KR100629042B1 - 발광 다이오드를 구비하고 형광체를 사용하여 파장-변환을 수행하는 장치 - Google Patents

발광 다이오드를 구비하고 형광체를 사용하여 파장-변환을 수행하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 장치(500)는 활성영역(530), 형광체층(550) 및 기판(520)을 포함한다. 활성영역은 제 1 그룹의 파장에서 선택된 제 1 대역 파장들을 갖는 광을 방출하도록 형성된다. 현광체 층은 활성영역 및 외부매질 사이에 접하도록 위치한다. 형광체층은 활성영역에서 방출된 광의 제 1 대역 파장들을 제2 대역 파장들으로 변화시키도록 형성된다. 제2 대역 파장들의 중심 파장은 제 1 대역 파장들의 중심 파장보다 크다. 반사층은 활성영역과 광학적으로 결합된다. 활성영역은 반사층 및 현광체층의 사이에 위치한다. 반사층은 적어도 하나의 제 1 대역 파장들 및 제2 대역 파장들을 반사하도록 형성된다.

Description

발광 다이오드를 구비하고 형광체를 사용하여 파장-변환을 수행하는 장치{APPARATUS FOR PERFORMING WAVELENGTH-CONVERSION USING PHOSPHORS WITH LIGHT EMITTING DIODES}
본 발명은 일반적으로 발광 다이오드와 관련된다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 발광 다이오드를 구비하고 형광체를 사용하여 파장-변환을 수행하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재까지, 자외선과 청색광 사이의 파장을 가지는 광을 방출하는 발광 다이오드(LED)의 외부효율은 매우 낮다. 예를 들어 적색광을 방출하는 AlGaAs LED와 같은 다른 디바이스와 비교하여 수천 분의 1 퍼센트이다. 그러나, InGaN/AlGaN 양자 웰 디바이스(quantum well device)의 발전은 적색광을 방출하거나 황색광을 방출하는 LED와 유사한 효율을 가진 자외선 및 청색 사이의 파장을 방출하는 LED구조를 가능하게 했다. 예를 들어, 실온에서 InGaN/AlGaN의 외부 효율은 400 내지 450㎚의 방사 파장에서 10%에 도달하는 것으로 보고된다. 이는 참조문헌[(Nakamura 등의, Appl. Phys. Lett. 67(13), 1995, p.1868) 및 (미국특허번호 제5,959,307호, Nakamura 등)]에 보여진다. InGaN/AlGaN의 높은 굴절률을 고려할 때, 10%의 외부 효율은 내부 효율이 거의 100%에 도달함을 의미한다. 따라서, 자외선 및 청색 사이의 파장을 방출하는 이러한 LED의 내부효율은 잘 알려진 적색을 방출하거나 황색을 방출하는 LED의 효율보다 높다.
자외선 내지 청색 사이의 파장을 방출하는 LED가 상대적으로 높은 효율을 지니므로, 이러한 디바이스는 녹색에서 적색까지의 파장을 갖는 광을 방출하는 디바이스를 디자인하기 위한 뛰어난 기초를 형성할 수 있다. 그러나, 공지된 시스템은 효과적으로 자외선 내지 청색 사이의 파장을 방출하는 LED들을 포함하는 것에 실패하였다.
본 발명의 장치는 활성영역, 형광체층 및 기판을 포함한다. 활성영역은 제 1 그룹의 파장에서 선택된 제 1 대역 파장들을 갖는 광을 방출하도록 형성된다. 현광체 층은 활성영역 및 외부매질 사이에 접하도록 위치한다. 형광체층은 활성영역에서 방출된 광의 제 1 대역 파장들을 제2 대역 파장들으로 변환시키도록 형성된다. 제2 대역 파장들의 중심 파장은 제 1 대역 파장들의 중심 파장보다 크다. 반사층은 활성영역과 광학적으로 결합된다. 활성영역은 반사층 및 현광체층의 사이에 위치한다. 반사층은 적어도 하나의 제 1 대역 파장들 및 제2 대역 파장들을 반사하도록 형성된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 디바이스를 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 디바이스를 도시한다.
도 3은 실시예에 따른 발광 디바이스의 형광체층의 굴절률 대(verse) 외부효율 상한(external efficiency upper limit)을 도시하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3색의 칼라 화소를 갖는 발광 디바이스의 일부분을 도시한다.
도 5는 본 층의 다른 실시예에 따른 반사층을 적어도 하나이상 지니는 발광 디바이스를 도시한다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 반사층을 지니는 발광 디바이스를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 메사구조(mesa structure)를 가지는 발광 디바이스를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 각 화소가 메사구조를 갖는 다수의 화소를 지니는 발광 디바이스를 도시한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 디바이스를 도시한다. 발광 디바이스(100)는 콘택층(110), 활성영역(120), 기판(130), 형광체층(140) 및 콘택(contact, 150)을 포함한다. 활성영역(active region, 120)은 디바이스층(121), 활성층(122) 및 디바이스층(123)을 추가로 포함할 수 있다.
