KR20060079210A - 고체 형태 백색 발광 소자 및 이를 이용한 디스플레이 - Google Patents
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Abstract
고체 형태 소자에 전력을 공급하여 상기 고체 형태 소자로부터 방출하도록 구성되고 배열된 전원과 커플링할 수 있는 고체 형태 소자를 포함하는 발광 어셈블리가 개시된다. 소정의 적색, 녹색, 및 청색 (RGB) 방출을 생성하여 백색 광을 형성하는 단일 층 또는 각각의 층들에서 결합된 일련의 희토류 원소로 도핑된 실리콘 및/또는 실리콘 탄화물 나노결정이 개시된다.
Description
본 발명은 고체 형태 발광 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 백색광을 내는 고체 형태 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드와 같은 고체 형태 발광 소자는 통상적인 백열 및 형광 램프에 비해 잠재적으로 더 낮은 생산 단가 및 장기간의 내구성이라는 잇점을 제공하기 때문에 매우 유용하다. 이들의 오랜 작동 (연소) 시간 및 낮은 소비 전력 때문에, 고체 형태 발광 소자들은 흔히 실용적인 가격상의 잇점을 제공하며, 심지어 이들의 초기 비용이 통상적인 램프의 비용보다 더 큰 경우에도 그러하다. 그렇지만, 대규모의 반도체 제조 기술이 사용될 수 있기 때문에, 많은 고체 형태 램프는 매우 낮은 가격에 제조될 수 있다. 그러한 소자의 하나가 고체 형태 발광 다이오드(LED)로서 낮은 생산 단가, 긴 작동 수명 및 낮은 유지 비용을 가진다.
발광 다이오드들(LEDs), 및 유사하게 만들어진 초발광(super luminescent) 다이오드들 및 반도체 다이오드 레이저들은 상업적으로 입수할 수 있으며 매우 다양한 디자인 및 제조 기술이 개발되어왔다. 가정용 및 소비자 제품의 지시등, AV(audio visual) 장치, 통신 소자 및 자동차용 장치의 마킹(marking)과 같은 적용 분야 외에도, 이러한 LED 들은 실내 및 실외 정보 디스플레이에서 상당한 응용 분야를 발견하였다. 최근까지, LED는 단지 적색, 녹색 또는 황색 범위의 광 만을 내었고 예를 들어 매우 다양한 디스플레이 적용 분야에서 보통 백색 광을 내는 백열 전구를 대체하는 데는 일반적으로 적합하지 않았다. 그렇지만, 최근의 밝은 청색 LED의 소개는 백색 LED 시스템을 가능하게 하고 이에 따라 풀 컬러 및 백색 조명 모두를 이룰 수 있는 실질적인 수단을 제공하여 LED에 디스플레이 시장을 열어줄 가능성을 가지게 한다.
LED 디스플레이는 백열 전구를 사용하는 디스플레이들에 비해 실질적인 장점들이 많다. LED의 작동 수명(이 경우에 연속 조명으로 정의된다)은 약 10년 또는 50,000시간 이상이나, 이에 반해 백열 전구는 흔히 약 2000시간에 완전히 연소 되므로, 따라서, 디스플레이 메시지에 빈 화소를 남기게 된다. 이러한 재발하는 고장은 디스플레이를 읽을 수 없게 만들고, 그러므로, 쓸모없게 만든다. 이러한 조건들(즉, 깨지거나 손실된 화소)은 지속적인 보수를 요구하여 백열 조명 소자를 기반으로 하는 디스플레이 간판의 공급자들에게 상당한 유지 관리의 문제를 야기한다. LED 기반의 광고판의 긴 작동 수명과 함께, 상기 화소들은 거의 연소 되지 않아서 조명 장식을 한 메시지는 긴 작동 기간에 걸쳐 읽을 수 있는 상태로 남게 된다.
유사하게, LED 램프는 상당히 더 강건하다. 실외 환경에서 자주 마주치는 스트레스, 기계적 충격, 또는 온도 변화에 노출될 경우에, 이들은 백열 램프에 비해 덜 고장 날 것이다. 이러한 속성은 상기 신호 장치가 차량 교통과 같은 환경 에, 즉, 고속도로 건설 지점, 다리, 터널을 표시하기 위한 도로 신호 장치, 또는 교통 제어 표지에 사용될 경우에 특히 중요하며, 이러한 환경에서 백열 램프에 사용되는 소모성 필라멘트는 계속적인 진동 운동에 의해 부서지기 쉽다. 또한, 백열 및 형광 램프는 깨지기 쉬운 유리 외부 케이스로 만들어져서 이들의 파손은 램프를 쓸모없게 만들고 나아가 광고판의 메시지를 읽을 수 없게 만든다. 도로상의 심각한 환경 조건 때문에, 백열 및 형광 램프의 유리 파손은 너무 흔한 사고이다. 고체 형태 LED 램프는 파손될 필라멘트가 없고, (통상적으로 상당한 두께인)일차적인 소자 외피 또는 포장으로서, 내구성 있는 플라스틱 케이스에 수납 되어 있기 때문에, 이로써 극한 외부 환경적 스트레스에 높은 수준의 둔감도를 나타낸다. 실외 신호 장치 분야의 경우에, 디스플레이는 최대 백만 개 이상까지의 화소 또는 램프를 포함할 수 있다. 따라서, 작동하지 않는 백열 램프 또는 축소된 형광(또는 네온) 램프에 관련된 유지 관리 비용이 높고, 불행히도, 지속적이다.
따라서, 정보 디스플레이 및 신호 장치의 제조 및 판매의 신흥 경향, 특히 실외 용도는, 고체 형태 LED 램프를 보다 통상적인 백열 전구에 대체 대체물로 사용하는 것이다. 최종 소비자의 주요한 잇점은 더 낮은 전력 소모 비요 및 더 긴 작동 수명(따라서, 유지 관리 비용을 감소시킨다)이다. 추가적인 잇점은 고체 형태 소자의 빠른 완화 시간(relaxation time)이 비디오 또는 실사 만화를 포함하는 급속히 변화하는 정보 메시지를 표시할 기회를 제공할 수 있다는 것이다.
백색 광 디스플레이의 요구(즉, 상업 은행 "시간 및 온도" 메시지 보드, 스타디움의 스코어보드)를 고려하여, 백색 광 LED를 제조하기 위하여 상당한 노력이 경주되어 왔다. 비록 최근에 청색 LED를 이용하여 풀 컬러를 만들 수 있고, 나아가 백색 광 디스플레이를 구현할 수 있지만, 통상적으로 그러한 디스플레이는 복수의 LED를 필요로 할 것으로 여겨진다. 복수의 LED는, 이어서 요구되는 광대역 조명, 이것은 백색 광을 제공하는데 필요하다,을 얻기 위하여 복잡하고 비싼 LED 모듈에 포함될 것이다. (모듈 또는 서브-어셈블리로 복수개의 단일 염료, 단일 컬러의 분리된 LED 램프를 이용하는데 반하여) 백색 광을 제공하기 위하여 하나의 분리된 LED 램프가 제조되는 경우에도, 상기 기술의 현재 상태는 복수개의 염료를 이용하는 것을 요구하며 통상적으로 이러한 염료를 구동하기 위하여 적어도 4개의 전선을 요구한다. Stinson 이 발표한 미국특허등록 4,992,704는 가변 칼라 발광 다이오드를 가르치고 있으며, 상기 다이오드는 각각 적색, 녹색 및 청색의 색조를 내는 것으로 특징 지워지는 세가지 염료를 지지하는 투명하게 몰딩된 단일 에폭시 하우징을 가진다. 몇가지 상업적인 "풀-컬러" LED 램프가 최근 소개되고 있으며, 이것은 백색 광을 내는 수단을 제공할 수 있는 본질적으로는 분리된 램프이다. 현재 입수할 수 잇는 모든 그러한 램프들은 최소한 세 개의 염료(또는 칩)를 포함한다 - 하나는 적색, 하나는 녹색 및 하나는 청색이며, 이들은 단일 에폭시 포장에 캡슐화되어 있다. 상기 칩들은 적어도 4개의 전선으로 구동된다. 이러한 복잡한 복합 염료, 가변 컬러 소자는 백색 광 조명을 주는 비싸고 복잡한 방법을 제공한다. 더구나, 이러한 복합 염료 백색 램프는 현재의 기술 상태에서 다소 비효율적이며, 기존의 단색 발광 다이오드 램프에 의하여 구현되는 광도보다 훨씬 낮은 광도를 제공하며, 심지어 별개의 램프 어셈블리에 매우 많은 양의 염료가 기능적으로 포함될 경우에도 그러하다.
백색 광 조명을 제공하는 고체 형태 램프의 유용성은 분명하다. 그렇지만, 현재 이용할 수 있는 그러한 고체 형태 램프의 수는 매우 제한되어 있다. 메시지 또는 비디오 화상의 최상의 가능한 해상도를 제공하기 위하여 광의 작은 화소가 흔히 요구되는 신호 장치 적용 분야에서, 디스플레이에의 응용을 위한 가장 실질적인 고체 형태 램프는 LED램프이다. LED 램프는 발광 표면을 제공하는 다른 수단들에 비하여 매우 좁은 발광 각도와 매우 작은 크기를 가질 수 있다. 그렇지만, 백색 LED 램프를 제조하는 방법은 제한되어 있다. 통상적인 접근법은 (최대 30개 까지의) 복합 램프 서브 어셈블리 또는 모듈에 수납된 분리된 적색, 녹색 및 청색 LED 램프의 커다란 클러스터를 제조하는 것이다. 상기 분리된 램프 모두를 제어하는 복합 전원을 공급함으로써 이러한 커다란 클러스트는 상기 모듈을 구성하는 분리된 각각의 LED 램프에 의해 발산되는 광의 청색, 녹색 및 적색 서브-화소(sub-pixel)의 공간적인 혼합에 의해 백색 광을 제공하는 것처럼 보일 수 있다. 상기 모듈을 구성하는 램프들은 개별적으로 할당될 수 있고 따라서 선택적이고 개별적으로 적색, 녹색 및 청색 광(또는 이들의 조합들)을 제공할 기회를 주지만, 이러한 모듈 시스템은 고체 형태 디스플레이를 위한 백색 광을 제공하는 수단으로서는 복잡하고 비싸다. 또한, 이러한 모듈들은 다소 크기 때문에, 상기 디스플레이의 최종 해상도는 통상적인 단일 램프 화소 디스플레이의 해상도에 비해 항상 낮을 것이다.
(Stinson이 가르친) 단일 폴리머 메트릭스 내에 수납된 복수개의 분리된 염료들은 조명이 관찰자에게 백색으로 보일 수 있는 그러한 분리된 LED 램프를 제공 할 수 있지만, 개별적인 염료들은 여전히 개별적으로 전원이 공급되어야 하며 상기 램프는 복수개의 파장의 광을 동시에 방출하는 효과를 얻기 위하여 복수개의 전선을 요구할 것이다. 따라서, 이러한 복수 염료 LED 램프는 제조하기가 다소 비싸고, 실외 디스플레이에서 구동하고 제어하기 위하여 비싸고 복잡한 배선을 요구할 것이다. 이러한 문제들에 불구하고, 두가지 방법들은 백색 조명을 발생시키는 용도를 지향하고 있다.
소위 형광 램프가 백색 광 조명을 제공하는 것이 잘 알려져 있다. 형광 램프에서 진공 튜브 내의 수은 증기가 전기 방전에 의해 여기된다. 여기된 수은 원자는 주로 자외선 영역인(즉, 254nm, 313nm, 354nm) 광을 방출하고, 이 광은 상기 튜브의 내벽에 코팅된 무기 인광체에 흡수된다. 상기 인광체는 그리고 나서 광을 방출한다. 이러한 무기 인광체는 수은 원자의 여기된 상태의 자외선 방출을 관찰자에게 백색으로 보이는 방출된 광선의 넓은 스펙트럼으로 "저역-변환(down-converting)" (즉, 에너지의 더 높은 주파수, 더 짧은 파장 형태를 에너지의 더 낮은 주파수, 더 긴 파장 형태로 전환하는 것)시키는 것에 의해 백색 광 방출을 제공하도록 설계된다. 그렇지만, 이러한 발광 소자는 고체 형태가 아니며, 디스플레이 분야에 응용을 위한 적절한 화소 해상도를 제공하기 위해 이러한 형광 전구를 소형화하는 것은 실질적으로 이루어진 적이 전혀 없다. 사실, 디스플레이에서 소형화된 형광 램프(긴 작동 수명을 가지나 고체 형태 LED 램프와 비교할 때 불행히도 전력 소모가 높다)의 주요 응용 분야는 화소 수준에서 개별적으로 할당된 액정에 백라이트를 제공하는 것이다. 또한, 이러한 소형화된 형광 램프는 이들의 유리 하우 징 때문에 발광 소자가 깨지기 쉬운 상태로 존재하며 램프가 극한 환경 스트레스에 노출되는 디스플레이 응용 분야의 용도로는 부적합하다. 그러한 스트레스는 유리 하우징을 파손하고 상기 유리 하우징의 내벽으로부터 분말 코팅이 얇은 층으로 갈라지게 하는 효과를 가져온다. 방사 에너지 전달에 의해 백색 광을 생산하는 것이 바람직할 것이며, 여기서 발광 중심은 하우징 표면의 일 표면상에 위치한 반영구 분말 코팅으로부터가 아니라 그러한 하우징 구조물의 내부 두꺼운 부분으로부터 백색 조명을 제공할 수 있는 두꺼운, 파손되기 어려운 하우징 구조물(판 또는 전구)와 같은 어셈블리의 핵심적인 부분이 다.
인광 코팅 없이 백색 광을 제공하는 추가적인 예로서, Chao 등의 "White Light Emitting Glasses," Journal of Solid State Chemistry 93, 17-29 (1991) ( 또한, El Jouhari, N., 등., "White light generation using fluorescent glasses activated by Ce3+, Tb3+ and Mn2+ ions," Journal de Physique IV, Colloque C2, supplement au Journal de Physique III, volume 2, October 1992, C2-257 to C2-260)에서 활성화제로서 Ce3+, Tb3+ 및 Mn2+를 동시에 포함하는 B2O3 기반의 유리에서 청색, 녹색 및 적색 발광 형광 중심들의 동시 발광에 의해 백색 광을 제공할 수 있는 유리질 물질이 개시되어 있다. 이러한 유리들은 Ce3+에서 Tb3+ 및 Mn2+로의 여기 상태 에너지의 전달에 의해서 뿐만 아니라 Ce3+의 청색 발광의 제공에 의해 백색 조명을 제공하고, 이들의 발광은 각각 가시광 스펙트럼의 녹색 및 적색 부분에서 일 어난다,
혼합된 희토류 보레이트들은 저역 변환을 경유하여 250nm 및 300nm 사이에서 1차 (자외선) 방사하는 보레이트 분말의 여기로 백색 광을 제공하는데 사용될 수 있다. 유사하게, 음극선 응용을 위하여, 백색 발광 혼합 형광 물질이 녹색 형광 물질(48 내지 53% w/w), 적색 형광 물질(37 내지 40% w/w) 및 청색 형광 물질(10 내지 13% w/w)의 주의 깊은 처방에 의해 만들어질 수 있다.
상기 예들에서 소자들은 개념 및 구조에서 변화하지만, 관찰자에게 백색 광을 나타내기 위하여 광자 또는 전자 빔으로 여기되었을 경우에 복수 파장의 이차 발광(형광 또는 인광 특성을 가진 발광)을 방출할 수 있는 조성이 모두 무기물인 적색, 녹색 및 청색 형광 물질의 유용성을 증명한다. 분리된 컬러 발광의 미소 영역이 발광 소자의 람베르트 표면에서 관찰될 수 있는 경우에도 이것은 일반적으로 사실이다.
