KR20030001405A - 갈륨인듐질화물의 반도체 박막 층, 그 제조 방법, 그 층을포함하는 발광 다이오드 및 그 발광 다이오드를 포함하는발광 장치 - Google Patents

갈륨인듐질화물의 반도체 박막 층, 그 제조 방법, 그 층을포함하는 발광 다이오드 및 그 발광 다이오드를 포함하는발광 장치 Download PDF

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Abstract

조합되어 특히 백색광을 얻을 수 있는, 정해진 색들의 최소한 두 개의 가시 광선을 발산하고, 작은 비율의 비소, 인 또는 안티몬을 포함할 수 있는, 단일의, GaInN의 반도체 박막 층, 상기 층을 제조하는 방법, 발광 다이오드(LED), 특히 활성 구역에 그와 같은 박막을 포함하는 백색 발광 다이오드, 및 그와 같은 다이오드를 포함하는 조명 장치가 개시된다.

Description

갈륨인듐질화물의 반도체 박막 층, 그 제조 방법, 그 층을 포함하는 발광 다이오드 및 그 발광 다이오드를 포함하는 발광 장치{Thin semiconductor GaInN layer, method for preparing same, light-emitting diode comprising said layer and illumination device}
본 발명의 기술분야는 백색광의 생성으로 정의될 수 있다. 백색광은 1964년에 국제전기표준회의(International Electrotechnical Commission, IEC)에 의하여 정해진 기준을 만족한다.
최근에 특히 저비용, 낮은 에너지 소비량, 긴 수명 및 양호한 에너지 효율을 갖는 장치들을 개발하기 위하여 백색광의 생성에 대하여 많은 연구가 수행되고 있다.
백색광은 여러 해 동안 본질적으로 5% 정도의 매우 낮은 효율과 약 1000 시간 정도의 짧은 수명을 갖는 백열등을 사용하여 생성되어져 왔다. 형광 튜브는 약 25%의 향상된 효율과 형광등에 대하여 약 1000 시간의 수명을 갖지만, 몇 가지 단점들을 가지고 있다; 즉, 형광튜브는 진공관들이며 제조하기가 어렵고, 값이 비싸고, 또한 수 밀리그램의 독성 수은을 포함하며, 따라서 수명 만료 시의 그들의 파괴는 심각한 환경 문제를 야기한다.
더욱이, 형광 튜브는 쾌적하지 못한 빛을 생산하며, 이는 종종 그들의 용도를 제한한다.
효율성에 있어서, 현존하는 최상의 산업용 램프는 35%의 효율성을 갖는 저압 나트륨 램프이다. 형광 튜브에서와 마찬가지로, 이러한 램프들은 쾌적하지 아니하며, 심지어 그 색으로 인하여 표준 조명으로는 부적합할 수도 있다. 따라서, 안전하고, 신뢰성 있고, 견고하고, 긴 수명을 가지고, 상기 언급한 장치들의 에너지 효율과 동등하거나 그 이상의 에너지 효율을 가지면서 저비용으로 백색광을 생산할 수 있는 다른 장치들에 대한 연구들이 수행되었다.
예를 들어, 상기 물질들 및 형광체(phosphor), 발광 폴리머 및 반도체들을 포함하는 다른 백색광 생산 물질들이 연구되어져 왔다.
PPV와 같은 발광 폴리머는 매우 저렴하고, 그들의 사용을 위한 기술은 단순히 상기 폴리머를 반투명 전극에 삽입시키는 것으로 이루어지므로 매우 간단하다. 전체 범위의 가시광선이 얻어질 수 있으며, 백색광은 색의 조합 또는 상당히 넓은 스펙트럼을 갖는 단일 화합물의 사용에 의하여 발산된다. 그러나, 이러한 화합물들은 오렌지색 광을 액정 스크린에 조사하기 위한 경우를 제외하고는 사용되지 않는다. 이러한 타입의 녹색 및 청색 발광 물질의 짧은 수명으로 인하여 백색광을 생산하기 위하여 발광 폴리머를 사용하는 것은 불가능하다.
반도체에 의한 백색광의 생산은 필수적으로 질화물에 기초를 두며, 구체적으로는 매우 높은 효율 및 긴 수명을 가지며 녹색 또는 청색을 단독으로 발산하는 3족 원소들의 질화물에 기초를 둔다. 가장 흔하게 사용되는 질화물 타입 화합물은 청색에서 적색 광까지를 발산하는 GaInN이다.
따라서, 갈륨(알루미늄)질화물(Ga(Al)N)과 같은 물질에 삽입되고, 금지된 밴드가 발산 파장, 즉 색을 결정하는, 질화물, 예를 들어 GaInN의 박막 층이 더욱 밝은 LED의 활성 구역의 기초 구조 블록을 형성한다.