활성영역(120)은 유도 방출 공정(stimulated emission process)을 통해서 특정 대역 파장들을 지닌 광을 발생하는 층일 수 있다. 이 특정 대역 파장들은 특정 활성층에서 생산될 수 있는 넓은 파장 영역 중 일부분이다. 예를 들어, AlxGa1-XN(x는 0 내지 1의 값)으로 형성된 활성층(122)은 약 300㎚ 내지 약 500㎚의 파장을 지닌 광을 생산할 수 있다. 이 범위의 파장(즉, 300㎚ 에서 500㎚까지)은 자외선에서 가시광선의 청색광까지로 특정될 수 있다. 상기와 다른 방법으로, 활성층(122)에서 생산된 가능한 파장은 최소한 AlxGa1-XN(x는 0 내지 1의 값)으로 생산된 활성영역에 의해 생산될 수 있는 파장으로 기술될 수 있다.
일실시예에서, 활성층(122)은 InGaN/AlxGa1-xN으로 형성될 수 있으며, 디바이스층(121)은 활성층(122)과 접하는 p-타입 AlGaN층일 수 있으며, 디바이스층(123)은 활성층(122) 및 기판(130)의 사이에 접하고 있는 n-타입 AlGaN층일 수 있다. 이러한 타입의 활성영역은 종래의 기술문헌에 상세히 기술되어 있다. 활성영역(120)은 콘택(110) 및 콘택(150)에 의해 활성화되는 데, 콘택(150)은 디바이스층(123) 주위에 반지형태를 지닌다.
"디바이스층" 및 "활성층"이란 용어 각각은 다수의 층을 지니는 초격자(superlattice)구조와 같은 다수의 층을 포함할 수 있다는 것이 주지된다. 예를 들어, p-타입 디바이스층은 p-타입 특성을 나타내는 다수 층을 포함할 수 있다. 구체적으로 도 1에서, 디바이스층(121), 활성층(122), 디바이스층(123) 각각은 예를 들어, 초격자 구조를 갖는 다수의 층을 포함한다.
기판(130)은 디바이스층(123)과 인접하여 적합하게 형성될 수 있는 사파이어 기판, 실리콘 탄화물 및 임의의 다른 물질과 같은 기판의 형태일 수 있다.
형광체층(140)은 결합 물질내에 매설된 파장-변환 형광체의 매트릭스를 가지는 적절한 코팅 타입일 수 있다. "형광체"란 용어는 입사광선의 파장을 변환시키면서 발광할 수 있는 물질을 의미한다. "형광체"는 예를 들어, 발광할 수 있는 중합체일 수 있다. 표 1은 형광체층(140)으로 형성될 수 있는 코팅의 예를 도시한다.
표 1
코팅 최대발광 파장(㎚) 여기파장에서의 광자 변환 효율
254㎚ 312㎚ 365㎚ 405㎚ 436㎚
PPO in 2045 400 0.49 0.80 - - -
Bis-MSB in 2045 450 0.74 0.93 0.94 - -
"Blue Coating"(p-terph. +PPO+Bis-MSB in 2045) 430 0.93 0.92 0.95 - -
Hostasol 8G 510 0.12 0.21 0.10 0.18 0.17
Laser dye #481 in 2045 490 0.75 0.39 0.83 0.91 0.90
Laser dye # 495 in2045 520 0.21 0.10 0.28 0.34 0.36
"Green Coating"($481 + Hostasol 8G in 2045) 510 0.80 0.42 0.85 0.95 0.95
BBQ in 2045 495 0.78 0.62 0.83 0.85 0.82
"Red Coating"#481 + Hostasol 8G & Hostasol GG in 2045) 610 0.55 0.38 0.76 0.90 0.93

도 1에 도시된 콘택(110)은 디바이스층(121) 상에 연장되어 있으나, 콘택(110)은 콘택(110, 150)을 경유하여 활성층(122)내에서 적절한 과잉 캐리어 농도를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 콘택(110)은 반지 형태로 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 디바이스를 도시한다. 도 2에 도시된 발광 디바이스(200)는 디바이스(100)의 기판층(130)이 활성영역과 형광체층 사이에 놓여 있지 않고, 형광체층이 직접적으로 디바이스층의 하나와 접하고 있다는 점을 빼고는 도 1에 도시된 발광 디바이스(100)와 유사하다. 보다 구체적으로, 발광 디바이스(200)는 기판(210), 콘택(250), 활성영역(220), 형광체층(230) 및 콘택(240)을 포함한다. 활성영역(220)은 디바이스층(221), 활성층(222) 및 디바이스 층(223)을 포함한다.
본 발명 실시예의 특정구조는 형광체층내의 형광체의 농도에 의존하여 변할 수 있다. 하기에서 설명될 내용은 두 타입의 구조를 구별하고, 각 타입의 구조에 대한 발광 디바이스를 설계하는 방법을 나타낸다.
활성층(예를 들어, 도 1의 활성층(122), 도 2의 활성층(222))내의 자발적 방사는 등방성으로(isotropically) 방사되고, 형광체층(예를 들어, 도 1의 형광체층(140), 도 2의 형광체층(230))의 반대방향으로 방사되는 방사는 무시하는 것으로 가정한다. 이 경우에 있어서, 형광체층의 굴절률보다 적은 굴절률을 갖는 형광체층 및 활성층 사이에 어떤 다른 층이 없다면, 결합효율(coupling efficiency) ηc 즉, 형광체층에 결합된 활성층으로부터 방출된 방사 부분은 하기의 식으로 표현된다.
Figure 112001008653670-pct00001
식(1)에서, na는 형광체층 및 활성영역의 활성층 사이에 위치한(하지만, 접촉할 필요는 없는) 활성영역의 디바이스층의 굴절률이다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, na는 디바이스층(123)과 관련되며, 도 2에 도시된 바와 같이, na는 디바이스층(223)과 관련된다.
