KR20090015966A - 재발광 반도체 구성을 갖는 개조된 ｌｅｄ 소자 - Google Patents

재발광 반도체 구성을 갖는 개조된 ｌｅｄ 소자 Download PDF

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KR20090015966A
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마이클 에이. 하세
토마스 제이. 밀러
앤드류 제이. 오더커크
캐더린 에이. 레더데일
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

물품은 발광면을 갖는 LED를 포함한다. 재발광 반도체 구성은 발광면을 갖고, LED에 의해 발광된 광을 상이한 파장의 광으로 변환시킨다. 발광면들 중 하나 이상은 내부 전반사를 감쇠시킨다.
발광면, LED, 재발광 반도체, 내부 전반사, 파장

Description

재발광 반도체 구성을 갖는 개조된 ＬＥＤ 소자{ADAPTED LED DEVICE WITH RE-EMITTING SEMICONDUCTOR CONSTRUCTION}
관련 출원과의 상호 참조
본 출원은 2006년 6월 14일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/804800호의 이득을 청구하며, 상기 가특허 출원의 개시 내용은 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다.
본 출원인의 공동 소유이고 현재 계류 중인 하기의 미국 특허 출원 제11/009217호 및 제11/009241호가 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명은 광원에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 광 추출을 증가시키도록 구성된 발광 다이오드(LED) 및 재발광 반도체 구성을 포함하는 광원에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 전류가 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이로 통과할 때 광을 발광하는 고체 반도체 소자이다. 종래의 LED는 하나의 pn 접합부(junction)를 포함한다. pn 접합부는 중간의 도핑되지 않은 영역을 포함할 수 있는데, 이러한 유형의 pn 접합부는 또한 pin 접합부라 부를 수 있다. 비발광 반도체 다이오드와 마찬가지로, 종래의 LED는 일 방향으로, 즉 전자가 n-영역에서 p 영역으로 이동하는 방향으로 훨씬 더 용이하게 전류를 통과시킨다. 전류가 LED를 통해 "순"방향(forward direction)으로 통과할 때, n-영역으로부터의 전자는 p-영역으로부터의 정공(hole)과 재결합되어 광의 광자(photon)를 생성한다. 종래의 LED에 의해 발광된 광은 보기에는 단색성(monochromatic)인데, 즉 이 광은 하나의 좁은 대역의 파장으로 발생한다. 발광된 광의 파장은 전자-정공 쌍 재결합과 관련된 에너지에 대응한다. 가장 간단한 경우에, 이 에너지는 대략적으로 재결합이 발생하는 반도체의 밴드 갭 에너지(band gap energy)이다.
종래의 LED는 높은 농도의 전자 및 정공의 둘 모두를 포착(capture)하여 광 생성 재결합을 향상시키는 하나 이상의 양자 우물을 pn 접합부에 추가적으로 포함할 수 있다. 몇몇 연구자들이 백색광 또는 3색 지각의 인간의 눈에 백색으로 보이는 광을 발광하는 LED 소자를 제조하려고 시도해 왔다.
일부 연구자들은 서로 다른 파장의 광을 발광하도록 의도된 다수의 양자 우물을 pn 접합부 내에 갖는 LED의 의도된 설계 또는 제조를 보고하고 있다. 이하의 참고 문헌은 그러한 기술에 관련될 수 있다: 미국 특허 제5,851,905호; 미국 특허 제6,303,404호; 미국 특허 제6,504,171호; 미국 특허 제6,734,467호; 문헌[Damilano et al., Monolithic White Light Emitting Diodes Based on InGaN/GaN Multiple-Quantum Wells, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40 (2001) pp. L918-L920]; 문헌[Yamada et al., Re-emitting semiconductor construction Free High-Luminous-Efficiency White Light-Emitting Diodes Composed of InGaN Multi-Quantum Well, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002) pp. L246-L248]; 문헌[Dalmasso et al., Injection Dependence of the Electroluminescence Spectra of Re-emitting semiconductor construction Free GaN-Based White Light Emitting Diodes, phys. stat. sol. (a) 192, No. 1, 139-143 (2003)].
일부 연구자들은 서로 다른 파장의 광을 독립적으로 발광하도록 의도된 2개의 종래의 LED를 하나의 소자로 조합하는 LED 소자의 의도된 설계 또는 제조를 보고하고 있다. 이하의 참고 문헌은 그러한 기술에 관련될 수 있다: 미국 특허 제5,851,905호; 미국 특허 제6,734,467호; 미국 특허 출원 공개 제2002/0041148 A1호; 미국 특허 출원 공개 제2002/0134989 A1호; 및 문헌[Luo et al., Patterned three-color ZnCdSe/ZnCdMgSe quantum-well structures for integrated full-color and white light emitters, App. Phys. Letters, vol. 77, no. 26, pp. 4259-4261 (2000)].
일부 연구자들은 LED 요소에 의해 발광된 광의 일부분을 흡수하고 더 긴 파장의 광을 재발광하도록 의도된 이트륨 알루미늄 가닛(YAG)과 같은 화학적 재발광 반도체 구성을 종래의 LED 요소에 조합하는 LED 소자의 의도된 설계 또는 제조를 보고하고 있다. 미국 특허 제5,998,925호 및 미국 특허 제6,734,467호는 그러한 기술에 관련될 수 있다.
