KR20120085775A - 전력 발광 다이오드 및 전류 밀도 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

390 - 415 ㎚의 파장에서 방출하는 발광 다이오드 장치는 활성 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판을 갖는다. 상기 장치는 약 175 암페어/㎠보다 큰 전류 밀도 및 약 5% 절대 효율보다 작은 롤오프(roll off)를 갖는 외부 양자 효율을 갖는다.

Description

전력 발광 다이오드 및 전류 밀도 작동 방법{POWER LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD WITH CURRENT DENSITY OPERATION}
본 출원은 2009년 9월 18일자로 출원된 미국 출원번호 제61/243,988호(대리인 사건 번호 027364-007100US)의 우선권을 주장하고, 공동으로 양도되었으며, 본 명세서에는 참조로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 조명 기술들에 관한 것으로, 특히, 벌크 갈륨 및 질소 함유 극성, 반-극성 또는 무-극성 재료들 상에 제조되는 고 전류 밀도(high current density) LED 장치들을 위한 기술들에 관한 것이다. 본 발명은 백색 조명, 다색 조명, 평판 디스플레이들을 위한 조명, 다른 광전자 장치들, 및 유사한 제품들과 같은 응용들에 적용될 수 있다.
1800년대 말기에, 토마스 에디슨은 백열 전구를 발명했다. 일반적으로 "에디슨 전구"라 지칭되는 상기 종래의 백열 전구는 100년을 넘게 사용되어 왔다. 상기 종래의 백열 전구는 소켓에 돌려서 조여지는 베이스로 밀봉된 유리 전구 내에 수납되는 텅스텐 필라멘트를 사용한다. 상기 소켓은 AC 전력 또는 DC 전력에 결합된다. 상기 종래의 백열 전구는 주택들, 빌딩들, 및 옥외 조명뿐만 아니라, 다른 구역들의 필요한 전등에서 찾을 수 있다. 유감스럽게도, 상기 종래의 백열 전구를 위해 사용되는 에너지의 90% 이상이 열 에너지로서 소멸된다. 게다가, 상기 종래의 백열 전구는 열 팽창 및 상기 필라멘트 엘리먼트의 수축에 기인하여 일상적으로 종종 고장 난다.
형광등은 상기 종래의 백열 전구의 문제점들의 일부를 극복한다. 형광등은 불활성 기체 및 수은으로 충진된 시각적으로 투명한 튜브 구조를 사용한다. 한 쌍의 전극들은 상기 할로겐 가스 사이에 결합되고 안정기를 통해 교류 전원에 결합한다. 일단 상기 가스가 여기되면, 상기 결과로 생기는(resulting) 수은 증기는 UV 광을 방출하도록 방전한다. 일반적으로 상기 튜브는 백색광을 생성하기 위해 UV 방출에 의해 여기 가능한 형광체들로 코팅된다. 많은 빌딩 건물들은 형광등을 사용하고, 보다 최근에는, 형광등은 표준 소켓에 결합하는 베이스 구조 상에 적합하게 되어 왔다.
또한, 반도체를 이용한(solid state) 조명 기술들이 알려져 있다. 반도체를 이용한 조명은 일반적으로 LED들로 지칭되는 발광 다이오드들을 제조하기 위한 반도체 재료들에 의존한다. 처음에는, 적색 LED들이 입증되었고 상업에 도입되었다. 적색 LED들은 알루미늄 인듐 갈륨 인화물 또는 AlInGaP 반도체 재료들을 사용한다. 보다 최근에, 수지 나카무라(Shuji Nakamura)는 청색 방출 LED들을 위해 청색 범위에서 발광하는 LED들을 제조하기 위해 InGaN 재료들의 사용을 개척했다. 상기 청색 LED들은 공식(state) 백색 조명과 같은 혁신들 및 다른 발달들을 선도한다. 또한, 반도체를 이용한 조명이 갖는 제한들이 여전히 존재하지만, 다른 색의 LED들이 제안되어 왔다. 이러한 제한들의 추가 세부사항은 본 명세서에 걸쳐 보다 상세하게는 아래에 설명된다.
반도체를 이용한 조명에 대한 도전은 LED-기반 조명의 높은 비용이다. 비용은 종종 일정한 양의 광을 생성하는데 사용되는 상기 반도체 재료의 실제 면적(real estate)에 직접 비례한다. 비용을 감소시키기 위해, 반도체 재료의 단위 면적 당 더 많은 루멘이 생성되어야만 한다. 그러나, 종래의 InGaN LED들은 전류 밀도가 증가함에 따라 내부 양자 효율이 감소하는 효율 "드루프(droop)"를 겪는다. 최대 효율에 대한 전류밀도, Jmax는 일반적으로 매우 낮은 전류 밀도인 1 - 10 A/㎠이다. 또한, 더 높은 전력 밀도들에서, 전류 집중(current crowding) 및 열 경사도들(thermal gradients)들은 열등한 성능 및 신뢰성 문제들을 초래할 수 있다. 최소 효율이 형광등 및 백열 조명과 같은 상기 종래의 접근법들의 LED들에 대한 에너지 절약을 제공하는데 필요하지만, 이러한 현상들은 전류 밀도를 증가시킴으로써 비용의 감소를 곤란하게 한다. 이러한 및 다른 제한들은 본 명세서에 걸쳐, 보다 상세하게는 아래에 더 상세하게 설명된다.
상기에 의해, 광학 장치들을 개선하기 위한 기술들이 크게 요구되고 있음이 이해된다.
본 발명에 따르면, 일반적으로 조명에 관한 기술들이 제공된다. 특히, GaN-기반 반도체 재료의 단위 면적당 증가된 광 출력을 생성하기 위한 기술이 설명된다. 더욱 상세하게는, 본 발명의 실시예들은 높은 활성 면적 활용도(즉, 다이싱 피치(dicing pitch)에 대한 활성 영역 면적의 비)를 가지며, 벌크 갈륨 및 질소 함유 극성, 반-극성 또는 무-극성 재료들 상에 제조되는 고 전류 밀도 LED 장치들을 포함한다.
종래의 GaN-기반 LED들은 사파이어, 실리콘 탄화물(SiC), 또는 실리콘(Si)과 같은 이질 기판들(foreign substrates) 상의 장치 층들의 에피택셜 성장에 의해 제조된다. 사파이어의 경우, 사파이어의 전기적 절연 특성들에 기인하여 수평형 분사 기하형상(lateral injection geometry)이 요구된다. 상기 수평형 기하형상은 반-투명 오믹 콘택(ohmic contact) 금속박막(metallization)을 통한 상부-방출, 또는 하부-방출(즉, "플립-칩" 또는 FC 기하형상)일 수 있다. 그외에, 상기 사파이어 기판은 제거되고, 박막 접근법이 사용될 수 있으며, 여기서, 상기 에피택셜 장치 층들은 캐리어 기판 또는 패키지 엘리먼트 위로 이송된다. Si에 대하여, 높은 광 추출 효율은 상기 Si 기판이 제거되는 것이 필요하며, 박막 접근법을 요구한다. SiC에 대하여, 수평형 또는 박막 접근법이 실행 가능하다.
고정된 광 출력 레벨에 대하여, 비용을 감소시키기 위한 주요 수단은 상기 조명 제품에 필요한 상기 LED 반도체 면적을 감소시키는 것이다. 전체 LED 칩 면적의 감소는 최종 제품 조립체에 사용되는 광학 및 다른 컴포넌트들의 크기를 감소시키는 동시에 반도체 제조 설비 생산량을 효과적으로 증가시킨다. 칩 크기의 감소는 전류 밀도를 증가시키지만, 이하 설명되는 본 발명의 에피택셜 기술들을 이용하여 높은 외부 양자 효율이 고 전류 밀도에서 유지될 수 있다. 또한, 칩 설계는 중요한 역할을 한다. 칩 크기가 감소함에 따라 제조 공차들이 활성 면적 활용도를 감소시킬 수 있기 때문에, 수평형 칩들(상부 또는 기판 방출)에 대한 칩 크기 감소는 문제가 있다.
이러한 효과는 도 1에 도시된다. 수평형-분사 장치들(상부 접촉되든지 하부 접촉되든지)은 상기 장치의 동일 측 상에 애노드 및 캐소드 모두를 형성하기 위한 면적이 필요하다. 이는 본질적으로 활성 면적 활용도를 감소시키고(상기 다이 풋 프린트(footprint)의 일부들이 상기 캐소드를 위해 필요하다), 다이 크기를 실질적으로 제한한다. 5 ㎛의 리소그래피 오차, 25 ㎛의 다이-접착 오차, 및 75 ㎛의 범프 직경을 가정하면, 상기 활성 면적 활용도 대 칩 폭은 상기 도면에 도시된 바와 같다. SiC에 대하여, 전도성 버퍼층 접근법은 수직형 분사 설계의 사용을 허용한다. 그러나, SiC와 GaN 사이의 격자 부조화는 고 전력 밀도(high power density)들에서 비신뢰성을 야기할 수 있는 고 전위 밀도들(high dislocation densities)(> 1x108 ㎝2)을 초래한다. 또한, SiC는 GaN 보다 더 높은 굴절률을 가지며, 광 추출의 문제를 더욱 어려운 문제로 만든다.
본 발명은 표면 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판을 포함하는 발광 다이오드를 제공한다. 하나 이상의 활성 영역들이 상기 표면 영역 위에 놓여 형성되며, 상기 하나 이상의 활성 영역들의 특징인 약 175 암페어/㎠보다 큰 전류 밀도를 갖는다. 상기 장치는 40%(또는 50%, 60%, 70%, 80%, 90%) 이상의 외부 양자 효율(external quantum efficiency; EQE)을 갖는다.
대안적인 실시예에서, 본 발명은 대안적인 형태의 발광 다이오드를 제공하지만, 이는 또한 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판 및 상기 표면 영역 위에 놓여 형성되는 하나 이상의 활성 영역들을 포함한다. 또한, 상기 장치는 상기 활성 영역들의 특징인 200 A/㎠보다 큰 전류 밀도, 및 385 - 480 ㎚의 파장을 특징으로 하는 방출을 갖는다. 특정 실시예에서, 상기 장치는 백색 광원을 제공하기 위해 상기 주 장치에 실시 가능하게 결합되는 원하는 적색, 녹색, 청색 및 다른 방출 형광체 재료들을 갖는다.
다른 실시예에서, 본 발명은 무-극성 배향을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판을 갖는 발광 다이오드를 제공한다. 또한, 상기 장치는 상기 표면 영역 위에 놓여 형성되는 활성 영역들 및 상기 활성 영역들의 특징인 약 500 A/㎠보다 큰 전류 밀도를 갖는다. 상기 장치는 385 - 415 ㎚의 파장을 특징으로 하는 방출 및 백색 광원을 제공하기 위해 실시 가능하게 결합되는 하나 이상의 RGB 또는 다른 색 형광체 재료들을 갖는다. 추가 특정 실시예에서, 상기 장치는 상기 활성 영역들의 특징인 약 500 A/㎠보다 큰 전류 밀도 및 385 - 415 ㎚의 파장을 특징을 하는 방출을 갖는다.
추가 실시예들에서, 본 발명은 상술한 형태의 발광 다이오드를 작동하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 상기 활성 영역들의 접합 영역이 약 200 A/㎠보다 큰 전류 밀도를 제공하고, 385 -480 ㎚의 파장을 갖는 전자기 방사를 출력하도록 상기 장치를 전류 하에 둔다(subject). 상기 장치는 바람직하게는 적어도 상기 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판 및 상기 활성 영역들을 둘러쌓는(enclosing) 패키지를 포함한다. 바람직하게는, 상기 패키지는 와트당 15 또는 10 또는 5 또는 1 도 이하의 열 저항을 특징으로 한다.
다른 실시예에서, 상기 발광 다이오드는 상기 하나 이상의 활성 영역들의 특징인 175 암페어/㎠보다 큰 전류 밀도를 갖는다. 게다가, 상기 장치는 적어도 50%의 내부 양자 효율(internal quantum efficiency; IQE); 및 상기 전류 밀도에서 동작 가능한 적어도 약 5000 시간의 수명을 갖는다.
게다가, 본 발명은 발광 다이오드를 제조하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 표면 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판을 제공하는 단계 및 상기 표면 영역 위에 제 1 에피택셜 재료를 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 장치는 약 175 암페어/㎠보다 큰 전류 밀도를 위해 바람직하게 구성된 상기 에피택셜 재료 위에 놓여 형성되는 하나 이상의 활성 영역들을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 활성 영역들 위에 놓여 제 2 에피택셜 재료를 형성하는 단계 및 콘택 영역들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 활성 면적의 특징인 50%보다 큰 활성 면적 활용도를 갖는 LED 광학 장치를 제공한다. 다른 실시예들에서, 상기 활용도는 > 80%, > 90%, 또는 > 95%이다. 또한, 본 발명은 활성 영역 면적에 대한 상기 방출 외부 표면적의 특징인 1보다 큰 비율을 갖는 장치를 허용하며, 다른 실시예들에서, 상기 비율은 > 5, > 10 , 또는 > 100이다.
