The light-emitting diodes (LEDs) are rapidly replacing the existing lightings like incandescent lamp, fluores-cent lamp because of the high efficiency, long lifetime, non-toxic, eco-friendly characteristics. It also have capabilities of small size packaging and generating various color. The LEDs are usually used as indicator lamp and signal lamp before the invention of high-power, high brightness GaN-based LEDs. However, the LEDs are spreading the area to the general lighting solutions with the high-power, high-brightness LED. Unlike the indicator or signal lamp, it is required to retain a constant level of illuminance for the general lighting solu-tions. Therefore, there is a need for a package combining the LED with a photodetector capable of maintain-ing light output uniformly by conducting real time feedback control of the LED.
A photodetector was integrated into a wafer-level packaging (WLP) light-emitting-diode (LED) for the feed-back of the illuminance level of a mounted LED chip. Because the silicon-based wafer-level packaging uses a silicon wafer as a substrate for the LED package, it has advantages in high thermal conductivity and low mismatch in coefficient of thermal expansion, and also a small and an accurate package can be achieved by using a highly improved CMOS and MEMS process technology. Based on the silicon-based WLP, a photode-tector was integrated into the LED package, and a thin polysilicon membrane structure also proposed for the accurate sensing the illuminance of the mounted LED chip. The proposed membrane structure allows the photodetector, which was fabricated on the membrane, to sense the light from the LED directly, therefore, it can provide highly accurate feedback information. We successfully demonstrated the fabrication of a pho-todetector-embedded WLP LED and the responsivity was evaluated using an external 150 W Xenon lamp. The MSM photodetector on the membrane showed high responsivities of 36.38 mA/W at 450 nm and 82.05 mA/W at 550 nm at a bias of 3 V. To determine the advantages of photodetector fabricated on a thin mem-brane, the photo-response to the mounted LED chip was investigated. A reference MSM photodetector was also fabricated on a substrate in the same package to verify the advantages of the MSM photodetector fab-ricated on a thin membrane. The responsivities of the membrane-type photodetector, measured using a 150W Xenon lamp, were found to be 2.1 times higher at 450 nm and 1.2 times higher at 550 nm than those of the substrate-type photodetector. Furthermore, the membrane-type MSM photodetector showed a 280 times higher photo-response than that of the substrate-type MSM photodetector when using a mounted LED chip as a light source. The higher photo-response originated from the membrane structure of the photodetec-tor, which can receive light directly from the LED chip. Another contribution is due to the back-illuminated photodetector structure: since light from the LED chip is incident through the bottom of the membrane, there is no shadowing from the interdigitated metal fingers. The dependency to the ambient temperature was also investigated. With a temperature transition of 10 K, it showed 0.268 % change compare to the current in room temperature. In case of 50 K, the change showed a level of 2.56 %. In general operating case, we can ignore the change by the generated heat, however there needs additional adjustment to the temperature change for wide operating temperature.
A constant illuminance control circuit was fabricated and verified the operation with the LED. To maintain a constant level of illuminance of the LED, a negative feedback circuit was designed using an analog control circuit. The control circuit was composed of three parts; a sensor feedback circuit, a reference current circuit, and a current amplifier circuit. A chip was manufactured based on the designed circuit by using Magna-Hynix 0.35 foundry service, and then the chip was packaged in 144 pin MQFP (Metric Quad Flat Package). A constant illuminance control was verified for the brightness change of 1 mA driving current using the fabri-cated control chip and the photodetector-embedded WLP LED.
LED 조명은 높은 광효율과 긴 수명, 유해 물질을 사용하지 않는 환경 친화성, 그리고 기존의 조명과는 다른 초소형, 다양한 색상과 같은 특징으로 인해 기존의 백열등, 형광등과 같은 조명을 대체해 나가고 있다. 이러한 LED는 밝기나 효율에 있어 초창기 Indicator, Signal 램프로 주로 사용되었나, 현재의 GaN 기반의 고출력 LED로 인해 일반 조명까지 그 시장을 확장하고 있다. 이러한 LED의 발전에 있어, 기존의 Indicator, Signal 램프로 사용되는 것과 달리 조명용으로 사용되기 위해서 LED의 일정한 밝기를 유지할 필요가 있다. 이를 위해 Photodetector를 집적하고 이를 통한 Feedback 제어가 필요하다. Silicon 기반의 Wafer-Level Packaging은 Silicon wafer를 Package body로 사용 함으로 인해, 우수한 열전율과 TCE측면에서 장점을 지니고 있으며 발전된 Silicon 과 MEMS 공정을 사용함으로 인해 작고, 정교한 Package 제작이 가능하다. 이러한 Silicon-based WLP LED기술을 바탕으로 실리콘 웨이퍼에 Photodetector를 집적하고, LED패키지와Photodetector를 동시에 제작할 수 있는 제작 공정을 수립하였다. 또한 보다 정확한 광 출력량을 측정하기 위해 얇은 Membrane 상에 Photodetector가 위치시켜, 내장된 LED 칩에서 발광되는 빛을 직접적으로 수광 할 수 있는 구조를 제안하였다.
