KR100809508B1 - Light emitting device having plane fresnel lens and fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 평면 프레즈넬 렌즈가 형성된 수직형 발광소자의 단면도.1 is a cross-sectional view of a vertical light emitting device having a flat Fresnel lens according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 평면 프레즈넬 렌즈가 형성된 수직형 발광소자의 평면도.2 is a plan view of a vertical light emitting device having a flat Fresnel lens according to an embodiment of the present invention.
도 3은 볼록렌즈 및 오목렌즈의 구조와 원리를 보여주는 도면.3 shows the structure and principle of convex and concave lenses;
도 4 는 볼록렌즈 및 오목렌즈의 형상을 보여주는 도면.4 shows the shapes of convex and concave lenses;
도 5는 볼록렌즈의 평면 설계를 설명하기 위한 볼록렌즈의 가상 분할도.Fig. 5 is a virtual divided view of the convex lens for explaining the planar design of the convex lens.
도 6은 도 5에 도시된 볼록 렌즈의 평면 설계 모식도.FIG. 6 is a schematic plan view of the convex lens shown in FIG. 5; FIG.
도 7은 도 6을 간략화시킨 볼록 렌즈의 평면 설계 모식도.FIG. 7 is a schematic plan view of the convex lens of FIG. 6.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 소자에 평면 렌즈 패턴을 적용한 예시도.8 is an exemplary view of applying a planar lens pattern to a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 발광 소자에 평면 렌즈 패턴을 적용한 예시도.9 is an exemplary view of applying a planar lens pattern to a light emitting device according to another embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 집속형 평면 프레즈넬 렌즈의 패턴 형상 도.10 is a pattern of a focusing flat Fresnel lens according to an embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 확산형 평면 프레즈넬 렌즈의 패턴 형상도.Figure 11 is a pattern of the diffuse planar Fresnel lens in accordance with an embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면 프레즈넬 렌즈가 구비된 수평형발광 소자의 단면도.12 is a cross-sectional view of a horizontal light emitting device having a flat Fresnel lens according to another embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면 프레즈넬 렌즈가 구비된 수평형 발광 소자의 평면도.13 is a plan view of a horizontal light emitting device having a flat Fresnel lens according to another embodiment of the present invention.
본 발명은 평면 프레즈넬 렌즈를 구비한 발광 소자에 관한 것으로, 상세하게는 광을 집속하는 볼록렌즈 또는 광을 확산시키는 오목렌즈를 평면 설계하여 발광소자에 형성함으로써 광추출율을 향상시키는 평면 프레즈넬 렌즈를 구비한 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
유기금속기상 증착 방법과 같은 증착방법으로 성장된 질화 갈륨 소자는 광 출력 효율이 낮아, 이를 높이기 위하여 질화갈륨의 막질을 변경시켜 내부 양자 효율을 증가시키기도 하고, 외부 외형을 변형시켜 외부 양자 효율을 높이는 방법을 사용하여 광 효율을 높이고 있다.Gallium nitride devices grown by deposition methods such as organometallic vapor deposition methods have low light output efficiency, which may increase the internal quantum efficiency by changing the film quality of gallium nitride and increase the external quantum efficiency by modifying the external appearance. Method is used to increase the light efficiency.
최근 레이저 기술 등에 의해 사파이어 또는 기판를 분리하여 제작되는 수직형 구조의 발광 다이오드에서는 아래 반사메탈과 상부 요철처리를 통하여 광 출력 을 높이기도 한다.Recently, in the light emitting diode of a vertical structure manufactured by separating sapphire or substrate by laser technology, the light output is increased through the bottom reflective metal and upper unevenness treatment.
특히, 상부 요철 처리는 습식 및 건식 식각으로 용이하게 요철 처리를 하는 방법을 사용하고 있고, SiO2와 같은 투명 박막을 이용하여 무반사 코팅을 하여 광출력을 올리는 방법을 사용하고 있다. In particular, the upper concave-convex treatment uses a method of easily concave-convex treatment by wet and dry etching, and uses a method of increasing light output by applying an antireflective coating using a transparent thin film such as SiO 2 .
보다 광출력을 높이기 위하여 렌즈를 형성하는 것이 좋으나, 구 형태의 렌즈는 제작하기 용이하지 않아, 대부분 렌즈는 소자에 집적하지 못하고, 외부 패키지에 의존하는 경우가 많다.Although it is preferable to form a lens in order to increase the light output more, spherical lenses are not easy to manufacture, and most of them do not integrate into the element and often depend on an external package.