식(1)은 형광체층으로 전달되는 여기방사(excitation radiation)를 위한 내부반사를 고려한 것이며, 내부층의 경계면(예를 들어, 도 1에 도시된 형광체층(140) 및 기판(130)의 경계면)에서의 프레스넬 반사(Fresnel reflection)를 무시한 것이다. 식(1)이 보여주는 바와 같이, 활성영역에서 형광체층까지의 결합 효율 ηc는 형광체층의 굴절률 nc가 증가함에 따라 증가하나, 형광체층 및 형광체의 외부매질(예를 들어, 공기)사이의 경계면에 대한 결합 효율은 nc가 증가함에 따라 감소한다. 형광체층 및 형광체층 외부매질 사이의 경계면에서의 결합효율 ηp는 식 (2)에 의해서 계산될 수 있다.
Figure 112001008653670-pct00002
식 (2)에서, 이 경계면에서의 전체 내부반사 뿐만 아니라 형광체층 외부의 매질과 형광체와의 경계면에서의 프레스넬 반사가 고려된다. 식 (1) 및 식 (2)의 계산 값은 (하나의 광-경로 방출기(emitter)의 근사값으로) nc의 함수로서의 발광 디바이스의 외부 효율 ηe에 대한 상한값을 나타낸다.
도 3은 실시예에 관련된 발광 디바이스의 형광체의 굴절률 대 외부효율 상위 한계를 나타내는 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 디바이스의 외부 효율 ηe는 nc가 na와 같을 때 최대값을 나타낸다. 따라서, 디바이스 경계면에서의 프레스넬 반사는 최적의 상태, 예를 들어 굴절률이 매치되는 디바이스에서는 무시될 수 있다. 활성영역 및 형광체층 사이에 놓여지는 층이나 물질이 없을 때(예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 기판이 활성영역 및 형광체층 사이에 놓이지 않을 때), 이러한 고려는 특정 굴절률을 가지는 형광체층을 선택하는 데 바람직한 기초가 된다.
그러나, 이러한 접근은 도 1의 발광 디바이스(100)와 같이 기판이 활성영역 및 형광체층의 사이에 위치할 때는 바람직하지 않다. 이러한 접근은 기판(130)이 활성영역의 굴절률 na보다 작은 굴절률을 가지기 때문에 적절하지 않다. 예를 들어, 기판(130)이 사파이어로 형성될 때, 이것의 굴절률은 대략 1.75인데, 이는 활성영역의 굴절률(예를 들어, na는 대략 2.25)보다 상당히 적다. 즉, nc＞ns의 범위에서 nc가 증가함에 따라 형광체 펌핑(즉, 활성영역과 형광체층의 결합효율)의 효율을 향상시키지 않는다.
따라서, 기판이 활성영역 및 형광체의 사이에 위치하지 않고(예를 들어, 도 2에 도시된 발광 디바이스(200)와 같이), 형광체층(예를 들어, 형광체층(230))의 굴절률이 실질적으로 형광체층에 인접한 활성영역의 디바이스층(예를 들어, 디바이스층(223))의 굴절률과 실질적으로 동일할 때, 발광 디바이스의 외부효율은 최대화될 수 있다. 이와 반대로 기판이 활성영역 및 형광체 사이에 위치할 때(예를 들어, 도 1에 도시된 발광 디바이스(100)), 기판(예를 들어, 기판(130))의 굴절률 및 형광체층(예를 들어, 형광체층(140))의 굴절률은 실질적으로 동일하여야 한다.
여기서, "실질적으로 동일하다"는 의미는 실질적으로 거의 비슷하다는 의미이다. 즉, 기판이 활성영역 및 형광체층 사이에 놓여지지 않는 발광 디바이스에서, 결합 물질 및 형광체층의 형광체는 형광체층의 굴절률이 형광체층과 인접하는 활성영역의 디바이스층의 굴절률과 실질적으로 비슷하도록 선택될 수 있다. 상기와 다른 방법으로, 형광체층으로 일련의 가능한 결합물질 및 형광체를 선택할 때, 발광 디바이스의 설계 시에, 인접한 디바이스층에 매치되는 굴절률을 가지는 일련의 결합물질 및 형광체를 선택하여야 한다. 이와 달리, 기판이 활성영역 및 형광체층 사이에 위치하는 실시예에서, 형광체층으로 일련의 가능한 결합물질 및 형광체를 선택할 때, 발광 디바이스의 설계 시에, 기판에 매치되는 굴절률을 가지는 일련의 결합물질 및 형광체를 선택하여야 한다.
형광체 내의 형광체 농도는 낮아서, 형광체층의 굴절률이 실질적으로 광과 관련된 파장을 변환시키지 않을 때, 상기와 같은 고려는 충분하다. 형광체층의 굴절률이 형광체층의 결합물질의 굴절률에 의해서 주로 정해질 때, 형광체 농도는 낮다. 상기와 다른 방법으로, 활성영역에 의해서 생산된 광과 관련된 파장에서의 형광체층 굴절률이 형광체층에 의해 파장-변환된 광과 관련된 파장에서의 형광체층의 굴절률과 실질적으로 동일하다면, 형광체 농도는 낮다. 즉, 형광체가 상대적으로 낮은 산란율을 가진다면, 형광체 농도는 낮다.