일부 연구자들은 LED 요소에 의해 발광된 광의 일부분을 흡수하고 더 긴 파장의 광을 재발광하도록 의도된 발광 중심체(fluorescing center)를 기판에 생성하기 위해 I, Al, Cl, Br, Ga 또는 In으로 n-도핑된 ZnSe 기판 상에 성장된 LED의 의도된 설계 또는 제조를 보고하고 있다. 미국 특허 출원 제6,337,536호 및 일본 특 허 출원 공개 제2004-072047호가 그러한 기술에 관련될 수 있다.
미국 특허 출원 공개 제2005/0023545호가 본 명서세에 참고로 포함된다.
요약하면, 본 발명은 광 추출을 증가시키도록 구성된 발광 다이오드(LED) 및 재발광 반도체 구성을 포함하는 광원에 관한 것이다.
본 출원에서,
반도체 소자의 층의 스택과 관련하여, "바로 인접한"은 개재층이 없이 순서상 다음을 의미하고, "근접한"은 하나 또는 몇 개의 개재층이 있는 상태에서 순서상 다음을 의미하고, "주위"(surrounding)는 순서상 앞과 뒤 둘 모두를 의미하고,
"포텐셜 우물"(potential well)은 주위 층보다 낮은 전도대 에너지 또는 주위 층보다 높은 가전자대 에너지, 또는 둘 모두를 갖는 반도체 소자 내의 반도체의 층을 의미하고,
"양자 우물"(quantum well)은 양자화 효과가 우물 내의 전자-정공 쌍 전이 에너지를 상승시키기에 충분히 얇은, 전형적으로 두께가 100 ㎚ 이하인 포텐셜 우물을 의미하고,
"전이 에너지"(transition energy)는 전자-정공 재결합 에너지를 의미하고,
"격자-정합"(lattice match)은, 기판 상의 에피택셜 필름과 같이 두 가지의 결정질 재료와 관련하여, 분리되어 있는 각각의 재료가 소정의 격자 상수를 가지는데, 이들 격자 상수가 사실상 동일하며, 전형적으로 서로 0.2% 이하로 차이가 나고, 더욱 전형적으로는 서로 0.1% 이하로 차이가 나고, 가장 전형적으로는 서로 0.01% 이하로 차이가 나는 것을 의미하고,
"유이격자정합"(pseudomorphic)은, 에피택셜 필름 및 기판과 같이 주어진 두께의 제1 결정질 층 및 제2 결정질 층과 관련하여, 분리되어 있는 각각의 층이 소정의 격자 상수를 가지는데, 이들 격자 상수가 충분히 유사하여 부정합 결함(misfit defect)이 사실상 없이 소정 두께의 제1 층이 당해 층의 평면에서 제2 층의 격자 간격(lattice spacing)을 채용할 수 있음을 의미한다.
n-도핑 및 p-도핑 반도체 영역을 포함하는 본 명세서에 설명된 본 발명의 임의의 실시예에서, n 도핑이 p 도핑과 바뀌고 역으로도 성립하는 추가의 실시예가 본 명세서에 개시된 바와 같이 고려되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.
"포텐셜 우물", "제1 포텐셜 우물", "제2 포텐셜 우물", 및 "제3 포텐셜 우물"의 각각이 본 명세서에 언급되는 경우, 하나의 포텐셜 우물이 제공될 수 있거나, 또는 전형적으로 유사한 특성을 공유하는 다수의 포텐셜 우물이 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 마찬가지로, "양자 우물", "제1 양자 우물", "제2 양자 우물" 및 "제3 양자 우물"의 각각이 본 명세서에 언급되는 경우, 하나의 양자 우물이 제공될 수 있거나, 또는 전형적으로 유사한 특성을 공유하는 다수의 양자 우물이 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성 내의 반도체의 전도대 및 가전자대의 평탄 대역 다이어그램(층 두께는 척도에 따라 표현되어 있지는 않음).
도 2는 다양한 II-VI족 2원 화합물 및 그 합금에 대한 격자 상수 및 밴드 갭 에너지를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자로부터 발광하는 광의 스펙트럼을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구성 내의 반도체의 전도대 및 가전자대의 평탄 대역 다이어그램(층 두께는 척도에 따라 표현되어 있지는 않음).
본 발명은 광 추출을 증가시키도록 구성된 LED 및 재발광 반도체 구성을 포함하는 소자에 관한 것이다. 전형적으로, LED는 제1 파장의 광을 발광할 수 있고, 재발광 반도체 구성은 제1 파장의 광을 흡수하고 제2 파장의 광을 재발광할 수 있다. 재발광 반도체 구성은 pn 접합부 내에 위치되지 않은 포텐셜 우물을 포함한다. 재발광 반도체 구성의 포텐셜 우물은 전형적으로는 양자 우물이지만 반드시 그럴 필요는 없다.
