KR101392977B1

KR101392977B1 - 다층 발광적층을 구비한 발광 소자

Info

Publication number: KR101392977B1
Application number: KR1020110088510A
Authority: KR
Inventors: 이-치에 린; 롱-렌 리
Original assignee: 에피스타 코포레이션
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2014-05-08
Also published as: KR20130025156A

Abstract

발광 소자는 기판, 기판상에 위치하는 제1 발광적층, 제1 발광적층상에 위치하는 터널링층, 터널링층 상에 위치하는 제2 발광적층 및 제2 발광적층 상에 위치하는 접촉층을 구비한다.

Description

다층 발광적층을 구비한 발광 소자 {A LIGHT-EMITTING ELEMENT WITH MULTIPLE LIGHT-EMITTING STACKED LAYERS}

본 발명은 발광 소자에 관한 것이며, 특히 다층 발광적층이 교차 적층된 발광 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light-emitting Diode; LED)는 고체상태의 반도체소자이며, 하나 이상의 p-n접합(p-n junction)을 포함하며, 상기 p-n접합은 p형과 n형 반도체층의 사이에 형성된다. p-n접합 상에 일정한 바이어스 전압을 가할 때, p형 반도체층의 정공과 n형 반도체층의 전자가 결합하여 빛을 방출한다. 이러한 빛을 생성하는 영역을 일반적으로 발광 영역이라도 부른다.

LED는 사이즈가 작고, 발광 효율이 높고, 수명이 길며, 반응이 빠르고, 안정성이 높고, 색도가 양호한 특징을 가지고 있어, 현재 가전제품, 자동차, 간판과 교통표지에 광범위하게 사용되고 있다. 풀컬러 LED가 출시함에 따라, LED는 형광등과 백열등과 같은 종래의 조명 설비를 점차적으로 대체하고 있다.

기판의 가격이 LED의 제조원가에 차지하는 비중이 제일 크므로, LED에 사용되는 기판의 사용량을 어떻게 줄이는지가 관심 과제이다.

일본공개특허 제2005-019874호, US 7,932,526 B2, US 5,212,706 B2, US 6,584,130 B2, TW 591811, US 4,211,586 B2, US 6,100,103 B2, US 7,064,354 B2, US 7,095,052 B2

본 발명은 종래의 두 개의 발광 소자의 발광 효율을 갖지만, 하나의 기판을 사용하여, 기판의 사용량을 줄이므로, 제조 원가를 낮추는 것을 목적으로 한다.

발광 소자는, 기판, 기판상에 위치하는 제1 발광적층, 제1 발광적층 상에 위치하는 터널링층, 터널링층 상에 위치하는 제2 발광적층 및 제2 발광적층 상에 위치하는 접촉층을 구비한다. 제1 발광적층은 제1 반도체층, 기판으로부터 차례대로 기판과 터널링층 사이에 형성된 제1 발광층과 제2 반도체층을 구비한다. 제2 발광적층은 제3 반도체층, 터널링층으로부터 차례대로 접촉층과 터널링층 사이에 형성된 제2 발광층과 제4 반도체층을 구비한다.

본 발명에 의하면, 종래의 두 개의 발광 소자의 발광 효율을 갖지만, 하나의 기판을 사용하여, 기판의 사용량을 줄이므로, 제조 원가를 낮춘다.

도 1은 본 발명에 개시된 일 실시예이다.
도 2는 본 발명에 개시된 다른 일 실시예이다.

아래 도면을 결부하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 도면 및 실시예에서 동일 또는 유사한 부분은 동일한 부호로 표시한다.