형광체층이 결합물질내에서 높은 형광체 농도를 지닌다면, 다른 설계의 고려가 존재한다. 이러한 경우에 있어서, 형광체층은 발광 디바이스의 활성영역에 의해서 생산된 광과 관련된 파장에서 높은 흡수율을 갖는다. 따라서, 활성영역에서 생산된 광과 관련된 파장에서의 형광체층의 굴절률 nce는 형광체층에 의해서 파장-변환된 광과 관련된 파장에서의 형광체층의 굴절률 ncr과는 다르다. 이는 예를 들어, 유기물질에서의 강한 프랭크-콘돈 시프트(Frank-Condon shift) 때문에, 유기 염색 형광체 뿐만 아니라 불순물 이온-활성화된 CdS 및 ZnS 형광체를 가지는 경우이다.
형광체층의 굴절률이 파장에 따라서 변하는 경우에, 활성영역에 의해 생산된 광과 관련된 파장에서의 형광체층 굴절률 nce이 형광체층(예를 들어, 도 1의 기판(130) 또는 도 2의 디바이스층(223))과 인접하여 접하는 층의 굴절률과 동일하도록, 결합물질 및 형광체는 선택되어져야 한다. 만약 nce와 na가 비슷하다면, 반사손실이 발생하지 않고, 형광체층 방향으로 전달되는 활성영역에서 생산된 모든 광은 파장-변환된 광으로 변환될 수 있다. 이와 유사하게, 또한 형광체층에 의해 파장-변환된 광과 관련된 파장에서의 형광체층의 굴절률 ncr이 형광체층 외부매질의 굴절률과 실질적으로 동일하도록, 결합 물질 및 형광체는 선택되어져야 한다. 이러한 매질은 예를 들어 에폭시(예를 들어 1.4 내지 1.6의 굴절률을 지님), 공기, 물, 진공, 또는 고유의 굴절률을 지니는 다른 타입의 매질일 수 있다.
"실질적으로 동일하다"는 의미는 실질적으로 비슷하다는 의미이다. 즉, 활성영역 및 형광체층 사이에 놓인 기판을 지닌 발광 디바이스에서, 결합물질 및 형광체는 활성영역에 의해서 생산된 광과 관련된 파장에서의 형광체의 굴절률 nce이 기판의 굴절률과 실질적으로 비슷하도록 선택되어져야 한다. 이와 유사하게, 형광체층에 의해 파장-변환된 광과 관련된 파장에서의 형광체층의 굴절률은 형광체층 외부의 매질의 굴절률과 실질적으로 비슷하도록 선택될 수 있다.
고려된 형광체의 파장 변환에 따른 내부효율이 거의 100%에 근접한다는 것을 고려할 때, 형광체층 굴절률nc의 산란에 의하여 디바이스 외부 방사 효율의 절대값이 증가될 수 있다. 식 (2)에서 얻은 ηe의 근사치를 사용하면, 파장-변환된 방사의 외부효율 대 형광체 코팅을 가지는 않는 자외선/청색 발광 디바이스의 효율의 비는 0.5na(na+1)2/ncr(ncr+1)2이다. 여기서, 방출 표면의 방향으로 전달되는 파장-변환된 방사의 단지 반만이 전달되기 때문에, 계수는 0.5가 사용된다. 그럼에도 불구하고, 예를 들어 na=nce=2.5 및 ncr=1.5이면, 파장-변환된 방사의 양자 효율은 자외선/청색 발광 디바이스의 효율보다 50%이상 높을 것이다. 이의 절대값은 지금까지 고려한 하나의 광-경로 모델 구조에서도 심지어 5%이상 높을 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예와 관련된 3가지 칼라 화소를 가지는 발광 디바이스의 일부분을 도시한다. 발광 디바이스(400)는 기판(410), 디바이스층(420) 및 화소(430, 440 및 450)를 포함할 수 있다. 각각의 화소(430, 440 및 450)는 디스플레이 시에 서로 다른 칼라를 나타낸다. 예를 들어, 화소(430)는 적색과 관련된 파장을 갖는 광을 생산할 수 있고, 화소(440)는 녹색과 관련된 파장을 갖는 광을 생산할 수 있고, 화소(450)는 청색과 관련된 파장을 갖는 광을 생산할 수 있다. 물론, 도 4에는 발광 디바이스 예의 일부분(3가지의 화소를 갖는 일부영역)만을 도시하나, 이러한 발광 디바이스는 예를 들어 2차원으로 배열된 다수의 화소를 포함할 수 있다. 이러한 구조에서, 각 화소는 칼라 디스플레이를 제공할 수 있도록 각각 어드레스(addressable)될 수 있다.
화소(430)는 콘택(431), 형광체층(432), 디바이스층(433), 활성층(434) 및 콘택(435)을 추가로 포함한다. 화소(430)에서, 활성영역(434)은 디바이스층(433), 활성층(434) 및 활성층(434)과 콘택(435)에 인접하여 접하고 있는 디바이스층(420)의 일부로 정의될 수 있다.
화소(440)는 콘택(441), 형광체층(442), 디바이스층(443), 활성층(444) 및 콘택(445)을 추가로 포함한다. 화소(440)에서, 활성영역(444)은 디바이스층(443), 활성층(444) 및 활성층(444)과 콘택(445)에 접하고 있는 디바이스층(420)의 일부로 정의될 수 있다.