GaInN 층은 대개 100Å 또는 그 이하의 두께이며, 이러한 경우를 흔히 GaInN/Ga(Al)N 양자 웰 LED(GaInN/Ga(Al)N quantum well LEDs)라 하며, 이는 발산이 특정 색, 예를 들어 청색 또는 녹색에 집중된다.
흔히 인듐 조성 및/또는 GaInN 층의 두께가 양자 웰의 전이 에너지를 결정하며, 결과적으로 LED의 발산 파장을 결정하는 것으로 인식되어진다. 그러나, 인듐 조성이 10% 이상인 경우에는, GaInN/Ga(Al)N 양자 웰들이, 비정상적으로 긴 엑시톤(exciton) 조사 수명 및 압력에 대한 함수로서 금지된 밴드의 매우 작은 에너지 변이를 포함하는 매우 특이적인 광학적 특성들을 갖는다.
이미 매우 높은 효율(10% 이상)을 갖는 밝은 청색의 LED는, 청색 LED가 형광체 또는 폴리머를 펌핑하는 데에 사용되는 혼성 기술을 사용함으로써, 백색광을 생성하는 데에 사용된다. 이러한 화합물들로부터의 황색광과 LED로부터의 빛의 조합은 색의 조합에 의하여 백색광을 생산한다. 이러한 기술은 NICHIA 및 HEWLETT-PACKARD, GELCORE또는 SIEMENS-OSRAM에 의하여 현재 광범위하게 사용되고 있으며, 가전 조명에 대한 그 응용은 매우 전망이 밝다.
그러나, 백색광을 얻기 위하여 LED와, 형광체 또는 폴리머와 같은 다른 구성 성분을 결합시키는 것은, 그 혼성 성질로 인하여, 값 비싸고, 수 개의 기술적 단계들, 예를 들어 캡슐화(encapsulation) 이전에 형광체 또는 폴리머 타입의 화합물을 청색 LED에 연이어 침적(deposit)시켜야 하는 것을 포함하는 복잡한 공정이다.
혼성 LED-폴리머/형광체 장치로 색의 균형을 맞추는 것은 용이하지 않으며, 가정용 조명으로서 "쾌적한" 백색광을 얻는 것도 용이하지 않다. 더욱이, 그 제조방법과 마찬가지로, 장치는 복잡하고 많은 수의 구성 요소들을 포함하며, 따라서 약 100,000시간의 본질적인 수명을 갖는 기본적 질화물 LED 만큼 신뢰할 만하지 못하다.
마지막으로, 손실이 불가피한 혼성 체계 고유의 효율은 펌프 질화물 LED의 효율보다 작다.
따라서, 백색광을 직접적으로 발산하는 발광 다이오드(LEDs)를 사용할 수 있다는 것은 청색(또는 녹색) LED를 형광체 또는 폴리머와 결합시키는 것을 포함하는 혼성 장치의 불이익을 극복하기 위하여 흥미로운 일이 될 것이다.
최근에 B. DAMILANO, N. GRANDJEAN, F. SEMOND, J. MASSIES 및 M. LEROUX에의하여 Appl. Phys. Lett. 75, 962(1999)에 게재된 논문은 주기율표의 3족 원소들의 질화물로 구성된 반도체에 기초한 모놀리식 구조(monolithic structure)에서 레이저를 사용하여 광학적 여기 상태 하에서 백색광을 생산하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다. 그것은 알루미늄질화물(AlN) 층에 의하여 분리된 갈륨질화물(GaN) 양자 박스(quantum boxes)의 네개 평면 스택(stack)을 사용한다. 양자 박스의 크기는 발산 파장을 결정하고, 따라서 색을 조합하는 간단한 원리에 의하여 네개 평면으로부터의 결과적인 발산광이 백색광이 되도록 각각의 평면 내에서 파장을 조정하기에 충분하다. 불행하게도, 이러한 구조는 AlN 물질이 p 타입 도핑(doping)을 가질 수는 없다는 간단한 이유로 인하여 발광 다이오드(LED) 타입 광전자 장치(optoelectronic device)의 활성 구역(active zone)으로서 사용될 수 없다.
더욱이, 이러한 타입의 구조에서는 전기 주입(electric injection)을 조절하기가 어렵고, 색 균형 문제를 야기할 수가 있어서 결과적으로 백색광을 생산하기가 어렵다.
그러므로, 백색광(또는 여러 색의 조합으로부터 야기되는 다른 빛, 특히 원색)을 직접적으로 발산하고, 청색 및 녹색의 상업적 LED에 사용되는 GaInN/Ga(Al)N 양자 웰과 같이 LED 내에 활성 구역으로서 직접적으로 삽입될 수 있으며, 한정된 숫자의 공정 단계로 안전하고, 신뢰성 있으며, 시험된 방법을 사용하여 저비용으로 용이하게 제조될 수 있는 단일 반도체층이 필요하다.