게다가, 본 발명은 장치, 예를 들면, 백열 전구 또는 등기구(fixture)를 제공한다. 상기 장치는 약 1 ㎟보다 작은 누적 다이 표면적을 갖고, 적어도 300 루멘을 방출도록 구성되는 하나 이상의 LED들을 갖는다. 특정 실시예에서, 상기 LED들은 반-극성, 극성 또는 무-극성 배향을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 재료로 제조되는 단일 LED로 구성된다. 하나 보다 많은 LED가 제공되는 경우, 이들은 바람직하게는 배열로 구성된다.
일반적으로 상기 LED는 약 1 ㎜2보다 작은 활성 접합 면적을 갖는 크기의 활성 접합 면적을 갖으며, 이는 약 0.75 ㎜2보다 작고, 약 0.5 ㎜2보다 작으며, 약 0.3 ㎜2보다 작다. 특정 실시예에서, 상기 장치는 적어도 300 루멘, 적어도 500 루멘, 적어도 700 루멘을 방출한다. 특정 실시예에서, 상기 방출은 실질적으로 백색광, 또는 390 - 415 ㎚, 415 - 440 ㎚, 440 - 470 ㎚ 등의 범위이다. 다른 실시예들에서, 상기 LED는 2 와트/㎜2보다 크거나, 3 와트/㎜2보다 크거나, 5 와트/㎜2보다 크거나, 10 와트/㎜2보다 크거나, 15 와트/㎜2보다 크거나, 20와트/㎜2보다 크거나, 또는 그외의 활성 접합 면적당 입력 전력을 특징으로 한다. 상기 실시예에 따르면, 상기 LED는 약 5000K보다 작은 CCT 및 약 75보다 큰 CRI를 갖는 온백색(warm white) 방출에 대하여 300 ㏐/㎜2,보다 큰 활성 접합 면적당 루멘을 특징으로 한다. 대안적으로, 상기 LED는 약 5000K보다 큰 CCT 및 약 75보다 큰 CRI를 갖는 온백색 방출에 대하여 400 ㏐/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 루멘을 특징으로 한다. 대안적으로, 상기 LED는 약 5000K보다 큰 CCT 및 약 75보다 큰 CRI를 갖는 온백색 방출에 대하여 600 ㏐/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 루멘을 특징으로 한다. 대안적으로, 상기 LED는 약 5000K보다 큰 CCT 및 약 75보다 큰 CRI를 갖는 온백색 방출에 대하여 800 ㏐/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 루멘을 특징으로 한다.
본 명세서에서 설명되는 상기 LED들은 상기 활성 영역들의 특징인 175 암페어/㎠보다 큰 전류 밀도 및 미리 결정된 증가된 동작 전류 밀도에서 상기 값과 비교하여 최대값에서 측정될 때, 절대 효율로 약 5%보다 작은 롤오프(roll-off)를 특징으로 하는 외부 양자 효율, 및 390 - 480 ㎚의 파장을 특징으로 하는 방출을 가질 수 있다.
본 LED는 100℃보다 크거나, 150℃보다 크거나, 및/또는 200℃보다 크거나, 및 훨씬 높은 접합 온도에서 동작 가능하다. 바람직한 실시예들에서, 본 장치는 비냉각(un-cooled) 상태로 및 연속파(continuous wave) 동작하에서 동작 가능하다. 또한, 본 LED는 약 175 A/㎠에서 약 1KA/㎠ 이상까지의 범위일 수 있는 전류 밀도를 갖는다. 하나 이상의 바람직한 실시예들에서, 상기 전류 밀도는 또한 약 400 A/㎠ 내지 800 A/㎠이다.
본 명세서의 상기 장치 및 방법은 LED들의 제조시 종래의 기술들에 비하여 높은 수율을 제공한다. 다른 실시예들에서, 본 방법 및 결과로 생기는 구조는 종래의 기술들 및 극성, 무-극성 또는 반-극성 표면 배향들을 갖는 갈륨 및 질소 함유 기판 재료들을 사용하여 형성하기가 더 용이하다. 본 발명은 더 작은 최소 배선 폭들(feature sizes) 및 실질적으로 "드루프" 없는 고 전류 밀도 LED 장치들을 위한 결과로 생기는 장치 및 방법을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 상기 장치는 종래의 장치들과 비교하여 실질적으로 감소된 LED 반도체 면적을 사용하는 결과로 생기는 백색광 등기구를 제공한다. 바람직한 실시예에서, 본 LED 활성 영역 설계들은 드루프를 감소시키도록 구성되고, 고 전류 밀도들에서 효율적으로 동작하는 칩 아키텍쳐들을 허용한다.
본 발명의 특성 및 장점들의 추가 이해는 명세서 및 첨부된 도면들을 참조하여 달성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 수평형 분사(예를 들면, 도시된 플립-칩), (b) 수직형 박막, 및 (c) 벌크-기판 기반 LED들에 대한 칩 크기의 간략화된 도시이다.
도 2는 5 ㎛의 리소그래피 오차, 25 ㎛의 다이-접착 오차, 및 75 ㎛의 범프 직경을 가정하고, 본 발명과 비교하여 수평형 칩 설계들에 대한 칩 폭의 함수로서 활성 면적 활용도(장치 풋 프린트에 대한 활성 면적의 비)를 도시한다.
도 3은 25 ℃의 접합 온도를 갖는 종래의 LED, 크리(Cree) XP-E 백색 LED에 대한 분사 전류의 함수로서 상대 광속의 예시 플롯(plot)을 도시한다.
도 4는 (a) 2개의 2.5 나노미터 우물들을 갖는 다중 양자 우물 LED, (b) 6개의 2.5 나노미터 양자 우물들을 갖는 다중 양자 우물 LED, 및 (c) 13 나노미터 활성 영역을 갖는 이중 헤테로구조(double heterostructure) LED에 대한 전류 밀도의 함수로서 외부 양자 효율을 도시한다. LED들의 각각은 ~430 ㎚에서의 방출을 나타내었다.
도 4A는 본 발명의 실시예에 따른 LED 장치들에 대한 전류 밀도에 대비하여 그려진 양자 효율을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고 전류 밀도 에피택셜적으로(epitaxially) 성장된 LED 구조의 간략화된 다이어그램이다.
도 5A는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 에피택셜 증착 공정의 간략화된 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기적 연결들을 갖는 고 전류 밀도 LED 구조를 도시하는 간략화된 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 하부-방출 수평 전도 고 전류 밀도 LED 장치의 간략화된 다이어그램이다.
도 8은 본 발명의 특정 실시예에 따른 하부-방출 수직 전도 고 전류 밀도 LED 장치의 간략화된 다이어그램이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고 전류 밀도 LED를 함유하는 패키징된 백색 LED의 간략화된 예시이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 ~405 ㎚의 발광 파장을 갖는 무-극성 GaN 상에 제조된 LED에 대한 펄스 출력 전력 대 전류 밀도 및 외부 양자 효율 대 전류 밀도를 도시하는 간략화된 다이어그램이다.
도 11 내지 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 LED 장치들에 대한 실험 결과들이다.
본 발명은 일반적으로 조명 기술들에 관한 것으로, 특히, 벌크 갈륨 및 질소 함유 극성, 반-극성 또는 무-극성 재료들 상에 제조되는 고 전류 밀도 LED 장치들용 기술들에 관한 것이다. 본 발명은 백색 조명, 다색 조명, 평판 디스플레이들을 위한 조명, 다른 광전자 장치들, 및 유사한 제품들과 같은 응용들에 적용될 수 있다.
본 출원인은 GaN-기반 광전자 공학 분야에서 최근의 큰 발전이 벌크 극성, 무-극성 및 반-극성 GaN 기판들 상에 제조된 장치들의 탁월한 잠재력을 증명하였음을 알게 되었다. 특히, 무-극성 및 반-극성 배향들에 대해, c-평면 GaN 상의 종래의 장치들을 괴롭히는 전계들이 유도되는 강한 분극화의 부족은 상기 발광 InGaN 층들에서 크게 향상된 방사성 재결합 효율을 초래한다. 극성 재료들에 대하여, 분극장들(polarization fields)의 유해한 효과들은 상기 활성 영역의 InN 함량을 감소시키고, 및/또는 다중 양자 우물(multi-quantum well; MQW) 활성 영역 구조들에서 배리어 두께를 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 또한, 임의의 표면 배향에 대하여, 상기 벌크 천연 기판은 사파이어 SiC 또는 Si 와 같은 이질 기판들에 기반한 접근법들과 비교하여 적은 비용(루멘당 달라로)을 제공하기 위해 축소시킬 수 있는 간략화된 장치 기하형상을 제공한다. 게다가, 벌크 GaN에 의해 제공되는 감소된 전위 밀도들은 고 전류 밀도들에서 고 신뢰성의 보증을 제공하는데, 이는 이질 기판 접근법들에 의해 보증되지 않다.
무-극성 및 반-극성 GaN 기판들 상에 제조되는 발광 다이오드(LED)의 발전은 조명의 분야에 대해 특히 중요하다. InGaN 발광층들을 사용하는 이런 장치들은 청자색 영역(390 - 430 ㎚), 청색 영역(430 - 490 ㎚), 녹색 영역(490 - 560 ㎚), 및 황색 영역(560 - 600 ㎚)으로 확장되는 동작 파장들에서 기록적인 출력 전력들 나타내왔다. 예를 들면, 402 ㎚의 피크 방출 파장을 갖는 청자색 LED는 최근 m-평면(1-110) GaN 기판 상에서 제조되었고, 광 추출 향상 특징들을 갖지 않음에도 불구하고 45%보다 큰 외부 양자 효율을 증명하였으며, 고 전류 밀도들에서 최소한의 롤오버(roll-over)를 갖는 우수한 성능을 나타내었다[K.-C.Kim, M.C.Schmidt, H.Sato, F.Wu, N.Fellows, M.Saito, K.Fujito, J.S.Speck, S.Nakamura, and S.P.DenBaars, "Improved electroluminescence on nonpolar m-plane InGaN/GaN quantum well LEDs", Phys.Stat.Sol.(RRL) 1, No.3, 125 (2007).]. 유사하게, 468 ㎚의 피크 방출 파장을 갖는 청색 LED는 고 전력 밀도들에서 우수한 효율 및 c-평면 LED들에 대해 일반적으로 관찰되는 것보다 상당히 적은 롤오버를 나타내었다[K.Iso, H.Yamada, H.Hirasawa, N.Fellows, M.Saito, K.Fujito, S.P.DenBaars, J.S.Speck, and S.Nakamura, "High brightness blue InGaN/GaN light emitting diode on nonpolar m-plane bulk GaN substrate", Japanese Journal of Applied Physics 46, L960 (2007).]. 2개의 유망한 반-극성 배향들은 (10-1-1) 및 (11-22) 평면들이다. 이 평면들은 상기 c-평면에 대하여 각각 62.0 도 및 58.4 도로 경사진다. 캘리포니아 산타 바바라 대학(University of California, Santa Barbara; UCSB)은 청색-방출 장치들에 대해 100 ㎃에서 65 ㎽ 이상의 출력 전력을 갖는(10-1-1) GaN[H.Zhong, A.Tyagi, N.Fellows, F.Wu, R.B.Chung, M.Saito, K.Fujito, J.S.Speck, S.P.DenBaars, and S.Nakamura, "High power and high efficiency blue light emitting diode on freestanding semipolar (1011) bulk GaN substrate", Applied Physics Letters 90, 233504 (2007)] 및 청-녹색 방출 장치들에 대해 100 ㎃에서 35 ㎽ 이상의 출력 전력[H.Zhong, A.Tyagi, N.N.Fellows, R.B.Chung, M.Saito, K.Fujito, J.S.Speck, S.P.DenBaars, and S.Nakamura, Electronics Lett.43, 825 (2007)], 녹색-방출 장치들에 대해 100 ㎃에서 15 ㎽ 이상의 출력[H.Sato, A.Tyagi, H.Zhong, N.Fellows, R.B.Chung, M.Saito, K.Fujito, J.S.Speck, S.P.DenBaars, and S.Nakamura, "High power and high efficiency green light emitting diode on free-standing semipolar (1122) bulk GaN substrate", Physical Status Solidi - Rapid Research Letters 1, 162 (2007)] 및 황색 장치들에 대해 15 ㎽ 이상[H.Sato, R.B.Chung, H.Hirasawa, N.Fellows, H.Masui, F.Wu, M.Saito, K.Fujito, J.S.Speck, S.P.DenBaars, and S.Nakamura, "Optical properties of yellow light-emitting diodes grown on semipolar (1122) bulk GaN substrates," Applied Physics Letters 92, 221110 (2008).]을 갖는 (11-22) GaN 상에서 매우 효율적인 LED들을 제조했었다. 상기 UCSB 그룹은 반-극성 (11-22) GaN 상의 인듐 결합이 c-평면 GaN의 것보다 동등하거나 크다는 것을 제시했었으며, 이는 InGaN 층들에서 방출하는 파장이 확장된 높은 결정 품질을 달성하기 위한 추가 가능성을 제공한다.