마지막으로, 화소(450)는 콘택(451), 형광체층(452), 디바이스층(453), 활성층(454) 및 콘택(455)을 추가로 포함한다. 화소(450)에서, 활성영역(454)은 디바이스층(453), 활성층(454) 및 활성층(454)과 콘택(455)에 접하고 있는 디바이스층(420)의 일부로 정의될 수 있다.
형광체층(432, 442 및 452)은 각 대응 화소(430, 440 및 450)가 일반으로 적색, 녹색 및 청색에 대응하는 파장을 가진 광을 방사하도록 선택될 수 있다. 보다 구체적으로, 화소(450)는 대략 400㎚ 내지 대략 550㎚ 사이의 중심 파장을 갖는 광을 방출한다. 화소(440)는 대략 430㎚ 내지 대략 650㎚ 사이의 중심 파장을 갖는 광을 방출한다. 화소(430)는 대략 550㎚ 내지 대략 750㎚ 사이의 중심 파장을 갖는 광을 방출한다.
다른 실시예에서는, 400㎚ 내지 대략 550㎚ 사이(즉, 청색의 파장)의 파장을 갖는 광을 생산하는 화소와 관련된 형광체층은 존재할 필요가 없다. 즉, 활성층이 주로 청색의 파장을 가지는 광을 생산하도록, 청색의 파장과 관련된 화소의 활성층이 선택될 수 있다. 파장 변환을 수행하도록, 관련 형광체층이 반드시 존재할 필요는 없다. 따라서, 활성층에서 생산된 광은 관련된 화소쪽으로 직접 전달될 것이다.
발광 디바이스의 외부효율은 다수-경로의 광을 생산하는 경우에 상당히 증가될 것이다. 파장-변환된 형광체층으로부터 대향하는 방향으로 전달되는 활성층에 의해서 생산된 광은 다시 반사될 수 있으므로, 형광체층으로의 활성층의 펌핑효율을 두배로 증가시킨다. 반사층은 예를 들어 활성영역에 광학상으로 결합될 수 있다. "광학상으로 결합된다"는 의미는 활성영역에서 방출된 광이 반사층에 의해서 반사되도록 작동한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 반사층은 활성층과 인접하여 접촉될 수 있고, 사이에 끼워진 층(예를 들어, 기판)은 반사층 및 활성층 사이에 위치될 것이다.
추가적으로, 파장-선택적인 다른 반사층은 활성영역과 형광체층 사이에 위치될 수 있다. 이러한 파장-선택적 반사층은 활성영역내에서 생산된 광이 전달되도록 하고, 형광체층 내에서 생산된 광이 다시 반사되어 발광 디바이스의 방출표면으로 방출되도록 한다. 예를 들어, GaN/AlGaN 필터를 선택적으로 반사하는 파장은 사파이어 기판에서 생성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적어도 하나의 반사층을 지니는 발광 디바이스를 도시한다. 발광 디바이스(500)는 기판(510), 콘택(560), 반사층(520), 활성영역(530), 반사층(540), 형광체층(550) 및 콘택(570)을 포함한다. 활성영역(530)은 디바이스층(531), 활성층(532) 및 디바이스층(533)을 포함한다. 이 실시예에서, 반사층(520)은 형광체층(550)에서 생산된 제2 대역 파장들을 가지는 형광체-변환된 광 뿐만 아니라 활성영역(530)의 활성층(532)에 의해서 생산된 대역 파장들을 가지는 광을 반사하도록 형성된다. 즉, 활성층(532)은 반사층(520)으로 전달되는 제 1 대역 파장들을 갖는 광(예를 들어, 주로 청색광)을 생산할 수 있다. 이와 유사하게, 광은 형광체층(550)에 의해 파장-변환될 수 있고, 반사층(520)으로 전달될 수 있다. 이 경우에, 반사층(520)은 제 1 대역 파장들을 갖는 광 및 제2 대역 파장들을 갖는 광(즉, 형광체층(500)에 의해서 파장-변환된 광) 모두를 반사할 수 있다.
반사층(540)은 파장 선택적인 반사층일 수 있다. 즉, 형광체층(550)에서 생산된 제2 대역 파장들을 갖는 광(즉, 파장-변환된 광)이 반사층(540) 및 형광체층(550) 사이의 경계에서 반사될 때, 제 1 대역 파장들을 갖는 광(즉, 활성층(532)에 의해서 생산된 광)이 전달되도록, 반사층(540)이 형성될 수 있다. 상기 경계에서 파장-변환된 광을 반사시킴으로써, 광이 발광 디바이스(500)에서 보다 효율적으로 빠져나갈 수 있으며, 발광 디바이스(500)의 다른 층(예를 들어, 디바이스층(533), 활성층(532), 디바이스층(531))을 통해서 불필요하게 전파되지 않는다.
다른 실시예에서는 단지 하나의 반사층이 존재할 수 있다. 즉, 다른 실시예에서는 디바이스층 및 형광체층 사이에 반사층이 존재하지 않고, 콘택 및 디바이스층 사이에 반사층이 존재할 수 있다. 또다른 실시예에서는 이와 반대로 즉, 콘택 및 디바이스층의 사이에 반사층이 존재하지 않는 반면 디바이스층 및 형광체층 사 이에는 반사층이 존재할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 반사층을 지니는 발광 디바이스를 도시한다. 발광 디바이스(600)는 형광체층(610), 콘택(620), 활성영역(630), 콘택(640), 반사층(650) 및 기판(660)을 포함한다. 활성영역(630)은 디바이스층(631), 활성층(632) 및 디바이스층(633)을 포함한다.
