KR20080030089A - 발광 다이오드용 기판 및 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

형광체 분말을 사용하지 않고, 양호한 발광 다이오드 소자가 형성 가능하며, 열화가 적고, 발광 다이오드 소자의 빛을 투과 및, 투과광의 일부를 이용하여 발광하며, 게다가 투과광과 새로운 발광의 빛을 혼합하여 방출할 수 있는 발광 다이오드용 기판을 제공한다. 본 발명의 발광 다이오드용 기판은, 발광 다이오드 소자가 형성 가능한 단결정층과, 단일 금속 산화물 및 복합 금속 산화물에서 선택되는 적어도 2개 이상의 산화물상(酸化物相)이 연속적으로 또한 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지는 광 변환용 세라믹스 복합체층이 적층된 발광 다이오드용 기판이며, 상기 응고체 중의 산화물상 중 하나 이상은 형광을 발하는 금속 원소 산화물을 함유하고 있는 것을 특징으로 한다.

발광 다이오드, 기판, 단결정층, 세라믹스 복합체층, 형광

Description

발광 다이오드용 기판 및 발광 다이오드{SUBSTRATE FOR LIGHT EMITTING DIODE AND LIGHT EMITTING DIODE}

본 발명은 디스플레이, 조명, 백라이트 광원 등에 이용할 수 있는 발광 다이오드용의 기판, 및 그 발광 다이오드용 기판을 사용한 발광 다이오드에 관한 것이다.

최근, 질화물계 화합물 반도체를 사용한 청색 발광 소자를 발광원으로 하는 백색 발광 다이오드의 개발 연구가 활발히 행해지고 있다. 백색 발광 다이오드는 경량이며, 수은을 사용하지 않고, 수명이 길기 때문에, 금후, 수요가 급속히 확대되는 것이 예측되고 있다. 청색 발광 소자의 청색광을 백색광으로 변환하는 방법으로서 가장 일반적으로 행해지고 있는 방법은, 예컨대 일본 특허 공개 제2000-208815호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 청색 발광 소자의 앞면에, 청색광의 일부를 흡수하여 황색광을 발하는 형광체를 함유하는 코팅층과, 광원의 청색광과 코팅층으로부터의 황색광을 혼색하기 위한 몰드층을 형성하고, 보색 관계에 있는 청색과 황색을 혼색함으로써 의사적으로 백색을 얻는 것이다. 종래, 코팅층으로서는, 세륨으로 활성화된 이트륨알루미늄가닛(YAG:Ce) 분말과 에폭시 수지의 혼합물이 채용되고 있다. 그러나, 이 방법에서는 코팅층을 도포할 때에, 포함되는 형광체 분말 의 분포 불균일이나 발광 다이오드 개체마다의 형광체 분말의 양의 불균일 등이 발생하기 쉽고, 그것에 기인하는 발광 다이오드의 색 얼룩이 지적되고 있다.

이것을 회피하기 위해서, 청색 발광 소자를 형성하는 기판 자신에게 발광 기능을 갖게 하고, 분말을 이용하지 않는 방법이 제안되고 있다. 예컨대, 일본 특허 공개 제2003-204080호 공보에서는 YAG:Ce 형광체 단결정의 (111)면을 주면(主面)으로 한 기판상에 In_xAl_yGa_{1 -x- y}N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 이루어지는 질화물 반도체층을 형성하고, 발광층으로부터 발광되는 청색광을 직접 기판에 입사하여 기판 자신으로부터 균질한 황색 형광을 발광시킴으로써, 형광체 분말을 포함하는 코팅층을 사용하지 않고 발광 칩만으로 색 얼룩이 없는 균질한 백색을 얻는 방법을 제안하고 있다.

또한, YAG 형광체 분말을 사용하지 않는 다른 방법으로서, 일본 특허 공개 제2000-082845호 공보에 ZnSe 단결정에 의한 백색 발광 다이오드를 얻는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은, ZnSe 기판에 self-activated(SA) 발광의 기능을 갖게 하고, 이 기판 위에 ZnSe계의 청색 발광 다이오드를 형성하여, 이 소자로부터 청색의 발광과 동시에 황색의 발광을 행해서 백색을 얻는 방법이다.

그러나, 상기 일본 특허 공개 제2003-204080호 공보에 기재된 YAG (111)면 기판으로 한 백색 발광 다이오드의 실적은 거의 알려져 있지 않다. YAG (111) 기판의 격자 간격과 그 위에 형성되는 질화물 반도체 버퍼층을 구성하는 In_xGa_{1 - x}N의 격자 간격의 차이가 크기 때문에, 양질의 질화물 반도체층을 형성하는 것이 어렵기 때문이라고 생각된다.