무-극성 또는 반-극성 LED는 벌크 갈륨 질화물 기판 상에 제조될 수 있다. 상기 갈륨 질화물 기판은 공지된 방법에 따라 수소화물 기상 에피택시에 의해 또는 아모노서멀적으로(ammonothermally) 성장되었던 부울(boule)로부터 슬라이스될(sliced) 수 있다. 일 특정 실시예에서, 공동으로 양도되었으며, 본 명세서에는 참조로 포함되는 미국 특허 출원 제61/078,704호에 개시된 바와 같이, 상기 갈륨 질화물 기판은 수소화물 기상 에피택시와 아모노서멀 성장의 조합에 의해 제조된다. 상기 부울은 단결정 시드(seed) 결정상에서 c-방향, m-방향, a-방향 또는 반-극성 방향으로 성장될 수 있다. 반-극성 평면들은 (hkil) 밀러 지수들에 의해 표기될 수 있으며, 여기서 i=-(h+k), l은 0이 아니며, h 및 k 중 적어도 하나는 영이 아니다. 상기 갈륨 질화물 기판은 절단(cut), 래핑(lapped), 연마 및 기계-화학적으로 연마될 수 있다. 상기 갈륨 질화물 기판 배향은 {1 -1 0 0} m 평면, {1 1 -2 0} a 평면, {1 1 -2 2} 평면, {2 0 -2 ±1} 평면, {1 -1 0 ±1} 평면, {1 0 -1 ±1} 평면, {1 -1 0 ±2} 평면 또는 {1 -1 0 ±3} 평면의 ±5 도, ±2 도, ±1 도 또는 ±0.5 도 이내 일 수 있다. 상기 갈륨 질화물 기판은 대면적 표면의 평면에서 106 ㎝-2보다 작거나, 105 ㎝-2보다 작거나, 104 ㎝-2보다 작거나, 또는 103 ㎝-2보다 작은 전위 밀도를 가질 수 있다. 상기 갈륨 질화물 기판은 c 평면에서 106 ㎝-2보다 작거나, 105 ㎝-2보다 작거나, 104 ㎝-2보다 작거나, 또는 103 ㎝-2보다 작은 전위 밀도를 가질 수 있다.
호모에피택셜(homoepitaxial) 무-극성 또는 반-극성 LED는 공지된 방법들, 예를 들면, 그 전체가 참조로 포함되는 미국 특허 제7,053,413호에 개시된 다음의 방법들에 따라 상기 갈륨 질화물 기판 상에 제조된다. 적어도 하나의 AlxInyGa1 -x-yN 층, 여기서, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 및 0 ≤ x+y ≤ 1,은 예를 들면, 그 전체가 참조로 포함되는 미국 특허들 제7,338,828호 및 제 7,220,324호에 의해 개시되는 다음의 방법들로 상기 기판 상에 증착된다. 상기 적어도 하나의 AlxInyGa1 -x- yN 층은 금속 유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 또는 이들의 조합에 의해 증착될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 AlxInyGa1-x-yN 층은 전류가 그것을 통과할 때 광을 우선적으로 방출하는 활성층을 포함한다. 일 특정 실시예에서, 상기 활성층은 약 0.5 ㎚와 약 40 ㎚ 사이의 두께를 갖는 단일 양자 우물을 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 활성층은 약 1 ㎚와 약 5 ㎚ 사이의 두께를 갖는 단일 양자 우물을 포함한다. 다른 실시예들에서, 상기 활성층은 약 5 ㎚와 약 10 ㎚ 사이, 약 10 ㎚와 약 15 ㎚ 사이, 약 15 ㎚와 약 20 ㎚ 사이, 약 20 ㎚와 약 25 ㎚ 사이, 약 25 ㎚와 약 30 ㎚ 사이, 약 30 ㎚와 약 35 ㎚ 사이, 또는 약 35 ㎚와 약 40 ㎚ 사이의 두께를 갖는 단일 양자 우물을 포함한다. 다른 일련의 실시예들에서, 상기 활성층은 다중 양자 우물을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 활성층은 약 40 ㎚와 약 500 ㎚ 사이의 두께를 갖는 이중 헤테로구조를 포함한다. 일 특정 실시예에서, 상기 활성층은 InyGa1 - yN 층을 포함하는데, 여기서, 0 ≤ y ≤ 1이다. 물론, 다른 변형들, 수정들 및 대안들이 있을 수 있다.
게다가, 발광 다이오드 내의 입력 전류가 증가됨에 따라, 관련된 보다 큰 수의 분사된 전자들이 광자로 변환되기 때문에 광 출력 전력이 증가한다. "이상적인" LED에서, 상기 광 출력은 작은 LED들이 고 출력 전력을 달성하기 위해 매우 높은 전류 밀도들로 구동될 수 있도록 증가된 전류에 대해 선형적인 증가가 지속될 것이다. 그러나, 실제로 발광 다이오드들의 이러한 광 출력 대 전류 입력 특성은 종래의 발광 다이오드들의 방사 효율이 상기 전류 밀도가 증가함에 따라 감소하는 현상에 의해 근본적으로 제한되어 버린다. 이런 형상들은 출력 전력 대 전류의 롤오버 또는 서브리니어(sublinear) 증가를 초래함이 알려져 왔다. 이는 상기 입력 전류가 증가됨에 따라 전체 유속(flux)에서의 단지 한계적(marginal) 증가를 초래한다.
도 3은 종래의 LED, 25 ℃의 접합 온도를 갖는 크리 XP-E 백색 LED에 대한 분사 전류의 함수로서 상대 광속의 예시적인 플롯을 도시한다. 상기 플롯은 700 ㎃에서 상기 상대 광속이 단지 대략 170 %인 반면, 350 ㎃에서 상대 광속(대략 30 - 50 A/㎠)이 100%임을 나타낸다. 이는 종래의 LED에 대하여 상기 LED에 대한 효율에서의 대략 15%의 롤오프는 대략 30 - 50 A/㎠에서 60 - 100 A/㎠까지의 동작 범위를 넘어 발생함을 나타낸다. 게다가, 이러한 다이오드에 대한 피크 효율은 훨씬 낮은 동작 전류 밀도에서 발생하고, 700 ㎃에서 동작되는 상기 다이오드는 피크값으로부터의 효율의 롤오프가 15%보다 훨씬 크다는 것을 보여주고 있었다.
상기 현상들에 기인하여, 종래의 발광 다이오드들은 일반적으로 본 발명 및 장치들에 의해 제공되는 것보다 낮은 전류 밀도들, 10 A/㎠에서 100 A/㎠까지의 범위에서 동작된다. 이러한 동작 전류 밀도 제한은 단일의 종래 발광 다이오드로부터 가능한 전체 유속에 대한 실제적인 한계들로 평가되어 왔다. LED 패키지로부터 상기 유속을 증가시키는 보통의 접근법들은 상기 LED의 활성 면적의 증가(이에 의해 상기 LED가 적합한 낮은 전류밀도를 유지하면서 더 높은 동작 전류를 갖도록 함), 및 상기 전체 전류가 상기 패키지 내의 상기 LED들 사이에서 분할되도록 다수의 LED 다이를 LED들의 배열로 패키징함을 포함한다. 적절하게 낮은 전류 밀도를 유지하는 동안 이러한 접근법들이 LED 패키지당 더 많은 전체 유속을 발생하는 효과를 갖지만, 이들은 증가된 전체 LED 다이 면적의 요구에 기인하여 본질적으로 보다 많은 비용이 든다. 하나 이상의 실시예들에서, 본 출원인은 긴 동작 수명을 유지하면서도 종래의 LED들을 초과한 전류 밀도들에서 동작하는 고 효율을 제공하는 하나 이상의 작은-칩 고 휘도 LED들에 기반한 조명에 대한 방법 및 장치를 제안한다.
효율적인 동작으로 고 전류 밀도에서 동작하는 LED의 제한들의 종래의 지식을 확립하는 광범위한 많은 연구가 있다. 이러한 많은 연구는 가장 큰 LED 제조사들에 상업화되어 왔던 고 휘도 LED들에 대한 동작 전류 밀도에서의 유사성, 및 "LED 드루프" 현상들을 참조한 광범위한 많은 연구를 포함한다. 상용 LED들의 예시들은 도 1에 도시된 하나의 이러한 예시를 갖는 크리의 XP-E, XR-E 및 MC-E 패키지들 및 루미네즈(Lumileds) K2 및 레벨(Rebel) 패키지들을 포함한다. 유사한 고 휘도 LED들은 오스람(Osram), 니치아(Nichia), 아바고(Avago), 브릿지룩스(Bridgelux) 등과 같은 회사로부터 입수할 수 있는데, 이들 모두는 상기 전체 전류의 제한, 1 ㎟ 이상의 다이 크기의 증가, 또는 상기 LED 접합 면적을 효과적으로 증가시키기 위한 다수의 LED 칩들의 패키징 중 어느 하나를 통하여 본 발명에서 제안되는 것보다 훨씬 낮은 전류 밀도 범위에서 동작한다. 상기 LED "드루프" 현상들을 참조 및 제시하는 문헌들의 예시들은 쉔(Shen) 등의 Applied Physics Letters, 91, 141101 (2007) 및 미치유(Michiue) 등의 the Proceedings of the SPIE Vol. 7216, 72161Z-1 (2009)에 의해 예로서 설명된다. 게다가, 가드너(Gardner) 등의 Applied Physics Letters, 91, 243506 (2007)은 이러한 현상들 및 대략 200 A/㎠에서 피크 효율을 나타내고 다음 그 동작점 위에서 롤오프하는 사파이어 기판 상에 성장된 이들의 이중 헤테로구조 LED를 갖는 LED들에 대해 중요한 일반적인 전류 밀도들이 20 - 400 A/㎠임을 극복하기 위한 시도들에 관하여 명쾌하게 명시한다. 게다가, 고 전류 밀도에서 동작하는 동시에 장치 효율을 유지할 때의 제한들에 더하여, 상기 전류 밀도가 발광 장치들에서 증가되기 때문에, 상기 장치들의 수명이 허용할 수 있는 레벨들 아래로 저하되며, 이러한 저하가 상기 재료들 내의 전위들과 서로 연관됨이 제시되어 왔다. IEEE J. of Quantum Elec., Vol. 10, No. 6 (2004)에서, 토미야(Tomiya) 등은 감소된 전위 밀도 재료들 상에 제조된 발광 장치들은 고 전위 재료 상에 제조된 장치들에 대해 관찰되었던 수명의 감소 없이 더 높은 동작 전류를 허용했음을 입증했다. 이들의 연구들에서, 전위 감소는 헤테로에피택셜적으로(heteroepitaxially) 성장된 재료 상에서 수평 에피택셜 초과성장(overgrowth)에 의해 달성되었다. 현재까지, 상기 드루프 현상들을 완화사키거나 최소화시키는 것에 관한 발광 다이오드들과 관련된 종래의 방법들은 벌크 기판들 상에서 성장 및 제조된 발광 다이오드들의 성장 및 장치 설계를 다루지 않았었다. 종래의 LED 장치들 및 그들의 양자 효율들의 추가 설명 및 은 아래에 보다 상세히 설명된다.
도 4는 엔 에프 가드너(N.F.Gardner) 등의 "Blue-emitting InGaN-GaN double-heterostructure light-emitting diodes reaching maximum quantum efficiency above 200 A/㎠", Applied Physics Letters 91, 243506 (2007)로부터 인용되며, 종래 기술에서 공지된 전류 밀도의 함수로서 외부 양자 효율의 두 종류의 변형들을 도시한다. 도 4의 참조 문자들 (a) 및 (b)로 도시된 거동은 종래의 LED들의 거동을 대표한다. 예를 들면, 약 4 나노미터보다 두껍지 않은 하나 이상의 비교적 얇은 양자 우물들에 대하여, 상기 외부 양자 효율은 약 제곱 센티미터당 10 암페어 이하의 전류 밀도에서 정점에 도달하고, 더 높은 전류 밀도들에서 상대적으로 급격하게 떨어진다. 더 높은 전류 밀도들에서 상기 외부 양자 효율은 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 활성층의 두께를 예를 들면, 대략 13 나노미터로 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 그러나, 이러한 경우, 상기 외부 양자 효율은 대략 30 제곱 센티미터당 암페어(A/㎠) 이하의 전류 밀도에서 및 또한, 약 300 A/㎠ 이상의 전류 밀도들에서 매우 낮고, 그 사이에 비교적 급격한 최대값을 갖는다. 약 20 A/cm2의 전류 밀도들에서 약 200 A/㎠ 이상, 약 300 A/㎠ 이상, 약 400 A/㎠ 이상, 약 500 A/㎠ 이상, 또는 약 1000 A/㎠ 이상의 전류 밀도들까지 대략 상수였던 외부 양자 효율을 갖는 LED가 이상적일 것이다.