전형적인 작동시, LED는 전류에 응답하여 광자를 방출하고, 재발광 반도체 구성은 LED로부터 방출된 광자의 일부분의 흡수에 응답하여 광자를 방출한다. 일 실시예에서, 재발광 반도체 구성은 포텐셜 우물에 근접한 또는 바로 인접한 흡수층을 추가적으로 포함한다. 흡수층은 전형적으로 LED에 의해 방출된 광자의 에너지보다 작거나 같고 재발광 반도체 구성의 포텐셜 우물의 전이 에너지보다 큰 밴드 갭 에너지를 갖는다. 전형적인 작동시, 흡수층은 LED로부터 방출된 광자의 흡수를 돕는다. 일 실시예에서, 재발광 반도체 구성은, pn 접합부 내에 위치되지 않고 제1 포텐셜 우물의 전이 에너지와 같지 않은 제2 전이 에너지를 갖는 하나 이상의 제 2 포텐셜 우물을 추가적으로 포함한다. 일 실시예에서, LED는 UV LED이다. 그러한 일 실시예에서, 재발광 반도체 구성은, pn 접합부 내에 위치되지 않고 청색 파장 광에 대응하는 제1 전이 에너지를 갖는 하나 이상의 제1 포텐셜 우물과, pn 접합부 내에 위치되지 않고 녹색 파장 광에 대응하는 제2 전이 에너지를 갖는 하나 이상의 제2 포텐셜 우물과, pn 접합부 내에 위치되지 않고 적색 파장 광에 대응하는 제3 전이 에너지를 갖는 하나 이상의 제3 포텐셜 우물을 포함한다. 일 실시예에서, LED는 가시광 LED, 전형적으로 녹색, 청색 또는 자색 LED, 더 전형적으로는 녹색 또는 청색 LED, 가장 전형적으로는 청색 LED이다. 그러한 일 실시예에서, 재발광 반도체 구성은, pn 접합부 내에 위치되지 않고 황색 또는 녹색 파장 광, 더 전형적으로는 녹색 파장 광에 대응하는 제1 전이 에너지를 갖는 하나 이상의 제1 포텐셜 우물과, pn 접합부 내에 위치되지 않고 주황색 또는 적색 파장 광, 더 전형적으로는 적색 파장 광에 대응하는 제2 전이 에너지를 갖는 하나 이상의 제2 포텐셜 우물을 포함한다. 재발광 반도체 구성은 추가적인 포텐셜 우물 및 추가적인 흡수층을 포함할 수 있다.
임의의 적합한 LED가 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. LED 및 재발광 반도체 구성을 포함하는 본 발명에 따른 소자의 요소는 (발광층 외에) Si 또는 Ge와 같은 IV족 원소, InAs, AlAs, GaAs, InP, AlP, GaP, InSb, AlSb, GaSb 및 그 합금과 같은 III-V족 화합물, ZnSe, CdSe, BeSe, MgSe, ZnTe, CdTe, BeTe, MgTe, ZnS, CdS, BeS, MgS 및 그 합금과 같은 II-VI족 화합물, 또는 상기의 임의의 것들의 합금을 포함하는 임의의 적합한 반도체로 구성될 수 있다. 적절한 경우에, 반도체는 임의의 적합한 방법에 의해 또는 임의의 적합한 도펀트의 함유에 의해 n-도핑되거나 p-도핑될 수 있다. 전형적인 일 실시예에서, LED는 III-V족 반도체 소자이고, 재발광 반도체 구성은 II-VI족 반도체 소자이다.
본 발명의 일 실시예에서, LED와 또는 재발광 반도체 구성과 같은 소자의 구성요소의 다양한 층의 조성은 하기의 고려 사항의 관점에서 선택된다. 각각의 층은 전형적으로 이 층에 대해 주어진 두께에서 기판에 유이격자정합이거나 기판에 격자 정합될 수 있다. 대안적으로, 각각의 층은 바로 인접한 층에 유이격자정합 또는 격자 정합될 수 있다. 포텐셜 우물층 재료 및 두께는 전형적으로 원하는 전이 에너지를 제공하도록 선택되고, 이는 양자 우물로부터 발광될 광의 파장에 대응할 것이다. 예를 들어, 도 2에 460 ㎚, 540 ㎚ 및 630 ㎚로 표기된 점은 InP 기판에 대한 격자 상수(5.8687 옹스트롬 또는 0.58687 ㎚)에 근접한 격자 상수, 및 460 ㎚(청색), 540 ㎚(녹색) 및 630 ㎚(적색)의 파장에 대응하는 밴드 갭 에너지를 갖는 Cd(Mg)ZnSe 합금을 나타낸다. 양자화에 의해 전이 에너지가 우물 내의 벌크 밴드 갭 에너지를 초과하여 상승할 만큼 포텐셜 우물층이 충분히 얇은 경우, 이 포텐셜 우물은 양자 우물로서 간주될 수 있다. 각각의 양자 우물층의 두께는 양자 우물 내의 양자화 에너지의 양을 결정할 것인데, 이 양자화 에너지의 양은 벌크 밴드 갭 에너지에 추가되어 양자 우물 내의 전이 에너지를 결정한다. 따라서, 각각의 양자 우물과 관련된 파장은 양자 우물층 두께의 조정에 의해 조절될 수 있다. 전형적으로 양자 우물층의 두께는 1 ㎚ 내지 100 ㎚, 더 전형적으로는 2 ㎚ 내지 35 ㎚이다. 전형적으로, 양자화 에너지는 밴드 갭 에너지만에 기초하여 예측되는 것 에 대해 20 내지 50 ㎚의 파장 감소로 이어진다. 유이격자정합 층들 사이의 격자 상수의 불완전한 정합으로부터 기인하는 변형(strain)을 비롯한 발광층 내의 변형이 또한 포텐셜 우물 및 양자 우물에 대한 전이 에너지를 변경시킬 수 있다.