Tanaka, S., 등의 "Bright white-light electroluminescence based on nonradiative energy transfer in Ce-and Eu-doped SrS films," App. Phys. Lett. 51 (21), Nov. 23, 1987, 1662-1663, 은 Ce- 및 Eu 도핑된 스트론튬 설파이드(SrS) 무기 인광체를 사용하여 백색 광을 방출하는 박막 유기 전계 발광(EL) 소자의 제조를 기재하고 있다. SrS:Ce, Eu 소자의 EL 여기에서, Ce3+ 발광 중심으로부터 Eu2+ 발광 중심으로의 비발광 에너지 전달이 청색으로부터 적색까지 연장된, 이로써 백색 광을 생성하는, 넓은 EL 발광을 생성하는데 중요한 역할 을 한다.
유사하게, Zn 및 Si 도판트를 가진 AlGaN 전계 발광 시스템에 대한 최근의 일부 검토는 일부의 백색 광이 생성될 수 있음을 지적하였다. 도판트가 복수개의 발광 파장을 제공하는 단일 소자가 제조되는 것은 유용하지만, 도판트는 반드시 반도체의 전기적 및 격자 구조를 변화시키며 이러한 소자들의 성능은 도판트가 없는 상태의 결과로서 단색 발광을 내는 상응하는 도판트 없는 반도체보다 상당히 열악하다.
최근까지, 대부분의 발광 다이오드는 반도체를 기반으로 하였고 대부분은 전계발광 소자들은 무기물을 기반으로 하였다. 유기 물질이 일정한 박막 전계 발광 소자를 제조하는데 사용되어 왔지만, 상업적으로 입수할 수 있는 유기물 기반 LED는 없다. 또한, 유기물 기반의 LED는 현재 유기 전하-전달 물질의 열화에 기인한 매우 짧은 작동 수명으로 인하여 방해 받고 있다. 이러한 모든 시스템에서, ITO와 같은 전도성 무기 기판상에 박막으로 사용되는 유기 물질들은 여기된 상태를 생성하고 이어지는 방사성 소멸에 의한 발광에 필요한 전자-정공 재결합에 활발하게 참여한다.
최근에, 유기 LED 또는 유기 전계 발광 소자를 제조하려는 접근들이 검토되었고 일부 경우에 이러한 실험적인 디자인으로부터 백색 광이 관찰되었다. 일 예로서, 폴리[3(4-옥틸페닐)-2,2'바이티오펜] 및 옥사디아졸 유조체로부터 만들어진 전계 발광 다이오드로부터 백색 발광이 보고되었다. 분광 분석은 외관상 백색 광이 청색(410nm), 녹색(530nm) 및 적색-오렌지색(520nm) 발광 중심들로 구성되어 있음을 지적하였다. 적색 형광 물질 로다민(Rhodamine)을 무기 기판상에 포함하는 전계 발광 소자들이 또한 일부 백색 광을 산출하는데 효과적이었다.
ITO 코팅된 유리 상의 폴리(비닐카바졸)(PVK) 박막을 기반으로 한 유기 전계 발광 셀로부터 백색 광 발광이 또한 최근에 보고되었다. 상기 셀은 Mg:Ag:Alq:TAZ:도핑된 PVK:ITO:유리의 구조를 가지며 여기서 상기 전도성 ITO 층이 높은 정공 드리프트 이동도를 가지는 유기물을 기반으로 한 PVK 박막층으로 정공을 주입한다. 이와 동시에, 전자가 트리스(8-퀴놀라토)알루미늄(III) 착화합물층 Alq,에 의해 유기 분자 3-(4'tert-부틸페닐)-4-페닐-5-(4'비페닐)-1,2,4-트리아졸, TAZ로 이루어진 정공 차단 전자 전달층으로 주입된다. 유기 폴리(비닐카바졸)층과 TAZ 층의 계면에서, 정공과 전자의 재결합이 발생하고 이것이 상기 고분자를 구성하는 유기, 방향족, 카바졸 펜단트 작용기를 여기시킨다. 상기 고분자 집합체 내부의 여기된 카바졸 작용기는 여기된 상태에서 억제제 또는 도판트의 부재시에 청색 엑시머 방출을 유도한다는 것이 잘 알려져 있다. 상기 Mg:Ag:Alq:TAZ:도핑된 PVK:ITO:유리 유기 전계 발광 소자의 예에서, 엑시머 방출의 억제제는 청색 발광 1,1,4,4-테트라페닐부타-1,3-디엔(TPB), 녹색 발광 7-디에틸아미노-3-(2' 벤조티아조일)쿠마린(쿠마린-6), 및 적색 발광 디시아노메틸렌-2-메틸-6-p-디메틸아미노스티릴-4H-피란(DCM-1) 도판트들이다.
1995년 4월 11일 발행된 J. E. Littman 등의 미국특허번호 5,045,709는 애노드, 유기 전계 발광 매질 및 캐소드를 포함하는 백색 광을 방출하는 내부 접합 유기 전계 발광 소자를 개시한다. 상기 유기 전계 발광 매질은 또한 애노드와 인접한 정공 주입 및 정공 수송 영역, 및 캐소드와 인접한 전자 주입 및 전자 수송 영 역을 포함한다. 상기 전자 주입 및 수송 영역은 또한 캐소드와 접촉하는 전자 주입층을 포함한다. 전자 주입층 및 정공 주입 영역 사이의 유기 전계 발광 매질 부분은 정공-전자 재결합에 응답하여 백색 광을 발산하며, 형광 물질 및 혼합된 리간드 알루미늄 킬레이트를 포함한다.
1992년 10월14일 공개된 Mitsubishi Cable Industries, Ltd.,의 일본특허공개 04289691호는 투명 전극층으로 코팅된 형광 염료-고정된 실리카층, 인광물질을 포함하는 발광층, 후방 전극층, 물-흡수층, 캡슐화하는 필름, 및 절연층을 포함하는 전계 발광 소자를 개시한다.
상기 Mitsubishi 공개 특허에서 에탄올, 이소프로판올, 또는 디메틸에테르와 같은 용매에서 금속 알콕사이드를 사용하여 졸 겔 프로세스에 의해 실리카 층이 형성될 수 있다. 로다민 6G가 도핑된 실리카 층은 백색 발광을 내는 것으로 기재되어 있다. 발광 층은 예를 들어 두께가 약 15마이크론이 될 수 있으며, 구리, 알루미늄, 망간, 염소, 붕소, 이티륨 또는 희토류 도판트와 같은 도판트로 도핑된 ZnS 또는 ZnCdS를 산출하는 졸 겔 기술로 형성된다. 발광층은 또한 분산된 인광 물질을 포함할 수 있다. 상기 발광층에서 입자의 평균 입자 크기는 일반적으로 10마이크론 초과, 및 바람직하게는 15 내지 40 마이크론 범위이다. 발광층은 예를 들어 30 내지 80%의 인광 물질을 포함할 수 있다. 선행하는 구조의 개시된 장점은 상기 발광층의 인광 물질을 바꿀 수 있으며 이로써 전체 물질의 컬러를 바꿀 수 있다는 점이다.
1985년 9월 3일 공개된 Sony Corporation의 일본 특허 공개 60170194는 청색 -녹색-발광 인광 물질 및 로다민 S의 혼합물을 포함하는 발광층을 가진 백색 광을 방출하는 전계 발광 소자를 개시한다. 로다민 S는 청녹색 광으로 여기되는 강한 오렌지색 형광을 내기 때문에, 높은 광도의 백색 광이 심지어 낮은 전압에서 얻어질 수 있다. 이 참조 문헌은 ZnS가 Cu 및 Mn으로 도핑된, 노란색 광을 내는 인광 물질 뿐만 아니라 ZnS가 Cu 및 Cl로 도핑된, 청녹색 광을 내는 인광 물질을 개시한다. ZnS는 또한 녹색 광을 내기위해 Cu 및 Br으로 도핑될 수 있다.
상기 Sony 특허 문헌은 Aclar 고분자, 폴리에스테르 고분자와 같은 물질의 보호 필름의 봉지층, 인듐 틴 옥사이드(ITO)로 이루어진 투명 전극, 발광층 및 후방 전극을 포함하는 다층 전계 발광 소자를 개시한다. 발광층은 상기에 언급된 토판트 종들(즉, 0.045중량% Cu 및 0.020중량% Cl)로 도핑된 ZnS 50-95중량% 및 로다민 S 5-50중량%를 포함할 수 있다.
전자 수송층 또는 정공 수송층 내부에 발광 지점으로써 유기 형광체를 사용하고 박막 계면 정공-전자 재결합을 일어나게 하는 진보에도 불구하고, 기술의 현재 상태는 상당한 작동 수명을 가지는 유기물 기반의 염료를 제조하는 것이 어렵다. 이들의 본성에 의해, 이러한 도너-어셉터 복합체는 주변 매질과의 반응에 취약하다. 결과적으로, 많은 이러한 유기 분자들은 여기된 상태로의 계속적인 여기에 의해 열화되고 결과적으로 유기물 기반의 LED는 고장난다. 극히 높은 형광 양자 수율을 가지는 형광체들은 정의에 의해 짧은 여기 상태 수명을 필요로 하고, 산소 또는 다른 반응물에 의해 억제 또는 열화되지 않을 것이므로, 바닥 상태에서 소자 전체에 걸친 편재화된 정공-전자 재결합을 가능하게 하는데 충분한 전자 또는 정공 전달 특성을 가지지 않는다. 그렇지만, 일 예로서, 정공 전달층에서 도판트로서, 정공에의 이들의 인접성은 상기 인광체의 여기된 상태를 통상적인 경우에 비해 보다 쉽게 산화되도록 만들 것이다. 심지어 상기 인광체의 바닥 상태가 정공-수송층에서 정공에 대해 안정할 경우에도, 이것은 여기된 상태의 화학종들의 경우에 특히 사실일 것이다. 여기된 상태의 환원에 대한 유사한 주장이 전자-수송층 내부에서 고립된 도판트에도 적용할 수 있을 것이다.
따라서, 정확히 단일 칼라 LED 램프에서 실시된 것과 같이 최소한의 전력선(즉, 2)을 가지며, 적색, 녹색 및 청색 광의 세 영역이 발생되나, 관찰자에게 외관상 백색 광이 방출되며, 상당히 감소된 염료 가격(세가지 대비 한가지) 및 상응하는 디스플레이 및 신호 장치의 디자인에 있어 낮은 제조 가격, 높은 매질 해상도(작은 화소 또는 램프 크기), (생생한 비디오 화상을 향상시키기 위한) 켜짐 및 꺼짐 상태의 빠른 전환, 및 높은 발광 효율을 가지는 것과 같은 그러한 단순한 고체 형태 LED 램프의 개발이 매우 필요할 것이다.
백색 발광 소자가 희토류 원소로 도핑된 IV족 반도체 나노결정을 사용하여, 적색, 녹색 및 청색 발광 센터(center)의 동시 발광을 이용하도록 제작될 수 있다면 가장 바람직할 것이다.
본 발명의 몇몇 구현예의 목적은 단일 다이 (single die)를 사용하는 고체 형태 백색광 발광 소자를 제공하는 것이고, 상기 소자는 상기 다색 백색광을 발생시키기 위하여 희토류 원소로 도핑된 IV족 반도체 나노결정을 사용하고, 그 결과 다중 파워 리드 (power leads) 또는 하나 이상의 별개의 LED 램프의 필요없이, 백색 조명을 갖는 고체 형태 조명 소자 (illumination device)를 제공한다.
일 넓은 태양에 따르면, 본 발명은 전원과 커플링하여 가시광을 방출할 수 있는 하나 이상의 단일-다이 반도체 발광 소자를 제공하고, 상기 발광 소자는 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질 (REDGIVN)을 포함한다.
몇몇 구현예에서, 발광 소자는, 기판; 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 함유하는 하나 이상의 층을 포함하고, 상기 하나 이상의 층이 활성화될(energized) 때 가시광 출력 (visible light output)을 집합적으로 방출한다.
몇몇 구현예에서, 상기 가시광은 백색 광이다.
몇몇 구현예에서, 상기 REDGIVN은 실리콘 또는 실리콘 탄화물 나노결정 물질이다.
몇몇 구현예에서, 상기 하나 이상의 층은 적색, 청색 및 녹색 각각을 위한 각각의 희토류 도판트를 함유하는 단일 층을 포함한다.
몇몇 구현예에서, 상기 하나 이상의 층은 적색, 청색 및 녹색 중 하나를 위한 각각의 희토류 도판트를 함유하는 각 층을 갖는 3개의 층을 포함한다.
몇몇 구현예에서, 상기 하나 이상의 층은 각각의 희토류 도판트를 함유하는 각 층을 갖는 3개의 층을 포함한다.
몇몇 구현예에서, 상기 3개의 층은 서로의 상부에 적층되어 있다.
몇몇 구현예에서, 상기 3개의 층은 서로에 인접하여 배열되어 있다.
몇몇 구현예에서, 상기 하나 이상의 층은, 녹색 광을 제공하는 어븀, 터븀 및 이트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 IV족 도판트로 도핑된 제 1층; 청색 광을 제공하는 툴륨 및 세륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 IV족 도판트로 도핑된 제 2층; 적색 광을 제공하는 유로퓸 및 프라세오디뮴(praseodymium)으로 이루어진 군으로부터 선택된 IV족 도판트로 도핑된 제 3층을 포함한다.
몇몇 구현예에서, 상기 하나 이상의 층은, 녹색 광을 제공하는 어븀, 터븀 및 이트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 제 1 IV족 도판트, 청색 광을 제공하는 툴륨 및 세륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 제 2 IV족 도판트, 및 적색 광을 제공하는 유로퓸 및 프라세오디뮴으로 이루어진 군으로부터 선택된 IV족 도판트로 도핑된 단일층을 포함한다.
몇몇 구현예에서, 상기 하나 이상의 층은, 녹색 및 청색 광을 제공하는 어븀으로 도핑된 제 1층; 적색 광을 제공하는 실리콘 나노결정 물질의 제 2 비도핑된 층을 포함한다.
몇몇 구현예에서, 상기 하나 이상의 층은, 녹색 및 청색 광을 제공하는 어븀으로 도핑된 제 1층; 적색 광을 제공하는 유로퓸 및 프라세오디뮴으로 이루어진 군으로부터 선택된 IV족 도판트로 도핑된 제 2 층을 포함한다.
몇몇 구현예에서, 상기 발광 소자는 전원 신호가 상기 발광 소자를 활성화 시키기 위해서 적용될 수 있도록 제1 전극 및 제2 투명 전극을 맞은 편에 (across) 더 포함한다.
몇몇 구현예에서, 상기 제1 전극은 투명 도전성 산화물 전극 또는 반투명 금속 전극이다.
몇몇 구현예에서, 상기 기판은 도전성 기판이다.
몇몇 구현예에서, 상기 기판은 SiC, GaN 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된다.
몇몇 구현예에서, 상기 기판은 실질적으로 비도전성 기판이다.
몇몇 구현예에서, 상기 기판은 사파이어, 실리콘 이산화물, 퓨즈 실리카 (fuse silica) 및 AlN으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된다.
몇몇 구현예에서, 상기 발광 소자는 광투과 물질로 형성된 하우징 부재 (housing member)를 더 포함하고, 상기 하우징 부재는 내부 용적 내에 경계를 정한다.
몇몇 구현예에서, 상기 발광 소자는 상기 백색광의 방출을 유도하기 위해서 상기 하우징 부재를 통하여 연장되고, 상기 발광 소자 상에 전압을 부가하기 위해 구성되고 배열된 전원에 커플링할 수 있는 제1 및 제2 전기 콘택 (electrical contacts)을 더 포함한다.
몇몇 구현예에서, 발광 소자의 어레이 (array) 및 상기 발광 소자들 중 특정한 한 개를 선택적으로 조명하기(illuminating) 위한 사용자-응답 컨트롤러(user-responsive controller)가 제공된다.