Jap.J. of Appl.Phys. Vol. 46, No. 7, 2007에서, 엠 슈미트(M.Schmidt) 등은 1 x 106 ㎝-2보다 작은 스레딩(threading) 전위 밀도를 갖는 벌크 무-극성 m-평면 기판 상에 성장되었고 408 ㎚의 피크 방출 파장을 갖는 LED를 이전에 입증했다. 무-극성 배향을 갖는 고품질 벌크 기판의 사용에도 불구하고, 이러한 연구에서 입증된 상기 장치들은 본 발명에서 달성되는 값들보다 훨씬 낮은 11 내지 111 A/㎠의 상대적으로 좁은 동작 전류 밀도에 비하여 대략 5%의 피크 외부 양자 효율에서의 롤오프를 나타내었다. 종래의 기술들의 이런 및 다른 제한들은 본 명세서에 걸쳐 그리고 아래에 보다 상세하게 설명되는 본 방법 및 장치들에 의해 부분적으로 극복되었었다.
도 4A는 본 발명의 실시예에 따른 LED 장치들에 대한 전류 밀도에 대비하여 그려진 양자 효율을 도시한다. 도시된 바와 같이, 본 장치들은 전류 드루프가 실질적으로 없고, 약 10 퍼센트의 오차 범위 내에 있으며, 이는 중요하다. 본 장치의 추가 세부사항들은 본 명세서에 걸쳐 그리고 아래에 보다 상세하게 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고 전류 밀도 에피택셜적으로 성장된 LED 구조의 간략화된 다이어그램이다. 이러한 다이어그램은 단지 예시이며, 이는 본 명세서의 청구항들의 범위를 과도하게 제한하지 않아야 한다. 당업자는 다른 변형들, 수정들, 및 대안들을 이해할 것이다. 하나 이상의 실시예에서, 상기 LED 구조는 적어도 아래를 포함한다:
1. 극성, 반-극성 또는 무-극성 표면 배향을 포함하는 벌크 GaN 기판. 아래에 제공되는 세부사항들을 더 포함한다.
임의의 배향, 예를 들면, 극성, 무-극성, 반-극성, c-평면.
(Al,Ga,In)N 기반 재료들
스레딩 변위(TD) 밀도 < 108 ㎝-2
적층 결함(Stacking fault; SF) 밀도 < 104 ㎝-1
도핑 > 1017 ㎝-3
2. 약 1 ㎚에서 약 10 ㎛까지 범위의 두께 및 약 1 x 1016 ㎝-3에서 약 5 x 1020 ㎝-3까지 범위의 도펀트(dopant) 농도를 갖는 n형 (Al)(In)GaN 에피택셜 층(들). 아래에 제공되는 세부사항들을 더 포함한다.
두께 < 2 ㎛, < 1 ㎛, < 0.5 ㎛, < 0.2 ㎛
(Al,Ga,In)N 기반 재료
성장 T < 1200 ℃, < 1000 ℃
비의도적으로 도핑됨(Un-intentionally doped; UID) 또는 도핑됨
3. 다수의 도핑된 및/또는 언도핑된(undoped) (Al)(In)GaN 활성 영역 층들. 아래에 제공되는 세부사항들을 더 포함한다.
적어도 하나의 (Al,Ga,In)N 기반 층
하나 이상의 우물들을 갖는 양자 우물(QW) 구조
QW들은 두께에서 > 20 Å, > 50 Å, > 80 Å 이다
동일 또는 유사한 QW 및 n- 및 p-층 성장 온도
방출 파장 < 575 ㎚, < 500 ㎚, < 450 ㎚, < 410 ㎚
4. 약 10 ㎚에서 약 500 ㎚까지 범위의 두께 및 약 1 x 1016 ㎝-3에서 약 1 x 1021 ㎝-3까지 범위의 도펀트 농도를 갖는 p형 (Al)(In)GaN 에피택셜 층(들). 아래에 제공되는 세부사항들을 더 포함한다.
적어도 하나의 Mg 도핑된 층
두께 < 0.3 ㎛, < 0.1 ㎛
(Al,Ga,In)N 기반
성장 T < 1100 ℃, < 1000 ℃, < 900 ℃
전자 차단층으로 역할하는 적어도 하나의 층
콘택층으로 역할하는 적어도 하나의 층
도 5를 참조하며 특정 실시예에서, 상기 벌크 GaN 기판은 공지된 방법들에 따라 갈륨 질화물 부울로부터 슬라이스, 래핑, 연마, 및 화학적 기계적으로 연마된다. 일부 실시예들에서, 상기 갈륨 질화물 부울은 시드 결정 상에 에피택셜 성장된다. 일부 실시예들에서, 상기 갈륨 질화물 부울은 아모노서멀적으로 성장된다. 다른 실시예들에서, 상기 갈륨 질화물 부울은 수소화물 기상 에피택시(HVPE)에 의해 성장된다. 대안적으로, 이들 기술들의 조합들이 또한 존재할 수 있다. 다결정 갈륨 질화물 소스 재료는 암모니아, 수소 할로겐화물, 및 아르곤과 같은 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는 분위기에서 적어도 갈륨을 함유하는 도가니를 가열함으로써 형성될 수 있다. 상기 도가니는 상기 갈륨에 대하여 적어도 약 100 백만분의 일(ppm)의 레벨의 게터(getter) 재료를 더 함유할 수 있다. 상기 게터는 적어도 알칼리토류 금속들, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 이트륨, 지르코늄, 니오브, 희토류 금속들, 하프늄, 탄탈, 및 텅스텐 중에서 선택될 수 있다. 상기 도가니는 하나 이상의 실시예들에 따라 반응기 내에 배치되고, 암모니아 및 수소 할로겐화물을 포함하는 분위기에서 약 30분과 약 72 시간 사이의 시간 동안 적어도 약 섭씨 400 도(degrees Celsius)의 온도로 가열되며, 냉각될 수 있다. 다결정 인듐 갈륨 질화물을 합성하는 공정의 추가 세부사항들은 그 전체가 참조로 포함되는 미국 특허 출원번호 제61/122322호에 설명된다. 결과로 생기는 다결정 갈륨 질화물은 상기 갈륨 질화물 내의 Ⅲ족 금속 산화물 또는 대용의 불순물로서 제공되며 약 10 백만분의 일(ppm)보다 작거나, 약 1 ppm보다 작거나, 또는 약 0.1 ppm보다 작은 산소 함량을 가질 수 있다. 물론, 다른 변형들, 수정들, 및 대안들이 있을 수 있다.
적어도 하나의 시드 결정은 특정 실시예에 따른 아모노서멀 결정 성장에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 시드 결정은 갈륨 질화물 단결정이다. 상기 시드 결정은 우르짜이트(wurtzite) 결정 구조를 가질 수 있다. 상기 시드 결정은 약 108 ㎝-2보다 작거나, 약 107 ㎝-2보다 작거나, 약 106 ㎝-2보다 작거나, 약 105 ㎝-2보다 작거나, 약 104 ㎝-2보다 작거나, 또는 약 103 ㎝-2보다 작은 전위 밀도를 가질 수 있다. 상기 시드 결정의 대면적 표면들은 c-평면 (0001) 및/또는 (000-1), m-평면 (10-10), a-평면 (11-20), 또는 반-극성 배향, 예를 들면, {10-1-1} 또는 {11-22} 또는 보다 일반적으로 브라베이-밀러(Bravais-Miller) 표기에 의해 명시되는 바와 같은 (hkil)을 포함할 수 있으며, 여기서, h 및 k 중 적어도 하나는 영이 아니며 l도 영이 아니다. 상기 시드 결정은 사파이어, 실리콘 탄화물, 스피넬(spinel) 등과 같은 비-갈륨 질화물 재료를 포함할 수 있다. 상기 시드 결정은 적어도 하나의 갈륨 질화물의 막을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 갈륨 질화물 막은 금속 유기 화학적 기상 증착(MOCVD), 분자선 에피택시(MBE), 수소화물 기상 에피택시(HVPE), 또는 액상 에피택시(LPE)에 의해 성장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 그 전체가 참조로 포함되는 미국 특허 출원번호 제61/096,304호에 설명된 바와 같이, 헤테로에피택셜(heteroepitaxial) 시드 재료의 앞면 및 배면 모두는 갈륨 질화물의 막에 의해 코팅된다. 바람직한 실시예에서, 상기 시드 결정의 대면적 표면들의 격자 상수들은 상기 시드 결정 상에 성장된 벌크 갈륨 질화물 결정의 격자 상수들의 1%, 0.3%, 0.1%, 0.03%, 0.01%, 0.003%, 또는 0.001%의 범위 내이다. 적어도 두 개의 시드 결정들은, 그 전체가 참조로 포함되는 미국 특허 출원번호 제61/087,135호에 설명된 바와 같이, 시드 랙(rack) 상에 탑재될 수 있다.
상기 다결정 갈륨 질화물 및 적어도 하나의 시드 결정은 내부적으로 가열되는 고압 장치 내에 배치하기 위해 오토클레이브(autoclave) 또는 캡슐에 제공될 수 있다. 적합한 고압 장치의 예시들은 그 전체가 참조로 포함되는 미국 특허 출원번호들 제12/133,364호, 제12/133,365호, 제61/073,687호, 제61/087,122호에 설명된다. 또한, 광화제(mineralizer)는 상기 오토클레이브 또는 캡슐에 제공된다. 상기 광화제는 알칼리 금속, 알칼리 아미드, 알칼리 이미드, 알칼리 아미도-이미드(amido-imide), 알칼리 아지드, 알칼리 질화물, 알칼리토류 금속, 알칼리토류 아미드, 알칼리토류 아지드, 또는 알칼리토류 질화물 중 적어도 하나와 같은 염기(base)를 포함할 수 있다. 상기 광화제는 암모늄 할로겐화물, 수소 할로겐화물, 갈륨 할로겐화물, 또는 갈륨 금속, 인듐 금속, 암모니아 및 수소 할로겐화물 중 둘 이상의 반응에 의해 형성될 수 있는 화합물 중 적어도 하나와 같은 산(acid)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 광화제는 둘 이상의 금속 조성물들, 둘 이상의 할로겐 조성물들, 및/또는 둘 이상의 화합물들을 포함한다. 또한, 암모니아는 약 50%와 약 98% 사이, 또는 약 60%와 약 90% 사이를 충족시키는 퍼센트에서 제공될 수 있고, 상기 캡슐 또는 오토클레이브가 밀봉될 수 있다. 상기 캡슐 또는 오토클레이브는 적어도 하나의 시드 결정 상에 결정 성장을 야기하도록 적어도 약 섭씨 400 도의 온도 및 적어도 약 100 메가파스칼(MPa)의 압력으로 가열될 수 있다. 상기 결정 성장 공정의 추가 세부사항들은 미국 특허출원 공개번호 제2008/0087919호에서 알 수 있다.
아모노서벌적으로-성장된 결정체 Ⅲ족 금속 질화물은 실질적으로 임의의 입방 독립체(cubic entities)가 없는 우르짜이트 구조를 특징으로 할 수 있으며, 약 385 나노미터와 약 750 나노미터 사이의 파장들에서 약 3 ㎝- 1이하의 광 흡수 계수를 가질 수 있다. 아모노서멀적으로-성장된 갈륨 질화물 결정은 약 5 밀리미터보다 큰 길이를 갖는 결정체 기판 부재를 포함할 수 있고, 우르짜이트 구조를 가질 수 있으며, 실질적으로 다른 결정 구조들이 없을 수 있고, 상기 다른 구조들은 상기 실질적으로 우르짜이트 구조, 1014 ㎝-1보다 크거나, 1015 ㎝-1보다 크거나, 또는 1016 ㎝-1보다 큰 Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, F, 및 Cl 중 적어도 하나의 불순물 농도, 및 약 385 나노미터와 약 750 나노미터 사이의 파장들에서 약 2 ㎝-1 이하의 광 흡수 계수에 관하여 체적에서 약 0.1%보다 작을 수 있다. 상기 갈륨 질화물 결정은 약 385 나노미터와 약 750 나노미터 사이의 파장들에서 약 0.5 ㎝-1 이하의 광 흡수 계수를 가질 수 있다. 상기 아모노서멀적으로-성장된 갈륨 질화물 결정은 약 1016 ㎝-3과 1020 ㎝-3 사이의 캐리어 농도 n 및 볼트-초당 제곱센티미터의 단위인 캐리어 이동도 η을 갖는 n-형 반도체일 수 있으며, 따라서, 기수 10의 η에 대한 로그는 약 = -0.018557n3 + 1.0671n2 - 20.599n + 135.48보다 크다. 상기 아모노서멀적으로-성장된 갈륨 질화물 결정은 약 0.050 Ω-㎝보다 작거나, 약 0.025 Ω-㎝보다 작거나, 또는 약 0.010 Ω-㎝보다 작은 저항률을 가질 수 있다. 상기 아모노서멀적으로-성장된 갈륨 질화물 결정은 약 1016 ㎝-3과 1020 ㎝-3 사이의 캐리어 농도 n 및 볼트-초당 제곱센티미터의 단위인 캐리어 이동도 η을 갖는 p-형 반도체일 수 있으며, 따라서, 기수 10의 η에 대한 로그가 약 -0.6546n + 12.809보다 크다.
