KR20090018688A - 다중 양자 우물 구조, 복사 방출 반도체 몸체 및 복사 방출소자 - Google Patents

다중 양자 우물 구조, 복사 방출 반도체 몸체 및 복사 방출소자 Download PDF

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KR20090018688A
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Abstract

적어도 제1 파장(6)의 복사를 생성하기 위한 제1 양자 우물 구조(2a) 및 상기 제1 파장(6)보다 큰 제2 파장(7)의 복사를 생성하기 위한 제2 양자 우물 구조(2b)를 포함하고, 주 파장(14)의 복사를 방출하기 위해 구비되는 다중 양자 우물 구조(1)가 기재되는데, 이 때 제2 파장(7)은 제1 파장(6)과 차이가 나되, 제1 파장(6) 및 제2 파장(7)의 이동 시 주 파장(14)이 소정의 최대값만큼만 변경되도록 차이가 난다. 또한, 복사 방출 반도체 몸체 및 복사 방출 소자도 기재된다.
LED, 다중 양자 우물 구조, 파장 이동, 전류 세기, 조도 조절

Description

다중 양자 우물 구조, 복사 방출 반도체 몸체 및 복사 방출 소자{MULTIPLE QUANTUM­WELL STRUCTURE, RADIATION­EMITTING SEMICONDUCTOR BASE AND RADIATION­EMITTING COMPONENT}
본 발명은 다중 양자 우물 구조 및 상기 다중 양자 우물 구조를 포함하는 복사 방출 반도체 몸체에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 복사 방출 반도체 몸체를 포함하는 복사 방출 소자에 관한 것이다.
본 특허 출원은 독일 특허 출원 10 2006 025 964.5의 우선권을 주장하며, 이의 개시 내용은 여기서 참조로 포함된다.
미국 특허출원공개 US 2004/0090779 A1에 기재된 LED는 양자 우물 구조로서 형성되는 제1 복사 생성층 및 양자 우물 구조로서 형성되는 제2 복사 생성층을 이용하여 혼합색의 복사를 생성할 수 있다. 두 층들 사이에는 터널 배리어(tunnel barrier)가 배치된다. 두 복사 생성층들의 파장들이 확정되어 있다는 전제하에, 혼합색 복사의 색도(chromaticity)는, 터널 배리어의 두께가 달라짐에 따라 변경될 수 있다.
리앙 외(Liang et al.)의 논문(유기 금속 기상 에피택시에 의해 성장하는 이중 파장 InGaN/GaN 다중 양자 우물 LED들, 결정 성장 저널 272(2004), 333쪽-339 쪽)에 따르면, 청색 및 녹색 광을 생성하는 양자 우물 구조들을 포함하는 LED에서, 상기 LED로부터 방출되는 복사의 스펙트럼 분포는 양자 우물 구조들의 개수와 배치 및 LED의 전원 공급에 의존한다. 예컨대, 성장 방향으로, 청색 광을 생성하는 세 개의 양자 우물 구조들 및 녹색 광을 생성하는 하나의 양자 우물 구조를 포함하는 LED에 있어서, 상기 LED의 전원 공급이 증가하면, 청색 스펙트럼 영역으로부터 녹색 스펙트럼 영역으로 최대 세기가 이동하게 된다.
수많은 응용들에서와 같이 복사 세기를 의도적으로 향상시키는 일이, 전원 공급의 증가에 의해 이루어져야 하는 경우, 색도가 예기치 않게 변경될 수 있다. 전류 세기가 증가하면, 파장이 그보다 더 짧은 파장으로 이동하는 것을 확인할 수 있기 때문이다. 이러한 점은, InGaN과 같이 질화물 반도체 물질을 기반으로 하는 LED의 경우에 특히 그러하다.
본 발명의 과제는, 파장 안정적인 구동을 위해 적합한 다중 양자 우물 구조를 제공하는 것에 있다.
상기 과제는 특허 청구 범위 1항에 따른 다중 양자 우물 구조에 의해 해결된다.
또한, 본 발명의 과제는, 파장 안정적인 구동을 위해 적합한 복사 방출 반도체 몸체를 제공하는 것에 있다.
상기 과제는 특허 청구 범위 18항에 따른 복사 방출 반도체 몸체에 의해 해결된다.
또한, 본 발명의 과제는, 파장 안정적인 구동을 위해 적합한 복사 방출 소자를 제공하는 것에 있다.
상기 과제는 특허 청구 범위 21항에 따른 복사 방출 소자에 의해 해결된다.
본 발명의 바람직한 형성예들 및 실시예들은 종속 청구 범위들의 주제이다.
본 발명에 따른 다중 양자 우물 구조는 제1 파장의 복사를 생성하기 위한 적어도 하나의 제1 양자 우물 구조 및 제2 파장의 복사를 생성하기 위한 적어도 하나의 제2 양자 우물 구조를 포함하고, 상기 제2 파장은 제1 파장보다 크다. 상기 다중 양자 우물 구조는 주 파장의 복사를 방출하기 위해 구비되는데, 이 때 제2 파장은 제1 파장과 구분되되, 제1 파장 및 제2 파장의 이동 시 상기 주 파장이 소정의 최대값만큼만 변경되도록 구분된다.
바람직하게는, 상기 최대값은 약 3%이다. 더욱 바람직하게는, 최대값은 3%보다 작다.