미합중국 특허 US 6,987,613호(2006.1.17)"FORMING AN OPTICAL ELEMENT ON THE SURFACE OF LIGHT EMITTING DEVICE FOR IMPROVED LIGHT EXTRACTION"에는 발광 소자에 프레즈넬 렌즈가 형성된 기술이 소개되어 있다.US Pat. No. 6,987,613 (January 1, 2006) discloses a technique in which a Fresnel lens is formed on a light emitting device in "FORMING AN OPTICAL ELEMENT ON THE SURFACE OF LIGHT EMITTING DEVICE FOR IMPROVED LIGHT EXTRACTION".
그러나, US 6,987,613호에 소개된 프레즈넬 렌즈는 톱니 형태로 되어 있음에 따라 제작하는 공정이 어려운 문제점이 있다.However, the Fresnel lens introduced in US 6,987,613 has a jagged shape, so the manufacturing process is difficult.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 볼록렌즈 또는 오목렌즈를 평면 설계하여 발광소자에 집적하여 형성시킴으로서 발광소자의 광출력을 높이고 렌즈 형성을 위한 패턴 공정을 간소화시키는데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to improve the light output of the light emitting device and to simplify the pattern process for forming the lens by forming a convex lens or a concave lens in a planar design and integrated in the light emitting device to solve the conventional problems.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 기판과, 상기 기판위에 형성되어 발광 영역을 가지는 화합물 반도체층과, 상기 화합물 반도체층위에 형성되어 상기 화합물 반도체층으로부터 방출되는 광을 집속하거나 확산시키는 평면 프레즈넬 렌즈층을 포함하며, 상기 평면 프레즈넬 렌즈층은 식각에 의해 형성된 홈에 의해 서로 이격되어 동일한 높이로 형성된 적어도 하나 이상의 동심원 패턴을 구비하며, 각 동심원 패턴간의 피치가 동일한 하나의 투광성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 평면 프레즈넬 렌즈를 구비한 발광 소자를 제공한다.According to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem, a compound, a compound semiconductor layer formed on the substrate having a light emitting region, and formed on the compound semiconductor layer to focus light emitted from the compound semiconductor layer or And a flat Fresnel lens layer for diffusing, wherein the flat Fresnel lens layer has at least one concentric circle pattern formed at the same height and spaced apart from each other by a groove formed by etching, and the pitch between the concentric circle patterns is the same. Provided is a light emitting device having a flat Fresnel lens, which is made of a light transmitting material.
바람직하게 상기 평면 프레즈넬 렌즈층에 구비된 각 동심원 패턴의 폭은 직경 외측 방향으로 갈수록 일정한 비율로 줄어들거나 늘어날 수 있다.Preferably, the width of each concentric pattern provided in the planar Fresnel lens layer may be reduced or increased at a constant rate toward the radially outward direction.
바람직하게 상기 각 동심원 패턴 사이에 형성된 홈의 바닥은 인접한 동심원 패턴의 폭이 늘어날수록 높아지고, 직경 외측 방향으로 갈수록 일정한 비율로 높아지거나 낮아진 형상일 수 있다.Preferably, the bottom of the groove formed between each of the concentric circle patterns is increased as the width of the adjacent concentric circle patterns increases, and may have a shape that is increased or decreased at a constant ratio toward the radially outward direction.
바람직하게 상기 평면 프레즈넬 렌즈층은, SiOx, SixNy, SixONy, SrF2, HF2O3, TiOx, Al2O3 중의 하나로 이루어지는 절연막 물질과, AlN, GaN, AlInGaN, GaAs, Ge, Si, InP 중의 하나로 이루어지는 반도체 물질과, Polyimide, BCB, Epoxy 중의 하나로 이루어지는 절연막 물질과, ITO, CIO (Cu-doped tin oxide)중의 하나로 이루어지는 금속 산화물질과, Ni, Al, Au, Pt, Ru, Ti, Cr 중의 하나로 이루어지는 메탈 물질과, 리튬니오베이트 중에서 선택된 어느 하나의 물질일 수 있다.Preferably, the planar Fresnel lens layer is an insulating material consisting of SiOx, SixNy, SixONy, SrF 2 , HF 2 O 3 , TiOx, Al 2 O 3 , AlN, GaN, AlInGaN, GaAs, Ge, Si, InP A semiconductor material consisting of one of the following, an insulating film material consisting of one of Polyimide, BCB, and Epoxy, a metal oxide made of one of ITO and Cu-doped tin oxide (CIO), Ni, Al, Au, Pt, Ru, Ti, Cr It may be any one material selected from a metal material consisting of one, and lithium niobate.
