KR20120083829A - 식각형 공명에너지전달 발광다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공명 에너지전달(FResonance Energy Transfer, FRET) 발광다이오드(Light Emitting Diodes, LED)에 관한 것으로, LED 표면에 수 마이크로미터에서 수십 나노미터 크기의 hole을 형성하고 그 내부에 반도체 양자점을 균일 도포하여 백색의 광을 발광하는 LED에 관한 것이다.
본 발명은 반도체 양자점을 LED 활성층으로부터 수 나노미터 이내로 근접시키게 되면, 활성층 내부에서 비복사 방식으로 소멸하는 전자-전공 결합에너지를 양자점으로 전달하게 되어 LED의 에너지변환효율을 증가시키고 ,반도체 양자점의 우수한 색재현성으로 이상적인 백색광에 근접한 빛을 발생시키는 효과가 있다.

Description

식각형 공명에너지전달 발광다이오드{Etching-type FResonance Energy Transfer Light Emitting Diodes}

본 발명은 식각형 공명에너지전달 발광다이오드(FResonance Energy Transfer Light Emitting Diodes)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LED 표면에 수십 마이크로미터에서 수십 나노미터 크기의 패턴을 형성하고, 생성된 마이크로/나노구멍 내부에 반도체 양자점을 균일하게 도포함으로써, 활성층 내부에서 비복사 방식으로 소멸하는 전자-전공 결합에너지를 에너지 손실없이 양자점으로 전달하게 되어 발광다이오드의 에너지변환효율을 증가시키는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 LED는 전자(electron)와 홀(hole)의 재결합으로 발광하는 반도체 소자로, 광통신, 전자기기에서 여러 형태의 광원으로 널리 사용되고 있으며, 수명이 길고, 소형화가 가능하며, 저전압으로 구동이 가능하여 기존의 발광소자를 대체할 수 있는 차세대 발광소자 중의 하나로 각광받고 있다.

LED는 기존의 조명용 발광기구인 백열전구와 형광등과 비교할 때 에너지변환효율이 우수하고 친환경적 이여서 실생활의 조명용 기구로 활용되기 시작하였다.

그러나, LED 조명이 궁극적으로 기존 조명기수를 대체하기 위해서는 LED의 에너지변환효율이 지속적으로 향상되어야 한다.

LED의 효율은 칩(chip), 형광체, 패키지 등의 개별 효율에 영향을 받게 되는데, 이 중에서 LED 에피 칩 효율이 가장 큰 부분을 차지하게 된다.

칩 효율은 LED에 인가된 전압에 의하여 활성층으로 공급된 전자-전공이 빛을 방출하는 복사방식 재결합(radiative recombination)하는 비율에 의해서 결정된다.

따라서, LED 칩 효율 향상은 복사 방식이 아닌 비복사 방식으로 재결합(non-radiative recombination)되는 에너지를 최소화하는 것이다.

최근에 위의 비복사 재결합 과정을 억제하여 에너지변환효율을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있는 FRET 현상을 LED 소자에 응용하려는 보고가 발표되고 있다.

이는 비복사 재결합으로 손실되는 전자-전공 에너지를 활성층에 수 나노미터 이내의 거리에 근접해 있는 반도체 양자점에 전달하여 복사식 재결합을 촉진시키는 방법이다.

현재 상용화되어 사용되고 있는 일반적인 GaN 기반의 LED 에피구조는 도 2에서와 같이 사파이어 기판(100) 위에 n-형 GaN(110), 양자우물(120), p-형 GaN(130)를 순서대로 성장시키게 된다.

위와 같은 구조에서는 맨 위층인 p-형 GaN의 두께를 최소 150nm 이상의 두께로 성장시켜야만 원하는 수준의 전기전도 특성을 얻을 수 있게 된다.

그러나, FRET 현상을 이용한 LED 소자를 제작하기 위해서는 에너지 도너(donor) 역할을 하는 활성층과 에너지 억셉터(acceptor) 역할을 하는 LED 표면에 존재하는 반도체 양자점 사이의 거리가 수 나노미터 이내로 근접해야하기 때문에 기존의 일반적인 LED 에피구조로는 구현이 불가능하다.

이러한 문제점을 극복하고 FRET LED을 구현하기 위해서 이전의 연구자들은 도 3과 같이 기판 위에 p-형 GaN(130)을 일차적으로 성장한 후, 양자우물 및 n-형 반도체 순서로 성장한 소위 inverted LED 에피 구조를 이용하였는데, 이는 맨 위층인 n-형 GaN(110)의 두께를 FRET 현상이 동작하는 수 나노미터까지 줄여도 p-형 GaN 보다는 우수한 전기전도도를 얻을 수 있기 때문이다.