일 실시예는 도 1에 도시한 바와 같이, 발광 소자(1)는, 기판(10), 기판(10)상에 위치하는 제1 발광적층(2), 제1 발광적층(2) 상에 위치하는 터널링층(12), 터널링층(12) 상에 위치하는 제2 발광적층(3) 및 제2 발광적층(3) 상에 위치하는 접촉층(14)을 구비한다. 제1 발광적층(2)은 제1 반도체층(22), 기판(10)으로부터 기판(10)과 터널링층(12) 사이에 차례대로 형성되는 제1 발광층(24)과 제2 반도체층을 포함한다. 제2 발광적층(3)은 제3 반도체층(32), 터널링층(12)으로부터 접촉층(14)과 터널링층(12) 사이에 차례대로 형성되는 제2 발광층(34)과 제4 반도체층(36)을 구비한다. 하나의 기판 상에 하나의 발광적층을 구비하는 종래의 발광 소자와 달리, 본 실시예의 발광 소자(1)는 하나의 기판(10) 상에 2개의 발광적층을 형성한다. 이렇게 할 경우, 장점 중 하나는 하나의 발광 소자로 대략 종래의 발광 소자 2개가 발광하는 효율을 갖는다는 것이다. 종래의 발광 소자 2개가 2개의 기판을 사용했다는 점에 비하면, 본 실시예의 또 하나의 장점은 하나의 기판만 사용하여 기판의 사용량을 줄임으로써 제조원가를 낮출 수 있다는 점이다.

기판(10)은 기판 상의 발광적층을 성장 및/또는 지지하는데 사용할 수 있다. 그 재료는 절연재료이며, 예를 들면 사파이어(Sapphire), 다이아몬드(Diamond), 유리(Glass), 석영(Quartz), 아크릴(Acryl), 또는 질화알루미늄(AlN)이다. 기판(10)의 재료는 도전 재료이며, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 다이아몬드상 카본 필름 (Diamond Like Carbon), 탄화규소(SiC), 금속계 복합재료(Metal Matrix Composite, MMC), 세라믹계 복합재료(ceramic Matrix Composite, CMC), 규소(Si), 요오드화인(IP), 셀렌화아연(ZnSe), 갈륨비소(GaAs), 게르마늄(Ge), 갈륨인(GaP), 갈륨비소인(GaAsP), 산화아연(ZnO), 인화인듐(InP), 산화리튬갈륨(LiGaO₂), 또는 산화리튬알루미늄(LiAlO₂)을 포함한다. 그 중 사파이어(Sapphire), 갈륨비소(GaAs), 또는 탄화규소(SiC) 등은 발광적층을 성장시키는 재료로 사용할 수 있다.

제1 발광적층(2) 및/또는 제2 발광적층(3)은 기판(10)에 직접 연결되어 성장형성되거나 또는 점결층(미도시)을 통해 기판(10) 상에 고정된다. 제1 발광적층(2)과 제2 발광적층(3)의 재료는 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In), 인(P), 질소(N), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 셀레늄(Se)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함한다. 제1 반도체층(22)과 제2 반도체층(26)의 전기성은 서로 상이하고 제3 반도체층(32)과 제4 반도체층(36)의 전기성은 서로 상이하다. 제1 발광층(24)과 제2 발광층(34)은 빛을 생성할 수 있으며, 그 중 제1 발광층(24)은 제1 에너지 갭을 가지며, 제2 발광층(34)은 제2 에너지 갭을 가진다. 본 실시예에서, 제1 에너지 갭과 제2 에너지 갭은 상이하며, 제1 에너지 갭과 제2 에너지 갭의 차이값은 0.3eV와 0.5eV 사이에 있으며, 제1 에너지 갭은 제2 에너지 갭보다 작거나 클 수 있으며, 예를 들면, 제1 에너지 갭은 1.45eV이며, 제2 에너지 갭은 1.9eV이다. 또 하나의 실시예에서, 제1 발광층(24)이 생성한 빛은 사람의 눈으로 인식할 수 없는 불가시광선이며, 이 실시예의 불가시광선의 파장은 대략 400nm보다 작거나 780nm보다 크며, 바람직하게는 780nm와 2500nm의 사이 또는 300nm와 400nm 사이이며, 가장 바람직하게는 780nm와 900nm 사이이다. 제2 발광층(34)이 생성한 빛은 사람의 눈으로 인식할 수 있는 가시광선이며, 본 실시예의 가시광선 파장은 400nm와 780nm사이에 있으며, 바람직하게는 560nm와 750nm 사이이다. 또 다른 실시예에서, 제1 발광층(24)이 생성한 빛은 제1 주파장을 가지며, 제2 발광층(34)이 생성한 빛은 제2 주파장을 가지며, 제1 주파장과 제2 주파장의 파장 차이는 약 150nm~220nm이며, 제1 주파장은 제2 주파장보다 크거나 작을 수 있다. 본 실시예는 의료 분야에 응용할 수 있으며, 장점 중 하나는 하나의 발광 소자가 동시에 서로 다른 기능을 갖는다는 점이다. 예를 들면 제1 주파장은 815nm로, 상처가 아무는 것을 촉진할 수 있으며, 제2 주파장은 633nm로 잔주름을 제거하는데 도움이 된다.