바람직하게 상기 각 동심원 패턴 사이에 형성된 홈의 바닥은 요철이 형성될 수 있다.Preferably, the bottom of the groove formed between each concentric circle pattern may be formed with irregularities.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판위에 발광 영역을 가지는 화합물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 화합물 반도체층위에 상기 화합물 반도체층으로부터 방출되는 광을 집속하거나 확산시키는 평면 프레즈넬 렌즈층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 평면 프레즈넬 렌즈층은 식각에 의해 형성된 홈에 의해 서로 이격되어 동일한 높이로 형성된 적어도 하나 이상의 동심원 패턴을 구비하며, 각 동심원 패턴간의 피치가 동일한 하나의 투광성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 평면 프레즈넬 렌즈를 구비한 발광 소자의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a step of preparing a substrate, forming a compound semiconductor layer having a light emitting region on the substrate, and a planar focusing or diffusing light emitted from the compound semiconductor layer on the compound semiconductor layer Forming a Fresnel lens layer, wherein the planar Fresnel lens layer has at least one concentric circle pattern formed at the same height and spaced apart from each other by grooves formed by etching, and one having the same pitch between the concentric circle patterns It provides a method for manufacturing a light emitting device having a flat Fresnel lens, characterized in that made of a light-transmitting material.
바람직하게 상기 평면 프레즈넬 렌즈층 형성 단계는, 상기 화합물 반도체층위에 일정한 두께의 투광성 물질을 형성하는 단계와, 상기 투광성 물질위에 적어도 하나 이상의 동심원 패턴을 구비하며, 각 동심원 패턴간의 피치가 동일한 마스크 패턴을 형성하는 단계와, 상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 각 동심원 패턴 사이에서 상기 화합물 반도체층이 드러나도록 상기 투광성 물질을 식각하는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, the planar Fresnel lens layer forming step includes forming a light-transmitting material having a predetermined thickness on the compound semiconductor layer, and having at least one concentric circle pattern on the light-transmitting material, and having a same pitch between the concentric circle patterns. And etching the translucent material so that the compound semiconductor layer is exposed between the concentric circles using the mask pattern.
바람직하게 상기 마스크 패턴에 구비된 각 동심원 패턴의 폭은 직경 외측 방향으로 갈수록 일정한 비율로 줄어들거나 늘어날 수 있다.Preferably, the width of each concentric pattern provided in the mask pattern may be reduced or increased at a constant rate toward the radially outward direction.
바람직하게 상기 평면 프레즈넬 렌즈층 형성 단계는, 상기 화합물 반도체층위에 일정한 두께의 투광성 물질을 형성하는 단계와, 상기 투광성 물질위에 적어도 하나 이상의 동심원 패턴을 구비하며, 각 동심원 패턴간의 피치는 동일하되 각 동심원의 폭은 직경 외측 방향으로 갈수록 일정한 비율로 줄어들거나 늘어나는 마스크 패턴을 형성하는 단계와, 상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 각 동심원 패턴 사이에 홈이 형성되도록 상기 투광성 물질을 식각하는 단계를 포함하며, 상기 식각에 의해 상기 각 동심원 패턴 사이에 형성된 홈의 바닥은 인접한 동심원 패턴의 폭이 늘어날수록 높아지고, 직경 외측 방향으로 갈수록 일정한 비율로 높아지거나 낮아진 형상일 수 있다.Preferably, the planar Fresnel lens layer forming step includes forming a light-transmissive material having a predetermined thickness on the compound semiconductor layer, and having at least one concentric circle pattern on the light-transmissive material, wherein the pitch between the concentric circle patterns is the same The width of the concentric circles includes forming a mask pattern that decreases or increases at a constant rate toward the outer side of the concentric circle, and etching the translucent material such that grooves are formed between the concentric circle patterns using the mask pattern. The bottom of the groove formed between each of the concentric patterns by the etching may increase in width as the width of the adjacent concentric patterns increases, and may increase or decrease at a constant ratio toward the radially outward direction.