몇몇 구현예에서, 발광 소자는 펌프 (pump) 광원으로서 상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질에 의해 방출된 광을 수용하기 위해 배열된 II-VI족 또는 III-V족 나노결정 물질을 더 포함하고, 상기 II-VI족 또는 III-V족 나노결정은 상기 펌프 광원에 의해 활성화되는 경우 복수의 파장에서 형광을 발한다.
몇몇 구현예에서, 발광 소자는 기판; 상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층; 펌프 광원으로서 상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층에 의해 방출된 광을 수용하기 위해 배열된 II-VI족 또는 III-V족 나노결정의 하나 이상의 층을 포함하고, 상기 II-VI족 또는 III-V족 나노결정은 상기 펌프 광원에 의해 활성화되는 경우 복수의 파장에서 형광을 발한다.
몇몇 구현예에서, 상기 II-VI족 또는 III-V족 나노결정은 ZnS, CdS, ZnSe, CdSe, GaN, InP 및 GaP으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
몇몇 구현예에서, 상기 복수의 파장은 집합적으로 백색광을 생성하다.
몇몇 구현예에서, 발광 소자는 상부의 전기 콘택층 (electrical contact layer)을 더 포함하고, 상기 층들은 상기 기판; 상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층; 상기 상부의 전기 콘택층; 상기 II 또는 VI족 나노결정을 포함하는 하나 이상의 층의 순서에 따라 배열되고, 상기 II 또는 VI족 나노결정을 포함하는 하나 이상의 층은 상기 나노결정을 구동시키기(drive) 위해서 광 에너지(photon energy)를 사용한다.
몇몇 구현예에서, 발광 소자는 상부의 전기 콘택층을 더 포함하고, 상기 층들은 상기 기판; 상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층; 상기 II 또는 VI족 나노결정을 포함하는 하나 이상의 층; 상기 상부의 전기 콘택층의 순서에 따라 배열되고, 상기 II 또는 VI족 나노결정을 포함하는 하나 이상의 층은 상기 나노결정을 구동시키기 위해서 전기 에너지 및 광 에너지를 모두 사용한다.
몇몇 구현예에서, 상기 소자는 IV, II-VI 및 III-V족의 나노결정으로 이루어진 군으로부터 선택된 층들을 포함하는 다층 구조물을 가진다.
몇몇 구현예에서, 상기 REDGIVN을 포함하는 하나 이상의 층에 의해 생성된 1차 방사선(primary radiation)은 상기 II-VI족 또는 III-V족 나노결정의 하나 이상의 층에 의해 적색 및/또는 녹색 및/또는 청색 광의 두 개 이상의 뚜렷하고 분리된 영역으로 저역 변환(down-converted)되고, 상기 적색 및/또는 녹색 및/또는 청색 광의 두 개 이상의 영역은 혼합하여 상이한 색의 출력을 생성한다.
몇몇 구현예에서, 상기 REDGIVN을 포함하는 하나 이상의 층에 의해 생성된 1차 방사선은 상기 II 또는 VI족 나노결정의 하나 이상의 층에 의해 백색 광 및 상기 적색, 녹색 또는 청색의 색조 (color hue)의 광의 2 내지 10 개의 뚜렷하고 분리된 영역으로 저역 변환된다.
또 다른 넓은 태양에 따르면, 본 발명은 다수의 발광 소자를 가지는 백라이트 부재를 포함하는 액정 디스플레이(liquid crystal display)를 제공하고, 각 발광 소자는 전원과 커플링하여 가시광을 방출할 수 있는 하나 이상의 단일-다이 반도체 발광 소자를 포함하고, 상기 발광 소자는 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질 (REDGIVN)을 포함한다.
몇몇 구현예에서, 상기 LCD는 기판; 상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층; 펌프 광원으로서 상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층에 의해 방출된 광을 수용하기 위해 배열된 II 또는 VI족 나노결정의 하나 이상의 층을 포함하고, 상기 II 또는 VI족 나노결정은 상기 펌프 광원에 의해 활성화되는 경우 복수의 파장에서 형광을 발하다.
또 다른 넓은 태양에 따르면, 본 발명은 다수의 발광 소자를 가지는 시야 패널(viewable panel)을 포함하는 디스플레이를 제공하고, 각 발광 소자는 전원과 연결되어 가시광을 방출할 수 있는 하나 이상의 단일-다이 반도체 발광 소자를 포함하고, 상기 발광 소자는 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질 (REDGIVN)을 포함한다.
몇몇 구현예에서, 각각의 상기 하나 이상의 단일-다이 반도체 발광 소자는 기판; 상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층; 펌프 광원으로서 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층에 의해 방출된 광을 수용하기 위해 배열된 II 또는 VI족 나노결정의 하나 이상의 층을 포함하고, 상기 II 또는 VI족 나노결정은 상기 펌프 광원에 의해 활성화되는 경우 복수의 파장에서 형광을 발한다.
본 발명은 용이하고 경제적으로 제작될 수 있는 고효율의 백색 발광 소자를 제공한다. 상기 소자는 상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정에 의한 3색 방출 (tri color emissions) 생성용 고체 형태 발광 소자를 이용하여 백색광을 낳는다.
고체 형태 백색 발광 소자는 녹색 및 적색 희토류 원소 이온 또는 센터와 마찬가지로, 상기 소자의 활성 영역에서 생성된 상기 1차 광자 (primary photon)가 전기적으로 여기되어 상기 희토류 원소 이온 또는 센터로부터 1차 청색 방출을 생성하는 전계 발광 (electro-luminescent) 방법을 이용하는, 본 발명의 구현예에 의해 제공되는 방법에 의해 제조될 수 있다. 상기 소자는 상대적으로 단색광을 생성할 수 있고, 통상적인 상기의 모든 착색 다이 (colored dies) 및 램프는 또한 적색, 녹색, 및 청색 방출 센터로부터 백색 광을 제공하는 더 광역의 방출을 생성할 수 있다.
상기 희토류 원소 도핑된 나노결정계 백색 발광용 소자는 상기 1차 광이 이후 여기 에너지를 상기 희토류 원소 이온에 전달하는 상기 VI족 나노결정으로 전기적으로 구동될 것을 요구한다. 무기 및 유기 희토류 원소 물질을 이용하여 청색, 녹색, 및 적색 발광의 혼합을 낳을 수 있다. 유기 발광 물질의 중요한 잇점은 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (PECVD) 공정에 의해 상기 나노결정 구조물에 통합될 수 있다는 것이다.
전술한 바와 같이, 방사선 또는 비방사선 에너지 전사를 이용하는 고체 형태 조명 소자에서 백색광의 발생에 대한 개시가 있었고, 이러한 실시예들은 전계 발광 셀 또는 디스플레이 시스템의 활성층에서 주로 무기 도판트를 사용하나, 본 발명의 원리를 금속 산화물 반도체(MOS : Metal Oxide Semiconductor) 구조물을 형성하는 희토류 원소 도핑된 반도체 나노결정을 채용하는 백색 광원에 적용하는 기술은 공지되어 있지 않다.
도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 일 구현예에 따라서 제조된 백색 발광 소자 어셈블리 (10)를 도시한다. 이러한 어셈블리는 그 안에 내부 용적을 갖는 광-투과성 인클로저 (light-transmissive enclosure) (11)를 포함한다. 상기 인클로저 (11)는 투명 또는 반투명의 고분자, 또는 글래스 물질과 같은 광-투과 특성을 갖는 임의의 적당한 물질로 형성될 수 있다. 상기 인클로저의 구체적인 형상은 중요하지 않다. 상기 광-투과성 인클로저 (11)는 도전성 지지체 (14) 상에 위치한 발광 소자 다이 (13)를 상기 내부 용적 내에 구비하고 있다. 상기 인클로저는 광을 산란시키는 발광 형광 매질 (lumiphoric medium)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 다이 (13)의 상부에 투명 전극 (20)이 도시되어 있다. 제1 및 제2 전기 도전체(electrical conductor)는 하기와 같이 각각 다이 (13)의 상부 및 하부 면 (18 및 19)에 연결된다. 상기 다이 (13)의 상부면 (18)은 리드 (15)에 의해 상기 투명 전극 (20)을 경유하여 상기 전기 도전체 (17)에 커플링되어 있다. 상기 다이 (13)의 하부면 (19)은 리드 (12)에 의해 상기 도전성 지지체 (14)를 경유하여 상기 전기 도전체 (16)에 커플링되어 있다. 상기 다이 (13)는 예를 들면 세륨, 어븀, 유로퓸 성분, 또는 이들의 혼합물과 같은 희토류 원소로 도핑된 나노결정 물질을 가지는데, 상기 물질은 상기 다이 (13)의 상부면 (18)으로부터 청색, 녹색, 적색 광 출력을 발생하여 백색광을 생성한다.
상기 전술한 구현예에서, 투명 전극 (20)은 상기 필름을 가로질러서 균일한 전류 주입을 얻기 위해 상기 다이 상에 증착될 수 있는 임의의 물질이다. 상기 투명 전극 (20)은 예를 들면, 투명 도전성 산화물 전극 또는 반투명 금속 전극일 수 있다. 상기 투명 전극 (20)용 적당한 물질의 예로는 인듐 주석 산화물 및 도핑된 폴리실리콘을 포함한다. 몇몇 구현예에서, 추가적인 금속 콘택이 상기 투명 전극 (20)의 상부에 증착될 수 있다. 예를 들면, 작은 알루미늄 콘택은 전기 리드용 부착점을 가능케하기 위해 증착될 수 있다. 상기 지지체 (14)는 상기 예시된 실시예에서와 같이 도전성 기판일 수 있다. 또한, 상기 지지체는 추가적인 콘택(contact)층이 상기 다이(13)의 하부면 (19)으로 리드의 연결을 가능케하는데 필요한 경우에 비도전성 기판일 수 있다. 상기 희토류 원소로 도핑된 나노결정 물질은 상기 백색 광을 제공하는 다중 도판트를 갖는 일 층일 수 있고, 또는 상기 층들이 함께 상기 백색 광을 생성하도록 각각의 도판트를 포함하는 수개의 분리된 층들일 수 있다. 희토류 원소 도핑된 나노결정 물질의 하나 이상의 층이 존재할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 비도핑된 SRSO의 층은 상기 광의 적색 성분을 제공하기 위해 구비될 수 있다.
적색 광을 위하여, 유로퓸 또는 프라세오디뮴 도판트가 전술한 SRSO가 사용될 수 있는 것과 같이 사용될 수 있다. 녹색 광을 위하여, 어븀, 터븀 또는 이트륨이 사용될 수 있다. 청색 광을 위하여, 툴륨 또는 세륨이 사용될 수 있다. 어븀은 녹색 및 청색 광을 모두 발산할 수 있고, 충분한 농도의 어븀이 있는 경우 녹색 및 청색을 위한 별개의 층을 구비할 필요가 없다는 점을 주의해야 한다. 오히여, 녹색 및 청색용 어븀층 및 적색용 층이 채용될 수 있다.
모든 구현예들에서, 각 층들은 각 도판트에 제공될 수 있고, 또는 전술한 바와 같이 상기 도판트들은 단일 층으로 혼합될 수 있다.
출원인의 공동 계류중인 출원인, "Doped Semiconductor Powder and Preparation Thereof"의 제명을 갖고, 2004년 1월 22일에 제출된 U. S. 출원 No. 10/761,275, "Doped Semiconductor Nanocrystal Layers and Preparation Thereof"의 제명을 갖고, 2004년 1월 22일에 제출된 U. S. 출원 No. 10/761,409, "Doped Semiconductor Nanocrystal Layers or Doped Semiconductor Powder and Photonic Devices Employing Such Layers or Powder"의 제명을 갖고, 2004년 1월 22일에 제출된 PCT 출원 No. PCT/CA2004/000076, "Doped Semiconductor Nanocrystal Layers and Preparation Thereof"의 제명을 갖고, 2004년 1월 22일에 제출된 PCT 출원 No. PCT/CA2004/000075는 희토류 원소로 도핑된 반도체 분말 및 층 및 상기 층 및 분말을 제조하기 위한 합성 및 방법에 대하여 개시하고 있다. 바람직하게는 도 1의 다이 (13) 및 하기의 다른 구현예에서 사용된 층 및 층들은 전체적으로 참조 문헌으로 본 명세서에 통합된 상기 출원들의 전술한 물질 및 방법에 따라서 구현될 수 있다. 더 구체적으로는, 상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질은 도 10 내지 14에 따라서 이하 상세하게 기재된 REDGIVIN 물질이다.
또한, PECVD가 상기 희토류 원소로 도핑된 실리콘 나노결정을 생성하는데 사용된다면, 희토류 원소로 도핑된 실리콘 탄화물 나노결정이 생길 수 있고, 이는 또한 본 명세서에서 기재된 임의의 구현예에서 이용되기 위해 적용될 수 있다.
상기 다이 (13)의 여러 가지 상세한 실시예들은 도 2 내지 도 6에 따라서 기술될 것이다.
도 2에 도시된 일 구현예에서, 리드된 (leaded) 나노결정계 발광 층 구조물이 제공된다. 이는 예를 들면, 도 1과 유사한 발광 소자, 또는 다른 용도에서 사용될 수 있다. 0.05-0.01 Ωcm의 저항 및 100-800 미크론의 두께를 갖는 p 또는 n 타입 단일 결정 실리콘 기판(20)의 상부에 성장된 희토류 원소로 도핑된 실리콘 나노결정의 3개의 층들 (21, 22, 23)이 있다. 일 구현예에서, 상기 제1 층 (21)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트의 범위의 농도를 갖는 유로퓸으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 제1 층 (21)은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 제2층 (22)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트 범위의 농도를 갖는 어븀으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 제2 층 (22)은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 제3층 (23)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트의 범위의 농도를 갖는 툴륨으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 제3 층 (23)은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 이러한 구조물은 이후 N2 분위기에서 5 내지 60 분 동안 800-1,100℃에서 어닐링된다. 인듐 주석 산화물 (ITO)의 캡핑층 (24)은 1-50 Ωcm의 저항 및 100 내지 450 nm의 두께를 갖는 제3 층 (23) 상에 성장된다. 2000 nm의 알루미늄 층은 상기 ITO의 상부에서 증발된다. 상부 전기 콘택 마스크는 상기 알루미늄의 상부면 상에 사진식각(photolithographed)되고, 이후 에칭되어서 상기 상부 전기 콘택 (25)을 형성한다. 하부 콘택 (26)은 상기 실리콘 기판 (20)의 하부 상의 1000 nm의 알루미늄을 증발시킴으로써 형성된다.
도 2의 구현예에서, 3개의 희토류 원소로 도핑된 층들이 구비되고, 각 층은 적색, 녹색 또는 청색용 광을 제공한다. 더 일반적으로는, 몇몇 구현예에서, 3개 층들이 구비되는데, 각층은 광을 제공하여서 상기 3개 층들에 의해 집합적으로 백색 광이 방출된다. 상기 각 층에 의해 방출된 광은 반드시 적색, 녹색 및 청색에 1 대 1로 맵핑(map)되지는 않는다.
