KR100646634B1

KR100646634B1 - 발광 다이오드

Info

Publication number: KR100646634B1
Application number: KR1020050055035A
Authority: KR
Inventors: 김경훈
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2006-11-23
Also published as: US9024339B2; WO2006137715A1; JP2008544541A; JP4975024B2; US20080197373A1

Abstract

본 발명은 기판, 상기 기판 상에 형성된 N형 반도체층, P형 반도체층을 포함한 발광층 및 상기 발광층 상에 또는 상기 기판의 배면 상에 형성된 파장변환층을 포함하고, 상기 파장변환층은 희토류 원소로 도핑된 3족 질화물 반도체인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제공한다. 상기 희토류 원소는 Tm, Er, Eu 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 발광 다이오드는 발광 칩에서 방출되는 1차 광을 파장변환하여 원하는 색을 다양하게 구현하며, 균일한 색의 발광으로 제품의 신뢰성과 품질을 향상시킬 수 있고, 기존 반도체 공정을 연장하여 활용함으로써 제조가 용이하고, 공정을 단순화하고 공정 비용 및 공정 시간을 단축시킬 수 있으며, 제품을 소형화할 수 있다.

발광 다이오드, 질화물 반도체, 형광체, 파장 변환, 반도체 공정, 증착 공정

Description

발광 다이오드 {Light emitting diode}

도 1은 본 발명에 따른 제 1 실시예를 도시한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 제 2 실시예를 도시한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 제 3 실시예를 도시한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 제 4 실시예를 도시한 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 제 4 실시예의 변형예를 도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기판 20 : N형 반도체층

30 : 활성층 40 : P형 반도체층

50 : 발광층 60 : 파장변환층

61, 62, 63 : 제 1, 2, 3 파장변환층

70 :반사 전극

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광 칩 본래의 발광색을 파장변환하여 원하는 색의 광으로 균일하게 구현되는 발광 다이오드에 관 한 것이다.

일반적으로 발광 다이오드는 화합물 반도체의 p-n 접합 구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 양공)를 만들어내고, 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 소자를 지칭한다. 이는 소모 전력이 작고 내구성이 우수하여 다양한 제품 분야에 응용되고 있으며, 단일 칩 또는 멀티 칩을 사용하여 원하는 색의 발광을 구현할 수 있다.

예를 들어 단일 칩의 경우, GaAsP 등을 이용한 발광 칩을 사용하여 적색을 발광하고, GaP 등을 이용한 발광 칩을 사용하여 녹색을 발광하고, InGaN/AlGaN 더블 헤테로(double hetero) 구조를 이용한 발광 칩을 사용하여 청색을 발광할 수 있다.

또한 멀티 칩의 경우, 적색, 녹색, 청색을 발광하는 발광 칩을 동시에 사용하여 백색 발광을 구현할 수 있다. 그러나 다수 개의 발광 칩을 이용하여 색을 구현하는 경우에는 주변 온도에 따라 각각의 발광 칩의 출력이 변하여 색 좌표가 달라질 수 있으며, 각 발광 칩의 전류 및 전압 요구 조건과 같은 상이한 성능 특성을 고려해야 한다.

한편, 단일 칩의 경우에 화합물 반도체의 발광 칩과, 발광 칩에서 방출되는 1차 광을 파장변환시키는 형광 물질로 원하는 색의 발광을 구현할 수 있다.

예를 들어, 청색으로 발광하는 발광 칩 위에 그 광의 일부를 여기원으로 황록색 또는 황색 발광 형광체를 도포하여 발광 칩의 청색 발광과 형광체의 황록색 또는 황색 발광에 의해 백색을 얻을 수 있다. 또한, 자외선을 발광하는 발광 칩 위 에 발광된 자외선을 흡수하여 녹색에서 적색까지의 가시광선을 발광하도록 형광체를 도포함으로서 가시광선으로의 파장 변환이 가능하다.

