiC, GaN 또는 AlN과 같은 투명 재료로 제조된다. 본 실시예에서, 투명 기판(32)은 사파이어 기판이다. 기판(32) 아래가 신규 반사기 구조체(34)이다. 반사기 구조체(34)는 내부 전반사(TIR) 층(35), 다층 분산형 브래그 반사기(DBR) 구조체(36), 및 반사 금속 층(37)을 포함한다. TIR 층(35), 및 DBR(36)의 저 굴절율 층은 SiO2, MgF2 또는 CaF2와 같은 저 굴절율 유전체로 제조될 수 있으며, DBR(36)의 고 굴절율 층은 TiO2, ZnSe, Si3N4, Nb2O5 또는 Ta2O5와 같은 고 굴절율 유전체로 제조될 수 있다. 반사 금속 층(37)은 알루미늄, 은, 로듐, 플래티늄 또는 니켈과 같은 임의의 반사 금속으로 제조될 수 있다. 반사기 구조체(34)는 에피택셜 층으로부터 기판의 반대 측 상인 기판의 "배면" 상에 배치된다. 도 6은 도 5의 백색 LED 조립체(20)의 청색 LED 디바이스(21)의 좀더 상세한 단면도이다.
종래에 인지된 바와 같이, LED의 활성층으로부터 방출된 광의 절반은 아래로 이동한다. 본 실시예에서 약 450 nm의 파장을 갖는 상기 광은 배경 기술 부분에서 상기 설명된 바와 같은 반사기 구조체에 의해 위로 재반사되어야 한다. 상기 광은 도 5에서 광선(38 및 39)으로 나타낸다.
한 신규 양태에 따르면, 여기서는, 위로 진행하는 광(40)의 일부는 LED 디바이스를 빠져나와 인광체(25)에 도달하지만, 이어서 인광체에 의해 더 긴 파장의 광으로 하향-변환되는(down-converted) 것으로 인식된다. 이어서, 상기 변환된 광(41)의 일부는 LED 디바이스를 통과하도록 LED 디바이스를 향해 도로 진행한다. 인광체에 의해 LED 디바이스에서 도로 방출되는 광은 일반적으로 500 nm 내지 700nm의 범위이며, 본 출원에서는 간편성을 위해 "황색"광으로 지칭된다. 상기 광은 도 5에서 광선(41-42)으로 나타낸다. 도 1-4와 관련하여 상기 설명된 종래 기술의 반사기 구조체에서는 반사기 구조체가 상기 황색 파장의 광을 반사하도록 최적화되어 있지않은 반면, 도 5의 신규 반사기 구조체(34)는 상기 파장의 광의 반사율을 개선하도록 설계되어 있다. 신규 반사기 구조체(34)는 청색 광만을 반사하도록 최적화되지 않으며 황색 광만을 반사하도록 최적화되지 않고, 오히려 신규 반사기 구조체의 층들은 고 반사율로 청색 및 황색 광 모두를 반사하도록 구성된다. 따라서, 신규 반사기 구조체(34)는 약 450 nm의 청색 광 및 약 580 nm의 황색 광 모두를 반사하도록 실질적으로 최적화된 DBR을 갖는다. 한 실시예에서, 반사기 구조체(34)는 500 nm 내지 700 nm 범위의 파장을 갖는 제1광(본 출원에서는 황색 광으로 지칭)에 대해 95.5% 초과의 정규화된 각 반사율을 가지며, 또한, 440 nm 내지 470 nm 범위의 파장을 갖는 제2광(본 출원에서는 청색 광으로 지칭)에 대해 97.5% 초과의 정규화된 각 반사율을 갖는다. 도 5의 전체 신규 LED 조립체(20)의 광자 효율(lm/W)은, 500 nm 내지 700 nm 범위의 광의 반사에 있어서 반사기 구조체(34)의 개선된 반사율로 인해, 도 1의 종래의 전체 LED 조립체(1)의 광자 효율에 비해 크게 개선된다.