또 하나의 실시예에서, 제1 발광층(24)은 제1 양자우물과 제2 양자우물이 교차 적층되어 형성되며, 그 중 제1 양자우물은 제1 양자우물 에너지 갭을 가지며, 제2 양자우물은 제2 양자우물 에너지 갭을 가지며, 제1 양자우물 에너지 갭과 제2 양자우물 에너지 갭은 서로 상이하며, 제1 양자우물 에너지 갭과 제2 양자우물 에너지 갭의 차이는 0.06eV~0.1eV이며, 제1 양자우물 에너지 갭은 제2 양자우물 에너지 갭보다 작거나 크다. 제2 발광층(34)은 제3 양자우물과 제4 양자우물이 교차 적층되어 형성되며, 그 중 제3 양자우물은 제3 양자우물 에너지 갭을 가지며, 제4 양자우물은 제4 양자우물 에너지 갭을 가지며, 제3 양자우물 에너지 갭과 제4 양자우물 에너지 갭은 서로 상이하며, 제3 양자우물 에너지 갭과 제4 양자우물 에너지 갭의 에너지 갭차이는 0.06eV~0.1eV이며, 제1 양자우물 에너지 갭은 제2 양자우물 에너지 갭보다 작거나 크다.

터널링층(12)은 제1 발광적층(2) 상에서 성장하고, 그 도핑농도는 8×10¹⁸/cm³보다 크며, 터널링 효과에 의해 전자를 통과시킨다. 그 재료는 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In), 인(P), 질소(N), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 셀레늄(Se)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 터널링층(12)은 제1 점결층으로 대체할 수 있는바, 제1 발광적층(2)과 제2 발광적층(3)을 접합하는데 이용된다. 제1 점결층의 재료는 산화인듐주석(ITO), 산화인듐(InO), 산화주석(SnO), 산화카드뮴주석(CTO), 산화안티몬주석(ATO), 산화아연(ZnO), 산화마그네슘(MgO), 알루미늄갈륨비소(AlGaAs), 질화갈륨(GaN), 갈륨인(GaP), 산화알루미늄아연(AZO), 산화아연주석(ZTO), 산화갈륨아연(GZO), 산화인듐아연(IZO), 산화탄탈(Ta₂O₅)과 같은 투명 도전 재료를 포함하거나, 또는 Su8, 벤조사이클로부텐(BCB), 퍼플루오로사이클로부탄(PFCB), 에폭시(Epoxy), 아크릴 레진(Acrylic Resin), 사이클릭올레핀폴리머(COC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르이미드(Polyetherimide), 플루오르카본폴리머(Fluorocarbon Polymer), 유리(Glass), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화규소(SiO₂), 산화티타늄(TiO₂), 실리콘나트라이드(SiN_x), 스핀온글래스(SOG), 또는 테트라에틸 오쏘실리케이트(TEOS)와 같은 절연 재료를 포함한다. 접촉층(14)은 전류를 전도하는데 이용되며, 그 재료는 GaP、Al_xGa₁ _- _xAs(0≤x≤1) 또는 Al_aGa_bIn₁ _-a- _bP (0≤a≤1，0≤b≤1，0≤a+b≤1)를 포함한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 일 실시예에서 발광장치(4)는, 캐리어(40); 캐리어(40) 상에 위치하는 제2 점결층(42); 제2 점결층(42) 상에 위치하는 제1 발광 구조(41)와 제2 발광 구조(43); 제2 점결층(42), 제1 발광 구조(41)와 제2 발광 구조(43) 상에 위치하는 전기 절연층(44); 및 전기 절연층(44) 상에 위치하여 제1 발광 구조(41)와 제2 발광 구조(43)를 전기적으로 연결하는 전기 연결 구조(46)를 구비한다. 제1 발광 구조(41)와 제2 발광 구조(43)는 상기 제1 실시예의 발광 소자(1)와 유사하며, 제1 발광적층(2), 터널링층(12), 제2 발광적층(3), 및 투명 점결층(42) 상에 위치한 접촉층(14)을 구비한다. 그러나 제1 발광 구조(41)와 제2 발광 구조(43)는 각각 접촉층(14) 상에 위치하는 제1 전극(16)과 제2 발광적층(2) 상에 위치하는 제2 전극(18)을 각각 구비한다. 전기 연결 구조(46)는 제1 발광 구조(41)의 제2 전극(18)과 제2 발광 구조(43)의 제1 전극(16)을 전기적으로 연결할 수 있다.