그러나, 이런 에피 구조의 경우 몇 가지 치명적인 문제점이 있는데, 첫째는 p-형 GaN를 먼저 성장시키게 되면 에피 박막의 표면 거칠기가 크게 증가하여 고품질의 에피를 구현하기가 힘들고, 또한 p-형 GaN의 불순물인 마그네슘의 기억효과 (memory effect)에 의해서 n-형 GaN 내에는 고농도의 결함이 발생하게 된다.

또한, n-형 GaN 층도 수 나노미터 이하로 두께가 얇아지게 되면 소자가 작동하기에 충분한 전류를 소자 내부에 균일하게 공급할 수가 없게 된다.

그 결과 inverted 에피 품질은 현저하게 저하되어 실제적으로 응용 가능한 소자개념으로 발전하기 힘들다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 본 발명은 위와 같은 종래의 FRET LED의 단점을 극복할 수 있는 새로운 구조의 FRET-LED를 제시하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 종래의 inverted LED 에피 구조를 활용하는 대신에 내부양자효율이 우수한 normal LED 에피 구조를 사용한다.

FRET 현상을 구현하기 위해서는 반도체 양자점과 활성층 사이의 거리를 수 나노미터 이내로 줄여줘야 하는데, 이를 위해서 건식식각 공정을 도입하여 LED의 일정 부분을 패터닝한 후, 에칭하여 반도체 양자점과 활성층 사이의 간격을 수 나노미터 이내로 정밀하게 조절하여 FRET 현상을 LED 소자에 구현한다.

따라서, 본 발명의 나노발광다이오드는 기판 위에 n-GaN층, 활성층, p-GaN층 및 투명 전극층이 차례로 성장되어 있고, n-GaN층에 n-pad가 연결되고 투명전극층에 p-pad가 연결되어 있는 구조를 포함하며, 상기 투명전극층 위에 마이크로 및 나노 hole 패턴을 형성하고, 상기 p-GaN층으로부터 상기 n-GaN층까지 식각하여 마이크로 및 나노 hole을 형성시켜 발광하도록 된 것이 특징이다.

그리고, 상기 마이크로 및 나노 hole 구조는 ITO, Ni, Au, Ag 등의 금속 마스크를 사용한 식각방법으로 형성되고, 상기 마이크로 및 나노 hole 구조 내부에 반도체 양자점이 균일하게 도포되며, 상기 반도체 양자점의 발광 스펙트럼이 청록색 형광물질로 이루어지는 것이 특징이다.

본 발명은 기존의 inverted LED 에피 구조 기반의 FRET LED와는 달리, 표준 에피 구조를 활용함으로써 발광효율이 높은 효과가 있다.

또한, 본 발명은 활성층에서 수 나노미터 이내에 반도체 양자점을 도포하여 FRET 현상을 구현하여 추가적으로 발광효율을 높이는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 반도체 양자점을 color-converter로 활용함으로써 색재현성을 개선하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 에칭형 FRET-LED 구조이다.
도 2는 종래의 LED의 구성도이다.
도 3은 FRET LED를 구현하기 위해서 종래에 사용된 inverted 에피 구조이다.
도 4는 본 발명의 에칭형 FRET-LED의 표면 마이크로 hole 사진이다.
도 5는 본 발명의 에칭형 FRET-LED 표면에 CdSe/ZnS 반도체 양자점 도포에 따른 전기발광 (electroluminescence) 결과이다.
도 6은 본 발명의 에칭형 FRET-LED 표면에 CdSe/ZnS 반도체 양자점 도포에 따른 시분해능(time-resolved) 광발광(photoluminescence) 결과이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명과 대비되는 종래의 LED 구성을 살펴보면, 도 2에 도시한 바와 같이, 종래의 LED는 사파이어나 실리콘 기판 위에 실리콘이 도핑되어 있고, 전자가 생성되는 질화칼륨층인 n-GaN 층, 발광이 일어나는 활성층(MQW), 마그네슘이 도핑되어 있고 정공이 형성되어 있는 질화칼륨층인 p-GaN층 및 투명전극층이 차례로 성장되어 있고, n-GaN층에 n-pad(-금속전극)가 연결되고 투명전극층에 p-pad(+금속전극)가 연결되어 있는 구조로 되어 있다.

도 1는 본 발명의 에칭형 FRET-LED 구성도이고, 도 4은 에칭형 FRET-LED 광학현미경 사진이다.

