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KR101471859B1 - 발광 다이오드 - Google Patents

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KR101471859B1
KR101471859B1 KR1020080119011A KR20080119011A KR101471859B1 KR 101471859 B1 KR101471859 B1 KR 101471859B1 KR 1020080119011 A KR1020080119011 A KR 1020080119011A KR 20080119011 A KR20080119011 A KR 20080119011A KR 101471859 B1 KR101471859 B1 KR 101471859B1
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light emitting
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nano
layer
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삼성전자주식회사
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Abstract

편광성이 향상된 광을 방출하는 발광 다이오드가 개시된다. 발광 다이오드는 발광부 전면과 배면에 각각 배치된 와이어 그리드 편광자를 구비하는데, 여기서 상부의 와이어 그리드 편광자와 하부의 와이어 그리드 편광자는 서로에 대해 비스듬한 각도로 경사져 있다. 이러한 상부 및 하부 와이어 그리드 편광자는 발광 다이오드의 전극의 역할도 동시에 수행한다. 따라서, 여기에 개시된 발광 다이오드는 특정한 편광 방향만을 갖도록 제어된 광을 방출할 수 있어서, DBEF와 같은 값비싼 기존의 부품을 생략할 수 있다. 이러한 발광 다이오드를 이용하면, 백라이트 유닛 및 이를 이용한 디스플레이 장치의 원가를 절감하는 것이 가능하다.

Description

발광 다이오드{Light emitting diode}
본 개시는 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 편광성이 향상된 광을 방출하는 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light emitting diode; LED)는 전기ㆍ전자ㆍ통신 분야의 신호용부터 광고용, 교통ㆍ손전등, 디스플레이 분야, 자동차의 브레이크등, 간판, 피난 유도등(exit sign), 전광판 등에서 현재 광범위한 용도로 사용되고 있다. 발광 다이오드는 수은을 사용하지 않기 때문에 환경 친화적이며, 초경량으로 전력 절감이 우수할 뿐만 아니라 비교적 긴 수명과 높은 신뢰성을 갖기 때문에 기존의 조명기기를 대체할 수 있을 것으로 예상된다. 더욱이, 발광 다이오드는 구동회로가 간단하고 R/G/B의 색상제어가 용이하기 때문에, 디지털 조명(digital lighting)과 백라이트 유닛(back light unit; BLU)에도 적용이 가능하다.
현재, LCD(liquid crystal display)의 백라이트 유닛으로는 주로 냉음극 형광램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp; CCFL)를 사용하고 있다. 또한, LCD의 특성상, 편광된 빛을 사용해야 하므로 액정층의 전후면에 편광자가 배치되어 있다. 그런데, CCFL에서 나오는 빛은 무편광 상태이기 때문에, CCFL에서 나오는 빛 중에서 약 50% 정도는 디스플레이에 사용되지 못하고 편광자 등에서 흡수된다. 이 문제를 해결하기 위하여 3M에서 제공하는 반사형편광필름(dual brightness enhanced film; DBEF)을 주로 사용한다. DBEF는 CCFL에서 나오는 빛 중에서 특정 방향으로 편광된 빛을 통과시키고 그와 수직으로 편광된 빛은 반사시키는 특성을 갖는다. 반사된 빛은 산란체나 리타더(retarder)와 같은 광학 재료를 이용하여 DBEF를 통과할 수 있는 편광 상태로 돌려진다. 따라서 CCFL에서 나오는 무편광 상태의 빛 중에서 실제 디스플레이에 사용되는 빛의 비율, 즉 광이용 효율을 높일 수 있다. 그러나 DBEF은 가격이 매우 비싸다는 문제가 있다.
LED를 이용한 백라이트 유닛은 CCFL 백라이트 유닛에 비해 수명이 길고 전력 소비가 적다. 또한, 화면분할구동(local dimming)을 통해 높은 콘트라스트비를 얻을 수 있으며, NTSC 기준으로 100%가 넘는 색재현성을 구현할 수 있고, 빠른 응답 속도로 보다 효과적인 화질 제어가 가능하다. 이와 더불어, 편광을 제어한 LED 소자는 앞서 언급한 DBEF를 제거할 수 있어서 많은 연구가 진행 중에 있다. 그러나 박막 형태의 (In)GaN 재료를 근간으로 하는 현재의 LED는 무편광 상태의 빛을 발생시킨다. 따라서 LED의 편광을 제어하기 위하여 발광부 위에 편광자를 더 배치하거나 DBEF와 같은 다층의 층구조를 더 적층하고, 발광부 아래에는 복굴절 재료를 더 배치하여 반사광의 편광 상태를 변경하도록 하고 있다. 그러나 발광부 아래에 복굴절 재료를 배치할 경우, 발광부에 전극과 같은 금속 컨택을 형성하는 것을 곤란하게 한다.
편광성이 향상된 광을 방출하도록 구성되며, 전극과 일체화된 편광 향상 구조를 갖는 발광 다이오드를 제공한다.
일 실시예에 따른 발광 다이오드는, 기판; 상기 기판 위에 배치된 반사층; 상기 반사층 위에 배치된 위상 지연층; 상기 위상 지연층 위에 배치된 것으로, 다수의 평행한 도전성 와이어를 구비하는 제 1 와이어 그리드 편광자; 상기 제 1 와이어 그리드 편광자 위에 배치된 발광부; 및 상기 발광부 위에 배치된 것으로, 다수의 평행한 도전성 와이어를 구비하는 제 2 와이어 그리드 편광자를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 제 1 와이어 그리드 편광자의 도전성 와이어들과 제 2 와이어 그리드 편광자의 도전성 와이어들은 서로에 대해 비스듬한 각도로 배열되어 있을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 와이어 그리드 편광자는 상기 발광부에 대한 전극의 역할을 동시에 수행할 수 있다.