반사층(650)은 제 1 대역 파장들을 가지는 광(예를 들어, 활성영역(630)의 활성층(632)에 의해서 생산된 광) 및 제2 대역 파장들을 가지는 광(예를 들어, 형광체층(610)에 의해 파장-변환를 통해서 생산된 광)을 반사하도록 형성된다. 즉, 활성층(632)에 의해서 생산된 광은 반사층(650)의 방향으로 전달될 수 있고, 형광체층(610)에서의 파장-변환을 통해서 생산된 광은 반사층(650)의 방향으로 전달될 수 있다. 반사층(650)에 의해 반사된 이러한 대역 파장들 중 하나의 파장을 갖는 광은 형광체층(610)으로 다시 향하여, 광은 최종적으로 외부로 나간다.
도 6에 도시되지는 않았으나, 파장-선택적 반사층은 디바이스층(631) 및 형광체층(610) 사이에 위치할 수 있다. 형광체층(610)에 의해서 생산된 제2 대역 파장들을 지니는 광(즉, 파장-변환된 광)이 파장-선택적 반사층 및 형광체층(610) 사이의 경계에서 반사될 때, 제 1 대역 파장들을 지니는 광(즉, 활성층(632)에 의해서 생산된 광)이 전달되도록, 이러한 파장-선택적 반사층이 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 반사층의 개념은 또한 예를 들어 도 4에 도시된 발광 디바이스(400)와 같은 본 발명의 다른 실시예에 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 반사층은 디바이스층(420) 및 기판(410) 사이에 부가될 수 있다. 이러한 실시예에서, 반사층은 형광체층(432,442 및 452)에서 생산된 파장-변환된 광 뿐만 아니라 활성층(434, 444 및 454)에서 생산된 광의 모든 파장을 반사한다. 상기와 다른 방법으로, 이러한 반사층은 예를 들어 활성층에서 생산된 주로 자외선에서 청색의 파장을 지니는 광을 반사할 수 있고, 또한 주로 화소(450)와 관련된 청색, 화소(440)에 의해서 생산된 녹색 및 화소(430)에 의해서 생산된 적색을 지니는 파장-변환된 광을 반사한다. 이와 유사하게, 파장-선택적인 반사층은 형광체층(432) 및 디바이스층(433) 사이에 위치할 수 있다.
상기에서 기술된 발광 디바이스의 외부 효율은 디바이스층의 평면과 거의 평행한 방향으로(즉, 발광 디바이스 밖으로 전파되는 방향에 거의 평행하게) 방출된 광을 모음으로써 보다 향상될 수 있다. 활성영역의 GaN 디바이스층들은 도파관을 형성할 수 있는 데, 이는 그것들의 유효 굴절률이 기판의 유효 굴절률보다 높기 때문이다. 디바이스의 기울어진 측벽(예를 들어, 메사같은 구조)은 방출 표면의 방향으로 재방출할 수 있다. 따라서, 발광 디바이스의 외부효율을 거의 두배로 증가시킨다. 반사층 및 메사구조와 관련하여 상기에서 기술된 발광 디바이스는 모든 가시광선 스펙트럼에서 20-30% 높은 디바이스의 외부효율을 이룰 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예와 관련된 메사 구조를 가지는 발광 디바이스를 도시한다. 발광 디바이스(700)는 콘택(710), 활성영역(720), 콘택(730), 기판(740) 및 형광체층(750)을 포함한다. 활성영역(720)은 디바이스층(721), 활성층(722) 및 디바이스층(723)을 포함한다. 기판(740)은 제 1면(741), 제2면(742) 및 측벽(743)을 포함한다. 또한 도 7에 도시된 바와 같이, 발광 디바이스를 통해서 전달되는 것을 보여주는 일련의 광은 광선(760, 770 및 780)이다.
기판(740)은 메사 구조를 형성한다. 보다 구체적으로, 기판(740)은 기판(740)의 제2면(742)의 표면에 경사각(θ)을 형성한다. 상기와 다른 방법으로, 기판(740)의 제 1면(741)은 기판의 제2면(742)보다 작기 때문에, 기판(740)에 의해서 형성된 측벽(743)은 경사가 진다.
매질은 기판(740)의 측벽(743)의 외부에서 접하도록 위치한다. 이 외부매질은 고유의 굴절률을 가지며, 도 7에서 790으로 표시된다.
측벽(743)에 적절한 특정의 경사각은 기판의 굴절률 및 외부매질(790)의 굴절률에 의존한다. 보다 구체적으로, 스넬의 법칙에 따라 기판(740)에서 방출된 광은 측벽(743)에서 서로 영향을 미치기 때문에, 외부매질(790)의 굴절률 및 기판(740)의 굴절률이 인자(factor)가 된다. 외부매질(790)은 예를 들어, 에폭시(1.4 내지 1.6의 굴절률을 지님), 공기, 진공 또는 고유의 상대적인 굴절률을 지니는 다른 형태의 매질일 수 있다. 기판(740)의 굴절률은 예를 들어 1.75 내지 2.0일 수 있다.