DBR 구조체(34)를 설계하는 것은, 황색 광의 반사에 최적화된 제1 DBR을 설계하고, 청색 광의 반사에 최적화된 제2 DBR을 설계한 다음, 2개의 DBR을 단일의 복합 DBR 구조체로 결합하는 것처럼 간단하지 않다. DBR 구조체를 한 부분에서 다음 부분으로 통과하는 광은, 각종 층들의 두께를 결정하는 것을 복잡하게 하는 복잡한 방식에 영향을 받으며, DBR은 황색 또는 청색 광 중 어느 하나에 대해 완전히 최적화되지 않지만, 최대한 간단히 설명하자면, DBR(34)의 제1 부분(43)은 주로 황색 광을 반사하도록 작용하는 반면, DBR(34)의 제2 부분(44)은 주로 청색 광을 반사하도록 작용한다. 제1 부분(43)의 층들의 두께는 두꺼운 반면, 제2 부분(44)의 층들의 두께는 얇다.
도 7은 한 특정 실시형태의 반사기 구조체(34)의 각종 층들의 두께 및 조성을 제시하는 표이다. 열 45는 TIR 층(35)에 상응한다. 열 46은 DBR 구조체(36)의 제1 부분(43)에 상응하며, 열 47은 DBR 구조체(36)의 제2 부분(44)에 상응한다. 열 48은 반사 금속 층(37)에 상응한다. 표의 값들은 480 nm의 설계 파장에 대한 것이다. 따라서, 열 47 중 하나에 근접한 1/4 파장 광학 두께(QWOT) 값은 DBR 구조체의 제2 부분(44)이 청색 광을 잘 반사할 것임을 나타낸다.
도 8은 전체 반사기 구조체(34)의 수직 입사각에 대한 반사율(49) 대 파장의 차트이다. 이 차트는 종래 기술 반사기의 반사율 스펙트럼과 신규 반사기의 반사율 스펙트럼을 비교한다. 신규 반사기에는 반사기 설계의 복잡성을 나타내는 2개의 구별되는 저지 대역 특징부가 존재한다. 파선 곡선(50)은 비교 목적으로 도 8에서 재현된 도 3의 반사율 대 파장 곡선(50)이다.
도 9는 비교 값을 제시한 표이다. 기판에서 반사기 구조체까지 통과하는, 580 nm의 파장을 갖는 제1광(본 출원에서 일반적으로 황색 광으로 지칭됨)의 경우, 도 5-7의 신규 반사기 구조체(34)는 95.0% 초과의 반사율을 갖는다. 기판에서 반사기 구조체까지 통과하는, 450 nm의 파장을 갖는 제2광(본 출원에서 일반적으로 청색 광으로 지칭됨)의 경우, 도 5-7의 신규 반사기 구조체(34)는 97.5% 초과의 반사율을 갖는다.
도 5의 백색 LED 조립체(20)를 참조하면, 인광체는 LED 디바이스(21)로부터 방출된 청색 광을 흡수하여 이를 더 긴 파장(500 nm-700 nm)의 광으로 하향 변환시킨다. 인광체 입자 및 장파장 광의 일부 부분으로부터 등방성으로 재방출된 장파장 광은 필연적으로 LED 표면으로 복귀될 것이다. 복귀된 광이 LED 디바이스(21)를 빠져나갈 확률을 광자 재생 효율(PRE)이라 한다. LED 디바이스로부터 방출된, 흡수되지 않은 청색 광은 또한 인광체에 의해 백 스캐터링(back-scattered)되어 LED 디바이스로 복귀될 수 있다. 각종 파장의 광에 대해 PRE를 측정하기 위해 종합적인 광선-추적(ray-tracing) 모델을 도입하였다. 산화 인듐 주석(ITO)의 흡수, 금속 전극, GaN 재료 손실, 스캐터링 구조체 및 반사기가 모두 시뮬레이션에 포함되었다.
450 nm 광, 580 nm 광 및 630 nm 광을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 반사된 광의 퍼센트(또는 "PRE")가 도 10의 표에 제시된다. 도 9의 표에 나타낸, 신규 반사기 구조체와 종래의 반사기 구조체 간의 비교적 작은 반사율 차는 LED 디바이스 내의 광이 LED 디바이스 내에서 흔히 다중 산란(multiple bounces)을 일으킴으로써 실제 디바이스에서는 증폭된다. 시뮬레이션은 도 1의 종래의 반사기 구조체(6)를 도 5의 신규 반사기 구조체(34)로 변경함으로써 580 nm 광 및 630 nm 광 모두에 대해 광자 재생 효율이 5.0% 초과하여 개선되는 결과를 나타낸다.
도 11은 한 신규 양태에 따른 방법(100)의 흐름도이다. 반사기 구조체는 청색 LED 디바이스의 기판의 배면 상에 형성된다(단계 101). 청색 LED 디바이스의 활성층은 약 440-470 nm의 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성되고, 반사기 구조체는 500 nm 내지 700 nm 범위의 파장을 갖는 광에 대해 95.0% 초과의 정규화된 각 반사율을 갖는다. 한 특정 실시예에서, 반사기 구조체는 또한 440-470 nm의 파장을 갖는 광에 대해 97.5% 초과의 정규화된 각 반사율을 갖는다. 한 특정 실시예에서, 단계 101에서 형성된 반사기 구조체는 도 5 및 6의 반사기 구조체(34)이며, 상기 반사기 구조체(34)는 도 7에 제시된 두께 및 구성 재료의, TIR 층, DBR 구조체, 및 금속 하부 층을 갖는다.
비록 교시의 목적으로 특정 실시형태를 위에서 설명하였지만, 본 특허 출원의 교시는 일반적인 적용성을 가지며 상기 설명된 특정 실시형태로 한정되지 않는다. 따라서, 청구항에 제시된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 설명된 실시형태의 각종 특징들의 각종 변형, 개조 및 조합이 실시될 수 있다.

Claims (24)

  1. 발광 다이오드(LED) 디바이스로서,
    기판; 및
    상기 기판 아래에 배치된 반사기 구조체
    를 포함하며,
    상기 반사기 구조체는:
    상기 기판 아래에 배치된 저 굴절율 내부 전반사 층(TIR);
    상기 TIR 아래에 배치된 분산형 브래그 반사기(DBR); 및
    상기 DBR 아래에 배치된 반사 금속 층을 포함하고,
    상기 DBR은 복수의 제1 주기 및 복수의 제2 주기를 포함하며, 상기 복수의 제1 주기는 각각, 제1 두께를 갖는 고 굴절율 유전체의 제1층, 및 제2 두께를 갖는 저 굴절율 유전체의 제2층을 포함하며, 상기 복수의 제2 주기는 각각, 제3 두께를 갖는 고 굴절율 유전체의 제1층, 및 제4 두께를 갖는 저 굴절율 유전체의 제2층을 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고 굴절율 유전체는: TiO2, ZnSe, Si3N4, Nb2O5 및 Ta2O5로 구성된 그룹으로부터 선택되며; 상기 저 굴절율 유전체는: SiO2, MgF2 및 CaF2로 구성된 그룹으로부터 선택된, LED 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반사기 구조체는 상기 기판에서 상기 반사기 구조체까지 통과하는 제1광에 대해 90% 초과의 반사율을 갖고, 상기 제1광은 500 nm 내지 700 nm의 제1 범위의 파장을 갖는, LED 디바이스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 반사기 구조체는 상기 기판에서 상기 반사기 구조체까지 통과하는 제2광에 대해 90% 초과의 반사율을 갖고, 상기 제2광은 440 nm 내지 470 nm의 제2 범위의 파장을 갖는, LED 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제1 주기 각각의 제1층은 두께가 약 75 nm인 이산화티타늄이고, 상기 복수의 제1 주기 각각의 제2층은 두께가 약 138 nm인 이산화규소이고, 상기 복수의 제2 주기 각각의 제1층은 두께가 약 46 nm인 이산화티타늄이고, 상기 복수의 제2 주기 각각의 제2층은 두께가 약 85 nm인 이산화규소인, LED 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 DBR의 상기 복수의 제1 주기의 이산화티타늄층은 상기 TIR과 접한, LED 디바이스.
  7. 제5항에 있어서, 상기 DBR의 상기 복수의 제2 주기의 이산화티타늄층은 상기 복수의 제1 주기의 이산화규소층과 접한, LED 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 TIR은 이산화규소의 단일 층인, LED 디바이스.
  9. 제5항에 있어서, 상기 TIR은 상기 DBR의 임의의 이산화규소층보다 더 두꺼운 이산화규소의 단일 층인, LED 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 반사 금속 층은: 알루미늄, 은, 로듐, 플래티늄 및 니켈로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속으로 제조된, LED 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 기판은 투명 기판인, LED 디바이스.
  12. 발광 다이오드(LED) 디바이스로서,
    기판;
    500 nm 미만의 파장의 제2광을 방출하도록 구성된 활성층 - 상기 활성층은 인듐 및 갈륨을 포함함 -; 및
    상기 활성층으로부터 상기 기판의 반대 측 상에 배치된 반사기 구조체 - 상기 반사기 구조체는 분산형 브래그 반사기(DBR)를 포함하며, 상기 반사기 구조체는 상기 기판에서 상기 반사기 구조체까지 통과하는 제1광에 대해 90.0% 초과의 반사율을 갖고, 상기 제1광은 500 nm 내지 700 nm 범위의 파장을 가짐 -
    를 포함하는, 발광 다이오드(LED) 디바이스.
  13. 제12항에 있어서, 상기 DBR은:
    복수의 제1 주기 - 상기 복수의 제1 주기는 각각 제1 두께를 갖는 제1 재료의 제1 층, 및 제2 두께를 갖는 제2 재료의 제2층을 포함함 -; 및
    복수의 제2 주기 - 상기 복수의 제2 주기는 각각 제3 두께를 갖는 제1 재료의 제1 층, 및 제4 두께를 갖는 제2 재료의 제2층을 포함함 -
    를 포함하는, LED 디바이스.
  14. 발광 다이오드(LED) 디바이스로서,
    기판;
    500 nm 미만의 파장의 광을 방출하도록 구성된 활성층 - 상기 활성층은 인듐 및 갈륨을 포함함 -; 및
    광 반사 수단으로서, 전체 LED 디바이스가 500-700 nm 범위의 파장을 갖는 광에 대해 85% 초과의 광자 재생 효율(PRE)을 나타내도록, 상기 기판에서 상기 광 반사 수단까지 통과하는 광을 반사하기 위한, 광 반사 수단
    을 포함하는, 발광 다이오드(LED) 디바이스.
  15. 제14항에 있어서, 상기 PRE는, 500-700 nm의 범위의 파장을 갖는 광이 상기 LED 디바이스에 조사될 경우 상기 LED 디바이스로부터 반사되는 광의 백분율인, LED 디바이스.
  16. 제14항에 있어서, 상기 광 반사 수단은 금속 층, 상기 금속 층과 상기 기판 사이에 배치된 분산형 브래그 반사기(DBR) 구조체, 및 상기 DBR과 상기 기판 사이에 배치된 저 굴절율 내부 전반사(TIR) 층을 포함하는, LED 디바이스.
  17. 청색 LED 구조체 상에 반사기 구조체를 형성하는 단계 - 상기 청색 LED 구조체는 사파이어 기판 및 활성층을 포함하고, 상기 활성층은 파장이 약 440-470 nm인 제2광을 방출하도록 구성되고, 상기 반사기 구조체는 상기 사파이어 기판에서 상기 반사기 구조체까지 통과하는 제1광에 대해 90.0% 초과의 반사율을 갖고, 상기 제1광은 약 500-700 nm의 파장을 가짐 -
    를 포함하는, 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 반사기 구조체를 형성하는 단계는:
    복수의 제1 주기를 형성하는 단계 - 상기 복수의 제1 주기는 각각 두께가 약 75 nm인 이산화티타늄의 제1층 및 두께가 약 138 nm인 이산화규소의 제2층을 포함함 -; 및
    복수의 제2 주기를 형성하는 단계 - 상기 복수의 제2 주기는 각각 두께가 약 46 nm인 이산화티타늄의 제1층 및 두께가 약 85 nm인 이산화규소의 제2층을 포함함 -
    를 포함하는, 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 반사기 구조체를 형성하는 단계는:
    상기 기판과 접하는 저 굴절율 내부 전반사(TIR) 층을 형성하는 단계;
    상기 TIR 층과 접하는 분산형 브래그 반사기(DBR)를 형성하는 단계; 및
    상기 DBR과 접하는 반사 금속 층을 형성하는 단계
    를 포함하는, 제조 방법.
  20. 발광 다이오드(LED) 디바이스로서,
    기판; 및
    상기 기판 아래에 배치된 반사기 구조체
    를 포함하며,
    상기 반사기 구조체는:
    상기 기판 아래에 배치된 저 굴절율 내부 전반사 층(TIR);
    상기 TIR 아래에 배치된 분산형 브래그 반사기(DBR); 및
    상기 DBR 아래에 배치된 반사 금속 층
    을 포함하고,
    상기 DBR은 복수의 제1 주기 및 복수의 제2 주기를 포함하며, 상기 복수의 제1 주기는 각각, 제1 두께를 갖는 제1 고 굴절율 유전체의 제1층, 및 제2 두께를 갖는 제1 저 굴절율 유전체의 제2층을 포함하며, 상기 제2 두께는 상기 제1 두께보다 두껍고, 상기 복수의 제2 주기는 각각, 제3 두께를 갖는 제2 고 굴절율 유전체의 제1층, 및 제4 두께를 갖는 제2 저 굴절율 유전체의 제2층을 포함하며, 상기 제4 두께는 상기 제3 두께보다 두꺼운, 발광 다이오드(LED) 디바이스.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 고 굴절율 유전체는: TiO2, ZnSe, Si3N4, Nb2O5 및 Ta2O5로 구성된 그룹으로부터 선택되며, 상기 제2 고 굴절율 유전체는: TiO2, ZnSe, Si3N4, Nb2O5 및 Ta2O5로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 상기 제1 저 굴절율 유전체는: SiO2, MgF2 및 CaF2로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 상기 제2 저 굴절율 유전체는: SiO2, MgF2 및 CaF2로 구성된 그룹으로부터 선택된, LED 디바이스.
  22. 청색 LED 구조체의 기판의 배면 상에 반사기 구조체를 형성하는 단계 - 상기 청색 LED 구조체는 약 450 nm의 청색 광을 방출하도록 구성된 활성층을 가지며, 상기 반사기 구조체는 분산형 브래그 반사기(DBR)를 포함하며, 상기 DBR은 약 450 nm의 청색 광 및 약 580 nm의 황색 광 모두를 반사하도록 실질적으로 최적화됨 -
    를 포함하는, 제조 방법.
  23. 발광 다이오드(LED) 디바이스로서,
    기판; 및
    상기 기판과 접하는 반사기 구조체
    를 포함하며,
    상기 반사기 구조체는:
    상기 기판과 접하는 저 굴절율 내부 전반사 층(TIR);
    상기 TIR과 접하는 분산형 브래그 반사기(DBR); 및
    상기 DBR과 접하는 반사 금속 층
    을 포함하며,
    상기 반사기 구조체는 상기 기판에서 상기 반사기 구조체까지 통과하는 제1광에 대해 90.0% 초과의 반사율을 갖고, 상기 제1광은 500 nm 내지 700 nm의 제1 범위의 파장을 갖는,
    발광 다이오드(LED) 디바이스.
  24. 제23항에 있어서, 상기 DBR은:
    복수의 제1 주기 - 상기 복수의 제1 주기는 각각, 제1 두께를 갖는 제1 재료의 제1층 및 제2 두께를 갖는 제2 재료의 제2층을 포함함 -; 및
    복수의 제2 주기 - 상기 복수의 제2 주기는 각각, 제3 두께를 갖는 제1 재료의 제1층 및 제4 두께를 갖는 제2 재료의 제2층을 포함함 -
    를 포함하는, 발광 다이오드(LED) 디바이스.
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