여기서, 발광부는 박막형으로서, 제 1 타입으로 도핑된 제 1 반도체층, 도핑되지 않은 제 2 반도체층 및 제 1 타입과 반대되는 제 2 타입으로 도핑된 제 3 반도체층을 구비할 수 있으며, 상기 제 2 반도체층은 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층일 수 있다.
예컨대, 제 2 반도체층은 (In)GaN, Zn(Mg)O, InGaAs, InGaAsP, InP 및 InAs 중에서 선택된 어느 하나의 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 발광부는 제 1 와이어 그리드 편광자와 제 2 와이어 그리드 편광자 사이에 수직으로 세워진 다수의 나노로드들 및 상기 다수의 나노로드들 사이에 채워진 투명 절연층을 구비할 수도 있다.
이 경우, 다수의 나노로드들 각각은 제 1 타입으로 도핑된 제 1 반도체층, 도핑되지 않은 제 2 반도체층 및 제 1 타입과 반대되는 제 2 타입으로 도핑된 제 3 반도체층을 구비할 수 있으며, 이때 상기 제 2 반도체층은 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층일 수 있다.
또한, 발광부는 길이가 폭에 비해 긴 장방형 형태의 다수의 나노-대시들을 구비할 수도 있으며, 이때 상기 다수의 나노-대시들은 서로 평행하게 배열되어 있을 수 있다.
이 경우, 다수의 나노-대시들 각각은 제 1 타입으로 도핑된 제 1 반도체층, 도핑되지 않은 제 2 반도체층 및 제 1 타입과 반대되는 제 2 타입으로 도핑된 제 3 반도체층을 구비할 수 있으며, 이때 상기 제 2 반도체층은 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층일 수 있다.
이때, 각각의 나노-대시의 길이(L)와 폭(W)은 L/W ≥ 5 및 W ≤ λ/(2n)(여기서 λ는 발광 파장이고 n은 나노-대시 재료의 굴절률)인 관계를 가질 수 있다.
예컨대, 각각의 나노-대시의 폭(W)은 5nm 내지 500nm, 길이(L)는 50nm 내지 5㎛이며, 인접한 나노-대시들 사이의 간격(P)은 5nm 내지 500nm일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 2 와이어 그리드 편광자의 도전성 와이어들은 상기 나노-대시의 길이 방향에 수직하게 배열될 수 있다.
또한, 다수의 나노-대시들 사이에는 투명한 유전체층이 채워질 수 있다.
또한, 다수의 나노-대시들이 공기로 둘러싸여 있을 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 다수의 나노-대시들의 측면 둘레가 패시베이션 처리될 수도 있다.
한편, 상기 제 1 및 제 2 와이어 그리드 편광자의 도전성 와이어들의 피치와 폭은 λ/2보다 작을 수 있다.
예컨대, 상기 제 1 및 제 2 와이어 그리드 편광자의 도전성 와이어들의 두께는 20nm 내지 1000nm의 범위에 있을 수 있다.
또한, 상기 제 1, 제 2 와이어 그리드 편광자 및 반사층은, 예컨대, 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 백금(Pt), ZrN, HfN, TiN, ZrB2, Cr2N, MgB2, NbB2, HfB2, AlB2, Ta2N 및 NbN 중에서 어느 하나의 재료 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 위상 지연층은, 예컨대, (In)(Al)GaN, (Al)(In)(Ga)(As)(P), (Mg)ZnO를 포함하는 반도체 재료 및 SiO2, HfO2, SiNx를 포함하는 유전체 재료 중에서 어느 하나의 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 제 1 와이어 그리드 편광자와 발광부 사이에 반도체 재료로 이루어진 버퍼층이 더 개재될 수도 있다.
한편, 다른 실시예에 따른 발광 다이오드는, 기판; 상기 기판 위에 배치된 반사층; 상기 반사층 위에 배치된 발광부; 및 상기 발광부 위에 배치된 것으로, 다 수의 평행한 도전성 와이어를 구비하는 와이어 그리드 편광자를 포함할 수 있고, 상기 발광부는 길이가 폭에 비해 긴 장방형 형태의 다수의 나노-대시들을 구비할 수 있으며, 상기 다수의 나노-대시들은 서로 평행하게 배열되어 있고, 상기 반사층과 상기 도전성 와이어가 각각 전극으로서 역할을 할 수 있다.
여기서 개시된 발광 다이오드는 특정한 편광 방향만을 갖도록 제어된 광을 방출할 수 있어서, DBEF와 같은 값비싼 기존의 부품을 생략할 수 있다. 따라서 백라이트 유닛 및 이를 이용하는 디스플레이 장치의 원가를 절감하는 것이 가능하다. 또한, 발광 다이오드에서 방출되는 빛의 편광 특성을 전극 형성의 문제 없이 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 발광 다이오드의 구성 및 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 다이오드(100)의 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드(100)는 기판(101), 기판(101) 위에 배치된 반사층(102), 반사층(102) 위에 배치된 위상 지연층(103), 위상 지연층(103) 위에 배치된 제 1 와이어 그리드 편광자(104), 제 1 와이어 그리드 편광자(104) 위에 배치된 발광부(110), 및 발광부(110) 위에 배치된 제 2 와이어 그리드 편광자(105)를 포함한다. 여기서, 발광부(110)는 광을 방출할 수 있도록 일반적인 LED와 마찬가지로 p-i-n 접합의 형태로 이루어진 발광 구조를 갖는다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 발광부(110)는 제 1 타입으로 도핑된 제 1 반도체층(111), 도핑되지 않은 제 2 반도체층(112), 및 제 1 타입과 반대되는 제 2 타입으로 도핑된 제 3 반도체층(113)을 구비할 수 있다. 예컨대, 실시예에 따라, 제 1 반도체층(111)은 n-타입으로 도핑되고 제 3 반도체층(113)은 p-타입으로 도핑될 수도 있으며, 반대로 제 1 반도체층(111)은 p-타입으로 도핑되고 제 3 반도체층(113)은 n-타입으로 도핑될 수도 있다. 제 2 반도체층(112)은 제 1 및 제 3 반도체층(111,113)으로부터 전자와 정공을 공급받아 이들을 재결합시켜 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층이다.
