KR102604432B1 - Uv-led 및 디스플레이 - Google Patents

Uv-led 및 디스플레이 Download PDF

Info

Publication number
KR102604432B1
KR102604432B1 KR1020190084629A KR20190084629A KR102604432B1 KR 102604432 B1 KR102604432 B1 KR 102604432B1 KR 1020190084629 A KR1020190084629 A KR 1020190084629A KR 20190084629 A KR20190084629 A KR 20190084629A KR 102604432 B1 KR102604432 B1 KR 102604432B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
chip
led
layer
light
gan
Prior art date
Application number
KR1020190084629A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200035336A (ko
Inventor
요시히코 무라모토
Original Assignee
나이트라이드 세마이컨덕터스 코포레이션, 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 나이트라이드 세마이컨덕터스 코포레이션, 리미티드 filed Critical 나이트라이드 세마이컨덕터스 코포레이션, 리미티드
Publication of KR20200035336A publication Critical patent/KR20200035336A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102604432B1 publication Critical patent/KR102604432B1/ko

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26Materials of the light emitting region
    • H01L33/30Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/15Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission
    • H01L27/153Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars
    • H01L27/156Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars two-dimensional arrays
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004Devices characterised by their operation
    • H01L33/0008Devices characterised by their operation having p-n or hi-lo junctions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/12Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/44Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the coatings, e.g. passivation layer or anti-reflective coating
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50Wavelength conversion elements

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Led Devices (AREA)
  • Led Device Packages (AREA)

Abstract

UV-LED가 개시된다. UV-LED는, 사파이어 기판과, 사파이어 기판 상에 형성된 u-GaN 버퍼층과, u-GaN 버퍼층 상에 형성된 n-GaN 콘택트층과, n-GaN 콘택트층 상에 형성된 InGaN계 발광층과, InGaN계 발광층 상에 형성된 p-GaN층을 포함한다. UV-LED는 적어도 한 변이 50㎛ 이하의 칩 크기를 갖는 사각형의 평면 형상을 갖는다.

