KR101731857B1 - 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드는 기판 상에 형성되는 제1반도체층, 상기 제1반도체층 상에 형성되는 활성층, 상기 활성층 상에 형성되고, 상기 제 1 반도체층과 대응되는 제 2 반도체층, 및 상기 제 2 반도체층 상에 형성되고, 적어도 하나 이상의 다이아몬드상 탄소(DLC, diamond like carbon)층과 황화아연(ZnS) 및 셀레늄화아연(ZnSe) 중 적어도 하나 이상의 층을 구비하는 무반사층을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 DLC(diamond like carbon)층을 구비하는 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드에 관한 것이다.
중적외선(Mid infrared light) 영역은 약 2.5㎛ 내지 5㎛ 대역으로, 많은 분자들의 주요 흡수스펙트럼이 해당 파장 영역대에 집중해 있기 때문에, 흡수스펙트럼 분석을 통한 분자의 성분을 알아내는 데 매우 유용하게 활용되고 있다.
이러한 기술적 이유로, 화학 및 생물학적 감지, 환경 및 위험 물질 모니터링, 의학, 통신, 천문학, 국방, 보안 등의 응용 분야에 중적외선 광원이 이용되고 있다.
위와 같은 중적외선 광원으로 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode)가 활용되는데, 발광 다이오드는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 광반도체 소자이다. 즉, 빛을 내는 반도체라고 할 수 있다.
도 1은 발광 파장대역으로 분류된 반도체 소재를 나타내며, 약 2㎛ 내지5㎛ 대역의 발광 다이오드는 안티몬을 기반으로 한다.
한편, 발광 다이오드의 광추출 효율을 증대시키는 방법에는 여러가지가 있으나, 그 중에 하나로 무반사 코팅이 있다. 일반적으로, 중적외선 발광 다이오드에서 무반사 코팅층(또는 박막)은 ZnS, ZnSe, YF3 및 CeF3 등의 재료를 통하여 형성되었으나, 위와 같은 무반사 코팅층은 외부 환경 조건에 취약한 단점이 있다.
본 발명의 목적은 외부 환경 조건에 강하고, 광추출 효율이 증대되는 무반사층을 구비하는 중적외선 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 중적외선 영역에서는 투과성이 높으면서도, 외부 환경 조건에 강한 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드는 기판 상에 형성되는 제1반도체층, 상기 제1반도체층 상에 형성되는 활성층, 상기 활성층 상에 형성되고, 상기 제 1 반도체층과 대응되는 제 2 반도체층, 및 상기 제 2 반도체층 상에 형성되고, 적어도 하나 이상의 다이아몬드상 탄소(DLC, diamond like carbon)층과 황화아연(ZnS) 및 셀레늄화아연(ZnSe) 중 적어도 하나 이상의 층을 구비하는 무반사층을 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 무반사층은 상기 황화아연 또는 상기 셀레늄화아연을 기준으로, 상부 및 하부에 상기 다이아몬드상 탄소(DLC)층이 형성되는 구조를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 무반사층은 상기 제 2 반도체층의 일부 영역을 외부로 노출하는 리세스를 적어도 하나이상 구비하고, 상기 리세스 내부에 형성되어 상기 제2 반도체층과 전기적으로 연결되는 전극을 적어도 하나 이상 구비할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제1 반도체층은 상기 기판의 상에 n형 또는 p형 InAsSbP로 형성되고, 상기 제2 반도체층은 상기 활성층 상에 상기 제1 반도체층과 반대로 대응되는 p형 또는 n형 InAsSbP로 형성될 수 있고, 상기 활성층은 InAsSb를 포함할 수 있다.
또한, 활성층은 InGaAs로 형성되는 장벽층 및 InAsSb로 형성되는 우물층을 적어도 하나 이상 구비하는 단일 양자 우물(Single Quantum Well) 구조 또는 다중 양자 우물(Multi Quantum Well) 구조일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제1 반도체층은 상기 기판의 상에 n형 또는 p형 AlGaAsSb로 형성되고, 상기 제2 반도체층은 상기 활성층 상에 상기 제1 반도체층과 반대로 대응되는 p형 또는 n형 AlGaAsSb로 형성될 수 있고, 상기 활성층은 GaInAsSb를 포함할 수 있다.