예를 들어, 발광부(110)는 (In)GaN, Zn(Mg)O, InGaAs, InGaAsP, InP, InAs 등의 반도체 재료로 이루어질 수 있다. 예컨대, 활성층의 역할을 하는 제 2 반도체층(112)은 상술한 (In)GaN, Zn(Mg)O, InGaAs, InGaAsP, InP, InAs에서 각 성분의 조성을 주기적으로 변화시킴으로써 띠 간격을 조절하여 만든 단일 또는 다중 양자우물 구조로 이루어질 수 있다. 그리고, 제 1 및 제 3 반도체층(111,113)은 제 2 반도체층(112)과 격자가 정합되고 에너지 밴드가 큰 재료로 이루어질 수 있다. 그러면, 예를 들어 n-타입으로 도핑된 제 1 반도체층(111)은 n-(Al)(In)GaN, n-Zn(Mg)O, n-(Al)InGaAs, n-(Al)InGaAsP, n-(Al)InP, n-(Al)InAs으로 이루어질 수 있으며, p-타입으로 도핑된 제 3 반도체층(113)은 p-(Al)(In)GaN, p-Zn(Mg)O, p-(Al)InGaAs, p-(Al)InGaAsP, p-(Al)InP, p-(Al)InAs으로 이루어질 수 있다.
발광부(110)의 아래와 위에는 각각 제 1 와이어 그리드 편광자(wire grid polarizer)(104)와 제 2 와이어 그리드 편광자(105)가 배치되어 있다. 도 1에 개략 적으로 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 와이어 그리드 편광자(104,105)는 가늘고 긴 다수의 도전성 와이어들이 일정한 간격으로 평행하게 배열된 형태를 갖는다. 여기서, 발광부(110)의 상부면에 배치된 제 2 와이어 그리드 편광자(105)는 발광 다이오드(100)에서 방출되는 광의 편광 성분의 방향을 결정하는 역할을 한다. 이를 위해, 제 2 와이어 그리드 편광자(105)의 도전성 와이어들은 발광 다이오드(100)에서 방출되는 광의 편광 방향에 수직하게 배치되어 있다. 반면, 발광부(110)의 하부면에 배치된 제 1 와이어 그리드 편광자(104)는 제 2 와이어 그리드 편광자(105)에서 반사된 광의 편광 상태를 소멸(depolarization)시키기 위한 역할을 한다. 이를 위해, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 제 1 와이어 그리드 편광자(104)는 제 2 와이어 그리드 편광자(105)에 대해 비스듬한 각도로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 와이어 그리드 편광자(104)와 제 2 와이어 그리드 편광자(105) 사이의 편각은 약 45°일 수 있다.
와이어 그리드 편광자(104,105)의 일반적인 특성에 대해 더욱 상세하게 설명하자면 다음과 같다. 도전성 와이어의 길이 방향에 수평한 편광 성분을 갖는 광이 와이어 그리드 편광자(104,105)에 입사하면, 도전성 와이어 내의 자유전자들이 길이 방향으로 진동하게 된다. 이때, 전자기 유도 현상에 의해 전자기파가 발생하게 되는데, 이렇게 발생한 유도 전자기파 중에서 와이어 그리드 편광자(104,105)를 침투하는 방향으로는 흡수되므로 그 외의 나머지는 반사되는 것으로 보이게 된다. 따라서, 와이어 그리드 편광자(104,105)는 도전성 와이어의 길이 방향에 수평한 편광 성분을 갖는 광에 대해서는 고반사 특성을 나타낸다. 반면, 도전성 와이어의 길이 방향에 수직한 편광 성분을 갖는 광이 와이어 그리드 편광자(104,105)에 입사하면, 도전성 와이어 내의 자유전자들은 폭 방향으로 진동하게 된다. 그런데 도전성 와이어의 폭이 매우 좁기 때문에, 자유전자들의 폭 방향 진동은 공간적으로 제한을 받게 된다. 따라서 유도 전자기파가 거의 발생하지 않고 광의 대부분은 와이어 그리드 편광자(104,105)를 투과하게 된다. 따라서, 와이어 그리드 편광자(104,105)는 도전성 와이어의 길이 방향에 수직한 편광 성분을 갖는 광에 대해서는 고투과 특성을 나타낸다. 이러한 특성에 의해 와이어 그리드 편광자(104,105)는 편광자로서 기능을 할 수 있다.