도 3은 리드된, 나노결정계 백색 발광 소자를 포함하는 본 발명의 다른 구현예에 의해 제공된 발광층 구조물을 도시한다. 이는 예를 들면, 도 1과 유사한 발광 소자, 또는 다른 용도에서 사용될 수 있다. 0.05-0.1 Ωcm의 저항 및 100-800 미크론의 두께를 갖는 p 또는 n 타입 단일 결정 아연 산화물 ZnO 기판(30)의 상부에 성장된 상기 희토류 원소로 도핑된 실리콘 나노결정의 3개의 층들 (31, 32, 33)이 있다. 상기 제1 층 (31)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트의 범위의 농도를 갖는 유로퓸으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 제1 층 (21)은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 제2층 (32)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트의 범위의 농도를 갖는 어븀으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 제2 층 (32)은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 제3층 (33)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트 범위의 농도를 갖는 툴륨으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 제3 층 (33)은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 이러한 구조물은 이후 N2 분위기에서 5 내지 60 분 동안 800-1,100℃에서 어닐링된다. 인듐 주석 산화물 (ITO)의 캡핑층 (34)은 1-50 Ωcm의 저항 및 100 내지 450 nm의 두께를 갖는 제3 층 (33) 상에 성장된다. 2000 nm의 알루미늄 층은 상기 캡핑층 (34)의 상부에서 증발된다. 상부 전기 콘택 마스크는 상기 알루미늄의 상부면 상에 사진식각되고, 이후 에칭되어서 상기 상부 전기 콘택 (35)을 형성한다. 상기 하부 콘택 (36)은 상기 ZnO 기판 (30)의 하부 상의 100-450 nm의 ITO를 증발시킴으로써 형성되고, 이후 전기 콘택 마스크는 상기 ITO의 하부면 상에 사진식각되고, 이후 에칭되어서 상기 하부 전기 콘택 (36)을 형성한다. 또한, 투명 하부 전극이 사용될 수 있다. 발광은 상기 ZnO가 투명하기 때문에 상기 상부 및 하부 면 (30) 둘다로부터 얻어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 의해 제공된 리드된, 나노결정계 백색 발광 층 구조물의 측단면도이다. 이는 예를 들면, 도 1과 유사한 발광 소자, 또는 다른 용도에서 사용될 수 있다. 0.05-0.01 Ωcm의 저항 및 100-800 미크론의 두께를 갖는 p 또는 n 타입 단일 결정 실리콘 기판(50)의 상에 나란히 성장된 희토류 원소로 도핑된 실리콘 나노결정의 3개의 층들 (51, 52, 53)이 있다. 상기 제1 층 (51)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트의 범위의 농도를 갖는 유로퓸으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 제1 층 (51)은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 제2층 (52)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트 범위의 농도를 갖는 어븀으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 제2 층 (52)은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 제3층 (53)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트 범위의 농도를 갖는 툴륨으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 제3 층 (53)은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 이러한 구조물은 이후 N2 분위기에서 5 내지 60 분 동안 950-1000℃에서 어닐링된다. 인듐 주석 산화물 (ITO)의 캡핑층 (54)은 1-50 Ωcm의 저항 및 100 내지 450 nm의 두께를 갖는 층들 (51, 52, 53)의 상부에 성장된다. 2000 nm의 알루미늄 층은 상기 캡핑층 (54)의 상부에서 증발된다. 상부 전기 콘택 마스크는 상기 알루미늄의 상부면 상에 사진식각되고, 이후 에칭되어서 상부 전기 콘택 (55)을 형성한다. 하부 콘택 (56)은 상기 실리콘 기판 (50)의 하부 상의 2000 nm의 알루미늄을 증발시킴으로써 형성된다.
공정에서, 상기 다이 어레이의 전기적 활성화에 의해, 다이 (51)는 청색 파장에서 발광을 일으키고, 다이 (52)는 녹색 파장에서 발광을 일으키고, 다이 (53)는 적색 파장에서 발광을 일으킨다. 상기 층들의 각각에 전류를 변화시킴으로써상기 고체 형태의 램프의 색 및 세기를 조절할 수 있다. 이러한 구현예에서, 바람직하게는 전기 콘택 (55) 및 상기 단일 하부 콘택 (56)에 연결될 수 있는 3개의 다이의 각각을 위한 별개의 콘택이 있다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 의해 제공된, 리드된 나노결정계 백색 발광 층 구조물을 도시한다. 이는 예를 들면, 도 1과 유사한 발광 소자, 또는 다른 용도에서 사용될 수 있다. 0.05-0.01 Ωcm의 저항 및 100-800 미크론의 두께를 갖는 p 또는 n 타입 단일 결정 실리콘 기판(60)의 상부에 성장된 희토류 원소로 도핑된 실리콘 나노결정의 일 층 (61)이 있다. 상기 층 (61)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트의 범위의 농도를 갖는 어븀으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 층 (61)은 30 내지 250 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 층 (61)은 청색 및 녹색 광 모두를 제공한다. 상기 제2층 (62)은 상기 실리콘 농도가 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트인 비도핑된 SRSO의 층이다. 상기 제2 층 (62)은 적색 광을 발산한다. 상기 층은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 이러한 구조물은 이후 N2 분위기에서 5 내지 60 분 동안 800-1,100℃에서 어닐링된다. 인듐 주석 산화물 (ITO)의 캡핑층 (63)은 1-50 Ωcm의 저항 및 100 내지 450 nmm의 두께를 갖는 제2 층 (62)의 상부에 성장된다. 2000 nm의 알루미늄 층은 상기 캡핑층 (63)의 상부에서 증발된다. 상부 전기 콘택 마스크는 상기 알루미늄의 상부면 상에 사진식각되고, 이후 에칭되어서 상기 상부 전기 콘택 (65)을 형성한다. 하부 콘택 (66)은 상기 실리콘 기판 (60)의 하부 상의 1000 nm의 알루미늄을 증발시킴으로써 형성된다.
도 6은 본 발명의 다른 구현예에 의해 제공된 리드된, 나노결정계 백색 발광층 구조물을 도시한다. 이는 예를 들면, 도 1과 유사한 발광 소자, 또는 다른 용도에서 사용될 수 있다. 상기 희토류 원소로 도핑된 실리콘 나노결정의 3개의 층들 (71, 72, 73)이 있다. 100-800 미크론 두께를 갖는 사파이어 또는 퓨즈 실리카 (fuse silica) 기판 (70)과 같은 비도전성 기판이 있다. 하부 콘택 (76)은 상기 사파이어 또는 퓨즈 실리카 기판 (70)의 상부 상의 100-450 nm의 ITO를 증발시킴으로써 형성되고, 이후 전기 콘택 마스크는 상기 ITO의 상부면 상에 사진식각되고, 이후 에칭되어서 상기 하부 전기 콘택 (76)을 형성한다. 상기 제1 층 (71)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트의 범위의 농도를 갖는 유로퓸으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 제1 층 (71)은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 제2층 (72)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트 범위의 농도를 갖는 어븀으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 제2 층 (72)은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 제3층 (73)은 0.5 내지 10 원자 퍼센트 범위의 농도를 갖는 툴륨으로 도핑되고, 상기 실리콘 농도는 상기 실리콘 이산화물 매트릭스에서 39 내지 46 원자 퍼센트이다. 상기 제3 층 (73)은 30 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 이러한 구조물은 이후 N2 분위기에서 5 내지 60 분 동안 800-1,100℃에서 어닐링된다. 인듐 주석 산화물 (ITO)의 캡핑층 (74)은 1-50 Ωcm의 저항 및 100 내지 450 nm의 두께를 갖는 제3 층 (73) 상에 성장된다. 2000 nm의 알루미늄 층은 상기 캡핑층 (74)의 상부에서 증발된다. 상부 전기 콘택 마스크는 상기 알루미늄의 상부면 상에 사진식각되고, 이후 에칭되어서 상기 상부 전기 콘택 (75)을 형성한다. 발광은 상기 기판이 투명하기 때문에 상기 상부 및 하부 면으로부터 얻어질 수 있다.
도 7은 디스플레이 (40)의 성분으로서, 또는 택일적으로 액정 디스플레이와 같은 구조물용 백 라이트 조명 패널을 위해, 상기 어셈블리의 규칙적인 패턴을 포함하는 어레이로 배열된, 도 1 내지 6에서 도시된 타입의 백색 발광 소자/구조물 (42)의 용도를 예시한다. 상기 각 소자/구조물 (42)은 상기 제1 및 제2 전기 도전체 (16 및 17) (도 7에 미도시; 도 1 참조)를 가로질러 소정의 턴-온 전압을 부여함으로써 선택적으로 조명되어서, 본 발명의 기술 분야에서 널리 이해되는 방식으로 메시지 또는 디자인을 디스플레이할 수 있다.
바람직하게는, 상기 도 7의 디스플레이의 구성 발광 소자/구조물 (42)의 선택적인 조명은 사용자 입력에 대응하여 컨트롤러 (41)에 의해 적절하게 조절된다. 상기 각 발광 소자/구조물 (42)은 형광 또는 백열 램프를 이용하는 디스플레이에 사용되는 것과 유사한 방법으로, 상기 디스플레이 (40)에서 적당한 전기 회로 (미도시)와 전기적으로 연결된다. 또한, 모든 구성 발광 소자/구조물 (42)은 예를 들면 LCD 디스플레이와 같은 백 라이팅 용도를 위해 동시에 조명될 수 있다.
도 1 내지 6에 도시된 발광 어셈블리는 임의의 적당한 크기 및 칫수 특성으로 제조될 수 있다. 디스플레이로의 응용에 있어서, 상기 발광 어셈블리는 일반적으로 유사한 디스플레이에서 사용되는 형광 또는 백열 램프의 크기와 동등한 크기일 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 의해 제공되는 일반화된 발광 어셈블리의 개략도이다. 전류 제한 저항 (current limiting resistor) (44)을 지나서 DC 전원 (45)에 연결된 종래의 구현에에서 개시된 바와 같은 SRSO 발광 소자 (43)가 있다. 이러한 회로는 상기 소자/구조물이 사용되는 회로의 단일 실시예이다. 많은 다른 용도가 존재한다.
본 발명의 발광 어셈블리가 수많은 고체 형태 발광 소자로 다양하게 구성될 수 있고, 이는 희토류 원소로 도핑된 VI족 나노결정을 사용하여 상기 활성 발광 매질 (luminous medium)이 되도록 함으로써 다양한 색을 가능케할 수 있음은 전술한 내용으로부터 분명할 것이다.
또한, 본 발명이 백색광의 발생에 대하여 본 명세서에 주로 기술되고, 본 발명의 범위는 따라서 제한되지 않고, 오히려 희토류 원소로 도핑된 VI족 나노결정의 고체 형태의 1차 방사 에미터 (primary radiation emitter)를 이용하여, 혼합 백색 광 외의 다른 색의 광의 생성까지 확장되고 포함한다.
전술한 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 몇몇 구현예에서, 도전성 기판이 있고, 다른 구현예에서 비도전성 기판이 있다. 비도전성 기판의 예로는 사파이어, 실리콘 이산화물, AlN, 및 퓨즈 실리카가 있다. 도전성 기판의 예로는 SiC, GaN 및 ZnO가 있다. 도전성 기판의 특징을 갖는 구현예에서, 추가적인 전류 주입층은 필수적이지는 않는다. 한편, 비도전성 기판의 특징을 갖는 구현예에서, 바람직하게는 ITO 또는 전술한 다른 실시예와 같은 전류 주입층이 채용된다.
몇몇 구현예에서, 상기 기판은 투명하고 그 결과 바람직하게는 투명한 하부 전극이 채용되어서 광이 상기 상부 및 하부로부터 상기 소자에서 나가도록 한다. 다른 구현예에서, 상기 기판은 투명하지 않고 그 결과 상기 하부 상의 투명 전극을 가지는 것은 덜 중요하다.
도핑된 반도체 나노결정층
임의의 상기 전술한 구현예는 그 안에 반도체 나노결정이 분산되어 있는 IV족 산화물 층을 포함하는 도핑된 반도체 나노결정층의 형태의 REDGIVN을 채용한다. 상기 층을 제조하는 데에 사용되는 IV족 원소는 실리콘, 게르마늄, 주석 및 납 중에서 선택되는 것이 바람직하며, IV족 반도체 산화물 층은 실리콘 이산화물인 것이 더욱 바람직하다. IV족 산화물 층은 1 내지 2000nm의 두께를 가지는 것이 바람직한데, 예를 들어 80 내지 2000nm, 100 내지 250nm, 30 내지 50nm 또는 1 내지 10nm이다.
IV족 반도체 산화물 층 안에 분산되어 있는 반도체 나노결정은 예를 들어 Si 또는 Ge와 같은 IV족 반도체, 예를 들어 ZnO, ZnS, ZnSe, CaS, CaTe 또는 CaSe와 같은 II-VI족 반도체, 또는 예를 들어, GaN, GaP 또는 GaAs와 같은 III-V족 반도체인 것이 바람직하다. 나노결정은 그 크기에 있어서 1 내지 10nm인 것이 바람직하고, 1 내지 3nm인 것이 더 바람직하며, 1 내지 2nm인 것이 가장 바람직하다. 상기 나노결정은 IV족 반도체 산화물 층 안에 바람직하게는 30 내지 50 원자 퍼센트의 농도로, 더욱 바람직하게는 37 내지 47 원자 퍼센트의 농도로, 그리고 가장 바람직하게는 40 내지 45 원자 퍼센트의 농도로 존재한다.
반도체 나노결정의 표면 상에 분산되어 있는 하나 이상의 희토류 원소는 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 가돌리늄, 어븀, 툴륨, 이터븀, 사마륨, 디스프로슘, 터븀, 유로퓸, 홀뮴 또는 루테튬과 같은 란타나이드 원소로 선택될 수 있거나, 토륨과 같은 악티나이드 원소로 선택될 수 있다. 바람직하게, 희토류 원소는 어븀, 툴륨 및 유로퓸으로부터 선택된다. 희토류 원소는 예를 들어, 산화물 또는 할로겐화물(halogenide) 형태를 취할 수 있다. 할로겐화물 중에서 희토류 불화물이 불소 원자의 높은 전기음성으로 인한 희토류-불화물 매트릭스 안의 전계 왜곡으로 인한 보다 강한 발광을 보이기 때문에 바람직하다. 가장 바람직하기로, 희토류 원소는 어븀 산화물, 어븀 불화물, 툴륨 산화물, 툴륨 불화물, 유로퓸 산화물 및 유로퓸 불화물로부터 선택된다.
하나 이상의 희토류 원소는 IV족 반도체 산화물 층 안에 바람직하게는 0.5 내지 10 원자 퍼센트, 보다 바람직하게는 5 내지 15 원자 퍼센트, 그리고 가장 바람직하게는 10 내지 15 원자 퍼센트의 농도로 존재한다. 희토류 원소의 이렇게 높은 농도는 종래의 도핑된 반도체 물질에서 중요한 수준의 켄칭(quenching) 반응을 초래하였으나, 본 발명에 따른 도핑된 반도체 나노결정층은 상기 희토류 원소가 상기 반도체 나노결정의 표면 상에 분산되어 있으며 나노결정이 넓은 표면적을 제공하므로 이러한 높은 농도를 수용할 수 있다. 상기 반도체 나노결정에 대한 희토류 원소와 희토류 원소 주변 사이의 감소된 켄칭양은 개선된 광전자 물성을 제공하는 도핑된 반도체 나노결정층의 바탕을 제공한다.
반도체층 구조물
위에 기술한 도핑된 반도체 나노결정층을 가지고 다양한 반도체 구조물을 제조할 수 있다. 예를 들어, 도 11에 반도체 구조물이 도시되어 있는데, 여기에는 기판(131) 상에 하나 이상의 도핑된 반도체 나노결정층(133)이 증착되어 있다.
반도체 나노결정층이 그 상부에 증착되는 기판은 1000℃에 달하는 온도를 견딜 수 있도록 선택한다. 적당한 기판의 예는 둘 다 n 도핑형 또는 p 도핑형일 수 있는(예를 들어 1×1020 내지 5×1021 도펀트/cm3) 실리콘 웨이퍼 또는 폴리실리콘층, 퓨즈드 실리카, 아연 산화물 층, 쿼츠 또는 사파이어 기판을 포함한다. 전술한 기판 중 일부는 선택적으로 약 2000nm 두께를 가질 수 있는, 열성장 산화물 층을 가질 수 있는데 1 내지 20nm 두께가 바람직하다. 열적 및 기계적 안정성이 유지되는 한 기판의 두께는 중요한 변수가 아니다.