또한, 상기 일본 특허 공개 제2000-082845호 공보에 기재된 ZnSe 단결정에 의한 백색 발광 다이오드는, 소자의 열화가 문제가 되고 있으며, 개선에는 ZnSe 기판의 품질의 향상이 요구되고 있다. 특히 수명 신장에는 전위 밀도의 저감이 필요하여, 소자화 프로세스의 최적화, 재료의 변경 등의 개량이 현재 행해지고 있다. 이것은, 예컨대, 백색 LED 조명 시스템 기술의 응용과 장래 전망, 감수 다구치 츠네마사, CMC 출판, 2003년, 170페이지에 기재되어 있다.

현재, InGaN계의 청색 발광 다이오드용의 기판으로서 널리 채용되고 있는 것은, Al₂0₃ 단결정(사파이어)의 (0001)면이며, 오랜 실적이 있다. 게다가, 이 Al₂0₃ 단결정을 사용하여 제작한 소자에 있어서는 Al₂0₃ 열화에 따른, 발광 소자의 열화의 문제는 보고되어 있지 않다. 따라서, 기판 자신의 발광을 사용하여 백색 발광 다이오드를 제작하는 경우, Al₂0₃ 기판에 청색 발광 소자를 구성하는 방법으로 달성되는 것이 가장 바람직하다. 이를 위해서는, 상술한 바와 같이 기판 자신의 발광이 필요해지지만, Al₂0₃ 단결정에 청색의 빛을 입사하여 황색의 발광을 얻는 방법은 보고되어 있지 않다.

본 발명의 목적은, 형광체 분말을 사용하지 않고, 양호한 발광 다이오드 소자가 형성 가능하며, 열화가 적고, 발광 다이오드 소자의 빛을 투과 및, 투과광의 일부를 이용하여 발광하며, 게다가 투과광과 새로운 발광의 빛을 혼합하여 방출할 수 있는 발광 다이오드용 기판 및 그 발광 다이오드용 기판을 사용한 발광 다이오 드를 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 예의 검토한 결과, 특정한 재료의 층을 접합함으로써 적층하여, 상기 문제를 해결할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명은 발광 다이오드 소자가 형성 가능한 단결정층과, 단일 금속 산화물 및 복합 금속 산화물에서 선택되는 적어도 2개 이상의 산화물상(酸化物相)이 연속적으로 또한 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지는 광 변환용 세라믹스 복합체층이 적층된 발광 다이오드용 기판이며, 상기 응고체 중의 산화물상 중 적어도 하나는 형광을 발하는 금속 원소 산화물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 기판, 및 그 발광 다이오드용 기판을 사용한 발광 다이오드에 관한 것이다.

본 발명의 발광 다이오드용 기판의 일실시형태에서는, 상기 단결정층이, Al₂0₃, SiC, ZnO, 및 GaN으로 이루어지는 군에서 선택되는 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 발광 다이오드용 기판의 일실시형태는, 상기 단결정층과 광 변환용 세라믹스 복합체층 사이에, 양 재료를 접착 가능한 물질로 이루어지는 접합층을 갖는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 접합층에 형광 물질을 존재시키는 것이 바람직하다.

또한, 발광 다이오드용 기판의 일실시형태는, 상기 응고체가 Al₂0₃와, 세륨으로 활성화된 Y₃Al₅O₁₂로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 발광 다이오드용 기판을 사용함으로써, 형광체 분말을 사용하지 않고, 기판을 발광면으로서 사용할 수 있으며, 발광 다이오드 소자(반도체층)를 형성하기 쉽고, 열화가 적으며, 빛의 혼합성이 좋고, 색 얼룩이 적은 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 기판을 사용하면 InGaN계의 청색 발광 소자의 제작에 있어서 가장 실적이 있는 Al₂0₃ 등의 단결정 기판을 사용하여 InGaN계의 청색 발광 소자를 제작할 수 있고, InGaN계의 청색 발광 소자로부터 방출된 빛을, ZnSe 기판과 마찬가지로 직접 기판으로 유도하여, 청색광을 투과시키면서, 동시에 청색광의 일부를 흡수시켜서 황색광을 발생시키며, 또한 동시에, 복수의 결정상의 3차원적인 뒤얽힘에 의해, 효과적으로 여기광과 형광을 혼색하여 균일한 빛의 백색 발광 다이오드를 얻을 수 있다. 게다가, 이 기판 위에 청색 발광 소자를 제작하는 것만으로, 백색 발광 다이오드를 얻을 수 있으며, 발광 다이오드의 제작 공정을 대폭으로 간략화할 수 있다. 또한, 단결정 기판과 세라믹스 복합체의 접합시에 접합면에 다른 형광체를 존재시킴으로써, 색조의 제어가 가능한 기판을 제공할 수 있으며, 발광 다이오드의 색조의 제어를 매우 용이하게 할 수 있다는 특징도 갖는다. 이 색조 제어에 의해, 세라믹스 복합체의 발광 파장의 자유도가 커지기 때문에, 결과적으로 세라믹스 복합 재료의 조성적인 설계의 자유도를 증가시키게 된다.