제안된 Photodetector의 Micro-reflector cavity 구조 LED패키지와의 제작 공정 통합에 있어 공정난이도를 높이지 않기 위해, 한번의 금속 증착 및 패턴 형성을 통해 제작할 수 있는 구조의 Metal-Semiconductor-Metal (MSM) photodiode를 Membrane 상에 제작하였다. 이렇게 제작된 Photodetector의 성능평가를 위해 150W Xenon lamp를 이용하여 광반응성(Responsivity) 측정을 수행하였다. 이를 통해 LED의 광출력의 Peak파장인 450nm와 550nm wavelengths에서 각각 36.38 mA/W 와 82.05 mA/W의 Responsivity를 가지는 것을 확인하였다. Membrane구조의 Photodetector가 가지는 구조적 이점을 확인 하기 위해서, 실제적인 LED chip을 Micro-reflector cavity 상에 실장하고, 이를 광원으로 Photo-response를 측정 할 필요가 있다. 이를 위해 Blue-color LED를 제작된 Package 상에 실장 한 후 황색형광체(Phosphor)를 도포하여 LED를 제작하였다. Micro-reflector cavity 의 측면 경사면과 오목한(Recessed) Cavity 바닥 면에 LED전극이 정상적으로 형성되어 LED의 광출력이 정상적으로 동작하는 것을 확인하였다. 집적된 Membrane구조의 Photodetector로 인해, 광방출 영역이 가려지는 부분이 존재하는데, 이것으로 인한 광방출 저하를 살펴본 결과, Membrane구조의 작은 면적과 Phosphor에 의한 산란의 효과로 인해 출력저하가 무시할 수 있는 수준으로써 거의 변화가 나타나지 않는 것을 확인하였다.
Membrane 구조로 집적된 MSM Photodetector와의 비교측정을 위해 Cavity 측면의 평면 상에 집적 된 MSM Photodetector를 제작하고, 외부의 150W Xenon Lamp를 통해 Responsivity를 측정하였다. Membrane 구조의 넓은 광반응 면적의 영향으로 450nm와 550nm에서 각각 2.1배, 1.2배의 Responsivity를 보여줬다. 또한 Cavity 내부에 실장 된 LED칩을 광원으로 사용하였을 경우, Mem-brane 구조의 Photodetector가 280배 이상의 높은 광반응(Photo-response)을 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 제안된 Membrane 구조로 빛을 직접적으로 받아들이는 구조가 보다 정확하게 실장된 LED의 광출력량 측정이 가능함을 알 수 있으며, 또한 구조적 장점을 가지는 것을 알 수 있었다. LED에 집적된 소자는 LED가 동작하면서 발생하는 열로 인해 그 동작 특성이 변화 될 수 있기에 그에 따른 특성 변화를 살펴보면, 주변 환경의10 K 이내의 변화에 대해서는 실온에서의 출력 전류를 기준으로 0.269% 수준의 미미한 변화를 나타내며, 이는 일상적인 환경에서는 무시할 수 있는 수준이다. 일상적인 동작 수준이 아닌, 보다 큰 50 K 온도 변화에 대해서는 2.56%의 변화를 보였는데 이를 보상하기 위해서는 추가적인 온도 센서의 집적과 측정된 온도에 따른 보상이 요구된다.
다음으로 제작된 Photodetector가 내장된 LED 의 활용 가능성을 확인하기 위한 제어 회로를 설계하고 실제Chip 제작을 통해 그 동작을 검증하였다. LED에 내장된 Photodetector 는 기본적으로 LED의 출력 증감에 따라 선형적으로 반응하는 출력 특성을 보인다. 이에 따라 일정한 밝기를 유지하기 위하여 Negative feedback 구조의 아날로그 제어 기반 회로를 구성하였다. 제어회로는 Sen-sor Feedback 부분과 LED 출력 제어를 위한 Reference current 생성 회로와 Current amplifier로 구성되었다. 설계된 제어회로는 Magna-Hynix 0.35 IC Foundry를 통해 Chip을 제작하였으며, 144 Pin MQFP (Metric Quad Flat Package) 로 패키징 되었다. 이렇게 제작된 제어 Chip과 Photodetector가 내장된 LED를 통해 LED 구동 전류 1 mA 수준의 밝기 변화에 대한 일정한 밝기 유지 동작이 가능함을 검증하였다.