기판의 특정 굴절률 및 외부매질(790)의 굴절률은 내부 반사와 관련하여 어떻게 기판(740) 내로 전달되는 광이 반사될 수 있는가를 결정한다. 하기의 관계는 최적 경사각을 결정할 수 있다. θ≤90°- arcsin(n2/n1), 여기서 n1은 기판(740)의 굴절률, n2는 외부매질(790)의 굴절률이다.
물론, 이 관계는 발광 디바이스층의 굴절률을 n2로 놓고, 층의 외부매질을 n1으로 놓음으로써, 디바이스의 다른 층에도 일반화될 수 있다. 따라서, 기판의 측벽이 기울질 수 있는 것과 같이, 디바이스층(721), 활성층(722) 및 디바이스층(723)에 대응하는 측벽이 보다 더 기울어질 수 있다. 층(721, 722 및 723) 측벽의 경사각은 기판(740)의 측벽(743)의 경사각과 동일하거나 서로 다를 수 있다. 상기의 방법과 달리, 제 1 디바이스층, 활성층, 제2 디바이스층 및/또는 기판의 적어도 하나이상의 측벽은 방출표면으로 보다 많은 광이 방출되도록 기울어질 수 있다.
예를 들어, 외부매질은 1.4 내지 1.7의 굴절률을 지니는 에폭시이며, 기판은 대략 1.75 정도의 굴절률을 지니는 사파이어 기판이며, 활성영역 층은 대략 2.0 정도의 굴절률을 가지며, 발광 디바이스 측벽의 경사각(θ)은 대략 40도 내지 60도이다.
측벽(743)에서 전체 내부 반사에 의해서 반사된 광선(770 및 780)과 같이, 전달 방향이 변환되는 광선을 적용함으로써, 보다 많은 광이 형광체층(750)을 통해서 발광 디바이스(700) 밖으로 전파된다.
도 8은 본 발명의 실시예와 관련하여 각 화소가 메사 같은 구조를 지니는 다수의 화소를 지니는 발광 디바이스를 도시한다. 발광 디바이스(800)는 기판(810), 디바이스층(820) 및 화소(830, 840 및 850)를 지닌다. 화소(830)는 콘택(831), 형광체층(832), 디바이스층(833), 활성층(834) 및 콘택(835)을 포함한다. 이와 유사하게, 화소(840)는 콘택(841), 형광체층(842), 디바이스층(843), 활성층(844) 및 콘택(845)을 포함한다. 이와 유사하게, 화소(850)는 콘택(851), 형광체층(852), 디바이스층(853), 활성층(854) 및 콘택(855)을 포함한다.
도 7에 도시된 발광 디바이스(700)에서 기술된 메사 구조와 유사하게, 도 8에 도시된 발광 디바이스(800)의 주어진 화소 또는 다수 화소는 메사구조를 가질 수 있다. 하기의 설명은 발광 디바이스(800)의 두-방향 화소 배열을 지니는 다른 화소 뿐만 아니라 화소(830)와 관련되고, 유사한 구조가 화소(840 및 850)에도 제공될 수 있다.
형광체층(832) 및 활성층(834)과 접촉하면서 그 사이에 위치한 디바이스층(833)은 활성층(834)에 인접한 제 1면 및 형광체층(832)과 측벽(836)에 인접한 제2면을 지닌다. 측벽(836) 외부의 매질은 도 8에서 860으로 표시되며, 고유의 굴절률을 지닌다.
측벽(836)은 각(θ)으로 기울어질 수 있다. 이 경사각(θ)은 90°보다 적으며, 상기에서 기술된 바와 같이 외부매질의 굴절률 및 디바이스층(833)의 굴절률의 상기에서 기술된 관계에 따라 40°내지 60°로 변화될 수 있다. 활성층(834)의 유사 측벽 및 활성층(834)에 인접한 디바이스층(820)의 일부분은 예를 들어 경사각(θ)과 같은 각도로 기울어질 수 있다는 것이 또한 주지된다.
본 발명은 특정의 구조에 대해서 기술되었으나 다른 구조도 당업자에게는 자명할 것이다. 예를 들어, 발광 디바이스를 단면도로 도시할 수 있으나, 다양한 구조도 가능하여, 디바이스의 평면도는 예를 들어, 직각, 원형, 또는 적절한 형태일 수 있다. 도면은 척도법에 맞추어 발광 디바이스가 도시되지 않았음을 주목하라. 여기에서 기술되고 도면에서 도시된 발광 디바이스는 층들이 직접적으로 서로 함께 배치될 수 있는 경우에서는 모노리식(monolithinc)구조로 형성될 수 있다.

