We have studied on the high radiance surface emitting LED. To overcome the problems in conventional SE-LED such as low external quantum efficiency, low optical coupling efficiency to optical fiber and easy saturation phenomenon by in-plane radiation, new LED structure with 45° circular corner reflector, deeply etched side-wall and microlenses is developed.
New fabrication technologies of microlenses using UV curing method and chemical etching process are developed. Using AFM, Whit Light Interferometer, SEM, Focused Spot Size measurements and etc, we checked the performances and qualities of microlenses. To show the applications of the microlenses, we made a microlensed SE-LED and a hemispheric lensed fiber, and various micro-optics and its arrays.
In Chapter 3, SE-LED with 45° circular corner reflector(CR-LED) was simulated and fabricated. From the simulation, we could estimate that the output power of new structure LED increase about 4 times rather than the conventional surface emitting LED due to extraction of in-plane radiation. Shadow masked growth with monocrystalline mask(InP/InGaAs) and chemical etching of InP/InGaAsP/InGaAs using 1 HBr:$1H_3PO_4$:$0.5(0.5M)K_2Cr_2O_7$ are studied for fabrication of 45° corner reflector. In light-current curve measurement, the output power of CR-LED increased several times than that of conventional SE-LED. In the spectra characteristics, we could observe the peak that comes from extraction of in-plane radiation by corner reflector. In the near field pattern, the bright ring that come from in-plane radiation by corner reflector was observed.
In chapter 4, we had newly proposed and fabricated high radiance Bell Shaped LED(BS-LED) with 45° corner reflector, deeply etched side wall and microlens. We simulated the improvement of output power by side wall as three variable parameters, the radius of p-metal(R1), the width of space region(R2) and the depth of side wall. The deeply etched side-wall was formed by $1HBr-1H_3PO_{4-1}(0.5M)K_2Cr_2O_7$ etching system up to 80㎛ depth. The outstanding characteristic of the processes is that the processes of corner reflector, side wall and microlens are done by one etching system, $HBr-H_3PO_4-(0.5M)K_2Cr_2O_7$. The measured improvement of BS-LED was about 8 times of that of conventional LED. Also, the spectrum of BS-LED was compared with those of conventional LED and CR-LED. In the near field pattern, we could observe the strong radiation by corner reflector, and radiation by active region and the deeply etched side-wall.
본 논문에서는 표면 방출형 발광 다이오드에 관하여 연구되었다. 기존의 발광다이오드의 문제점들(낮은 출력 효율, 광섬유와의 낮은 결합 효율과 활성층에서의 발광에 의한 포화 현상)을 해결하기 위하여 45° 반사기와 깊게 에칭된 옆면 및 마이크로렌즈를 가지는 새로운 형태의 발광다이오드의 구조를 제안하였다.
먼저, UV 경화 방법을 이용한 렌즈 제작 방법을 새롭게 제안하였다. 이 방법의 장점은 1) 간단한 렌즈 제작 공정, 2) 마이크로 받침대의 반경과 주입되는 UV 경화 물질의 양을 조절하여 렌즈 반경 조절, 3) 받침대의 높이를 이용한 렌즈와 기판사이 거리 조절, 4) 여러 가지 형태의 렌즈 제작 가능 등이다. 제안된 방법의 응용으로 LED및 광섬유와 결합하여 그 특성을 평가하였다. 그 결과 렌즈를 가지는 LED에 의해 광섬유와의 광커플 효율이 1.5배 향상 되었으며, 렌즈를 가지는 광섬유에 의해서 1.4배 향상됨이 관찰되었다. 그리고, 1 HBr :$1H_3PO_4$:$0.5(0.5M)K_2Cr_2O_7$을 이용한 InP 마이크로렌즈 어레이 제작이 연구되었으며, SEM, AFM, Step-Profile 측정을 이용하여 그 특성들을 평가하였다.
제 3장에서는, 45° 반사기를 가지는 고출력 LED의 제작 및 그 출력이 이론적으로 계산되었다. 그 계산으로부터, 반사기를 가지는 LED의 경우 그 출력이 활성층 방향으로의 광출력을 추출함으로 기존의 LED와 비교하여 약 4배 정도 향상됨을 기대할 수 있었다. 45° 반사기를 제작하기 위해서 Monocrystalline Shadow Mask Growth 및 케미컬 에칭 방법을 제안하였다. 1 HBr:$1H_3PO_4$:$0.5(0.5M)K_2Cr_2O_7$ 에칭시스템을 이용한 반사기 제작 방법의 장점은 1) PR 마스킹, 2) 정확한 원모양의 에칭, 3) (100)InP 기판의 모든 방향으로 같은 에칭된 옆면 형성, 4) InP/InGaAsP의 같은 에칭률, 5) 고품질의 에칭된 표면 등이다. 이 방법을 이용하여 45도 반사기를 가지는 LED를 제작한 결과 그 출력이 몇 배 향상 되었으며, 스펙트럼 측정 결과 In-Plane Radiation에 의한 효과를 확인 할 수가 있었다. Near field pattern 측정 결과 반사기에 의한 강한 광방출을 확인 할 수 있었다.
제 4장에서는, 45° 반사기 및 깊게 에칭된 옆면을 가지는 종 모양의 LED에 관한 연구가 진행되었다. P-metal의 반경, Space 영역의 폭 그리고 에칭 깊이에 대한 LED의 출력 향상에 대하여 계산해 보았다. 깊이 에칭된 옆면은 $1HBr-1H_3PO_{4-1}(0.5M)K_2Cr_2O_7$을 이용하여 약 80마이크론 깊이까지 형성되었다. 제작된 종 모양의 LED는 기존의 LED에 비해 그 출력이 약 8배 정도 향상되었으며, 또한, 그 스펙트럼 측정 결과를 기존의 LED 및 반사기를 가지는 LED와 비교 분석하였다. Near field pattern을 측정한 결과 반사기에 의한 강한 광출력과, 활성층 및 깊게 에칭된 옆면에 의한 광출력을 관찰할 수 있었다.