변형된 또는 변형되지 않은 포텐셜 우물 또는 양자 우물의 전이 에너지를 계산하기 위한 기술은 당업계에, 예를 들어 문헌[Herbert Kroemer, Quantum Mechanics for Engineering, Materials Science and Applied Physics (Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1994) at pp. 54-63]; 및 문헌[Zory, ed., Quantum Well Lasers (Academic Press, San Diego, California, 1993) at pp. 72-79]에 공지되어 있고, 이들 둘 모두는 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.
적외선, 가시광선 및 자외선 대역 내의 발광 파장을 비롯하여 임의의 적합한 발광 파장이 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 발광 파장은 소자에 의해 발광된 광의 조합된 출력이 임의의 색상의 외관을 생성하도록 선택되는데, 이 임의의 색상은 백색 또는 거의 백색, 파스텔색, 마젠타, 시안 등을 포함하는 2개, 3개 또는 그 이상의 단색 광원의 조합에 의해 발생될 수 있다. 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 소자는 보이지 않는 적외선 또는 자외선 파장의 광 및 이 소자가 작동 중이라는 표시(indication)로서 가시광선 파장의 광을 발광한다. 전형적으로, LED는 최단 파장의 광자를 방출하여, LED로부터 방출된 광자가 재발광 반도체 구성 내의 포텐셜 우물을 구동하기에 충분한 에너지를 갖는다. 전형적인 일 실시예에서, LED는 III-V족 반도체 소자, 예를 들어 청색 발광 GaN계 LED이고, 재발광 반도체 구성은 II-VI족 반도체 소자이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재발광 반도체 구성 내의 반도체의 전도대 및 가전자대를 도시하는 대역 다이어그램이다. 층 두께는 척도에 따라 표현되어 있지는 않다. 표 I은 본 실시예의 층(1 내지 9)의 조성 및 그 조성에 대한 밴드 갭 에너지(Eg)를 나타낸다. 이러한 구성은 InP 기판 상에서 성장할 수 있다.
Figure 112008085001668-PCT00001
층(3)은 약 10 ㎚의 두께를 갖는 적색 발광 양자 우물인 하나의 포텐셜 우물을 나타낸다. 층(7)은 약 10 ㎚의 두께를 갖는 녹색 발광 양자 우물인 하나의 포텐셜 우물을 나타낸다. 층(2, 4, 6, 8)은 각각 약 1000 ㎚의 두께를 갖는 흡수층을 나타낸다. 층(1, 5, 9)은 지지층을 나타낸다. 지지층은 양자 우물(3, 7) 및 단파장 LED(20)로부터 발광된 광에 실질적으로 투과성이 되도록 전형적으로 선택된다. 대안적으로, 소자는 흡수층 및/또는 지지층에 의해 분리된 다수의 적색 또는 녹색 발광 포텐셜 우물 또는 양자 우물을 포함할 수 있다.
이론에 구애되지 않기를 바라면서, 도 1에 도시된 본 발명의 실시예는 하기의 원리에 따라 동작하는 것으로 믿어진다: LED에 의해 방출되어 재발광 반도체 구성 상에 충돌하는 청색 파장 광자가 흡수되고, 녹색 발광 양자 우물(7)로부터 녹색 파장 광자로서 재발광되거나 적색 발광 양자 우물(3)로부터 적색 파장 광자로서 재발광될 수 있다. 단파장 광자의 흡수는 전자-정공 쌍을 생성하고, 이 전자-정공 쌍은 이어서 양자 우물 내에서 재결합되어 광자가 방출될 수 있다. 소자로부터 발광된 청색, 녹색 및 적색 파장 광의 다색 조합은 백색 또는 거의 백색을 나타낼 수 있다. 소자로부터 발광된 청색, 녹색 및 적색 파장 광의 강도는 각 유형의 양자 우물의 개수의 조작, 필터 또는 반사층의 사용, 및 흡수층의 두께 및 조성의 조작을 포함하는 임의의 적합한 방식으로 평형을 이룰 수 있다. 도 3은 본 발명에 따른 소자의 일 실시예로부터 발광된 광의 스펙트럼을 도시한다.