본 발명은 갈륨인듐질화물(GaInN)의 반도체 박막 층 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 활성 구역(active zone)에 그와 같은 박막 층을 포함하는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED), 더욱 구체적으로는 백색광을 방출하는 발광 다이오드, 및 최종적으로는 그와 같은 다이오드를 포함하는 발광 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 사용하여, Ga(Al)N 격벽 층들을 포함하고, 그 사이에 본 발명에 따른 박막이 위치하는, 이형구조의 제조예를 나타낸다. 성장축(A)를 갖는 그래프의 좌측 부분은 시간(t)에 따른 함수로서 층들 및 침적 층들의 성장을 나타내고; 그래프의 우측 부분은 시간(t) 동안, 다른 층들 및 침적 층들의 성장 동안, 및 성장의 중단 동안(점선 부분) 사용된 성장 온도(T)를 나타낸다.
도 2 및 도 3은 침적을 수 차례 시간 단계들로 또는 단일 시간 단계로 수행하고, 침적(들)의 지속 시간을 변화시킴으로써(8, 2, 6, 3분) 제조된 다양한 GaInN 층들에 대한 실온에서 광전 발광 에너지(eV로서 E)의 함수로서 광전 발광 강도를 나타내는 그래프들이다.
본 발명의 목적 중의 하나는 이러한 필요성을 만족시키는 것이다.
상기 목적 및 다른 목적들은 단일의 GaInN의 반도체 박막 층에 의하여 본 발명에 따라 달성될 수 있으며, 상기 반도체 층은 특히 백색광을 얻기 위하여 가해질 수 있는 정해진 색들의 최소한 두 개의 가시 광선을 발산한다.
GaInN 층은 GaInN 또는, 예를 들어 작은 비율의 비소, 인 또는 안티몬을 포함할 수 있는 GaInN의 층을 의미한다.
작은 비율은 대개 5% 이하의 비율을 의미한다.
더욱 자세하게는, 본 발명에 따른 박막 층은, 각각이 정해진 색의 가시 광선을 발산하는 최소한 두 개의 GaInN(동일한 조성 또는 다른 조성을 갖는)의 침적 층을, 서로 인접하거나 또는 서로 중첩되게 위치시킴으로써 형성된다.
유리하게는, 최소한 두 개의 정해진 색들을 갖는 상기 가시 광선의 조합은 백색광을 생산한다.
본 발명의 전혀 예상치 못한 결과는 단일의 GaInN 박막 층으로부터 정해진 색을 갖는 수 개의 빛들이 발산된다는 점이다. 과거에는, 현재 LED에서 사용되는 청색 또는 녹색 양자 웰들에서 그러한 것과 마찬가지로, 단일의 GaInN 박막 층으로부터는 단일의 명백하게 한정된 색, 예를 들어 청색, 녹색 또는 황색의 빛을 얻는 것만이 가능하였다.
본 발명에 따르면, 다른 정해진 색들을 갖는 빛의 여러 발산들은 이제 더 이상 격벽, 예를 들어 Ga(Al)N 격벽에 의하여 분리된 몇몇 명백하게 경계지어진 GaIn(Al)N의 층들로부터 얻어지지 않고, GaInN의 단일 박막 층으로부터 얻어진다.
그러므로, 본 발명에서의 층은 상기 언급된 DAMILANO 등에 의한 논문에 서술된 복잡한 구조와는 기본적으로 다른 것이다. 상기 논문에서는, 다른 파장에서 발산하여 백색광을 형성하기 위하여 조합되는 4개의 다른 개별적인 독립되고 고립된 층들이 사용되는 반면에, 본 발명에 따르면, 이와는 대조적으로, 예를 들어 4개의 다른 파장을 발산하는 오직 하나의 층이 존재한다.
만약, GaN 시스템을 위하여 제조된 이러한 타입의 구조가 Ga(Al)N 격벽에 의하여 분리된 최소한 두 개의 GaInN 층들을 Ga(Al)N p-n 접합 내에 위치시킴으로써, GaInN/Ga(Al)N 시스템으로 변위되는 경우에는, 그들의 발산은, 예를 들어 하나는 황색에, 다른 하나는 청색에 집중될 것이며, 결과적인 전체 발산은 1964년에 IEC에 의하여 정해진 기준에 따라 백색이 될 것이다. 그러나, 이러한 타입의 구조에 있어서, GaInN의 다른 층들로의 전자 주입을 체크하는 것이 용이하지 않으며, 이는 색 균형 문제를 야기하며, 백색광을 생산하는 것을 어렵게 한다.