상기에서, 주 파장은 다음과 같이 이해할 수 있다: 색채론에 따르면, 다색 복사(polychromatic radiation) 시 관찰자가 인식하는 색조에는 주 파장 또는 우세적인 파장이 부속하고, 이는 단색 복사(monochromatic radiation)의 파장에 상응하며, 상기 파장에서 관찰자는 상기와 동일한 색조를 인지할 것이다.
바람직하게는, 다중 양자 우물 구조에 의해 방출되는 복사는, 적어도, 제1 양자 우물 구조에서 생성되는 복사 및 제2 양자 우물 구조에서 생성되는 복사로 이루어진다. 두 개 이상의 양자 우물 구조들이 구비된다면, 전체의 방출되는 복사는 개별 양자 우물 구조들에서 발생되는 복사로 이루어진다. 전형적으로, 양자 우물 구조의 복사는 더 높은 세기를 포함하고, 이 영역에는 주요 재결합 중심(main recombination center)이 존재한다.
상기에서, 주요 재결합 중심은, 복수 개의 전자들 및 정공들이 복사하면서 재결합되는 영역을 제공한다.
바람직한 변형예에 따르면, 제1 양자 우물 구조는 n-측에 배치되고, 제2 양자 우물 구조는 p-측에 배치된다. 다중 양자 우물 구조의 전원 공급이 증가될 때, 주요 재결합 중심은 전형적으로 상기 다중 양자 우물 구조의 p-측을 향하는 방향으로 이동하고, 제2 양자 우물 구조는 p-측에 배치되어 있으므로, 즉, 전원 공급이 더 강할 때, 상기 제2 양자 우물 구조는 제1 양자 우물 구조보다 복사 생성을 위해 더 많이 기여할 수 있다.
다른 바람직한 변형예에 따르면, 제1 및 제2 파장의 이동은 더 짧은 파장의 방향으로 이루어진다. 상기와 같은 이동은, 특히, 다중 양자 우물 구조의 전원 공급이 증가할 때 발생한다. 이 때, 상기 이동의 범위는 파장 종속적인데, 이동이 크게 나타날수록, 파장은 더 커진다.
본 발명은, 제2 파장이 제1 파장에 대해 이조(detune)되되, 전원 공급을 증가시킬 때 발생하는 제1 및 제2 파장의 이동이 복사 생성을 위해 더 많이 기여하는 제2 양자 우물 구조를 이용하여 조정될 수 있도록 한다는 원리에 기반을 둔다. 상기 제1 및 제2 파장의 이동은 다시 주 파장의 이동으로 유도될 것이다. 본 발명에 따르면, 바람직하게는, 두 개의 소위 "이동-효과들"(양자 우물 구조들의 파장 이동 및 주요 재결합 중심의 이동)은, 전원 공급의 증가 시, 복사 방출 소자의 파장 안정적인 구동이 가능하도록 결합된다. 상기 소자는 앞서 기재한 바와 같은 다중 양자 우물 구조를 포함한다.
특히, 처음에, 제1 파장은 가령 주 파장에 상응할 수 있고, 이 때 주요 재결합 중심은 제1 양자 우물 구조의 영역에 존재한다. 전원 공급의 증가 시, 한편으로는, 주요 재결합 중심이 제2 양자 우물 구조의 방향으로 이동하고, 다른 한편으로는, 제2 파장이 그보다 더 짧은 파장의 방향으로 이동한다. 더욱 바람직하게는, 주요 재결합 중심이 제2 양자 우물 구조의 영역에 있을 때, 제2 파장은 제1 파장 내지 주 파장에 대해 이조되되, 파장 이동을 이용하여 제2 파장이 제1 파장 내지 주 파장의 처음값에 가까워지도록 이조된다. 이동된 제2 파장은 가령 주 파장에 상응할 수 있다.
바람직한 변형예에 따르면, 제2 파장은 한 자리의 나노미터 범위의 값만큼, 바람직하게는 약 5 ㎚만큼, 제1 파장과 차이날 수 있다. 이는, 특히 520 ㎚ 내지 540 ㎚의 주 파장에 적용된다. 바람직하게는, 주 파장이 더 클 경우, 제1 및 제2 파장 사이의 차이는 더 크다.
예컨대, 다중 양자 우물 구조는 4 개의 양자 우물 구조들을 포함할 수 있고, 이 때 세 개의 제1 양자 우물 구조들은 제1 파장에 상응하는 밴드갭을 포함하고, 제4 양자 우물 구조는 제2 파장에 상응하는 밴드갭을 포함하며, 제2 파장은 제1 파장과 약 5 ㎚만큼 차이가 난다. 구동 시, 모든 네 개의 양자 우물 구조들이 복사 생성에 기여할 필요는 없다. 세 개의 제1 양자 우물 구조들이 n- 측에 배치되면, 전원 공급의 증가 시, 주요 재결합 중심은 제1 양자 우물 구조로부터 제4 양자 우물 구조의 방향으로 이동한다. 이 때, 주 파장은 실질적으로 변하지 않은 채 남아있을 수 있다.