도 1에 도시된 실시예를 다시 참조하면, 흡수층(2, 4, 5, 8)은 LED로부터 방출된 광자의 에너지와 양자 우물(3, 7)의 전이 에너지 사이의 중간에 있는 흡수층에 대한 밴드 갭 에너지를 선택함으로써 LED로부터 방출된 광자를 흡수하도록 구성될 수 있다. 흡수층(2, 4, 6, 8) 내의 광자의 흡수에 의해 발생된 전자-정공 쌍은 전형적으로 양자 우물(3, 7)에 의해 포착되고, 그 후 재결합되고 동시에 광자의 방출이 일어난다. 흡수층은 선택적으로 이들의 두께의 전체 또는 일부에 걸쳐 조성의 구배를 가져 전자 및/또는 정공을 포텐셜 우물을 향해 흐르게 하거나 향하게 할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, LED 및 재발광 반도체 구성은 하나의 반도체 유닛에 제공된다. 이러한 반도체 유닛은 전형적으로 pn 접합부 내에 위치된 제1 포텐셜 우물과 pn 접합부 내에 위치되지 않은 제2 포텐셜 우물을 포함한다. 이 포텐셜 우물들은 전형적으로 양자 우물이다. 이 유닛은 2개 파장의 광을 발광할 수 있는데, 그 중 한 파장은 제1 포텐셜 우물의 전이 에너지에 대응하고 다른 파장은 제2 포텐셜 우물의 전이 에너지에 대응한다. 전형적인 동작시, 제1 포텐셜 우물은 pn 접합부를 통과하는 전류에 응답하여 광자를 방출하고, 제2 포텐셜 우물은 제1 포텐셜 우물로부터 방출된 광자의 일부분의 흡수에 응답하여 광자를 방출한다. 반도체 유닛은 제2 포텐셜 우물 주위의 또는 제2 포텐셜 우물에 근접한 또는 바로 인접한 하나 이상의 흡수층을 추가적으로 포함할 수 있다. 흡수층은 전형적으로 제1 포텐셜 우물의 전이 에너지보다 작거나 같고 제2 포텐셜 우물의 전이 에너지보다 큰 밴드 갭 에너지를 갖는다. 전형적인 동작시, 흡수층은 제1 포텐셜 우물로부터 방출된 광자의 흡수를 돕는다. 반도체 유닛은 pn 접합부 내에 위치되거나 pn 접합부 내에 위치되지 않는 추가적인 포텐셜 우물과, 추가적인 흡수층을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그러한 반도체 유닛 내의 반도체의 전도대 및 가전자대를 도시하는 대역 다이어그램이다. 층 두께는 척도에 따라 표현되어 있지는 않다. 표 II는 본 실시예에서의 층(1 내지 14)의 조성 및 그 조성에 대한 밴드 갭 에너지(Eg)를 나타낸다.
Figure 112008085001668-PCT00002
층(10, 11, 12, 13, 14)은 pn 접합부 또는 보다 구체적으로는 pin 접합부를 나타내는데, 이는 중간의 도핑되지 않은("고유" 도핑) 층(11, 12, 13)이 n-도핑된 층(10)과 p-도핑된 층(14) 사이에 개재되기 때문이다. 층(12)은 약 10 ㎚의 두께를 갖는 양자 우물인 pn 접합부 내의 하나의 포텐셜 우물을 나타낸다. 대안적으로, 소자는 pn 접합부 내에 다수의 포텐셜 또는 양자 우물을 포함할 수 있다. 층(4, 8)은 pn 접합부 내에 있지 않은 제2 및 제3 포텐셜 우물을 나타내고, 이들 각각은 약 10 ㎚의 두께를 갖는 양자 우물이다. 대안적으로, 소자는 pn 접합부 내에 있지 않은 추가적인 포텐셜 또는 양자 우물을 포함할 수 있다. 추가의 대안적인 예에서, 소자는 pn 접합부 내에 있지 않은 하나의 포텐셜 또는 양자 우물을 포함할 수 있다. 층(3, 5, 7, 9)은 약 1000 ㎚의 두께를 각각 갖는 흡수층을 나타낸다. 도시되지 않은 전기 접점이 pn 접합부로의 전류의 공급을 위한 경로를 제공한다. 전기 접점은 전기를 통하게 하고 전형적으로 전도성 금속으로 구성된다. 양의 전기 접점이 층(14)에 직접적으로 또는 중간 구조를 통해 간접적으로 전기 접속된다. 음의 전기 접점이 층(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10)들 중 하나 이상에 직접적으로 또는 중간 구조를 통해 간접적으로 전기 접속된다.