캐리어(40)는 캐리어 상의 발광 구조를 성장 및/또는 지지하는데 이용되며, 그 재료는 투명 재료로써, 예를 들면 사파이어(Sapphire), 다이아몬드(Diamond), 유리(Glass), 석영(Quartz), 아크릴(Acryl), 산화아연(ZnO), 또는 질화알루미늄(AlN) 등이다. 캐리어(40)의 재료는 열전도 재료이며, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 다이아몬드상 카본 필름(Diamond Like Carbon, DLC), 탄화규소(SiC), 금속계 복합재료(Metal Matrix Composite, MMC), 세라믹계 복합재료(Ceramic Matrix Composite, CMC), 규소(Si), 요오드화인(IP), 셀렌화아연(ZnSe), 갈륨비소(GaAs), 게르마늄(Ge), 갈륨인(GaP), 갈륨비소인(GaAsP), 인화인듐(InP), 산화리튬갈륨(LiGaO₂) 또는 산화리튬알루미늄(LiAlO₂)을 포함한다. 그 중 사파이어(Sapphire), 갈륨비소(GaAs), 탄화규소(SiC) 등은 발광 구조를 성장시키는 재료로 사용할 수 있다.

제2 점결층(42)은 발광 구조와 캐리어(40)를 접착하는데 이용되며, 그 재료는 Su8, 벤조사이클로부텐(BCB), 퍼플루오로사이클로부탄(PFCB), 에폭시(Epoxy), 아크릴 레진(Acrylic Resin), 사이클릭올레핀폴리머(COC), 폴리이미드(PI), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르이미드(Polyetherimide), 플루오르카본폴리머(Fluorocarbon Polymer), 유리(Glass), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화규소(SiO₂), 산화티타늄(TiO₂), 실리콘나트라이드(SiN_x), 스핀온글래스(SOG), 또는 테트라에틸 오쏘실리케이트(TEOS)이다. 제2 점결층(42)은 제1 발광 구조(41)와 제2 발광 구조(43)를 전기적으로 절연하는 전기절연 재료를 사용할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 제2 점결층(42)은 발광 구조를 성장시키는 버퍼층으로 대체할 수 있으며, 그 재료는 Al_xGa₁ _- _xAs(0≤x≤1)、Al_aGa_bIn₁ _-a-bP 또는 Al_aGa_bIn₁ _-a- _bN(0≤a≤1，0≤b≤1，0≤a+b≤1)을 포함한다.