일반적으로 발광 다이오드의 1차 광에 대한 파장 변환은 반사기(reflector) 컵을 충진하는 데에 이용되는 에폭시 속에 형광 물질을 주입함으로써 얻어진다. 즉, 형광 물질 분말을 혼합한 액상 에폭시가 발광 칩이 실장된 반사기 또는 수용기 내부에 충진되어, 소정 시간 경과 후에 경화된다. 또한 형광 물질 분말이 혼합된 액상 에폭시를 주사기에 넣고 디스펜서를 통해 일정량 상기 발광 다이오드 칩 상에 포팅(potting)하는 공정을 통해 형성될 수도 있다.

그러나 에폭시에 형광 물질 분말을 혼합하는 경우, 형광 물질 입자의 크기가 균일하지 않기 때문에 경화되는 동안 상대적으로 큰 형광 물질 입자가 상대적으로 작은 형광 물질 입자에 비해 더 빨리 가라앉게 된다. 이러한 형광체의 침전으로 인해 액상 에폭시 수지 내 농도차가 발생하고, 발광 다이오드 칩으로부터 발광되는 빛이 일정하지 않아 색의 재현성에 문제가 생기며, 원하는 색의 균일광을 얻기 어려운 단점이 있다.

한편, 에폭시는 액상이기 때문에 액상 에폭시 수지가 옆으로 새는 것을 방지하기 위해 별도의 수용기, 반사기 또는 돌출턱을 형성하거나, 형광 물질 분말이 혼합된 액상 에폭시를 디스펜서를 이용하여 발광 칩 상에 포팅하여 형성할 수 있는데, 이는 별도의 제조 공정을 필요로 하며, 제품 제작에 소요되는 공정 시간과 그것에 동반하는 제작 비용이 증가하여, 제품 생산에 있어서 형광 물질의 양이 균일하지 못하기 때문에 수율의 문제가 발생하여 색이 불안정해지는 문제점이 발생한 다.

최근 발광 다이오드 제품은 액정 표시부의 후면발광용도와, 디스플레이용 등에 한정된 것이 아니라, 경박단소한 휴대용 무선 통신 기기같은 전자 제품과 자동차 등에 사용되는 액정 표시 후면의 발광 용도에 사용되어 점차 소형화가 요구되고 있으나, 종래와 같이 제조되는 발광 다이오드는 제품의 크기를 줄이는 것에 어느 정도의 한계가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발광 칩에서 방출되는 1차 광을 파장변환하여 원하는 색을 균일하고 안정적으로 구현하는 발광 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 파장변환 방식을 응용하는 발광 다이오드에 있어서, 기존 공정을 활용하여 제조가 용이하고 작업 공수 및 공정 비용을 단축시키며, 경박단소한 전자제품에 사용되는 액정표시부 후면의 발광과 디스플레이의 용도에 적합하도록 얇은 형태로 제작할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판, 발광층 및 파장변환층이 순차 적층되어 형성되고, 상기 발광층은 N형 반도체층, P형 반도체층을 포함하며, 상기 파장변환층은 희토류 원소로 도핑된 3족 질화물 반도체인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제공한다.

또한 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 형성된 N형 반도체층, P형 반도체층을 포함한 발광층 및 상기 기판의 배면 상에 형성된 파장변환층을 포함하고, 상기 파장변환층은 희토류 원소로 도핑된 3족 질화물 반도체인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제공한다. 상기 기판은 투광성 또는 반투광성 기판이고, 상기 발광층 상에는 반사 전극이 더 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 희토류 원소는 Tm, Er, Eu 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 파장변환층은 적어도 하나의 층으로 상기 발광층에서 방출되는 광의 파장보다 짧은 광의 파장을 방출하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 파장변환층이 둘 이상인 경우 방출되는 파장이 짧은 것이 먼저 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 발광층은 상기 N형 반도체층과 상기 P형 반도체층 사이에 활성층을 더 포함할 수 있다.

상기 파장변환층은 P형 반도체층, N형 반도체층 및 기판의 측면까지 연장되어 형성될 수 있으며, 상기 파장변환층은 유기금속 화학 증착법(MOCVD), 화학 증착법(CVD), 플라즈마 화학 증착법(PCVD), 분자선 성장법(MBE), 수소화물 기상 성장법(HVPE) 중 어느 하나를 사용하여 성장될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명의 발광 다이오드는 종래 질화물 반도체 발광 다이오드 구조에 희토류 원소를 도핑한 질화물 반도체를 성장시켜 파장변환층으로 사용한다.