Description

UV-LED 및 디스플레이{UV-LED AND DISPLAY}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 9월 26일자로 출원된 일본 특허 출원 2018-181017호 및 2018년 10월 24일자로 출원된 일본 특허 출원 2018-199891호의 우선권을 주장하며, 이들 기초출원은 그 명세서, 청구범위, 도면 및 요약서가 참고로 본 명세서에 원용된다.
기술분야
본 개시는 UV-LED 및 디스플레이에 관한 것이다.
자외 영역에서 발광하는 UV-LED는 고출력·고효율화가 진행되어, UV-LED는 UV 램프 대체 용도뿐만 아니라, 폭넓은 분야로 응용범위가 넓어지고 있다. 대체 용도는, 현미경 및 노광기와 같은 고분해능 광원; 광 수지경화 및 의료 바이오에 사용되는 화학 여기용 광원; 지폐 식별, DNA칩, 환경 측량에 사용되는 분광 여기용 광원; 살균 및 소독과 같은 위생용 광원을 포함한다. 이들 예 외에도, UV-LED는 조명 및 디스플레이와 같은 형광체 여기 광원으로서 사용된다.
특히, 디스플레이 용도에 있어서, 마이크로 LED 디스플레이는, 수명과 온도상승 등의 약점을 지니는 유기 EL에 이은 차세대 디스플레이로서 주목받고 있다. 현재, 개발의 주류가 되고 있는 방식은, 적색, 청색, 녹색의 3종류의 LED칩을 응용하는 3 LED 방식; 청색 LED에 의해서 적색, 녹색의 형광체를 여기시키는 청색 LED 방식; 및 UV-LED에 의해서 적색, 녹색, 청색 형광체를 여기시키는 UV-LED 방식의 3종류가 있다.
국제공개 제2011/027511호 공보에는, 자외선 LED와, 3가의 세륨- 혹은 터븀- 부활(activated) 희토류 붕화물 형광체로부터 선택되는 녹색 형광체; 2가의 유로퓸-부활 할로인산염 형광체 혹은 2가의 유로퓸-부활 알루민산염 형광체로부터 선택되는 청색 형광체; 및 유로퓸-부활 산황화 란탄 형광체 혹은 유로퓸-부활 산황화 이트륨 형광체로부터 선택되는 적색 형광체를 포함하는 액정표시장치가 기재되어 있다.
상기 3개의 방식 중에서도, UV-LED 방식은 발광색에 거의 영향을 주지 않고, 높은 여기 효율에 의해서 색 재현성이 높으며, 색 밸런스 및 동기화를 하기 쉬워 제어도 용이해지는 이점이 있다. 그러나, UV-LED 방식은 아직 발광 효율에 있어서 충분하다고는 할 수 없다.
본 개시는, UV-LED에 있어서, 발광 효율을 더욱 향상시키고, 나아가 전류밀도가 증가한 경우의 출력 저하율을 저감시킬 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시에 따른 UV-LED는, 버퍼층과, 버퍼층 상에 형성된 콘택트층과, 콘택트층 상에 형성된 발광층을 포함한다. 상기 UV-LED는 적어도 한 변이 50㎛ 이하의 칩 크기를 갖는 사각형의 평면 형상을 갖는다. 본 개시의 일 실시형태에서는, 발광층은 InGaN계 발광층으로 할 수 있다. 본 발명의 UV-LED의 기판으로서는, 평탄한 기판 외에도 패턴화된 사파이어 기판(patterned sapphire substrate: PSS)을 이용할 수 있다.
또한, 본 개시에 따른 디스플레이는, 상기 UV-LED와, 상기 UV-LED로부터의 광에 의해 여기되는 적색 형광체와, 상기 UV-LED로부터의 광에 의해 여기되는 녹색 형광체와, 상기 UV-LED로부터의 광에 의해 여기되는 청색 형광체를 포함한다.
본 개시에 따르면, 발광 효율을 더욱 향상시키고, 나아가 전류밀도가 증가한 경우의 출력 저하율을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 실시형태는 다음의 도면을 참조하여 설명될 것이며, 도면에서:
도 1A는 실시형태에 따른 디스플레이의 원리를 설명하는 도면;
도 1B는 실시형태에 따른 형광체의 발광 스펙트럼도;
도 2는 실시형태에 따른 385㎚ UV-LED칩의 구성도;
도 3은 실시형태에 따른 400㎚ UV-LED칩의 구성도;
도 4는 실시형태에 따른 정사각형의 플립 칩의 도면;
도 5는 실시형태에 따른 직사각형의 플립 칩의 도면;
도 6은 실시형태에 따른 385㎚ 칩의 발광 스펙트럼;
도 7은 실시형태에 따른 400㎚ 칩의 발광 스펙트럼;
도 8은 실시형태에 따른 385㎚ 칩 및 400㎚ 칩의 발광 강도도;
도 9는 실시형태에 따른 385㎚ 칩의 I-L 특성도;
도 10은 실시형태에 따른 400㎚ 칩의 I-L 특성도;
도 11은 실시형태에 따른 385㎚ 칩의 I-V 특성도;
도 12는 실시형태에 따른 400㎚ 칩의 I-V 특성도;
도 13은 실시형태에 따른 385㎚ 칩 및 400㎚ 칩의 VF특성도;
도 14는 실시형태에 따른 385㎚ 칩의 칩 크기별 스펙트럼도;
도 15는 실시형태에 따른 400㎚ 칩의 칩 크기별 스펙트럼도;
도 16은 실시형태에 따른 칩 크기별 수율도;
도 17A 및 도 17B는 각각 실시형태에 따른 PSS의 구성도;
도 18은 실시형태에 따른 기판별 발광 강도도;
도 19는 실시형태에 따른 기판별 발광 광도도 및 SLS(superlattice structure)층이 없는 샘플별 발광 강도도.
이하, 도면에 근거하여 본 개시의 실시형태(들)에 대해서 설명한다.
