KR20000012012A - 발광기판ｌｅｄ소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 핑크색, 적자색, 황색, 주황색(橙色), 백색 등의 중간색을 단일칩에 의해서 발광시킬 수 있는 LED를 부여하는 것을 목적으로 하며, 그 구성에 있어서는, 형광중심이 되는 불순물을 첨가한 GaP, AlGaAs, GaN, ZnSe 등의 기판위에, 에피택셜발광구조체를 만들고 에피택셜발광구조체의 광에 의해서 기판으로부터 형광을 발생하고, 에피택셜발광구조체로부터 나오는 단파장의 광과, 장파장의 형광으로 중간색을 합성하는 것을 특징으로 한 것이다.

Description

발광기판ＬＥＤ소자{luminescent substrate LED device}

본 발명은 단일소자로서 2종류의 발광피크를 가진 신규인 반도체발광소자의 구조에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 기판위에 발광층을 에피택셜성장시킨 단일LED구조로서 발광층의 광과 기판형광을 합성하여 핑크색, 적자색, 주황색, 황색, 백색 등의 중간색을 발생하는 LED에 관한 것이다.

여러가지의 단색광을 발생하는 고휘도의 발광다이오드(LED)가 이미 실용화되고 있다. 적색LED로서는 AlGaAs나 GaAsP 등을 발광층으로하는 LED가 널리 사용되고 있다. 수Cd(칸델라)이상의 고휘도의 것이 저코스트로 제조된다. 적색이외의 단색LED도 몇개나 실용화되고 있다. 녹색·황록색용의 GaP, 청색용의 SiC, 청색·녹색용의 GaInN, 주황색·황색용의 AlGaInP를 활성층으로 사용한 LED가 저코스트의 LED로서 실용화되고 있다. 기판은 GaAs, GaP, SiC, 사파이어 등이다.

실용화되고 있는 LED의 색상과 활성층의 조성의 관계는 다음과 같다.

(1) 적색LED ... AlGaAs, GaAsP

(2) 녹색·황록색LED ...GaP

(3) 청색 ... SiC

(4) 청색·녹색 ... GaInN

(5) 주황색·황색 ...AlGaInP

그러나 이들 LED는 모두 활성층에 있어서이 밴드갭간 천이(遷移)에 의한 발광을 이용하고 있다. 전자의 밴드갭천이에 의하므로 파장이 하나로 결정된다. 단일파장의 광이므로 단색이다. 밴드갭에서의 전자·정공(正孔)에 재결합에 의한 발광이므로 좁은 폭의 스펙트르를 가진다. 어느것이나 단일의 반도체재료의 밴드갭발광이므로 단색밖에 내지 못한다.

원색외에 몇개의 중간색을 발생할 수 있다. 그러나 중간색이라해도 단색인 것에 변함이 없다. 이제까지의 LED에 의해서 발생할 수 있는 색은, 적색, 주황색, 황색, 황록색, 녹색, 청녹색, 청색, 청자색, 자색 등이다. 이들은, 원색 또는 적색과 녹색의 중간색 또는 녹색과 청색의 중간색이다. 중간색이라해도 단색이지 복합한 색상은 아니다. 또한 적색과 청색의 중간색, 적색과 녹색과 청색의 중간색을 단일LED에 의해 발광시키는 것은 없었다.

중간색을 만들어내기 위해서, 적색, 녹색, 청색의 3원색 LED를 복수개 조합한 것이 사용된다. 3원색의 LED를 조합하면 어떠한 중간색도 만들어낼 수 있다. 그러나 다른 LED를 몇개나 조합하면 구조가 복잡해진다. 색이 분리되어 보이지 않는 연구도 필요하다. 조합이 아니고 단일LED에 의해서 중간색을 부여하는 것이 본 발명의 목적이다.

조명용도나 일부의 표시용도에는, 상기의 단색의 광원이 아니고, 적색과 청색의 중간색(적자색이나 핑크색)의 광원이나, 적색과 청색과 녹색의 중간색(백색)의 광원이 구하여지고 있다. 상기와 같이 통상의 LED에 의해서는 단색밖에 나오지 않는다. 조명, 표시에는 중간색이 필요하다. 그러므로 현재도 또한 조명, 표시에는 평광등이나 백열 등이 사용되고 있다.

이들 조명표시 등은 실적도 있고 취급이 간편하다는 등의 장점이 있다. 또 장치나 관구(管球)는 염가이다. 상용전원을 직접 접속해서 사용할 수 있는 등, 성숙한 기술이 가지는 이점이 있다. 그런데 백열구는 수명이 확실히 짧다. 빈번히 끊어지므로 자주 취환할 필요가 있다. 백열구는 발광효율이 나쁘다고하는 난점도 있다. 형광등은 수명에 대해서는 개선되고 있으나, 대형장치로 무겁다고 하는 결점이 있다.

LED는 전류를 직접 광으로 바꾸므로 효율이 좋다. 또 긴 수명이다. 또한 개개의 소자는 극히 가볍다. 원색 그대로로서 좋은 표시용도 등에는 LED도 사용되고 있으나, 백색이나 적자색, 핑크색 등의 색을 낼 수 없으므로 용도는 한정된다. 중간색을 내기위해서는 복수의 다른 LED를 짜맞출수밖에 없다. 그러나 그것은 복잡한 구조로 되어 고코스트가 된다.

단하나의 LED에 의해 백색을 합성하는 시도가 이루어지고 있다. 이것은, GaInN을 사용한 고휘도의 청색LED와, YAG황색형광체를 짜맞춘것이다. 사파이어기판위에 GaN결정을 성장시키고, 또 GaInN활성층을 성장시켜 청색LED를 제작하는 기술이 확립되었으므로, 이 청색LED를 용융한 것이다. 이 백색LED는, Shuji Nakamura＆Gerhard Fasol, "The Blue Laser Diode(GaN Based Light Emitters and Lasers)", January 1997, springer, p 216∼221(1997)에 소개되어있다.

도 1에 그 문헌에 표시된 공지의 백색LED를 표시한다. 사파이어기판위에 GaInN/GaN의 구조를 형성한 청색LED(5)가 스템(2)의 움패임(4)속에 본딩되어 있다. LED의 P쪽(양극)전극, n쪽(음극)전극은 소자상부면에 있으나 이들이 스템(2),(3)에 와이어본딩되어 있다. GaInN-LED(5)의 위에는 YAG형광체(6)가 충전되어 있다. YAG(이트륨알루미늄가아닛)는 황색재료이며 청색광을 흡수해서 황색형광을 발생한다.

통상의 발광소자나 수광소자는 도전성기판을 사용하므로 칩저면이 전극이 되고 리드에 고쳐부착한다. 그러므로 와이어는 또한쪽의 상부면전극과 리드를 연결하는 1개로 끝난다. 그러나 GaN계의 청색LED는 사파이어기판위에 GaN나 GaInN층을 적층한다. 사파이어는 절연체이므로 저면을 음극으로 할 수 없다. 그래서 칩의 상부면에 n전극(음극)과 p전극(양극)을 병열해서 만든다. 그러므로 와이어는 2개 필요하게 된다. 양극으로부터 음극으로 전류를 흘리면 GaN계 LED가 청색을 낸다. 청색의 일부는 그대로 YAG형광체를 투과해서 외부로 출사된다. 나머지는 형광체(6)에 흡수되어 보다 파장이긴 황색을 낸다. 청색과 황색의 광이 겹쳐서 나온다. 합성된 광은 백색이다. 결국 이것은, GaN계 LED의 청색과 이에 의해서 여기된 형광체로부터의 황색이 합성되어서, 사람의 눈에 감지되므로 백색으로 보인다는 것이다.

LED의 발광은 전자의 밴드간 천이에 의한 적극적인 발광이다. 형광체는 그 광을 흡수하고, 내부의 전자가 기저밴드로부터 위의 밴드에 여기되어 그 전자가 발광중심이라고 호칭되는 준위(準位)를 개재해서 기저밴드에 떨어질때에 광을 발생한다. 당연히 이 여기발광에서는 LED의 광보다 에너지가 낮은 광이 나온다. 적당한 형광체에 의해 LED를 둘러싸면 LED의 고유의 광과 그것보다 긴 파장의 형광이 나오게 된다. YAG형광체는 마침 황색의 광을 내므로, LED의 청색과 합성되어 백색으로 된다고한다. 가시광중에서 청색은 파장이 짧고 에너지가 높다. 청색발광소자가 존재하므로 이와 같은 일이 가능해진다.

도 2에 GaInN/YAG발광소자의 발광 스펙트르를 표시한다. 횡축은 파장, 종축은 광강도(임의 눈금)이다. 460nm의 근방에 날카로운 발광피크가 있다. 이것은 청색LED(GaInN-LED)고유의 피크이다. 550nm를 중심으로 한 브로드한 피크가 있으나, 이것은 황색YAG의 형광에 의한 발광이다. 전자천이발광과 형광에 의해서 청색과 황색을 내게하고 있다. 육안은 색을 분리해서 관찰할 수 없으므로 백색발광과 같이 보인다. 1개의 LED이어도 백색을 만들 수 있다는 뜻이다.