희토류 원소란 주기율표의 6번째 줄에서 원자번호가 58에서 71까지인 원소들이며, 이들 원소는 원자가 껍질이 채워진 상태에서 안쪽 4f 껍질을 채워나가는 원소들이다. 희토류 원소에서 전자가 덜 채워진 4f 껍질은 많은 에너지 준위 사이의 전이를 가능하게 하며, 이 이유로 희토류 원소들은 다양한 발광선들을 가지고 있다.

광역 밴드갭을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체에 도핑되는 희토류 원소들은 발광 과정에 관여하는 에너지 준위를 결정함으로써 발광색을 결정하며, 그 발광색은 질화물 반도체 내에 도핑 이온이 갖는 기저 상태와 여기 상태의 에너지 차(Energy Gap)에 의해 결정된다. 예를 들어, Tm 원소가 도핑된 GaN 반도체는 전자 천이에 의해 477nm 영역의 발광 스펙트럼을 형성하며, 청색(blue) 발광 현상을 나타낸다. Er 원소가 도핑된 GaN 반도체는 전자 천이에 의해 537nm와 558nm 영역의 발광 스펙트럼을 형성하며, 녹색(green) 발광 현상을 나타낸다. Eu 원소가 도핑된 GaN 반도체는 전자 천이에 의해 621nm 영역의 주요 피크를 갖는 발광 스펙트럼을 형성하며, 적색(red) 발광 현상을 나타낸다. 또한, GaN 반도체에 Er 원소와 Tm 원소를 균일하게 도핑하여 하늘색(turquoise)의 발광 현상을 얻을 수 있고, GaN 반도체에 Er 원소와 Eu 원소를 균일하게 도핑하여 황색(yellow)의 발광 현상을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예를 도시한 단면도이다.

본 발명의 발광 다이오드는 기판(10)과, 상기 기판(10) 상에 형성된 발광층 (50)과, 상기 발광층(50) 상에 형성된 파장변환층(60)을 포함한다. 발광층(50)은 N형 반도체층(20), 활성층(30), P형 반도체층(40)을 포함하며, 기판(10)과 발광층(50) 사이에 결정 성장시 기판(10)과 후속층들의 격자 부정합을 줄이기 위한 버퍼층을 더 포함할 수 있다.

기판(10)은 발광 다이오드를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하는 것으로, Al₂O₃, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl₂O₃, BN, AlN 및 GaN 중 적어도 어느 하나의 기판을 사용한다. 본 실시예에서는 사파이어로 구성된 결정 성장 기판을 사용한다.

N형 반도체층(20)은 전자가 생성되는 층으로서, N형 화합물 반도체층과 N형 클래드층으로 형성될 수 있다. 이 때, N형 화합물 반도체 층은 N형 불순물이 도핑되어 있는 GaN을 사용하는 것이 바람직하며, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 성질의 물질층이 가능하다. P형 반도체층(40)은 정공이 생성되는 층으로서, P형 클래드층과 P형 화합물 반도체층으로 형성될 수 있다. 이 때, P형 화합물 반도체층은 P형 불순물이 도핑되어 있는 AlGaN을 사용하는 것이 바람직하며, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 성질의 물질층이 가능하다.

활성층(30)은 소정의 밴드 갭과 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 활성층(30)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 전공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화된다. 따라서, 목표로 하는 파장에 따라 활성층(30)에 포함되는 반도체 재료를 조절하는 것이 바람직하다.

상기의 발광층(50) 상에 발광층(50)에서 방출되는 1차 광을 파장변환하는 파장변환층(60)을 형성한다. 본 실시예는 상기 파장변환층(60)으로 희토류 원소가 도핑된 질화물 반도체를 사용하며, GaN 화합물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 희토류 원소 도펀트로서 청색 발광용으로 Tm, 적색 발광용으로 Eu, 녹색 발광용으로 Er을 포함한다.

본 발명의 발광 다이오드에 있어서 상기 파장변환층(60)은 상술한 다수의 물질층을 성장시키기 위해 쓰이는 일반적인 증착 및 성장 방법을 통해 형성할 수 있는 장점이 있다. 즉, 상술한 물질층들은 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PCVD; Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 포함한 다양한 증착 및 성장 방법을 통해 형성된다.