본 발명은 종래의 inverted LED 에피 구조 기반의 FRET LED의 단점을 극복하기 위하여 도 1와 같이 발광효율이 높은 normal LED 에피 구조 즉, 기판(10) 위에 n-GaN(11), MQW(12), p-GaN(13) 순서로 에피층을 성장한 LED 에피층을 반도체 에칭 장치를 이용하여 p-GaN에서 n-GaN 층까지 깊이를 조절하면서 에칭한다.

마이크로미터에서 나노미터 크기의 hole을 형성하기 위한 패턴은 패턴의 크기가 마이크로미터의 경우 기존의 광학적 방법을 나노미터 크기의 경우 나노 스텝퍼 공정과 나노임프린트 공정 등을 이용한다.

식각방법으로는 수직형 식각에 유리하고, 식각 데미지가 비교적 적고 inductively-coupled plasma (ICP) 장치를 이용한다.

본 발명에서는 마이크로/나노 hole 구조를 형성시키기 위하여 ITO, Ni, Au, Ag 등의 금속에 열처리방법이나 습식처리방법으로 나노크기의 마스크를 제작한 후, 이 금속 마스크를 사용하여 건식식각방법 또는 습식식각방법으로 p-GaN층으로부터 n-GaN층까지 나노 hole을 형성시킨다.

형성된 나노 hole 표면 위에 CdSe, InP 등의 반도체 양자점을 균일하게 도포한다.

도포된 반도체 양자점은 LED의 활성층으로부터 FRET 현상을 통하여 에너지를 전달받아 양자점 고유의 발광파장 빛을 발산하게 된다.

도 5는 마이크로/나노 에칭된 식각형 FRET-LED 소자 표면에 CdSe/ZnS 반도체 양자점을 도포하기 전후에서의 electroluminescence 그래프이다.

양자점 도포 전에는 GaN 활성층에서 발광되는 460nm의 blue emission만 관찰되다가, 양자점 도포함에 따라서 blue뿐만 아니라 630nm의 red emission이 추가적으로 관찰되었는데, 이는 LED 활성층으로 유입된 전자-전공의 에너지가 비복사 방식으로 양자점에 전달되어 양자점의 bandgap 에너지에 해당하는 red emission을 발광하게 된 것이다.

630nm의 red emission이 비복사 방식의 에너지 전달에 의한 현상이 아닌 복사 방식의 에너지 전달 즉, 단순한 형광체 동작만으로도 가능하게 되는데, 이를 명확하게 구분하기 위해서 도 6에서와 같이 time-resolved photoluminescence(TR-PL) 측정을 실시하였다.

만약 도 5에서의 red emission이 형광체에 의한 단순 발광현상이라면 TR-PL 측정에서 시상수(time constant)는 변화가 없는 것으로 알려져 있다.

그러나, 도 6에서 나타난 바와 같이 양자점 도포 후에 시상수가 크게 감소함을 알 수가 있는데, 이는 활성층에 존재하는 전자-전공이 복사방식뿐만 아니라 비복사 방식으로도 에너지가 전달됨을 의미한다.

또, 본 발명은 기존의 청색 LED에 황록색 형광체를 조합한 종래의 백색 LED와는 달리, 색재현력이 우수한 반도체 양자점을 활용하기 때문에 연색지수가 높아서 색의 표현이 제대로 되고 발광효율이 높다.

이상에서 실시예를 토대로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능하다. 따라서 위의 기재 내용에 의하여 본 발명의 범위가 한정되지 아니한다.

10 : 기판
11 : n-GaN
12 : MQW
13 : p-GaN
14 : 투명전극층

Claims (4)

1. 기판 위에 n-GaN층, 활성층, p-GaN층 및 투명 전극층이 차례로 성장되어 있고, n-GaN층에 n-pad가 연결되고 투명전극층에 p-pad가 연결되어 있는 발광다이오드에 있어서,
   상기 투명전극층 위에 마이크로 및 나노 hole 패턴을 형성하고, 상기 p-GaN층으로부터 상기 n-GaN층까지 식각하여 마이크로 및 나노 hole을 형성시켜 발광하도록 된 것을 특징으로 하는 식각형 공명에너지전달 발광다이오드.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 및 나노 hole 구조가 ITO, Ni, Au, Ag 등의 금속 마스크를 사용한 식각방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 식각형 공명에너지전달 발광다이오드.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 및 나노 hole 구조 내부에 반도체 양자점이 균일하게 도포된 것을 특징으로 하는 식각형 공명에너지전달 발광다이오드.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 반도체 양자점의 발광 스펙트럼이 청록색 형광물질인 것을 특징으로 하는 식각형 공명에너지전달 발광다이오드.

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