그러나, GaInN/YAG발광소자에는 몇개인가의 결점이 있다. GAInN계 LED란 전혀 이질의 물질인 YAG형광체를 여분으로 필요로 한다. 이것이 제 1의 결점이다. 투명도가 나쁜 YAG형광체를 칩위에 채우므로 LED로부터의 광의 다량이 흡수된다. LED의 청색이 바깥까지 좀체로 나오지 않으므로 효율이 극히 나쁘다. 청색LED단체(單體)로는 휘도1Cd(칸델라)이상, 외부양자효율이 5％이상이나, YAG에 의해 둘러싸서 백색LED로 하면, 휘도가 0.5Cd, 외부양자효율이 3.5％로 저하해버린다. 이것이 제 2의 결점이다.

또, YAG형광재는 투명성이 나쁠뿐만아니고, 광변환효율 결국 화색을 만드는 능력자체도 낮다. 겨우 10％정도이다. 보았는 눈의 백색광의 색조(色調)를 난색계(暖色系)의 백색으로 하기 위해서 황색발광의 강도를 올릴려고 하면 형광재두께를 증가시킬 필요가 있다. 그렇게 하면 점점 흡수가 증가해서 휘도, 효율 함께 저하한다. 이것이 제 3의 결점이다. 제 4의 결점으로서는, 복잡한 제조공정을 필요로 하는 일이다.

조명용, 표시용, 액정백라이트 등에 이용할 수 있는 백색LED의 필요(need)는 다대하나 백색이외의 중간색조에 대한 필요도 있다. 적색과 녹색의 중간색인 황색이나 주황색은 경고등이나 표시용도 쪽으로 큰 수요가 기대된다. 적색과 녹색의 중간색인 주황색이나 황색을 내는 단일한 LED는 제조가능하다. 그러나 어느것이나 저휘도이고 고코스트이다. 예를 들면 n형 GaAs기판위에 P형 Al GaInP의 층을 MOCVD법에 의해서 쌓은 LED가 황색을 낸다. 그런데 p형층에서의 전류의 확대가 나쁘므로 AlGaInP를 두껍게 해야한다. 그 때문에 고코스트로 되어 버린다. 또 휘도가 낮다. 고코스트저휘도라는 것은 LED로서는 큰 난점이다. 그 대신에, 보다 염가인 적색 LED(AlGaAs)와 녹색LED(GaP)의 2개의 LED를 조합해서 사용한다고 하는 일이 이루어진다. 또 색칠한 커버유리를 위에 얹는다고하는 연구도 이루어진다. 2종의 LED를 조합한 것은 구조가 복잡해 진다. 전원도 단순치않다. 보다 염가이고 주황색, 황색을 내는 고휘도단일 LED가 바람직하다. 또 적색청색의 중간색(핑크, 적색자색), 적색녹색청색의 중간색을 종래의 단일LED에 의해 만들어내는 일은 전해불가능하였다. 종래 기술의 난점을 극복하고, 단일의 LED에 의해서 적색, 청색의 중간색, 백색(적색, 청색, 녹색의 중간색)을 발생하는 LED를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

일반적인 색도도(色度圖)를 도 19에 의해서 설명한다. 색도도는, 일반의 가시적인 광원색 혹은 물체색에 대해서 3원색인 적색, 녹색, 청색에 대한 자극치(인간의 눈속에 있는 「취대」(翠黛)라고 호칭되는 3종류의 시감각기가 느끼는 자극량)를 수치화함으로써, 평면좌표상에서 표시하기 위해서 연구된 도면이다. 임의의 광원의 발광스펙트르를 Q(λ)라 하면, 여기에 각각의 색을 인식하는 시감각기의 분광감도특성에 상당하는 등색함수를 곱한 것이, 각각의 색의 자극치가 된다. 결국, 적색에 대응하는 등색함수를 r(λ), 녹색에 대응하는 등색함수를 g(λ), 청색에 대응하는 등색함수를 b(λ)로 하면, 적색의 자극량X는 X=∫Q(λ)r(λ)dλ, 녹색의 자극량 Y는 Y=∫Q(λ)g(λ)dλ, 청색의 자극량Z는 Z=∫Q(λ)b(λ)dλ가 된다. 이들을 총자극량으로 규격하한, x=X/(X+Y+Z), y=Y/(X+Y+Z)에 의해 펼쳐지는 평면좌표가 도 17에 표시한 색도도이다. 원리상, 이 좌표계에서는 여하한 스펙트르을 가진 색도, 좌표상의 (0,0),(1,0),(0,1)을 연결해서 할 수 있는 직각 2등변 삼각형의 내부에 있는 일점으로서 표시된다.

색도도상에 있어서 단색광은 도 19중의 굵은 C형의 실선으로 표시된다. 이 형은, 등색함수의 형상으로부터 결정되므로, 예를 들면 550mm보다 긴 파장영역에서는, 청색의 감도가 0이므로, 단색광의 색도는 x+y=1의 직선상에 존재한다. 또 505nm보다 짧은 파장영역에서는, 청색이 증대하는 동시에, 적색에 상당하는 분광감도도 겨우 증가해가므로, 도면과 같이 직선 x=0(결국 y축)으로부터 어긋난 곡선을 그린다. C형곡선상의 장파장의 극한점과 단파장의 극한점은 직선으로 연결되어 있으나, 이 직선은 단색광에 대응하는 것은 아니고, 순자색(純紫)궤적이라고 호칭되고 있다. 이 C형의 곡선과 순자색궤적과의 둘러싸인 영역의 내부점이 중간색을 표시하게 된다. 이 중간색의 중심부가 백색의 영역이다. 도 19로부터 아는 바와 같이, 백색의 영역은 x=0.21∼0.49, y=0.2∼0.46정도의 범위에 존재한다. 본 발명에서 목적으로 하는 색은 종래의 LED에서는 할 수 없었다. 이 백색영역과 그 아래쪽의 핑크색, 자색, 적자색의 청적색 중간색영역, 및 종래의 LED에서는 높은 코스트 저휘도품밖에 없었던, 황색, 주황색의 적녹색중간색영역(백색영역의 우상측)이다.

도 1(a)는 GaInN-LED의 위를 YAG형광재에 묻어넣은 종래예에 관한 백색LED소자전체의 단면도

도 1(b)는 GaInN-LED의 위를 YAG형광재에 묻어넣는 종래예 관한 백색LED소자의 YAG형광재와 LED칩의 근방만의 단면도

도 2는 도 1(a)의 백색LED의 발광스펙트르도

도 3(a)는 본 발명의 실시예에 관한 중간색, 백색LED소자전체의 단면도

도 3(b)는 본 발명의 실시예에 관한 중간색, 백색LED소자의 칩근방만의 단면도

도 4는 전류주입발광과 기판형광발광을 이용한 본 발명의 LED의 원리를 설명하기 위한 스펙트르도. 파장A는 형광을 발생하기 위한 가장긴 파장, 파장B는 형광의 피크중심의 파장, 파장C는 전류주입에 의한 밴드갭천이발광의 피크중심파장.

도 5는 본 발명의 실시예 1(ZnSe·ZnCdSe/ZnSe(I·Cu))에 관한 발광기판LED의 층구조도

도 6은 본 발명의 실시예 1(ZnSe·ZnCdSe/ZnSe(I·Cu))에 관한 발광기판LED의 발광스펙트르도

도 7은 본 발명의 실시예 1(ZnSe·ZnCdSe/ZnSe(I·Cu))에 관한 발광기판LED의 발광색도를 표시한 색도도

도 8은 본 발명의 실시예 2(ZnSe/ZnSe(Al·I)에 관한 발광기판LED의 층구조도

도 9는 본 발명의 실시예 2(ZnSe/ZnSe(Al·I)에 관한 발광기판LED의 발광스펙트르도

도 10은 본 발명의 실시예 2(ZnSe/ZnSe(Al·I)에 관한 발광기판LED의 발광색도를 표시한 색도도

도 11은 본 발명의 실시예 3(ZnSSe·ZnCdSe/AlGaAs(Si))에 관한 발광기판LED의 층구조도

도 12는 본 발명의 실시예 3(ZnSSe·ZnCdSe/AlGaAs(Si))에 관한 발광기판LED의 발광스펙트르도

도 13은 본 발명의 실시예 3(ZnSSe·ZnCdSe/AlGaAs(Si))에 관한 발광기판LED의 발광색도를 표시한 색도도

도 14는 본 발명의 실시예 4(GaInN/GaP(Zn·O))에 관한 발광기판LED의 층구조도

도 15는 본 발명의 실시예 4(GaInN/GaP(Zn·O))에 관한 발광기판LED의 발광스펙트르도

도 16은 본 발명의 실시예 4(GaInN/GaP(Zn·O))에 관한 발광기판LED의 발광색도를 표시한 색도도면

도 17은 실시예 1∼6의 모든 LED(α∼η, κ∼μ)의 발광색도를 하나로 종합해서 표시한 색도도면

도 18은 실시예 1∼6의 모든 LED(α∼η, κ∼μ)의 기판의 재료, 형광파장, 활성층재료, 전류주입발광파장, LED부호, 상위점(기판두께, 불순물농도, 활성층) LED의 색도를 표시한 표