따라서, 별도의 공정을 필요로 하지 않고 기존 공정을 활용하여 파장변환층(70)을 형성함으로써, 공정을 단순화할 수 있으며 공정 시간 및 비용을 단축시킬 수 있다. 즉, 수지가 옆으로 새는 것을 방지하기 위해 필요한 별도의 수용기, 반사기 또는 돌출턱을 형성하는 공정을 생략함으로써 작업 공수를 줄이며, 형광 안료를 따로 액상 상태의 에폭시 수지에 혼합하여 일일이 발광 다이오드 칩 위에 포팅하는 등의 번거로운 작업을 생략할 수 있다.

상술한 본 발명의 발광 다이오드를 전기연결하여 구동시, 발광층(50)은 1차 광을 방출한다. 상기 1차 광은 파장변환층(60)에 충돌하고, 이 파장변환층(60)은 이에 충돌하는 일부 또는 모든 1차 광을 그 파장보다 더 긴 파장의 빛으로 변환시킨다. 발광층(50)의 재료 및 구성, 파장변환층(60)의 종류 등은 한정되지 않으며 원하는 발광색 및 구성에 따라 다양하게 형성가능하나, 상기 파장변환 방식을 응용하기 위하여 발광 다이오드의 발광층(50)에서 방출되는 1차 광의 발광 파장은 파장변환층(60)의 발광 파장보다 짧은 것이 바람직하다.

예를 들어, 녹색을 발광하는 발광층(50) 상에 Eu 원소가 도핑된 GaN 화합물 반도체를 이용하여 파장변환층(60)을 형성한다. 발광층(50)은 녹색의 1차 광을 발생시키고, 이 1차 광은 파장변환층(60)에 충돌한다. 이 파장변환층(60)은 이에 충돌하는 일부 또는 모든 1차 광을 그 파장보다 더 긴 파장인 적색광으로 변환시킨다. 이 때, 파장변환층(60)의 도핑 농도 및 분포나 파장변환층(60)의 두께를 조절함으로써, 변환 정도를 조절할 수 있다. 즉, 1차 광을 모두 적색광으로 변환시켜 적색 발광을 얻을 수 있고, 또한, 파장변환층(60)에 의해 변환된 적색광과 여기시키지 않고 파장변환층(60)을 통과한 녹색광과 결합하여 최종적으로 황색 발광을 얻을 수도 있다. 파장변환층(60)에 대한 도펀트의 양 및 분포, 파장변환층(60)의 두께를 더욱 정밀하게 측정하고 제어함으로써, 변환되지 않은 상태로 파장변환층(60)을 통과하는 1차 광의 분율을 예측하여 제어할 수 있을 것이다.

또한, 희토류 원소가 GaN 반도체에 균일하게 도핑되어 분포된 파장변환층(60)을 발광층(50) 상에 형성함으로써, 1차 광의 균일한 파장변환을 실시하여 색의 안정성과 균일성을 기대할 수 있다.

이와 같은 파장변환 방식을 응용하여 현재 다양하게 사용되는 백색 발광 다이오드를 제조할 수 있다. 예를 들어, 청색 발광하는 발광층(50) 상에 Eu 원소와 Er 원소가 함께 균일하게 도핑된 GaN 화합물 반도체를 이용하여 파장변환층(60)을 형성한다. 발광층(50)은 청색의 1차 광을 발생시키고, 이 1차 광은 파장변환층(60)에 충돌하여 그의 일부가 파장변환되어 황색광으로 변환된다. 발광층(50)의 1차 발광의 일부인 청색광과 파장변환층(60)에 의해 파장 변환된 황색광이 혼색되어 백색을 구현할 수 있다.

상기 파장변환층(60)은 상술한 대로 하나의 층으로 한정되는 것이 아니라 도 2에 도시한 본 발명의 제 2 실시예와 같이 다수개의 층을 형성하여 원하는 바에 따라 구성할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예를 도시한 단면도이다.