본 발명에 따라 채택된 접근 방법은, GaInN 합금에 기초한 단일의 반도체 박막 층이 더 이상 하나의 색을 발산하지 않고, 여러 색을 발산하며, 여러 색들의 조합이 바람직하게는 백색광을 생산한다는 점에서 기본적으로 다르다. 이에 더하여, 본 발명에 따른 단일 박막 층으로부터 출발하여 가시 스펙트럼의 어느 곳에서든 계속적으로 발산하는 것이 가능하다는 것을 언급할 가치가 있다. 비록 바람직하게는, 다른 정해진 색들을 갖는 이러한 가시 광선이 조합되어 백색광을 생산하지만, 둘 또는 그 이상의 정해진 빛의 색들의 조합으로부터 유도된 색을 갖는 임의의 빛도 본 발명에 따른 층에 의하여 얻어질 수 있다. 이러한 다른 정해진 빛의 색들은, 바람직하게는 소위 원색(청색, 녹색 또는 적색)이다.
예를 들어, 백색은 각각 청색, 녹색 및 적색 광을 발산하는 3개의 침적 층으로부터 얻어질 수 있으며, 또한 백색은 각각 청색 및 황색 광을 발산하는 2개의 침적 층만으로부터도 얻어질 수 있다.
전혀 예기치 못한 방식으로, 또한 과거에 인정되었던 모든 것들과 반대되는 방식으로, 본 발명자들은 분자 제트 적층(Molecular Jet Epitaxy, EJM)에 의하여 실험실에서 제조된 샘플들에 대하여 광전 발광(photoluminescence)으로 실험들을 수행하였으며, GaInN/GaN 이형구조(heterostructures)가 예상된 양자 웰 양상을 보이지 않는다는 것을 발견하였다. 더욱 자세하게는, 본 발명자들은 놀랍게도 GaInN 합금 내의 광자의 발산은, 관련 파장 함수의 범위가 수 원자 메쉬 크기인, 극히 국한된 캐리어(carrier)로부터 유래된다는 것을 밝혀내었다. 본 발명은, 단일 에너지 레벨로 이어질 수 있는 어떠한 파장 함수의 중첩도 없이 여러 GaInN 침적 층을 서로에 대하여 인접하도록 수 나노미터의 두께로 위치시킬 수 있기 때문에, GaInN 합금 내에서 캐리어가 매우 강하게 집중되는 것을 실험적으로 보여주는 것에 주로 기초를 둔 것이다.
만약 두께 Lw를 갖는 반도체 물질 A의 박막 층이 고려되고, 더 넓은 금지 밴드를 갖는 물질 B에 삽입된다면, 양자 웰 B/A/B의 에너지 E(Lw)는 Lw에 의하여 결정된다. 만약 폭 Lw1과 Lw2를 갖는 물질 A의 두 개의 침적 층이 형성된다면, 양자 웰 B/A/A/B의 에너지는 유일하며, 오직 Lw1+ Lw2에만 의존한다. 만약 폭 Lb를 갖는 물질 B의 매우 얇은 격벽이 물질 A의 두 침적 층 사이에 삽입된다면, 결합된 양자웰 B/A/B/A/B를 갖는 시스템을 얻을 수 있으며, 이 경우 기본 레벨은 Lw1, Lw2및 Lb에 의존한다. GaAs와 같은 비소화물(arsenide) 타입의 전통적인 반도체들에서는, 캐리어(전자 및 정공)와 관련된 파장 함수는 수십 옹스트롬의 측면 범위(lateral extension)를 갖는다. 따라서, 격벽 Lb는 두 개을 웰들을 분리하고 그들 각각으로부터의 발산을 관찰할 수 있기 위해서는 100Å보다 커야 한다. 본 발명에 따르면, GaInN 기초 양자 웰들에서의 캐리어들의 파장 함수는 매우 국한되어 있어서, 예를 들어 1 나노미터보다 작은 매우 얇은 격벽들에 대해서도 웰들 간의 어떠한 결합도 존재하지 않는데, 이는 예상되지 않은 것이다. 두 개의 GaInN 침적 층을 다른 전이 에너지에 대응하여 다른 두께로 서로 인접하도록, 달리 말해서 Ga(Al)N 격벽의 어떠한 중간 성장도 없이 위치시키는 경우에는, 두 개의 구별되는 전이 층이 생성된다. 그러므로, 본 발명에 따르면, 서로 다른 파장에서 커플링 없이 최대 발산을 나타내는, 두께가 100Å 또는 이 보다 작은 GaInN의 박막 층을 제조하는 것이 가능하다.
따라서, 주위 온도에서 청색(0.4㎛) 내지 적색(㎛)의 가시 광선 범위에 걸쳐서 발산하는, EJM 및 유기-금속 증기상 적층(organo-metallic vapour phase epitaxy, EPVOM)에 의하여 적층형으로 GaInN/GaN 이형 구조가 제조된다.