본 발명의 발광 다이오드는, 상기한 발광 다이오드용 기판의 단결정층상에 발광 다이오드 소자를 형성하여 이루어지고, 발광 다이오드용 기판측으로부터 빛을 추출하는 것을 특징으로 한다.

도 1A는 본 발명의 발광 다이오드용 기판의 일실시형태를 도시하는 모식적 단면도이다. 도 1B는 본 발명의 발광 다이오드용 기판의 다른 실시형태를 도시하는 모식적 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 기판을 사용한 발광 다이오드의 일실시형태를 도시하는 모식도이다.

도 3은 실시예 1에서 얻어진 본 발명에 따른 광 변환용 세라믹 복합체의 조직 단면도이다.

도 4는 실시예 1에서 얻어진 본 발명에 따른 기판의 접합 모습을 도시하는 단면도이다.

도 5는 실시예 1에서 얻어진 발광 다이오드의 발광 스펙트럼도이다.

도 6은 실시예 2에서 얻어진 본 발명에 따른 기판의 접합층을 도시하는 단면도이다.

도 7은 실시예 3에서 얻어진 발광 다이오드의 발광 스펙트럼도이다.

이하, 도면을 사용하여, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 기판은, 예컨대 도 1A에 도시되는 바와 같은, 단결정층과 광 변환용 세라믹스 복합체층을 접합함으로써 적층한 구조이다. 도 1에 있어서, 발광 다이 오드용 기판(1)은 단결정층(2), 세라믹 복합체(3), 임의의 접합층(4)으로 이루어진다. 본 발명에 따른 단결정층은 그 위에 발광 다이오드 소자 등의 반도체를 형성 가능한 종래의 단결정으로 이루어지는 층이며, 예컨대, 산화알루미늄(Al₂O₃), 탄화규소(SiC), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN)을 들 수 있다.

본 발명에 따른 광 변환용 세라믹 복합체층은, 형광체를 포함하는 세라믹 복합 재료로 형성되며, 금속 산화물끼리가 연속적으로 또한 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어진다. 금속 산화물로서는, 단일 금속 산화물, 또는, 복합 산화물이 있으며, 상기 단일 금속 산화물 또는 상기 복합 금속 산화물은, 기능, 예컨대 형광을 발현하는 원소 등을 함유하고 있다. 이러한 응고체는 원료 금속 산화물을 융해한 후, 응고하여 만들어지는 복합 재료이다. 단일 금속 산화물이란, 1종류의 금속의 산화물이며, 복합 금속 산화물은 2종 이상의 금속의 산화물이다. 각각의 산화물은 3차원적으로 서로 얽힌 구조를 하고 있다. 또한, 이들의 서로 얽힌 산화물상 사이에 다른 산화물상이 존재하는 경우도 있다.

이러한 단일 금속 산화물로서는, 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화지르코늄(ZrO₂), 산화마그네슘(MgO), 산화실리콘(SiO₂), 산화티탄(TiO₂), 산화바륨(BaO), 산화베릴륨(BeO), 산화칼슘(CaO), 산화크롬(Cr₂O₃) 등 외에, 희토류 원소 산화물(La₂O₃, Y₂O₃, CeO₂, Pr₆O₁₁, Nd₂O₃, Sm₂O₃, Gd₂O₃, Eu₂O₃, Tb₄O₇, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Er₂O₃, Tm₂O₃, Yb₂O₃, Lu₂O₃)을 들 수 있다. 또한 복합 금속 산화물로서는 LaAlO₃, CeAlO₃, PrAlO₃, NdAlO₃, SmAlO₃, EuAlO₃, GdAlO₃, DyAlO₃, ErAlO₃, Yb₄Al₂O₉, Y₃Al₅O₁₂, Er₃Al₅O₁₂, Tb₃Al₅O₁₂, 11Al₂O₃·La₂O₃, 11Al₂O₃·Nd₂O₃, 3Dy₂O₃·5Al₂O₃, 2Dy₂O₃·Al₂O₃, 11Al₂O₃·Pr₂O₃, EuAl₁₁O₁₈, 2Gd₂O₃·Al₂O₃, 11Al₂O₃·Sm₂O₃, Yb₃Al₅O₁₂, CeAl₁₁O₁₈, Er₄Al₂O₉ 등을 들 수 있다.