다른 특정 실시예에서, 상기 벌크 GaN 기판은 유속 방법에 의해 성장되었던 부울로부터 준비된다. 적합한 유속 방법들의 예시들은 이들 각각이 그 전체가 참조로 포함되는 미국 특허 제7,063,741호 및 미국 특허 출원 공개번호 제2006/0037529호에서 설명된다. 다결정 Ⅲ족 금속 질화물 및 적어도 하나의 유속이 도가니에 배치되고, 용광로에 삽입된다. 상기 다결정 Ⅲ족 금속 질화물의 적어도 일부가 식각되고, 적어도 하나의 Ⅲ족 질화물 결정으로 재결정되는 동안, 상기 용광로가 가열되며, 상기 다결정 Ⅲ족 금속 질화물은 약 섭씨 400 도보다 높은 온도 및 약 1 기압보다 큰 압력에서 용융 유속 내에서 처리된다. 또 다른 특정 실시예에서, 상기 벌크 GaN 기판은 수소화물 기상 에피택시(HVPE)에 의해 성장되었던 부울로부터 준비된다. 물론, 다른 변형들, 수정들, 및 대안들이 있을 수 있다. 성장 순서들을 포함하는 다음 단계들의 추가 세부사항들은 본 명세서에 걸쳐 그리고 아래에 보다 상세하게 설명된다.
특정 실시예에서, 상기 성장 순서는 적어도 (1) n-형 에피택셜 재료; (2) 활성 영역; (3) 전자 차단 영역; 및 (4) p-형 에피택셜 재료를 포함한다. 물론, 다른 변형들, 수정들, 및 대안들이 있을 수 있다. 다시, 본 방법의 추가 세부사항들은 본 명세서에 걸쳐 그리고 아래에 보다 상세하게 알 수 있다.
특정 실시예에서, 에피택셜 층들은 대기압(atmospheric pressure)에서 금속 유기 화학적 기상 증착(MOCVD)에 의해 상기 기판 상에 증착된다. 성장 동안 Ⅲ족 전구체(트리메틸(trimethyl) 갈륨, 트리메틸 인듐, 트리메틸 알루미늄)의 유량에 대한 Ⅴ족 전구체(암모니아)의 유량의 비는 약 3000과 약 12000 사이이다. 특정 실시예에서, n-형(실리콘-도핑된) GaN의 콘택층은 5 미크론보다 작은 두께 및 약 2 x 1018 ㎝-3의 도핑 레벨로 상기 기판 상에 증착된다.
특정 실시예에서, 언도핑된 InGaN/GaN 다중 양자 우물(MQW)은 상기 활성층으로서 증착된다. 상기 MQW 활성 영역은 20의 제곱 주기를 가지며, 2 - 12 ㎚의 InGaN과 배리어층들로서 1 - 20 ㎚의 GaN이 교번하는(alternating) 층들을 포함한다. 다음, 5 - 30 ㎚ 언도핑된 AlGaN 전자 차단층이 상기 활성 영역의 상부에 증착된다. 다른 실시예들에서, 상기 다중 양자 우물들은 조금 상이하도록 구성될 수 있다. 물로, 다른 변형들, 수정들 및 대안들이 있을 수 있다. 상기 기판 및 결과로 생기는 에피택셜 표면 배향은 극성, 무-극성 또는 반-극성일 수 있다. 하나 이상의 다른 실시예들에서, 상기 벌크 웨이퍼는 하나 이상의 매끄러운 막들의 형성을 야기하는 비-축(off-axis) 구성일 수 있다. 또는 보다 바람직한 실시예들에서, 위에 놓인 에피택셜 막 및 구조들은 매끄럽고 피라미드 힐록들(hillocks)이 상대적으로 없는 형태를 특징으로 한다. 상기 비-축 구성 및 표면 형태의 추가 세부사항들은 명세서에 걸쳐 그리고 아래에 보다 상세하게 알 수 있다. 그러나, 예시로서, 오프컷(off cut) 실시예의 세부사항들은 제임스 레어링(James Raring) 등의 "Method and Surface Morphology of Non-Polar Gallium Nitride Containing Substrates,", 2009년 7월 2일자로 출원되고, 그 전체가 참조로 포함되는 미국 출원번호 제12/497,289호에 설명된다.
오프컷 또는 미스컷(miscut) 또는 비-축 기판을 사용하여 매끄러운 에피택셜 막을 형성하기 위한 실시예들에 따른 방법은 아래에 개요가 서술된다.
1. GaN 기판 또는 부울 제공;
2. 원하는 표면 영역을 노출시키는 GaN 기판 또는 공정 기판 또는 비-축 방향성 표면 영역을 노출시키는 부울의 비-축 미스컷 수행(예를 들면, 기계적 공정);
3. GaN 기판을 MOCVD 공정 챔버로 이송;
4. 질소 가스, 수소 가스, 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 캐리어 가스를 제공;
5. 암모니아 등과 같은 질소 함유 종들(bearing species)을 제공;
4. MOCVD 공정 챔버를 성장 온도, 예를 들면, 섭씨 700 내지 1200 도로 올림;
5. 미리 결정된 범위 내에서 성장 온도 유지;
6. 상기 캐리어 가스 및 암모니아와 같은 질소 함유 종들과 Ⅲ족 전구체들, 예를 들면, 인듐 전구체 종들 트리-메틸-인듐 및/또는 트리-에틸-인듐, 갈륨 전구체 종들 트리-메틸-갈륨 및/또는 트리-에틸-갈륨, 및/또는 알루미늄 전구체 트리-메틸-알루미늄을 챔버 안으로 결합;
7. 다음의 층들 GaN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중 하나 이상을 함유하는 에피택셜 막을 형성;
8. 실질적으로 힐록들이 없는 에피택셜 갈륨 질화물 막의 표면 영역 및 다른 표면 거칠기 구조들 및/또는 특징들의 형성을 야기;
9. 하나 이상의 장치 구조들을 형성하기 위해 다른 에피택셜 막들에 대해 단계 (7) 및 (8)을 반복; 및
10. 다른 원하는 공정 단계들을 수행.
일 특정 실시예에서, 무-극성 배향(10-10)에 대해, 단계 2의 상기 미스컷 기판은 (10-10)에서 (0001)로 약 0.1 도로 기울어진 표면 배향을 갖는다. 다른 특정 실시예에서, 단계 2의 상기 미스컷 기판은 (10-10)에서 (0001)로 약 0.1 도와 약 0.5 도 사이로 기울어진 표면 배향을 갖는다. 또 다른 특정 실시예에서, 단계 2의 상기 미스컷 기판은 (10-10)에서 (0001)로 약 0.2 도와 약 1 도 사이로 기울어진 표면 배향을 갖는다. 또 다른 특정 실시예에서, 도 2의 상기 미스컷 기판은 (10-10)에서 (0001)로 약 1 도와 약 3 도 사이로 기울어진 표면 배향을 갖는다.
다른 특정 실시예에서, 단계 2의 상기 미스컷 기판은 (10-10)에서 (1-210)으로 약 0.1 도로 기울어진 표면 배향을 갖는다. 다른 특정 실시예에서, 단계 2의 상기 미스컷 기판은 (10-10)에서 (1-210)으로 약 0.1 도와 약 0.5 도 사이로 기울어진 표면 배향을 갖는다. 또 다른 특정 실시예에서, 단계 2의 상기 미스컷 기판은 (10-10)에서 (1-210)으로 약 0.2 도와 약 1 도 사이로 기울어진 표면 배향을 갖는다. 또 다른 특정 실시예에서, 도 2의 상기 미스컷 기판은 (10-10)에서 (1-210)으로 약 1 도와 약 3 도 사이로 기울어진 표면 배향을 갖는다.
상기 연속적인 단계들은 본 발명의 실시예에 따른 방법을 제공한다. 특정 실시예에서, 본 발명은 개선된 장치 성능을 위한 방법 및 실질적으로 매끄럽고 힐록들이 없는 표면 영역을 갖는 결과로 생기는 결정체 에피택셜 재료 등을 제공한다. 상술한 것이 비-축 표면 구성에 대하여 설명되었었지만, 하나 이상의 선택된 공정 비결들(recipes)을 사용한 축-상(on-axis) 구성을 갖는 다른 실시예들이 있을 수 있으며, 이는 본 명세서에 걸쳐 그리고 특히 아래에 보다 상세하게 설명되었다. 또한, 본 명세서의 청구항들의 범위를 벗어나지 않고 단계들이 부가되고, 하나 이상의 단계들이 제거되며, 또한 하나 이상의 단계들이 상이한 순서로 제공되는 다른 대안들이 제공될 수 있다.
단지 예시로서, 일부 실시예들에서, 본 방법은 대기압, 또는 저압에서 동작 가능한 MOCVD 수단을 사용하여 에피택셜 성장 영역들 중 하나 이상을 형성할 때, 다음의 연속적인 단계들을 사용할 수 있다.
1. 시작;
2. 배면 영역 및 표면 영역을 포함하며 오프컷 또는 미스컷 또는 비축되었던 결정체 기판 부재를 제공;
3. 기판 부재를 MOCVD 챔버로 로딩(load);
4. 상기 기판 부재의 오프컷 또는 미스컷 또는 비축 표면 영역을 노출시키기 위해 상기 챔버 내에 제공되는 기판 부재를 서셉터(susceptor) 상에 배치;
5. 실질적으로 상기 표면 영역에 평행한 제 1 방향으로 상기 표면 영역을 제 1 유동(flow)(예를 들면, 적어도 암모니아 함유 종들, Ⅲ족 종들, 및 제 1 캐리어 가스를 포함하는 하나 이상의 전구체 가스들로부터 유도됨) 하에 둠;
6. 제 1 경계층을 상기 표면 영역의 부근 내에 형성;
7. 제 2 유동(예를 들면, 적어도 제 2 캐리어 가스로부터 유도됨)을 상기 제 1 경계층에서 제 2 경계층으로 변화를 야기하도록 구성된 제 2 방향으로 제공;
8. 상기 결정체 기판 부재의 표면 영역 위에 놓여 형성되는 결정체 재료의 성장률을 증가;
9. 실질적으로 힐록들 및/또는 다른 결함들이 없도록 결정체 재료 성장을 지속;
10. 결정체 성장을 중단하기 위해 전구체 가스들의 유동을 중지;
11. 원함에 따라 다른 단계들 및 상기의 반복을 수행;
12. 종료.
상기 연속한 단계들은 본 발명의 실시예에 따른 방법들을 제공한다. 도시된 바와 같이, 상기 방법은 MOCVD를 이용하여 결정체 재료의 막을 형성하는 방식을 포함하는 단계들의 조합을 사용한다. 바람직한 실시예들에서, 본 발명은 매끄럽고 힐록들, 피라미드 힐록들, 및 상기 장치의 전기적 또는 광학적 성능의 저하를 유도하며 드루프를 포함하는 다른 결점들이 실질적으로 없는 고품질 갈륨 질화물 함유 결정체 막들의 형성을 위해 대기압(예를 들면, 700 - 800 토르) 성장을 포함한다. 일부 실시예들에서, 멀티플로우(multiflow) 기술이 제공된다.
도 5A는 본 발명의 실시예에 따른 개선된 GaN 막을 제조하기 위한 방법에 대한 간략화된 흐름도의 일예이다. 본 발명은 배면 영역 및 표면 영역을 갖는 결정체 기판 부재를 제공한다(단계 503). 상기 결정체 기판 부재는 갈륨 질화물 웨이퍼 등을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 기판은 벌크 무-극성 (10-10) GaN 기판이다.