도 1A는 본 실시형태에 따른 UV-LED 디스플레이의 원리를 나타낸다. 베이스부(10)에 UV-LED칩(12)을 복수 형성하고, UV-LED칩(12) 상에 적색 형광체(14), 녹색 형광체(16) 및 청색 형광체(18)를 적층한다. 적색 형광체(14)는 예를 들면 LOS:Eu이고; 녹색 형광체(16)는 예를 들면 BAM:Eu, Mn이며; 청색 형광체(18)는 예를 들면 BAM:Eu이지만, 본 개시는 이것으로 한정되지 않는다. 여기서 LOS는 La2O2S이며, BAM은 (Ba, Mg)Al0O17이다.
도 1B는 적색 형광체(14), 녹색 형광체(16) 및 청색 형광체(18)의 발광 스펙트럼을 나타낸다. 도 1B에 있어서, (a)는 청색 형광체(18)를 나타내고, (b)는 녹색 형광체(16)를 나타내며, (c)는 적색 형광체의 발광 스펙트럼을 나타낸다. 각 파선은 여기광의 스펙트럼을 나타내고, 각 실선은 발광 스펙트럼을 나타낸다.
실용화되는 UV-LED칩(12)은, 약 250㎛ 내지 2㎜의 칩 크기를 갖는다. UV-LED칩(12)은 CAN 패키지나 표면 실장 장치(surface mount device: SMD) 패키지, 혹은 직접 기판 상에 실장된다. 정격 전류는 약 20㎃ 내지 1A이며, 발광 효율은 365㎚에 있어서 50%를 초과하지만, 아직 충분하다고는 할 수 없다.
따라서, 본 발명자들은, UV-LED칩(12)의 파장 및 칩 크기에 초점을 맞추었다. 본 실시형태에서는 UV-LED칩(12)의 파장 및 칩 크기를 최적화함으로써 UV-LED의 발광 효율을 더욱 향상시키고, 또한 전류밀도가 증가한 경우의 출력 저하율을 감소시키고 있다.
도 2 및 도 3은 각각 본 실시형태에 있어서의 UV-LED칩의 구성을 나타낸다. 도 2는 발광 파장 385㎚인 UV-LED칩(1)을 나타내고, 도 3은 발광 파장 400㎚인 UV-LED칩(2)을 나타낸다.
도 2에 있어서, 발광 파장 385㎚인 UV-LED칩은, 사파이어 기판(20) 상에 u-GaN 버퍼층(22)과 (GaN;Si) n-콘택트층(24)을 적층하고, 그 위에 InGaN계 발광층을 적층함으로써 수득된다. 구체적으로는,
(AlInGaN)/(InGaN;Si) n-초격자 구조(SLS)층(26)
(InGaN/AlGaN) 다중양자우물(multiple quantum well: MQW) 발광층(28)
p-AlGaN;Mg층(30)
(AlGaN;Mg/GaN;Mg) p-SLS층(32) 및
p-GaN(GaN;Mg)층(34)
이 MOCVD장치를 이용하여 순서대로 적층된다. 여기서, 예를 들면 (GaN;Si)는, Si가 도핑된 GaN을 나타낸다. 또한, ITO(36)는 원격 플라즈마 증착법(Remote Plasma Deposition: RPD)으로 증착되고, n-패드층(40) 및 언더 배리어 메탈(under barrier metal: UBM)(42)은 전자빔(Electron Beam: EB)으로 증착되며, SiO2층(38)은 플라즈마 강화 화학적 기상 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD)으로 증착된다. 보다 상세하게는, u-GaN 버퍼층(22)은 저온의 u-GaN층 및 고온의 u-GaN층을 포함하고, u-GaN 버퍼층(22)은 베이스층이나 완충층이라고도 지칭된다.
한편, 도 3에 있어서, 발광 파장 400㎚인 UV-LED칩은, 사파이어 기판(20) 상에 u-GaN 버퍼층(22)과 (GaN;Si) n-콘택트층(24)을 적층하고, 얻어진 적층체 상에,
(InGaN/AlGaN) MQW 발광층(28)
p-AlGaN;Mg층(30) 및
p-GaN(GaN;Mg)층(34)
이 MOCVD장치를 이용하여 순서대로 적층된다. ITO(36)은 원격 플라즈마 증착법(RPD)으로 증착되고, n-패드층(40) 및 언더 배리어 메탈(UBM)(42)은 전자빔(EB)으로 증착되며, SiO2층(38)은 플라즈마 강화 화학적 기상 증착법(PECVD)으로 증착된다.
385㎚ 칩 및 400㎚ 칩 모두 기본적인 에피택셜 구조는 유사하지만, 밴드 갭 에너지의 관계로부터, 385㎚ 칩 쪽이 400㎚ 칩에 비해서 (InGaN/AlGaN) MQW 발광층(28)의 Al 함유량이 더 많고, In 함유량이 더 적다. 또한, (InGaN/AlGaN) MQW 발광층(28)에 있어서의 In 조성은, 발광 파장 385㎚인 칩에서 약 8%, 발광 파장 400㎚인 칩에서 약 15%이다. n 및 p 캐리어를 증가시키기 위해서, 발광 파장 385㎚인 칩에는 초격자 구조(SLS)층(26, 32)이 제공된다. 또한, 발광 파장 385㎚ 혹은 400㎚인 UV-LED칩에서 각 층의 조성비 및 막 두께는 아래와 같다.
〈385㎚〉
u-GaN층: 3.2㎛
(GaN;Si) n-콘택트층: 2.7㎛
(Al0 . 20In0 . 01Ga0 .79N)/(In0 . 01Ga0 . 99N;Si) n-초격자 구조(SLS)층: 1.5㎚/1.5㎚×50쌍
(In0 . 08Ga0 .92N/Al0 . 20Ga0 .80N) 다중양자우물(MQW) 발광층 1.8㎚/15㎚×3쌍
p-Al0 . 25Ga0 . 75N층: 20㎚
(Al0 . 20Ga0 . 80N;Mg)/(GaN;Mg층) p-초격자 구조(SLS)층: 0.8㎚/0.8㎚×30쌍
p-GaN층: 25㎚
ITO층: 100㎚
SiO2층: 500㎚
〈400㎚〉
u-GaN층: 3.2㎛
(GaN;Si) n-콘택트층: 2.7㎛
(In0 . 15Ga0 .85N/Al0 . 10Ga0 .90N) 다중양자우물(MQW) 발광층: 2.0㎚/15㎚ 3쌍