단결정층이 되는 판과 광 변환용 세라믹스 복합체층이 되는 판을 접합하는 방법으로서는, 예컨대, 고온에서 직접 접합하는 방법을 사용할 수 있다. 이 방법은, 가장 간단한 방법이며 계면에 이상(異相)을 갖지 않는다는 점에서 가장 이상적인 방법이다. 단결정층이 되는 판으로서 알루미나 기판을 사용하는 경우, 접합의 온도, 시간은 1700℃∼1800℃, 1시간∼50시간 정도가 필요하다. 그 이상의 온도가 되면 단결정의 판과 세라믹스 복합체의 판의 변형이 일어난다. 또한, 저온에서는 접합이 거의 진행되지 않는다. 그러나, Al₂0₃ 단결정층과 세라믹스 복합체층을 고온에 장시간 노출시킬 필요가 있어 비용적으로는 불리하다.

이 문제를 해결하는 방법으로서, 단결정층과 세라믹스 복합체층의 접합면에, 매우 소량의 저융점 재료(예컨대 실리카)를 접합층으로서 개재시키는 방법이 있다. 이 방법에 의해, 보다 저온에서 접합이 가능해지며, 온도의 저감과 시간의 단축에 의해, 비용적인 메리트가 발생한다. 유리 등의 저융점 화합물을 개재시키는 경우에는, InGaN계 발광 다이오드의 프로세스상의 온도, 분위기에 고려하여 그 조성을 결정하지 않으면 안 된다. 대표적인 파이렉스(등록상표) 유리의 경우, 900℃∼1300℃, 1시간∼10시간 정도를 요한다. 접합 압력은 반드시 필요한 것은 아니지만, 압 력을 가하는 편이 보다 밀착성이 있으므로, 핫프레스 장치 등을 사용하여 0.01 ㎫∼100 ㎫와 같은 압력을 가하는 편이 바람직하다.

또한, 본 발명의 발광 다이오드용 기판의 일실시형태에서는, 상기 단결정층과 광 변환용 세라믹 복합체층 사이에, 양 층을 접착 가능하게 하는 물질로 이루어지는 접합층을 갖는다. 보다 저온에서 접합시키기 위하여 수지를 접합층으로서 사용하면 더욱 저온에서 접합(접착)이 가능하다. 이 경우, 그 접합층에 모든 형광체물질을 존재시키는 것이 가능해진다. 이 형광체에 의해 발광 다이오드의 색조의 제어가 가능해진다. 접합 부분에 존재시키는 형광체 물질은 각종의 형광 재료를 들 수 있으나, 백색 발광 다이오드에의 적용을 고려한 경우, 적색의 형광을 발하는 유로퓸으로 활성화한 Ca₂Si₅N₈, 유로퓸으로 활성화한 CaAlSiN₃와 같은 재료가 바람직하다. 접착 재료로서는 에폭시 수지, 실리콘 수지 등을 사용하는 것이 가능하다.

단결정층으로서 Al₂0₃ 단결정을 사용하고, 이 위에 InGaN계의 청색 발광 소자를 형성하면, 청색 발광 소자로부터 방출된 빛은, Al₂0₃ 단결정층으로 들어가고, 또한, 광 변환용 세라믹스 복합체층으로 입사된다. 청색광의 일부는 그대로 투과하고, 청색광의 일부는 광 변환용 세라믹스 복합체층에 흡수되어, 예컨대 황색의 빛이 새롭게 방출된다. 광 변환용 세라믹스 복합체층은, 복수의 결정상이 3차원적으로 서로 얽혀 있기 때문에, 이 얽힘에 있어서, 청색광과 황색광이 유효하게 혼합되어 방출된다.

또한, 도 1B에 도시되는 바와 같은 접합층을 개재시키는 것도 가능하다. 접 합층은 단결정층과 광 변환용 세라믹스 복합체층의 접합 온도를 저온화시켜, 프로세스의 간이화가 도모되는 것 외에, 새로운 기능을 부여하는 것이 가능해진다. 예컨대, 새로운 형광체를 부가함으로써, 색조를 제어하는 기능을 들 수 있다. 상기와 같은 청색과 황색의 빛의 혼색에 더해서 새로운 빛(예컨대, 적색)을 더하는 것이 가능하게 되어 색조의 제어가 가능해진다.