본 발명은 또한 작은 비율의 비소, 인 또는 안티몬을 포함할 수도 있는, GaInN의 단일 반도체 박막 층의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 층은 최소한 두 개의 정해진 색의 가시 광선을 발산하고, 상기 층은 매 침적의 사이에 성장을 중단시켜 일련의 GaInN 침적 층(동일한 조성 또는 다른 조성을 갖는)을 제조함으로써, 시간적으로 구별된 단계에 침적되며, 상기 침적 층 각각은 정해진 색을 갖는 가시 광선을 발산한다.
유리하게는, 상기 최소한 두 개의 정해진 색의 가시 광선의 조합은 백색광을 생산한다.
유리하게는, 각각의 침적 층에 의하여 발산된 빛의 색은 온도 및/또는 침적층 성장의 지속 시간 및/또는 침적 층의 성장을 지배할 수 있는 다른 변수들의 변화, 및/또는 성장이 중단된 동안의 온도, 및/또는 상기 중단의 지속 시간에 의하여 결정된다.
본 발명에 따르면, GaInN의 단일 층은 각 침적 층 사이의 성장 중단을 가짐으로써 계속적이라기 보다는 순차적으로 침적된다. 달리 말하면, GaInN의 침적 층은 분할되며, 성장은 각각의 침적 층이 적당량의 GaInN을 침적시킨 후에 정해진 색의 빛을 발산하도록 중단되어야 한다.
더욱이, 놀랍게도 본 발명에 따르면, 예를 들어 GaAs/AlGaAs 또는 GaInAs/GaAs와 같은 통상적인 Ⅲ - Ⅴ 반도체에 대하여 알려진 바와는 반대로, 전이 에너지, 따라서 GaInN/GaN 이형 구조로부터 발산된 빛의 색을 결정하는 직접적인 요인은 GaInN의 두께가 아니며, 온도 및/또는 침적 층 성장의 지속 시간 및/또는 성장이 중단된 동안의 온도 및/또는 상기 중단의 지속 시간인 것으로 밝혀졌다.
상기에 이미 서술된 사항과 관련하여, 본 발명자들은 GaInN에서 발광에 영향을 주는 물체의 크기가 수 나노미터, 또는 심지어 1 나노미터보다도 작다는 것을증명하기 위하여 실험실에서 일련의 실험들을 수행하였다.
이러한 물체들은 GaInN의 성장 도중에 형성되며, 그들의 크기, 결과적으로 그들의 에너지는 침적 시간 및/또는 성장 조건에 의존한다.
바람직하게는, 각각의 침적 층에 의하여 발산된 빛의 색은 각각의 침적 층의 성장의 지속 시간 및/또는 온도를 변화시킴으로써 결정된다.
각각의 침적 층 사이에서 성장이 중단될 때 온도를 증가시키는 것이 가능하다. 더욱이, 성장 도중에 형성되고, 캐리어들이 매우 강하게 집중되는 것, 및 결과적으로 커플링이 전혀 존재하지 않는 InN, In-In 쌍들의 덩어리들과 같은 상기 언급된 물질들은 본질적인 것이며 침적이나 사용된 성장 기술에 의존하지 않는다. 달리 말하면, 여기에 서술된 층들의 예기치 못한 특성들은 본질적으로 GaInN 합금에 관련된 것이며, 사용된 침적 기술에 의존하는 것이 아니다. 그러므로, 당업계에 공지된 임의의 기술이 사용될 수 있으며; 이는 본 발명의 매우 중요한 장점이다.
그러므로, 침적 층은 분자 제트 적층(EJM) 및 유기금속 증기상 적층(EPVOM)에 의하여 형성될 수 있다.
EPVOM 기술은 현재 청색, 녹색 및 백색 질화물 LED의 제조에 있어서 가장 빈번하게 사용되는 기술이므로, 본 발명에 따르면 EPVOM 기술이 사용될 수 있다는 점은 매우 흥미로운 사항이다.
따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 서술된 바와 같이 활성 구역 내에 본 발명에 따른 최소한 하나의 박막을 포함하는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
바람직하게는, 상기 박막, 따라서 상기 다이오드는 백색광을 발산한다.
마지막으로, 본 발명은, 상기 다이오드를 포함하며, 바람직하게는 백색광을 생산하는 조명 장치에 관한 것이다.
따라서, 종래 기술에 따라서 백색광을 생산하기 위한 장치와 관련된 모든 단점들은 극복될 수 있으며, 백색광은 저 비용, 저 에너지 소모, 매우 긴 수명(예를 들어, 100,000시간), 매우 낮은 전압으로, 어떠한 독성도 없이 생산될 수 있다.
백색광은 전자발광(electroluminescence)에 의하여, 단일 구성 요소에 의한 모놀리식으로("컨버터" 없이), 청색 LED와 다른 형광체 또는 폴리머 구성 요소와의 결합에 기초한 복잡하고 값 비싼 혼성 기술을 필요로 함이 없이 본 발명에 따라서 직접적으로 생산된다. 본 발명에 따른 모놀리식 시스템의 효율은 손실이 불가피한 혼성 시스템의 효율보다 명백하게 향상된다.