또한, 활성층은 AlGaAs로 형성되는 장벽층 및 InGaSb로 형성되는 우물층을 적어도 하나 이상 구비하는 단일 양자 우물(Single Quantum Well) 구조 또는 다중 양자 우물(Multi Quantum Well) 구조일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기판은 비소화인듐(InAs) 및 안티몬화갈륨(GaSb) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기판은 두께를 줄이기 위해서 연마 과정을 거친 다음, 상기 제2 반도체층과 전기적으로 연결되는 전극의 상대 전극과 반사면 역할을 하도록 금(Au)을 포함한 박막을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 무반사층을 구비하는 중적외선 발광 다이오드의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 외부 환경 조건에 강하고, 광추출 효율이 증대될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면 중적외선 영역에서는 투과성이 높으면서도, 외부 환경 조건에 강할 수 있다.
도 1은 발광 파장대역으로 분류된 반도체 소재를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드에 포함되는 무반사층을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무반사층의 투과율을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드에 포함되는 무반사층을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무반사층의 투과율을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드는 도시된 바와 같이 기판(10), 제1반도체층(110), 활성층(120) 및 제2반도체층(130)을 포함할 수 있다. 그리고, 본 발명은 무반사층(133)을 더 포함할 수 있다.
먼저, 기판(10)은 소정의 광투과도를 가지고 제1반도체층(110)의 형성(성장)을 용이하게 할 수 있는 재질이라면 어느 것이나 가능할 것이다.
예컨대, 기판(10)은 상기 제1반도체층의 성장 과정에서 격자 불일치를 최소화 할 수 있는 비소화인듐(InAs), 안티몬화갈륨(GaSb) 기판 등일 수 있다.
제1반도체층(110)은 기판(10)의 일측면에 n형 또는 p형으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1반도체층(110)이 n형 반도체층인 경우, 후술하겠지만 이에 대응하여 제2반도체층(130)은 p형 반도체층이 될 것이다. 구체적으로, 제1 반도체층(110)은 InAsSbP 또는 AlGaAsSb물질로 형성되는 반도체가 될 수 있다.
활성층(120)은 제1반도체층(110) 상단에 형성되고, 하단의 제1반도체층(110)과 동종의 결정구조를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1반도체층(110)이 InAsSbP 물질인 경우, 활성층(120)은 InAsSb 물질로 형성됨이 바람직하다. 다만, 실시의 형태에 따라 활성층(120)은 제1반도체층(110)과 이종접합으로 형성될 수도 있다.
또한, 활성층(120)은 InGaAs로 형성되는 장벽층 및 InAsSb로 형성되는 우물층을 적어도 하나 이상 구비하는 단일 양자 우물(Single Quantum Well) 구조 또는 다중 양자 우물(Multi Quantum Well) 구조일 수 있다.
여기서, 다중 양자 우물 구조는 장벽층(barrier layer)과 우물층(quantum well layer)이 교대로 적층된 구조를 의미한다. 장벽층은 우물층의 밴드갭보다 높은 밴드갭을 가진다. 이를 통해 우물층에서의 양자구속효과는 유효하게 발현된다. 우물층 또는 장벽층의 형성은 밴드갭 엔지니어링에 의해 수행될 수 있다.
그리고, 활성층(120)은 제1반도체층(110) 상단에 형성되고, 하단의 제1반도체층(110)과 동종의 결정구조를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1반도체층(110)이 AlGaAsSb 물질인 경우, 활성층(120)은 GaInAsSb 물질로 형성됨이 바람직하다. 다만, 실시의 형태에 따라 활성층(120)은 제1반도체층(110)과 이종접합으로 형성될 수도 있다.