p-Al0 . 20Ga0 . 80N층: 20㎚
p-GaN층 25㎚
ITO층: 100㎚
SiO2층: 500㎚
본 실시형태에서는, 이러한 에피택셜 구조에 있어서, 칩 크기의 영향을 고려해서 칩 크기를 최적화하기 위해, 총 8종류의 플립 칩을 제작한다. 여기서, 각 플립 칩은, MQW 발광층(28) 및 P-GaN층(34)이 형성된 후에 사파이어 기판(20)이 에칭되는 분리 단계를 거쳐 제조된다. 그 후, 각 플립 칩은 메사(MESA), n-패드층 형성, SiO2 패시베이션층(38) 형성, 언더 배리어 메탈(UBM) 형성을 거친다.
또한, 도 4 및 도 5는 플립 칩의 평면도의 사진이다. 도 4는 정사각형의 평면 형상을 지니는 플립 칩을 도시하고, 도 5는 직사각형의 평면 형상을 지니는 플립 칩을 도시한다. 정사각형의 평면 형상을 지니는 플립 칩으로는,
<정사각형>
24㎛×24㎛
48㎛×48㎛
72㎛×72㎛
144㎛×144㎛
288㎛×288㎛
의 5가지 크기의 플립 칩이 제작된다. 또한, 직사각형의 평면 형상을 지니는 플립 칩으로는,
<직사각형>
12㎛×48㎛
24㎛×48㎛
24㎛×72㎛
의 3가지 크기의 플립 칩이 제작된다.
385㎚ 및 400㎚ 칩 각각에 대해 제조된 8개의 상이한 크기의 플립 칩에 대해서, 발광 스펙트럼 및 강도가 프로버(prober)로 측정되고, 또한, 주입 전류에 대한 전압의 추이(I-V 특성) 및 주입 전류에 대한 발광강도의 추이(I-L 특성)가 측정된다.
도 6은 IF(순전류): 278㎂가 24㎛×24㎛칩 또는 385㎚의 최소면적에 통전되었을 때의 발광 스펙트럼을 나타낸다. 발광 파장은 384.72㎚, 반값폭은 10.25㎚이며, 정상적인 스펙트럼 파형을 나타낸다.
도 7은 IF(순전류): 278㎂가 24㎛×24㎛칩 또는 400㎚의 최소면적에 통전되었을 때의 발광 스펙트럼을 나타낸다. 발광 파장은 400.7㎚, 반값폭은 12.26㎚이며, 이 또한 정상적인 스펙트럼 파형을 나타낸다.
도 8은 385㎚ 칩 및 400㎚ 칩의 발광 강도를 정격전류밀도 25.5(A/㎠)에서 측정한 결과를 나타낸다. 도면에서, 가로축은 칩 크기이고, 세로축은 발광강도(a.u.)이다.
모든 칩 크기에 있어서, 발광 강도 및 발광 효율은 400㎚ 칩보다 385㎚ 칩에서 더 높다. 또한, 파장 385㎚ 또는 400㎚인 칩 모두, 칩 크기의 감소에 따라 발광 강도가 증가하는 경향이 있다. 특히, 385㎚ 칩에서는, 24㎛×72㎛ 이하의 칩 크기에서 발광 강도가 현저하게 향상되고, 400㎚ 칩에서는, 48㎛×48㎛ 이하의 크기에서 발광 강도가 현저하게 향상된다. 전술한 바와 같이, 종래기술의 칩 크기는, 약 250㎛ 내지 2㎜이다. 따라서, 전술한 칩 크기는 종래의 칩 크기보다 현저하게 작아, 마이크로칩 크기라고 칭할 수 있다. 마이크로 크기의 칩에서 발광 강도와 발광 효율이 현저하게 향상되는 이유는, 크기가 작은 칩이 확산 전류의 거리가 짧아져 발광 재결합이 증가하고, 내부 양자 효율이 향상되기 때문이다. 또한, 크기가 작은 칩은 발광 재결합에 의해 발광층으로부터 방출된 광을 외부로 취출하는 거리가 짧아져, 취출 효율이 향상된다.
도 9 및 도 10은 385㎚ 및 400㎚ 칩 각각에 대해 제조된 8개의 상이한 크기의 칩에 전류가 인가될 때의 I-L 특성을 나타낸다. 도 9는 전류밀도가 25.5(A/㎠)로부터 357.1(A/㎠)로 증가되었을 때의 385㎚ 칩의 I-L 특성을 나타낸다. 도 10은 전류밀도가 25.5(A/㎠)로부터 357.1(A/㎠)로 증가되었을 때의 400㎚ 칩의 I-L 특성을 나타낸다.
이러한 I-L 특성에 있어서 드룹(droop) 현상은 발견되지만, 모든 칩에서 양호한 특성 결과가 나타난다. 드룹 현상에서, 발광 효율은 고전류 밀도에서 저하된다. 또한, 385㎚ 칩과 400㎚ 칩을 비교하면, I-L 특성은 385㎚ 칩보다 400㎚ 칩에서 더 낮다. 이는 발광층(InGaN) 내의 In 조성이 385㎚ 칩보다 400㎚ 칩에서 더 높고, 발광층의 결정성에 있어서 400㎚ 칩이 385㎚ 칩보다 떨어지기 때문이다. 전류밀도가 낮으면 In 조성의 불균일에 의해 400㎚ 칩이 높은 발광 효율을 나타내지만, 전류밀도의 증가에 의해 캐리어 농도가 증가하면, 400㎚ 칩이 발광층 내의 결정 결함과 비발광 재결합 영역의 증가의 영향을 받기 쉬워진다. 따라서, 낮은 In 조성을 지니는 칩은, 전류밀도에 비해 전력 출력 저하율이 낮다.
또한, 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 평면 형상이 정사각형인 칩은 직사각형 형상인 칩보다 I-L 특성이 우수하다. 또한, 도면에서, I-L 특성은 400㎚ 칩보다 385㎚ 칩에서 더욱 선형으로 증가한다는 것을 나타낸다.
도 11 및 도 12는, 385㎚ 및 400㎚ 칩 각각에 대해 제조된 8개의 상이한 크기의 칩에 전류가 인가되었을 때의 I-V 특성을 나타낸다. 도 11은 385㎚ 칩의 I-V 특성을 나타내고, 도 12는 400㎚ 칩의 I-V 특성을 나타낸다. 저전류 영역의 누설은 두 유형의 칩 어느 것에서도 나타나지 않고, 각 칩은 정상적인 I-V 특성을 나타낸다. 또한, 두 우형의 칩에 있어서, 상대적으로 작은 칩인 24㎛×24㎛, 12㎛×48㎛가 상대적으로 큰 칩인 288㎛×288㎛와 비교된다. 이러한 비교에 의하면, 상대적으로 작은 칩 쪽의 전압이 비교적 작은 전류값에서 상승하고 있는 것을 나타낸다. 또한, 상기 비교에서는, 평면 형상이 정사각형인 칩 쪽이 직사각형보다도 I-V 특성이 우수한 것을 나타낸다.