현재 상업적인 녹색 및 청색 LED에서 사용되는 GaInN/Ga(Al)N 양자 웰들과 동일한 방식으로, 본 발명에 따른 박막 층은 활성 구역으로서 LED 내에 직접적으로 용이하게 삽입될 수 있다.
본 발명은 더 이상 백색광의 생산을 위하여 질화물 청색 LED에 부가하여 형광체 또는 폴리머를 사용할 필요가 없으므로, 백색 LED의 비용을 감소시킨다. 이는 캅셀화 이전에 LED에 형광체/폴리머를 침적시킴으로써 필요하게 되는 몇몇 기술적 공정 단계들을 제거하고, 따라서 제조 방법을 단순화시킨다. 제조방법 내에서 다른 공정 단계들은 동일하게 유지되고, 따라서 본 발명은 오직 LED의 활성 구역에 관한 것이므로 어떠한 변형도 요구되지 않는다.
그러므로, 본 발명에 따른 LED 및 광 생산 장치는 신뢰성 있고, 간단하고,견고하고, 긴 수명을 가지고, 값이 싸고, 환경을 보호하며, 쾌적한 빛을 생산하고 제조하기에 용이하다. 이러한 과정에서, 가정용 조명으로 "쾌적한" 백색광을 얻기 위하여 색들이 균형을 이루게 하고, 또는 필요에 따라 두드러진 색을 갖도록 하는 것도 용이하다. 더욱이, 장치가 매우 간단하여 그 신뢰성이 향상된다. 질화물 LED는 대략 100,000시간 정도의 수명을 갖는다.
침적 지속 시간을 변화시킴으로써 각각의 침적 층의 색이 결정되는, 본 발명의 한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 이하 더욱 상세히 설명하기로 하며, 첨부된 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 방법을 사용하여, Ga(Al)N 격벽 층들을 포함하고, 그 사이에 본 발명에 따른 박막이 위치하는, 이형구조의 제조예를 나타낸다. 성장 축(A)를 갖는 그래프의 좌측 부분은 시간(t)에 따른 함수로서 층들 및 침적 층들의 성장을 나타내고; 그래프의 우측 부분은 시간(t) 동안, 다른 층들 및 침적 층들의 성장 동안, 및 성장의 중단 동안(점선 부분) 적용된 성장 온도(T)를 나타낸다.
도 2 및 도 3은 침적을 수 차례 시간 단계들로 또는 단일 시간 단계로 수행하고, 침적(들)의 지속 시간을 변화시킴으로써(8, 2, 6, 3분) 제조된 다양한 GaInN 층들에 대한, 주위 온도에서의 광전 발광 에너지(eV로서 E)의 함수로서 광전 발광 강도(임의의 단위로서 I)를 나타내는 그래프들이다.
백색광을 발산하는 GaInN 박막 층의 제조는 GaInN 합금에 대한 성장 조건에 대한 함수로서, GaInN 층 및 격벽 층들, 바람직하게는 Ga(Al)N을 포함하는 이형 구조의 파장의 초기 보정(calibration)을 필요로 한다. 색들이 더해져, 예를 들어,청색 및 황색광을 조합함으로써 백색광을 얻을 수 있도록 최소한 청색에서 황색까지 가시 스펙트럼의 많은 부분을 커버할 필요가 있다.
일단 초기 보정이 이루어진 후에는, 중첩 또는 하나를 다른 하나와 인접하도록 배치함으로써 동일한 조성 또는 다른 조성을 갖는 다른 GaInN 침적 층들을 얻고, 각각의 침적 층에 의하여 발산된 다른 정해진 색들의 부가로부터 야기되는 하나의 색을 발산하는 단일의 박막 층을 얻기 위하여, 본 발명에 따른 방법을 사용하여 요구되는 색들에 해당하는 다른 GaInN 침적 층들이 제조된다.
LED 타입 장치에서, 본 발명에 따른 박막 층은, 예를 들어 대개 n 타입의 Ga(Al)N의 층인 기질을 형성하는 격벽 층 상에 침적된다. 이형 구조는 격벽 층에 의하여 종결되며, 이러한 종결 층은, 예를 들어 대개 p 타입의 Ga(Al)N의 층이다.
전술한 구현예에서, 본 발명에 따른 GaInN 단일 박막 층으로부터 백색광의 발산을 얻기 위하여, 이러한 층은 지속적이라기 보다는 각각의 GaInN 층의 침적 이후에 성장이 중단되면서 순차적으로 다른 시간대에서 침적된다.