이론에 구애되기를 바라지 않으면서, 본 발명의 이 실시예는 하기의 원리에 따라 동작하는 것으로 믿어진다: 전류가 층(14)으로부터 층(10)으로 통과할 때, 청색 파장 광자는 pn 접합부 내의 양자 우물(12)로부터 방출된다. 층(14)의 방향으로 이동하는 광자는 소자를 떠날 수 있다. 반대 방향으로 이동하는 광자는 흡수되어 제2 양자 우물(8)로부터 녹색 파장 광자로서 또는 제3 양자 우물(4)로부터 적색 파장 광자로서 재발광될 수 있다. 청색 파장 광자의 흡수는 전자-정공 쌍을 생성하고, 이 전자-정공 쌍은 이어서 제2 또는 제3 양자 우물 내에서 재결합하여 광자를 방출할 수 있다. 층(14)의 방향으로 이동하는 녹색 또는 적색 파장 광자는 소자를 떠날 수 있다. 소자로부터 발광된 청색, 녹색 및 적색 파장 광의 다색 조합은 백색 또는 거의 백색을 나타낼 수 있다. 소자로부터 발광된 청색, 녹색 및 적색 파장 광의 강도는 각 유형의 포텐셜 우물의 개수의 조작 및 필터 또는 반사층의 사용을 포함하는 임의의 적합한 방식으로 평형을 이룰 수 있다. 도 3은 본 발명에 따른 소자의 일 실시예로부터 발광된 광의 스펙트럼을 도시한다.
도 4에 도시된 실시예를 다시 참조하면, 흡수층(3, 5, 7, 9)은 제1 양자 우물(12)로부터 방출된 광자를 흡수하는 데 특히 적합할 수 있는데, 이는 흡수층들이 제1 양자 우물(12)의 전이 에너지와 제2 및 제3 양자 우물(8, 4)의 전이 에너지 사이의 중간에 있는 밴드 갭 에너지를 갖기 때문이다. 흡수층(3, 5, 7, 9) 내의 광자의 흡수에 의해 발생된 전자-정공 쌍은 전형적으로 제2 또는 제3 양자 우물(8, 4)에 의해 포착되고, 그 후 재결합되고 동시에 광자의 방출이 일어난다. 흡수층은 전형적으로 주위 층과 같이 선택적으로 도핑될 수 있는데, 이는 이 실시예에서 n-도핑일 수 있다. 흡수층은 선택적으로 이들의 두께의 전체 또는 일부에 걸쳐 조성의 구배를 가져 전자 및/또는 정공을 포텐셜 우물을 향해 흐르게 하거나 향하게 할 수 있다.
LED가 가시광선 파장 LED인 경우, 재발광 반도체 구성의 층은 LED로부터 발광된 광에 대해 부분적으로 투과성일 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 LED가 UV 파장 LED인 경우, 재발광 반도체 구성의 층들 중 하나 이상은 LED로부터 발광된 광의 많은 부분 또는 실질적으로 또는 완전히 모든 광을 차단할 수 있어, 소자로부터 발광된 광의 많은 부분 또는 실질적으로 또는 완전히 모든 광이 재발광 반도체 구성으로부터 재발광된 광이다. LED가 UV 파장 LED인 경우, 재발광 반도체 구성(10)은 적색, 녹색 및 청색 발광 양자 우물을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 소자는 도체, 반도체 또는 비도체 재료의 추가적인 층을 포함할 수 있다. 전기 접점층이 추가되어 LED로의 전류의 공급을 위한 경로를 제공할 수 있다. 광 필터링 층이 추가되어, 구성된 LED에 의해 발광된 광의 광 파장의 평형(balance)을 변경하거나 보정할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 소자는 청색, 녹색, 황색 및 적색 대역 내의 4개의 주요 파장(principal wavelength)의 광을 발광함으로써 백색 또는 거의 백색 광을 생성한다. 일 실시예에서, 본 발명에 따른 소자는 청색 및 황색 대역 내의 2개의 주요 파장의 광을 발광함으로써 백색 또는 거의 백색 광을 생성한다.
본 발명에 따른 소자는 능동 또는 수동 구성요소, 예를 들어 저항기, 다이오드, 제너 다이오드, 캐패시터, 트랜지스터, 바이폴라 트랜지스터, FET 트랜지스터, MOSFET 트랜지스터, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, 포토트랜지스터, 광검출기, SCR, 사이리스터(thyristor), 트라이액(triac), 전압 조절기 및 다른 회로 요소를 포함하는 추가적인 반도체 요소를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 소자는 집적 회로를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 소자는 디스플레이 패널 또는 조명 패널을 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 소자를 구성하는 LED 및 재발광 반도체 구성은 분자 빔 에피택시(MBE), 화학 기상 증착, 액상 에피택시 및 기상 에피택시를 포함할 수 있는 임의의 적합한 방법에 의해 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 소자의 요소는 기판을 포함할 수 있다. 임의의 적합한 기판이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 전형적인 기판 재료는 Si, Ge, GaAs, InP, 사파이어, SiC 및 ZnSe를 포함한다. 기판은 n도핑, p-도핑되거나, 또는 반-절연(semi-insulating)될 수 있으며, 이는 임의의 적합한 방법에 의해 또는 임의의 적합한 도펀트의 함유에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 본 발명에 따른 소자의 요소는 기판이 없을 수도 있다. 일 실시예에서, 본 발명에 따른 소자의 요소는 기판 상에 형성되고 이어서 기판으로부터 분리될 수 있다. 본 발명에 따른 소자의 요소는 접착제 또는 용접 재료, 압력, 열 또는 그 조합의 사용을 포함하는 임의의 적합한 방법에 의해 함께 결합될 수 있다. 전형적으로, 생성된 결합부(bond)는 투명하다. 결합 방법은 계면 결합 또는 에지 결합을 포함할 수 있다. 선택적으로, 굴절률 정합층 또는 층간 공간(interstitial space)이 포함될 수 있다.