도 13은, 385㎚ 칩 및 400㎚ 칩 각각의 8종류의 칩에 있어서의 25.5(A/㎠)에서의 VF(순전압)값을 나타낸다. 각 칩의 VF값은 3.4 내지 3.5V이다.
이상과 같이, 발광 파장 385㎚ 및 400㎚인 UV-LED칩에 있어서, 칩 크기를 작게; 구체적으로는 사각형상의 평면 형상에 있어서 적어도 그 한 변을 50㎛ 이하로 함으로써, 발광 강도 및 발광 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 발광 파장 385㎚인 UV-LED칩에서는, 적어도 한 변이 30㎛ 이하인 것이 바람직하고, 발광 파장 400㎚인 UV-LED칩에서는, 적어도 한 변이 50㎛ 이하인 것이 바람직하다.
또한, UV-LED에 있어서, In 조성이 낮을수록 전류밀도에 대한 출력 저하율이 낮다. 따라서, 발광 파장 385㎚인 칩이 발광 파장 400㎚인 칩보다도 전류밀도에 대한 출력 저하율이 낮다. 이러한 사실은, In 조성이 더 낮고 385㎚ 칩보다 더 짧은 발광 파장의 UV-LED, 예를 들면, 발광 파장 365㎚인 UV-LED에서는 더욱 전류밀도에 대한 출력 저하율이 낮고, 칩 크기가 더 축소화될수록 발광 강도 및 발광 효율이 더 향상된다. 요약하면, In 조성이 더 낮고 발광 파장이 더 짧은 UV-LED가 디스플레이로서 이점을 갖는다.
도 14는 발광 파장 385㎚인 UV-LED의 칩 크기별 스펙트럼을 나타낸다. 도 15는 발광 파장 400㎚인 UV-LED의 칩 크기별 스펙트럼을 나타낸다. 발광 파장 385㎚, 400㎚의 어느 쪽의 UV-LED나, 칩 크기를 변경해도 파형의 차이는 보이지 않고, 500㎚ 내지 500㎚ 근방의 각 GaN층의 깊은 준위의 발광 강도에 있어서도 차이는 보이지 않는다. 이로부터, 발광 스펙트럼은 에피택셜 성장된 층의 결정성에 의존하고, 칩 크기는 거의 영향을 주지 않기 때문에, 칩 크기를 작게 하고; 구체적으로는 사각형의 평면 형상에 있어서 적어도 그 한 변이 50㎛ 이하인 칩을 형성해도, 칩은 문제없이 정상적으로 발광한다.
도 16은, 발광 파장 385㎚ 또는 400㎚인 UV-LED의 칩 크기별 수율을 나타낸다. 정사각형 형상의 칩으로서, 24㎛×24㎛, 48㎛×48㎛, 72㎛×72㎛, 144㎛×144㎛, 288㎛×288㎛의 5종류의 칩을 제조한다. 이들 칩에서 전기 특성 및 외관이 양호한 제품의 수를 계수한다. 도 16은 전체 칩에 대한 양호한 제품의 비율을 나타낸 것이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 칩 크기가 작아질수록 수율이 향상되고 있다. 그 이유는, 표면 상의 분진 및 비정상적인 에피택셜 성장은, 최대 50㎛ 정도이지만 그 대부분은 50㎛ 이하이며, 결정 결함은 50㎛보다 훨씬 작으므로, 전체 칩 수에 대해서 결함이 되는 크기가 작은 칩의 수가 억제되기 때문이라고 여겨진다. 따라서, 수율의 관점에서도, 직사각형의 평면 형상에 있어서 적어도 그 한 변이 50㎛ 이하인 UV-LED를 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
이상의 실시형태에서는, 발광 파장 385㎚ 또는 400㎚인 UV-LED로서, 평탄한 사파이어 기판(20)을 이용하고 있지만, 평탄한 사파이어 기판(20) 대신에, 패턴화된 사파이어 기판(patterned sapphire substrate: PSS)을 이용할 수도 있다.
도 17A 및 도 17B는 각각 PSS의 구성을 나타낸다. 도 17A는 평면도이고, 도 17B는 측면도이다. 각 도면에서, 사파이어 기판의 표면에 원뿔 형상의 패턴이 형성된다. 각 패턴은 높이 a=2.0㎛, 직경 b=3.75㎛, 피치 c=4.0㎛, 스페이스 d=0.25㎛를 지니지만, 반드시 이것으로 한정되지는 않는다. 사파이어 기판에 적용되는 패턴은, 그 위에 성장시키는 GaN 결정의 결함의 밀도를 저감시키고, 발광층의 발광 효율을 향상시킨다. 또한, 최적인 패턴 형상을 설계하는 것에 의해, 발광층으로부터 소자 내에 발생되는 광을 효율적으로 소자 외부에 반사시켜 광의 내부 손실(발열로 변하는 비율)을 저감시킬 수 있다. PSS는, 평탄한 사파이어 기판 상에 포토 레지스트 마스크를 형성하고, ICP 드라이 에칭을 수행함으로써 처리된다.
도 18은, 발광 파장 385㎚ 또는 400㎚인 UV-LED에 대해서 평탄한 사파이어 기판과 PSS를 이용한 경우의 칩 크기별 발광 강도를 나타낸다. 해당 도면은 정격전류밀도 25.5A/㎠를 흐르게 했을 때의 발광 강도를 나타내고, "Flat"은 평탄한 사파이어 기판, "PSS"는 패턴화된 사파이어 기판을 나타낸다. 발광 파장 385㎚인 UV-LED에 초점을 맞추면, 칩 크기가 작을수록 발광 강도가 증가하고, 그리고 모든 칩 크기에 있어서 "Flat"인 경우보다도 "PSS"인 경우 쪽이 발광 강도가 증가하고 있다. 발광 파장 400㎚인 UV-LED도 마찬가지로, 칩 크기가 작을수록 발광 강도가 증가하고, 그리고 모든 칩 크기에 있어서 "Flat"인 경우보다도 "PSS"인 경우 쪽이 발광 강도가 증가하고 있다. 따라서 칩 크기를 50㎛ 이하로 설정하고, PSS를 이용함으로써, 더욱 발광 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