본 발명에서 사용된 방법은 도 1에서 도식적으로 나타나 있다. 도 1은 온도 T1, T2및 T3를 나타내고 있으며, 여기에서 T1은 GaInN의 n회 침적(GaInN/1, GaInN/2,..., GaInN/N)에 사용된 온도를, T2는 성장 중단 동안의 온도 상승 또는 단련(anneling)(존재한다면)을, T3는 기질 및, 바람직하게는 Ga(Al)N으로 이루어진 종결 격벽 층의 침적 온도이다.
온도 T1은 대개 500 내지 800℃이다.
온도 T2는 대개 500 내지 800℃이다.
온도 T3는 대개 750 내지 1,050℃이다.
본 구현예에서, 각각의 침적 층에 의하여 발산된 빛의 색은 상기 언급한 바와 같이 침적의 지속 시간 및 온도 유지 상수와 같은 다른 성장 변수들에 의하여 결정된다. 따라서, GaInN의 일련의 침적들의 지속 시간은 △td1, △td2,... △tdn에 해당하고, 예를 들어 침적들의 지속 시간은 2 내지 8분이다. 각각의 침적 지속 시간에 대하여 발산된 빛은 정해진 색을 갖는다. 각 침적 이후에 성장은 △ti1, △ti2, ...의 지속 시간 동안 중단된다. 이러한 성장에 있어서의 중단에는, 반드시 그러한 것은 아니지만, 성장 조건에 따라, 예를 들어 T1이상으로 100 내지 200℃까지의 온도 상승 또는 단련(T2)이 수반된다.
본 발명에 따른 박막 층을 형성하는 모든 침적 층이 일단 제조된 후에는, 각각의 침적 층은 하나의 색에 해당되고, 모든 색의 조합이, 바람직하게는 백색광을 생산하며, 종결 층이 침적되고; 이러한 종결 층은 대개 p 타입 Ga(Al)N이다.
이하에서 본 발명은, 서술의 목적일 뿐 결코 본 발명을 제한하기 위한 것이 아닌, 하기 실시예를 참조하여 서술된다.
실시예 1
하기 성장 조건 하에서, GaN 그 자체 또는 사파이어, 실리콘 또는 실리콘 카바이드일 수 있는 적당한 기질 상에 미리 침적된 GaN 기질 층 위에 분자 제트 적층(EJM)에 의하여 GaInN의 박막 층을 침적시켰다: 시간적으로 구별된 단계들을 갖도록 침적을 생성시키는 것이 아니라, 층을 단일 단계에 의하여 2분의 침적 지속 시간(△td1= 2', n = 1)으로 지속적으로 침적시켰다. 종결 층 또한 GaN이었다. 결과물은 따라서 보라색에서 발산하는 이형 구조였다(도 2 참조, 우측 상단 곡선).
실시예 2
층을 단일 단계에 의하여 8분의 침적 지속 시간(△td1= 8', n = 1)으로 지속적으로 침적시켰다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건 하에서 EJM에 의하여 GaInN의 박막 층을 침적시켰다. 결과물은 따라서 적색에서 발산하는 이형 구조였다(도 2 참조, 좌측 중간 곡선).
실시예 3
총 침적 시간이 8분이 되도록 하고, 실시예 2에서와 동일한 조건 하에서 EJM에 의하여 GaInN의 박막 층을 침적시켰으나, GaInN의 침적 시간을 각 침적 당 2분의 침적 지속 시간을 갖는 4개의 일련의 침적으로 분할하고(△td1= △td2= △td3= △td4= 2', n = 4), 성장을 각 침적 사이에서 중단시켰으며(지속 시간 1분), 온도 상승은 성장 온도보다 100 내지 200℃ 높게 하였다. 결과물은 따라서 다시 보라색, 즉 2분 동안 한 번만 침적시킨 것에 해당하는 에너지에서 발산하는 이형 구조였다(도 2 참조, 우측 하단 곡선).
실시예 4
실시예 1과 동일한 조건 하에서 EJM에 의하여 GaInN의 박막 층을 침적시켰으나, 층을 단일 단계에 의하여 3분의 침적 지속 시간(△td1= 3', n = 1)으로 지속적으로 침적시켰다. 결과물은 따라서 청색에서 발산하는 이형 구조였다(도 3 참조, 중간 곡선).
실시예 5
층을 단일 단계에 의하여 6분의 침적 지속 시간(△td1= 6', n = 1)으로 지속적으로 침적시켰다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건 하에서 EJM에 의하여 GaInN의 박막 층을 침적시켰다. 결과물은 따라서 황색 - 녹색에서 발산하는 이형 구조였다(도 3 참조, 상단 곡선).