본 발명의 발광 다이오드는 기판(10)과, 상기 기판(10) 상에 형성된 발광층(50)과, 상기 발광층(50) 상에 형성된 다수 개의 파장변환층(60)을 포함한다. 발광층(50)은 N형 반도체층(20), 활성층(30), P형 반도체층(40)을 포함하며, 기판(10)과 발광층(50) 사이에 결정 성장시 기판(10)과 후속층들의 격자 부정합을 줄이기 위한 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 이는 상기 제 1 실시예의 구성과 거의 동일하며, 단지 제 2 실시예는 발광층(50) 상에 다수 개의 파장변환층(60)을 포함한다. 발광층(50)과 파장변환층(60)은 상술한 바와 같이 기판(10) 상에 유기금속 화학 증착법(MOCVD), 화학 증착법(CVD), 플라즈마 화학 증착법(PCVD), 분자선 성장법 (MBE), 수소화물 기상 성장법(HVPE) 등을 포함한 다양한 증착 및 성장 방법을 통해 형성된다.

발광층(50)의 재료 및 구성, 파장변환층(60)의 종류 등은 한정되지 않으며 원하는 발광색 및 구성에 따라 다양하게 형성가능하나, 상기 파장변환 방식을 응용하기 위하여 발광 다이오드의 발광층(50)에서 방출되는 1차 광의 발광 파장은 파장변환층(60)의 발광 파장보다 짧은 것이 바람직하다.

상기 파장변환층(60)은 희토류 원소가 도핑된 질화물 반도체를 사용하며, GaN 화합물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 희토류 원소 도펀트로써 청색 발광용으로 Tm, 적색 발광용으로 Eu, 및 녹색 발광용으로 Er을 포함한다. 발광층(50) 상에 이러한 파장변환층(60)을 다수 개를 순차적으로 형성함으로써, 발광층(50)에서 방출되는 1차 발광의 효과적인 파장변환을 이루고, 원하는 색의 발광을 얻을 수 있다. 이 때, 다수 개의 파장변환층(60)은 발광 파장이 짧은 것이 먼저 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상층으로 갈수록 파장변환층(60)의 발광 파장이 길어지는 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 자외선 발광하는 발광층(50) 상에 Tm, Er, Eu 원소가 각각 도핑된 GaN 화합물 반도체를 이용하여 청색광, 녹색광, 적색광을 발생시키는 3개의 파장변환층(60:61,62,63)을 형성한다. 즉, 발광층(50) 상에 청색광을 발생시키는 제 1 파장변환층(61), 녹색광을 발생시키는 제 2 파장변환층(62), 적색광을 발생시키는 제 3 파장변환층(63)을 순차적으로 형성한다. 이와 같은 발광 다이오드를 전기연결하여 구동시, 1차 광은 제 1 파장변환층(61)에 충돌하며, 제 1 파장변환층(61) 은 1차 광의 일부 또는 전부를 흡수해서, 이를 자외선 파장보다 더 긴 파장의 청색광으로 변환시킨다. 그 때, 변환된 청색광은 그 일부를 녹색광으로 변환시키는 제 2 파장변환층(62)에 충돌한다. 청색광의 일부는 녹색광으로 변환되며, 일부는 변환되지 않은 상태로 제 2 파장변환층(62)을 통과한다. 또한 제 2 파장변환층(62)은 잔류하는 1차 광의 일부 또는 전부를 녹색광으로 변환시킬 수 있다. 제 3 파장변환층(63)은 청색광을 적색광으로 변화시키거나, 녹색광을 적색광으로 변환시키기 위해 만들어질 수 있다. 따라서 제 1 파장변환층(61)에 의해 방출된 소정 분율의 청색광 또는 제 2 파장변환층(62)에 의해 방출된 소정 분율의 녹색광은 제 3 파장변환층(63)에 의해 적색광으로 변환된다. 또한, 잔류하는 1차 광은 제 3 파장변환층(63)에 의해 적색광으로 변환된다. 변환되지 않은 청색광 및 녹색광의 일부는 제 3 파장 변환층(63)을 통과해서 적색광과 결합해서 백색광을 형성한다.