다중 양자 우물 구조로부터 방출되는 복사는 특정한 주 파장에 확정되지 않는다. 물론, 바람직하게는, 주 파장은 단파 스펙트럼 영역에 있고, 예컨대 녹색 스펙트럼 영역에 있으며, 이 때 주 파장의 값들은 510 ㎚ 과 560 ㎚ 사이에서 얻을 수 있다. 상기와 같이 단파 복사를 방출하기에 적합한 다중 양자 우물 구조는, 특히 질화물계 반도체 물질을 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 다중 양자 우물 구조는 제1 및 제2 양자 우물 구조에 속하는 층 시퀀스(layer sequence)를 각각 포함하고, 이 때, 상기 층 시퀀스들 사이에 배리어층이 배치된다. 전하 캐리어(charge carrier)는 배리어층에 의해 제1 양자 우물 구조로부터 제2 양자 우물 구조에 도달하고 그 반대로도 될 수 있다. 예컨대, 전자들은 제1 양자 우물 구조가 배치되어 있는 다중 양자 우물 구조의 측으로부터 주요 재결합 중심으로 주입될 수 있고, 반면 정공들은 제2 양자 우물 구조의 측으로부터 그 곳으로 도달한다.
전하 캐리어는 배리어층에 의해 침투되거나 터널링될 수 있다.
바람직하게는, 배리어층의 두께는 주요 재결합 중심의 이동에 맞춰진다. 상기 주요 재결합 중심이 약간만 이동 가능하면, 배리어층은 얇아진다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 배리어층의 두께값은 한자리 내지 두자리 나노미터 범위에서 얻는다. 특히, 상기 두께는 4 ㎚과 25 ㎚사이이다. 적합한 물질을 혼합하여, 밴드 에지(band edge)가 효과적으로 감소하고, 그에 따라 배리어층을 넘어가는 전하 캐리어 이송이 개선될 수 있어서, 배리어층은 수 나노미터만큼 두껍게 형성될 수 있다. 밴드 에지의 감소를 위해 적합한 물질은 예컨대 In이다.
배리어층은 바람직한 방식으로 n-도핑된다. 이는, 바람직하게는, 비교적 양호한 전하 캐리어 이송을 가능하게 하거나, 완성된 소자에서 순 바이어스의 감소를 유도한다. 그러나, 대안적으로, 배리어층은 도핑되지 않을 수도 있다. 이는 특히, 배리어층이 도핑되지 않은 상태에서 이미 충분히 양호한 전하 캐리어 이송을 가능하게 하는 경우이다. 도핑값은 0과 1018/㎤사이에서 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게는, 배리어층은 Si-도핑된다. 전형적으로, Si-도핑은 1017/㎤과 1018/㎤사이에 있다. 본 발명에 따르면, Si-도핑은 약 3-4*1017/㎤보다 작은 것이 바람직하다. 바람직하게는, 도핑을 더 적게하여, 주요 재결합 중심의 범위가 확대될 수 있고, 이를 통해 더 많은 양자 우물 구조들이 복사 재결합을 위해 기여한다.
또한, 배리어층은 질화물계 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기와 관련하여, "질화물계 반도체 물질"이란, 질화물-Ⅲ/Ⅴ-화합물 반도체 물질로 이해할 수 있고, 이는 바람직하게는 AlnGamIn1-n-mN으로 구성되며, 이 때 0≤n≤1, 0≤m≤1 및 n+m≤1 이다. 이 때, 상기 물질은 상기 수식에 따르는 수학적으로 정확한 구성을 반드시 포함하지 않아도 된다. 오히려, AlnGamIn1-n-mN-물질의 특징적인 물리적 특성을 실질적으로 변경시키지 않는 단일 또는 복수 개의 도핑 재료 및 추가적인 구성 성분이 포함될 수 있다. 그러나, 간단하게, 상기 수식은 결정 격자의 실질적인 구성 성분(Al, Ga, In, N)만을 포함하는 데, 비록 이러한 구성 성분이 미량의 다른 재료로 부분적으로 대체될 수 있다고 하더라도 그러하다.
바람직하게는, 배리어층은 GaN, InGaN 또는 AlInGaN을 포함한다.
바람직하게는, 제1 및 제2 양자 우물 구조에 속하는 층 시퀀스들은 InxGa(1-x)N을 포함하고, 이 때 0≤x≤1이다. 상기와 같은 다중 양자 우물 구조는 녹색 내지 자외선 스펙트럼 영역에 이르는 단파 복사를 생성하기에 적합하다. 단파 복사는 예컨대 변환 물질을 이용하여 장파 복사로 변환될 수 있어서, 바람직하게는, 다중 양자 우물 구조가 장파 복사를 생성하기 위한 활성층으로서도 역할할 수 있다.
제1 및 제2 층 시퀀스는 각각 우물층을 포함하고, 상기 우물층의 두께는 바람직하게는 1 ㎚과 5 ㎚사이이다. 우물층의 두께를 이용하여, 양자 우물의 깊이가 조정될 수 있다. 이는, 복사가 장파일 수록 우물층이 두껍다라는 점에 관련한다. 다양한 우물층들이 서로 다른 두께들을 가지는 것도 고려할 수 있다.
본 발명에 따른 다중 양자 우물 구조는, 한자리 내지 두 자리의 밀리암페어(milliampere) 범위, 바람직하게는 0 ㎃보다 큰 값과 15 ㎃ 사이의 전원 공급을 위해 매우 적합하다. 바람직하게는, 전류 밀도는 0 ㎃/㎟보다 큰 값과 약 160 ㎃/㎟사이에 있다. 바람직하게는, 이러한 범위에서, 복사 세기는 전류 세기에 비례하여 증가하고, 이 때 주 파장의 이동은 발생하지 않는다.
바람직하게는, 다중 양자 우물 구조는 에피택시얼 제조된다. 온도 및 가스 농도와 같이 에피택시를 결정하는 공정 파라미터들은 다중 양자 우물 구조의 특성을 위해 결정적일 수 있다. 예컨대, 제2 양자 우물 구조에서 더 작은 밴드갭을 달성하기 위해, 다양한 가능성들이 존재한다. 한편으로는, 공정 온도를 떨어뜨려서, In이 더욱 양호하게 설치되어, 더 작은 밴드갭을 유도할 수 있다. 다른 한편으로는, 공정 가스내에서 In-농도를 증가시켜서, In의 개선된 설치 및 더 작은 밴드갭을 다시 유도할 수도 있다. 또한, 두 개의 공정 파라미터 변수를 조합하는 것도 가능하다. 양자 우물의 깊이는 In-셰어(share)를 이용하여 조정될 수 있고, 이 때 복사가 장파일 수록 In-셰어는 증가된다.
출원의 틀에서, 양자 우물 구조라는 명칭은, 전하 캐리어가 속박("confinement")에 의한 에너지 상태의 양자화를 경험할 수 있는 그 어떤 구조도 포함한다. 특히, 양자 우물 구조라는 명칭은 양자화의 차원성에 대한 정보는 포함하지 않는다. 따라서, 상기 명칭은 특히 양자 홈통들, 양자선들, 양자점들 및 이러한 구조들의 조합을 포함한다.
본 발명에 따른 복사 방출 반도체 몸체는 상기에 기재된 바와 같은 다중 양자 우물 구조를 포함한다. 바람직하게는, 이러한 다중 양자 우물 구조는 복사 방출 반도체 몸체의 활성층으로서 역할한다. 다중 양자 우물 구조를 형성하는 층들 내지 층 시퀀스들은 기판상에 배치될 수 있다. 특히, 제1 층 시퀀스는 기판을 향한 측에서 n-전도성 층을 포함하고, 반면 제2 층 시퀀스는 기판과 반대 방향에 있는 측에서 p-전도성 층을 포함한다. 반도체 몸체가 예컨대 클래드층들(clad layers)과 같은 다른 층들을 포함할 수 있다는 것은, 자명한 일이다. 또한, 다중 양자 우물 구조로부터 방출되는 복사를 출력측의 방향으로 반사시키기에 적합한 반사층을 고려할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 반도체 몸체는 박막-발광 다이오드-칩으로서 형성된다.
박막-발광 다이오드-칩은 특히 다음의 특징적인 특성들 중 적어도 하나의 특성을 가지는 것으로 특징지워진다:
- 지지 부재를 향해 있는 복사 생성 에피택시층 시퀀스의 주요 면에 반사층이 도포되거나 형성되고, 상기 반사층은 에피택시층 시퀀스에서 생성되는 전자기 복사(electromagnetic radiaiton)의 적어도 일 부분을 상기 에피택시층 시퀀스에 재반사하고;
- 에피택시층 시퀀스는 20 ㎛ 또는 그보다 작은 범위, 특히 10 ㎛의 범위의 두께를 포함하며;
- 에피택시층 시퀀스는 혼합 구조를 포함하는 적어도 하나의 면을 가진 적어도 하나의 반도체층을 포함하고, 이상적인 경우 상기 혼합 구조는 에피택시얼한 에피택시층 시퀀스에서 광이 거의 에르고딕(ergodic)으로 분포하도록 유도하는데, 즉 가능한한 에르고딕 확률적 분산 거동을 포함한다.
박막-발광 다이오드칩의 기본 원리는, 예컨대 1993년 10월 18일자, 응용 물리학지 63(16), 2174-2176쪽의 아이 슈닛처 외(I. Schnitzer et al.)의 글에 기재되어 있고, 이의 개시 내용은 여기서 참조로 포함된다.
박막-발광 다이오드-칩은 근사적으로 람베르트 표면 복사기(surface radiant)이다.
전형적으로, 박막-발광 다이오드-칩에서 성장 기판은 분리된다. 이는 예컨대, 성장 기판이 종래의 발광 다이오드들에 비해 특별한 전기 전도성이나, 특별한 복사 투과성을 포함하지 않아도 된다는 장점을 제공한다. 종래의 발광 다이오드들은 성장 기판을 이용하여 전기적으로 연결되거나, 생성되는 복사를 상기 성장 기판을 통과하여 출력한다.
본 발명에 따른 복사 방출 소자는 상기에 기재된 바와 같은 복사 방출 반도체 몸체를 포함한다. 상기와 같은 소자는, 특히 전류 세기가 증가하고, 그로 인해 복사 세기가 증가할 때 파장 안정적인 구동을 위해 적합하다.
일 변형예에 따르면, 복사 방출 반도체 몸체는 하우징 몸체 내에 배치된다. 또한, 반도체 몸체는 커버에 매립되어 있을 수 있다. 적합한 커버 물질을 이용하여, 예컨대 복사 손실이 감소될 수 있는데, 상기 복사 손실은 굴절률 한계에서의 전반사에 의해 발생할 수 있다.
다른 변형예에 따르면, 출력측에서 복사 방출 반도체 소자 다음에 광학 부재가 배치된다. 특히, 광학 부재는 복사 형성을 위해 적합하고, 예컨대 렌즈로서 형성될 수 있다.
바람직하게는, 복사 방출 소자는 조도 조절이 가능하다(dimmable). 이는, 바람직하게는, 전류 세기를 이용하여 복사 방출 소자의 복사 세기가 제어될 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 다중 양자 우물 구조 및 복사 방출 반도체 몸체 또는 소자의 다른 바람직한 특성들, 바람직한 실시예들과 형성예들 및 장점들은 도 1 내지 도 9와 관련하여 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 실시예들로 제공된다.
도 1은 전류 세기에 따른 종래의 청색 발광 다이오드의 주 파장을 도시하는 그래프이다.
도 2는 전류 세기에 따른 종래의 녹색 발광 다이오드의 주 파장을 도시하는 그래프이다.
도 3은 다중 양자 우물 구조의 모델을 도시하는 개략적 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 다중 양자 우물 구조의 실시예를 도시하는 개략적 도면이다.
도 5는 다중 양자 우물 구조의 스펙트럼 분포를 도시하는 그래프이다.
도 6은 전류 세기에 따른 서로 다른 복사 방출 반도체 몸체들의 주 파장을 도시하는 그래프이다.
도 7은 전류 세기에 따른 서로 다른 복사 방출 반도체 몸체들의 복사 세기를 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 복사 방출 반도체 몸체의 실시예를 도시하는 개략적 횡단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 복사 방출 소자의 실시예를 도시하는 개략적 횡단면도이다.
이미 기재의 일반적인 부분에 언급한 바와 같이, 특히 질화물계 반도체 물질을 포함하는 발광 다이오드에서, 전원 공급의 증가 시 파장의 이동은 더 짧은 파장의 방향으로 발생할 수 있다.
도 1에서 알 수 있는 것은, 청색 스펙트럼 영역에서 발광하는 종래의 발광 다이오드의 주 파장이, 전류 세기가 >0㎃ 로부터 100 ㎃로 증가될 때 약 473.5 ㎚로부터 약 468.25 ㎚으로 이동한다는 것이다.
도 2에 도시된 곡선은, 도 1에 도시된 곡선과 마찬가지로, 전류 세기가 >0㎃ 로부터 100 ㎃로 증가할 때 주 파장의 변화를 도시한다. 상기 측정은, 녹색 영역에서 발광하는 종래의 발광 다이오드에서 수행되었다. >0 으로부터 100 ㎃로 증가할 때, 파장은 약 545 ㎚으로부터 약 512.5 ㎚으로 이동한다.
도 3에 모델로 도시되는 다중 양자 우물 구조(1)는 제1 양자 우물 구조(2a) 및 제2 양자 우물 구조(2b)를 포함한다. 바람직하게는, 양자 우물 구조(2a) 뿐만아니라 양자 우물 구조(2b)도 InGaN/GaN을 기반으로 한다.
전자들(4)은 제1 양자 우물 구조(2a)에 주입되고, 상기 전자들은 소정의 가능성으로 배리어층(3)을 횡단할 수 있다. 이렇게 되면, 제2 양자 우물 구조(2b)에 주입되는 정공들(5)과의 복사 재결합이 발생할 수 있다. 에너지 레벨의 차는, 방출되는 복사(7)의 제2 파장을 결정한다.
전자들(4)과 같이, 정공들(5)도 배리어층(3)을 소정의 가능성으로 횡단할 수 있다. 따라서 제1 양자 우물 구조(2a)에 도달하는 정공들(5)은 그 곳에 존재하는 전자들(4)과 복사하면서 재결합될 수 있다. 이렇게 생성되는 복사(6)는 관련된 에 너지 레벨의 차에 상응하는 제1 파장을 포함한다.
에너지 차가 제2 양자 우물 구조(2b)에서보다 제1 양자 우물 구조(2a)에서 더 크므로, 제1 파장은 제2 파장보다 짧다.
다중 양자 우물 구조(1)를 활성층으로서 포함하는 복사 방출 반도체 몸체는 혼합색의 복사(14)를 방출하고, 상기 혼합색의 복사는 제1 양자 우물 구조(2a)로부터 방출되는 복사(6) 및 제2 양자 우물 구조(2b)로부터 방출되는 복사(7)로 이루어진다. 전형적으로, 주 파장은 복사(14)에 배속될 수 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 다중 양자 우물 구조(1)의 가능한 구조가 도시되어 있다. 바람직하게는 사파이어, SiC, GaN 또는 GaAs 물질들 중 하나의 물질을 포함하는 기판(8)상에 n-전도성 층(9)이 배치된다. n-전도성 층(9)을 이용하여, 전자들은 다중 양자 우물 구조(1)로 주입될 수 있다. 제1 층 시퀀스(200a)의 부분인 제1 층(10)은 기판(8)과 반대 방향에 있는 n-전도성 층(9)의 측에 배치된다. 제1 층(10) 다음에, 제1 양자 우물 구조(2a) 및 제1 층 시퀀스(200a)에 속하는 우물층(11)이 배치되고, 바람직하게는, 상기 우물층은 1 ㎚과 5 ㎚ 사이의 두께를 가진다. 제1 양자 우물 구조(2a)는 층(10), 우물층(11) 및 배리어층(3)을 이용하여 형성된다. 기판(8)과 반대 방향에 있는 측에서, 배리어층(3) 다음에는, 제2 층 시퀀스(200b)를 형성하는 우물층(12) 및 층(13)이 배치된다. 층 시퀀스(200b) 및 배리어층(3)은 함께 제2 양자 우물 구조(2b)를 형성한다. 층 시퀀스(200b) 다음에, p-전도성 층(16)이 배치되고, 상기 층은 정공들을 다중 양자 우물 구조(1)에 주입하기 위해 구비된다. 층들(10, 13)은 간격(스페이서)-층들로서 고려되고, 이들은 바 람직하게는 2 ㎚ 과 20 ㎚ 사이의 두께를 가진다.
바람직하게는, 층들(10, 11, 3, 12 및 13)은 질화물계 반도체 물질을 포함하고, 특히 InxGa(1-x)N을 포함하며, 이때 0≤x≤1이다.
두 개 이상의 양자 우물 구조들을 포함하는 다중 양자 우물 구조(1)를 얻기 위해, 배리어층(3)과 우물층(12) 사이에 다른 우물층들(11' 및 11") 및 다른 배리어층들(3' 및 3")이 배치될 수 있다. 상기 층들(11' 및 11") 또는 배리어층들(3' 및 3")이 어떠한 물질을 포함하는 가는, 예컨대, 양자 우물 구조들에서 생성되는 복사가 어떤 파장을 포함해야 하는지에 달려 있다.
층들(9, 10, 11, 12, 3, 13 및 16)은 특히 에피택시를 이용하여 제조되고, 이 때 기판(8)은 성장 기판을 형성한다.
도 5에는 5개의 양자 우물 구조들을 포함하는 다중 양자 우물 구조의 스펙트럼 분포가 도시되어 있고, 이 때, 다중 양자 우물 구조의 n-전도성측으로부터 시작하여 4 개의 양자 우물 구조들이 잇달아 이어지는데, 이들은 예컨대 약 500 ㎚의 녹색 스펙트럼 영역의 파장에 상응하는 밴드갭을 포함한다. p-측에 배치되는 제5 양자 우물 구조는 예컨대 약 450 ㎚의 청색 스펙트럼 영역의 파장에 상응하는 밴드갭을 포함한다.
곡선 I 으로부터 곡선 VIII에 이르기까지, 전류 세기는 끊임없이 증가한다(곡선 I: 0.1 ㎃; 곡선 II: 0.2 ㎃; 곡선 III: 1.0 ㎃; 곡선 IV: 2.0 ㎃; 곡선 V: 3.0 ㎃; 곡선 VI: 5.0 ㎃; 곡선 VII: 10.0 ㎃; 곡선 VIII: 20.0 ㎃). 측정은 실내 온도일 때 수행되었다.
가로 좌표에는, 제4 및 제5 양자 우물 구조로부터 방출되는 복사의 파장(λ[㎚])이 도시된 반면, 세로 좌표는 방출된 복사의 세기(IV)(단위 없음)를 제공된다. 최대 세기는, 약 450 ㎚에서의 제5 양자 우물 구조 및 약 500 ㎚에서의 제4 양자 우물 구조를 위해 있다.
도 5로부터 얻을 수 있는 결정적인 정보는, 전원 공급의 증가 시 제5 양자 우물 구조로부터 생성되는 복사의 세기(IV)가 제4 양자 우물 구조로부터 생성되는 복사의 세기보다 더 많이 증가한다는 것이다. 이는, 전원 공급의 증가 시, 주요 재결합 중심이 제5 양자 우물 구조의 방향으로 이동하는 것에서, 그 근거를 둘 수 있다.
도 6에는, 4 개의 서로 다른 다중 양자 우물 구조들에서 수행되는 측정 곡선들이 도시되며, 이는 각각 4 개의 양자 우물 구조들을 포함한다.
측정 곡선 IV을 제공하는 다중 양자 우물 구조는 Si-도핑된 배리어층들을 포함한다. 개별 양자 우물 구조들의 층 시퀀스들은, 밴드갭과 관련하여 실질적으로 서로 차이가 없다. 따라서, 상기 측정 곡선은 곡선들 I, II 및 III을 위한 기준 곡선으로서 역할하는데, 이들은 다중 양자 우물 구조들을 이용하여 산출되고, 이들의 제4 양자 우물 구조는 세 개의 제1 양자 우물 구조들과 다른 밴드갭을 포함한다.
기준 곡선 IV는, 전원 공급의 증가 시, 주 파장 λdom이 더 짧은 파장들의 방향으로 이동하는 것을 도시한다. 곡선들 I 및 III는 이러한 거동을 도시한다. 곡선 II만, 적어도 약 10 ㎃의 전류 세기에 이르기까지 다중 양자 우물 구조의 파장 안정적인 거동을 도시한다.
곡선 I에서, 제4 양자 우물 구조의 밴드갭은 다른 양자 우물 구조들의 밴드갭과 구분되되, 그 차이는 약 10 ㎚의 더 짧은 파장에 상응하도록 구분된다. 이는 예컨대, 제4 양자 우물 구조의 층 시퀀스가 다른 양자 우물 구조들의 층 시퀀스들보다 더 높은 공정 온도에서 성장됨으로써, 달성될 수 있다. 특히, 공정 온도는 7K 더 높다. 바람직하게는, 모든 배리어층들이 Si-도핑된다.
곡선 III에서, 제4 양자 우물 구조의 밴드갭은 다른 양자 우물 구조들의 밴드갭과 구분되되, 그 차이가 약 10 ㎚의 더 긴 파장에 상응하도록 구분된다. 이는, 예컨대, 제4 양자 우물 구조의 층 시퀀스가 나머지 층 시퀀스들보다 더 낮은 공정 온도에서 성장됨으로써, 달성될 수 있다. 특히, 공정 온도는 7K만큼 감소된다. 바람직하게는, 모든 배리어층들이 Si- 도핑된다.
곡선 II에서, 제4 양자 우물 구조의 밴드갭은 다른 양자 우물 구조들의 밴드갭과 구분되되, 그 차이가 약 5 ㎚의 더 긴 파장에 상응하도록 구분된다. 이는 예컨대, 제4 양자 우물 구조의 층 시퀀스가 나머지 층 시퀀스들보다 더 낮은 공정 온도에서 성장됨으로써, 달성될 수 있다. 특히, 공정 온도는 3K만큼 감소된다. 또한, 성장 방향에서, 제4 양자 우물 구조의 층 시퀀스 앞에 배치되는 배리어층은 도핑되지 않는다.
결과적으로, 세 개의 제1 양자 우물 구조들에 비해 제4 양자 우물 구조가 근소하게 파장 이조(detuning)됨으로써 파장 안정적인 구동이 가능해지는 것을 확인 할 수 있다.
도 7은 전류 세기(I[㎃])에 따르는 복사 세기(IV)(단위 없음)를 도시한다. 측정은, 도 6과 관련하여 이미 기재된 다중 양자 우물 구조들에서 수행되었다.
도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 곡선 II의 진행은 나머지 곡선들에 비해 더욱 선형 진행에 가깝다.
바람직하게는, 세 개의 제1 양자 우물 구조들에 비해 제4 양자 우물 구조가 근소한 파장 이조를 포함하는 다중 양자 우물 구조를 이용하여, 파장 안정적인 구동을 달성할 수 있을 뿐만아니라, 전류 세기의 균일한 증가 시 복사 세기가 거의 선형적으로 증가할 수 있다.
도 8에 도시된 복사 방출 반도체 몸체(18)는 다중 양자 우물 구조(1)를 활성층으로서 포함한다. 다중 양자 우물 구조(1)는 적어도 제1 양자 우물 구조(2a) 및 제2 양자 우물 구조(2b)를 포함한다. 바람직하게는, 반도체 몸체(18)는 다중 양자 우물 구조(1)를 포함하고, 상기 다중 양자 우물 구조는, 전원 공급의 증가 시 파장 안정적인 구동 및 그와 동시에 복사 세기의 향상을 가능하게 한다. 특히, 이는, 다중 양자 우물 구조(1)가 도 6 및 도 7에서 측정 곡선 II가 제공하는 다중 양자 우물 구조에 상응하여 형성됨으로써, 달성될 수 있다. 예컨대, 다중 양자 우물 구조(1)는 4 개의 양자 우물 구조들을 포함하고, 이 때, 제4 양자 우물 구조의 밴드갭은 다른 양자 우물 구조들의 밴드갭과 구분되되, 그 차이가 약 5 ㎚의 더 긴 파장에 상응하도록 구분된다. 이 때, 제1 양자 우물 구조는 n-측에 배치되고, 반면 제4 양자 우물 구조는 p-측에 배치된다.
다중 양자 우물 구조(1)는 n-전도성 층(9)과 p-전도성 층(16) 사이에 배치된다. 바람직하게는, 반도체 몸체(18)의 층들(9, 10, 11, 3, 12, 13, 16)은 기판(8)상에 에피택시얼 성장된다. 특히, 기판(8)은 전기 전도성이다. 따라서, 층 시퀀스와 반대 방향에 있는 기판(8)의 측에는 n-전극(15)이 배치될 수 있다. 그와 대향하는 반도체 몸체(18)의 측에는 p-전극(17)이 배치된다. 두 전극들(15, 17)을 이용하여, 반도체 몸체(18)는 전기적으로 연결될 수 있다.
대안적으로, 성장 기판은 분리될 수 있고, 이 때, 반도체 몸체는 박막-반도체 몸체로서 형성된다.
도 9는 복사 방출 반도체 몸체(18)를 포함하는 복사 방출 소자(19)를 포함한다. 복사 방출 반도체 몸체(18)는 예컨대 도 8에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다.
반도체 몸체(18)는 열 싱크(heat sink)(20)상에 배치되고, 상기 열 싱크는 반도체 몸체(18)를 냉각시키기 위해 구비된다. 따라서, 바람직하게는, 소자(19)의 구동 시간은 증가될 수 있다.
열 싱크(20)는 반도체 몸체(18)가 배치되어 있는 측에서 중앙이 함몰될 수 있어서, 반도체 몸체(18)가 반사체 터브(reflector tub)(21)내에 실장된다. 반사체 터브(21)의 측벽들은 하우징 몸체(22)를 이용하여 연장부를 얻고, 상기 하우징 몸체에는 열 싱크(20)가 매립되어 있다. 바람직하게는, 이러한 방식으로 형성되는 반사체(23)를 이용하여, 복사 세기는 주 출사 방향(24)으로 향상될 수 있다.
반도체 몸체(18)는 보호를 위해 커버(25)에 매립되고, 상기 커버는 예컨대 에폭시 수지 또는 아크릴 수지와 같은 반응 수지를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 커버(25)는 반사체(23)를 채운다. 반도체 몸체(18)로부터 생성되는 복사를 집광시키기 위해, 커버(25)는 바람직하게는 복사 방출측에서, 만곡된 표면을 포함할 수 있다. 이를 통해, 렌즈의 효과가 달성될 수 있다. 대안적으로, 복사 방출측에서, 복사 방출 소자(19)다음에 광학 부재가 배치될 수 있다.
복사 방출 반도체 몸체(18)는 전기 전도성 열 싱크(20)와 함께 전기적으로 결합되고, 특히, 반도체 몸체(18)는 후측에서 납땜되거나 접착된다. 또한, 열 싱크(20)는 제1 연결 스트라이프(stripe)(26a)와 전기적으로 결합된다. 또한, 반도체 몸체(18)는 예컨대 와이어 결합(미도시)을 이용하여, 전면측에서 제2 연결 스트라이프(26b)와 전기적으로 결합된다. 두 개의 연결 스트라이프들(26a, 26b)을 이용하여, 반도체 몸체(18)는 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명은 실시예들에 의거하는 기재에만 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명은 각 새로운 특징 및 특징들의 각 조합을 포함하며, 이는 특히 특허 청구 범위들에서 특징들의 각 조합으로 포함된다. 비록 이러한 특징 또는 이러한 조합이 그 자체로 명백하게 특허 청구 범위들 또는 실시예들에 제공되지 않더라도 그러하다.

Claims (24)

  1. 적어도 제1 파장(6)의 복사를 생성하기 위한 제1 양자 우물 구조(2a) 및 상기 제1 파장(6)보다 큰 제2 파장(7)의 복사를 생성하기 위한 제2 양자 우물 구조(2b)를 포함하고,
    주 파장(14)의 복사를 방출하기 위해 구비되는 다중 양자 우물 구조(1)에 있어서,
    상기 제2 파장(7)은 상기 제1 파장(6)과 차이가 나되, 상기 제1 파장(6) 및 상기 제2 파장(7)의 이동 시 상기 주 파장(14)이 소정의 최대값만큼만 변경되도록 차이나는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  2. 제1 양자 우물 구조(2a)는 n-측에 배치되고, 제2 양자 우물 구조(2b)는 p-측에 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 이동은 더 짧은 파장의 방향으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 파장(7)은 상기 제1 파장(6)과 한자리 나노미터 범위의 값만큼 차 이나는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 파장(14)은 예컨대 녹색 스펙트럼 영역과 같은 단파 스펙트럼 영역에 있는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 양자 우물 구조(2a) 및 제2 양자 우물 구조(2b)에 속하는 층 시퀀스(200a, 200b)를 각각 포함하고, 이때 상기 층 시퀀스들(200a, 200b) 사이에 배리어층(3)이 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 배리어층(3)의 두께는 4 ㎚과 25 ㎚사이인 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 배리어층(3)은 n-도핑되는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 배리어층(3)은 Si-도핑되는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 Si-도핑은 1017/㎤과 1018/㎤ 사이인 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  11. 청구항 6 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배리어층(3)은 질화물계 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 배리어층(3)은 GaN, InGaN 또는 AlInGaN을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  13. 청구항 6 또는 청구항 6을 인용하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 시퀀스들(200a, 200b)은 InxGa(1-x)N을 포함하고, 0≤x≤1인 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  14. 청구항 6 또는 청구항 6을 인용하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 시퀀스들(200a, 200b)은 각각 우물층(11, 12)을 포함하고, 상기 우 물층의 두께는 1 ㎚과 5 ㎚ 사이인 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    한자리 내지 두 자리의 밀리 암페어(milliampere)-범위에서, 바람직하게는 약 1 ㎃ 와 15 ㎃ 사이에서 전원 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    0 ㎃/㎟보다 큰 값과 약 160 ㎃/㎟ 사이의 전류 밀도로 전원 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    에피택시얼 제조되는 것을 특징으로 하는 다중 양자 우물 구조.
  18. 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 따른 다중 양자 우물 구조(1)를 포함하는 복사 방출 반도체 몸체(18).
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 다중 양자 우물 구조(1)는 활성층으로서 역할하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 몸체.
  20. 청구항 18 또는 청구항 19에 있어서,
    박막-발광다이오드-칩으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 몸체.
  21. 청구항 17 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 따른 복사 방출 반도체 몸체(18)를 포함하는 복사 방출 소자(19).
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 복사 방출 반도체 몸체(18)는 하우징 몸체(22)의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 복사 방출 소자.
  23. 청구항 21 또는 청구항 22에 있어서,
    출력측에서 상기 복사 방출 반도체 몸체(18) 다음에 광학 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 복사 방출 소자.
  24. 청구항 21 내지 청구항 23 중 어느 한 항에 있어서,
    조도 조절이 가능한(dimmable) 것을 특징으로 하는 복사 방출 소자.
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