상기 반도체 구조물은 단일 도핑된 반도체층 또는 개별적으로 선택된 조성과 두께를 가지는 다중 도핑된 반도체층을 포함할 수 있다. 서로 다른 희토류 원소를 가지는 층을 사용함으로써, 다중 색 발광 구조물을 제조할 수 있다. 예를 들어, 단일 반도체 구조 안에 어븀, 툴륨 및 유로퓸을 결합시키면, 녹색(어븀), 청색(툴륨), 및 적색(유로퓸)에서 발광할 수 있는 구조물을 제공한다.
둘 이상의 도핑된 반도체 나노결정층들이 단일 반도체 구조 안에 사용될 때에, 층들은 선택적으로 유전체 층에 의해 분리될 수 있다. 적당한 유전체 층의 예는 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산화질화물을 포함한다. 상기 실리콘 이산화물 유전체 층은 선택적으로 반도체 나노결정을 포함할 수도 있다. 상기 유전체 층은 바람직하게는 1 내지 10nm, 더욱 바람직하게는 1 내지 3nm, 그리고 가장 바람직하게는 약 1.5nm의 두께를 가진다. 상기 유전체 층은 반도체 구조물로부터 높은 휘도를 얻는 데에 중요한, 효율적인 터널링 장벽을 제공한다.
상기 반도체 구조물은 하나 이상의 도핑된 반도체 나노결정층 상부에 인듐 주석 산화물(ITO) 전류 주입층(134)도 가질 수 있다. 상기 ITO층은 바람직하게는 150 내지 300nm의 두께를 가진다. 바람직하게, 상기 ITO층의 화학 조성 및 두께는 반도체 구조물이 30 내지 70 옴cm의 컨덕턴스를 가지도록 하는 것이다.
상기 반도체 구조물의 두께는 2000nm 이하인 것이 바람직하며, 그 두께는 기판의 두께, 존재하는 도핑된 반도체 나노결정층의 수 및 두께, 선택적인 유전체 층의 수 및 두께, 및 선택적인 ITO층의 두께에 의존할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 바람직한 반도체 구조물의 한 가지 타입은 예로써 도 12에 도시한 초격자 구조물로서, 상기 구조물은 기판(151) 상에 이종-물질의 다중층(160)을 포함한다. 상기 기판(152, 154) 상에 1nm 내지 10nm의 두께를 가지는 다중 도핑된 반도체 나노결정층이 증착되어 있고, 도핑된 반도체 나노결정층은 서로 같거나 다른 희토류 원소를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 도핑된 반도체 나노결정층은 약 1.5nm 두께의 유전체 층(153)에 의해 분리되어 있고, ITO 전류 주입층(미도시)이 초격자 구조물의 다중층의 상부 상에 증착될 수 있다. 250 내지 2000nm의 두께가 바람직하고 250 내지 750nm의 두께가 보다 바람직하지만, 초격자 구조물의 최대 두께 제한은 없다.
도핑된 반도체 나노결정층의 제조
도핑된 반도체 나노결정층의 제조는 다음 두 개의 일반적인 단계를 포함한다.
(a) 반도체 리치 (semiconductor rich) IV족 산화물 층과 하나 이상의 희토류 원소의 동시 증착; 및
(b) (a)에서 제조된 반도체 리치 IV족 산화물 층을 어닐링하여 반도체 나노결정을 형성하는 단계.
반도체 리치 IV족 산화물 층은 바람직하게 SiO2 또는 GeO2에서 선택되는 IV족 산화물 층을 포함하고, 상기 IV족 산화물 층 안에 희토류 원소와 반도체가 분산되어 있고, 상기 반도체는 IV족 산화물 층을 형성하는 반도체와 같거나 다를 수 있다.
"반도체 리치"라는 것은, 과량의 반도체가 존재하는 것을 의미하며, 이 과량은 반도체 리치 IV족 산화물 층이 어닐될 때 응집하여 나노결정을 형성한다. 상기 나노결정이 형성될 때 희토류 원소가 산화물 층 안에 분산되어 있으므로, 희토류 원소는 나노결정이 형성되면 반도체 나노결정의 표면 상에 분산되게 된다.
상기 반도체 리치 IV족 산화물 층과 하나 이상의 희토류 원소가 동시에 증착되기 때문에, 희토류 원소를 이온 주입할 필요가 없다. 따라서, IV족 산화물 층 표면은 이온 주입 공정과 관련된 손상이 없다. 또한, 반도체 리치 IV족 산화물 층과 동시에 희토류 원소가 증착되므로, 희토류 원소의 분포는 IV족 산화물 층의 두께를 통틀어 거의 일정하다.
하나 이상의 희토류 원소로 도핑된 반도체 리치 IV족 산화물 층의 증착은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 또는 펄스 레이저 증착(PLD : Pulse Laser Deposition)에 의해 수행되는 것이 바람직하다. 위의 두 가지 방법은 하나 이상의 희토류 원소로 도핑된 반도체 리치 IV족 산화물 층을 제조하는 데에 각각의 장점을 가지고 있으며, 이 방법을 후술한다.
펄스 레이저 증착
펄스 레이저 증착은 다양한 반도체와 다양한 희토류 원소의 증착을 허용하기 때문에 하나 이상의 희토류 원소로 도핑된 반도체 리치 IV족 산화물 층 증착에 유리하다.
이제 도 13을 참조하면, 도 13에는 펄스 레이저 증착 장치의 전형적인 셋업 도면이 예로써 도시되어 있다. 펄스 레이저 증착 장치는 산소, 질소, 헬륨, 아르곤, 수소 또는 그 조합과 같은 가스가 적어도 10-7 바까지 비워지거나 1 기압까지 압축될 수 있는, 큰 챔버(141)로 이루어져 있다. 챔버는 적어도 하나의 광학 포트(142)를 가져, 펄스 레이저 빔(145)이 챔버 안으로 주입되어 적당한 타겟(144) 상으로 포커스될 수 있다. 일반적으로 타겟은 서로 다른 타겟 샘플을 펄스 레이저 포커스 빔 경로 안으로 위치시키는 회전판(143) 상에 놓여진다. 회전판은 타겟의 펄스 레이저 용발(ablation)에 의해 물질의 다중층이 증착될 수 있도록 조정된다. 상기 포커스 펄스 레이저 빔은 기판(147) 상에 약 0.1nm의 두께 물질을 타겟이 용발할 수 있도록 플럭스가 조정되는데, 상기 기판은 타겟 위에 20 내지 75 밀리미터의 거리에 있고 타겟에 수직으로 매달려 있을 수 있다. 이 플럭스는 예를 들어 248nm KrF 엑시머 레이저에 대해 0.1 내지 20 줄(joules)/cm2 범위일 수 있고, 20-45 나노초 지속시간의 펄스 너비를 가진다. 상기 타겟은 각 레이저 펄스가 타겟 상의 새로운 면적에 도달하도록 하여 용발 과정을 위해 새로운 표면을 제공하도록 스캐닝 플랫폼 상에 위치할 수 있다. 이것은 용발 플룸(plume, 버섯구름)(146) 안에 분출되어 기판 상으로 증착될 수 있는, 큰 파티클의 생성 방지를 돕는다. 상기 기판은 통상 기판 홀더(148)에 의해 지지되어 있는데, 기판 홀더는 실온에서 1000℃까지 가열될 수 있고 펄스 레이저의 펄스 레이트(대부분의 경우 1-10Hz 사이에서 펄스됨)에 따라 0.1 내지 30 RPM으로 회전할 수 있다. 상기 기판의 회전은 증착 과정 동안에 균일한 필름을 생성하는 방법을 제공한다. 상기 레이저는 원하는 필름 두께가 될 때까지 펄스되며, 필름 두께는 광학 두께 모니터나 쿼츠 결정 마이크로저울로 실시간 모니터링되거나 주어진 플럭스와 펄스 수로부터 두께가 계산되는 캘리브레이션 런(calibration run)으로부터 결정될 수 있다. 펄스 레이저 증착은 1 내지 2000nm 두께의 층을 증착하는 데에 이용될 수 있다.
하나 이상의 희토류 원소로 도핑된 반도체 리치 IV족 산화물 층의 제조를 위해, 용발되는 타겟은 분말상의 IV족 결합제 (binding agent), 나노결정을 형성할 분말상의 반도체, 및 분말상의 희토류 원소의 혼합물로 되어 있다. 도핑된 반도체 나노결정층 안에서 발견되는 다양한 구성요소의 비율은 이 단계에서 타겟을 형성하는 구성요소의 비율을 조절함으로써 결정된다. 바람직하게, 상기 혼합물은 수압 프레스 안에 놓여져 700℃로 가열되면서 적어도 500 Psi의 압력을 가지고 25mm 직경과 5mm 두께의 원반으로 프레스된다. 온도와 압력은 예를 들어 감압(예를 들어 10-3 바) 하에서 약 1시간 정도 가해질 수 있다. 그런 다음 프레스 압력을 감소시키고 결과물인 타겟을 실온까지 냉각되도록 한다.
IV족 결합제는 IV족 산화물(예를 들어, 실리콘 산화물, 게르마늄 산화물, 주석 산화물 또는 납 산화물)로 선택될 수 있고, 대신에 IV족 원소(예를 들어, 실리콘, 게르마늄, 주석 또는 납)로 선택될 수 있다. IV족 결합제가 IV족 산화물인 경우, 상기 결합제, 반도체 및 희토류 원소는 결합되어 타겟을 형성하며, 펄스 레이저 증착은 위에 열거한 가스 중 임의의 가스 안에서 수행된다. 대신에 IV족 원소가 IV족 결합제로 사용되는 경우, 펄스 레이저 증착은 바람직하게 1×10-4 내지 5×10-3 바의 압력에서, 산소 분위기에서 수행되어, 레이저 증착 과정 동안에 IV족 원소의 일부나 전부를 IV족 산화물로 변환시킨다. 나노결정을 형성하는 반도체 원소가 II-VI족 반도체(예를 들어, ZnO, ZnS, ZnSe, CaS, CaTe 또는 CaSe) 또는 III-V족 반도체(예를 들어, GaN, GaP 또는 GaAs)로 선택될 때, IV족 원소의 전부가 충분히 산화되는 것을 확실히 하도록 산소 농도는 높게 유지한다. 대신에, 형성하려는 나노결정이 결합제로 사용되는 동일한 IV족 반도체 원소를 포함하면, IV족 원소의 일부만이 산화되도록 산소 압력을 선택한다. 남아있는 비산화된 IV족 원소는 반도체 리치 IV족 산화물 층이 어닐링될 때 응집하여 나노결정을 형성할 수 있다.
상기 타겟을 형성하는 데에 사용되는 분말상의 희토류 원소는 희토류 산화물 또는 희토류 할로겐화물의 형태인 것이 바람직하다. 위에 언급한 바와 같이, 희토류 불화물은 희토류 할로겐화물 중에서 가장 선호된다.
펄스 레이저 증착은 둘 이상의 다른 층의 연속적인 증착에 유용하다. 회전판 상에 다중 타겟이 위치할 수 있으며 펄스 레이저는 증착 동안에 다른 타겟 상에 포커스될 수 있다. 이러한 기술을 사용하여, 서로 다른 희토류 원소를 포함하는 층을 다른 것 상부 위에 증착하여 위에 기술한 것과 같은 반도체 구조물을 제조할 수 있다. 반도체 리치 IV족 산화물 층 사이에 유전체 층을 증착하거나 증착된 층 상에 전류 주입층을 증착하기 위해 다른 타겟 또한 사용될 수 있다. 펄스 레이저 증착은 위에 기술한 초격자 반도체 구조물을 제조하는 데에 바람직한 방법이다.
물론, 하나 이상의 희토류로 도핑된 반도체 리치 IV족 산화물 층의 제조는 기술 분야에 알려져 있는 다른 펄스 레이저 증착 시스템에 의해 수행될 수 있다. 위에 기술한 장치 및 과정은 예를 위해 제공한 것이다.
플라즈마 강화 화학 기상 증착
PECVD는 층을 빠르게 증착할 수 있기 때문에 하나 이상의 희토류 원소로 도핑된 반도체 리치 IV족 산화물 층 증착에 유리하다. PECVD로 제조된 하나 이상의 희토류 원소로 도핑된 반도체 리치 IV족 산화물 층의 두께는 10nm 이상이며, 보다 바람직하게 10 내지 2000nm이다.
화학 기상 증착을 통해 비도핑된 IV족 반도체 나노결정층을 형성하는 것은 예를 들어, J.Sin, M.Kim, S.Seo 및 C.Lee의 논문[Applied Physics Letters, (1998), Volume 72, 9, 1092-1094)]에 기술되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에 참조로 통합된다.
본 구현예에서, 도핑된 반도체 나노결정층은 그 상부에 반도체 필름이 성장되어 있는 수용 (receiving) 가열된 기판 위의 PECVD 스트림 안으로 희토류 전구체를 통합시키는 것에 의해 제조된다. PECVD는 도핑된 반도체 나노결정층의 제조에 이용될 수 있는데, 여기서 반도체 나노결정은 실리콘 또는 게르마늄 나노결정이고, 희토류 원소는 희토류 산화물이다.
PECVD 공정에서, IV족 원소 전구체는 IV족 원소가 원자 과잉인 기상의 혼합물을 얻도록 산소와 혼합된다. 원자 과잉은 IV족 원소에 대한 산소의 비율이 IV족 이산화 화합물이 형성될 때에 IV족 원소가 과량 남도록 하는 것일 때 얻을 수 있다. 기상의 혼합물은 PECVD 장치 안의 플라즈마 스트림 안으로 도입되어 실리콘과 산소는 기판 상에 IV족 원소의 원자 과잉이 발견되는 IV족 산화물 층으로 증착된다. IV족 나노결정을 형성하기 위한 어닐링 단계 동안에 응집하는 것은 이 과잉의 IV족 원소이다. 예를 들어, 실리콘 나노결정이 분산되어 있는 실리콘 이산화물 층을 제조하기 위해, 실리콘 리치 실리콘 산화물(SRSO) 층이 기판 상에 증착된다.
IV족 원소 전구체는 예를 들어 실리콘, 게르마늄, 주석 또는 납을 함유할 수 있고, 그 중에서도 실리콘과 게르마늄이 바람직하다. 전구체 자체는 상기 원소의 수소화물(hydride)인 것이 바람직하다. 특별히 선호되는 IV족 원소 전구체는 사일렌(SiH4)이다.
산소에 대한 IV족 원소 전구체의 비율(Q)은 3:1 내지 1:2에서 선택될 수 있다. IV족 원소 전구체 수소화물의 과잉이 사용된 경우, 증착된 층은 수소를 예를 들면 약 10 원자 퍼센트까지 함유할 수 있다. IV족 원소 전구체와 산소의 유량비의 비율은 예를 들면 2:1과 1:2 사이로 유지될 수 있다.
상기 희토류 원소 전구체도 플라즈마 스트림 안으로 도입되는데, 이 전구체 또한 기상이다. 희토류 전구체는 희토류 원소와 IV족 원소가 기판 상으로 동시에 증착되도록 IV족 원소 전구체와 동시에 플라즈마 스트림으로 더해진다. 기상 혼합물로서 희토류 전구체를 도입시키면 IV족 층 안에 희토류 원소를 보다 잘 분산시킬 수 있다. 바람직하게, 플라즈마 스트림 안과 증착된 층 안의 산소의 존재는 희토류 원소가 희토류 산화물 형태로 증착되게 한다.