바람직하게 상기 평면 프레즈넬 렌즈층은, SiOx, SixNy, SixONy, SrF2, HF2O3, TiOx, Al2O3 중의 하나로 이루어지는 절연막 물질과, AlN, GaN, AlInGaN, GaAs, Ge, Si, InP 중의 하나로 이루어지는 반도체 물질과, Polyimide, BCB, Epoxy 중의 하나로 이루어지는 절연막 물질과, ITO, CIO (Cu-doped tin oxide)중의 하나로 이루어지는 금속 산화물질과, Ni, Al, Au, Pt, Ru, Ti, Cr 중의 하나로 이루어지는 메탈 물질과, 리튬니오베이트 중에서 선택된 어느 하나의 물질일 수 있다.Preferably, the planar Fresnel lens layer is an insulating material consisting of SiOx, SixNy, SixONy, SrF 2 , HF 2 O 3 , TiOx, Al 2 O 3 , AlN, GaN, AlInGaN, GaAs, Ge, Si, InP A semiconductor material consisting of one of the following, an insulating film material consisting of one of Polyimide, BCB, and Epoxy, a metal oxide made of one of ITO and Cu-doped tin oxide (CIO), Ni, Al, Au, Pt, Ru, Ti, Cr It may be any one material selected from a metal material consisting of one, and lithium niobate.
바람직하게 상기 식각에 의해 상기 각 동심원 패턴 사이에 형성된 홈의 바닥은 요철이 형성될 수 있다.Preferably, the bottom of the groove formed between the concentric patterns by the etching may be uneven.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 평면 프레즈넬 렌즈가 형성된 수직형 발광소자의 단면도이고, 도 2는 평면 프레즈넬 렌즈가 형성된 수직형 발광소자의 평면도이다.1 is a cross-sectional view of a vertical light emitting device having a flat Fresnel lens according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a plan view of a vertical light emitting device having a flat Fresnel lens.
도 1 및 도 2를 참조하면, 평면 프레즈넬 렌즈가 형성된 수직형 발광소자는 기판(100)과, N형 반도체층(210)과 발광층(220)과 P형 반도체층(230)과 평면 프레즈넬 렌즈층(300)을 포함한다.1 and 2, a vertical light emitting device having a planar Fresnel lens includes a
평면 프레즈넬 렌즈층(300)은 식각에 의해 형성된 다수의 동심원 패턴(300a)과 각 동심원 패턴(300a)사이에 형성된 홈(300b)를 구비하고 있다.The planar Fresnel
기판(100)은 도전성을 가진 기판을 준비한다.The
N형 반도체층(210)은 N형 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, N형 클래드층을 포함할 수 있다. N형 반도체층(210)은 실리콘(Si)를 도우핑(doping)하여 형성할 수 있다. N-
발광층(220)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN을 포함하여 이루어진다. 발광층(220)을 이루는 물질의 종류에 따라 발광 다이오드에서 방출되는 발광 파장이 결정된다. 발광층(220)은 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 장벽층과 우물층은 일반식 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다. The
P형 반도체층(230)은 P형 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, P형 클래드층을 포함할 수 있다. P형 반도체층(230)은 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도우핑하여 형성할 수 있다.P-
평면 프레즈넬 렌즈층(300)은 전극 패드(400)를 제외한 부분을 둘러싸도록 P형 반도체층(230)위에 형성된다.The planar Fresnel
평면 프레즈넬 렌즈층(300)은 SiOx, SixNy, SixONy, SrF2, HF2O3, TiOx, Al2O3 등과 같은 절연막 재료와, AlN, GaN, AlInGaN, GaAs, Ge, Si, InP 과 같은 반도체 재료, Polyimide, BCB, Epoxy와 같은 절연막, ITO, CIO(Cu-doped tin oxide)와 같은 금속 산화물, Ni, Al, Au, Pt, Ru, Ti, Cr 등의 메탈도 평면 렌즈를 제작하는 재료가 사용될 수 있다. 또한, 광통신 부분에서 사용되는 리튬니오베이트 등의 재료들도 가능하다.The planar Fresnel
즉, 평면 프레즈넬 렌즈층(300)은 광이 투과될 수 있는 재료면 모두 가능하다. 메탈도 일정 두께 내에서 투과가 이루어지기 때문이다. That is, the planar Fresnel
전극패드(400)는 와이어(wire)에 의해 리드(lead)(미도시)와 연결되어 외부전원으로부터 전원을 공급받는다.The
도면에 도시되지 않았지만, P형 반도체층(230)과 평면 프레즈넬 렌즈층(300)사이에는 투명전극이 형성될 수 있다. 투명전극은 판상 형태로서 발광층(220)에서 방출되는 빛을 외부로 투과시킨다. 투명전극은 Ni/Au 또는 인디움틴산화막(ITO)와 같은 투명물질로 형성될 수 있다. 투명전극은 전극패드(400)를 통해 입력되는 전류를 골고루 분산시켜 발광효율을 높이는 역할도 수행할 수 있다.Although not illustrated, a transparent electrode may be formed between the P-
이와 같은 평면 프레즈넬 렌즈가 형성된 수직형 발광소자는 다음과 같은 공정을 통해 제작될 수 있다.The vertical light emitting device in which the flat Fresnel lens is formed may be manufactured by the following process.