Claims (10)

  1. 제 1 그룹의 파장들로부터 제 1 대역 파장들의 광을 방출하도록 형성된 활성영역;
    상기 활성영역과 외부매질 사이에 접하도록 위치하고, 상기 활성영역으로부터 방출된 광의 제 1 대역 파장들을 제 2 대역 파장들- 상기 제 2 대역 파장들의 중심 파장은 상기 제 1 대역 파장들의 중심 파장보다 높음 - 으로 변환하도록 형성된 형광체층; 및
    상기 활성영역에 광학적으로 결합된 반사층을 포함하며,
    상기 활성영역은 상기 반사층과 상기 형광체층 사이에 위치하고, 상기 반사층은 상기 제 1 대역 파장들과 상기 제 2 대역 파장들 중 적어도 하나를 반사하도록 형성된, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성영역은 활성층, 제 1 디바이스층 및 제 2 디바이스층을 가지며,
    상기 제 1 디바이스층은 상기 반사층 및 상기 활성영역의 활성층 사이에 접촉하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 형광체층과 상기 활성영역의 제 2 디바이스층 사이에 위치하는 기판; 및
    상기 기판 및 상기 형광체층의 사이에 접촉하여 위치하고, 상기 활성영역에서 전달된 상기 제 1 대역 파장들을 가지는 광을 전송하도록 형성되며, 상기 형광체층에서 전달된 상기 제 2 대역 파장들의 광을 반사하도록 형성된 제 2 반사층
    을 더 포함하는 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    기판을 더 포함하고,
    상기 활성영역은 활성층, 제 1 디바이스층 및 제 2 디바이스층을 가지며, 상기 반사층은 상기 기판 및 상기 활성영역의 제 1 디바이스층 사이에 접촉하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 대역 파장들을 갖는 광을 방출하도록 형성된 제 2 활성영역;
    상기 제 2 활성영역과 상기 외부매질 사이에서 접촉하도록 위치하고, 상기 제 2 활성영역으로부터 방출된 광의 제 1 대역 파장들을 제 3 대역 파장들 - 상기 제 3 대역 파장들의 중심 파장은 상기 제 1 대역 파장들의 중심파장보다 큼 - 으로 변환하도록 구성된 제 2 형광체층; 및
    활성층, 제 1 디바이스층, 제 2 디바이스층을 갖는 제 3 활성영역을 더 포함하며,
    상기 제 3 활성영역의 제 2 디바이스층은 상기 반사층과 접촉하도록 인접하여 위치하고, 상기 제 3 활성영역은 상기 제 1 대역 파장들을 갖는 광을 방출하도록 구성되고,
    상기 반사층은 상기 제 2 활성영역 및 상기 제 3 활성영역과 광학적으로 결합하고, 상기 제 2 활성영역은 상기 반사층 및 상기 제 2 형광체층 사이에 위치하고, 상기 반사층은 제 3 대역 파장들을 반사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 그룹의 파장들 중에서 제 1 대역의 파장들을 갖는 광을 방출하도록 구성된 활성층, 제 1 디바이스층, 제 2 디바이스층을 포함하는 활성영역; 및
    형광체층을 포함하고,
    상기 활성영역의 제 1 디바이스층은 상기 형광체층과 상기 활성영역의 활성층 사이에 접촉하도록 위치하고, 상기 형광체층은 상기 활성영역으로부터 방출된 광의 제 1 대역 파장들을 제 2 대역 파장들로 변환시키고, 상기 제 2 대역 파장들의 중심 파장은 상기 제 1 대역 파장들의 중심 파장보다 크며,
    상기 제 1 디바이스층은 제 1 면, 제 2 면 및 상기 제 1 면과 제 2 면 사이의 측벽을 가지며, 상기 제 1 면은 제 1 영역을 가지고 상기 활성영역의 활성층과 인접하며, 상기 제 2 면은 상기 제 1 영역보다 큰 제 2 영역을 가지고 상기 형광체층과 인접하며,
    상기 측벽은 상기 제 1 디바이스층의 제 2 면으로부터 기울어진 각으로 형성되고, 상기 각은 90도 보다 작은, 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 각은 40도 내지 60도 사이인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 기판은 제 1 굴절률을 가지며,
    상기 기판의 측벽은 제 2 굴절률을 갖는 외부매질과 접촉하여 인접하고,
    상기 각은 90도에서 상기 제 2 굴절률을 상기 제 1 굴절률로 나눈 값의 아크사인(arcsin)값을 뺀 것보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 활성영역의 활성층은 상기 제 1 디바이스층의 측벽 각을 가진 측벽을 가지고,
    상기 활성영역의 제 2 디바이스층은 상기 제 1 디바이스층의 측벽 각을 가진 측벽을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    제 2 활성층 - 상기 제 2 활성층은 상기 제 1 대역 파장들을 갖는 광을 방출하도록 구성됨 - , 제 3 디바이스층 및 제 4 디바이스층을 포함하는 제 2 활성영역; 및
    제 2 형광체층을 더 포함하고,
    상기 활성영역의 제 3 디바이스층은 상기 제 2 형광체층과 접촉하도록 위치하고, 상기 제 2 형광체층은 상기 제 2 활성영역에서 방출된 광의 제 1 대역 파장들을 제 3 대역 파장들로 변환시키도록 형성되고, 상기 제 1 대역 파장들의 중심파장은 제 1 대역 파장들의 중심 파장보다 더 크고,
    상기 제 3 디바이스층은 제 1 면, 제 2 면 및 상기 제 1 면과 제 2 면 사이의 측벽을 가지며, 상기 제 3 디바이스층의 제 1 면은 제 1 영역을 가지고 상기 제 2 활성영역의 제 2 활성층과 인접하며, 상기 제 3 디바이스층의 제 2 면은 상기 제 3 디바이스층의 제 1 영역보다 큰 제 2 영역을 가지고 상기 형광체층과 인접하며,
    상기 제 3 디바이스층의 측벽은 상기 제 3 디바이스층의 제 2 면으로부터 기울어진 제 2 각으로 형성되고, 상기 제 2 각은 90도보다 작은, 장치.
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