KR102272931B1 - 고정 전하가 주입된 고효율 마이크로 led 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 10000um2 이하의 발광부 면적을 갖는 마이크로 LED 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치는 상기 마이크로 LED 장치는 P형 반도체, 발광부 및 N형 반도체가 적층되는 적층 구조를 포함하고, 상기 발광부의 가장자리에서부터 일정 거리 내에 고정 전하가 주입된 도핑영역이 형성된다.

Description

고정 전하가 주입된 고효율 마이크로 LED 장치{a high efficiency micro LED device with fixed charge injected}
본 발명은 면적이 상대적으로 작은 마이크로 LED 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 사이드월 효과를 억제할 수 있는 마이크로 LED 장치에 관한 것이다.
면적이 작은 마이크로 LED 칩의 경우, 기존의 상대적으로 면적이 넓은 LED 칩에 비하여 사이드월(sidewall) 면적 비율이 급격하게 증가하며, 이러한 사이드월 면적의 상대적인 증가는 결함 밀도가 높은 반도체 표면적이 늘어나는 효과를 발생시키고 결국 빛을 방출할 수 있는 캐리어가 비방사 재결합(non-radiative recombination)되어 내부양자효율이 감소하게 된다.
그러나, 사이드월의 면적 비율은 화소가 증가될수록 커지므로, 사이드월에 존재하는 결함을 최소화하여 비방사 재결합 센터 작용을 억제하여 내부양자효율을 향상시킬 필요가 있다.
따라서, 이하에서는 상술한 문제점을 해결하여 내부양자효율이 향상된 전기적 구조를 갖는 마이크로 LED 장치를 설명하도록 한다.
Shockley-Read-Hall and Auger non-radiative recombination in GaN based LEDs: A size effect study Appl. Phys. Lett. 111, 022104 (2017); https://doi.org/10.1063/1.4993741
본 발명은 발광 면적이 상대적으로 작은 마이크로 LED 장치에서 발생할 수 있는 비발광 재결합을 억제할 수 있는 구조를 제안하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 본 발명은 마이크로 LED 장치의 발광부의 가장자리 부분에 도핑영역을 형성하여 척력을 발생시킴으로서 비발광 재결합을 억제할 수 있는 구조를 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치는 P형 반도체, 발광부 및 N형 반도체가 적층되는 적층 구조를 포함하고, 상기 발광부의 가장자리에서부터 일정 거리 내에 고정 전하가 주입된 도핑영역이 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치는 도핑영역을 통해 비발광 재결합을 억제하여 내부양자효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 마이크로 LED 칩에서 위치에 따른 밝기를 나타낸다.
도 2는 기존의 마이크로 LED 밴드다이어그램이다.
도 3은 SRH 비발광 재결합 상수(A)와 LED 칩 둘레와 탑(top) 표면 면적비와의 관계를 실험한 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 밴드다이어그램을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 적층구조 일부를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 적층구조 일부를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 적층구조 일부를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 적층구조 일부를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 적층구조 일부를 나타낸다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명의 사상은 이하의 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
첨부 도면은 발명의 사상을 이해하기 쉽게 표현하기 위하여 전체적인 구조를 설명함에 있어서는 미소한 부분은 구체적으로 표현하지 않을 수도 있고, 미소한 부분을 설명함에 있어서는 전체적인 구조는 구체적으로 반영되지 않을 수도 있다. 또한, 설치 위치 등 구체적인 부분이 다르더라도 그 작용이 동일한 경우에는 동일한 명칭을 부여함으로써, 이해의 편의를 높일 수 있도록 한다. 또한, 동일한 구성이 복수 개가 있을 때에는 어느 하나의 구성에 대해서만 설명하고 다른 구성에 대해서는 동일한 설명이 적용되는 것으로 하고 그 설명을 생략한다.
면적이 작은 마이크로 LED 칩의 경우 기존의 면적이 넓은 LED 칩에 비하여 사이드월 면적 비율이 급격하게 증가한다. 여기에서 마이크로 LED 칩은 일반적으로 발광부의 최소 면적이 10000 um2이하인 LED 칩을 의미한다. 이러한 사이드월 면적의 상대적인 증가는 결함 밀도가 높은 반도체 표면적이 늘어나는 효과를 발생시키고, 결국 빛을 방출할 수 있는 캐리어가 비방사 재결합함으로써 내부양자효율이 감소된다.
그러나, 사이드월의 면적 비율은 화소가 증가될수록 커지므로, 사이드월에 존재하는 결함을 최소화하여 비방사 재결합 센터 작용을 억제하여 내부양자효율을 향상시킬 필요가 있다.