이와 같이 희토류 원소가 도핑된 GaN 반도체를 파장변환층(60)으로 이용하여 다양한 발광 색을 갖는 발광 다이오드를 제조할 수 있으며, 특히, 백색 발광 다이오드를 제조할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제 3 실시예를 도시한 단면도이다.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광 다이오드는 투광성 또는 반투광성인 기판(10′)과, 상기 기판(10′) 상에 형성된 발광층(50)과, 상기 기판(10′)의 배면 상에 형성된 파장변환층(60)을 포함한다. 바람직하게는, 발광층(50)의 표면 상에 반사 전극(70)이 형성된다. 발광층(50)은 N형 반도체층(20), 활성층(30), P형 반도체층(40)을 포함하며, 기판(10′)과 발광층(50) 사이에 결정 성장시 기판(10′)과 후속층들의 격자 부정합을 줄이기 위한 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 이들 물질층은 상술한 바와 같은 다양한 증착 및 성장 방법을 통해 형성된다. 파장변환층(60)은 희토류 원소가 도핑된 GaN 화합물 반도체를 사용하며, 마찬가지로 기존 공정에서 벗어나지 않고 동일한 증착 방법을 통해 형성될 수 있다.

본 실시예의 구체적 설명은 도 1 내지 도 2에 관련된 설명으로 대신한다. 물론 발광층(50)과 파장변환층(60)의 개수 및 구조 등은 상기와 같이 한정되지 않고, 원하는 바에 따라 다양하게 구성할 수 있다.

본 실시예의 발광 다이오드를 전기연결하여 구동시, 발광층(50)은 1차 광을 방출한다. 상기 1차 광은 기판(10′)을 통해 전파되어 파장변환층(60)에 충돌하고, 이 파장변환층(60)은 이에 충돌하는 일부 또는 모든 1차 광을 그 파장보다 더 긴 파장의 빛으로 변환시킨다. 발광층(50)의 재료 및 구성, 파장변환층(60)의 종류 등은 한정되지 않으며 원하는 발광색 및 구성에 따라 다양하게 형성가능하나, 상기 파장변환 방식을 응용하기 위하여 발광 다이오드의 발광층(50)에서 방출되는 1차 광이 파장변환층(60)의 발광 파장보다 짧은 것이 바람직하다.

또한, 파장변환층(60)의 도펀트의 농도 및 분포를 조절하거나 파장변환층(60)의 두께를 조절함으로써, 변환 정도를 조절할 수 있다. 즉, 발광층(50)에서 방출되는 1차 광을 모두 변환시킬 수 있고, 또한 1차 광을 일부 변환시킨 광과 그대로 통과한 1차 광의 일부와 혼합하여 발광할 수도 있다.

이 때 파장변환층(60)에 대한 도펀트의 양 및 분포, 파장변환층(60)의 두께를 더욱 정밀하게 측정하고 제어함으로써, 변환되지 않은 상태로 파장변환층(60)을 통과하는 1차 광의 분율을 예측 가능하여 제어할 수 있을 것이다. 따라서, 원하는 색의 재현성을 향상시키고, 고품질과 신뢰성을 갖는 발광 다이오드를 얻을 수 있다.

본 발명의 발광 다이오드는 파장변환층(60)의 개수 및 구조가 상술한 대로 한정되지 않고, 도 4 또는 도 5에 도시된 바와 같이 다양하게 형성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제 4 실시예를 도시한 단면도이다.

본 발명의 발광 다이오드는 투광성 또는 반투광성인 기판(10′)과, 상기 기판(10′) 상에 형성된 발광층(50)과, 상기 기판(10′)과 발광층(50) 상에 형성된 파장변환층(60)을 포함한다. 발광층(50)은 N형 반도체층(20), 활성층(30), P형 반도체층(40)을 포함하며, 기판(10′)과 발광층(50) 사이에 결정 성장시 기판(10)과 후속층들의 격자 부정합을 줄이기 위한 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 이들 물질층은 상술한 바와 같은 다양한 증착 및 성장 방법을 통해 형성된다. 파장변환층(60)은 희토류 원소가 도핑된 GaN 화합물 반도체를 사용하며, 마찬가지로 기존 공정에서 벗어나지 않고 동일한 증착 방법을 통해 형성될 수 있다.