청색 발광 소자의 단결정층으로서는, Al₂0₃ 외에, SiC, ZnO, GaN을 사용하는 방법도 알려져 있다. 이 경우, SiC, ZnO, GaN의 판과 본 광 변환용 세라믹스 복합체의 판을 접합함으로써 동일한 기능을 발현하는 것이 가능하다.

이하 발광 다이오드 소자용의 기판 재료에 대하여 서술하지만, 본 기판은 단결정층과 세라믹스 복합체층을 구성하는 재료의 원소의 조합에 의해, 여러 가지 적용이 고려되므로 본 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 사용하는 Al₂0₃ 단결정층이 되는 판은 CZ법, EFG법 등에 의해 융액(融液)으로부터 제작되지만, 이들은 널리 시판되고 있으므로 시판품을 이용할 수 있다.

InGaN계의 청색 발광 소자를 제작하기 위해서는 Al₂0₃ 단결정층이 되는 판과 광 변환용 세라믹스 복합체층이 되는 판을 접합하는 것이 바람직하다. 이 때문에 광 변환용 세라믹스 복합체층에도 Al₂0₃ 결정을 포함하는 것이 바람직하다. Al₂0₃를 포함하는 광 변환용 세라믹 복합체를 사용하면, Al₂0₃ 단결정층과의 접합면에 있어 서 굴절률의 차가 매우 작아져서, 효과적으로 빛을 투과할 수 있게 된다. 특히, Al₂0₃ (0001)을 기판면으로 할 때에는, 광 변환 재료의 Al₂0₃는 (0001)면에서 접합시키는 것이 보다 바람직하고, 이렇게 함으로써, Al₂0₃층의 접합 부분에서는 결정 방위에 의한 굴절률의 차가 없어져서, 가장 효율적으로 빛의 투과를 행할 수 있게 되기 때문이다.

광 변환용 세라믹스 복합체층의 Al₂0₃ 결정과 공존하는 결정상으로서는, 적어도 세륨으로 활성화된 복합 금속 산화물인 A₃X₅0₁₂형 결정인 것이 바람직하다. 구조식 중 A에는 Y, Tb, Sm, Gd, La, Er의 군에서 선택되는 1종 이상의 원소, 마찬가지로 구조식 중 X에는 Al, Ga에서 선택되는 1종 이상의 원소가 포함되는 경우가 특히 바람직하다. 이 특히 바람직한 조합으로 이루어지는 광 변환용 세라믹 복합체는, 자색으로부터 청색의 빛을 투과하면서, 그 일부를 흡수하여, 황색의 형광을 발하기 때문이다. 그 중에서도 세륨으로 활성화된 Y₃Al₅O₁₂와, Al₂0₃ 결정의 조합은 강한 형광을 발하기 때문에 매우 적합하다.

광 변환용 세라믹스 복합체에 있어서의 매우 중요한 특징은, 각 결정상이 독립적인 것이 아니라, 각 상이 불가분한 관계로서 일체화하고 있는 것이다. 상기의 Al₂0₃ 결정과 Y₃Al₅O₁₂:Ce로 이루어지는 광 변환용 세라믹스 복합체의 경우, 단순히 2개의 결정이 존재하는 것이 아니라, Al₂0₃도 아닌 Y₃Al₅O₁₂도 아닌 조성을 갖는 1종류의 융액으로부터 동시에 Al₂0₃ 결정과 Y₃Al₅O₁₂:Ce 결정이 결정화를 한 결과로서 2개 의 결정이 존재하고 있는 것으로, 독립적으로 2개의 결정이 존재하는 경우와는 다르다. 이러한 의미에서 2개의 결정은 불가분하다. 이러한 응고체는 단순한 Al₂0₃ 결정과 YAG:Ce 결정이 혼재하고 있는 상태와는 본질적으로 다르며, 이 때문에, 이 세라믹스 복합체는 특이한 형광 거동을 나타낸다.

광 변환용 세라믹스 복합체층을 구성하는 응고체는, 원료 금속 산화물을 융해한 후, 응고시킴으로써 제작된다. 예컨대, 소정 온도로 유지한 도가니에 넣은 용융물을, 냉각 온도를 제어하면서 냉각 응결시키는 간단한 방법으로 응고체를 얻을 수 있으나, 가장 바람직한 것은 일방향 응고법에 의해 제작된 것이다. 일방향 응고를 행함으로써 포함되는 결정상이 단결정 상태, 또는 그것에 유사한 상태로 연속적으로 성장하여, 각 상이 단일의 결정 방위로 되기 때문이다.