도 19는 적색성분을 x축에, 녹색성분을 y축에 취하여 파장을 붙인 윤곽선에 의해서 단색을 표현하고 윤곽선내부에 생성하는 중간색의 영역도 표시한 일반적인 색도도면

도 20은 GaInN을 활성층으로서 가진 실시예 5의 LED의 에피택셜웨이퍼의 층구조를 표시한 도면

도 21은 GaInN을 활성층으로서 가진 본 발명에서 사용하는 LED의 발광스펙트르도

도 22는 횡축을X, 종축을Y로 하는 색도를 표시한 색도좌표계에 있어서, 실시예 6의 3종류의 두께가 다른 LED의 발광점을 κ,λ,μ로서 표시한 도면. M은 GaInN-LED의 발광, N은 형광을 표시한다. X는 3원색중 적색의 성분의 비(比)를, Y는 3원색중 녹색의 성분의 비를 표시한다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1, 15: 투명수지 2,3,11: 스템

4: 스템(2)의 움패임 5: GaInN-LED

6: YAG형광체 7,8,14: 와이어

9: LED칩 10: 리드

12: 기판 13: 에피택셜발광구조

15: 투명수지 16: 소자가대

20: n형 ZnSe기판 21: n형 ZnSe버퍼층

22: n형 ZnMgSSe클래드층

23: ZnSe/ZnCdSe다중량자 우물(井戶)활성층

24: p형 ZnMgSSe클래드층 25: p형 콘텍트층

30: n형 ZnSe기판(I, Al도프) 31: n형 ZnSe버퍼층

32: n형 ZnMgSSe클래드층 33: ZnSe더블헤테로활성층

34: p형 BeMgZnSe클래드층

35: p형 ZnTe/ZnSe초격자콘텍트층 40: n형 AlGaAs기판

41: n형 ZnSSe버퍼층 42: n형 ZnMgSSe클래드층

43: ZnSSe/ZnCdSe다중량자우물활성층 44: p형 ZnMgSSe클래드층

45: p형 ZnTe/ZnSe초격자콘텍트층 50: 반절연성GaP기판(Zn,O도프)

51: n형 GaN콘텍트층 52: n형 AlGaN클래드층

53: GaInN더블헤테로활성층 54: p형 AlGaN클래드층

55: p형 GaN콘텍트층 60: GaN에피택셜웨이퍼

62: n형 GaN기판 63: n형 GaN버퍼층

64: n형 AlGaN클래드층 65: GaInN활성층

66: p형 AlGaN클래드층 67: p형 GaN콘텍트층

본 발명은, 형광재를 사용하지 않고, 불순물은 첨가한 반도체기판 또는 절연체기판 그자체에 의해서 형광을 발하도록 해서, 밴드갭천이에 의한 발광과 조합해서 백색이나 그밖의 중간색을 발생하는 LED를 부여한다. 기판위의 에피택셜성장층(발광구조)은 밴드갭천이에 의해서 단파장의 강한 빛을 내고, 그 광에 의해서 기판자체가 보다 긴 파장의 형광을 발생하도록 했다. 결국 LED발광과 기판의 형광을 이용한다.

LED라 하는 것은, 단결정기판과 그 위에 에피택셜성장한 발광구조로 이루어진다. 에피택셜성장층이 내는 광의 파장을 λ₁로 하면 기판은 이에 대해서 통상 투명하지 않으면 아니된다. 만약 기판이 불투명하고 흡수가 있다면 그것을 제거하는 연구가 이루어졌다. 불순물에 의해서 색이 선명성을 손상한다면 기판의 불순물을 될 수 있는 한 적게하는 연구가 이루어졌다. 기판은 될 수 있는 한 투명청징(淸澄)했어야한다.

본 발명은 그것과는 반대로 적극적으로 기판에 발광중심을 부여한다. 적당한 도펀트를 기판에 첨가하면 발광중심이 된다. 도핑에 의해서 기판에 형광성을 부여한다. 형광과 LED발광의 조합에 의해서 중간색, 백색을 합성한다. LED의 기판과, 활성층의 조합은 몇개나 있다. 예를 들면 다음 4개의 조합이 가능하다.

조합(a) GAN기판 GaInN활성층

조합(b) AlGaAs기판

ZnSe, ZnSSe/ZnCdSe, ZnSeTe활성층

조합(c) GaP기판 GaInN활성층

조합(d) ZnSe기판

ZnSe, ZnSe/ZnCdSe, ZnSeTe활성층 이들 기판중, 조합(c)의 GaP기판은 용이하게 준비할 수 있다. 초코럴스키법이나 부리지먼법에 의해서, 대형단결정을 만들고, 이것을 박편으로 잘라서 단결정웨이퍼로 한다. 조합(b)의 AlGaAs기판은 큰 단결정을 할 수 없으므로 GaAs웨이퍼위에 AlGaAs층을 형성해거 기판으로 한다. 조합(a)의 GaN기판자체가 신규이고 제조방법이 널리 알려져 있지 않다. 뒤에 GaN기판의 제조방법에 대해서도 설명한다. 조합(d)의 ZnSe기판도 잘 알려진 기판이 아니다. 그러므로 후에 이 제조방법에 대해서도 설명한다. 형광중심으로 하기 위해서, 각각의 기판에 도프하는 불순물은 다음과 같다.

조합(a) GaN기판 산소원자, 탄소원자, 질소빈구멍(空孔)

조합(b) AlGaAs기판Si

조합(c) GaP기판 아연원자, 산소원자

조합(d) ZnSe기판 I+Cu, I+Ag, I+Al

상기와 같이 도펀트종류, 농도, 결함밀도를 조정해서 형광발광의 중심파장을 바꿀 수 있다. 기판두께에 의해 형광의 비율을 바꿀수 있다. 그러므로, 불순물종류, 농도, 결함밀도, 기판두께 등의 파라미터를 자재하게 조정함으로써, 난색계로부터 한색(寒色)계의 백색까지 임의의 백색, 또는 다양한 중간색을 얻을 수 있다.

활성층에서의 밴드갭천이에 의해서 λ₁(중심파장C)이 나오면, 기판의 형광중심이 이것을 흡수해서, 그것으로부터 에너지의 낮은 λ₂(중심파장 B)의 형광을 발하도록 한다(λ₁＜λ₂). 그렇게 하면 λ₁(중심C)+λ₂(중심B)의 광이 나오므로 인간의 눈에는 이들의 합성색으로서 보이는 것이다.

활성층의 재료를 바꾸면 밴드갭천이의 광의 파장λ₁이 바뀐다. 기판의 도펀트의 종류를 바꾸면 λ₂를 바꿀 수 있다. 도펀트의 양을 바꾸거나 혹은 기판두께를 바꾸면 형광의 강도가 변화한다. 그러므로 에피택셜발광구조와, 기판의 도펀트를 바꾸면 여러가지중간색, 백색을 발생시킬 수 있다. 통상의 LED는 반드시 기판과 발광구조가 있으므로, 본 발명은 그밖의 구조물을 부가시킬 필요가 없다. 단지 기판에 도핑한다는 공정이 증가될 뿐이다.

도 4의 발광강도분포도는 본 발명의 LED의 원리를 표시한다. 파장C가 전류여기에 의한 발광을 표시한다. 파장B가 기판형광이다. 본 발명을 이해하자면 3개의 파장 A,B,C의 관계를 양해할 필요가 있다.

파장C = 에피택셜발광구조에 의한 밴드갭천이에 의한 발광

파장B = 기판에서의 형광

파장A = 기판에 흡수되어서 형광을 발할 수 있는 최장의 파장

형광 B로 파꾸어질 수 있는 최저에너지의 광이 A이므로, 1광자여기의 경우, 반드시 파장B＞파장A이다. 발광구조가 내는 광C가, 파장C＜파장A이면, 발광구조의 광C는, 기판속에 형광을 여기할 수 있다. 밴드갭천이광C와 형광B가 외부에 방출된다. 외부로 나오는 광은, (C+B)이다. 파장A는 임계적(臨界的)인 의미를 갖는 파장에 불과하고 외부에 나오는 광은 아니다.

도 3(a), 도 3(b)에 본 발명의 LED의 개념도를 표시한다. 본 발명의 LED칩(9)이, 소자가대(스템)(16)의 위에 장착되다. LED칩(9)은 기판(12)과 에피택셜발광구조(13)로 이루어진다. 기판이면에 전극이 있는 경우는, 스템(16)에 그 전극이 접속된다. 또 한쪽의 전극은, 와이어(14)에 의해서 스템(11)에 접속된다. 칩, 스텝위쪽의 전체를 투명수지(15)에 의해서 몰드해있다.