상기 희토류 원소 전구체는 하나 이상의 리간드를 포함한다. 리간드는 중성, 일가, 이가 또는 삼가일 수 있다. 바람직하게, 상기 리간드는 희토류 원소와 배위되었을 때에 휘발성인, 다시 말해 화합물의 화학적 성질을 변화시킴없이 꽤 낮은 온도에서 기상으로 들어가는, 화합물을 제공하도록 선택된다. 상기 리간드는 또한 PECVD 장치 안에서 플라즈마에 노출되면 가스 흐름이나 PECVD 장치 안의 압력을 감소시키는 것에 의해 제거될 수 있는 기상의 부산물을 형성하는 유기 성분을 포함한다. 상기 리간드의 유기 성분이 휘발성 부산물(예를 들어 CO2, O2)을 생성하기 쉬운 것이면 증착된 층 안에 더 적은 유기 분자가 결합된다. 증착된 막 안으로 유기 분자가 도입되는 것은 일반적으로 좋지 않으며, 유기 분자의 존재는 종종 반도체 포이즈닝(poisoning)이라고 부른다.
상기 희토류 원소를 위한 적당한 리간드는 예를 들어, 2,2,6,6-테트라메틸-3, 5-헵탄디온, 아세틸아세토네이트, 플루롤아세토네이트토 (flurolacetonate), 6,6,7,7,8,8,8-헵타플루오로-2,2-디메틸-3,5-옥탄디온, i-프로필시클로펜타디에닐, 시클로펜타디에닐, 및 n-부틸시클로펜타디에닐과 같은 아세테이트 작용기를 포함한다. 바람직한 희토류 금속 전구체는 트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3, 5-헵탄디오네이토)어븀(III), 어븀(III) 아세틸아세토네이트 하이드레이트, 어븀(III) 플루롤아세토네이트, 트리스(6,6,7,7,8,8,8-헵탄플루오로-2,2-디메틸-3,5-옥탄디오네이트)어븀(III), 트리스(i-프로필시클로펜타디에닐)어븀(III), 트리스(시클로펜타디에닐)어븀(III), 및 트리스(n-부틸시클로펜타디에닐)어븀(III)을 포함한다. 특별히 바람직한 희토류 원소 전구체는 Er3+(THMD)3라고도 부르는, 트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3, 5-헵탄네디오네이토)어븀(III) (Er3+[(CH3)3CCOCH=COC(CH3)3]3)이다.
상기 희토류 원소 전구체가 실온에서 기상으로 존재하지 않으면, 예를 들면 80℃ 내지 110℃ 사이로 유지되는 오븐 안에서 가열함으로써 기상으로 변환시켜야 한다. 그런 다음, 기상의 희토류 원소 전구체를 아르곤과 같은 불활성 운반 가스와 함께 플라즈마 스트림 안으로 운반한다. 기상의 희토류 원소 전구체는 바람직하게 IV족 원소 함유 화합물이 플라즈마로 도입되는 지점 아래에 있는 위치에서 플라즈마 안으로 도입된다. 예를 들면 분산링과 같은 분산 메커니즘이 플라즈마 안으로의 기상 희토류 원소 전구체의 분산을 돕기 위해 사용될 수 있다.
도핑된 IV족 산화물 층의 보다 균일한 증착을 얻기 위하여, 기판은 증착 동안에 회전되는 셉터 (sceptor) 상에 위치할 수 있다. 증착되는 층의 균일도를 향상시키기 위해 약 3rpm의 원형 회전이 적당하다.
전자 사이클로트론 공명(ECR : Electron Cyclotron Resonated) 반응기는 전술한 PECVD 방법에서 사용되는 플라즈마를 생성하는 데에 적당하다. ECR은 플라즈마를 발생시키는 특정 방법인데, 여기서 전자는 자장으로 인한 나선형 운동을 가지며, 자장은 저압 영역에서 이온의 고밀도를 허용한다. 낮은 압력의 큰 이온 밀도는 희토류 금속 전구체의 유기 성분을 벗기고 높은 농도로 균일하게 통합할 수 있으므로, 증착에 유리하다. PECVD 방법에 사용되는 플라즈마는 예를 들어, 아르곤, 헬륨, 네온 또는 크세논을 포함할 수 있으며 이 중 아르곤이 선호된다.
PECVD 방법은 예를 들면 1×10-7 torr의 감소된 압력 하에서 수행될 수 있고, 증착 온도, 마이크로파 파워 및 셉터 바이어스는 일정하게 유지될 수 있다. 적당한 온도, 마이크로파 파워 및 셉터 바이어스값은 예를 들어, 각각 300℃, 400W 및 -200VDC로 선택될 수 있다.
하나 이상의 희토류 원소로 도핑된 반도체 리치 IV족 산화물 층은 사용되는 변수에 따라 다른 속도로 성장될 수 있다. 적당한 성장 속도는 약 60nm/분으로 선택될 수 있고, 반도체 리치 IV족 산화물 층은 10 내지 2000nm, 더욱 바람직하게는 100 내지 250nm의 두께를 가질 수 있다.
물론, 하나 이상의 희토류 원소로 도핑된 반도체 리치 IV족 산화물 층의 제조는 기술 분야에 알려져 있는 다른 플라즈마 강화 화학 기상 증착 시스템에 의해 수행될 수 있다. 전술한 장치 및 과정은 예를 위해 제공한 것이다.
어닐링 단계
하나 이상의 희토류 원소로 도핑된 반도체 리치 IV족 산화물 층을 제조한 다음, 도핑된 IV족 산화물 층을 선택적으로 흐르는 질소 하에서, 급속 열 어닐(Rapid Thermal Anneal, RTA) 노 (furnace) 안에서, 약 600℃ 내지 약 1000℃에서, 보다 바람직하게는 800℃ 내지 950℃에서, 5 내지 30분 동안, 보다 바람직하게는 5 내지 6분 동안 어닐한다. 원자 과잉의 반도체가 반도체 나노결정으로 변환되는 것은 어닐링 단계 동안이다.
하나 이상의 희토류 원소로 도핑된 반도체 리치 IV족 산화물 층을 제조하는 데에 PECVD를 이용한 경우, 어닐링 단계는 희토류 원소의 산화를 보장하기 위해 산소 분위기 하에서 수행되거나, 생산될 수 있는 임의의 휘발성 부산물의 제거를 촉진하기 위해 감소된 압력 하에서 수행될 수도 있다.
IV족 산화물 층 안의 과잉 반도체의 양 및 어닐링 온도는 최종의 도핑된 반도체 나노결정층 안에 존재하는 반도체 나노결정의 크기와 밀도를 결정한다.
증착된 IV족 반도체 산화물 층을 통해 희토류 원소가 잘 분산되어 있으므로, 어닐링 단계 동안에 나노결정이 형성될 때, 희토류 원소는 나노결정의 표면 상에 위치하게 된다. 나노결정이 희토류 원소가 분산될 넓은 표면적을 제공하므로, 양호한 광전자 물성을 유지하면서 희토류 원소의 농도는 꽤 증가할 수 있다.
상기 전술한 PECVD 방법은 실리콘 나노결정이 제조되도록 한다. 더 일반적으로는, 다른 타입의 IV족 나노결정이 제조될 수 있다. 다른 IV족 나노결정은 실리콘 탄화물, 게르마늄, 게르마늄 탄화물, 주석, 주석 산화물 및 납을 포함한다.
도핑된 반도체 분말
본 발명은 도핑된 반도체 분말의 간단한 제조 방법도 교시하는데, 여기서 반도체 분말은 IV족 반도체및 희토류 원소의 나노결정을 포함하는 것이다. 상기 분말은 전술한 임의의 구현예에서 이용하기 위한 층에 매설될 수 있다.
도핑된 반도체 분말은 IV족 반도체 나노결정을 주된 구성요소로 포함한다. 상기 IV족 반도체는 예를 들어, 실리콘, 게르마늄, 주석 또는 납에서 선택될 수 있으며, 이 중 실리콘과 게르마늄이 바람직하다. 상기 반도체를 포함하는 다-원소 반도체뿐만 아니라 이러한 반도체들의 조합 또한 사용될 수 있다. 바람직하게, 상기 나노결정은 0.5 내지 10nm의 평균 직경, 예를 들면 약 3nm의 평균 직경을 가진다.
반도체 나노결정 표면 상에 분산되어 있는 희토류 원소는 바람직하게는 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 가돌리늄, 어븀, 툴륨, 이터븀, 사마륨, 디스프로슘, 터븀, 유로퓸, 홀뮴, 루테튬 및 토륨으로부터 선택되며, 이 중에서도 어븀, 툴륨 및 유로퓸이 가장 바람직하다. 희토류 원소는 바람직하게 희토류와 하나 이상의 리간드를 포함하는 착화합물 형태이다. 하나 이상의 리간드의 성질은 도핑된 반도체 분말을 제조하는 데에 이용되는 공정에 의해 결정된다. 본 발명 도핑된 반도체 분말은 하나 이상의 희토류 원소를 포함할 수도 있다.
상기 희토류 원소가 IV족 반도체 나노결정의 표면 상에 분산되어 있으므로 희토류 원소의 응집으로 인한 감소된 광활성이 감소된다. 도핑된 반도체 분말 안의 희토류 원소의 농도는 바람직하게는 0.5 내지 10 원자 퍼센트, 보다 바람직하게는 0.5 내지 5 원자 퍼센트, 및 가장 바람직하게는 0.5 내지 2 원자 퍼센트이다. 상기 원자 퍼센트는 도핑된 반도체 분말 안의 총 원자 수에 대한 희토류 원자의 수를 기초로 하여 계산된다.
가스 열분해
본 발명의 도핑된 반도체 분말을 제조하는 데에 가스 열분해가 사용될 수 있다. 이 과정에서, IV족 반도체 전구체와 희토류 원소 착화합물을 기상으로 혼합하고, 혼합물을 우선 가열한 다음, 냉각시켜 원하는 생성물을 얻는다. 상기 가스 열분해 반응은 기상의 희토류 원소의 존재 하에 기상의 IV족 원소를, 기상의 IV족 원소가 나노결정을 형성하는 온도로 열처리하는 것으로 이루어진다. 형성된 나노결정이 희토류 원소의 존재 하에 냉각되면, 희토류 원소는 기상으로부터 고상으로 변환하면서 나노결정의 표면 상에 증착된다.
가스 열분해는 예를 들면 가스 열분해 장치 안에서 수행될 수 있는데, 도 14는 그 개략도이다. 도 14에 도시한 장치 안에서, 운반 가스, 기상의 IV족 반도체 전구체 및 기상의 희토류 원소 착화합물은 주입구(110, 112, 114)를 통해 도입된다. 상기 운반 가스는 아르곤과 같은 불활성 가스인 것이 바람직하다.
반응 동안에 IV족 반도체가 기상에 있으므로, IV족 반도체 전구체를 사용한다. 상기 IV족 반도체 전구체는 실온에서 전구체가 휘발성이거나 예를 들면 80 내지 120℃와 같은 꽤 낮은 온도에서 휘발될 수 있도록 선택된다. 바람직하게 IV족 반도체 전구체는 나노결정 형성 후에 얻어진 부산물이 가스 흐름과 함께 제거되는 휘발성 화합물이도록 선택된다. IV족 반도체는 실리콘, 게르마늄, 주석 또는 납으로부터 선택될 수 있고, 그 중에서도 실리콘과 게르마늄이 바람직하다. 상기 전구체는 위 원소의 수소화물인 것이 바람직하다. 특별히 선호되는 IV족 반도체 전구체는 사일렌(SiH4)이다.
유사하게, 반응 동안에 희토류 원소가 기상에 있으므로, 휘발성이거나 휘발화될 수 있는 희토류 원소 착화합물을 사용한다. 상기 희토류 원소 착화합물은 중성, 일가, 이가 또는 삼가일 수 있는 하나 이상의 리간드를 포함한다. 바람직하게 상기 리간드는 희토류 원소와 배위되었을 때에 휘발성인, 다시 말해 화합물의 화학적 성질을 변화시킴없이 꽤 낮은 온도에서 기상으로 들어가는, 화합물을 제공하도록 선택된다. 희토류 원소 착화합물을 위한 적당한 리간드는 예를 들어, 2,2,6,6-테트라메틸-3, 5-헵탄디온, 아세틸아세토네이트, 플루롤아세토네이트, 6,6,7,7,8,8,8-헵타플루오로-2,2-디메틸-3,5-옥탄디온, i-프로필시클로펜타디에닐, 시클로펜타디에닐, 및 n-부틸시클로펜타디에닐과 같은 아세테이트 작용기를 포함한다. 바람직한 희토류 금속 전구체는 트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3, 5-헵탄디오네이트)어븀(III), 어븀(III) 아세틸아세토네이트 하이드레이트, 어븀(III) 플루롤아세토네이트, 트리스(6,6,7,7,8,8,8-헵타플루오로-2,2-디메틸-3,5-옥탄디오네이트)어븀(III), 트리스(i-프로필시클로펜타디에닐)어븀(III), 트리스(시클로펜타디에닐)어븀(III), 및 트리스(n-부틸시클로펜타디에닐)어븀(III)을 포함한다. 특별히 바람직한 희토류 원소 전구체는 Er3+(THMD)3라고도 부르는, 트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3, 5-헵탄디오네이트)어븀(III)이다.
상기 희토류 원소 착화합물 또는 IV족 반도체 전구체가 실온에서 휘발성이지 않으면, 전구체나 착화합물을 기상으로 가져가기 위한 온도-제어된 오븐(116)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 110℃ 내지 120℃로 유지될 수 있는 온도 제어된 오븐은 기상으로 존재하는 희토류 금속의 농도를 제어한다. 온도 제어 오븐은 질량-유량 조절기(mass-flow controller)(118)를 통해 노로 기상의 희토류 원소 착화합물을 공급하기 위해 운반가스 입구(126)에 설치될 수 있다.
상기 운반 가스, IV족 반도체 전구체 및 희토류 원소 착화합물의 비율은 장치 안으로의 각 기상 요소의 유입을 조절하는 질량-유량 조절기(118)에 의해 조절된다. 상기 결합된 세 질량-유량 조절기의 흐름은 바람직하게 20 내지 30 SCCM (standard cubic centimeters per minute)인 노를 통한 흐름을 얻기 위해 조절된다. 상기 장치를 통한 흐름은 가스 열분해 장치의 단부에 있는 기계적 진공 펌프(124)에 의해 조력받을 수 있다.
장치 안으로 도입되면, 기상의 요소는 짧은, 온도 제어 노 (120)(플로우-쓰루(flow-through) 노라고도 함) 안으로 흐른다. 상기 플로우-쓰루 노 (120)는 바람직하게는 3cm 및 9cm 사이의 길이를 가지는 작은 튜브형 노이며, 상기 노는 기상의 IV족 반도체 전구체가 반응하여 나노결정을 생성하는 온도로 제어된다. 600 내지 1000℃의 온도가 이러한 반응을 수행하기에 적당한 것으로 밝혀졌으나, 물론 이 범위 안에 있거나 바깥에 있는 측정 온도가 비발명적인 실험에 의해 결정될 수도 있다. 상기 노의 가열은 전기 가열 또는 마이크로파 가열과 같은, 임의의 적당한 방법에 의해 수행될 수 있다. 튜브형 노는 예를 들면 6 내지 20mm의 내경을 가질 수 있는데, 12mm 내경이 바람직하다. 상기 노의 길이, 내경과 노 온도 선택은 얻어지는 나노결정의 크기를 제어하는 데에 이용될 수 있는데, 이러한 변수들이 시스템의 열역학을 제어하기 때문이다. 가스 열분해 공정의 컴퓨터 제어를 허용하도록 이러한 변수들을 모니터할 수 있다.
IV족 반도체 전구체와 희토류 원소 착화합물이 노 안에서 가열되기 때문에, IV족 반도체 전구체는 반도체 나노결정을 형성하고, 기상의 스트림이 냉각될 때에 희토류 원소 착화합물은 나노결정의 표면 상에 증착된다. 상기 증착된 희토류 원소 착화합물은 바람직하게 나노결정 격자의 일부가 아니라 나노결정의 표면 상에 주요하게 증착된다. 유기 성분은 바람직하게 운반 가스와 함께 제거되는 기상의 부산물로 변환된다.