우선 도전성 기판(100)을 준비한다.First, the
기판(100)위에 N형 반도체층(210), 발광층(220), P형 반도체층(230)을 형성한다. P형 반도체층(230)위에 P형 전극(400)을 형성한다.An N-
P형 전극(400)을 제외한 P형 반도체층(230)위에 일정한 두께의 투광성 물질(300)을 형성한다.A light-transmitting
투광성 물질(300)위에 마스크 패턴(미도시됨)을 형성한다.A mask pattern (not shown) is formed on the
이때 마스크 패턴은 다수의 동심원 패턴을 구비하며, 각 동심원 패턴간의 피치는 동일하되 각 동심원의 폭은 직경 외측 방향으로 갈수록 일정한 비율로 줄어들거나 늘어나는 패턴 형식을 가지고 있다.In this case, the mask pattern has a plurality of concentric circle patterns, and the pitch between each concentric circle pattern is the same, but the width of each concentric circle has a pattern form that decreases or increases at a constant rate toward the radially outward direction.
투광성 물질(300)에 마스크 패턴이 형성된 상태에서 마스크 패턴을 이용하여 각 동심원 패턴 사이에 P형 상기 화합물 반도체층이 드러나서 홈이 형성되도록 투광성 물질을 식각한다.In the state in which the mask pattern is formed on the
이때, 식각 처리를 통해 평면 프레즈넬 렌즈의 각 패턴 사이에 형성되는 홈의 바닥면을 별도의 포토리소그라피 없이도 쉽게 요철 처리를 할 수 있다.In this case, the bottom surface of the groove formed between each pattern of the planar Fresnel lens through the etching process can be easily processed without the need for a separate photolithography.
그 다음 마스크 패턴을 제거하면 도 1에 도시된 평면 프레즈넬 렌즈가 형성된 수직형 발광소자가 완성된다.After removing the mask pattern, a vertical light emitting device in which the planar Fresnel lens shown in FIG. 1 is formed is completed.
이때, 투광성 물질(300)위에 마스크 패턴을 형성한 상태에서 식각을 수행할 때 부분식각 기술을 이용하여 식각을 수행할 수 있다.In this case, when etching is performed in a state where a mask pattern is formed on the
이렇게 하면 부분 식각에 의해 각 동심원 패턴 사이에 형성된 홈의 바닥은 인접한 동심원 패턴의 폭이 늘어날수록 높아지게 된다.In this case, the bottom of the groove formed between the concentric patterns by the partial etching increases as the width of the adjacent concentric patterns increases.
이때, 마스크 패턴의 형상에 따라 직경 외측 방향으로 갈수록 일정한 비율로 높아지거나 낮아진 형상이 조절될 수 있다.At this time, depending on the shape of the mask pattern toward the outside of the diameter may be adjusted to a higher or lower shape at a constant ratio.
도 3은 렌즈의 구조 및 원리를 보여주는 도면이다.3 is a view showing the structure and principle of the lens.
도시된 바와 같이 볼록렌즈(1)는 빛을 모으는 역할을 하고, 오목렌즈(2)는 빛을 확산시킨다.As shown, the
도 4 내지 도 7은 평면 프레즈넬 렌즈를 제작하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.4 to 7 are views for explaining the principle of manufacturing a flat Fresnel lens.
도 4 는 볼록렌즈 및 오목렌즈의 형상을 보여준다. 도 4를 참조하면 볼록렌즈(3) 및 오목렌즈(4)는 굴절율 N1을 갖고 있으며, 대기와 같은 굴절율(N0)이 렌즈보다 낮은 매질과 접해 있다.4 shows the shapes of convex and concave lenses. Referring to Fig. 4, the
이때, 빛이 반사되지 않고 투과되기 위해서는 굴절율 조건이 N1≥N0을 만족해야 한다. 그러나, 예외적으로 매질에 따라서는 굴절율이 N1≤N0 일때 가능한 경우도 있다.At this time, in order for the light to be transmitted without being reflected, the refractive index condition must satisfy N1≥N0. However, there are exceptional cases in which the refractive index is N1≤N0 depending on the medium.