기판(12)의 도펀트로서 도 4의 파장A보다 단파장의 광을 흡수하고 파장B (λ₂)에 피크를 가진 형광을 발하는 것을 선정한다. 에피택셜발광구조(13)이 밴드갭발광의 파장C가 λ₁에 닿는다. 한편, 형광을 여기할 수 있는 최저에너지의 광의 파장을 A로 하고 있다. 파장A이하의 파장을 가진 광은 형광을 발생할 수 있다. 에피택셜발광구조가 내는 파장C가 C＜A이면 그 광은, 기판의 도펀트를 여기하여 형광을 발생시킬 수 있다. 그런까닭에, C＜A＜B이면 어떠한 기판, 에피택셜발광구조의 조합이라도 되는 것으로 된다. 단, 큰 결정기판으로서 얻게되는 재료는 한정되어 있따. 격자정합(整合)의 조건 등이 있으므로, 어떤 기판에 대해서 에피택셜성장할 수 있는 박막도 한정된다.

본 발명에 있어서, 기판으로부터 나오는 것은 형광이므로, 1광자 흡수의 경우, 입사광자의 에너지보다 낮은 것은 당연하고, 형광파장λ₂는, 여기광λ₁보다 길다. 2광자흡수이면 형광쪽이 단파장일수도 있다. 또 에피택셜발광구조로부터의 발광 혹은 기판으로부터의 형광이, 가시광영역으로부터 현저히 어긋나는 경우는, 본 발명의 목적에 합치하지 않는다.

도 4에 있어서, 파장C를 중심으로 하는 예리한 피크는 에피택셜발광구조로부터의 전자의 밴드갭천이에 의한 발광이다. 그것보다 긴파장의 브로드한 스펙트르 B는 기판의 형광을 표시한다. 파장A보다 짧은 파장의 광은 기판의 발광중심을 여기하여 형광을 낼 수 있다. 활성층으로부터 나오는 과의 파장은 파장A보다 짧다. 활성층으로부터 짧은 파장의 광이 나와서, 이것이 기판의 발광중심을 여기해서 장파장의 형광을 낸다. 합성된 광이 외부에 방출되나, 이것은 밴드갭발광C와 형광B의 조합으로 된다. 에피택셜발광구조를 바꾸면 밴드갭발광C의 파장을 바꿀수 있다. 결국 활성층구조를 바꾸면 파장C를 바꿀수 있다. 기판의 도펀트를 바꾸면 형광파장B를 바꿀수 있다. 기판도펀트농도를 바꾸면 형광의 비율을 증감할 수 있다. 기판두께를 바꾸면 형광의 비율을 가감할 수 있다.

결국 파장B를 피크로 하는 형광(기판발광)은 도펀트, 도펀트농도, 두께라는 자재하게 변화시킬 수 있는 파라미터를 가진다. 에피택셜발광구조는, 활성층이 파라미터로되어 파장C를 자재하게 변동시킬 수 있다.

본 발명은 에피발광C, 형광B를 변화시키고, 넓은 범위의 중간색, 백색을 발생하는 LED를 얻을 수 있다. 본 발명의 LED는, 이제까지 LED에 의해서는 불가능하였던, 적색청색의 중간색, 백색(적청록의 중간색)도 발생시킬 수 있다. 참으로 뛰어난 발명이다.

본 발명의 LED칩의 형상자체는, 종래의 LED칩과 변함이 없다. 여분의 형광재를 도포할 필요는 없다. 스템도 흔한 통상의 것을 사용할 수 있다. 이미 확립되어 있는 저코스트의 LED소자 제작시술을 그대로 응용할 수 있다.

대개 LED인 것에는, 에피택셜층을 형성하기 위한 대(台)로서 기판이 필요하다. 기판은 꼭 필요한 것이다. 종래의 LED에 있어서 기판은 에피층을 유지하여 전류를 통하게 하는 이외에 적극적인 역할은 무엇하나 없었다. 기판이 발광한다고하는 경우는, 불순물을 제거한다든가해서 기판발광을 배제하는 연구가 이루어졌다. 기판은 투명하고 흡수가 없고 발광하지 않는 것이 좋다고 하여왔다. 본 발명에서는 기판형광을 반대로 적극적으로 이용한다. 형광을 이용해서 중간색이나 백색을 만들어 낼려고하는, 바로 발상의 역전에 의해서 발생한 기술이다.

본 발명과는, 선원의 일본국특원평 10-194156호에 있어서, ZnSe기판+ZnSe계 에피층에 의해, 밴드갭천이발광과 형광을 조합하여 백색광LED를 제작하는 기술을 제안했다. 이것은 ZnSe계 활성층에서 청색을, ZnSe기판에서 황색을 발생시켜 합성해서 백색광으로 하고 있다. 그러나 기판의 도펀트, 기판의 종류, 에피층을 연구하면, 또 광범위의 중간색을 창출할 수 있다. 이제까지 불가능하였던 적색청색의 중간색, 적청록중간색도 LED에 의해서 만들어 낼 수 있다. 적색녹색의 중간색은 종래의 LED에 의해서도 되었으나 고코스트이었다. 본 발명은 적색녹색의 중간색을 염가인 LED에 의해서 발생시킬 수 있다.

예를 들면 본 발명에서는 형광중심을 포함한 GaN기판과 GaInN계의 청색발광소자를 조합하였을 뿐인 간단한 구조의 백색LED를 제안한다(조합(a)). n형 GaN기판위에 p형 GaInN박막을 성장시키면 400nm∼500nm에 의해 발광하는 청색LED가 된다.

대형이고 결함이 적은 GaN기판은 종래 제작할 수 없는 것으로 되어 있었다. GaN자체는 고온고압에서도 용이하게 융액으로 되지 않고 초코럴스키법, 부리지먼법 등을 사용할 수 없다. 그래서 종래는 GaInN-LED는 사파이어기판에 형성되었다. GaN기판이 존재하지 않으면 본 발명은 실시할 수 없다. 최근, 융액성장법이나 기상(氣相)성장법에 의해서 GaN기판을 제작할 수 있게 되어 왔다. 이것이 본 발명을 가능케 하였다. 융액성장법은, Ga융액에 GaN을 용해시켜서 압력과 열을 걸어서 Ga-GaN의 융액으로 하여 GaN의 단결정을 성장시키는 방법이다. 소형의 결정을 만들 수 있다.

기상성장법은, (111)GaAs기판위에 도트형상의 구멍이나 직선형상의 구멍을 다수 가진 마스크를 형성하고, 마스크를 통과해서 GaN을 저온으로 기상성장시켜서 버퍼층을 만들고, 또 그 위에 고온으로 에피택셜층을 두껍게 성장시키고, GaAs기판을 제거해서 GaN의 대형단결정기판을 만드는 것이다. 결국 박막의 성장법을 사용해서 기판을 성장시킨 것이다. 원료가스의 부여방식에 의해서 HVPE(헬라이드기상성장법)법, MOC(유기금속염화물기상성장법)법, MOCVD(유기금속CVD법)법 등이 있다. HVPE법은 호트월형의 노에, GaAs기판과 Ga금속용액을 넣어두고 수소, HCl가스를 내뿜어 GaCl을 만들고 기판가까이에서 암모니아와 반응시켜 GaN을 합성한다. MOC는, TMG 등의 유기금속을, H₂+HCl가스와 호트월형로에 의해 반응시켜 GaCl을 합성하고, 이것과 암모니아 NH₃을 반응시켜서 GaN을 만든다. MOCVD는 콜드월반응로에 있어서, TMG등 유기금속을 H₂에 의해서 수송하고, 암모니아와 반응시켜 GaN을 만든다. 이들 GaN기판의 제조방법은 본 출원인의 선원인 일본국 특원평 10-171276호에 설명하고 있다. 대형의 GaN기판을 제조할 수 있게 된 것은 극히 최근의 일이다. 본 발명은 그와 같은 GaN기판을 출발원료로 해서 백색LED를 제작한다.

GaN기판을 기상성장법이나 융액성장법에 의해서 성장시킬때, 산소나, 탄소 등의 불순물(도펀트)을 도프하거나, 결정결함(질소빈구멍)을 도입할 수 있다. 산소, 탄소 등의 불순물, 혹은 질소빈구멍 등의 결정결함은 형광을 발생하는 중심이 된다. 480nm보다 짧은 파장의 광을 닿으면, 520mm∼650mm의 넓은 범위의 형광을 발생한다. 이 발광중심의 것을 형광발광중심 혹은 단순히 형광중심이라고 호칭할 수 있다. 형광발광의 중심파장, 발광스펙트르의 반값폭은, 도펀트(산소,탄소)의 종류, 도핑량, 혹은 결정결함(질소빈구멍)의 량에 의해서 조정할 수 있다. 형광이 황색으로부터 적색으로(520nm∼650nm) 널리 분포하므로 이것과 GaInN-LED의 청색을 가한 것이 나온다. 육안으로는 이것을 합성하므로 백색광 혹은 중간색광으로 보인다. 백색광, 중간색광=GaInN의 청색+GaN의 형광과 같이 2개의 광으로부터 백색광 또는 중간색광이 합성된다.

결국 본 발명의 조합(a)의 소자는 2개의 부분으로 이루어지고,

(1) GaInN계 LED... 밴드간천이에 의한 청색발광(400∼510nm)

(2) GaN기판 ... 황색∼적색의 형광(형광; 520∼650nm)를 조합한 것이다. GaN기판은 n형이라도 p형이라도 된다. 어느 것에 있어서도 에피택셜성장층안에 Pn접합을 만든다. 에피택셜성장층이 발광구조로 된다. 기판이 형광체로 된다.