본 발명에 사용하는 광 변환용 세라믹 복합체는, 적어도 하나의 상이 형광을 발하는 금속 원소 산화물을 함유하고 있는 것을 제외하고, 본원 출원인이 앞서 일본 특허 공개 평성 제7-149597호 공보, 일본 특허 공개 평성 제7-187893호 공보, 일본 특허 공개 평성 제8-81257호 공보, 일본 특허 공개 평성 제8-253389호 공보, 일본 특허 공개 평성 제8-253390호 공보 및 일본 특허 공개 평성 제9-67194호 공보 그리고 이들에 대응하는 미국 출원(미국 특허 제5,569,547호, 미국 특허 제5,484,752호, 미국 특허 제5,902,963호) 등에 개시한 세라믹스 복합 재료와 동일한 것일 수 있으며, 이들 공보에 개시한 제조 방법으로 제조할 수 있다.

본 발명의 기판상에 형성하는 반도체층의 일례로서의 질화물 반도체층은, 복 수의 질화물계 화합물 반도체의 층으로 이루어진다. 복수의 질화물계 화합물 반도체의 층은, 각각, 일반식, In_xAl_yGa_{1 -x- y}N(0≤x≤1, O≤y≤1, O≤x+y≤1)으로 표시되는 질화물계 화합물에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 그리고, 질화물 반도체층은, 적어도 가시광을 발하는 발광층을 갖는다. 양호한 발광층을 형성하기 위해서는, 각각의 층으로, 각 기능에 최적인 조성으로 조정한 복수의 질화물계 화합물 반도체의 층을 적층하는 것이 바람직하다.

복수의 질화물계 화합물 반도체의 층 및 이들 층의 형성 방법은, 예컨대, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34(1995), L798 등에 개시되어 있는 바와 같이 공지의 기술이다. 구체적으로는, 기판상에, GaN의 버퍼층, n전극이 형성되는 n형-GaN:Si 콘택트층, n형-Al_{0 .5}Ga_{0 .9}N:Si층, n형-In_{0 .05}Ga_{0 .95}N:Si층, 단일 양자 우물 구조형 발광층을 형성하는 InGaN층, p형-Al_{0 .1}Ga_{0 .9}N:Mg 장벽층, p전극이 형성되는 p형-GaN:Mg층을 MOCVD 등의 방법에 의해, 순서대로 적층함으로써 얻을 수 있다. 발광층의 구조는 그 외에, 다중 양자 우물 구조나, 호모 구조, 헤테로 구조 또는 더블헤테로 구조로 해도 좋다. 이와 같이 제작한 발광 다이오드 소자를, 도 2에 도시하는 바와 같은 패키지에 넣고, 전극과 접속하는 것만으로, 백색 발광 다이오드로서 사용할 수 있다.

도 2에 있어서, 참조 숫자 1은 발광 다이오드용 기판, 2는 단결정층, 3은 세라믹 복합체, 5는 발광 소자(다이오드 소자), 6, 7은 전극, 8은 패키지이다.

실시예

이하, 구체적인 예를 들어, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

(실시예 1)

α-Al₂0₃ 분말(순도 99.99%)과 Y₂0₃ 분말(순도 99.999%)을 몰비로 82:18이 되도록, 또한 CeO₂ 분말(순도 99.99%)을 준비하여 산화물의 반응에 의해 생성하는 Y₃Al₅O₁₂ 1몰에 대하여 0.03몰이 되도록 칭량하였다. 이들 분말을 에탄올 중, 볼 밀에 의해 16시간 습식 혼합한 후, 증발기(evaporator)를 사용하여 에탄올을 탈매(脫媒)해서 원료 분말을 얻었다. 원료 분말은 진공로 속에서 예비 용해하여 일방향 응고의 원료로 하였다.

다음으로, 이 원료를 그대로 몰리브덴 도가니에 넣고, 일방향 응고 장치에 세트하여, 1.33×10^-3 Pa(10^-5 Torr)의 압력하에서 원료를 융해하였다. 다음으로 동일한 분위기에 있어서 도가니를 5 ㎜/시간의 속도로 하강시켜서, 가닛형 결정인 Y₃Al₅O₁₂:Ce와 α형 산화알루미늄형 결정인 Al₂0₃로 이루어지는 응고체를 얻었다. 얻어진 응고체는 황색을 띠고 있었다.