도 1은 마이크로 LED 칩에서 위치에 따른 밝기를 나타낸다.
도 1에서 예시하는 것은 7um 픽셀 LED의 PL map이며, 사이드월에 해당하는 가장자리(0~1 또는 7~8um 위치)의 밝기가 급격하게 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 도 1에서 예시하는 것과 같이 가장자리 밝기가 감소하는 요인으로는, trap-assited recombination인 Shockley-Read-Hall recombination 이 중요한 요인이며, 특히 전류가 적게 흐를 때 그 영향이 크다.
도 2는 기존의 마이크로 LED 밴드다이어그램이다.
도 2에서 0은 사이드월 엣지를 의미하며, 0에서 멀어질수록 사이드원 표면에서 멀어지는 것을 의미한다.
도 2를 참고하여 비방사 재결합에 의한 내부양자효율 감소를 설명하면, 마이크로 LED 칩의 사이드월 표면에 많은 결함 준위(trap level:Et)가 존재한다. 이러한 결함 준위의 위치 근처에 도 2와 같이 전자(1)가 존재하면 전자(1)가 결함(2)으로 전이할 확률이 매우 높다. 그리고 결함(2)으로 전이한 전자(1)는 빛을 방출하지 않아 결과적으로 LED 칩의 내부양자효율이 감소하게 된다.
Figure 112019105013026-pat00001
수학식 1은 상술한 마이크로 LED 칩에서 내부양자효율(IQE)를 나타내는 ABC 모델이다. 여기에서 A는 SRH 비발광 재결합 상수, B는 발광 재결합 상수, C는 Auger 비발광 재결합 상수를 의미한다. 그리고 n은 캐리어 농도를 의미한다. 따라서, 분자에 있는 발광 재결합 상수(B)가 클수록 내부양자효율이 높아지며, 분모에 있는 SRH 비발광 재결합 상수(A) 및 Auger 비발광 재결합 상수(C)는 낮을수록 내부양자효율이 상승함을 수학식 1(선행기술문헌 1 참고)로부터 알 수 있다.
그런데, Auger 비발광 재결합 상수는 낮은 전류(낮은 캐리어 농도) 상태에서는 무시가능하며, 또한 트랩(trap)에 영향을 받는 상수가 아니다. 일반적으로 마이크로 LED 칩에는 크기에서 오는 물리적 특성상 낮은 전류가 흐를 것으로 무시가능한 것으로 볼 수 있다. 반면에 SRH 비발광 재결합 상수는 결함에 의해 영향을 받는 비발광 재결합 상수로서, 결과적으로 SRH 비발광 재결합 상수를 낮추는 것이 내부양자효율을 높이는 방법이 될 수 있다.
도 3은 SRH 비발광 재결합 상수(A)와 LED 칩 둘레와 탑(top) 표면 면적비와의 관계를 실험한 결과이다.
도 3에서 보여지는 바와 같이, LED 파라미터가 클수록 비발광 재결합 상수(A)가 커지는 것을 알 수 있다. 다시 말해서, 사이드월 효과가 감소해야 내부양자효율이 증가함을 확인할 수 있다.
따라서, 이하에서는 사이드월 효과를 감소시키기 위해 마이크로 LED 칩의 발광부 사이드월에 캐리어가 접근하기 어렵도록 유도하는 구조를 포함하는 마이크로 LED 장치를 설명하도록 한다.
구체적인 실시 예에서, 사이드월 표면의 전위상태를 변형시킴으로써, 캐리어가 사이드월 근처에 존재하는 비발광 재결합 센터에 도달하는 것을 억제하여 내부양자효율을 향상시킬 수 있는 전기적 구조를 갖는 마이크로 LED 장치를 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 밴드다이어그램을 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 사이드월 표면에 존재하는 많은 결함 준위(trap level:Et) 영역에 고정 음전하(immobile minus charge)가 부가됨으로써 캐리어 전자를 밀어내는 척력이 발생한다. 그리고 결과적으로 척력에 의해 표면 결함과 전자가 서로 격리되어 전자가 사이드월 표면에서 일정 거리 떨어져 진행한다. 전자가 사이드월 표면에서 일정 거리 떨어져 진행하면 당연하게도 사이드월 표면의 캐리어 농도가 감소되어 사이드월에서 발생하는 비발광 재결합이 감소하여 내부양자효율이 향상된다.
도 4에서 거리 '0'은 발광부 사이드월의 엣지이며, 거리가 증가할수록 사이드월에서 멀어지는 것을 의미한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 적층구조 일부를 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치는 N형 반도체(51), 발광부(52) 그리고 P형 반도체(53)가 차례로 적층된 형태일 수 있다. 여기에서 각각의 층 사이에는 구체적인 실시 예에 따라 추가적인 층이 형성될 수도 있다.