LED는 금속 헤더 상에 실장된 LED 다이 또는 칩을 포함하는 패키지 형태로 전형적으로 판매된다. LED 다이는 가장 기본적인 형태의, 즉 반도체 웨이퍼 처리 절차에 의해 제조된 개별 구성요소 또는 칩 형태의 LED이다. 구성 요소 또는 칩은 소자에 전압을 가하기 위해 전력 인가에 적합한 전기 접점을 포함할 수 있다. 구성요소 또는 칩의 개별 층 및 다른 기능 요소는 전형적으로 웨이퍼 규모(wafer scale)로 형성되고, 완성된 웨이퍼는 최종적으로 개별 단편 부품으로 다이싱되어 다수의 LED 다이를 산출한다. 금속 헤더는 LED 다이가 실장되는 반사 컵과, LED 다이에 접속된 전기 리드를 갖는다. 패키지는 LED 다이를 캡슐화하는 성형된 투명 수지를 추가로 포함한다. 캡슐화 수지는 전형적으로 LED 다이로부터 발광된 광을 부분적으로 시준하는 명목상 반구형인 전방면을 갖는다. LED 구성요소는 LED 다이, 또는 재발광 반도체 구성 또는 다른 요소와 조합된 LED 다이이거나 이를 포함할 수 있다.
발광 다이오드(LED), 재발광 반도체 구성, 또는 둘 모두는 발광면을 가질 수 있다. 도 1을 참조하면, 층(9)의 외부면은 발광면을 나타낼 수 있다. 도 4를 참조하면, 층(14)의 외부면은 발광면을 나타낼 수 있다. 각각의 또는 둘 모두의 발광면은 광 추출을 증가시키도록 구성될 수 있다. 이와 같이 구성하는 것은 전형적으로 내부 전반사(TIR)를 감쇠시키고/시키거나 광 추출 효율을 향상시키는 작용을 한다.
일부 실시예에서, 발광면은 표면을 조면화함으로써 구성될 수도 있다. 조면화(roughening)는 연마, 용매, 산, 염기 또는 부식제에 의한 처리, 반응성 이온 에칭, 플라즈마 처리, 또는 증착 등을 포함하는 임의의 적합한 방법에 의한 것일 수 있다. 표면 특징부는 0.1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터의 전형적인 치수를 가질 수 있다. 특징부는 대칭일 수 있거나 비대칭일 수 있다. 조면화는 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허출원 공개 제2005/0082562호에 기술된 바와 같을 수 있다.
일부 실시예에서, 발광면은 표면을 미세구조화함으로써 구성될 수도 있다. 미세구조화는 가공, 성형, 스탬핑, 패턴화된 화학적 에칭(patterned chemical etching), 포토리소그래피, 또는 증착 등을 포함하는 임의의 적합한 방법에 의한 것일 수 있다. 표면 특징부는 0.1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 전형적인 치수를 가질 수 있다. 특징부는 대칭일 수 있거나 비대칭일 수 있다. 미세구조화는 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제6,649,939호에 기술된 바와 같을 수 있다.
일부 실시예에서, 발광면은 트렌치(trench), 홈(groove), 웰(well), 또는 릿지(ridge) 등을 추가하는 것과 같이 표면을 구조화함으로써 구성될 수 있다. 구조화는 가공, 성형, 스탬핑, 또는 화학적 에칭 등을 포함하는 임의의 적합한 방법에 의한 것일 수 있다. 표면 특징부는 10 마이크로미터 내지 1000 마이크로미터의 전형적인 치수를 가질 수 있다. 특징부는 대칭일 수 있거나 비대칭일 수 있다. 이 구조는 측면 베벨링(side beveling)에 의해 발생될 수 있는 것과 같이 발광면의 에지에서 또는 발광면의 내부에서 발생할 수 있다. 구조화는 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제5,087,949호에 기술된 바와 같을 수 있다.
일부 실시예에서, 발광면은 형상화된 인캡슐런트(encapsulant)의 추가에 의해 구성될 수 있다. 인캡슐런트는 렌즈 형상, 첨단 형상, 및 젤리빈(jelly bean) 형상 등을 포함하는 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 인캡슐런트는 유리 및 중합체, 예를 들어 에폭시, 실리콘, 및 폴리카르보네이트 등을 포함하는 임의의 유기 또는 무기 재료일 수 있다. 인캡슐런트는 성형 후 경화, 증착 후 경화, 또는 개별 형성 및 후속 부착을 포함하는 임의의 적합한 방법에 의해 추가될 수 있다. 인캡슐런트는 미립자 물질, 전형적으로는 나노입자 스케일인 지르코니아 및 티타니아 등과 같은 전형적인 고굴절률 재료를 선택적으로 포함할 수 있다. 입자는 균등하게 또는 소정 구배로 분포될 수 있는데, 이는 전형적으로 발광면에 더 가까운 영역에 더 높은 굴절률을 제공할 것이다. 인캡슐런트는 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제6,473,554호 또는 미국 특허 제6,610,598호, 미국 특허 제6,717,362호에 기술된 바와 같을 수 있다.