백색이라해도 여러가지의 것이 있다. 청색이 우세하면 한색(寒色)의 백색으로 되고, 적색이 우세하면 난색(暖色)으로 기운다. GaN기판이 두꺼우면 GaIn-LED의 청색이 흡수되어 감소하고 형광발광의 황색이 우세해진다. GaN기판의 두께를 변화시키므로써, 형광발광의 강도를 조정할 수 있다. 결국기판두께에 의해 LED로부터의 청색발광에 대하여 형광발광의 비율을 바꿀수 있다. 그러나 기판두께에는 다른 조건으로부터 제한이 가해졌다. 50㎛이하로 하면 후공정에 있어서 파손의 비율이 증대한다. 수율도 떨어지고 코스트가 높아진다. 반대로 기판두께를 2mm이상으로 하면, LED의 사이즈가 지나치게 커진다. 또 황색광의 비율이 과도하게 증가해서 백색이 아니게 된다. 그래서 기판두께는 50㎛∼2mm의 정도이다. 이와 같은 것은 다른 조합(b)∼(d)에 대해서도 말할 수 있는 일이다.

이상으로 조합(a)의 GaN기판의 제작법을 설명했다. 조합(b)의 기판 AlGaAs/GaAs, 조합(c)의 기판 GaP기판은 제조방법은 잘 알려져 있으므로 설명하지 않는다. 조합(d)의 n형 ZnSe기판의 제조방법은 반드시 주지하고 있지는 않으므로 여기서 간단히 설명한다.

대형 ZnSe단결정의 제조방법에는, 화학수송법과 입계(粒界)성장법이 있다. 화학수송법은 다결정 ZnSe의 일부를 I에 의해서 수송하고 단결정 ZnSe에 퇴적시키는 방법이다. 성장실의 저부에 ZnSe다결정원료를 둔다. 성장실상부에 단결정인 평판형상의 ZnSe종결정을 고정한다. 공간에는 옥소를 채운다. 저부의 다결정을 상부의 단결정보다 고온으로 가열한다. 하부에서는 2ZnSe+2I₂→2ZnI₂+Se₂의 반응이 일어난다. 옥화아연 ZnI₂는 기체이므로 상승한다. Se₂도 상승한다. 종결정은 저온이므로 여기서 반대방향의 반응이 일어난다. 2ZnI₂+Se₂→2ZnSe+2I₂가 된다. 이 ZnSe가 종결정의 위에 방위를 정돈해서 퇴적해간다. 옥소는 이와 같이 아연을 운반하는 작용을 한다. 그래서 옥소수송법이라고도 한다. 성장온도는 약 850℃이다.

입계성장법은 ZnSe고체다결정원료를 국소적으로 가열처리하고 가열개소를 이동시켜서 결정입의 벽(입계)를 이동시켜 결정입사이에서의 통합을 촉진시켜 결정입의 수를 감소시켜 결정입을 크게 해서 최종적으로 우세한 하나의 결정입만으로 함으로써 단결정을 제조하는 방법이다. 옥소수송법은 어떻게 해서라도 옥소를 함유하는 ZnSe단결정을 만들어 버리나 입계성장법은 옥소를 함유하지 않는 것을 제조할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

[실시예]

[실시예 1(ZnSe기판(I, Cu):ZnSe계 중간색소자; 480nm, 630nm)]

기판으로서, 옥소 및 구리도프 n형 ZnSe기판을 채용했다. 에피택셜발광구조로서 ZnSe를 모체로하는 혼정(混晶)으로 이루어지는 적층구조를 제작했다(도 5). 옥소와 구리를 도핑한 ZnSe기판(20)은 밴드테일링현상에 의해, 본래의 밴드갭에너지에 대응하는 파장인 460nm보다 장파장의 510nm보다 짧은 파장의 광을 흡수하고(파장A: 510nm), 불순물중심(옥소와 구리)에 의한 630nm에 브로드한 피크를 가진 형광(파장B: 630nm)을 발한다. 밴드테일링현상은 본 발명에서는 중요한 역할을 다하고 있다. 밴드갭 Eg의 반도체는, 그것에 대응하는 파장 λg(=hc/Eg)보다 짧은 파장λ＜(λg)의 광을 흡수하고, 긴파장λ(＞λg)의 광을 투과한다. 그런데 불순물을 도프함으로써 전도대의 단부, 가전자대(價電子帶)의 단부에 불순물준위(準位)가 생기면, 불순물준위·가전자대의 천이, 전도대·불순물주위의 천이가 일어난다. 결국 λg이상의 파장의 광도 흡수할 수 있게 된다. 이것이 밴드테일링현상이다. 본 실시예에서는, 밴드테일링에 의해서, λg(460nm)보다 긴 파장A(510nm)까지의 광을 기판이 흡수할 수 있다. 결국, 파장A(510nm)까지의 파장의 광에 의해서 불순물발광을 발할 수 있다.

ZnSe기판(20)은 두께의 영향을 조사하기 위하여, 50㎛ 두께의 기판(소자α)과 200㎛두께의 기판(소자β)을 준비했다. 2종류의 두께의 ZnSe기판에, 도 5에 표시한 바와 같은 에피택셜발광구조체를, MBE법에 의해 호모에피택셜성장시켰다. 이 에피택셜발광구조체의 발광피크파장은 480nm이다(파장C: 480nm).

이 에피택셜발광구조체는, 위로부터 차례로, p형의 ZnSe와 ZnTe적층초격자구조로 이루어진 p형 콘텍트층(25), p형 Zn_0.85Mg_0.15S_0.10Se_0.90클래드층(24), ZnSe와 ZnCdSe의 적층구조로 이루어진 다중량자우물활성층(23), n형 Zn_0.85Mg_0.15S_0.10Se_0.90클래드층(22)으로 이루어진다. 실제로는 ZnSe기판(20)과 에피택셜발광구조체의 사이에는 n형 ZnSe버퍼층(21)이 있다. 기판쪽으로부터 차례로 설명하면,

(1) n형 ZnSe기판(I, Cu도프, 불순물발광=630nm;B) 20

(2) n형 ZnSe버퍼층기 21

(3) n형 Zn_.85Mg_0.15S_0.10Se_0.90클래드층 22

(4) ZnSe/Zn_0.88Cd_0.12Se다중량자우물(井戶)활성층(480nm;C) 23

(5) p형 Zn_0.85Mg_0.15S_0.10Se_0.90클래드층 24

(6) p형 ZnTe/ZnSe초격자콘텍트층 25

와 같은 층구조이다. 또한 (4)의 활성층은 ZnSe_0.99Te_0.01더블헤테로활성층 (480nm:C)으로 해도 상관없다.

이 에피웨이퍼의 p형콘텍트층위에, Pd/Au로 이루어진 칩단위마다의 도트형상의 패턴p쪽전극을 형성하고, 그 위에 20nm이하의 두께의 박막Au전극을 상부면 전체면에 형성했다. 20nm이하의 Au로 하면 광을 통과하여 투명전극이 된다. 기판이면쪽에는, In으로 이루어진 n쪽전극을 형성했다. 전극형성후의 에피웨이퍼를 250㎛×250㎛각의 치수의 칩을 잘라냈다. 칩을 소자가대(스템)에 고정해서 LED로 했다.

이 LED에서는, 파장C(480nm)는 파장A(510nm)보다 짧으므로, 에피택셜발광구조로부터 나온 광중에서, 기판에 입사한 분은 기판에 의해 흡수되고, 파장B(630nm)의 형광을 발생한다. 그래서 외부로 나오는 광은 480nm+630nm이다.

이 LED를 정전류모드에 의해 측정했다. 전형적인 발광강도는 20㎃이고 2mW이었다.

이 LED의 발광스펙트르를 도 6에 표시한다. 설계대로, 480nm에 예리한 피크를 가진 발광구조로부터의 발광과, 630nm에 브로드한 피크를 가진 ZnSe기판의 불순물발광이 조합되어 있다는 것을 알 수 있다.

기판이 얇은(50㎛)소자 α는, 기판형광강도가 작고, 색은 청색기있는 핑크색이었다. 기판이 두꺼운(200㎛)소자β는, 기판형광강도가 크고, 색은 적색기 있는 적자색이었다. 두꺼운 기판은 많은 불순물 발광중심을 포함한다. 그러므로 기판이 두꺼운 쪽이 형광이 증가하는 것은 이해할 수 있다.

동일한 LED의 발광스펙트르를 색도도상에 표현한 것이 도 7이다. 기판두께가 50㎛의 소자α는, 색도가 (x,y)=(0.34, 0.21)의 청색기있는 핑크색이었다. 기판두께가 200㎛의 소자β는 색도가 (x,y)=(0.50, 0.24)의 적색기있는 적자색이었다. 도 7에는, 에피택셜발광구조로부터의 광의 색도(△점)와, 기판형광의 색도(□점)도 표시한다. 소자 α,β의 색도는, 이들 2개점을 연결하는 선분(分)의 위에 타고 있다. 마찬가지 실험을 옥소 및 은을 도프한 ZnSe기판을 사용해서 행한바, 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.