본 실시형태에서는, 발광 파장 385㎚ 또는 400㎚인 UV-LED를 예시했다. 그러나, 발광층의 조성비를 변화시킴으로써 발광 파장을 변화시킬 수 있고, 그 변화된 발광 파장은 발광 파장 약 385㎚ 내지 400㎚인 UV-LED에 적용 가능하다. 또한, 본 실시형태에 있어서의 각 UV-LED의 칩 크기의 하한은 24㎛×24㎛이지만, 제조 조건에 따라서는 10㎛×10㎛ 정도의 칩 크기도 가능하고, 이러한 UV-LED도 마찬가지로 향상된 발광 효율을 제공한다.
디스플레이로서 사용하기 위한 마이크로 LED 디스플레이는, 차세대 디스플레이로서 주목받고 있지만, 이들의 발광 효율은 아직 충분하지 않다. 특히, InGaN계 발광층을 포함하는 마이크로 LED의 특성에 대해서는 충분한 연구가 행해져 있지 않으며; 칩 크기와 발광 효율 간의 관계는 이제 예의 검토가 이루어지고 있다.
특히 주목해야 할 것은, InGaN계 발광층을 포함하는 마이크로 LED의 칩 크기와 발광 효율 간의 관계는 복잡하고; 고해상도의 디스플레이를 달성하기 위하여, 칩 크기를 단순히 작게 하면 된다고는 할 수 없는 것이 사실이다. 일례로서, 논문 ["Electro-optical size-dependence investigation in GaN micro-LED device", Anis Daami et.al, 790/SID 2018 DIGEST]에는 다음과 같이 기재되어 있다:
Figure 112019071713687-pat00001
크기가 작아지면 최대 외부 양자 효율이 무시할 수 없을 정도로 하락하는 것.
크기가 작아지면 광학 전류밀도 역치가 고전류 측으로 시프트되는 것.
크기가 미크론 이하의 치수에 도달했을 때 μLED의 크기 감소에 의한 외부 양자 효율에 대한 극적인 영향이 있는 것.
μLED의 높은 전류 수준에 있어서의 광학적인 발광을 향상시키기 위해서는 드룹을 가능한 한 낮게 할 필요가 있는 것.
예를 들어, 전류 밀도가 10A/㎠인 경우, 500㎛, 50㎛, 5㎛로 칩 크기가 감소됨에 따라서 발광 강도가 감소되는 것.
휘도 및 효율에 대한 μLED의 크기의 영향은, 고려해야 하는 중요한 사양이며, 또한 이해하여 최적화해야 할 과제인 것.
상기 논문에 기재된 바와 같이, 칩 크기를 단순히 작게 하면 외부 양자 효율이 작아지고, 발광 강도도 감소되어 버린다. 따라서, 보다 고해상도를 달성하기 위하여, 단순히 칩 크기를 작게 한다면 발광 강도가 저하되어 버리고, 광학적인 전류밀도도 고전류 수준 측으로 시프트되어 버리기 때문에, 충분한 휘도를 얻는 것이 곤란해진다는 것이 알려져 있었다. 본 발명자들은, 단순히 칩 크기를 작게 하는 것만이 아니라, SLS층을 도입함으로써 발광 강도의 저하를 억제할 수 있을 뿐 아니라, 또한 칩 크기가 작아짐에 따라서 발광 강도를 증대시키는 것이 가능함을 찾아내었다. 그 자체가 공지되어 있는 SLS층은 LED의 외부양자 효율을 증가시키는 것이 알려져 있지만, SLS층의 칩 크기에 대한 영향은 인식되어 있지 않았다. 본 실시형태는, SLS층이 칩 크기, 특히 50㎛ 이하의 칩 크기에 미치는 영향을 처음으로 밝힌 것이다.
도 19는, 본 실시형태에 있어서, SLS층을 지니지 않는 칩을 포함시킨 칩 크기와 발광 강도의 관계를 나타낸다.
도 19에 있어서, "385㎚(Flat/SLS 없음)"가, 발광 파장이 385㎚인 샘플이며, 평탄한 사파이어 기판을 포함하고, InGaN계 발광층을 SLS가 아닌 단층의 n형 클래드층(Al0.1Ga0.9N;Si 195㎚)과 SLS가 아닌 단층의 p형 클래드층(Al0 . 1Ga0 . 9N;Mg 22㎚) 사이에 배치한 구성이다. 그 밖의 샘플은 도 18에 나타낸 바와 같다. 전류밀도는 25.5A/㎠이다.
SLS 구조가 없지만 n형 클래드층과 p형 클래드층을 포함하는 샘플에서는, 칩 크기가 작아질수록 발광 강도는 감소되거나 혹은 거의 일정한 경향이 있음을 알 수 있다. 특히, 칩 크기가 72㎛×72㎛와 48㎛×48㎛이고 SLS층을 갖지 않는 샘플을 SLS층을 가진 샘플과 비교하면, SLS층이 없는 전자의 샘플에서는, 칩 크기가 감소됨에 따라서 발광 강도가 감소된다. 이와 대조적으로, SLS층을 지니고 칩 크기가 50㎛ 이하인 칩에서는, 발광 강도가 증가하고 있어, 당업자가 예측할 수 없었던 우수한 특성을 나타낸다.
SLS층의 유무에 따른, 칩 크기 50㎛ 이하에 있어서의 극적인 효과의 차이의 원인은 반드시 명확하지는 않다. 하나의 가능한 설명은 다음과 같다: SLS층이 없을 경우, 캐리어 농도가 낮아지고, 또한 칩 크기가 작은 쪽이 확산 전류의 거리가 짧아지므로 캐리어 농도 저하의 영향을 받기 쉬워져서, 발광 재결합이 감소되어 발광 강도의 저하로 이어지는 한편, SLS층의 존재는, 이들 단점을 효과적으로 억제할 수 있다.
SLS층이 없는 경우, 칩 크기가 작아지면 발광 강도가 저하되고; 따라서, 충분한 발광 효율을 지니는 마이크로 LED 디바이스는 얻을 수 없다. 한편, InGaN계 발광층을 사이에 삽입한 채로 n형 SLS층과 p형 SLS층을 형성하고 칩 크기를 50㎛ 이하로 설정하면, 발광 효율이 증가한다. 그러므로, 본 실시형태의 UV-LED칩은 당업자가 예측할 수 없었던 현저한 이점을 달성한다.