전기 절연층(44)은 제1 발광 구조(41)와 제2 발광 구조(43)를 보호 및 전기적으로 절연하는데 이용되며, 그 재료는 절연 재료가 될 수 있으며, 예를 들면 Su8, 벤조사이클로부텐(BCB), 퍼플루오로사이클로부탄(PFCB), 에폭시(Epoxy), 아크릴 레진(Acrylic Resin), 사이클릭올레핀폴리머(COC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르이미드(Polyetherimide), 플루오르카본폴리머(Fluorocarbon Polymer), 유리(Glass), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화규소(SiO₂), 산화티타늄(TiO₂), 실리콘나트라이드(SiN_x), 스핀온글래스(SOG), 또는 테트라에틸 오쏘실리케이트(TEOS)이다. 전기 연결 구조(46)는 제1 발광 구조(41)와 제2 발광 구조(43)를 전기적으로 절연시키는데 사용되며, 그 재료는 투명 도전 재료이며, 예를 들면 산화인듐주석(ITO), 산화인듐(InO), 산화주석(SnO), 산화카드뮴주석(CTO), 산화안티몬주석(ATO), 산화아연(ZnO), 산화마그네슘(MgO), 알루미늄갈륨비소(AlGaAs), 질화갈륨(GaN), 갈륨인(GaP), 산화알루미늄아연(AZO), 산화아연주석(ZTO), 산화갈륨아연(GZO), 산화인듐아연(IZO), 또는 산화탄탈(Ta₂O₅)이거나, 또는 금속 재료인 게르마늄(Ge), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 구리-주석(Cu-Sn), 구리-아연(Cu-Zn), 구리-카드뮴(Cu-Cd), 니켈-주석(Ni-Sn), 니켈-코발트(Ni-Co), 또는 금합금(Au alloy)이다.

상기 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하였을 뿐, 본 발명을 한정하지 않는다. 해당 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술 원리 및 정신에 위배되지 않는 범위 내에서, 상기 실시예에 대하여 수정 및 변경을 할 수 있다.

1: 발광 소자
2: 제1 발광적층
3: 제2 발광적층
10: 기판
12: 터널링층
14: 접촉층
22: 제1 반도체층
24: 제1 발광층
32: 제3 반도체층
34: 제2 발광층
36: 제4 반도체층

Claims

제1 에너지 갭을 갖는 제1 발광층; 및
상기 제1 발광층 상에 위치하고, 제2 에너지 갭을 갖는 제2 발광층
을 포함하고,
상기 제1 에너지 갭과 상기 제2 에너지 갭은 서로 다르고,
상기 제1 발광층은 제1 양자우물과 제2 양자우물을 포함하고, 상기 제1 양자우물과 제2 양자우물이 교차 적층되어 상기 제1 발광층을 형성하며,
상기 제1 양자우물은 제1 양자우물 에너지 갭을 가지고, 상기 제2 양자우물은 제2 양자우물 에너지 갭을 가지며, 상기 제1 양자우물 에너지 갭과 상기 제2 양자우물 에너지 갭의 차이는 0.06eV ~ 0.1eV이며,
상기 제1 발광층이 생성한 빛은 제1 주파장을 가지고, 상기 제2 발광층이 생성한 빛은 제2 주파장을 가지며, 상기 제1 주파장은 상기 제2 주파장보다 작거나 또는 큰,
발광 소자.
제1항에 있어서,
상기 제2 발광층은 제3 양자우물과 제4 양자우물을 포함하고, 상기 제3 양자우물과 제4 양자우물이 교차 적층되어 상기 제2 발광층을 형성하는, 발광 소자.
제2항에 있어서,
상기 제3 양자우물은 제3 양자우물 에너지 갭을 가지고, 상기 제4 양자우물은 제4 양자우물 에너지 갭을 가지며, 상기 제3 양자우물 에너지 갭과 상기 제4 양자우물 에너지 갭의 차이는 0.06eV~0.1eV인, 발광 소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 발광층의 아래에 위치하는 기판;
상기 기판과 상기 제1 발광층 사이에 위치하는 제1 반도체층;
상기 제1 발광층과 상기 제2 발광층 사이에 위치하는 제2 반도체층;
상기 제2 반도체층과 상기 제2 발광층 사이에 위치하는 제3 반도체층; 및
상기 제2 발광층 상에 위치하는 제4 반도체층;
을 더 포함하는 발광 소자.
제4항에 있어서,
상기 기판의 재료는 갈륨비소(GaAs), 탄화규소(SiC), 사파이어(Sapphire)로 이루어진 군에서 선택된, 발광 소자.
제4항에 있어서,
상기 제2 반도체층과 상기 제3 반도체층 사이에 위치하는 터널링층(tunneling layer) 또는 점결층을 더 포함하는 발광 소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 발광층은 불가시광선을 방출하고, 제2 발광층은 가시광선을 방출하는, 발광 소자.
제7항에 있어서,
상기 가시광선과 상기 불가시광선의 파장은 150nm ~ 220nm의 차이가 있는, 발광 소자.
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