도 5는 볼록렌즈의 평면 설계를 설명하기 위한 볼록렌즈의 가상 분할도이고, 도 6은 도 5에 도시된 볼록 렌즈의 평면 설계 모식도이다.FIG. 5 is a virtual divided view of the convex lens for explaining the planar design of the convex lens, and FIG. 6 is a schematic plan view of the convex lens shown in FIG. 5.
도 5를 참조하면 렌즈를 포함하는 사각형(점선)을 가상하고 수직으로 분할하여 여러 개의 구역(A1 - A5)을 나누어 보면 각 구역내에서 예를 들어 A1에서 굴절율 N1인 렌즈영역(300a)과 굴절율 N0인 대기영역(300b)이 가지는 면적이 서로 다름을 알 수 있다. 즉, 각 구역(A1 - A5)에서 굴절율 N1인 렌즈영역(300a)과 굴절율 N0인 대기영역(300b)의 비율인 유효 굴절율(N_eff)이 바뀌고 있다.Referring to FIG. 5, by dividing a plurality of zones A1-A5 by imagining a rectangle (dotted line) including a lens and dividing them vertically, the
따라서, 굴절율 N1의 렌즈영역(300a)과 굴절율 N0의 대기영역(300b)을 하나의 평면에 펼쳐서 배열하면 도 6과 같은 형태가 된다 즉, 동일한 피치를 가지고 굴절율N1인 렌즈영역(300a)과 굴절율N0인 대기영역(300b)의 사이 사이에 존재하게 된 다. 이와 같이 서로 다른 굴절율을 가지는 매체가 일정한 비율에 의해 배열되는 구조에서는 광의 회절현상이 발생되어 광을 집속시키거나 확산시키는 렌즈기능이 수행된다. 이러한 구조에 의한 렌즈 원리가 프레즈넬 렌즈의 원리이다.Therefore, when the
평면 프레즈넬 렌즈는 이와 같이 일정한 피치를 가지고 굴절율N1인 렌즈영역(300a)과 굴절율N0인 대기영역(300b)이 일정한 비율로 작아지거나 커질 때 발견된다.The planar Fresnel lens is found when the
도 7은 도 6을 간략화시킨 볼록 렌즈의 평면 설계 모식도이다.FIG. 7 is a schematic plan view of the convex lens of FIG. 6.
도 7을 참조하면 하나의 구역을 이루는 굴절율N1인 렌즈영역(300a)과 굴절율이 N0인 대기영역(300b)의 합인 피치(P)는 각 구역(A1 - A5)에 있어 일정하다.Referring to FIG. 7, the pitch P, which is the sum of the
그러나, 굴절율N1인 렌즈영역(300a)과 굴절율N0인 대기영역(300b)의 비율은 서로 다르게 변화되어 있다. 즉, A1에서 A5로 갈수록 굴절율N1인 렌즈영역(300a)의 폭(X)이 점점 길어지는 수직형 패턴 구조로 되어 있다.However, the ratios of the
평면 프레즈넬 렌즈를 구현함에 있어 수직형 패턴 구조를 이용하면 제작 공정이 간편해진다. 수직형 패턴 구조를 이용하면 마스크 패턴을 형성한 상태에서 1회의 에칭공정 또는 패터닝 공정을 통해 평면 프레즈넬 렌즈를 형성할 수 있게 된다.The vertical pattern structure simplifies the fabrication process in implementing flat Fresnel lenses. When the vertical pattern structure is used, the planar Fresnel lens may be formed through one etching process or a patterning process in a state where a mask pattern is formed.
이때, 다음과 같은 관계식을 가져야 한다. In this case, the relationship must be as follows.
P : 피치 ( 0 ≤ P≤ 칩 대각선 길이)P: pitch (0 ≤ P≤ chip diagonal length)
X : 메인 굴절율 N1 갖고 있는 길이 ( 0≤ X ≤P)X: length having main refractive index N1 (0≤X≤P)
D : 렌즈로 제작되는 재질의 높이 ( 0 ≤ D )D: Height of material made of lens (0 ≤ D)
바람직하게 P는 파장의 함수로 하여 무반사 코팅 조건에 맞도록 하여 주는 것이 좋다.Preferably P is adapted to the antireflective coating conditions as a function of wavelength.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 소자에 평면 렌즈 패턴을 적용한 예시도이다. 렌즈 패턴을 적용할 때 양각 또는 음각 구조로 조절하면 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈를 형성할 수 있다. 8 is an exemplary diagram in which a planar lens pattern is applied to a light emitting device according to an embodiment of the present invention. When applying the lens pattern, it is possible to form a convex lens or a concave lens by adjusting the relief or the relief structure.