특정 실시예에서, 본 방법은 미스컷 또는 오프컷 결정체 기판 부재 또는 GaN의 부울을 사용하지만, 다른 재료들일 수 있고 상기 미스컷 또는 오프컷을 달성하는 공정의 사용을 암시하지 않는다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "미스컷"은 당업자에 의해 이해되는 바와 같은 통상의 의미에 따라 해석되어야 한다. 상기 용어 미스컷은 예를 들면, 상기 결정 평면들, 예를 들면, c-평면, a-평면 중 어느 하나에 관한 임의의 원하지 않는 컷을 의미하도록 의도되지 않는다. 상기 용어 미스컷은 무-극성 (10-10) GaN 평면과 같은 낮은-밀러-지수 표면 결정 평면에 대하여 약간 경사지는 또는 그에 인접한 표면 배향을 설명하도록 의도된다. 다른 실시예들에서, 상기 미스컷 표면 배향은 (10-1-1) 패밀리(family)의 평면들, (11-22) 패밀리의 평면들, {20-21} 패밀리의 평면들 또는 {30-31} 패밀리의 평면들과 같은 반-극성 배향에 인접하지만, 다른 것이 있을 수 있다. 게다가, 용어 "오프컷"은 다른 변형들, 수정들 및 대안들이 있을 수 있지만, 미스컷과 유사한 의미를 갖도록 의도된다. 또 다른 실시예들에서, 상기 결정체 표면 평면은 미스컷 및/또는 오프컷이 아니지만, 기계적 및/또는 화학적 및/또는 물리적 공정을 사용하여 본 명세서에서 명백하게 및/또는 함축적으로 설명되는 상기 결정체 표면들 중 어느 하나를 노출시키도록 구성될 수 있다. 특정 실시예들에서, 용어 미스컷 및/또는 오프컷 및/또는 비축은 다른 변형들, 수정들, 및 대안들이 있을 수 있지만, 적어도 하나 이상의 방향들 및 대응하는 크기들(magnitudes)을 특징으로 한다.
도시된 바와 같이, 상기 방법은 상기 기판 부재를 MOCVD 챔버 내로 배치 또는 로딩하는 단계(단계 505)를 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 방법은 하나 이상의 캐리어 가스들, 단계 507, 하나 이상의 질소 함유 전구체 가스들, 단계 509, 을 공급하는데, 이는 아래에 보다 상세하게 설명된다. 하나 이상의 실시예들에서, 상기 결정체 기판 부재는 상기 기판 부재의 표면 영역을 노출하기 위해 배면으로부터 서셉터 상에 제공된다. 상기 서셉터는 바람직하게는 저항성 엘리먼트들 또는 적합한 기술들을 사용하여 가열된다. 특정 실시예에서, 상기 서셉터는 섭씨 약 700에서 약 1200 도까지 범위의 성장 온도로 가열되지만(단계 511), 다른 것일 수 있다.
특정 실시예에서, 본 발명은 상기 결정체 기판의 표면 영역을 상기 표면 영역에 실질적으로 평행한 제 1 방향으로 제 1 유동 하에 두는 단계를 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 방법은 상기 표면 영역의 부근 내에서 제 1 경계층을 형성한다. 특정 실시예에서, 상기 제 1 경계층은 약 1 밀리미터에서 약 1센티미터 범위의 두께를 갖는다고 생각되지만, 다른 것일 수 있다. 본 방법의 추가 세부사항들은 아래에서 알 수 있다.
상기 실시예에 따르면, 유동은 바람직하게는 적어도 암모니아 함유 종들, Ⅲ족 종들, 제 1 캐리어 가스, 및 가능한 다른 독립체들(entities)을 포함하는 하나 이상의 전구체 가스들로부터 유도된다(단계 513). 암모니아는 특정 실시예에 따른 Ⅴ족 전구체이다. 다른 Ⅴ족 전구체들은 N2를 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 제 1 캐리어 가스는 수소 가스, 질소 가스, 아르곤 가스, 또는 조합들을 포함하는 다른 불활성 종들을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 Ⅲ족 전구체들은 TMGa, TEGa, TMIn, TMAl, 도펀트들(예를 들면, Cp2Mg, 디실란, 시레인, diethelyl(디에틸) 아연, 철, 망간, 또는 코발트 함유 전구체들), 및 다른 종들을 포함한다. 단지 예시로서, 미스컷/오프컷/기판 표면 구성들, 전구체들, 및 캐리어 가스들의 바람직한 조합이 아래에 제공된다.
c-평면 (0001)을 향하여 -0.6 도 이상 또는 바람직하게는 -0.8 도 이상( 및 -1.2 보다 작음) 크기로 구성되는 무-극성(10-10) GaN 기판 표면;
캐리어 가스 : N2 및 H2의 임의의 혼합물, 바람직하게는 모두 H2;
Ⅴ족 전구체 : NH3; Ⅲ족 전구체 : TMGa 및/또는 TEGa 및/또는 TMIn 및/또는 TEIn 및/또는 TMAl; 및
선택적 도펀트 전구체 : 디실란, 시레인, Cp2Mg;
또는
오프컷 또는 미스컷이 없는 무-극성 GaN 기판;
캐리어 가스 : 모두 N2 ; Ⅴ족 전구체 : NH3; Ⅲ족 전구체 : TMGa 및/또는 TEGa 및/또는 TMIn 및/또는 TEIn 및/또는 TMAl; 및
선택적 도펀트 전구체 : 디실란, 시레인, Cp2Mg.
상기 실시예에 따르면, 상기 방법은 또한 실질적으로 매끄럽고 힐록들 또는 다른 결점들이 없는 에피택셜 결정체 재료 성장을 계속한다(단계 515). 특정 실시예에서, 상기 방법은 또한 성장을 정지하기 위해 및/또는 다른 단계들을 수행하기 위해 전구체 가스들의 유동을 중지할 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 방법은 단계 517에서 종료한다. 바람직한 실시예에서, 본 방법은 실질적으로 힐록들 및 다른 결점들이 없는 표면 영역을 갖는 갈륨 질화물 함유 결정체 재료의 형성을 초래하는데, 이는 더 불량한 결정 품질을 초래하고 장치 성능에 해로울 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 결정체 재료의 표면 면적의 적어도 90%는 피라미드 힐록 구조들이 없다.
상기 연속적인 단계들은 본 발명의 실시예에 따른 방법들을 제공한다. 도시된 바와 같이, 상기 방법은 MOCVD를 이용하여 결정체 재료의 막을 형성하는 방식을 포함하는 단계들의 조합을 사용한다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 대기압에서 고품질 갈륨 질화물 함유 결정체 막들의 형성이 제공되는 유동 기술을 포함하는데, 이는 실질적으로 매끄럽고 힐록들 및 다른 결점들 또는 결함들이 없는 표면 영역들을 가진다. 상기 연속적인 단계들은 본 발명의 실시예에 따른 방법을 제공한다. 특정 실시예에서, 결과로 생기는 결정체 재료는 장치 성능을 개선하기 위해 실질적으로 힐록들이 없다.
하나 이상의 실시예들에서, p-형 GaN 콘택층이 약 200 ㎚의 두께 및 약 5 x 1017 ㎝-3 보다 큰 홀 농도로 증착된다. 오믹 콘택층은 상기 p-형 콘택과 같이 상기 p-형 콘택층 위에 증착되며 원하는 특성들을 제공하기 위해 소둔(anneal)될 수 있다. 오믹 콘택층들은 Ag-기반 단층 또는 다층 콘택층, 인듐-주석-산화물(ITO) 기반 콘택들, Pd 기반 콘택들, Au 기반 콘택들 등을 포함한다. 약 250 x 250 ㎛2의 크기를 갖는 LED 메사들(mesas)은 염소 기반 유도-결합 플라즈마(ICP) 기술을 사용하여 포토리소그래피 및 건식 에칭에 의해 형성된다. 예시로서, Ti/Al/Ni/Au는 n-형 콘택을 형성하기 위해 노출된 n-GaN 층 위에 전자빔 증착된다. Ti/Au는 p-형 콘택 패드를 형성하기 위해 상기 p-형 콘택층의 일부 위에 전자빔 증착되고, 상기 웨이퍼는 레이저 스크라이브(scribe) 및 브레이크(break), 다이아몬드 스크라이브 및 브레이크, 쏘잉(sawing), 물분사 절단(water-jet cutting), 레이저 절삭(ablation) 등과 같은 기술을 이용하여 개별 LED 다이들로 다이싱(diced)된다. 전기적 연결들은 종래의 다이-부착 및 와이어 본딩 단계들에 의해 형성된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기적 연결들을 갖는 고 전류 밀도 LED 구조를 도시하는 간략화된 다이어그램이다. 이러한 다이어그램은 단지 실례에 불과한데, 이는 본 명세서의 청구항들의 범위를 과도하게 제한하지 않아야 한다. 당업자는 다른 변형들, 수정들, 및 대안들을 이해할 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 LED 구조는 특정 실시예에 따른 상부-방출 수평 전도 고 전류 밀도 LED를 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 LED 구조는 적어도 다음을 포함한다:
1. 극성, 반-극성 또는 무-극성 표면 배향을 포함하는 벌크 GaN 기판;
2. 약 1 ㎚에서 약 10 ㎛n 까지 범위의 두께 및 약 1 x 1016 ㎝-3에서 약 5 x 1020 ㎝-3까지 범위의 도펀트 농도를 갖는 n-형 (Al)(In)GaN 에피택셜 층(들);
3. 다수의 도핑된 및/또는 언도핑된 (Al)(In)GaN 활성 영역 층들;
4. 약 10 ㎚에서 약 500 ㎚까지 범위의 두께 및 약 1 x 1016 ㎝-3에서 약 1 x 1021 ㎝-3까지 범위의 도펀트 농도를 갖는 p-형 (Al)(In)GaN 에피택셜 층(들);
5. 인듐 주석 산화물, 아연 산화물과 같은 적합한 재료로 구성되고, 약 5 ㎚에서 약 500 ㎚ 범위의 두께를 갖는 반투명 p-형 콘택; 및
6. Ti/Al/Ni/Au 또는 이 금속들의 조합들, Ti/Al/Ti/Au 또는 이 금속들의 조합들과 같은 적합한 재료로 구성되고, 약 100 ㎚에서 약 7㎛까지 범위의 두께를 갖는 n-형 콘택.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 기판-방출 수평 전도(즉, "플립-칩") 고 전류 밀도 LED 장치의 간략화된 다이어그램이다. 이러한 실시예에서, 상기 LED 장치는 적어도 다음을 포함한다:
1. 벌크 GaN 기판;
2. n-형 (Al)(In)GaN 에피택셜 층(들);
3. 다수의 도핑된 및/또는 언도핑된 (Al)(In)GaN 활성 영역 층들;
4. p-형 (Al)(In)GaN 에피택셜 층(들);
5. 반사 p-형 콘택; 및
6. n-형 콘택.
도 8은 본 발명의 특정 실시예에 따른 기판-방출 수직 전도 고 전류 밀도 LED 장치의 간략화된 다이어그램이다. 상기 LED 장치는 적어도 다음을 포함한다:
1. 벌크 GaN 기판;
2. n-형 (Al)(In)GaN 에피택셜 층(들);
3. 다수의 도핑된 및/또는 언도핑된 (Al)(In)GaN 활성 영역 층들;
4. p-형 (Al)(In)GaN 에피택셜 층(들);
5. 반사 p-형 콘택; 및
6. n-형 콘택.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고 전류 밀도 LED 장치를 함유하는 패키징된 백색 LED의 간략화된 예시이다. 특정 실시예에서, 상기 패키징된 LED 장치는 적어도 다음을 포함한다;
1. 고 전류 밀도 LED 장치;
2. 구성에서 적색, 녹색, 청색, 주황색, 황색 방출 또는 다른 색 하향 변환(down-conversion) 재료들의 조합을 함유할 수 있거나 함유할 수 없는 인캡슐런트(encapsulant) 또는 렌즈 재료 - 상기 하향 변환 재료들이 상기 인캡슐런트 또는 렌즈에 함유되는 경우 백색광이 생성됨; 및
3. 전기적 연결을 상기 LED에 제공하고 본 발명으로부터 주위 환경으로 열 방출(dissipation)을 위한 경로를 제공하는 LED 패키지.
패키징된 장치들의 다른 예시들은 트로티어(Trottier) 등의 "Reflection Mode Wavelength Conversion Material for Optical Devices Using Non-Polar or Semipolar Gallium Containing Materials,"라는 제목으로 2009년 9월 21일자로 출원되고, 공동으로 소유되었으며, 본 명세서에는 참조로 포함되는 미국 출원번호 제61/244,443호(대리인 사건 번호 027364-007200US)에서 알 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 패키징된 장치는 슘(Shum)의 "White Light Apparatus and Method,", 2010년 2월 2일자로 출원되고, 공동으로 양도되었으며, 본 명세서에는 참조로 포함되는 출원번호 제61/301193호에 설명된 바와 같은 배열 구성을 포함한다. 본 LED 장치는 기판 부재 상에 형성되는 배열로 구성될 수 있다.