발광부(52)는 다중발광우물구조(Multi Quantum Well), 나노 구조체 또는 양자점 중 어느 하나를 발광구조로 사용할 수 있다.
그리고 발광부(52)의 사이드월에서 일정 거리까지 도핑영역(54)이 형성될 수 있다. 도핑영역(54)은 이온 주입 공정(ion implantation), 확산 및 플라즈마 방법을 통해 형성될 수 있다.
이때 이온 주입 공정에서 사용되는 도펀트는 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 확산 공정을 위해 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스 또는 액체 또는 고체를 증착할 수 있다. 또한, 플라즈마 공정을 위한 가스에 포함된 원소가 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
여기에서 도핑영역(54)은 고정 전하가 주입된 영역일 수 있다. 또한 도핑영역(54)은 발광부(52)의 사이드월로부터 2um 거리 이하까지의 영역을 의미할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 적층구조 일부를 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치는 N형 반도체(61), 발광부(62) 그리고 P형 반도체(63)가 차례로 적층된 형태일 수 있다. 여기에서 각각의 층 사이에는 구체적인 실시 예에 따라 추가적인 층이 형성될 수도 있다.
발광부(62)는 다중발광우물구조(Multi Quantum Well), 나노 구조체 또는 양자점 중 어느 하나를 발광구조로 사용할 수 있다.
그리고 발광부(62)의 사이드월에서부터 일정 거리까지 도핑영역(64)이 형성될 수 있다. 도핑영역(64)은 이온 주입 공정(ion implantation), 확산 및 플라즈마 방법을 통해 형성될 수 있다.
이때 이온 주입 공정에서 사용되는 도펀트는 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 확산 공정을 위해 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스 또는 액체 또는 고체를 증착할 수 있다. 또한, 플라즈마 공정을 위한 가스에 포함된 원소가 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
그리고 발광부(62)의 가장자리에 발광부(62)의 다수 캐리어와 반대 타입 캐리어가 도핑된 도핑영역(64)이 형성될 수 있다. 여기에서 반대 타입 도핑영역(64)은 고정 전하가 주입된 영역일 수 있다. 또한 반대 타입 도핑영역(64)은 발광부(62)의 사이드월로부터 2um 거리 이하까지의 영역을 의미할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 적층구조 일부를 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치는 N형 반도체(71), 발광부(72), 그리고 P형 반도체(73)이 차례로 적층된 형태일 수 있다. 여기에서 각각의 층 사이에는 구체적인 실시 예에 따라 추가적인 층이 형성될 수도 있다.
발광부(72)는 다중발광우물구조(Multi Quantum Well), 나노 구조체 또는 양자점 중 어느 하나를 발광구조로 사용할 수 있다.
그리고 발광부(72)의 사이드월로부터 일정거리까지 도핑영역(74)이 형성될 수 있다. 도핑영역(74)은 이온 주입 공정(ion implantation), 확산 및 플라즈마 방법을 통해 형성될 수 있다.
이때 이온 주입 공정에서 사용되는 도펀트는 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 확산 공정을 위해 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스 또는 액체 또는 고체를 증착할 수 있다. 또한, 플라즈마 공정을 위한 가스에 포함된 원소가 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
그리고 발광부(72)의 사이드월로부터 일정 거리까지의 영역 중 일부에 발광부(72)의 도핑영역(74)이 형성될 수 있다. 여기에서 도핑영역(74)은 고정 전하가 주입된 영역일 수 있다. 또한 도핑영역(74)은 발광부(72)의 사이드월로부터 2um 거리 이하까지의 영역을 의미할 수 있다.
도 7의 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치는 발광부(72)의 가장자리 일부에만 도핑영역(74)를 형성시킴으로써, 도핑영역(74)을 고립시켜 누설 전류(leakage current)를 감소시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 적층구조 일부를 나타낸다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치는 N형 반도체(81), 발광부(82) 그리고 P형 반도체(83)가 차례로 적층된 형태일 수 있다. 여기에서 각각의 층 사이에는 구체적인 실시 예에 따라 추가적인 층이 형성될 수도 있다.
발광부(82)는 다중발광우물구조(Multi Quantum Well), 나노 구조체 또는 양자점 중 어느 하나를 발광구조로 사용할 수 있다.
그리고 발광부(82)의 사이드월로부터 일정 거리까지의 영역에 도핑영역(84)이 형성될 수 있다. 도핑영역(84)은 이온 주입 공정(ion implantation), 확산 및 플라즈마 방법을 통해 형성될 수 있다.