[(실시예 2(ZnSe(Al,I):ZnSe계핑크·적자색소자; 465nm, 600nm)]

기판으로서, n형 ZnSe기판(도펀트: 옥소와 알루미늄)을 선택했다. 에피택셜발광구조로서, ZnSe를 모체로하는 혼정으로 이루어지는 적층구조를 채용했다.

옥소와 알루미늄을 함께 도프한 ZnSe기판은, 밴드테일링현상에 의해, 본래의 밴드갭에 대응하는 파장인 460nm보다 긴 파장인 510nm보다 짧은 파장을 흡수하고 (파장A:510nm), SA발광이라고 불리는 불순물중심을 개재한 600nm에 브로드한 피크를 가진 형광을 발한다(파장B:600nm).

도펀트에 의해서 형광파장이 변화한다. 실시예 2에서는 I, Al(옥소, 알루미늄)이 도펀트이므로 형광중심파장은 600nm가 된다. Al을 가한 것은, 형광을 장파장족으로 추이(推移)시키기 위한 것이다.

여기서, ZnSe기판은, 도핑량n을 1×10¹⁷㎝^-3(소자γ)와, 5×10¹⁸cm^-3(소자δ)의 2종류의 것을 준비했다. 두께는 어느 것이나 250㎛이다. 도펀트농도를 바꿈으로써 어떻게 SA발광이 변화하는가 확인하는 것이 목적이다.

이 도전성 ZnSe기판상에, 피크파장이 465nm인 청색발광의 에피택셜발광구조를, 도 8과 같이 MBE법에 의해서 호모에피택셜성장시켰다(파장C:465nm). 에피택셜발광구조는, 위로부터 차례로, p형에 도프된 ZnSe와 ZnTe의 적층초격자로 이루어진 p형 콘텍트층(35), p형으로 도프된 Be_0.20Mg_0.20Zn_0.60Se로 이루어진 p형 클레드층 (34), ZnSe로 이루어진 더블헤테로활성층(33), n형도프된 Zn_0.85Mg_0.15S_0.10Se_0.90으로 이루어진 n형클래드층(32)으로 이루어진다. 기판쪽으로부터 차례로 설명하면,

(1) n형 ZnSe기판(I, Al도프) 30

(2) n형 ZnSe버퍼층 31

(3) n형 Zn_0.85Mg_0.15S_0.10Se_0.90클래드층 32

(4) ZnSe더블헤테로활성층(465nm) 33

(5) p형 Be_0.20Mg_0.20Zn_0.60Se클래드층 34

(6) p형 ZnTe/ZnSe초격자콘텍트층 35

와 같은 층구조이다.

이 에피웨이퍼를 사용해서, 실시예 1과 동일방법으로 LED를 제작했다. 이 LED에 있어서도, 파장C(465nm)는, 파장A(510nm)보다도 짧으므로, 에피택셜발광구조로부터나온 465nm의 광중에서, 기판에 입사한 분은, 기판에 흡수되고, 파장B(600nm)의 형광을 발생한다.

이 LED를 정전류모드에 의해 측정한 바, 전형적인 휘도는 20㎃이고, 1mW이었다. 고휘도의 황색기의 핑크색, 및 청색기의 적자색광을 얻을 수 있었다.

이 LED의 발광스펙트르를 도 9에 표시한다. 설계대로, 465nm에 예리한 피크를 가진 에피택셜발광구조로부터의 발광(밴드갭천이에 의함)과, 600nm에 브로드한 피크를 가진 ZnSe기판으로부터의 SA발광이 조합되어 있는 것을 알 수 있다.

도핑량이 적은(1×10¹⁷cm^-3)기판의 소자γ에 의해서는 기판의 형광강도가 작고, 도핑량이 많은(5×10¹⁸cm^-3)기판의 소자δ에 의해서는, 기판형광강도가 크게 되어 있다. 형광이 도핑량에 비례해서 강하게 된다고 하는 것을 알 수 있다.

이 발광스펙트르를 색도도 상에서 표현한 것이 도 10이다. 도핑량이 작은 (1×10¹⁷cm^-3)소자γ는 색도가, (x,y)=(0.34, 0.19)의 청색기의 적자색이다. 도핑량이 큰(5×10¹⁸cm^-3)소자 δ는 색도가(x,y)=(0.50, 0.29)의 황색기의 핑크색으로 되어 있다. 도 10에는, 에피택셜발광구조로부터의 발광색도(△점)와, 기판형광만의 색도(□점)를 표시한다. 소자γ, 소자δ함께 이들 2개의 점을 연결하는 선분(分)의 위에 탄다

[실시예 3(AlGaAs기판(Si); ZnSe계 황색·주황색소자; 520nm, 550nm, 690nm)]

기판으로서, Si를 도프한 n형 GaAs기판(46)상에 n형 AlGaAs층(47)을 액층에피택셜법(LPE)에 의해 형성한 AlGaAs기판(40)을 채용했다. 에피택셜발광구조체로서 ZnSe를 모체로하는 혼정으로 이루어진 적층구조로 채용했다.

AlGaAs기판(40)은, Al조성을 변화시킴으로써, 밴드갭을 변화시킬수 있다. 밴드갭에너지를 대응하는 파장으로 표현하면, 570nm∼860nm의 범위에서 밴드갭에너지를 변화시키는 것이 가능하다. 여기서는 기판쪽조성으로서 Al_0.50Ga_0.50As의 조성을 선택했다. AlGaAs기판(40)에 도프하는 n형 불순물로서 Si를 채용했다. 이 Al조성의 AlGaAs기판은 640nm보다 짧은 파장(파장A:640nm)을 흡수하고, 도펀트인 Si의 재결합중심발광에 의해 690nm에 브로드한 피크를 가진 형광을 발한다(파장 B: 690nm).

이 도전성AlGaAs기판(40)에, 발광피크파장이 520nm(소자ε) 또는 550nm (소자ζ)인 것 같은 녹색의 발광구조(도 11)를, MBE법에 의해 헤테로에피택셜성장시켰다. 이 에피택셜발광구조는 위에서부터 차례로, p형에 도프된 ZnTe와 ZnSe의 적층초격자구조로 이루어진 p형 콘텍트층(45), p형에 도프된 Zn_0.90Mg_0.10S_0.15Se_0.85층으로 이루어진 p형 클레드층(44), ZnS_0.06Se_0.94층과 Zn_0.70Cd_0.30Se층(ε), 혹은 ZnS_0.06Se_0.94층과 Zn_0.60Cd_0.40Se층(ζ)의 적층구조로 이루어진 다중량자 우물활성층(43), n형에 도프된 Zn_0.90Mg_0.10S_0.15Se_0.85층으로 이루어진 n형 클래드층(42)로 형성된다. 실제로는 n형 AlGaAs기판(40)과 에피택셜발광구조사이에는 n형 ZnSSe버퍼층(41)이 있다.

기판쪽으로부터 층구조를 열기하면

(1) n형 GaAs기판 46

(2) n형 AlGaAs층(Si도프, SA발광=690nm) 47

(3) n형 ZnSSe버퍼층 41

(4) n형 Zn_0.90Mg_0.10S_0.15Se_0.85클래드층 42

(5) ZnS_0.06Se_0.94/Zn_0.70(Cd_0.30Se다중량자우물활성층(520nm) 43...(소자 ε), 또는

(5') ZnS_0.06Se_0.94/Zn_0.60(Cd_0.40Se다중량자우물활성층(550nm) 43 ...(소자 ζ)

(6) p형 Zn_0.90Mg_0.10S_0.15Se_0.85클래드층 44

(7) p형 ZnTe/ZnSe초격자콘텍트층 45와 같은 적층구조가 된다. 또한 (5)의 소자 ε의 활성층에 대해서는, ZnSe_0.90Te_0.10더블헤테로활성층(520nm)으로해도 상관없다.

소자 ε,ζ는 다중량자우물활성층의 한쪽층 ZnCdSe의 Cd의 혼정비가 다르다. 소자ε는 0.30, 소자ζ는 0.40이다. Cd비율이 높아지면 밴드갭이 좁아지고 발광파장은 길어진다.

이와 같은 에피웨이퍼에 대해서, 실시예 1과 동일방법에 의해서 LED를 제작했다. 단 기판측의 n측 전극으로서는 Au-Ge전극을 채용했다. P쪽 전극은 Pd/Au전극이며 전예와 마찬가지이다.

이 LED는, 기판과, 에피택셜발광구조가 다르나, 그래도 발광파장(파장C)이, 형광의 파장(파장A)보다 단파장이다. 에피택셜발광구조로부터 나온광(520nm 또는 550nm)중에서 기판에 입사한 분은 기판에 의해서 흡수되고, 파장B(690nm)의 형광을 발생한다.

이 LED를 정전류모드에 의해 측정했다. 고휘도의 황색 및 주황색광을 얻을 수 있었다. 전형적인 휘도는 20㎃이고 3mW이었다.