도 10은 하나 이상의 실시예들에 따른 ~405 ㎚의 방출 파장을 갖는 무-극성 GaN 상에 제조되는 LED에 대한 펄스 출력 전력 대 전류 밀도 및 외부 양자 효율 대 전류 밀도를 도시하는 간략화된 다이어그램이다. 이러한 다이어그램은 단지 실례에 불과한데, 이는 본 명세서의 청구항들의 범위를 과도하게 제한하지 않아야 한다. 당업자는 다른 변형들, 수정들, 및 대안들을 이해할 것이다. 종래의 기술로 제조되어 왔던 종래의 LED들에 대해서보다 대략 4배 더 높은 동작 전류 밀도까지 외부 양자 효율에서의 작은 감소가 특별히 언급된다. 다른 예시들은 도 4A에 제공되었다.
바람직한 실시예에서, 상기 장치는 고 전류 밀도에서 동작하도록 구성된 콘택 재료로서 인듐 주석 산화물(ITO)을 사용한다. 바람직한 실시예에서, 상기 고 전류 밀도는 200 암페어/㎠, 예를 들면, 500 암페어/㎠ 와 같이 높은, 또는 심지어 1000 암페어/㎠ 이상이다. 상기 ITO 재료는 실질적으로 저하가 없고, 결함들이 없다.
동작 조건들 하에서 상기 LED의 접합 온도는 약 섭씨 100 도보다 크고, 종종 약 섭씨 150 도보다 크며, 또는 심지어 약 섭씨 200 도 이상이다. 일부 실시예들에서, 상기 LED는 연속파(CW) 모드에서 능동 냉각 없이, 경우에 따라서는 수동 냉각 없이도 동작할 수 있다.
다른 실시예들에서, 본 발명은 개선된 신뢰성을 위해 벌크 갈륨 및 질소 함유 재료를 사용하여 결과로 생기는 장치 및 방법을 제공한다. 즉, 벌크 GaN 기판들 상의 성장은 상기 고 전류 밀도들에서 신뢰성을 증가시킨다. 그에 반하여, 이질 기판들 상에 성장되는 종래의 LED들은 불완전하며 다수의 결점들을 포함한다. 상기 헤테로에피텍셜 성장에 기인한 이러한 결점들은 상기 장치 수명을 제한하고, 따라서 고 전류 밀도들에서 동작하지 못하게 한다고 생각된다. 하나 이상의 실시예들에 따른 상기 LED들은 동일한 결점들로 나빠지지 않아야 한다. 바람직한 실시예에서, 상기 수명 기간들(windows)은 > 500 시간 CW, > 100 시간 CW, > 2000 시간 CW, > 5000 시간 CW 등이다.
특정 실시예에서, 본 발명은 또한 LED 기반 조명 등기구들 및 대체 램프들을 포함한다. 예시로서, 이러한 조명 등기구들의 목적들은 저가격으로 고 효능(㏐/W)을 가지며 바람직한 외관(색 온도 및 CRI)의 광의 허용할 수 있는 레벨(전체 루멘)을 생산하는 것이다. 이러한 특성들이 모두 바람직할지라도, 일반적으로 필요조건들이 모두 만족되지 않지만, 일부를 초래하는 고려되어야만 하는 설계 트레이드(trade)들이 있다. 본 발명에서, 본 출원인은 벌크 갈륨 질화물 기판과 같은 벌크 Ⅲ족 질화물 기판들 상에 성장되는 발광 다이오드에 기반하는 LED 기반 등기구들 및 램프들을 제안한다. 이러한 LED들은 사파이어, 실리콘 탄화물, 실리콘, 아연 산화물 등과 같은 이질 기판들 상에 헤테로에피텍셜적으로 성장되는 종래의 LED들에 비하여 대단히 상이한 성능 특성들을 나타낸다. 이러한 벌크 Ⅲ족-질화물 기반 LED들이 나타내는 특성들은 현재 종래의 LED들로 가능하다고 여겨지지 않는 매우 상이한 램프/등기구 설계들을 허용한다.
종래의 광원들, 백열등, 할로겐, 형광등, HID 등은 표준 특성들을 잘 정의하였다. 이러한 표준화는 의무적인 기술들을 대체하도록 제작되는 광원들을 설계시 LED 기반 램프들로부터 요구되는 동작 특성들에 관한 고급의 지식을 허용한다. 시장에 굉장히 많은 조명 제품들이 있는 한편, LED 기반 대체 해결책들(solutions)에 대한 철저한 연구의 대상이 되어왔던 상당수의 표준 램프들 또는 등기구들이 있다. 완전하지는 않지만, 이러한 램프/등기구들의 일부 예시들은 A-램프들, 형광등들, 소형 CFL들, 다양한 크기들의 금속 반사체(metallic reflectors; MR), 다양한 크기들의 파라볼라 반사체들(PAR), 반사구들(reflector bulbs)(R), 단일 및 이중 엔드 석영 할로겐(ended quartz halogen)들, 나뭇가지 모양의 전등들(candelabras), 글로브 벌브들(globe bulbs), 하이 베이(high bay), 반원형 갓들(troffers), 및 코브라 헤드(cobra-head)들을 포함한다. 소정의 램프는 입력 전력에 의해 상기 램프로 영향을 주는 특징적인 광 출력들을 가질 수 있다. 예를 들면, 20W MR-16 등기구는 일반적으로 대략 300 ㏐을 방출할 것이고, 30W MR-16은 450 ㏐, 및 50W MR-16은 700 ㏐을 방출할 것이다. 이러한 등기구들을 LED 해결책으로 적합하게 대체하기 위해, 상기 램프는 MR 16 램프들 전용의 기하학적 크기에 따라야만 하며, 광속의 최소 레벨들에 도달해야 한다.
이러한 명시된 지침들에도 불구하고, 상기 원하는 광속에 도달하며, 비슷하거나 더 높은 광 효능을 갖는 LED들로 설계되고, 최종 수요자에게 의무인 기술들로부터 교환하도록 동기를 부여하는 진정한 대체 램프들은 비교적 많지 않다. 이러한 요구들을 만족하는 그러한 제품들은 엄청나게 고가이며, 이는 매우 느린 채용을 초래해 왔다. 이러한 비용의 대부분은 현재 기술의 광속 및 광 효능에 도달하기 위해 LED 기반 램프들에 대해 요구되는 LED들의 수에 영향을 받는다. 이는 LED들에 대해 일반적으로 알려진 고 광 효능에도 불구하고 발생되어 왔는데, 이는 개별 장치로 명시된 것보다 SSL 램프에서 훨씬 낮다.
도 11은 SSL 사용자들이 SSL 응용에서 LED들을 사용하는 경우를 가정하는 일반적인 LED 디레이팅(de-rating)을 도시한다. 일반적으로 상기 LED들은 동작 동안 시간이 지남에 따라 증가된 온도, 광 손실, 전기 변환 손실들, 및 루멘 저하의 원인을 설명하기 위해 그들의 명시된 성능으로부터 디레이팅될 것이다. 가열뿐만 아니라 상기 최종 수요자가 출력 유속을 증가시키려는 시도로 입력 전류를 증가함에 따라 발생하는 추가 가열은 일반적인 램프 등기구들에서의 최소 히트 싱크 체적이 원인이기 때문에, 온도의 함수로서 감소된 효능 및 전체 유속은 매우 문제가 많다.
현재의 LED 기반 램프들의 성능 한계들의 예시로서, 도 12는 MR 16 전등들에 대하여 미국 에너지국 캘리퍼 테스팅(Caliper testing) 프로그램의 일부로서 측정되었던 누적 데이터를 도시한다. 도 12는 20W 할로겐 전구의 출력 전력을 복제하기 위해, 상기 LED 등가물이 13 ㏐/W를 초과하는 광 효능을 갖는 적어도 270 루멘의 유속을 생성해야함을 나타낸다. 디레이팅을 갖더라도, 상기 결과들은 대부분의 제품들이 할로겐 의무의 광 효능을 초과함을 나타내지만, 단지 하나의 제품만이 20W MR16에 대한 등가를 승인하는 충분한 전체 유속을 생성하였다. 게다가, 이러한 제품은 많은 수(>4)의 고 전력 LED들을 상기 MR 16 등기구에 탑재함으로써 이러한 유속을 달성했고, 그 결과 4 ㎟ 보다 큰 LED 접합 활성 면적을 갖는 등기구를 초래했다. 상기 램프의 가격은 상기 LED들에 대한 상기 전체 접합 활성 면적이 증가함에 따라 대략 선형적으로 증가한다. 따라서, 원하는 전체 유속 및 효능을 여전히 유지하면서도 소정의 램프 내에 포함되는 LED의 전체 활성 접합 면적을 감소시키는 것은 매우 바람직하다.
헤테로에피택셜적으로 성장되는 일반적인 LED는 전류 및 열적 "드루프" 때문에 활성 면적 크기를 감소시키는 동시에 고 유속을 유지할 수 없다. 상기 전류 밀도가 LED에서 증가됨에 따라, 상기 상대 효율은 감소하는 것으로 도시되었었다. 이러한 효과는 상대적인 방사 효율이 ~10 A/㎠에서의 100%에서 ~100 A/㎠에서의 50%까지 감소함을 초래할 수 있다.
또한, LED 방사 효율은 상기 LED의 접합 온도의 함수로서 감소하는 것으로 도시되었었다. 상기 LED 접합 면적이 감소함에 따라, 패키지 접착(bond)에 대한 상기 LED의 열 저항은 열 유동에 대한 면적이 감소하기 때문에 증가한다. 이에 부가하여, 면적 감소와 관련되는 상기 전류 밀도 증가는 상술한 바와 같이 더 낮은 방사 효율 및 그에 따라 열로서 소멸되는데 필요한 더 많은 전력을 초래한다. 본 기술들과 비교하여 종래의 LED 장치들의 성능 특성들의 추가 세부사항들은 아래에 제공된다. 도시된 바와 같이, 본 기술들 및 장치는 더 높은 제곱면적당 루멘을 초래한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 GaN 기판은 GaN, InGaN, AlGaN 또는 다른 Ⅲ족 함유 합금들 또는 출발 물질들로 사용되는 조성물들을 포함하는 Ⅲ족-질화물 기반 재료들과 관련된다. 이러한 출발 물질들은 극성 GaN 기판들(즉, 가장 큰 면적 표면이 명목상 (h K l) 평면인 기판, 여기서 h=k=0, l은 영이 아님), 무-극성 GaN 기판들(즉, 가장 큰 면적 표면이 상술한 극성 배향으로부터 약 80 - 100 도에서 (h k l) 평면까지 범위의 각도로 배향되는 기판 재료, 여기서, l=0, 및 h 및 k 중 적어도 하나는 영이 아님) 또는 반-극성 GaN 기판들(즉, 가장 큰 면적 표면이 상술한 극성 배향으로부터 약 +0.1 내지 80 도 또는 110 - 179.9 도에서 (h k l) 평면까지 범위의 각도로 배향되는 기판 재료, 여기서, l=0, 및 h 및 k 중 적어도 하나는 영이 아님)을 포함한다.
상기는 특정 실시예들의 충분한 설명이지만, 다양한 수정들, 대안적인 구조들 및 등가물이 사용될 수 있다. 상기 명세서는 하나 이상의 특정 갈륨 및 질소 함유 표면 배향들을 설명하지만, 평면 배향들의 다수의 패밀리 중 어느 하나가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위.