이때 이온 주입 공정에서 사용되는 도펀트는 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 확산 공정을 위해 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스 또는 액체 또는 고체를 증착할 수 있다. 또한, 플라즈마 공정을 위한 가스에 포함된 원소가 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
그리고 도 8의 실시 예에서는 발광부(82)뿐 아니라, 발광부(82)의 도핑영역 위에 형성되거나, 아래에 형성되거나, 위 및 아래 모두에 도핑영역(84)이 형성될 수 있다.
도 8에서는 도핑영역이 P형 반도체(83)의 가장자리로부터 일정 거리까지의 영역 전체에 형성되어 있는 것을 예시하고 있으나, 도핑영역은 P형 반도체(83) 가장자리로부터 일정 거리까지의 영역 일부에만 형성되어 있을 수도 있다. 이 경우 도 7에서 설명한것과 유사한 효과를 얻을 수 있다.
여기에서 도핑영역(84)은 고정 전하가 주입된 영역일 수 있다. 또한 도핑영역(84)은 발광부(82)의 사이드월로부터 2um 거리 이하까지의 영역을 의미할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치의 적층구조 일부를 나타낸다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치는 N형 반도체(91), 발광부(92), 그리고 P형 반도체(93)가 차례로 적층된 형태일 수 있다. 여기에서 각각의 층 사이에는 구체적인 실시 예에 따라 추가적인 층이 형성될 수도 있다.
발광부(92)는 다중발광우물구조(Multi Quantum Well), 나노 구조체 또는 양자점 중 어느 하나를 발광구조로 사용할 수 있다.
그리고 발광부(92)의 사이드월로부터 일정거리까지 도핑영역(94)이 형성될 수 있다. 도핑영역(94)은 이온 주입 공정(ion implantation), 확산 및 플라즈마 방법을 통해 형성될 수 있다.
이때 이온 주입 공정에서 사용되는 도펀트는 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 확산 공정을 위해 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스 또는 액체 또는 고체를 증착할 수 있다. 또한, 플라즈마 공정을 위한 가스에 포함된 원소가 Mg, Zn, Be, Al, Ca, Ar, Si, Se, Te, H, S, C, O, 또는 Au 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
그리고 발광부(92)의 사이드월로부터 일정거리까지 영역 중 전부 또는 일부에 발광부(92)의 도핑영역(94)이 형성될 수 있다. 여기에서 도핑영역(94)은 고정 전하가 주입된 영역일 수 있다. 또한 도핑영역(94)은 발광부(72)의 사이드월로부터 2um 거리 이하까지의 영역을 의미할 수 있다.
추가적으로, 도핑 영역(94) 중 일부 영역에는 다수캐리어에 의해 발생하는 척력을 없애는 추가 도핑영역(미도시)가 형성될 수 있다.
더하여, 도 9의 실시 예에 따른 마이크로 LED 장치는 발광부(92)의 위에 형성되는 층이 발광부(92)에 비해 작거나, 발광부(92)의 아래에 형성되는 층이 발광부(92)에 비해 작거나, 발광부(92)의 위 및 아래 형성되는 층 모두가 발광부(92)에 비해 작게 형성될 수 있다.
상술한 도 5 내지 9에서 설명한 구조를 갖는 마이크로 LED 장치는 발광부 가장자리 영역에 포텐셜이 증가하여, 전자들이 사이드월 표면으로부터 일정 거리 떨어지게 된다. 이러한 효과로서, 비발광 재결합을 억제함으로써 더 많은 전자가 방사성 방사(radiative radiation)되어 내부양자효율이 향상될 수 있다.
상기의 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 (8)

10000um2 이하의 발광부 면적을 갖는 마이크로 LED 장치에 있어서,
상기 마이크로 LED 장치는 P형 반도체, 상기 발광부 및 N형 반도체가 적층되는 적층 구조를 포함하고,
상기 발광부의 사이드월로부터 내측으로 일정 거리까지의 영역 중 하부의 일부에 고정 전하가 주입된 도핑영역을 고립 형성하되, 상기 일정 거리는 2um 이하임을 특징으로 하는 마이크로 LED 장치.
삭제
제1 항에 있어서, 상기 도핑영역에 도핑되는 캐리어는 상기 발광부의 다수 캐리어와 반대 타입인 마이크로 LED 장치.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1 항에 있어서, 상기 발광부의 도핑 영역 중 일부에 다수 캐리어에 의한 척력을 없애는 추가 도핑영역이 형성되는 마이크로 LED 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20110263054A1 (en) * 2010-04-26 2011-10-27 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Bond pad isolation and current confinement in an led using ion implantation

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