SiO2, BCB, ITO 등과 같은 박막 또는 GaN, GaAs와 같은 반도체 물질을 설계된 패턴대로 에칭을 하여 제작을 한다.A thin film such as SiO 2 , BCB, ITO, or a semiconductor material such as GaN, GaAs is etched according to a designed pattern.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 부분 식각 기술을 이용하여 효율이 좋은 평면 렌즈를 제작한 예시도이다.9 is an exemplary view of fabricating a highly efficient planar lens using a partial etching technique according to another embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면 좀더 구형 렌즈에 근사하게 평면 설계되어 있음을 볼 수 있다.Referring to FIG. 9, it can be seen that the plane is designed to be closer to the spherical lens.
마스크 패턴을 형성한 다음에 식각을 수행하여 패턴과 패턴사이 부분이 식각에 의해 제거될 때 식각되는 면적에 따라 식각되는 시간이 서로 다른 것을 이용하는 것이다.After the mask pattern is formed, etching is performed to use different etching times depending on the area to be etched when the portion between the pattern and the pattern is removed by etching.
즉, 열린 공간이 좁을수록 식각이 늦게 이루어지기 때문이다. 식각되는 면적이 일정영역 이상에서는 동일한 식각 깊이를 얻을 수 있으나, 일정 영역 이하에서는 식각이 늦어지고, 식각이 잘 수행되지 않는다.In other words, the narrower the open space, the later the etching is performed. If the area to be etched is equal to or greater than a predetermined area, the same etching depth can be obtained.
즉, A1에서 A5로 갈수록 굴절율N1의 렌즈영역(300a)들 사이에 형성된 홈(330b)에서 해당 홈의 바닥(300c) 높이는 점차로 높아지게 된다.That is, the height of the bottom 300c of the groove gradually increases from A1 to A5 in the groove 330b formed between the
이러한 현상을 이용하여 도 9와 같은 렌즈 형상을 쉽게 제작할 수 있다. 도 6에서 패턴을 간략화하여 도 7과 같이 하는 것보다 좀더 구형 렌즈에 근사한 특성을 가지도록 평면 렌즈를 설계할 수 있는 것이다.Using this phenomenon, the lens shape as shown in FIG. 9 can be easily manufactured. In FIG. 6, the planar lens may be designed to simplify the pattern and to have characteristics more similar to those of the spherical lens than in FIG. 7.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 집중형 평면 프레즈넬 렌즈의 패턴 형상을 보여준다.10 shows a pattern shape of a concentrated planar Fresnel lens according to an embodiment of the present invention.
도 10을 참조하면 평면 프레즈넬 렌즈층(300)에서 동심원을 이루는 각 패턴간의 피치를 동일하게 하고, 각 동심원 패턴의 폭을 직경 외측 방향으로 갈수록 일정한 비율로 줄어들게 하면 광을 집속시킬 수 있는 집속형 렌즈 기능을 수행하게 된다.Referring to FIG. 10, the pitch between concentric circles in the planar
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 확산형 평면 프레즈넬 렌즈의 패턴 형상을 보여준다.FIG. 11 shows the pattern shape of a diffused planar Fresnel lens according to an embodiment of the present invention. FIG.
도 11을 참조하면 평면 프레즈넬 렌즈층(300)에서 동심원을 이루는 각 패턴간의 피치를 동일하게 하고, 각 동심원 패턴의 폭을 직경 외측 방향으로 갈수록 일정한 비율로 늘어나게 하면 광을 확산시킬 수 있는 확산형 렌즈 기능을 수행하게 된다.Referring to FIG. 11, if the pitch between concentric circles is the same in the flat
이와 같이 렌즈의 패턴을 제작할 때 양각 또는 음각을 선택함으로써 광을 집속시키는 집속형 렌즈 기능을 수행하는 집속형 평면 프레즈넬 렌즈를 제작할 수 있고, 광을 확산시킬 수 있는 확산형 평면 프레즈넬 렌즈를 제작할 수 있다.Thus, when manufacturing the lens pattern, it is possible to manufacture a focused flat Fresnel lens that performs a focused lens function to focus light by selecting an embossed or intaglio, and to produce a diffused flat Fresnel lens that can diffuse light. Can be.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면 프레즈넬 렌즈가 구비된 수평형발광 소자의 단면도이고, 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면 프레즈넬 렌 즈가 구비된 수평형 발광 소자의 평면도이다.12 is a cross-sectional view of a horizontal light emitting device with a flat Fresnel lens according to another embodiment of the present invention, Figure 13 is a horizontal light emitting device with a flat Fresnel lens according to another embodiment of the present invention Top view.