Claims (84)

  1. 발광 다이오드 장치로서,
    표면 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판; 및
    상기 표면 영역 위에 놓여 형성되는 적어도 하나의 활성 영역;
    상기 활성 영역의 특징인 약 175 암페어/㎠보다 큰 전류 밀도; 및
    50% 이상의 외부 양자 효율(external quantum efficiency; EQE)을 포함하는 발광 다이오드 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판은 무-극성 배향 성장을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판은 적어도 (10-1-1) 및 (11-22)을 포함하는 다수의 반-극성 결정면들 중 적어도 하나의 성장 배향을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    385 ㎚와 420 ㎚ 사이의 방출 파장을 더 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    420 ㎚와 460 ㎚ 사이의 방출 파장을 더 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    460 ㎚와 520 ㎚ 사이의 방출 파장을 더 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    520 ㎚와 600 ㎚ 사이의 방출 파장을 더 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    600 ㎚와 700 ㎚ 사이의 방출 파장을 더 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    백색 발광을 조사(illuminate)하는 적어도 하나의 활성 영역에 동작 가능하게 결합되는 적어도 하나의 형광체를 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치의 특징인 200 A/㎠보다 큰 전류 밀도를 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치의 특징인 200 - 400 A/㎠ 에서의 전류 밀도를 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치의 특징인 400 - 1100 A/㎠ 에서의 전류 밀도를 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치의 특징인 1000 - 2000 A/㎠ 에서의 전류 밀도를 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치의 특징인 2000 A/㎠ 이상의 전류 밀도를 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    0.0002 - 0.01 ㎜2 에서의 접합 면적을 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    0.01 - 0.1 ㎜2 에서의 접합 면적을 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    0.1 - 0.25 ㎜2 에서의 접합 면적을 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    0.25 - 1 ㎜2 에서의 접합 면적을 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    1 ㎜2보다 큰 접합 면적을 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    연속파 동작 하에서 비냉각 동작하는 발광 다이오드 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    100℃보다 큰 접합 온도를 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    150℃보다 큰 접합 온도를 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    200℃보다 큰 접합 온도를 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판은 약 106 ㎝-2 이하의 표면 전위 밀도(surface dislocation density) 및 약 1014 ㎝-1보다 큰 Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, F, 및 Cl 중 적어도 하나의 불순물 농도를 갖는 발광 다이오드 장치.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판은 약 385 나노미터와 약 750 나노미터 사이의 파장들에서 약 2 ㎝-1 이하의 광 흡수 계수(optical absorption coefficient)를 갖는 발광 다이오드 장치.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판은 약 0.050 Ω-㎝보다 작은 저항률을 갖는 발광 다이오드 장치.
  27. 제 1 항에 있어서,
    수직으로 전도하는 특성을 형성하도록 상기 적어도 하나의 활성 영역의 제 1 측 위에 놓인 n-형 콘택 및 상기 적어도 하나의 활성 영역의 제 2측 위에 놓인 p-형 콘택을 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 활성 영역 위에 놓인 p-형 콘택 영역을 형성하도록 공간적으로 배열되는 n-형 콘택 영역을 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  29. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 적어도 하나의 활성 영역을 위해 구성되는 플립 칩 패키지를 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판은 얇은 구성(thinned configuration)으로 제공되는 발광 다이오드 장치.
  31. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 활성 영역은 성장의 부분의 상당한 제거 없이 제공되는 발광 다이오드 장치.
  32. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 활성 영역들 위에 놓인 p-형 에피택셜 영역을 더 포함하고, 상기 p-형 에피택셜 영역이 패키지의 상부 영역을 대향하도록 상기 패키지 내에서 구성되며; 및 상기 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판은 제거된 상당한 부분을 갖도록 구성되는 발광 다이오드 장치.
  33. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 활성 영역들 위에 놓인 p-형 에피택셜 영역을 더 포함하고, 상기 p-형 에피택셜 영역이 패키지의 상부 영역을 대향하도록 상기 패키지 내에서 구성되며; 및 상기 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판은 손상되지 않은 상당한 부분을 갖도록 구성되는 발광 다이오드 장치.
  34. 제 1 항에 있어서,
    상대 광속이 그 초기값의 70% 이하로 떨어지는 시간으로 측정될 때 175 암페어/㎠ 이상의 상기 전류 밀도에서 약 5000 시간보다 큰 동작 수명을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  35. 발광 다이오드 장치로서,
    무-극성 배향된 표면 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판;
    상기 표면 영역 위에 놓여 형성되는 적어도 하나의 활성 영역;
    적어도 상기 적어도 하나의 활성 영역들의 특징인 약 500 A/㎠보다 큰 전류 밀도; 및
    385 - 415 ㎚의 파장이 특징인 방출; 및
    백색 광원을 제공하도록 상기 방출에 동작 가능하게 결합되는 적어도 하나의 형광체 재료를 포함하는 발광 다이오드 장치.
  36. 발광 다이오드 장치로서,
    무-극성 배향된 표면 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판;
    상기 표면 영역 위에 놓여 형성되는 적어도 하나의 활성 영역;
    상기 적어도 하나의 활성 영역들의 특징인 약 500 A/㎠보다 큰 전류 밀도; 및
    385 - 415 ㎚의 파장이 특징인 방출; 및
    백색 광원을 제공하도록 상기 방출에 동작 가능하게 결합되는 적어도 하나의 RGB 또는 다른 색의 형광체 재료를 포함하는 발광 다이오드 장치.
  37. 발광 다이오드 장치로서,
    무-극성 배향된 표면 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판;
    상기 표면 영역 위에 놓여 형성되는 적어도 하나의 활성 영역;
    상기 적어도 하나의 활성 영역들의 특징인 약 500 A/㎠보다 큰 전류 밀도; 및
    385 - 415 ㎚의 파장이 특징인 방출을 포함하는 발광 다이오드 장치.
  38. 제 37 항에 있어서,
    백색 광원을 제공하도록 상기 방출에 동작 가능하게 결합하는 RGB 또는 다른 색의 형광체 재료들을 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  39. 제 37 항에 있어서,
    적어도 상기 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판 및 상기 적어도 하나의 활성 영역을 둘러쌓는 패키지를 더 포함하고, 상기 패키지는 와트당 15 도 이하의 열 저항을 특징으로 하는 발광 다이오드 장치.
  40. 발광 다이오드 장치를 작동하는 방법으로서,
    표면 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판; 및 상기 표면 영역 위에 놓인 적어도 하나의 활성 영역을 포함하는 발광 장치를 제공하는 단계;
    상기 적어도 하나의 활성 영역의 접합 영역이 약 200 암페어/㎠보다 큰 전류 밀도를 제공하도록 상기 광 장치를 전류 하에 두는 단계(subjecting); 및
    385 - 415 ㎚의 범위 내의 파장을 갖는 전자기 방사를 출력하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 장치를 작동하는 방법.
  41. 제 40 항에 있어서,
    50% 이상의 외부 양자 효율(IQE)을 제공하는 단계를 더 포함하는 발광 다이오드 장치를 작동하는 방법.
  42. 제 40 항에 있어서,
    40% 이상의 EQE를 더 포함하는 발광 다이오드 장치를 작동하는 방법.
  43. 제 40 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 활성 영역을 약 100℃보다 큰 온도에서 더 유지하는 발광 다이오드 장치를 작동하는 방법.
  44. 제 40 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 활성 영역을 약 150 C 보다 큰 온도에서 더 유지하는 발광 다이오드 장치를 작동하는 방법.
  45. 제 40 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드를 약 1000 시간보다 큰 시간 동안 작동시키는 단계를 더 포함하는 발광 다이오드 장치를 작동하는 방법.
  46. 제 40 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드를 약 5000 시간보다 큰 시간 동안 작동시키는 단계를 더 포함하는 발광 다이오드 장치를 작동하는 방법.
  47. 제 40 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드를 약 10,000 시간보다 큰 시간 동안 작동시키는 단계를 더 포함하는 발광 다이오드 장치를 작동하는 방법.
  48. 발광 다이오드 장치로서,
    표면 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판;
    상기 표면 영역 위에 놓인 적어도 하나의 활성 영역;
    상기 하나 이상의 활성 영역들의 특징인 약 175 암페어/㎠보다 큰 전류 밀도;
    50% 이상의 내부 양자 효율(internal quantum efficiency; IQE); 및
    약 175 암페어/㎠보다 큰 상기 전류 밀도에서 동작 가능한 약 5000 시간보다 큰 수명을 포함하는 발광 다이오드 장치.
  49. 제 48 항에 있어서,
    약 40%보다 큰 EQE를 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  50. 발광 다이오드 장치를 제조하기 위한 방법으로서,
    표면 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판을 준비하는 단계;
    상기 표면 영역 위에 제 1 에피택셜 재료를 형성하는 단계;
    상기 에피택셜 재료 위에 놓여 적어도 하나의 활성 영역을 형성하는 단계 - 상기 적어도 하나의 활성 영역은 약 175 암페어/㎠보다 큰 전류 밀도에 대해 구성됨 -;
    상기 적어도 하나의 활성 영역 위에 놓여 제 2 에피택셜 재료를 형성하는 단계; 및
    콘택 영역들을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 장치를 제조하기 위한 방법.
  51. 발광 다이오드 장치로서,
    표면 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판; 및
    상기 표면 영역 위에 놓여 형성되는 적어도 하나의 활성 영역;
    상기 적어도 하나의 활성 영역의 특징인 약 175암페어/㎠보다 큰 전류 밀도;
    최대값에서 상기 최대값에서 미리 결정된 값까지 증가하는 동작 전류 밀도까지 측정될 때 약 5% 절대 효율보다 작은 롤오프(roll off)를 특징으로 하는 외부 양자 효율; 및
    390 - 415 ㎚ 사이의 파장을 특징으로 하는 방출을 포함하는 발광 다이오드 장치.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 값은 175 암페어/㎠인 발광 다이오드 장치.
  53. 제 51 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 값은 200 암페어/㎠ 이상인 발광 다이오드 장치.
  54. 제 51 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 값은 300 암페어/㎠ 이상인 발광 다이오드 장치.
  55. 제 51 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 값은 400 암페어/㎠ 이상인 발광 다이오드 장치.
  56. 제 51 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 값은 600 암페어/㎠ 이상인 발광 다이오드 장치.
  57. 광학 장치로서,
    표면 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 재료;
    상기 표면 영역 위에 놓여 형성되는 활성 영역;
    상기 활성 영역의 특징인 활성 면적;
    상기 활성 면적의 특징인 활성 면적 활용도;를 포함하고,
    상기 활성 면적 활용도는 50%보다 큰 광학 장치.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 활용도는 80%보다 큰 광학 장치.
  59. 광학 장치로서,
    표면 영역을 갖는 벌크 갈륨 및 질소 함유 기판;
    상기 표면 영역 위에 놓여 형성되는 활성 영역;
    활성 영역 면적;
    방출 외부 표면적;
    활성 영역 면적에 대한 상기 방출 외부 표면적의 특징인 비율을 포함하고,
    상기 비율은 1보다 큰 광학 장치.
  60. 제 59 항에 있어서,
    상기 비율은 5보다 큰 광학 장치.
  61. 약 1 ㎟보다 작은 누적 다이 표면적을 갖고 적어도 300 루멘을 방출하도록 구성되는 LED를 포함하는 장치.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 갈륨 및 질소 함유 재료로 제조되는 장치.
  63. 제 62 항에 있어서,
    상기 갈륨 및 질소 함유 재료는 반-극성 또는 무-극성 배향으로 구성되는 장치.
  64. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED의 활성 접합 면적은 약 1 ㎟보다 작은 장치.
  65. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED(들)의 상기 활성 접합 면적은 약 0.75 ㎟보다 작은 장치.
  66. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED(들)의 상기 활성 접합 면적은 약 0.5 ㎟보다 작은 장치.
  67. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED(들)의 상기 활성 접합 면적은 약 0.3 ㎟보다 작은 장치.
  68. 제 61 항에 있어서,
    상기 방출은 적어도 300 루멘인 장치.
  69. 제 61 항에 있어서,
    상기 방출은 적어도 500 루멘인 장치.
  70. 제 61 항에 있어서,
    상기 방출은 적어도 700 루멘인 장치.
  71. 제 61 항에 있어서,
    상기 방출은 실질적으로 백색 광인 장치.
  72. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 390 - 415 ㎚ 범위의 방출을 포함하는 장치.
  73. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 415 - 440 ㎚ 범위의 방출을 포함하는 장치.
  74. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 440 - 470 ㎚ 범위의 방출을 포함하는 장치.
  75. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 2 와트/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 입력 전력을 특징으로 하는 장치.
  76. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 3 와트/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 입력 전력을 특징으로 하는 장치.
  77. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 5 와트/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 입력 전력을 특징으로 하는 장치.
  78. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 10 와트/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 입력 전력을 특징으로 하는 장치.
  79. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 15 와트/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 입력 전력을 특징으로 하는 장치.
  80. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 20 와트/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 입력 전력을 특징으로 하는 장치.
  81. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 약 5000K보다 작은 CCT 및 약 75보다 큰 CRI를 갖는 온백색(warm white) 방출에 대하여 300 ㏐/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 루멘을 특징으로 하는 장치.
  82. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 약 5000K보다 큰 CCT 및 약 75보다 큰 CRI를 갖는 온백색 방출에 대하여 400 ㏐/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 루멘을 특징으로 하는 장치.
  83. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 약 5000K보다 큰 CCT 및 약 75보다 큰 CRI를 갖는 온백색 방출에 대하여 600 ㏐/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 루멘을 특징으로 하는 장치.
  84. 제 61 항에 있어서,
    상기 LED는 약 5000K보다 큰 CCT 및 약 75보다 큰 CRI를 갖는 온백색 방출에 대하여 800 ㏐/㎜2보다 큰 활성 접합 면적당 루멘을 특징으로 하는 장치.
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