또한, 활성층(120)은 AlGaAs로 형성되는 장벽층 및 InGaSb로 형성되는 우물층을 적어도 하나 이상 구비하는 단일 양자 우물(Single Quantum Well) 구조 또는 다중 양자 우물(Multi Quantum Well) 구조일 수 있다.
여기서, 다중 양자 우물 구조는 장벽층(barrier layer)과 우물층(quantum well layer)이 교대로 적층된 구조를 의미한다. 장벽층은 우물층의 밴드갭보다 높은 밴드갭을 가진다. 이를 통해 우물층에서의 양자구속효과는 유효하게 발현된다. 우물층 또는 장벽층의 형성은 밴드갭 엔지니어링에 의해 수행될 수 있다.
제2 반도체층(130)은 활성층(120) 상단에 제 1 반도체층(110)과 대응되는 n형 또는 p형으로 형성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1반도체층(110)이 n형 반도체층인 경우, 제2반도체층(130)은 p형 반도체층이 될 것이다. 구체적으로, 제2 반도체층(130)은 제1 반도체층(110) 또는 활성층(120)을 형성하는 기반 물질과 동일한 기반 물질로 형성될 수 있고, 제2반도체층(130)은 InAsSbP 또는 AlGaAsSb물질로 형성되는 반도체가 될 수 있다.
한편, 제1 반도체층(110), 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)은 MOCVD, HVPE 또는 MBE 등을 통하여 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, 제2 반도체층(130) 상단에 무반사층(133)을 포함할 수 있다. 여기서 무반사층(133)은 중적외선 발광 다이오드의 광추출 효율을 증대시키는 구성으로, 도시된 바와 같이 중적외선 발광 다이오드의 최상단에 형성되어 외부 환경에 노출되는 형태로 형성될 수 있다.
결국, 무반사층(133)이 외부 환경에 취약한 경우, 중적외선 발광 다이오드의 광추출 효율이 떨어지게 되고, 중적외선 발광 다이오드를 통하여 수행하고자 하는 작업의 정확성이 감소될 수 있다.
이러한 문제점을 방지하고자, 본 발명에 포함되는 무반사층(133)은 적어도 하나 이상의 다이아몬드상 탄소(DLC, diamond like carbon)층을 포함한다. 구체적으로, 무반사층(133)은 적어도 2이상의 층으로 형성될 수 있으며, 적어도 하나 이상의 다이아몬드상 탄소(DLC)층과 황화아연(ZnS) 및 셀레늄화아연(ZnSe) 중 적어도 하나 이상의 층을 구비한 구조로 형성될 수 있다.
특히, 본 발명에 포함되는 무반사층(133)은 황화아연 또는 셀레늄화아연을 기준으로, 그 상부 및 하부에 다이아몬드상 탄소(DLC)층이 형성되는 구조로 형성될 수 있다. 이에 관한 구체적인 설명은 도3을 통하여 계속한다.
위와 같은 구성 또는 구조를 통하여, 본 발명에 따른 중적외선 발광 다이오드는 활성층(120)에서 생성된 빛이 외부로 빠져나올 때 내부반사를 하지 않고 외부로 바로 빠져나올 수 있도록 하여 광추출 효율을 높임과 동시에, 종래의 무반사층보다 외부 환경 조건에 강한 무반사층을 구비할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드에 포함되는 무반사층을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드는 순차적으로 적층(형성)된 기판, 제1반도체층, 활성층, 제2반도체층 및 무반사층을 포함할 수 있다.
여기서, 무반사층은 앞서 도 2를 통하여 설명한 바와 같이, 적어도 2이상의 층(도 3은 3개의 층)으로 형성되고, 황화아연의 상부 및 하부에 다이아몬드상 탄소(DLC)층이 형성된 구조를 포함한다.