본 실시예는 도 4에 도시된 바와 같이 양면 발광하는 발광 다이오드의 상하면에 파장변환층(60)을 형성하여 발광층(50)에서 방출되는 1차 광의 효과적인 파장 변환을 실시하고, 색의 안정성과 재현성을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 제 4 실시 예의 발광 다이오드는 도 5에 도시된 제 4 실시예의 변형예와 같이 파장변환층(60)을 발광 다이오드의 상하면 뿐 아니라, 측면까지도 연장하여 형성함으로써 더욱 효과를 높일 수 있다. 도 5의 변형예는 도시된 바와 같이 한정되지 않고 다른 실시예에도 적용될 수 있다.

상술한 본 발명의 발광 다이오드의 제조는 일 실시예일뿐 이에 한정되지 않고, 다양한 구조와 제조 방법이 소자의 특성 및 공정의 편의에 따라 사용될 수 있다. 예를 들어, 앞서 설명한 기판 상에 발광층, 파장변환층이 순차적으로 적층된 형상의 수직형 발광 다이오드 뿐만 아니라, 수평형 발광 다이오드에도 본 발명의 파장변환층을 형성할 수 있다. 기판 상에 N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층을 순차적으로 적층한 후, 마스크를 이용한 사진 식각 공정을 실시하여 N형 반도체층의 일부를 노출시킨다. 상기 P형 반도체층과 노출된 N형 반도체층 상에 희토류 원소가 도핑된 GaN 반도체를 성장시켜 파장변환층을 형성하고, 이는 발광층에서 발광하는 1차 광을 파장변환하여 원하는 색의 광을 구현할 수 있다. 물론 상술한 예에 한정된 구조가 아닌 다른 다양한 구조가 가능하다.

이와 같이 본 발명의 발광 다이오드는 일반적인 반도체 공정을 사용하여 발광 다이오드를 제조하는 기존 공정에서 크게 벗어나지 않고 파장변환 방식을 응용하여 원하는 색을 발광하는 발광 다이오드를 제조할 수 있다. 특히, 일반적인 파장의 빛을 발광하는 발광 다이오드를 제조하는 기존 공정으로 파장변환 방식을 이용하여 백색을 발광하는 발광 다이오드를 용이하게 제조할 수 있고, 기존에 제조했던 제품보다 더욱 얇게 형성되어 소형화된 발광 다이오드를 얻을 수 있다.

또한, 종래 액상 에폭시에 형광체를 혼합하는 제조한 경우에 비해, 균일한 도핑으로 인해 파장 변환층을 형성하여 더욱 균일하고 안정된 색의 발광을 얻을 수 있으며, 제품의 품질과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의한 발광 다이오드는 발광 칩에서 방출되는 1차 광을 파장변환하여 원하는 색을 다양하게 구현할 수 있으며, 균일한 색의 발광으로 제품의 신뢰성과 품질을 향상시킬 수 있다.

또한 파장변환 방식을 응용하는 발광 다이오드에 있어서, 기존 반도체 공정을 연장하여 활용함으로써 제조가 용이하고, 공정을 단순화하고 공정 비용 및 공정 시간을 단축시킬 수 있으며, 제품을 소형화할 수 있는 장점이 있다.

Claims

기판, 발광층 및 파장변환층이 순차 적층되어 형성되고,

상기 발광층은 N형 반도체층, P형 반도체층을 포함하며,

상기 파장변환층은 희토류 원소로 도핑된 3족 질화물 반도체인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
기판;

상기 기판 상에 형성된 N형 반도체층, P형 반도체층을 포함한 발광층; 및

상기 기판의 배면 상에 형성된 파장변환층을 포함하고,

상기 파장변환층은 희토류 원소로 도핑된 3족 질화물 반도체인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 2에 있어서,

상기 기판은 투광성 또는 반투광성 기판이고, 상기 발광층 상에는 반사 전극이 더 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
삭제
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 파장변환층은 적어도 하나의 층으로 상기 발광층에서 방출되는 광의 파장보다 짧은 광의 파장을 방출하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 파장변환층은, 상기 파장변환층이 둘 이상인 경우 방출되는 파장이 짧은 것이 먼저 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
삭제
삭제
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 파장변환층은 유기금속 화학 증착법(MOCVD), 화학 증착법(CVD), 플라즈 마 화학 증착법(PCVD), 분자선 성장법(MBE), 수소화물 기상 성장법(HVPE) 중 어느 하나를 사용하여 성장되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.