Claims (5)

  1. UV-LED로서,
    버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성된 콘택트층;
    상기 콘택트층 상에 형성된 n형 SLS층;
    상기 n형 SLS층 상에 형성된 InGaN계 발광층;
    상기 발광층 상에 형성된 p형 Mg 도핑된 AlGaN층; 및
    상기 p형 Mg 도핑된 AlGaN층 상에 형성된 p형 SLS층을 포함하되,
    적어도 한 변이 50㎛ 이하의 칩 크기를 갖는 사각형의 평면 형상을 갖고,
    발광 파장이 385㎚ 내지 400㎚인, UV-LED.
  2. 제1항에 있어서, 패턴화된 사파이어 기판을 더 포함하되, 상기 패턴화된 사파이어 기판 위에 상기 버퍼층이 형성되는, UV-LED.
  3. 제1항에 있어서, 상기 버퍼층은 저온의 u-GaN층 및 고온의 u-GaN층을 포함하는, UV-LED.
  4. 제1항에 있어서, 상기 사각형의 평면 형상의 상기 칩 크기는 24㎛×24㎛, 12㎛×48㎛, 24㎛×48㎛, 24㎛×72㎛ 및 48㎛×48㎛ 중 어느 하나인, UV-LED.
  5. 디스플레이로서,
    제1항에 따른 UV-LED;
    상기 UV-LED로부터의 광에 의해 여기되는 적색 형광체;
    상기 UV-LED로부터의 광에 의해 여기되는 녹색 형광체; 및
    상기 UV-LED로부터의 광에 의해 여기되는 청색 형광체를 포함하는, 디스플레이.
KR1020190084629A 2018-09-26 2019-07-12 Uv-led 및 디스플레이 KR102604432B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2018-181017 2018-09-26
JP2018181017 2018-09-26
JP2018199891A JP2020057749A (ja) 2018-09-26 2018-10-24 Uv−led及びディスプレイ
JPJP-P-2018-199891 2018-10-24