한편, 와이어 그리드 편광자(104,105)는 회절 격자의 특성도 갖는데, 도전성 와이어들 사이의 간격(즉, 피치)이 좁을수록 회절 격자의 특성은 약해지고 편광자의 특성이 강하게 된다. 또한, 도전성 와이어들의 피치가 클수록 회절 격자의 특성은 강해지고 편광자의 특성은 약해진다. 따라서, 회절 효과가 나타나지 않도록 하기 위해서는, 도전성 와이어들의 피치(Pm)가 λ/2보다 작은 것이 적당하다(여기서, λ는 발광 파장). 또한, 도전성 와이어들의 폭(Wm)도 자유전자들의 폭 방향 진동에 의해 발생하는 유도 전자기파를 최소화할 수 있도록 충분히 좁아야 한다. 이를 위해, 도전성 와이어들의 폭(Wm)도 λ/2보다 작은 것이 적당하다. 도전성 와이어의 두께(tm)의 경우, 자유전자들의 길이 방향 진동에 의해 발생한 유도 전자기파의 투과를 막을 수 있도록, 예컨대 최소 약 20nm 이상일 수 있으며, 또한 광흡수를 고려하여 1000nm 이하일 수 있다.
와이어 그리드 편광자(104,105)의 재료로는, 예컨대, 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 백금(Pt), ZrN, HfN, TiN, ZrB2, Cr2N, MgB2, NbB2, HfB2, AlB2, Ta2N 또는 NbN 등을 단독으로 사용할 수도 있으며, 또는 이들을 혼용하여 또는 합금 형태로 사용할 수도 있다. 예를 들어, ZrN/ZrB2를 적층하여 GaN과 오믹 컨택(Ohmic contact)을 형성할 수 있다. 또한, 발광 다이오드(100)의 제조 공정에 따라 사용 재료가 달라질 수도 있다. 예를 들어, 발광부(110)의 반도체층(111,112,113)을 먼저 성장시키고, 와이어 그리드 편광자(104,105)를 나중에 형성하는 경우에는 위에서 예로든 어떠한 재료도 사용할 수 있다. 반면, 와이어 그리드 편광자(104,105)를 먼저 형성한 후에 발광부(110)의 반도체층(111,112,113)들을 나중에 성장시키는 경우에는, 고온의 성장 온도에 견딜 수 있도록 ZrN, HfN, TiN, ZrB2, 또는 NbN 등과 같은 재료를 사용할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 발광부(110)의 상하부에 각각 배치된 제 1 및 제 2 와이어 그리드 편광자(104,105)는 높은 전기 전도성을 갖기 때문에, 발광부(110)의 전극(즉, 금속 컨택)으로도 사용될 수 있다. 따라서, 별도의 전극층을 더 형성할 필요가 없으므로, 구성이 간단해지고 제조 비용도 절감할 수 있다. 도면에는 도시되지 않았지만, 제 1 및 제 2 와이어 그리드 편광자(104,105)를 전극으로서 사용하는 경우, 완성된 발광 다이오드(100)를 패키징할 때, 예컨대, 패키지의 본딩 패드가 본딩 와이어를 통해 제 1 및 제 2 와이어 그리드 편광자(104,105)와 연결될 수 있다.
한편, 제 1 와이어 그리드 편광자(104)의 아래쪽에는 위상 지연층(103)과 반 사층(102)이 연속하여 배치되어 있다. 위상 지연층(103)은 제 2 와이어 그리드 편광자(105)에 의해 반사되어 제 1 와이어 그리드 편광자(104)를 통과한 광의 위상을 지연시켜, 광의 편광을 회전시키기 위한 것이다. 또한, 반사층(102)은 제 2 와이어 그리드 편광자(105)에 의해 반사된 광을 다시 제 2 와이어 그리드 편광자(105)로 반사함으로써, 반사광을 재활용할 수 있도록 한다. 위상 지연층(103)의 재료로는, 예컨대, (In)(Al)GaN, (Al)(In)(Ga)(As)(P), (Mg)ZnO와 같은 반도체 재료를 사용할 수도 있으며, 또는 SiO2, HfO2, SiNx 등과 같은 유전체 재료를 사용할 수도 있다. 반사층(102)의 재료로는, 예컨대, 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 백금(Pt), ZrN, HfN, TiN, ZrB2, Cr2N, MgB2, NbB2, HfB2, AlB2, Ta2N, NbN 등과 같은 재료를 사용할 수 있다. 또한, 반사층(106)은 굴절률이 상이한 두 개의 반도체 재료를 교번하여 적층한 분산 브래그 반사기(DBR)일 수 있다. 일반적으로, 분산 브래그 반사기는 반도체 재료들의 적층 횟수와 단일 반도체 재료의 층 두께에 따라 특정 파장에 대해 거의 100%에 가까운 반사도를 갖는 것이 가능하다. 위에서 열거한 재료로 위상 지연층(103)과 반사층(102)을 형성할 경우, 반사층(102)은 외부로부터 전류를 인가받기 위한 금속 컨택으로서 역할을 할 수도 있다. 이 경우, 반사층(102)과 제 1 와이어 그리드 편광자(104)는 그 테두리 부분이 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3은 이렇게 형성된 본 실시예에 따른 발광 다이오드(100)를 도 2의 B-B' 라인으로 절개한 개략적인 단면도를 도시하고 있다.