도 12 및 도 13을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면 프레즈넬 렌즈가 구비된 수평형 발광 소자는 기판(100)과 N형 반도체층(210)과 발광층(220)과 P형 반도체층(230)위에 투명전극(500)이 형성되어 있다.12 and 13, a horizontal light emitting device including a planar Fresnel lens according to another embodiment of the present invention includes a
투명전극(500)위에는 P형 전극(410)이 형성되어 있고, N형 반도체층(210)에서는 N형 전극(420)이 형성되어 있다.The P-
투명전극(500)위에 평면 프레즈넬 렌즈층(300)이 형성되어 있다.The planar
여기에서는 평면 프레즈넬 렌즈층(300)은 동심원을 이루는 각 패턴간의 피치가 동일한 상태에서, 각 동심원 패턴의 폭이 직경 외측 방향으로 갈수록 일정한 비율로 줄어들게 형성되었으므로 집속형 렌즈의 기능을 수행하게 된다.In this case, the planar
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and changes can be made by those skilled in the art, which are included in the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims.
예를 들어, 본 발명의 실시예에서는 제 1 도전성 반도체층이 N형 반도체층이고 제 2 도전성 반도체층이 P형 반도체층인 경우로 설명하였으나, 제 1 도전성 반도체층이 P형 반도체층이고 제 2 도전성 반도체층이 N형 반도체인 경우에도 얼마든지 적용가능하다.For example, in the embodiment of the present invention, the first conductive semiconductor layer is an N-type semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer is a P-type semiconductor layer, but the first conductive semiconductor layer is a P-type semiconductor layer and the second Even if the conductive semiconductor layer is an N-type semiconductor, it can be applied to any number.
아울러, 본 발명의 실시예에서는 발광소자의 상부에 평면 프레즈넬 렌즈층을 형성한 것에 대하여 설명하였지만, 발광소자의 하부에 평면 프레즈넬 렌즈층을 형성하여 광추출 효율을 높일 수 도 있을 것이다.In addition, although the embodiment of the present invention has been described in that the planar Fresnel lens layer formed on the upper portion of the light emitting device, the planar Fresnel lens layer may be formed on the lower portion of the light emitting device to increase the light extraction efficiency.
또한, 본 발명의 실시예에서는 기판이 있는 발광소자의 상부에 평면 프레즈넬 렌즈층을 형성한 것에 대하여 설명하였지만, 기판분리 공정을 통하여 기판이 제거된 수직형 발광소자에 대하여서도 발광소자의 상부에 평면 프레즈넬 렌즈층을 형성하여 광추출 효율을 높일 수 있을 것이다.In addition, although the embodiment of the present invention has described the formation of a flat Fresnel lens layer on the light emitting device having a substrate, the vertical light emitting device from which the substrate is removed through the substrate separation process is also disposed on the light emitting device. The planar Fresnel lens layer may be formed to increase light extraction efficiency.
본 발명에 의하면, 발광 소자에 집적하기 어려웠던 톱니 형태의 평면 프레즈넬 렌즈 대신에 식각 공정을 통하여 수직형상의 단면을 가지는 평면 프레즈넬 렌즈를 발광 소자에 용이하게 집적할 수 있게 된다.According to the present invention, the planar Fresnel lens having a vertical cross section can be easily integrated into the light emitting device through an etching process instead of the sawtooth planar Fresnel lens which is difficult to integrate into the light emitting device.
아울러, 렌즈층이 되는 투과성 물질을 식각할 때 열린 부분이 작을수록 식각이 늦어지는 원리를 이용하여 구형 렌즈와 프레즈넬 렌즈를 접목시킴으로써 광출력 효율을 향상시킬 수 있으며, 평면 프레즈넬 렌즈의 각 패턴 사이에 형성되는 홈의 바닥면을 별도의 포토리소그라피 없이도 쉽게 요철 처리를 할 수 있기 때문에, 더 많은 광출력 효율을 높일 수 있다.In addition, the light output efficiency can be improved by combining the spherical lens and the Fresnel lens by using the principle that the smaller the open part is, the later the etching when etching the transparent material to be the lens layer, and the pattern of the flat Fresnel lens Since the bottom surface of the groove formed therebetween can be easily processed without the need for a separate photolithography, it is possible to increase more light output efficiency.
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