그리고, 무반사층은 제 2 반도체층의 일부 영역을 외부로 노출하는 리세스를 적어도 하나이상 구비할 수 있고, 해당 리세스 내부에는 전극이 형성되어 제2 반도체층과 전극은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 전극은 제2 반도체층과 오믹 접합을 이룰 수 있는 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무반사층의 투과율을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 발광 중심 파장이 4.2μm인 발광다이오드의 경우의 다이아몬드상 탄소(DLC)층-황화아연(ZnS)층- 다이아몬드상 탄소(DLC)층을 구비하는 무반사층의 투과율을 나타내는 그림이다. 좀 더 자세하게는 제2 반도체층 위에 굴절율 1.943을 갖는 다이아몬드상 탄소(DLC)층을 18,000nm두께로 형성하고, 그 위로 굴절율 2.251을 갖는 황화아연(ZnS)층을 14,939nm 두께로 형성하고, 또 그 위로 굴절율 1.943을 갖는 다이아몬드상 탄소(DLC)층을 3,380nm두께로 형성하여, 발광 중심 파장이 4.2μm인 발광다이오드에 적합한 투과율을 갖는 무반사층을 포함하도록 하는 일 실시 예이다.
결국, 본 발명에 따른 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드는 중적외선 영역에서 투과성이 높아 광추출 효율이 증대되면서도, 외부 환경 조건에 취약하지 않을 수 있다.
따라서, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
Claims (7)
- 기판 상에 형성되는 제1반도체층;
상기 제1반도체층 상에 형성되는 활성층;
상기 활성층 상에 형성되고, 상기 제 1 반도체층과 대응되는 제 2 반도체층; 및
상기 제 2 반도체층 상에 형성되고, 적어도 하나 이상의 다이아몬드상 탄소(DLC, diamond like carbon)층과 황화아연(ZnS) 및 셀레늄화아연(ZnSe) 중 적어도 하나 이상의 층을 구비하는 무반사층을 포함하되,
상기 무반사층은,
상기 황화아연 또는 상기 셀레늄화아연을 기준으로, 상부 및 하부에 상기 다이아몬드상 탄소(DLC)층이 형성되는 구조를 포함하는 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 무반사층은,
상기 제 2 반도체층의 일부 영역을 외부로 노출하는 리세스를 적어도 하나이상 구비하고, 상기 리세스 내부에 형성되어 상기 제2 반도체층과 전기적으로 연결되는 전극을 적어도 하나 이상 구비하는 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 반도체층은,
상기 기판의 상에 n형 또는 p형 InAsSbP 또는 AlGaAsSb 물질로 형성되고,
상기 제2 반도체층은,
상기 활성층 상에 상기 제1 반도체층과 반대로 대응되는 p형 또는 n형 InAsSbP 또는 AlGaAsSb 물질로 형성되는 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드.
- 제1항에 있어서,
상기 활성층은,
제1및 2반도체층을 InAsSbP 물질로 한 경우 InAsSb 물질 또는
InGaAs물질로 형성되는 장벽층 및 InAsSb물질로 형성되는 우물층을 적어도 하나 이상 구비하는 단일 또는 다중양자 우물구조를 포함하는 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드.
- 제1항에 있어서,
상기 활성층은,
제1및 2반도체층을 AlGaAsSb 물질로 한 경우 InAsSb 물질 또는
AlGaAs물질로 형성되는 장벽층 및 InGaSb물질로 형성되는 우물층을 적어도 하나 이상 구비하는 단일 또는 다중양자 우물구조를 포함하는 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은,
비소화인듐(InAs) 및 안티몬화갈륨(GaSb) 중 어느 하나로 형성되는 무반사층을 구비한 중적외선 발광 다이오드.
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| JP2015535141A (ja) * | 2012-09-07 | 2015-12-07 | リミテッド・ライアビリティ・カンパニー”エルイーディ・マイクロセンサー・エヌティ”Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｍｐａｎｙｌｅｄ Ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ Ｎｔ | ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体ベースのヘテロ構造、該ヘテロ構造を製造する方法、および該ヘテロ構造をベースとした発光ダイオード |
-
2016
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