하나 이상의 발광면은 유전성 코팅, 금속층, 및 간섭 반사기 등으로부터 선택된 것과 같은 반사율 향상층으로 적어도 부분적으로 덮일 수 있다. 반사율 향상 코팅은 추가적으로 직접 전도를 통해 또는 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제2003/0111667호에 설명된 수단을 통해 전기 전도층으로서 작용할 수 있다.
일부 실시예에서, 발광면은 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제5,955,749호에 기술된 바와 같을 수 있는 광결정의 추가에 의해 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 광원은 그래픽 디스플레이 장치, 예를 들어 대형 또는 소형 스크린 비디오 모니터, 컴퓨터 모니터 또는 디스플레이, 텔레비전, 전화기 또는 전화기 디스플레이, 개인 휴대 정보 단말기 또는 개인 휴대 정보 단말기 디스플레이, 호출기 또는 호출기 디스플레이, 계산기 또는 계산기 디스플레이, 게임기 또는 게임기 디스플레이, 장난감 또는 장난감 디스플레이, 대형 또는 소형 기기 또는 대형 또는 소형 기기 디스플레이, 자동차 대시보드 또는 자동차 대시보드 디스플레이, 자동차 인테리어 또는 자동차 인테리어 디스플레이, 선박 대시보드 또는 선박 대시보드 디스플레이, 선박 인테리어 또는 선박 인테리어 디스플레이, 항공기 대시보드 또는 항공기 대시보드 디스플레이, 항공기 인테리어 또는 항공기 인테리어 디스플레이, 교통 제어기 또는 교통 제어기 디스플레이, 광고 디스플레이, 또는 광고 표지 등의 구성요소 또는 필수 구성요소일 수 있다.
본 발명에 따른 광원은 액정 디스플레이(LCD) 또는 이와 유사한 디스플레이의 구성요소 또는 필수 구성요소, 즉 이러한 디스플레이에 대한 백라이트와 같은 것일 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명에 따른 반도체 소자는 특히 본 발명에 따른 반도체 소자에 의해 발광된 색상을 LCD 디스플레이의 컬러 필터에 정합시킴으로써 액정 디스플레이용 백라이트로서 사용하도록 구성된다.
본 발명에 따른 광원은 조명 장치, 예를 들어 자립식 또는 내장형 조명 설비 또는 램프, 조경 또는 건축 조명 설비, 핸드헬드 또는 차량 장착 램프, 자동차 헤드라이트 또는 미등, 자동차 내부 조명 설비, 자동차용 또는 자동차 이외 용도의 신호기, 도로 조명 장치, 교통 제어 신호기, 선박 램프 또는 신호기 또는 내부 조명 설비, 항공기 램프 또는 신호기 또는 내부 조명 설비, 대형 또는 소형 기기 또는 대형 또는 소형 기기 램프 등의 구성요소 또는 필수 구성 요소; 또는 적외선, 가시광선 또는 자외선 광원으로서 사용되는 임의의 소자 또는 구성요소일 수 있다.
본 발명의 다양한 변형 및 변경은 본 발명의 범주 및 원리로부터 벗어남이 없이 당업계의 숙련자에게 명백하게 될 것이며, 본 발명이 전술한 예시적인 실시 형태들로 부당하게 한정되지 않음을 이해하여야 한다.

Claims (12)

  1. 제1 발광면을 갖는 LED;
    LED에 의해 발광된 광을 상이한 파장의 광으로 변환시키고 제2 발광면을 갖는 재발광 반도체 구성을 포함하고,
    제1 및 제2 발광면 중 하나 이상은 내부 전반사를 감쇠하도록 구성되는 물품.
  2. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 발광면 중 하나 이상은 표면을 조면화함으로써 구성되는 물품.
  3. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 발광면 중 하나 이상은 구조화됨으로써 구성되는 물품.
  4. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 발광면 중 하나 이상은 형상화된 인캡슐런트로 캡슐화됨으로써 구성되는 물품.
  5. 제1항에 있어서, 재발광 반도체 구성은 포텐셜 우물을 포함하는 물품.
  6. 제1항에 있어서, LED는 UV 또는 청색 LED인 물품.
  7. 제1항에 있어서, 재발광 반도체 구성은 LED에 의해 발광된 광을 청색광으로 변환시키는 물품.
  8. 제1항에 있어서, 재발광 반도체 구성은 LED에 의해 발광된 광을 황색광으로 변환시키는 물품.
  9. 제1항에 있어서, 재발광 반도체 구성은 LED에 의해 발광된 광을 녹색광으로 변환시키는 물품.
  10. 제1항에 있어서, 재발광 반도체 구성은 LED에 의해 발광된 광을 주황색 광으로 변환시키는 물품.
  11. 제1항에 있어서, 재발광 반도체 구성은 LED에 의해 발광된 광을 적색광으로 변환시키는 물품.
  12. 제1항에 있어서, LED는 III-V족 반도체를 포함하고, 재발광 반도체 구성은 II-VI족 반도체를 포함하는 물품.
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