이 LED의 발광스펙트르를 도 12에 표시한다. 설계대로, 520nm(소자ε) 또는 550nm(소자ζ)에 피크를 가진 예리한 발광구조(밴드갭천이에 의함)와, 690nm에 브로드한 피크를 가진 AlGaAs기판의 불순물발광이 조합되어 있는 것을 알 수 있다.

이 발광스펙트르를 색도도에 표현한 것이 도 13이다. 에피택셜발광구조로부터의 발광파장이 520nm(소자ε)는 색도가 (x,y)=(0.47, 0.48)의 황색으로 되어있다. 에피택셜발광구조로부터의 발광파장이 550nm(소자 ζ)는 색도가 (x,y)= (0.57, 0.43)의 주황색으로 되어 있다. 도 13에 있어서도, 발광구조로부터의 광만의 색도(△: 2종류)와, 기판형광만의 색도(□점)를 표시한다. 소자 ε, 소자ζ함께, 이들 점을 연결하는 선분위에 있다.

[실시예 4(GaP기판(Zn,O); GaInN계 황색소자; 520nm, 700nm)]

기판으로서, Zn과 O을 함께 도프한 반절연성 GaP기판(50)을 채용했다. 에피택셜발광구조로서는 GaN을 모체로하는 혼정의 적층구조를 채용했다. GaP는 간접천이형 반도체이나, Zn과 O을 도프함으로써, 550nm(파장: 550nm)보다 짧은 파장을 흡수하고, 불순물재결합중심을 개재한 재결합발광에 의해서, 700nm에 브로드한 피크를 가진 형광을 발한다(파장B: 700nm).

이 반절연성(GaP기판상에, 도 14에 표시한 바와 같은 에피택셜발광구조를 MOCVD법에 의해서 헤테로에피택셜성장시켰다. 이것은 피크파장이 520nm의 녹색을 잘생하는 에피택셜발광구조(파장C:520nm)이다.

이 에피택셜발광구조는, 위에서부터 차례로, p형에 도프된 GaN으로 이루어진 p형 콘텍트층(55), p형에 도프된 Al_0.15Ga_0.85N층으로 이루어진 p형 클래드층(54), Ga_0.70In_0.30N층으로 이루어진 더블헤테로 활성층(53), n형에 도프된 Al_0.15Ga_0.85N층으로 이루어진 n형 클래드층(52), n형에 도프된 GaN로 이루어진 n형콘텍트(버퍼층) 층(51)으로 이루어진다.

에피택셜발광구조와 GAP기판(50)사이에는, 버퍼층이 존재하는 것이 이제까지의 예이였으나, 이 실시예에서는, n형 GAN콘텍트층(51)이 버퍼층의 역할을 겸한다. GAP기판이 절연성이므로 저면에 n측전극을 붙일 수 없다. GaN로 이루어지는 n형 버퍼층의 일부에 이르기까지 에피층을 잘라내어 n측전극을 제작한다. 그래서 n형 GaN버퍼층이라고 해야할 곳을 n형 GaN콘텍트층이라고 표현하고 있다. p측전극은 Pd/Au, n측전극은 Ti/Al이다. p측전극은 p형 콘텍트층위에 n측전극은 일부 노정한 n형 콘택트층의 위에 형성한다.

에피웨이퍼층구조를 아래로부터 기록하면,

(1) 반절연성 GaP기판(Zn,O 도프: 700nm) 50

(2) n형 GaN콘텍트층(n측전극장착) 51

(3) n형 Al_0.15Ga_0.85N클래드층 52

(4) Ga_0.70In_0.30N더블헤테로활성층(520nm) 53

(5) p형Al_0.15Ga_0.85N크래드층 54

(6) p형GaN 콘텍트층 55

와 같이 된다.

이 에피웨이퍼의 p형 GaN콘텍트층(55)위에 Pd/Au로 이루어지는 도트형상의 p측전극을 500㎛×500㎛의 주기에 의해 형성했다. 이것이 칩사이즈이다. 동일 주기에 의해, 에피층의 일부를 드라이에칭에 의해서 수직으로 잘라 n형 GaN콘텍트층(51)을 노정시키고, 거기에 Ti/Al로 이루어진 도트형상의 n측전극을 형성했다. n측전극은 저면이 아니고, 상부면이 노정된 n형 콘텍트층에 형성하므로 도트형상으로 한다. 전극 형성후의 에피웨이퍼를 500㎛×500㎛각의 사이즈로 잘라내고, 소자가대(스템)에 고정했다. 이것을 소자 η로 한다.

이 소자 η의 경우 기판이 절연성이므로, 도 3(a), 도 3(b)와 같이 통상의 LED의 실장방법은 적용되지 않는다. 도 1(a), 도 1(b)의 사파이어/GaInN과 같이, 칩위쪽으로부터, n측전극과 p측전극에 와이어를 본딩해서, 리드에 접속한다.

이 LED소자 η에 의해서도, 파장C(520nm)는, 파장A(550nm)보다 단파장이므로, 에피택셜발광구조로부터 나온광(520nm)중에서, 기판에 입사한 분은, GaP기판에 의해서 흡수되어 파장B(700nm)의 형광을 발한다. 외부에는 520nm의 광과 700nm의 광의 합성된 것이 나온다.

이 LED를 정전류모드에 의해 측정한 바 발광은 황색이고 전형적인 휘도는 20㎃이고 3㎽이었다. 고휘도의 황색광을 얻을수 있었다.

도 15는 이 LED의 발광스펙트르를 표시하는 그래프이다. 설계대로, 520nm에 피크를 가진 에피택셜발광구조로부터의(밴드갭천이) 발광과, 700nm에 브로드한 피크를 가진 GaP기판으로부터의 불순물발광이 조합되어 있다는 것을 알 수 있다.

이 발광스펙트르를 색도도 상에서 표시한 것이 도 16이다. 이 광은 색도가 (x, y)=(0.45, 0.46)의 황색으로 되어 있다. 도 16에 있어서도, 에피택셜발광구조로부터의 발광에 대한 색도(△점)와, 기판의 형광의 색도(□점)를 표시한다. 이 소자의 색도는, 발광구조색도와 기판형강색도를 연결하는 선분의 위에 있다.

[실시예 5(기상성장GaN기판, GaInN활성층, 정립(正立))]

GaN단결정은 전술과 같이 기상성장(HVPE, MOC, MOCVD법) 혹은 융액성장법에 의해서 성장시킨다. 그 GaN의 자립막을 기판으로 한다. GaN기판은, 산소, 탄소와 같은 도펀트 혹은 질소빈구멍과 같은 결함을 부여해둔다. 산소, 탄소, 질소빈구멍은 형광중심이 된다. GaN기판의 두께는 50㎛∼2000㎛정도가 좋다. GaN기판위에 GaInN의 결정박막을 에피택셜성장시킨다. 예를 들면 MOCVD법에 의해서 에피택셜성장할 수 있다.

도 20에 GaN에피택셜웨이퍼(60)의 구조를 표시한다. n형 GaN기판(62)위에 n형 GaN버퍼층(63), n형 AlGaN클래드층(64), GaInN활성층(65), p형 AlGaN클래드층 (66), p형 GaN콘텍트층(67)이 형성된다. 에피택셜층에서는 p형 도펀트로서 Mg를 n형도펀트로서 Si를 채용했다. 보다 구체적인 조성을 표시한다.

(1) n형GaN기판 62

(2) n형GaN버퍼층 63

(3) n형Al_0.20Ga_0.80N클래드층 64

(4) Ga_0.88In_0.12N활성층 65

(5) p형Al_0.20Ga_0.80N클래드층 66

(6) p형GaN콘텍트층 67

콘텍트층은 p전극과 오믹접촉하여 저항이 작은 것이 필요하고 p형농도가 높다. AlGaN클래드층은 밴드갭이 넓고 활성층에 케리어를 가두는 작용이 있다. GaInN활성층은, 얇은 InN막, GaN막을 어느 층에도 교호로 적층한 것이다.

이 에피택셜웨이퍼의 p형 콘텍트층위에 Pd/Au로 이루어지는 p전극을 형성했다. 이면의 n형 GaN에는, In의 n전극을 형성했다. n전극에는 In/TiAu를 사용할 수도 있다. 패턴전극의 형성에는 포토리조그래피를 사용한다. 전극형성후의 에피택셜웨이퍼를 300㎛×300㎛각의 사이즈로 잘라내고, 도 3(a), 도 3(b)와 같이 리드(10)의 스템(16)에 고정했다. n전극을 아래로, p전극을 위로 하였다. 결국 GaN기판(12)이 스템(16)에 접촉한다. p전극을 와이어에 의해서 다른 리드(11)에 장착했다. 이들을 투명수지에 의해서 몰드했다.

이 LED를 정전류모드에 의해 측정했다. 고휘도의 백색광이 방사되었다. 20㎃의 구동전류에 대해서 전형적인 휘도는 1.5Cd이었다. 도 21에 이 LED의 발광스펙트르를 표시한다. 설계대로 430nm에 예리한 피크를 가진 에피택셜발광층으로부터의 LED발광과, 550nm에 예리한 피크를 가진 브로드한 GaN기판으로부터의 형광발광이 조합되어 있다. 합성된 광은 백색이다. 청색이 조금 강한 한색(寒色)의 백색이었다.