상기 도핑된 반도체 나노결정을 함유하는 기상의 스트림은 냉각 구역(미도시) 안에서 냉각되도록 할 수 있다. 냉각 구역은 10cm 내지 수 미터일 수 있으며 기계적 냉장, 아세톤/드라이 아이스 환경 또는 액체 질소 환경과 같은 활성 냉각 방법을 사용할 수 있다.
상기 제조된 도핑된 반도체 나노결정은 예를 들면 에틸렌 글리콜과 같은 도핑된 반도체 나노결정이 약간 용해도를 보이는 용매를 가진 하나 이상의 버블러(122)를 통해 운반 가스를 통과시킴으로써 운반 가스로부터 회수될 수 있다. 그런 다음, 용매를 버블러로부터 제거하여 도핑된 IV족 반도체 나노결정을 회수하기 위해 진공 건조한다.
용액 포화
본 발명의 도핑된 반도체 분말을 제조하는 두 번째 방법은 희토류 원소의 과포화 용액을 사용하여 나노결정 표면 상으로 희토류 원소를 증착하는 것이다. 이 방법에서, 비도핑된 IV족 반도체 나노결정 분말, 희토류 원소 착화합물 및 상기 희토류 원소 착화합물에 대해서는 좋은 용매이고 상기 비도핑된 IV족 반도체 나노결정 분말에 대해서는 나쁜 용매인 용매를 포함하는 용액을 가열하여 희토류 원소 착화합물을 용해시킨다. 상기 용액을 냉각시키면 용액은 희토류 원소 착화합물에 대해 과포화되어 용액으로부터 착화합물이 석출되어 IV족 반도체 나노결정의 표면 상에 증착된다.
"좋은 용매"란, 실온과 같은 저온에서는 희토류 원소 착화합물이 잘 안 녹지만 고온에서는 희토류 원소 착화합물이 잘 녹는 용매를 말하고, "나쁜" 용매란 IV족 반도체 나노결정이 저온 및 고온에서 거의 또는 전혀 녹지 않는 용매를 말한다. 적당한 용매의 예는 에탄올, 에틸렌 글리콜, 톨루엔 및 벤젠을 포함한다.
이러한 공정의 첫 번째 단계는 비도핑된 IV족 반도체 나노결정 분말을 제조하는 것을 요하는데, 이 제조는 예를 들면 (A) 용액 화학 또는 (B) 가스 열분해에 의해 실현될 수 있다.
(A) 용액 화학:
용액 화학 과정에서는, 두 상보 반도체 착화합물을 결합시켜 반도체 나노결정과 염을 생성하며, 나노결정과 염을 후속적으로 분리한다. 상기 비도핑된 반도체 나노결정은 실리콘 또는 게르마늄의 마그네슘, 나트륨 또는 요오드염과 같은 IV족 반도체 염을 실리콘 또는 게르마늄의 사염화물과 같은 IV족 반도체 할로겐화물과 혼합시켜 제조한다. 상기 혼합물은 예를 들면 에틸렌 글리콜 또는 헥산과 같은 적당한 용매 안에 용해되고 상기 혼합물을 환류시킨다. 임의의 형성된 비용해성 염을 제거하기 위해 필터링이나 원심분리를 사용할 수 있으며, 상기 용액을 냉각하면 반도체 나노결정이 형성된다.
비도핑된 반도체 나노결정을 제조하는 과정은 바람직하게는 불활성 분위기 안에서 수행되며 사용된 반응 용기는 테플론 용기 또는 실로네이티드(silonated) 글라스 용기와 같이 실리콘의 존재에 반응하지 않아야 한다.
(B) 가스 열분해
비도핑된 IV족 반도체 나노결정 분말을 제조하는 데에 사용되는 가스 열분해 공정은 위에 기술한 도핑된 반도체 분말을 위한 가스 열분해 공정과 유사하나, 기상의 희토류 원소 착화합물이 생략된다.
비도핑된 나노결정과 희토류 착화합물을 상기 희토류 착화합물에 대해서는 좋은 용매이고 상기 비도핑된 IV족 반도체 나노결정 분말에 대해서는 나쁜 용매인 용매, 예컨대 에탄올에 혼합하여 도핑된 IV족 반도체 나노결정을 제조한다. 적당한 희토류 착화합물은, 예를 들면 어븀 아세테이트 하이드레이트 및 어븀(III) 아세틸아세토네이트 하이드레이트를 포함한다. 이종 혼합물은 예를 들면 약 90 내지 180분 동안 환류시킬 수 있고, 이 시간이 흐른 뒤, 용액을 냉각시켜 도핑된 나노결정을 얻는다. 상기 용액이 냉각되면서, 희토류 원소 착화합물이 용액으로부터 석출되어 용액 안의 나노결정의 표면 상에 증착된다. 나노결정의 표면 사에 증착된 희토류 원소는 희토류 원소 착화합물의 형태이다.
도핑된 반도체 분말을 포함하는 물질
관용적으로 제조된 도핑된 층에 대한 도핑된 반도체 분말의 중요한 장점은 상기 도핑된 반도체 분말이 여러 다른 호스트 안으로 통합될 수 있고, 이러한 호스트는 액상 또는 고상을 나타낸다는 것이다. 상기 호스트 또는 매트릭스는 바람직하게 도핑된 나노결정의 광 발광을 침해하지 않는 것으로 선택된다.
본 발명의 도핑된 반도체 분말을 위한 적당한 호스트 또는 지지 매트릭스의 예는, 예를 들어 폴리머, 실리카 졸-겔 및 스핀-온-글라스(SOG)를 포함한다. 스핀-온-글라스는 예를 들면 알코올 안에 용해된 실리케이트 혼합물로 이루어질 수 있다. 적당한 폴리머의 예는, 예컨대 폴리(2-메톡시-5-(2-에틸-헥실록시)-1,4-페닐렌-비닐렌)(PPV), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 및 폴리페닐렌 에테르(PTE)를 포함한다. 호스트 또는 지지 매트릭스가 액체 또는 반-액체 상태일 때에, 상기 도핑된 반도체 분말은 특정한 형상 또는 패턴으로 형성될 수 있다. 이러한 특정 형상은 도핑된 반도체 분말을 포함하는 액체 용액을 스핀-코팅하는 것에 의해 제조된 층을 포함할 수 있다. 패턴은 또한 도핑된 반도체 분말을 포함하는 액체 폴리머를 잉크젯 기술과 같은 인쇄 기술과 결합시켜 제조될 수 있다.
상기 도핑된 층에 대한 도핑된 반도체 분말의 다른 장점은 그것이 두꺼운 층을 제조하는 데에 사용될 수 있다는 사실에 있다. 이것은 Sinc+PbS 또는 Sinc+CdS와 같은 혼성 시스템을 형성하는 서로 다른 나노결정 종류의 결합도 허용한다.
본 발명의 도핑된 반도체 분말을 포함하는 물질은 호스트나 지지 매트릭스와 같은 물질의 구성요소 및 베이스 기판과 같은 추가적인 요소가 고온에 견딜 필요가 없다는 장점도 가진다. 관용적인 도핑된 층 제조에서, 상기 나노결정은 비정질 실리콘 클러스터의 고온 어닐링에 의해 형성되는데, 이것은 어닐링 동안에 존재하는 다른 구성요소, 예컨대 기판이 온도에 견딜 수 있을 것을 필요로 한다. 본 발명에서는 나노결정이 물질 안으로 통합되기 전에 형성되므로, 온도에 견딜 수 있는 요소가 아니더라도 본 발명의 도핑된 반도체 분말에 사용될 수 있다.
그러나, 반도체 나노결정 분말을 포함하는 물질을 제조하는 데에 사용되는 구성요소가 온도에 견딜 수 있는 것이면 물질은 후속적으로 어닐될 수 있다. 이것은 예를 들어 반도체 나노결정과 희토류 원소를 포함하는 반도체층의 제조에 유리한 것으로 밝혀질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 도핑된 반도체 분말은 실리카 졸-겔 안으로 통합될 수 있으며 그러면 실리카 졸-겔은 층으로 형성된다. 졸-겔/나노결정 분말 혼합물의 어닐링은 혼합물의 유기 성분의 제거를 초래하여, 그 안에 상기 도핑된 반도체 나노결정 분말이 분산된 실리콘 산화물 층을 남긴다. 어닐링은 예를 들어 약 600℃ 내지 약 1000℃에서 급속 열 어닐(RTA) 노 안에서 수행될 수 있다. 어닐링 과정은 유기 성분의 제거를 보장하고 희토류 원소의 산화를 증진시키기 위해 산소 분위기 하에서 수행될 수 있다. 어닐링 단계는 생성될 수도 있는 임의의 휘발성 유기 부산물의 제거를 촉진하기 위해 감소된 압력 하에서 수행될 수도 있다.
도핑된 반도체 분말을 포함하는 물질을 가지고 만들 수 있는 소자의 예는, 예컨대, 광 증폭기, 레이저, 광학 디스플레이, 광학 평면 회로, 및 유기 발광 다이오드(OLED)를 포함한다.
도 1은 본 발명의 구현예에 의해 제공된 고체 형태 백색 발광 소자의 측면도 이다.
도 2는 본 발명의 구현예에 의해 제공된 고체 형태 백색 발광 층 구조물의 측단면도이다.
도 3은 상기 소자의 상부 및 하부 양쪽으로부터 발광을 가능케 하기 위해 투명한 기판을 가지는 본 발명의 구현예에 의해 제공된 고체 형태 백색 발광 층 구조물의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 의해 제공된 고체 형태 백색 발광 층 구조물의 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 구현예에 의해 제공된 고체 형태 발광 층 구조물의 측단면도이다.
도 6은 비도전성인 투명 기판의 특징을 갖는 본 발명의 구현예에 의해 제공된 고체 형태 발광 층 구조물의 다른 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 구현예에 의해 제공된 발광 소자의 어레이의 평면도이다.
도 8은 회로내에 연결된 발광 소자의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 구현예에 의해 제공된 다른 발광 다이오드의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 구현예에 의해 제공된 또 다른 발광 다이오드의 개략도이다.
도 11은 기판, 도핑된 반도체 나노결정층, 및 전류 주입층을 포함하는 반도체 구조물의 도면이다.
도 12는 기판 및 교호하는(alternating) 도핑된 반도체 나노결정층과 유전체 층을 포함하는 초격자 반도체 구조물의 도면이다.
도 13은 펄스 레이저 증착 장치의 도면이다.
도 14는 희토류 원소로 도핑된 IV족 반도체 분말의 제조에 적합한 가스 열분해 장치의 개략도이다.
다음의 실시예들은 설명을 위해 제공하는 것이며 한정을 위한 것이 아니다.
실시예1
전자 사이클로트론 공명(ECR) 반응기에 의해 생성된 아르곤 플라즈마 스트림에 분산링을 통해 사일렌(SiH4) 및 산소(O2)를 부가한다. 산소에 대한 사일렌의 비율(Q)은 3:1, 1.7:1, 1.2:1, 1:1.9 및 1:2 사이에서 변화시킨다. 어븀 전구체 (트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3, 5-헵탄디오네이트)어븀(III) [Er+3(THMD)3])를 90 내지 110℃ 사이에서 유지되는 스테인리스 스틸 오븐 안에 위치시킨다.
상기 오븐으로부터 Er 전구체를 사일렌 주입기 아래에 있으며 가열된 기판 위에 있는 분산링으로 정확히 제어된 질량-유량 조절기를 통해 운반하는 데에 Ar으로 된 운반 가스를 사용한다. 설비 압력은 약 1×10-7 torr로 유지한다. 사용되는 기판은 퓨즈 실리카이거나 상부에 2000nm 두께의 열성장 산화물 층이 성장된 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 증착 온도, 마이크로파 파워 및 셉터 바이어스는 300℃, 400W 및 -200VDC로 유지한다. 다양한 과잉 실리콘 양에 대해 O2 유량은 20 밀리토 르/초로 유지하면서 SiH4, Ar 유량을 조정하였다. 상기 Er/Ar 유량은 원하는 어븀 농도를 위한 온도 제어된 오븐에 의해 생성된 증기 압력으로 조정하였다. 상기 필름은 60nm/분의 속도로 성장하며 두께는 250nm 내지 2000nm로 성장한다. 셉터 동안에 3rpm으로 회전시켜 필름의 균일성을 돕는다. 증착 후에, 샘플은 950℃-1000℃에서 5-6분 동안 급속 열 어닐(RTA) 노 안에서 흐르는 질소(N2) 하에서 어닐링한다.
실시예2
분말상 실리콘, 분말상 실리콘 이산화물 및 분말상 어븀 산화물을 결합하여 45%의 실리콘, 35%의 실리콘 산화물 및 20%의 어븀 산화물을 포함하는 분말 혼합물을 가지고 용발 타겟을 제조한다. 각 분말 요소는 약 300 메쉬의 크기를 가진 것이다. 상기 혼합물을 볼 밀에 넣은 다음 약 5 내지 10분 동안 연마한다. 연마한 다음 혼합물을 25mm 직경 7mm 두께의 몰드 안에 넣어 수압을 가하여 500 psi에서 15분 동안 압축시킨다. 이렇게 얻은 타겟을 어닐링 노에 넣은 다음 5% H2와 95% N2의 성형 가스 분위기 안에서 1200℃로 30분 동안 가열한다. 그런 다음 타겟을 실온으로 냉각시켜 볼 밀에서 10분 동안 재연마한다. 그런 다음 상기 혼합물을 몰드 안에 넣고 위에 기술한 바와 같이 압축시키고 어닐한다. 이렇게 얻은 타겟은 진공 챔버 안의 타겟 홀더 상으로 장착한다. 50mm 직경 및 0.4 cm 두께의 실리콘 기판(n형, <110> 단결정, 0.1-0.05Ωcm 전도도)을 타겟 표면 위의 5.0cm의 거리 상에 평행하게 기판 홀더 위에 놓는다. 상기 기판은 500℃로 가열되는 기판 지지체 상 으로 놓고, 기판은 증착 동안에 3rpm의 속도로 회전시킨다. 상기 진공 챔버는 베이스 압력을 1×10-7 torr로 비운 후 20×10-3 torr의 Ar으로 채운다. 엑시머 레이저(KrF 248nm)를 타겟 상으로 약 10Jcm-2의 에너지 밀도와, 수직 축에 대한 40°기울어진 각도로 포커스시켜, 펄스마다 0.1nm 필름이 생성되도록 한다. 매 용발 펄스마다 새로운 타겟 표면을 가질 수 있도록 증착 동안에 타겟을 5rpm으로 회전시킨다. 상기 기판 상에 100nm 층을 증착한 다음, 새로 증착된 필름을 900℃ 내지 950℃의 온도에서 5분 동안 어닐링하여 실리콘 리치 실리콘 산화물(SRSO)에 실리콘 나노결정을 형성한다.
상기 기판을 진공 챔버 안으로 다시 도입한 다음, 상기 타겟을 인듐 주석 산화물(ITO) 타겟으로 교체한다. 진공 챔버 안의 분위기는 2×10-3 torr O2로 설정하고, 기판을 500℃로 가열하며 3rpm으로 회전시킨다. 100nm ITO 층을 어닐링된 희토류 도핑된 SRSO 필름 상에 증착한다.