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200035336A KR20200035336A (ko) 2020-04-03
KR102604432B1 true KR102604432B1 (ko) 2023-11-20

Family

ID=70108009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190084629A KR102604432B1 (ko) 2018-09-26 2019-07-12 Uv-led 및 디스플레이

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP2020057749A (ko)
KR (1) KR102604432B1 (ko)
CN (1) CN111092094A (ko)
TW (1) TWI745715B (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112599513A (zh) * 2020-12-29 2021-04-02 深圳利亚德光电有限公司 显示单元、显示组件以及led显示屏
WO2023172679A1 (en) * 2022-03-11 2023-09-14 Applied Materials, Inc. Display pixels made from stacked micro-led structures and photoluminescent materials

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017017265A (ja) * 2015-07-06 2017-01-19 ナイトライド・セミコンダクター株式会社 発光装置

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI271877B (en) * 2002-06-04 2007-01-21 Nitride Semiconductors Co Ltd Gallium nitride compound semiconductor device and manufacturing method
KR101164026B1 (ko) * 2007-07-12 2012-07-18 삼성전자주식회사 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법
JP5653327B2 (ja) * 2011-09-15 2015-01-14 株式会社東芝 半導体発光素子、ウェーハ、半導体発光素子の製造方法及びウェーハの製造方法
JP5880383B2 (ja) * 2012-10-11 2016-03-09 豊田合成株式会社 半導体発光素子、発光装置
GB201413604D0 (en) * 2014-07-31 2014-09-17 Infiniled Ltd A colour inorganic LED display for display devices with a high number of pixel
KR102282141B1 (ko) * 2014-09-02 2021-07-28 삼성전자주식회사 반도체 발광소자
CN106033787B (zh) * 2015-03-17 2018-05-22 东莞市中镓半导体科技有限公司 一种采用mocvd技术制备具有阶梯式量子阱结构近紫外led的方法
JP2017050439A (ja) * 2015-09-03 2017-03-09 豊田合成株式会社 紫外発光素子およびその製造方法
TWI565095B (zh) * 2015-11-09 2017-01-01 錼創科技股份有限公司 發光模組
JP2017157724A (ja) * 2016-03-02 2017-09-07 デクセリアルズ株式会社 表示装置及びその製造方法、並びに発光装置及びその製造方法
US9812609B1 (en) * 2016-04-11 2017-11-07 X Development Llc Semiconductor device including oxide current aperture
WO2018047759A1 (ja) * 2016-09-07 2018-03-15 住友化学株式会社 硬化物、波長変換シート、発光装置、封止用部材および半導体発光装置
KR20180053864A (ko) * 2016-11-14 2018-05-24 한국광기술원 마이크로 led 디스플레이 화소 조립체 및 이의 제조방법
KR102318335B1 (ko) * 2017-04-13 2021-10-28 제이드 버드 디스플레이(상하이) 리미티드 Led-oled 하이브리드 자체-발광 디스플레이

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017017265A (ja) * 2015-07-06 2017-01-19 ナイトライド・セミコンダクター株式会社 発光装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN111092094A (zh) 2020-05-01
TWI745715B (zh) 2021-11-11
TW202013765A (zh) 2020-04-01
JP2020057749A (ja) 2020-04-09
KR20200035336A (ko) 2020-04-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4948980B2 (ja) 窒化物半導体発光素子
JP4126751B2 (ja) 表示装置および照明装置
US7098482B2 (en) Monolithic white light emitting device
US7358659B2 (en) Monolithic white light emitting device having nitride cladding layers and passive layer
US20110108868A1 (en) Light emitting device, light emitting device package and lighting system
KR102604432B1 (ko) Uv-led 및 디스플레이
US11139342B2 (en) UV-LED and display
CN105742429A (zh) 紫外GaN基LED外延结构及其制造方法
Ahmad et al. Achievements and perspectives of GaN based light emitting diodes: A critical review
CN205406553U (zh) 紫外GaN基LED外延结构
EP3644379B1 (en) Uv-led and display
CN112242465A (zh) 一种具有增强出光p型层的氮化物半导体发光二极管
JP4458870B2 (ja) 蛍光発光装置、蛍光発光素子、および蛍光体
US10290766B2 (en) Light emitting device
KR101504155B1 (ko) 질화물 반도체 발광소자
Kovác et al. Advanced light emitting devices for optoelectronic applications
JP5263881B2 (ja) Iii族窒化物半導体発光素子
KR100552333B1 (ko) 백색 발광장치
JP4503316B2 (ja) 多色光の発光方法
KR100665174B1 (ko) 반도체 발광 소자
JP4911082B2 (ja) 表示装置および照明装置
KR100925059B1 (ko) 백색 발광소자 및 그 제조방법
KR100691445B1 (ko) 질화물 반도체 발광소자
KR102353850B1 (ko) 발광소자

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant