KR20110137814A - 발광다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 명세서에 제공되는 발광다이오드는 전기적으로 접촉된 적어도 하나의 활성 영역(11)을 구비한 제1반도체 몸체(10)를 포함하고, 이 때 상기 발광다이오드의 구동 시 활성 영역(11)에서 제1파장 영역의 전자기 복사(110)가 생성되며, 발광다이오드는 상기 제1반도체 몸체(10)의 상측(10a)에서 상기 제1반도체 몸체(10)에 고정된 제2반도체 몸체(20)를 포함하고, 이 때 상기 제2반도체 몸체(20)은 다중 양자 우물 구조(213)를 가진 재방출 영역(21)을 포함하고, 상기 발광다이오드의 구동 시 재방출 영역(21)에서 제1파장 영역의 전자기 복사(110)가 흡수되고, 제2파장 영역의 전자기 복사(220)가 재방출되며, 발광다이오드는 상기 제1(10) 및 제2반도체 몸체(20) 사이에 배치된 결합 물질(30)을 포함하고, 이 때 상기 결합 물질(30)은 상기 제1(10) 및 제2반도체 몸체(20)를 기계적으로 상호간에 결합시킨다.
Description
본 발명은 발광다이오드를 제공한다.
본원은 독일 특허 출원 10 2009 001844.1 및 10 2009 020127.0에 대한 우선권을 청구하며, 그 공개 내용은 각각 참조로 포함된다.
예컨대 InGaN 물질계를 기반으로 하는 발광다이오드를 위한 전자기 복사의 생성 시 내부 효율은 생성되는 전자기 복사의 파장 증가에 따라, 파장이 400 nm일 때 약 80%인 것이 파장이 540 nm일 때 약 30%가 되도록 감소한다는 것이 확인되었다. 즉 녹색광을 생성하기에 적합한 발광다이오드를 위한 내부 효율은 UV 영역으로부터의 복사 또는 청색광을 방출하는 발광다이오드에 비해 매우 낮다.
녹색광을 방출하기에 적합한 발광다이오드의 내부 효율을 향상시키기 위한 방법은 전기적으로 펌핑된 양자우물들의 수를 증대하는 것에 있을 수 있다. 그러나, 상기 문제를 해결하기 위한 이러한 접근법은 발광다이오드의 전기적 구동 시 비균일한 전하 캐리어 분포에 의해 한계가 있음이 확인되었다. 현재의 인식 수준에 따르면, 녹색광 방출 InGaN계 발광다이오드에서 최대 2개의 양자우물들이 완전히 전원공급될 수 있고, 다른 양자 우물들의 부가는 발광다이오드의 내부 효율에 긍정적 영향을 미치는 것으로 보이지 않았다.
본 발명의 목적은 전자기 복사를 매우 효율적으로 생성할 수 있는 발광다이오드를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 특히 녹색광을 매우 효율적으로 생성할 수 있는 발광다이오드를 제공하는 것이다.
발광다이오드의 적어도 일 실시예에 따르면, 발광다이오드는 제1반도체 몸체를 포함한다. 반도체 몸체는 예컨대 에피택시얼 성장하고, InGaN 물질계를 기반으로 할 수 있다. 반도체 몸체는 전기적으로 접촉된 적어도 하나의 활성 영역을 포함한다. 발광다이오드의 구동 시, 제1반도체 몸체의 활성 영역에서 제1파장 영역의 전자기 복사가 생성된다. 전자기 복사는 활성 영역의 전기적 구동을 이용하여 생성된다. 제1파장 영역의 전자기 복사는 예컨대 UV 영역으로부터의 전자기 복사 및/또는 청색광을 가리킬 수 있다.
발광다이오드의 적어도 일 실시예에 따르면, 발광다이오드는 제1반도체 몸체의 상측에서 제1반도체 몸체에 고정된 제2반도체 몸체를 포함한다. 제2반도체 몸체도 바람직하게는 에피택시얼 제조된다. 제2반도체 몸체는 InGaN 물질계 또는 InGaAlP 물질계를 기반으로 할 수 있다. 제2반도체 몸체는 다중 양자 우물 구조를 가진 재방출 영역을 포함한다. 양자 우물 구조라는 명칭은 양자화의 차원성에 대한 의미를 전개하지 않는다. 상기 명칭은 특히 양자상자, 양자선, 양자점 및 이들 구조의 각 조합을 포괄한다.
발광다이오드의 구동 시, 재방출 영역에서 제1파장 영역의 전자기 복사가 흡수되고, 제2파장 영역의 전자기 복사가 재방출된다. 제2파장 영역은 바람직하게는 제1파장 영역보다 큰 파장을 가진 전자기 복사를 포함한다. 제2파장 영역은 특히 녹색광 및/또는 황색광 및/또는 적색광의 파장 영역으로부터의 전자기 복사를 포함한다.
특히, InGaAlP계 제2반도체 몸체와 연관하여, 한편으로는 흡수 기능의 전류 분산층(current spreading layer) 및 전기 접촉이 생략될 수 있다는 이점이 제공된다. 다른 한편으로는, 열적으로 활성화된 손실 전류가 제1반도체 몸체를 향해 있는 표면의 부동태화(passivation)에 의해 감소하고, 그로 인하여 효율의 온도 종속성이 감소할 수 있다.
바람직하게는, 제2반도체 몸체는 제1파장 영역의 전자기 복사가 제1반도체 몸체로부터 제2반도체 몸체 안으로 입사할 수 있도록 배치된다. 제2반도체 몸체는 바람직하게는 제1반도체 몸체의 복사 출사면에 배치된다. 제1반도체 몸체에서 생성된 전자기 복사의 대부분은 제2반도체 몸체안으로 입사된다. 전자기 복사의 대부분이란 제1파장 영역의 전자기 복사의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 더욱 바람직하게는 적어도 85%를 의미한다. 제2반도체 몸체는 특히 대면적으로 형성되고, 바람직하게는 제1반도체 몸체의 상측에서 전체 복사 투과면을 덮는다. 예컨대, 제1 및 제2반도체 몸체는 래터럴 방향에서 상호간에 맞닿아 이어지거나, 제2반도체 몸체가 래터럴 방향에서 제1반도체 몸체보다 돌출한다. 래터럴 방향은 예컨대 제1반도체 몸체의 에피택시얼 성장 방향에 대해 수직이거나 제1 또는 제2반도체 몸체의 층에 대해 평행한 방향이다.
발광다이오드의 적어도 일 실시예에 따르면, 제1 및 제2반도체 몸체사이에 결합 물질이 배치되고, 이 때 결합 물질은 제1 및 제2반도체 몸체를 기계적으로 상호 결합시킨다.
결합 물질은 예컨대 제1 및 제2반도체 몸체를 구성하는 반도체 물질을 가리킬 수 있다. 제1 및 제2반도체 몸체는 모놀리식으로 상호 집적된다.
제1 및 제2반도체 몸체는 이 경우 예컨대 단일의 에피택시얼 성장 공정으로 제조되고, 일체형으로 형성된다. 또한, 제1 및 제2반도체 몸체가 웨이퍼본딩 공정에 의해 상호 결합되어 있을 수도 있다. 웨이퍼본딩 공정은 예컨대 직접 본딩(direct bonding) 또는 애노드 본딩을 가리킨다. 서로를 향해있는 두 반도체 몸체의 표면은 러프(rough)를 포함하지 않고, 경우에 따라서 결합 이전에 각각 매끄러워진다.
또는, 결합 물질은 투명한 전기 전도 물질을 가리킬 수 있다. 예컨대 결합 물질은 TCO(transparent conductive oxide) 물질을 가리킬 수 있다. 제1 및 제2반도체 몸체는 이 경우 예컨대 결합 물질을 이용한 애노드 본딩 또는 직접 본딩에 의해 상호 결합되어 있을 수 있다.
또한, 대안적으로, 결합 물질은 전기 절연성일 수 있다. 결합 물질은 예컨대 실리콘, 굴절률이 1.5를 초과하는 고굴절 실리콘, 에폭시수지, 규소산화물 또는 규소질화물을 가리킬 수 있다. 제1 및 제2반도체 몸체는 결합 물질을 이용하여 접착 또는 본딩에 의해 상호 결합해있을 수 있다.
발광다이오드의 적어도 일 실시예에 따르면, 발광다이오드는 전기적으로 접촉된 적어도 하나의 활성 영역을 가진 제1반도체 몸체를 포함하고, 이 때 발광다이오드의 구동 시 활성 영역에서 제1파장 영역의 전자기 복사가 생성된다. 발광다이오드는 제1반도체 몸체의 상측에서 제1반도체 몸체에 고정된 제2반도체 몸체를 포함하고, 이 때 제2반도체 몸체는 다중 양자 우물 구조를 가진 재방출 영역을 포함하고, 발광다이오드의 구동 시 재방출 영역에서 제1파장 영역의 전자기 복사가 흡수되고, 제2파장 영역의 전자기 복사가 재방출된다. 제1 및 제2반도체 몸체는 결합물질에 의해 상호 결합하고, 결합 물질은 제1 및 제2반도체 몸체 사이에 배치된다.
기술된 발광다이오드에서는 제2반도체 몸체의 재방출 영역이 바람직하게는 전기적으로 접촉되지 않는다. 즉, 재방출 영역에서의 전자기 복사, 즉 제2파장 영역의 전자기 복사는 재방출 영역의 다중 양자 우물 구조의 전기적 구동에 의해서가 아니라, 광학적 구동에 의해 생성된다. 즉, 발광다이오드는 특히, 다중 양자 우물 구조가 전기적으로 펌핑되지 않고 광학적으로 펌핑될 때 다중 양자 우물 구조에서 균일한 전하 분포가 가능해진다는 인식을 기초로 한다. 구동 시 더 짧은 파장의 전자기 복사를 생성하는 제1반도체 몸체를 구동 시 더 긴 파장의 전자기 복사를 생성하는 제2반도체 몸체와 직접적으로 배치함으로써, 제1파장 영역의 전자기 복사의 최대 비율이 재방출 영역의 다중 양자 우물 구조에서 전자정공쌍의 균일한 생성을 위해 활용될 수 있다. 또한, 이러한 발광다이오드는 매우 양호한 분광 특성 및 열 특성을 특징으로 한다. 즉, 제1반도체 몸체의 활성 영역은 예컨대 매우 양호하게 냉각될 수 있는데, 제2반도체 몸체가 제1반도체 몸체를 위한 일종의 열 분산기(head spreader)로서 작용하기 때문이다.
발광다이오드의 적어도 일 실시예에 따르면, 제1반도체 몸체는 제2반도체 몸체를 향해 있는 상측에서 다수의 아웃커플링 구조를 포함한다. 아웃커플링 구조는 예컨대 제1반도체 몸체의 러프를 가리킬 수 있다. 또한, 아웃커플링 구조는 제1반도체 몸체의 상측에 위치한 각뿔형 또는 각뿔대형 융기부를 가리킬 수 있다. 아웃커플링 구조는 반도체 몸체의 물질로 구성될 수 있고, 예컨대 제1반도체 몸체의 물질로 구조화된다. 또한, 아웃커플링 구조는 제1반도체 몸체의 물질과 상이한 물질로 구성된 부가적 구조를 가리킬 수 있다. 아웃커플링 구조는 바람직하게는 제1반도체 몸체의 굴절률과 최대 30% 편차가 있는 광학적 굴절률을 가진 물질로 구성된다.
발광다이오드의 적어도 일 실시예에 따르면, 결합 물질은 아웃커플링 구조를 상기 구조의 노출된 외부면에서 둘러싼다. 즉, 결합 물질은 제1 및 제2반도체 몸체 사이에 삽입되고, 아웃커플링 구조를 덮는다. 결합 물질은 아웃커플링 구조를 상기 아웃커플링 구조의 노출된 외부면에서 완전히 덮을 수 있어서, 상기 아웃커플링 구조는 결합 물질안에 매립되어 있다. 제1반도체 몸체의 상측에 위치한 아웃커플링 구조는 제2반도체 몸체와 접촉하지 않고, 아웃커플링 구조와 제2반도체 몸체 사이에 결합 물질이 배치될 수 있다.
전체적으로, 아웃커플링 구조는, 아웃커플링 구조를 포함하지 않은 경우에 비해, 제1파장 영역의 전자기 복사가 더 큰 확률로 제1반도체 몸체로부터 출사하고, 제2반도체 몸체안으로 입사할 수 있도록 한다. 아웃커플링 구조는 예컨대, 제1파장 영역의 전자기 복사의 전반사 확률이 제1반도체 몸체와 제2반도체 몸체 사이의 경계면에서 감소하도록 하는 역할이다.
발광다이오드의 적어도 일 실시예에 따르면, 제2반도체 몸체는 제1반도체 몸체와 다른 방향을 향해있는 상측 및/또는 제1반도체 몸체를 향해있는 하측에서 다수의 아웃커플링 구조를 포함한다. 아웃커플링 구조는 제1반도체 몸체의 아웃커플링 구조와 동일하거나 서로 상이하게 형성될 수 있다. 즉, 아웃커플링 구조는 제2반도체 몸체의 물질로 구조화될 수 있고, 그로 인하여 제2반도체 몸체의 물질로 구성될 수 있다. 그러나, 아웃커플링 구조는 제2반도체 몸체의 물질과 상이한 물질로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 제2반도체 몸체는 제1반도체 몸체와 다른 방향을 향해있는 상측 및 제1반도체 몸체를 향해있는 하측에서 다수의 아웃커플링 구조를 포함한다. 제2반도체 몸체의 하측에 위치한 아웃커플링 구조는 유리하게는 제2반도체 몸체와 결합 물질 사이의 경계면에서 프레넬 손실을 감소시킨다.
일 실시예에서 제2반도체 몸체의 아웃커플링 구조는 제2반도체 몸체의 광학적 굴절률에 비해 최대 30% 편차를 가지는 광학적 굴절률을 가진 물질로 구성된다.
제2반도체 몸체의 아웃커플링 구조는 제2반도체 몸체로부터의 광 출사 확률을 증가시킨다.
이 때, 출사되는 광은 제1 또는 제2파장 영역의 전자기 복사를 가리킬 수 있다. 즉, 발광다이오드는 제1 및 제2파장 영역으로부터의 혼합광을 방출할 수 있다. 혼합광은 예컨대 백색광을 가리킬 수 있다.
그러나, 발광다이오드는 주로 제2파장 영역의 전자기 복사를 방출할 수 있다. 즉, 제2반도체 몸체안으로 입사되는 제1파장 영역의 전자기 복사의 대부분 - 예컨대 적어도 90% - 은 제2반도체 몸체에 흡수된다. 이러한 방식으로, 발광다이오드는 예컨대 순수색상의 녹색광, 황색광 또는 적색광을 방출할 수 있다.
발광다이오드의 적어도 일 실시예에 따르면, 제1 및/또는 제2반도체 몸체의 아웃커플링 구조의 물질은 티타늄산화물, 아연셀렌화물, 알루미늄질화물, 규소탄화물, 붕소질화물 및/또는 탄탈륨산화물 중 하나의 물질을 포함하거나 그러한 물질로 구성된다. 이러한 물질은, InGaN 계 반도체 몸체의 굴절률에 비해 최대 30%만큼 편차를 가진 광학적 굴절률을 가진다는 것을 특징으로 한다.
발광다이오드의 적어도 일 실시예에 따르면, 제2반도체 몸체와 다른 방향을 향해있는 제1반도체 몸체의 하측에 거울층이 고정된다. 거울층은 예컨대 유전체 거울, 브래그 거울, 금속 거울 또는 상기 거울들의 조합을 가리킨다. 거울층은, 제1파장 영역의 전자기 복사를 제2반도체 몸체의 방향으로 반사하도록 제공된다. 이러한 방식으로, 제1파장 영역의 전자기 복사의 매우 많은 비율을 제2반도체 몸체안으로 입사시킬 수 있다. 또한, 거울층은 제2반도체 몸체로부터 제1반도체 몸체의 방향으로 방출되는 제2파장 영역의 전자기 복사를 제2반도체 몸체의 방향으로, 그리고 발광다이오드로부터 나가는 방향으로 반사할 수 있다.
발광다이오드의 적어도 일 실시예에 따르면, 재방출 영역의 다중 양자 우물 구조는 적어도 20개의 양자우물층들을 포함한다. 양자우물층들은 예컨대 제2반도체 몸체의 성장 방향을 따라 포개어져 배치되며 장벽층에 의해 서로 분리된다. 이 때, 많은 수의 양자우물층은 광학적 펌핑을 이용하여 전하 캐리어들로 균일하게 채워질 수 있고, 제2파장 영역의 전자기 복사의 생성 효율이 많은 수의 양자우물층들에 의해 괄목할만하게 증가한다는 것이 확인되었다. 특히, 청색광 또는 UV 복사로부터 녹색광으로의 완전한 변환 시, 양자우물층(또한 양자막)의 수는 광 생성 효율을 위해 중요한데, 양자우물층들에서만 광자가 흡수되고, 양자 우물층들의 수가 많을 때 충분한 흡수 횡단면이 제공되기 때문이다. 또한, 많은 수의 양자우물층들이 있을 때 개별 우물들에서 낮은 전하 캐리어 밀도에 의해 효율 최대값이 더 높은 전류로 유리하게도 이동하게 된다. 따라서, 완전한 변환은 100 A/㎠을 초과하는 고 전류 밀도일 때 직접적으로 전기적 펌핑된 녹색 발광다이오드보다 더 효율적일 수 있다.
이하, 본 명세서에 기술된 발광다이오드는 실시예 및 그에 속한 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명된다.
도 1a 및 1b는 전기적으로 구동하는 청색 발광다이오드 및 녹색 발광다이오드의 효율을 나타낸 그래프 도면이다.
도 2a, 2b, 2c, 2d는 본 명세서에 기술된 발광다이오드의 실시예를 개략적 단면도로 더 상세히 나타낸다.
도 3a, 3b, 4a, 4b는 본 명세서에 기술된 발광다이오드의 특성을 나타낸 그래프로 더 상세히 설명한다.
도 2a, 2b, 2c, 2d는 본 명세서에 기술된 발광다이오드의 실시예를 개략적 단면도로 더 상세히 나타낸다.
도 3a, 3b, 4a, 4b는 본 명세서에 기술된 발광다이오드의 특성을 나타낸 그래프로 더 상세히 설명한다.
동일하거나 동일한 종류이거나 동일한 효과를 가진 구성요소는 도면에서 동일한 참조번호를 가진다. 도면 및 도면에 도시된 요소들간의 크기비는 척도에 맞는 것으로 볼 수 없다. 오히려, 개별 요소는 더 나은 표현 및/또는 더 나은 이해를 위해 과장되어 크게 도시되어 있을 수 있다.
도 1a는 피크 파장이 435 nm인 전자기 복사, 즉 청색광을 방출하는 발광다이오드의 경우에 광학적 손실을 포함한 외부 효율(EQE) 및 광학적 손실(IQE)을 미포함한 내부 효율을 나타낸 그래프 도면이다. 발광다이오드는 전기적으로 구동한다. 도 1a로부터 알 수 있는 바와 같이, 내부 효율은 80%를 초과한다.
도 1b는 피크 파장이 540 nm일 때 녹색광을 방출하며 전기적으로 구동하는 발광다이오드의 경우에 외부 효율(EQE) 및 내부 효율(IQE)을 나타낸 그래프 도면이다. 도 1b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 최대 내부 효율은 50% 미만이다.
종합적으로, 전기적으로 펌핑된 녹색 발광다이오드는 전기적으로 펌핑된 청색 발광다이오드 또는 UV 복사 방출 발광다이오드에 비해 그 효율면에서 약하다.
도 2a는 본 명세서에 기술된 발광다이오드의 제1실시예를 개략적 단면도로 도시한다. 도 2a의 발광다이오드는 제1반도체 몸체(10) 및 제2반도체 몸체(20)를 포함한다. 제1반도체 몸체(10) 및 제2반도체 몸체(20)는 서로 포개어져 적층되어 배치된다. 제2반도체 몸체(20)는 제1반도체 몸체의 상측(10a)에서 상기 제1반도체 몸체(10)이후에 후속한다. 상측(10a)에 제1반도체 몸체(10)의 복사 투과면이 위치하고, 이러한 복사 투과면을 통해 제1반도체 몸체(10)로부터 출사된 전자기 복사(110)의 전체 또는 대부분이 출사된다.
제1반도체 몸체(10)는 p형 도핑된 영역(12) 및 n형 도핑된 영역(13)을 포함한다. p형 도핑된 영역(12)과 n형 도핑된 영역(13) 사이에 활성 영역(11)이 배치된다. 활성 영역(11)은 전기적으로 구동하고, 전기적 연결부는 도 2a에 미도시되어있다(이에 대해 도 2d 참조). 예컨대, 활성 영역(11)은 pn접합, 단일양자우물구조 또는 다중양자우물구조를 포함한다. 제1반도체 몸체(10)는 제1반도체 몸체의 상측(10a)에서 아웃커플링 구조(14)를 포함하고, 본원에서 상기 아웃커플링 구조는 제1반도체 몸체(10)의 물질로 구성된다. 예컨대, 아웃커플링 구조는 KOH-식각을 이용하여 제조된 러프를 가리킨다. 그러나, 아웃커플링 구조(14)는 앞에서 계속하여 설명한 바와 다른 물질로 구성될 수 있다.
제2반도체 몸체(20)는 n형 도핑된 영역(22), p형 도핑된 영역(23) 및 상기 두 영역 사이에 배치된 재방출 영역(21)을 포함한다. 재방출 영역(21)은 다중양자우물구조를 포함한다. 재방출 영역(21)은 전기적으로 연결되어 있지 않고, 전기적으로 구동하지 않는다.
제2반도체 몸체(20)는 제2반도체 몸체의 상측(20a)에서 아웃커플링 구조(24)를 포함하고, 상기 아웃커플링 구조는 본원에서 마찬가지로 KOH 식각을 이용하여 반도체 몸체(20)안에서 구조화된다. 아웃커플링 구조(24)는 앞에서 계속하여 설명한 바와 다른 물질로 구성될 수 있다. 또한, 제2반도체 몸체(20)의 하측(20b)에도 아웃커플링 구조(24)가 배치될 수 있다(미도시).
제1반도체 몸체(10)와 제2반도체 몸체(20) 사이에 결합 물질(30)이 배치되고, 상기 결합 물질은 본원에서 실리콘을 포함하거나 실리콘으로 구성된다. 결합 물질(30)은 제1반도체 몸체(10)의 아웃커플링 구조(14)를 상기 아웃커플링 구조의 노출된 외부면에서 완전히 둘러싼다. 결합물질(30)은 본원에서 전기 절연성이고, 두 반도체 몸체들의 기계적 결합을 나타낸다.
제1반도체 몸체(10) 및 제2반도체 몸체(20)는 본원에서 서로 별도로 에피택시얼 제조되고, 차후에 결합 물질(30)을 이용하여 상호 결합해 있다. 제2반도체 몸체(20) 및 제1반도체 몸체(10)는 상기 반도체 몸체의 측면(20c, 10c)에서 상호 접촉하여 이어짐으로써, 반도체 몸체(10, 20)는 쌍방간 래터럴로 돌출하지 않는다.
제2반도체 몸체(2)와 다른 방향을 향해있는 제1반도체 몸체(10)의 하측(10b)에 거울층(40)이 배치되고, 거울층은 본원에서 금속 거울로서 형성되며, 금속 거울은 예컨대 알루미늄 또는 은으로 구성된다. 거울층(40)은 제1파장 영역의 전자기 복사(110) 및 제2파장 영역의 전자기 복사(210)의 반사를 위해 적합하다.
도 2b의 개략적 단면도에서 재방출 영역(21)의 다중 양자 우물 구조(213)는 더 상세히 설명된다. 다중양자우물구조(213)는 다수의 양자우물층들(211)을 포함하고, 이러한 양자우물층들은 장벽층들(212)에 의해 서로 분리된다. 제1파장 영역의 전자기 복사(110)는 양자 우물 구조들에서 전하 캐리어들(214)의 분포가 광학적 펌핑에 의해 균일하도록 한다.
도 2c와 관련하여, 본 명세서에 기술된 발광다이오드의 다른 실시예가 개략적 단면도로 더 상세히 설명된다. 이러한 실시예에서, 제1반도체 몸체(10) 및 제2반도체 몸체(20)는 모놀리식으로 집적된다. 즉, 예컨대 두 반도체 몸체는 단일의 에피택시얼 설비에서 연속하여 에피택시얼 증착된다. 또한, 제1반도체 몸체(10) 및 제2반도체 몸체(20)는 웨이퍼본딩 공정을 이용하여 상호 결합할 수 있다. 결합 물질(30)은 실시예에서 제1반도체 몸체(10) 및 제2반도체 몸체(20)의 반도체 물질(13, 22)로 형성된다. 이러한 실시예에서, 유리하게는, 활성 영역(11)과 재방출 영역(21) 사이의 광학적 결합은 예컨대 도 2a와 관련하여 설명된 실시예에 비해 더욱 양호하다. 도 2c와 관련하여 설명된 실시예의 제조는 더 복잡하다는 단점이 있다.
개략적 단면도(2d)에 의거하여, 제1반도체 몸체(10)의 활성 영역(11)의 전기적 접촉을 위한 방법이 개략적으로 설명된다. 제1반도체 몸체(10)의 하측(10b)으로부터 본원에서는 채널(53)이 거울층을 관통하여 반도체 몸체(10)안에 삽입되고, 이러한 채널은 전기 전도 물질로 채워지며, 전기 전도 물질은 반도체 몸체(10)와 다른 방향을 향해있는 거울층(40)의 측에서 전기 접촉부(51, 52)를 형성한다. 도시된 실시예 외에, 제1반도체 몸체(10)의 활성층(11)의 전기 접촉을 위한 다른 연결 가능성도 고려할 수 있다.
도 3a의 그래프 도면은 도 2c의 실시예(곡선 a) 및 도 2a의 실시예(곡선 b)에 있어 재방출 영역(21)의 다중양자우물구조(213)에서의 흡수를 활성층(11)에서 생성된 전자기 복사 파장(λ)에 의존하여 도시한다. 이 때, 파장 영역이 400 nm일 때, 즉 UV 영역에서 전자기 복사를 위한 흡수가 최적이라는 것을 알 수 있다. 바람직하게는, 활성층(11)에서 UV 영역의 전자기 복사가 생성된다.
도 3b는 다중양자우물구조(213)에서 양자층들의 수에 대한 효율을 나타낸 그래프 도면이다. 곡선(a, b)은 도 2c 또는 2a의 실시예에 대한 효율을 나타낸다. 곡선(c, d)은 도 2c 또는 2a의 실시예의 경우에 시스템으로부터 출사되는, 변환되지 않은 펌프 복사의 비율을 도시한다. 부가적으로, 광학적 손실은 도 2a에 따른 변형예보다 도 2c에 따른 변형예에서 더 높은 흡수에 의해 존재한다. 다중양자우물 구조(213)에서 양자우물층들(211)의 수와 함께 효율이 증가한다는 것을 확인할 수 있다. 이 때, 도 2c와 관련하여 더 상세히 기술된 바와 같은 모놀리식 구조는 도 2a의 구조보다 더 높은 효율을 가지는데, 상기 도 2의 구조에서 약 1.4의굴절률을 가진 실리콘은 제1반도체 몸체(10) 및 제2반도체 몸체(20)의 결합을 위한 결합물질(30)로서 사용된다.
도 4a는 활성 영역을 구동시키는 전류 세기에 대한 효율의 그래프 도면을 도시한다. 이 때 광학적 손실을 제외하고 내부 효율을 다룬다. 광학적 손실이 고려되지 않으므로, 도 4a의 그래프 도면은 도 2a의 실시예뿐만 아니라 도 2c의 실시예에도 관련한다. 곡선(a)은 다중양자우물구조(213)에서 광학적으로 펌핑된 5개의 양자우물층들에 대한 효율을, 곡선(b)은 10개, 곡선(c)은 20개, 곡선 (f)은 40개의 양자우물층들(211)의 경우에 대해 도시한다. 곡선(e)은 UV 복사를 생성하며 전기적으로 펌핑된 활성 영역(11)의 효율을 나타낸다. 도 4a로부터 확인되는 바와 같이, 내부 효율은 전류 세기가 더 크면 상승한다. 전류 세기가 200 mA를 초과하면 광학적으로 펌핑된 다중양자우물구조를 위한 전체 곡선은 곡선(d)에 표시된 바와 같은, 전기적으로 펌핑된 양자우물구조를 위한 효율을 초과한다.
도 4b는 여기된 전류에 대비한 효율을 나타낸 그래프 도면이고, 이 때는 광학적 손실이 고려된다. 파선은 도 2c와 관련하여 도시된 바와 같이 모놀리식으로 집적된 실시예에 관련한다. 실선은 도 2a와 관련하여 설명된 바와 같이 제1반도체 몸체(10) 및 제2반도체 몸체(2)가 서로 별도로 제조된 실시예에 관련한다. 일반적인 추세로서, 모놀리식으로 집적된 발광다이오드를 위한 효율은 광학적 손실이 더 낮은 이유로 인하여 개선된다는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 이러한 발광다이오드는 그 제조 공정이 더 비용 소모적이다.
곡선(a)은 비교용으로서 단일의 양자우물층을 가지며 녹색광을 생성하고 전기적으로 펌핑되는 활성 영역의 효율을 나타낸다. 곡선(b)은 5개의 양자우물층들의 모의실험을, 곡선(c)은 10개의 양자우물층들에 대해, 곡선(d)은 20개의 양자우물층들에 대해, 곡선(e)은 40개의 양자우물층들에 대해 나타내며, 상기 양자우물층들은 각각 제1반도체 몸체(10)와 제2반도체 몸체(20)사이의 결합물질(30)로서 실리콘을 포함한다.
제1반도체 몸체(10) 및 제2반도체 몸체가 모놀리식으로 상호 집적된 경우에, 곡선(f)은 5개의 양자우물층들에 대한 모의실험을, 곡선(g)은 10개의 양자우물층들에 대한 모의실험을, 곡선(h)은 20개의 양자우물층들에 대한 모의실험을, 곡선(i)은 40개의 양자우물층들에 대한 모의실험을 도시한다. 종합적으로, 발광다이오드는 재방출 영역(21)에서 광학적으로 펌핑된 양자우물층(211)의 개수가 약 20일 때부터, 전기적으로 펌핑된 양자우물층에 비해 더 높은 효율을 가진다.
본 발명은 실시예에 의거한 설명에 의하여 이러한 실시예에 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 특징들의 각 조합을 포함하고, 이러한 점은 특히, 비록 이러한 특징 또는 이러한 조합이 그 자체로 명백하게 특허청구범위 또는 실시예에 제공되지 않더라도, 특허청구범위에서의 특징들의 각 조합을 포괄한다.
Claims (14)
- 발광다이오드에 있어서,
전기적으로 접촉된 적어도 하나의 활성 영역(11)을 구비한 제1반도체 몸체(10)를 포함하되, 상기 발광다이오드의 구동 시 상기 활성 영역(11)에서 제1파장 영역의 전자기 복사(110)가 생성되고, 그리고
상기 제1반도체 몸체(10)의 상측(10a)에서 상기 제1반도체 몸체(10)에 고정된 제2반도체 몸체(20)를 포함하되, 상기 제2반도체 몸체(20)는 다중 양자 우물 구조(213)를 가진 재방출 영역(21)을 구비하고, 상기 발광다이오드의 구동 시 상기 재방출 영역(21)에서 상기 제1파장 영역의 전자기 복사(110)가 흡수되고, 제2파장 영역의 전자기 복사(220)가 재방출되며, 그리고
상기 제1(10) 및 제2반도체 몸체(20) 사이에 배치된 결합 물질(30)을 포함하되, 상기 결합 물질(30)은 상기 제1(10) 및 제2반도체 몸체(20)를 기계적으로 상호 결합시키는 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 1 항에 있어서,
상기 결합물질(30)은 전기 절연성인 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 2 항에 있어서,
상기 결합물질(30)은 실리콘이거나 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1반도체 몸체(10)는 상기 제2반도체 몸체(20)를 향해있는 상측(10a)에서 다수의 아웃커플링 구조들(14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 4 항에 있어서,
상기 결합 물질(30)은 상기 아웃커플링 구조들(14)을 상기 아웃커플링 구조의 노출된 외부면에서 둘러싸는 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 아웃커플링 구조들(14)은 상기 제1반도체 몸체(10)의 굴절률과 최대 30%만큼 편차가 있는 굴절률을 가진 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2반도체 몸체(20)는 상기 제1반도체 몸체와 다른 방향을 향해 있는 상측(20a) 및/또는 상기 제1반도체 몸체를 향해 있는 하측(20b)에서 다수의 아웃커플링 구조들(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 7 항에 있어서,
상기 아웃커플링 구조들(24)은 상기 제2반도체 몸체(20)의 굴절률과 최대 30%만큼 편차가 있는 굴절률을 가진 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 아웃커플링 구조들(24)은 상기 제1반도체 몸체(10)의 물질 및 상기 제2반도체 몸체(20)의 물질과 상이한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 아웃커플링 구조들(14, 24)의 물질은 TiO2, ZnS, AlN, SiC, BN, Ta2O5 중 하나의 물질을 포함하거나 그것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2반도체 몸체(20)와 다른 방향을 향해있는 상기 제1반도체 몸체(10)의 하측(10b)에서 상기 제1반도체 몸체(10)에 거울층(40)이 고정되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1파장 영역은 UV 복사 및/또는 청색광으로부터의 파장 영역으로 구성된 전자기 복사를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 12 항에 있어서,
상기 제2파장 영역은 녹색광으로부터의 파장 영역으로 구성된 전자기 복사를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 재방출 영역의 다중양자우물구조(213)는 적어도 20개의 양자우물층들(211)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
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