[실시예 6(융액성장법의 GaN기판, 도립(倒立), 기판두께 3종)]

융액성장법을 사용해서 제작한 두께가 다른 3종류의 GaN기판을 준비했다. 두께는 100㎛, 500㎛, 1mm이다. 이 GaN기판위에 실시예 5와 마찬가지의 호모에피탤셜구조를 MOCVD법에 의해서 제작했다. 도 20의 구조를 가지고, p형 도펀트는 Mg, n형 도펀트는 Si이다. 본 구조에서는 활성층에 Zn을 도프해 있다.

(1) n형GaN 62

(2) n형GaN 63

(3) n형Al_0.20Ga_0.80N클래드층 64

(4) Zn도프Ga_0.88In_0.12N활성층 65

(5) p형Al_0.20Ga_0.80N클래드층 66

(6) p형GaN콘텍트층 67

p형 GaN콘텍트층의 위에 p전극 Pd/Au를 설치했다. p전극은 에피택셜면의 전체에 형성하고 있다. n형 GaN기판의 저면에, 100㎛×100㎛의 In의 n전극을 설치했다. p전극의 칩피복률은 100％, n전극의 칩피복률은 11％이다. 이것을 300㎛×300㎛의 정사각형칩으로 잘라내서 이면을 위로 향하게 해서 스템에 장착했다. 에피택셜표면을 아래로 하므로 에피사이드다운이라고도한다. p전극은 스템에 바로 장착된다. n전극만을 와이어에 의해서 스템에 접속한다. 이것을 투명수지에 의해 몰드했다.

이 LED를 정전류모드에 의해 발광시킨바, 고휘도의 백색광을 얻을 수 있었다. 실시예 5의 LED는, 백색의 색조얼룩이 보였으나, 이 수광소자는 소자면 수직방향에는 그와 같은 얼룩이 없다. 에피사이드다운이고, 수직방향으로 나오는 광은, 형광과 LED발광이 혼합해있기 때문이다. 전형적인 휘도는, 전류 20mA이고, 1.5∼2Cd이었다. 기판두께(100㎛,500㎛, 1mm)에 따라서 백색의 느낌이 틀린다.

(κ) 100㎛두께의 LED... 청색기있는 한색의 색조의 백색

(λ) 500㎛두께의 LED... 중성의 백색

(μ) 1000㎛두께의 LED... 꽤 황색이 강한 난조(暖調)의 백색이었다. 각각의 백색발광의 색도 κ,λ,μ를 색도좌표에 의해 표시하면 도 22와 같이 된다.

도 22에 있어서 M점은 460nm에 피크를 가진 LED발광구조만으로부터의 발광을 표시한다. 색순도가 좋으므로 색도도 곡선의 코너에 위치한다. N점은 580nm을 중심으로 하는 형광발광의 색도를 표시한다. 브로드한 피크이고 여러가지의 광을 포함하므로 ∧곡선의 내부에 있다. 점 M의 광과 점 N의 광을 합성한 광은 직선 MN의 위에 있다. GaN기판이 얇을 경우, 형광이 약해지고 M쪽으로 치우친다. 기판이 두꺼운 경우 형광이 강해져서 N쪽으로 치우친다.

κ점 ... GaN기판두께가 100㎛이다. M점에 가장 가깝다.

λ점 ... GaN기판두께가 500㎛이다. 중간이다.

μ점 ... GaN기판두께가 1000㎛(1mm)이다. N점에 가장 가깝다.

이들 백색을 색조(色調)온도에 의해 표현할 수도 있다.

κ점 ... 조금 청색이 강한 한색의 백색이고 색조온도는 80000K정도

λ점 ... 중성의 백색이고 새조온도는 5000K정도

μ점 ... 황색이 강한 난색의 백색이고 색조온도는 3000K정도

이와 같이 기판의 두께를 바꿈으로써 색조가 다른 백색을 얻을 수 있다. 이것은 기판의 불순물농도는 일정한 경우이다.

기판의 불순물농도를 바꾸면 기판의 흡수계수가 변화하고, 기판두께와 LED의 색조의 관계는 상기의 관계로부터 변화해간다는 것도 판명했다.

활성층의 Ga_1-XIn_XN의 조성X를 바꿈으로써 발광파장을 40nm∼500nm사이에서 변화시킬 수 있다. LED발광파장을 이 범위에서 변화시켜도, 기판두께를 최적화함으로써 백색광을 얻을 수 있다는 것도 알았다.

도 17에 실시예 1∼6에 기술한 α∼η,κ∼μ의 LED의 색도와, 그들의 에피택셜발광구조체, 기판형광의 색도를 일괄해서 표시한다.

도 18에는 실시예 1∼6의 기판재료, 형광중심파장, 에피택셜발광구조체의 재료, 전류주입발광의 파장, 기판두께, 실시예의 부호 등을 일괄해서 표시한다.

본 발명은 불순물을 도프한 GaN기판, AlGaAs기판, GaP기판, ZnSe기판 등을 기판으로 하고 그것에 적합한 활성층을 가진 LED를 제안한다. 활성층의 발광과, 기판형광에 의해서 다양한 중간색이나 백색을 얻을 수 있다. 종래의 단일 LED에 의해서는, 적색총색 중간색, 적색청색녹색 중간색을 만들 수 없었다. 본 발명에 의하면, 적색청색중간색(적자색이나 핑크색), 녹색적색 중간색(황색, 주황색)이나, 적색청색록색의 중간색(백색)의 단일LED를 간단하고 저코스트의 프로세스에 의해 제작할 수 있다. 그것도 고휘도의 적자색, 핑크색, 주황색, 백색의 단일LED를 부여할 수 있다. 적색록색의 중간색LED는 종래에 있어서도 존재했으나 본 발명은 보다 낮은 코스트로 고휘도의 적색록색 중간색(황색, 주황색)LED를 제작할 수 있다. LED에 의해서 만들어 낼 수 있는 중간색의 범위가 넓어진다. 단일의 LED로서 제조코스트를 저감할 수 있다. 기판의 종류 및 활성층의 종류를 바꿈으로써 여러가지백색이나 중간색을 내는 LED를 제조할 수 있다. LED이므로 소형경량저전압이고 취급도 용이하다. 작식용, 표시용 등의 용도에 큰 수요를 기대할 수 있다.

Claims (13)

1. 형광중심이 되는 불순물을 첨가한 반도체결정 혹은 절연체결정으로 이루어진 기판과, 기판상에 형성되어 전류주입에 의해 발광하는 구조를 가진 에피택셜층을 포함하고, 상기 에피택셜층의 전류주입에 의한 발광과, 상기 발광에 의해 기판을 광여기해서 얻게되는 형광과의 2종류의 다른 파장의 발광을 혼합해서 적자색, 핑크색, 황색, 주황색, 백색의 어느 하나의 중간색을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 결정기판의 구성원소조성, 불순물원소종(種), 불순물원소량, 기판두께를 변화시키고, 또 에피택셜층의 구조를 변화시킴으로써, 상기 2종류의 발광의 피크파장, 피크강도비를 조정하고, 소자의 발광의 색조를 변화시키는 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자.
3. 제 2항에 있어서, 기판이 n형 AlGaAs기판이고, 에피택셜층의 활성층이, ZnSe층, ZnSSe/ZnCdSe층, ZnSeTe층의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자.
4. 제 3항에 있어서, 상기 AlGaAs기판에 도프하는 n형 불순물로서 Si를 사용하는 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자
5. 제 2항에 있어서, 기판이 GaP기판이고, 에피택셜층의 활성층이, GaInN층인 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자
6. 제 5항에 있어서, 상기 GaP기판에 도프하는 불순물로서 Zn과 O를 사용하는 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자
7. 제 2항에 있어서, 기판이 ZnSe기판이고, 에피택셜층의 활성층이, ZnSe층, ZnSe/ZnCdSe층, ZnSeTe층의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자.
8. 제 7항에 있어서, 상기 ZnSe기판에 도프하는 불순물로서 Al과 I를 사용하는 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자.
9. 제 7항에 있어서, 상기 ZnSe기판에 도프하는 불순물로서 Al과 I를 사용하는 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자
10. 제 7항에 있어서, 상기 ZnSe기판에 도프하는 불순물로서 Ag와 I를 사용하는 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자
11. 제 1항에 있어서, 기판이, 산소원자, 탄소원자 또는 질소빈구멍을 포함하는 n형 또는 p형 GaN단결정기판이며, 에피택셜층의 활성층이 Ga_1-XIn_XN층인 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자.
12. 제 11항에 있어서, 발광구조가, Ga_1-XIn_XN을 포함하는 다층구조로 이루어지고, 발광구조로부터 방출되는 광의 파장이 400nm∼510nm의 범위에 있고, 또한 GaN기판으로부터의 형광발광의 파장이 520nm∼650nm인 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자.
13. 제 12항에 있어서, GaN기판의 두께를, 50㎛∼2mm의 범위에서 조정함으로써, 또 발광구조로부터의 발광파장을 변화시킴으로써, 얻게되는 백색광의 색조를 한색계로부터 난색계까지 변화시키는 일을 할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 발광기판LED소자.