이러한 본 실시예에 따른 발광 다이오드(100)의 동작은 다음과 같다. 먼저, 제 1 및 제 2 와이어 그리드 편광자(104,105)를 통해 발광부(110)에 전류가 인가된다. 그러면, 제 1 및 제 3 반도체층(111,113)으로부터 제공된 전자와 정공이 제 2 반도체층(112)에서 재결합하여 광이 발생한다. 이때의 광은 무편광 상태의 광이다. 이러한 광은 제 2 와이어 그리드 편광자(105)를 통해 외부로 방출되는데, 여기서 방출되는 광은 제 2 와이어 그리드 편광자(105)의 도전성 와이어들의 길이 방향에 수직한 편광 성분을 갖는다. 나머지는 제 2 와이어 그리드 편광자(105)에 의해 반사되어 제 1 와이어 그리드 편광자(104)로 진행한다. 여기서, 다시 제 1 와이어 그리드 편광자(104)의 도전성 와이어들의 길이 방향에 수직한 편광 성분의 광은 투과되고, 나머지는 반사된다. 제 1 와이어 그리드 편광자(104)를 투과한 광은 위상 지연층(103)을 통과한 후, 반사층(102)에 의해 반사되어 다시 위상 지연층(103)을 통과한다. 이때, 광의 위상이 지연되면서 광의 편광 방향도 바뀌게 된다. 그 중에서 제 1 와이어 그리드 편광자(104)의 도전성 와이어들의 길이 방향에 수직한 편광 성분의 광이 제 1 와이어 그리드 편광자(104)를 투과하고, 앞서 제 1 와이어 그리드 편광자(104)에 의해 반사된 광과 함께 무편광 상태의 광으로 된다. 따라서, 이 광 중에서 일부가 제 2 와이어 그리드 편광자(105)를 통해 외부로 방출될 수 있다. 이렇게 함으로써, 본 실시예에 따른 발광 다이오드(100)는 편광성이 향상된 광을 효율적으로 발생시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4f는 이러한 발광 다이오드(100)를 제조하는 방법의 일 예를 도시하고 있다. 먼저 도 4a를 참조하면, 일반적인 반도체 성장 방법에 따라 예컨대 사파이어와 같은 성장 기판(120) 위에 발광부(110)를 성장시킨다. 여기서, 도 1에 도시된 순서와는 반대로, 제 3 반도체층(113)으로부터 제 1 반도체층(111)의 순서로 발광부(110)를 성장시킬 수 있다. 그러나, 발광부(110) 내의 반도체층(111-113)들의 순서는 바뀔 수도 있으며, 여기서 중요한 것은 아니다. 그런 후, 도 4b에 도시된 바와 같이, 발광부(110) 위에 제 1 와이어 그리드 편광자(104)를 형성한다. 이때, 제 1 와이어 그리드 편광자(104)의 도전성 와이어들은 발광부(110)에 대해 거의 대각선 방향으로 배열되어 있다. 고온 공정이 요구되는 발광부(110)의 성장이 이미 완료된 상태이기 때문에, 제 1 와이어 그리드 편광자(104)의 재료는 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 백금(Pt), ZrN, HfN, TiN, ZrB2, Cr2N, MgB2, NbB2, HfB2, AlB2, Ta2N, NbN 중에서 어느 것이라도 사용할 수 있다.
다음으로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제 1 와이어 그리드 편광자(104) 위에 앞서 설명한 반도체 재료나 유전체 재료로 위상 지연층(103)을 형성한다. 이어서, 도 4d에 도시된 바와 같이, 위상 지연층(103) 위에 반사층(102)을 형성한다. 이때, 도시되지는 않았지만, 반사층(102)을 외부 전류의 인가를 위한 컨택으로 이용하는 경우, 제 1 와이어 그리드 편광자(104)와 반사층(102)의 테두리 부분을 전기적으로 연결시킬 수 있다. 이와 동시에, 예컨대 본딩 금속(122)을 이용하여 반사층(102) 위에 기판(101)을 접합할 수 있다. 여기서 기판(101)은 이후의 공정을 위한 지지 기판으로서 역할을 할 수 있으며, 예컨대 실리콘(Si) 기판을 사용할 수 있다.
그런 후에는, 예컨대, 레이저 리프트-오프(laser lift-off; LLO)나 화학 리 프트-오프(chemical lift-off) 공정을 이용하여 성장 기판(120)을 제거할 수 있다. 도 4e는 성장 기판(120)이 제거되는 과정을 도시하고 있다. 여기서, 도 4d까지 도시된 구조물의 위아래가 도 4e에서는 뒤집혀서 도시되어 있다는 점을 유의한다. 마지막으로, 도 4f에 도시된 바와 같이, 성장 기판(120)이 제거되어 노출된 발광부(110) 위에 제 2 와이어 그리드 편광자(105)를 형성한다. 이때, 제 2 와이어 그리드 편광자(105)의 도전성 와이어들은 제 1 와이어 그리드 편광자(104)의 도전성 와이어들에 대해 비스듬한 각도로 배열된다. 도 4b 및 도 4f에서, 제 1 와이어 그리드 편광자(104)는 대각선 방향으로 배열되고 제 2 와이어 그리드 편광자(105)는 발광부(110)의 변에 평행하게 배열된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이며 실제로는 그와 반대로 제 1 및 제 2 와이어 그리드 편광자(104,105)가 배열될 수도 있다. 또한, 제 2 와이어 그리드 편광자(105)도 역시 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 백금(Pt), ZrN, HfN, TiN, ZrB2, Cr2N, MgB2, NbB2, HfB2, AlB2, Ta2N, NbN 중에서 어느 것으로도 형성될 수 있다.
도 4a 내지 도 4f는 발광부(110)를 먼저 성장시킨 후, 제 1 및 제 2 와이어 그리드 편광자(104,105)를 나중에 형성하는 과정을 예시적으로 도시하고 있다. 그러나, 도 1에 도시된 발광 다이오드(100)의 적층 순서대로 기판(101)부터 제 2 와이어 그리드 편광자(105)까지 차례로 형성하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 발광부(110)를 성장시키는 동안 하부의 제 1 와이어 그리드 편광자(104)가 고온에 견딜 수 있도록, 적어도 제 1 와이어 그리드 편광자(104)는 ZrN, HfN, TiN, ZrB2, Cr2N, MgB2, NbB2, HfB2, AlB2, Ta2N 및 NbN와 같은 재료로 형성될 수 있다. 또한, 도 1에는 도시되지 않았지만, 제 1 와이어 그리드 편광자(104) 위에 발광부(110)의 반도체층(111-113)들을 용이하게 성장시킬 수 있도록, 제 1 와이어 그리드 편광자(104) 위에 버퍼층을 먼저 형성할 수도 있다. 버퍼층으로는 예컨대 (Al)GaN와 같은 반도체 재료를 사용할 수 있다.
지금까지는 발광부(110)의 반도체층들이 박막형으로 형성된 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 상술한 원리는 반도체층들이 나노로드(nano-rod) 형태로 형성된 경우에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다. 도 5는 나노로드를 이용하는 다른 실시예에 따른 발광 다이오드(100')의 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 5에 도시된 발광 다이오드(100')는 발광부의 반도체들이 다수의 미세한 나노로드(116)로 구성되어 있다는 점에서 도 1에 도시된 발광 다이오드(100)와 차이가 있다.
도 1의 발광부(110)와 마찬가지로, 다수의 나노로드(116)들 각각은 제 1 타입으로 도핑된 제 1 반도체층, 제 1 타입과 반대되는 제 2 타입으로 도핑된 제 3 반도체층, 및 제 1 반도체층과 제 3 반도체층 사이에서 활성층 역할을 하는 도핑되지 않은 제 2 반도체층으로 구성된다. 다수의 나노로드(116)들은 제 1 와이어 그리드 편광자(104)와 제 2 와이어 그리드 편광자(105) 사이에 수직으로 세워져 있으며, 각각의 나노로드(116)들 사이에는 유전체로 이루어진 투명 절연층(117)이 채워져 있다. 도시되지는 않았지만, 나노로드(116)의 둘레면에는 전류의 누설을 방지하기 위하여, 예컨대 AlN으로 이루어진 패시베이션층이 형성될 수도 있다. 또한, 나 노로드(116)와 제 1 와이어 그리드 편광자(104) 사이에는 버퍼층(115)이 배치되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 버퍼층(115)은 기판(101)부터 제 2 와이어 그리드 편광자(105)까지 순차적으로 적층되는 경우에, 제 1 와이어 그리드 편광자(104) 위에서 반도체가 용이하게 성장할 수 있도록 한다.
한편, 다수의 나노로드 또는 나노와이어들을 한쪽 측면을 따라 일직선으로 이어붙인 형태를 갖는 나노-대시(nano-dash)를 발광부로서 사용할 수도 있다. 나노-대시는 길이가 폭에 비해 긴 장방형의 형태를 갖는다는 점을 제외하고는 나노로드 또는 나노와이어와 동일한 재료로 이루어지며 특성 또한 같을 수 있다. 특히, 나노-대시에서 발생하는 광은 장축 방향으로 큰 다이폴 모멘트(dipole moment)를 갖기 때문에, 나노-대시를 이용한 발광 다이오드는 편광된 광을 방출할 수 있다. 도 6은 이러한 나노-대시를 이용한 발광 다이오드(200)의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다. 또한, 도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시된 발광 다이오드(200)를 각각 A-A' 라인과 B-B' 라인으로 절개한 개략적인 단면도이다.
도 6, 도 7a 및 도 7b을 참조하면, 다수의 장방형 나노-대시(210)의 하부와 상부에 각각 제 1 와이어 그리드 편광자(204)와 제 2 와이어 그리드 편광자(220)가 배치되어 있다. 도 1의 실시예와 마찬가지로, 제 1 와이어 그리드 편광자(204) 아래에는 위상 지연층(203), 반사층(202) 및 기판(201)이 배치되어 있다. 또한, 나노-대시(210)와 제 1와이어 그리드 편광자(204) 사이에는 나노-대시(210)의 성장을 용이하게 하기 위하여 버퍼층(205)이 더 배치될 수 있다. 앞선 실시예들과 마찬가지로, 나노-대시(210)는 광을 방출할 수 있도록 p-i-n 접합의 형태로 이루어진 발 광 구조를 갖는다. 따라서, 각각의 나노-대시(210)는 제 1 타입으로 도핑된 제 1 반도체층(211), 도핑되지 않은 제 2 반도체층(212), 및 제 1 타입과 반대되는 제 2 타입으로 도핑된 제 3 반도체층(213)을 구비할 수 있다. 여기서, 제 2 반도체층(212)은 제 1 및 제 3 반도체층(211,213)으로부터 전자와 정공을 공급받아 이들을 재결합시켜 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층이다.
앞서 설명한 바와 같이, 나노-대시(210)에서 발생하는 광은 나노-대시(210)의 장축 방향으로 큰 다이폴 모멘트를 갖는다. 따라서, 나노-대시(210)는 그 길이 방향으로 편광된 광을 방출할 수 있다. 나노-대시(210)가 충분히 편광된 광을 방출하기 위해서는, 나노-대시(210)의 길이(L)가 폭(W)에 비해 충분히 길 필요가 있다. 예를 들어, L/W가 5 이상(L/W ≥ 5)이고, W ≤ λ/(2n)(여기서, λ는 발광 파장이며, n은 나노-대시(210) 재료의 굴절률)인 경우에, 나노-대시(210)는 높은 편광비를 갖는 광을 방출할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 나노-대시(210)들이 서로 평행하게 배열되어 있으므로, 본 실시예에 따른 발광 다이오드(200)에서 방출되는 광의 대부분은 나노-대시(210)의 길이 방향으로 편광된 상태이다. 따라서, 나노-대시(210) 위에 배치된 제 2 와이어 그리드 편광자(220)가 나노-대시(210)에서 방출된 광의 대부분을 투과시킬 수 있도록, 제 2 와이어 그리드 편광자(220)의 도전성 와이어들은 나노-대시(210)의 길이 방향에 수직하게 배열된다. 제 1 와이어 그리드 편광자(204)는 앞선 실시예들과 마찬가지로, 제 2 와이어 그리드 편광자(220)에 대해 비스듬한 각도로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 와이어 그리드 편광자(204)와 제 2 와이 어 그리드 편광자(220) 사이의 편각은 약 45°일 수 있다. 또한, 이미 설명한 바와 같이, 제 1 및 제 2 와이어 그리드 편광자(204,220)는 나노-대시(210)에 대해 전극으로서 역할을 할 수도 있다.
도 8a 내지 도 8c는 이러한 나노-대시(210)의 형성 방법을 개략적으로 도시하고 있다. 먼저, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 기판(201) 위에 반사층(202), 위상 지연층(203), 제 1 와이어 그리드 편광자(204) 및 버퍼층(205)을 순차적으로 형성한다. 그런 후, 버퍼층(205) 위에 템플릿층(206)을 형성한다. 템플릿층(206)은 나노-대시(210)의 성장 위치 및 크기를 한정하기 위한 것이다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 템플릿층(206)은 다수의 미세한 오픈 영역(230)들의 어레이를 가질 수 있다. 예를 들어, GaN 버퍼층(205) 위에 SiO2, SiNx, Al2O3, AlN, HfO 등과 같은 투명한 유전체 재료로 된 템플릿층(206)을 전체적으로 도포한 다음, 리소그래피 공정을 이용하여 템플릿층(206)을 패터닝하고, 에칭 등의 방법을 통해 버퍼층(205)이 드러나도록 템플릿층(206)을 식각함으로써 오픈 영역(230)을 형성할 수 있다. 이러한 오픈 영역(230)의 위치 및 크기는 이후에 형성될 나노-대시(210)의 위치 및 크기와 같다. 예를 들어, 템플릿층(206)의 두께는 약 100nm 내지 2㎛ 정도일 수 있으며, 오픈 영역(230)의 폭(W)은 약 5nm 내지 500nm, 길이(L)는 약 50nm 내지 5㎛ 정도일 수 있다. 또한, 인접한 오픈 영역(230)들 사이의 간격(P)은 약 5nm 내지 500nm 정도일 수 있다. 도 8a 및 도 8b에는 단지 몇 개의 장방형 오픈 영역(230)이 도시되어 있지만, 실제로는 매우 많은 수의 오픈 영역(230)이 템플릿층(206)에 형 성될 수 있다.
이러한 오픈 영역(230)을 패터닝하기 위해서는, 예를 들어 KrF 엑시머 레이저 또는 ArF 엑시머 레이저 등을 이용하여 리소그래피 공정을 수행할 수 있다. 그런데 이러한 엑시머 레이저는 광의 파장이 각각 약 248nm, 193nm 정도이기 때문에, 위와 같은 미세한 폭(W)의 오픈 영역(230)을 패터닝하기 어려울 수도 있다. 이 경우에는, 오픈 영역(230)을 먼저 형성한 후에, 오픈 영역(230)의 내벽에 추가적으로 유전체층(도시되지 않음)을 메워 오픈 영역(230)의 폭을 줄일 수 있다. 예를 들어, 오픈 영역(230)이 형성되어 있는 템플릿층(206) 위에 전체적으로 유전체층을 더 도포한 다음, 오픈 영역(230) 바닥의 버퍼층(205)이 드러날 때까지 에칭 공정을 수행한다. 그러면 오픈 영역(230)의 내벽에는 부분적으로 유전체층이 남아있게 된다. 이러한 방법을 통해 오픈 영역(230)의 폭을 더 좁게 만들 수 있다. 이러한 방법은 일반적으로 측벽 패턴 전사(sidewall pattern transfer)라고 알려져 있다.
템플릿층(206)의 오픈 영역(230) 내에 나노-대시(210)를 성장시키는 방법에는 금속 촉매를 이용하는 방법과 성장핵(nucleation site)을 이용하는 방법이 있을 수 있다. 금속 촉매를 이용하는 경우, 예를 들어, Au, Ni, Fe, 니켈 질산염(Ni nitrate) 등과 같은 금속을 템플릿층(206) 위에 증착하고 이를 가열하면, 다수의 나노-도트(nano-dot)들이 뭉쳐진 형태의 금속 촉매가 오픈 영역(230) 내에 형성된다. 그런 후, 예를 들어, VLS(vapour-liquid-solid) 성장법에 따라 나노-대시(210)를 성장시킬 수 있다. 또한, 성장핵을 이용하는 경우, 오픈 영역(230) 내에 성장핵들이 엉겨붙어 있을 정도로 성작핵을 형성한 후, 예를 들어, HVPE(hydride vapour phase epitaxy), MBE(molecular beam epitaxy), MOVPE(metal organic vapour phase epitaxy), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), HCVD(halide chemical vapour deposition) 공정 등을 이용하여 나노-대시(210)를 성장시킬 수 있다. 나노-대시(210)의 재료로는 앞서 설명한 반도체 재료를 그대로 사용할 수 있다. 즉, (In)GaN, Zn(Mg)O, InGaAs, InGaAsP, InP, InAs 등과 같은 반도체 재료를 사용할 수 있다.
도 8c는 이러한 방식으로 오픈 영역(230) 내에 나노-대시(210)가 형성된 상태를 도시하고 있다. 나노-대시(210)가 형성된 후에는, 도 5의 나노로드(116)와 마찬가지로, 측면 둘레를 예컨대 AlN으로 패시베이션(passivation) 처리할 수 있다. 또한, 비록 도시되지는 않았지만, 도 5의 나노로드(116)와 마찬가지로, 다수의 나노-대시(210)들 사이에 투명 절연층을 채울 수 있다. 그런 후, 나노-대시(210) 위에 제 2 와이어 그리드 편광자(220)를 형성한다. 이렇게 제조된 발광 다이오드를 그대로 사용할 수도 있지만, 에칭을 통해 유전체로 이루어진 투명 절연층(미도시)과 템플릿층(206)을 제거할 수도 있다. 그러면 도 6, 도 7a 및 도 7b에 도시된 형태의 발광 다이오드(200)가 된다. 이렇게 나노-대시(210)들 사이의 유전체를 제거하는 경우, 나노-대시(210)들이 유전율이 상대적으로 낮은 공기로 둘러싸이기 때문에, 편광 팩터(polarization factor)와 편광 콘트라스트(polarization contrast)가 더욱 향상될 수 있다.
한편, 나노-대시(210)를 사용하는 경우에는 발광 다이오드(200)가 편광된 광을 방출할 수 있기 때문에, 제 1 와이어 그리드 편광자(204)를 생략하고 나노-대 시(210) 위에만 제 2 와이어 그리드 편광자(220)를 배치하더라도 충분히 높은 광이용 효율을 유지할 수 있다. 도 9는 나노-대시 위에만 와이어 그리드 편광자(220)가 배치된 발광 다이오드(200')의 실시예를 도시한다. 나노-대시(210) 아래에는 와이어 그리드 편광자가 없기 때문에, 위상 지연층(203)도 생략할 수 있다. 이 경우에는 나노-대시(210) 하부의 반사층(202)이 전극으로서 역할을 할 수 있다.
지금까지, 발명의 이해를 돕기 위하여 다양한 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 도시되고 설명된 설명에 발명이 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 다이오드에서 상부 및 하부의 와이어 그리드 편광자들의 상대적인 배치를 보이는 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 발광 다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 4a 내지 도 4f는 도 1에 도시된 발광 다이오드를 제조하는 방법의 일 예를 도시한다.
도 5는 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시된 발광 다이오드를 각각 A-A' 라인과 B-B' 라인으로 절개한 개략적인 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 6에 도시된 나노-대시의 형성 방법을 개략적으로 도시한다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100,100',200.....발광 다이오드 101,201.....기판
102,202.....반사층 103,203.....위상 지연층
104,105,204,220.....와이어 그리드 편광자 110,210.....발광부
111,112,113,211,212,213.....반도체층 115,205.....버퍼층
116.....나노로드 117.....투명 절연층
120.....성장 기판 122.....본딩 금속
206.....템플릿층 230.....오픈 영역

Claims (25)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 배치된 반사층;
    상기 반사층 위에 배치된 위상 지연층;
    상기 위상 지연층 위에 배치된 것으로, 다수의 평행한 도전성 와이어를 구비하는 제 1 와이어 그리드 편광자;
    상기 제 1 와이어 그리드 편광자 위에 배치된 발광부; 및
    상기 발광부 위에 배치된 것으로, 다수의 평행한 도전성 와이어를 구비하는 제 2 와이어 그리드 편광자를 포함하며,
    상기 제 1 와이어 그리드 편광자의 도전성 와이어들과 제 2 와이어 그리드 편광자의 도전성 와이어들은 서로에 대해 비스듬한 각도로 배열되어 있는 발광 다이오드.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부는 박막형으로서, 제 1 타입으로 도핑된 제 1 반도체층, 도핑되 지 않은 제 2 반도체층 및 제 1 타입과 반대되는 제 2 타입으로 도핑된 제 3 반도체층을 구비하며, 상기 제 2 반도체층은 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층인 발광 다이오드.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부는 제 1 와이어 그리드 편광자와 제 2 와이어 그리드 편광자 사이에 수직으로 세워진 다수의 나노로드들 및 상기 다수의 나노로드들 사이에 채워진 투명 절연층을 구비하는 발광 다이오드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다수의 나노로드들 각각은 제 1 타입으로 도핑된 제 1 반도체층, 도핑되지 않은 제 2 반도체층 및 제 1 타입과 반대되는 제 2 타입으로 도핑된 제 3 반도체층을 구비하며, 상기 제 2 반도체층은 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층인 발광 다이오드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부는 길이가 폭에 비해 긴 장방형 형태의 다수의 나노-대시들을 구비하며, 상기 다수의 나노-대시들은 서로 평행하게 배열되어 있는 발광 다이오드.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 다수의 나노-대시들 각각은 제 1 타입으로 도핑된 제 1 반도체층, 도핑되지 않은 제 2 반도체층 및 제 1 타입과 반대되는 제 2 타입으로 도핑된 제 3 반도체층을 구비하며, 상기 제 2 반도체층은 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층인 발광 다이오드.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 각각의 나노-대시의 길이(L)와 폭(W)은 L/W ≥ 5 및 W ≤ λ/(2n)(여기서 λ는 발광 파장이고 n은 나노-대시 재료의 굴절률)인 관계를 갖는 발광 다이오드.
  10. 삭제
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 와이어 그리드 편광자의 도전성 와이어들은 상기 나노-대시의 길이 방향에 수직하게 배열되어 있는 발광 다이오드.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 와이어 그리드 편광자의 도전성 와이어들의 피치와 폭은 λ/2(여기서 λ는 발광 파장)보다 작은 발광 다이오드.
  16. 삭제
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