실시예 6
실시예 4 및 5와 동일한 조건 하에서 EJM에 의하여 본 발명에 따른 GaInN의 박막 층을 침적시켰으나, 침적 시간을 여러 단계들로 분할하였다. 침적을 시간을 달리하여 여러 단계들로 분할함으로써, GaInN의 첫 번째 침적 층을, 실시예 4에서와 동일한 성장 조건으로, 3분의 지속 시간 동안 제조하였고(△td1= 3'), 실시예 5에서와 같이, 첫 번째 침적 층과 동일한 공칭 조성(nominal composition)을 갖는 GaInN의 두 번째 침적 층을 6분의 지속 시간 동안 제조하였다(△td2= 6', n = 2). 첫 번째 및 두 번째 침적 동안에 다른 성장 조건들은 동일하게 유지되었으며, 두 침적들(약 1분의 지속 시간) 사이에 성장에 있어서 짧은 중단이 있었고, 온도 상승은 성장 온도보다 100 내지 200℃ 높게 하였다. 도 3(하단 곡선)은, 비록 단일 층이 얻어졌지만, 이러한 샘플에 해당되는 광전 발광 스펙트럼이 실제로는 개별적으로 취한 GaInN의 각각의 침적 층의 발산을 포함한다는 사실을 보여준다.
최적화(optimization)가 없이, 각각의 침적 층의 두 개의 발산 피크(peak)들의 조합은 백색광에 가까운 발광을 생산한다. 본 실시예 및 도 3은 GaInN 합금의 침적 시간을 시간적으로 구별된 단계들로 분할함으로써, 본 발명에 따라서, GaInN의 단일 박막 층으로부터 백색광의 발산을 얻는 것이 가능하며; GaInN의 각 성장 시간은 특정 색에 대응하고, 색들의 조합은 백색광을 생산한다. 이는 두 가지 대신에 청색, 녹색 및 적색과 같은 3가지 색을 조합하는 것에 의해서도 동일한 결과를 얻을 수 있을 것이다. 이와 유사하게, EPVOM에 의해서도 유사한 결과들이 얻어지는것으로 나타났다.

Claims (17)

  1. 정해진 색들의 최소한 두 개의 가시 광선을 발산하고, 선택적으로 비소, 인 또는 안티몬을 포함하는, 단일의, GaInN의 반도체 박막 층.
  2. 제1항에 있어서, 각각이 정해진 색의 가시 광선을 발산하는 최소한 두 개의 GaInN의 침적 층을, 서로 인접하거나 또는 서로 중첩되게 위치시킴으로써 형성된 것을 특징으로 하는 박막 층.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 최소한 두 개의 정해진 색들을 갖는 상기 가시 광선의 조합은 백색광을 생산하는 것을 특징으로 하는 박막 층.
  4. 제2항에 있어서, 상기 침적 층은 3개가 존재하며, 상기 침적 층은 각각 청색, 녹색 및 적색광을 발산하는 것을 특징으로 하는 박막 층.
  5. 제2항에 있어서, 상기 침적 층은 2개가 존재하며, 상기 침적 층은 각각 청색 및 황색광을 발산하는 것을 특징으로 하는 박막 층.
  6. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 박막 층의 두께는 100Å 이하인 것을 특징으로 하는 박막 층.
  7. 매 침적의 사이에 성장을 중단시켜 동일한 조성을 갖는 GaInN 침적 층을 순차적으로 제조함으로써 다른 시간 단계에서 침적되며, 상기 침적 층 각각이 최소한 두 개의 정해진 색의 가시 광선을 발산하고, 선택적으로 비소, 인 또는 안티몬을 포함하는, GaInN의 단일 반도체 박막 층의 제조 방법에 있어서, 정해진 색의 가시 광선을 발산하며, 동일한 조성을 갖는 GaInN 침적 층을 시간별로 다른 시간에 순차적으로 침적하고 침적과 침적 사이에 성장 중단 기간을 두는 GaInN의 단일 반도체 박막 층의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 정해진 색들을 갖는 상기 최소한 두 개의 가시 광선들의 조합은 백색광을 생산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 각각의 침적 층에 의하여 발산된 빛의 색은 온도 및/또는 침적층 성장 지속 시간 및/또는 침적 층의 성장을 지배할 수 있는 다른 변수들의 변화, 및/또는, 성장을 중단시키는 경우에는, 성장이 중단된 동안의 온도, 및/또는 상기 중단의 지속 시간에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 각각의 침적 층에 의하여 발산된 빛의 색은 각각의 침적 층의 성장의 지속 시간 및/또는 온도를 변화시킴으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 성장이 중단되는 동안 상기 온도를 더욱 상승시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 침적 층이 분자 제트 적층(EJM)에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제7항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 침적 층이 유기-금속 증기상 적층(EPVOM)에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 활성 구역 내에 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 따른 최소한 하나의 박막 층을 포함하는 발광 다이오드(LED).
  15. 제14항에 있어서, 백색광을 발산하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  16. 제14항에 따른 발광 다이오드를 최소한 하나 포함하는 조명 장치.
  17. 제15항에 따른 발광 다이오드를 최소한 하나 포함하는, 백색광을 발산하는 조명 장치.
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