응고체의 응고 방향에 평행한 단면 조직을 도 3에 도시한다. 흰 부분이 Y₃Al₅O₁₂:Ce 결정, 검은 부분이 Al₂0₃ 결정이다. 두 개의 결정이 서로 얽힌 조직을 갖고 있음을 알 수 있다.

세라믹스 복합 재료로부터, 다이아몬드 커터로 10 ㎜×10 ㎜, 두께 1 ㎜의 기판을 잘라내고, 또한, 연삭반으로 0.6 ㎜의 두께로 마무리하고, 또한 한쪽의 표 면을 연마하여 경면(鏡面)으로 하였다. 이 평균 표면 거칠기를 측정한 결과 0.014 미크론이었다. 한편, Al₂0₃ 단결정은 시판품의 (0001)면의 기판을 사용하였다. 크기는 10 ㎜×10 ㎜, 두께 0.5 ㎜, 표면 거칠기는 1 ㎚였다.

다음으로, 광 변환용 세라믹스 복합체의 판을 하측에 배치하고, 그 위에, Al₂0₃ 단결정의 판을 실어서, 전기로에 설치하였다. 이때, Al₂0₃ 단결정의 판과 광 변환용 세라믹스 복합체의 판의 경면끼리가 마주보도록 배치하였다. 이 시료를, 대기 중, 1700℃에서 20시간 유지하여 접합함으로써 적층하였다. 도 4에 접합 후의 접합 모습을 나타내는 단면도를 도시한다. 상측이 Al₂0₃ 단결정 기판이고, 하측이 세라믹스 복합체 기판이다. 양자가 밀착되어 있음을 알 수 있다. 특히 Al₂0₃의 부분은 동일한 결정상이기 때문에, 매우 양호한 접합이 가능하다.

접합에 의해 작성한 기판의 Al₂0₃ 단결정층 (0001)면상에 TMG(트리메틸갈륨) 가스, TMA(트리메틸알루미늄) 가스, 질소 가스 및 도펀트(dopant) 가스를 캐리어 가스와 함께 흘리고, MOCVD법으로 질화물계 화합물 반도체를 제막(製膜)하여, 청색 발광층을 얻었다. 도펀트 가스로서 SiH₄와 Cp₂Mg를 전환함으로써 n형 질화물계 화합물 반도체와 p형 질화물계 화합물 반도체를 형성하여, pn 접합을 형성시켰다. 구체적으로는, Al₂0₃ 단결정층상에 GaN의 버퍼층을 통하여, n전극이 형성되는 n형-GaN:Si 콘택트층, n형-Al_{0 .5}Ga_{0 .9}N:Si층, n형-In_{0 .05}Ga_{0 .95}N:Si층, 단일 양자 우물 구조 형 발광층을 형성하는 InGaN층, p형-Al_{0 .1}Ga_{0 .9}N:Mg 장벽층, p전극이 형성되는 p형-GaN:Mg층을 형성하였다. pn 각 전극을 스퍼터법에 의해 형성하고, 기판에 스크라이브 라인(scribe line)을 그리며, 외력을 가함으로써 분할하여, 발광 다이오드를 얻었다.

얻어진 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 도 5에 도시한다. 질화물 반도체층으로부터의 청색광과, 그것에 의해 여기된 세라믹 복합체층으로부터의 황색의 형광이 관측되었다. 이 기판으로부터 방출된 빛은, 또한, 본 기판 내에서 고르게 혼합되어, 양호한 백색광이 얻어졌다.

(실시예 2)

직경 10 ㎚∼20 ㎚의 구형 비정질(amorphous) 실리카를 30% 포함하는 용액을, 실시예 1에서 제작한 광 변환용 세라믹스 복합체의 10 ㎜×10 ㎜의 판상에 스핀코터를 사용하여 도포하였다. 도포 후, 이 기판을 60℃로 가열하여, 용매 성분을 제거하였다. 그 후에, 이 광 변환용 세라믹스 복합체의 판의 비정질 실리카 도포면상에 실시예 1과 동일한 Al₂0₃ 단결정의 판을 실어서, 핫프레스 장치에 설치하고, 0.03 ㎫로 가압을 하면서 1300℃로 가열하고 2시간 유지해서 서서히 냉각하였다. 얻어진 기판을 도 6에 도시한다. 상측이 Al₂0₃ 단결정의 판이고, 하측이 광 변환용 세라믹스 복합체의 판이다. 계면에는 접착상인 실리카상이 존재하고 있다.