실시예3
3cm의 길이와 12mm의 내경을 가지는 작은 튜브형 노를 가스 열분해 장치에 설치하였다. 노 온도를 900 및 950℃ 사이에서 유지하면서, 아르곤 운반 가스, 사일렌(SiH4) 및 Er3+(THMD)3를 정확한 질량-유량 조절기를 통해 노 안으로 유입시켰다. 온도 제어 오븐을 사용해서 Er3+(THMD)3를 기상으로 변환시켰다. 상기 장치를 통한 흐름은 장치의 단부에 있는 기계적 진공 펌프에 의해 조력되었다. 상기 노를 통과하면, 기상의 스트림은 냉각 구역을 지나도록 하였고 에틸렌 글리콜로 된 두-단계 버블러를 지나도록 했다. 상기 에틸렌 글리콜 용액을 버블러로부터 제거하고 진공 건조시켜 약 3nm의 평균 직경을 가지는 Er 도핑된 Si 나노결정을 회수하였다.
실시예4
포화 용액 공정을 통해 도핑된 반도체 분말을 제조하였다. 공정은 불활성 분위기 글러브 박스(glove box, 밀폐 투명용기)에서 수행하였고 사용한 글라스 기구는 (CH3)2SiCl2의 2% 톨루엔 수용액에 한 시간 동안 세척하여 실로네이트화한 후 헥산과 메탄올로 반복적으로 세정한 것이었다.
400mg 마그네슘 실리사이드(MgSi)를 건조된 에틸렌 글리콜 100ml에 첨가하고 저은 후 글러브 박스에서 12시간 동안 환류시켰다. 3ml의 SiCl4를 첨가한 다음 혼합물을 다시 12시간 동안 환류시켰다. 그런 다음, 상기 혼합물을 거르고 냉각하고 진공 하에서 건조시켰다. 상기 건조된 Si 나노결정에 100ml 에탄올을 첨가하고, 교반 동안 230mg의 디하이드레이테이티드 어븀 아세테이트를 용액으로 추가하고 3시간 동안 환류시켰다. 냉각시켜서, Er 도핑된 Si 나노결정을 얻었다.
또 다른 구현예에서, 도 1과 유사한 배열은 대응하는 요소가 유사하게 라벨링된 도 9에서 도시된 바와 같이 채용된다. 이러한 구현예에서, 추가적인 층 (9)이 있다. 층 (9)는 아연 또는 카드뮴계 황화물 또는 셀레늄 (예를 들면, ZnS, CdS 또는 ZnSe, CdSe)로서 그 크기가 형광하는 색을 결정하는 II-VI족 또는 III-V족 원 소, 또는 GaN, InP 또는 GaP와 같은 III-V족 원소 중 하나인 다양한 나노결정 중 하나 이상을 포함한다. 실시예로서 CdSe 나노결정은 535, 560, 590, 610 및 640 nm에서 형광하고 상기 파장에서 2 내지 10 nm의 크기를 갖는다. 이러한 나노결정은 예를 들면 투명 고분자에 포함되고 상기 희토류 원소로 도핑된 SRSO 층 (13)의 상부에 적용될 수 있으며 그 결과 상기 층은 상기 필요한 파장의 나머지에서 형광하여 백색광을 낳는다. 상기 상부 전기 콘택 (20)은 층 (13) 및 새로운 층 (9)의 계면에 존재한다. 인터커넥트 (15)는 리드 (17)를 상기 전기 콘택 (20)으로 연결한다. 이러한 구현예에서, 층 (13)은 층 (9)용 펌프 소스로서 작용하는 1차 방사선을 생성하는 희토류 원소로 도핑된 SRSO 필름이다. 예를 들면, 상기 층은 상기 스펙트럼의 청색 또는 자외선 영역 중 어느 하나에서 방출하는 가돌리늄 Gd 또는 사마륨 Sm 또는 다른 희토류 원소와 같은 희토류 원소로 도핑될 수 있다. 이러한 펌프 에너지 (광자)는 이후 전술한 상기 상부 층(9)을 여기한다.
또 다른 구현예는 상기 상부 전기 콘택이 상기 새로운 층 (9)의 상부에 있는 것을 제외하고는 도 9의 배열과 유사하게 제공된다. 이는 동일한 참조 번호가 다시 사용된 도 10에 도시되어 있다. 상기 상부 전기 콘택 (20)은 층 (9)의 상부에 도시되어 있다. 인터커넥트 (15)는 리드 (17)을 상기 전기 콘택 (20)으로 연결한다. 이러한 구현예에서, 광자 저역 변환 및 전기 여기 모두를 사용하여 ZnS, CdS ZnSe, 또는 CdSe와 같은 층 (9)의 II-VI족 또는 III-V족 나노결정이 형광하도록 만든다. 일 실시예로서, CdSe 나노결정은 535, 560, 590, 610 및 640 nm에서 형광하고 상기 파장에서 2 내지 10 nm의 크기를 갖는다. 이러한 나노결정은 폴리 비닐 알렌 (poly vinyl alene, PVA)과 같은 투명 고분자에 포함되고 상기 희토류 원소로 도핑된 SRSO 층 (13)의 상부에 적용될 수 있으며 그 결과 상기 층은 상기 필요한 파장의 나머지에서 형광하여 상기 층 (13)으로부터의 상기 전류 및 광자 여기 둘다에 의해 백색광을 낳는다. 이는 전기 및 광자 에너지 모두를 사용하여 상기 나노결정 고분자를 구동하는 하이브리드 발광 소자를 제공한다.
백색 광 구현에 있어서, 상기 II-VI족 또는 III-V족 나노결정을 포함하는 층은 백색 광을 생성하기 위해서 결합하는 다중 타입의 나노결정을 포함하는 단일 층으로 이루어질 수 있다. 또한, II-VI족 또는 III-V족 나노결정의 각 타입을 각각 포함하는 수개의 층들이 제공되어 각각의 파장을 생성하고, 상기 파장은 결합하여 백색 광을 낳는다.
몇몇 구현예에서, REDGIVN을 포함하는 하나 이상의 층에 의해 생성된 1차 방사선은 II-VI족 또는 III-V족 나노결정의 하나 이상의 층에 의해 적색 및/또는 녹색 및/또는 청색 광의 둘 이상의 뚜렷하고 별개의 영역으로 저역 변환되고, 상기 적색 및/또는 녹색 및/또는 청색 광의 둘 이상의 뚜렷하고 별개의 영역은 혼합하여 상이한 색의 출력을 낳는다.
몇몇 구현예에서, REDGIVN을 포함하는 하나 이상의 층에 의해 생성된 1차 방사선은 II 또는 VI족 나노결정의 하나 이상의 층에 의해 백색 광 및 적색, 녹색 또는 청색 색조의 광의 2 내지 10의 뚜렷하고 별개의 영역으로 저역 변환된다.
본 발명은 다양하게 예시된 구현예, 특징, 태양, 및 변경에 따라서 기재되었고, 본 발명은 이하에 청구된 본 발명의 정신 및 범위 내에서, 그 구성 및 처리 방 식 면에서 폭 넓게 변화될 수 있음이 분명할 것이다.
Claims (35)
- 전원과 커플링하여 가시광을 방출할 수 있는 하나 이상의 단일-다이 희토류 원소로 도핑된 나노결정 발광 소자를 포함하는 백색 발광 소자로서, 상기 발광 소자가 유전체 매트릭스 내에 매설된(embedded) 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질 (REDGIVN)을 함유하는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 단일-다이 희토류 원소로 도핑된 나노결정 발광 소자가,도전성 기판; 및희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 함유하는 하나 이상의 층을 포함하고,상기 하나 이상의 층이 상기 유전체 매트릭스 내에 매설된 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 통하여 직접 터널링(direct tunneling) 전류에 의해 활성화될(energized) 때 적색, 녹색 및 청색에서 선택된 가시광 출력 (visible light output)을 집합적으로 방출하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 가시광이 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질로부터 방출된 적색, 녹색 및 청색의 결합이고, 상기 결합이 백색광으로 지각되는 것을 특징으로 하 는 백색 발광 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 REDGIVN이 실리콘 또는 실리콘 탄화물, 게르마늄, 게르마늄 탄화물, 탄소, 주석, 주석 탄화물, 납, 납 탄화물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 나노결정 물질인 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.
- 제 2항에 있어서,상기 하나 이상의 층이 적색, 청색 및 녹색 각각을 위한 각각의 희토류 도판트를 함유하는 단일 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 2항에 있어서,상기 하나 이상의 층이 적색, 청색 및 녹색 중 하나를 위한 각각의 희토류 도판트를 함유하는 각 층을 갖는 3개의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 2항에 있어서,상기 하나 이상의 층이 각각의 희토류 도판트를 함유하는 각 층을 갖는 3개의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 6항에 있어서,상기 3개의 층이 서로의 상부에 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 6항에 있어서,상기 3개의 층이 서로에 인접하여 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 2항에 있어서,상기 하나 이상의 층이,녹색 광을 제공하는 어븀, 터븀 및 이트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 IV족 도판트로 도핑된 제 1층;청색 광을 제공하는 툴륨 및 세륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 IV족 도판트로 도핑된 제 2층;적색 광을 제공하는 유로퓸 및 프라세오디뮴(praseodymium)으로 이루어진 군으로부터 선택된 IV족 도판트로 도핑된 제 3층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 2항에 있어서,상기 하나 이상의 층이,녹색 광을 제공하는 어븀, 터븀 및 이트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 제 1 IV족 도판트, 청색 광을 제공하는 툴륨 및 세륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 제 2 IV족 도판트, 및 적색 광을 제공하는 유로퓸 및 프라세오디뮴으로 이루어진 군으로부터 선택된 IV족 도판트로 도핑된 단일층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 2항에 있어서,상기 하나 이상의 층이,녹색 및 청색 광을 제공하는 어븀으로 도핑된 제 1층;적색 광을 제공하는 실리콘 나노결정 물질의 제 2 비도핑된 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 2항에 있어서,상기 하나 이상의 층이,녹색 및 청색 광을 제공하는 어븀으로 도핑된 제 1층;적색 광을 제공하는 유로퓸 및 프라세오디뮴으로 이루어진 군으로부터 선택된 IV족 도판트로 도핑된 제 2 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 1항에 있어서,전원 신호가 상기 발광 소자를 활성화시키기 위해서 적용될 수 있도록 제1 전극 및 제2 투명 전극을 맞은 편에 (across) 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 14항에 있어서,상기 제1 전극이 투명 도전성 산화물 전극 또는 반투명 금속 전극인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 2항에 있어서,상기 기판이 도전성 기판인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 16항에 있어서,상기 기판이 SiC, GaN 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 2항에 있어서,상기 기판이 실질적으로 비도전성 기판인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 18항에 있어서,상기 기판이 사파이어, 실리콘 이산화물, 퓨즈 실리카 (fuse silica) 및 AlN으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 1항에 있어서,광투과 물질로 형성된 하우징 부재 (housing member)를 더 포함하고, 상기 하우징 부재가 내부 용적 내에 경계를 정하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 20항에 있어서,상기 백색광의 방출을 유도하기 위하여, 상기 하우징 부재를 통하여 연장되고, 상기 발광 소자 상에 전압을 부가하기 위해 구성되고 배열된 전원에 커플링할 수 있는 제1 및 제2 전기 콘택 (electrical contacts)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 1항에 따른 발광 소자의 어레이 (array) 및 상기 발광 소자들 중 특정한 한 개를 선택적으로 조명하기(illuminating) 위한 사용자-응답 컨트롤러 (user-responsive controller).
- 제 1항에 있어서,펌프 (pump) 광원으로서 상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질에 의해 방출된 광을 수용하기 위해 배열된 II-VI족 또는 III-V족 나노결정 물질을 더 포함하고, 상기 II-VI족 또는 III-V족 나노결정이 상기 펌프 광원에 의해 활성화되는 경우 복수의 파장에서 형광을 발하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 23항에 있어서,기판;상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층;펌프 광원으로서 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층에 의해 방출된 광을 수용하기 위해 배열된 II-VI족 또는 III-V족 나노결정의 하나 이상의 층을 포함하고, 상기 II-VI족 또는 III-V족 나노결정이 상기 펌프 광원에 의해 활성화되는 경우 복수의 파장에서 형광을 발하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 24항에 있어서,상기 II-VI족 또는 III-V족 나노결정이 ZnS, CdS, ZnSe, CdSe, GaN, InP 및 GaP으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 24항에 있어서,상기 복수의 파장이 집합적으로 백색광을 생성하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 24항에 있어서,상부의 전기 콘택층을 더 포함하고,상기 층들이상기 기판;상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층;상기 상부의 전기 콘택층;상기 II 또는 VI족 나노결정을 포함하는 하나 이상의 층의 순서에 따라 배열되고,상기 II 또는 VI족 나노결정을 포함하는 하나 이상의 층이 상기 나노결정을 구동시키기(drive) 위해서 광에너지(photon energy)를 사용하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 24항에 있어서,상부의 전기 콘택층을 더 포함하고,상기 층들이상기 기판;상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층;상기 II 또는 VI족 나노결정을 포함하는 하나 이상의 층;상기 상부의 전기 콘택층의 순서에 따라 배열되고,상기 II 또는 VI족 나노결정을 포함하는 하나 이상의 층이 상기 나노결정을 구동시키기 위해서 전기 에너지 및 광 에너지를 모두 사용하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 단일-다이 희토류 원소로 도핑된 나노결정 발광 소자가 IV, II-VI 및 III-V족 원소의 나노결정을 함유하는 다중 층을 가지고, 상기 나노결정이 유전체 매트릭스에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.
- 제 24항에 있어서,상기 REDGIVN을 포함하는 하나 이상의 층에 의해 생성된 1차 방사선(primary radiation)이 상기 II-VI족 또는 III-V족 나노결정의 하나 이상의 층에 의해 적색 및/또는 녹색 및/또는 청색 광의 두 개 이상의 뚜렷하고 분리된 영역으로 저역 변환(down-converted)되고, 상기 적색 및/또는 녹색 및/또는 청색 광의 두 개 이상의 영역이 혼합하여 상이한 색의 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제 24항에 있어서,상기 REDGIVN을 포함하는 하나 이상의 층에 의해 생성된 1차 방사선이 상기 II 또는 VI족 나노결정의 하나 이상의 층에 의해 백색광 및 상기 적색, 녹색 또는 청색의 색조의 광의 2 내지 10 개의 뚜렷하고 분리된 영역으로 저역 변환되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 다수의 백색 발광 소자를 가지는 백라이트 부재를 포함하는 액정 디스플레이 (liquid crystal display)로서, 각 발광 소자가 전원과 커플링하여 가시광을 방출할 수 있는 하나 이상의 단일-다이 반도체 발광 소자를 포함하고, 상기 발광 소자가 유전체 매트릭스에 매설된 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질 (REDGIVN)을 포함하는 액정 디스플레이.
- 제 32항에 있어서,기판;상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층;펌프 광원으로서 상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층에 의해 방출된 광을 수용하기 위해 배열된 II 또는 VI족 나노결정의 하나 이상의 층을 포함하고, 상기 II 또는 VI족 나노결정이 상기 펌프 광원에 의해 활성화되는 경우 복수의 파장에서 형광을 발하는 것을 특징으로 하는 LCD.
- 다수의 백색 발광 소자를 가지는 시야 패널(viewable panel)을 포함하고,각 발광 소자가 전원과 커플링하여 가시광을 방출할 수 있는 하나 이상의 단일-다이 반도체 발광 소자를 포함하고, 상기 발광 소자가 유전체 매트릭스에 매설된 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질 (REDGIVN)을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
- 제 34항에 있어서,각각의 상기 하나 이상의 단일-다이 반도체 발광 소자가기판;상기 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층;펌프 광원으로서 희토류 원소로 도핑된 IV족 나노결정 물질을 포함하는 하나 이상의 층에 의해 방출된 광을 수용하기 위해 배열된 II 또는 VI족 나노결정의 하나 이상의 층을 더 포함하고, 상기 II 또는 VI족 나노결정이 상기 펌프 광원에 의해 활성화되는 경우 복수의 파장에서 형광을 발하는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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