이렇게 해서 제작한 발광 다이오드용 기판을 사용하여 실시예 1과 동일하게 제작한 발광 다이오드는, 실시예 1에서 얻어진 기판과 마찬가지로, 질화물 반도체 층으로부터의 청색광과, 그것에 의해 여기된 세라믹 복합체층으로부터의 황색의 형광이 관측되었다. 이 기판으로부터 방출된 빛은, 또한, 본 기판 내에서 고르게 혼합되어, 양호한 백색광이 얻어졌다.

(실시예 3)

에폭시 수지와 적색 형광체로서 CaAlSiN₃ 분말을 중량비로 1:1로 칭량하고, 페인트 쉐이커로 30분 혼합하여, 혼합 슬러리를 얻었다. 이것을 진공 데시케이터(desiccator)에 넣어 탈포(脫泡)하였다. 이 페이스트를 실시예 1에서 제작한 광 변환용 세라믹스 복합체의 판상에 도포하였다. 또한, 실시예 1과 동일한 방법으로 제작한 청색 발광 소자가 작성된 사파이어 기판과 광 변환용 세라믹스 복합체를 부착시켰다. 이 재료를 150℃의 항온조에 넣어 수지를 경화시켰다. 얻어진 기판에 스크라이브 라인을 그리고, 외력을 가함으로써 분할하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다.

얻어진 소자의 발광 스펙트럼을 도 7에 도시하였다. 청색의 발광과, 기판으로부터의 황색의 형광의 발광과, 적색 형광체로부터의 적색의 발광이 부가되어, 650 ㎚의 발광이 강조된 발광 스펙트럼이 얻어졌다. 이 빛은 난색계의 백색이었다. 이것으로부터 색조 제어가 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에 따르면, 형광체 분말을 사용하지 않고, 양호한 발광 다이오드 소자가 형성 가능하며, 열화가 적고, 발광 다이오드 소자의 빛을 투과 및, 투과광의 일부를 이용하여 발광하며, 게다가 투과광과 새로운 발광의 빛을 혼합하여 방출할 수 있는 발광 다이오드용 기판, 및 그 기판을 사용한 발광 다이오드가 제공되기 때문에, 산업상 유용하다.

Claims (12)

1. 발광 다이오드 소자가 형성 가능한 단결정층과, 단일 금속 산화물 및 복합 금속 산화물에서 선택되는 적어도 2개 이상의 산화물상(酸化物相)이 연속적으로 또한 3차원적으로 서로 얽혀서 형성되어 있는 응고체로 이루어지는 광 변환용 세라믹스 복합체층이 적층된 발광 다이오드용 기판으로서, 상기 응고체 중의 산화물상 중 하나 이상은 형광을 발하는 금속 원소 산화물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 기판.
2. 제1항에 있어서, 상기 단결정층이, Al₂O₃, SiC, ZnO, 및 GaN으로 이루어지는 군에서 선택되는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 기판.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단결정층과 상기 광 변환용 세라믹스 복합체층이 직접적으로 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 기판.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단결정층과 상기 광 변환용 세라믹스 복합체층 사이에, 상기 양 층을 접합하는 것이 가능한 물질로 이루어지는 접합층을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 기판.
5. 제4항에 있어서, 상기 접합층이 수지인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 기판.
6. 제4항에 있어서, 상기 접합층이 실리카인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 기판.
7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접합층에 형광 물질을 존재시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 기판.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단결정층이 Al₂O₃이고, 상기 광 변환용 세라믹스 복합체층이 Al₂O₃ 결정과, 세륨으로 활성화된 A₃X₅O₁₂형 결정(식 중, A는 Y, Tb, Sm, Gd, La, Er의 군에서 선택되는 1종 이상의 원소, X는 Al, Ga에서 선택되는 1종 이상의 원소이다.)을 포함하는 세라믹스 복합체인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 기판.
9. 세륨으로 활성화된 A₃X₅O₁₂형 결정이 Y₃Al₅O₁₂:Ce인 것을 특징으로 하는, 제8항에 기재된 발광 다이오드.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 발광 다이오드용 기판의 상기 단 결정층상에 발광 다이오드 소자를 형성하여 이루어지고, 상기 발광 다이오드용 기판측으로부터 빛을 추출하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
11. 제10항에 있어서, 상기 발광 다이오드 소자가 InGaN계 발광 다이오드 소자인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
12. 제10항에 있어서, 상기 발광 다이오드 소자가, 일반식, In_xAl_yGa_{1 -x- y}N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 표시되는 질화물계 화합물의 복수의 층에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.

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