KR20210035034A - 색 조절 가능한 발광 다이오드 및 마이크로 led 디스플레이 - Google Patents

색 조절 가능한 발광 다이오드 및 마이크로 led 디스플레이 Download PDF

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루오퀴아오 웨이
야스후미 후지와라
준 타테바야시
슈헤이 이치카와
돌프 팀메르만
톰 그레고르키위츠
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오사카 유니버시티
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Abstract

주입 전류를 제어함으로써 방출 색의 색조가 변화되고, 기판 상에 p-형 층과 n-형 층 사이에 활성 층을 구비하며, 활성 컬러층은 GaN, InN, AlN 또는 이들 중 임의의 2종 이상의 혼정인 AlGaInN계 재료에 Eu 및 Mg를 도핑함으로써 형성되는, 색 조절 가능한 발광 다이오드; 및 상기 색 조절 가능한 발광 다이오드를 구비한 이미지 화소를 집적시킴으로써 형성된 디스플레이 유닛이 제공되고; 초소형 및 고선명 마이크로 LED 디스플레이를 제공 가능한 발광 반도체 디바이스 수법이 제공될 수 있다.

Description

전류 주입하 원자 방출 조작을 기반한 GaN LED에서의 색 조절 가능성{COLOR-TUNABLILITY IN GaN LEDs BASED ON ATOMIC EMISSION MANIPULATION UNDER CURRENT INJECTION}
본 발명은 색 조절 가능한 발광 다이오드 및 마이크로 LED 디스플레이에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 주입 전류를 제어함으로써 방출 색의 색조가 변화되는 색 조절 가능한 발광 다이오드, 및 상기 색 조절 가능한 발광 다이오드가 이미지 화소로서 제공되어 초소형 및 고선명 이미지를 얻어낼 수 있는 마이크로 LED 디스플레이에 관한 것이다.
통상의 마이크로 LED 디스플레이에서, InGaN/GaN계 재료로 제조된 청색 LED 칩 및 녹색 LED 칩과 AlGaInP/GaAs계 재료로 제조된 적색 LED 칩(이하, "LED 칩"은 단순히 "LED"로 칭함)이 하나의 기판 상에 물리적으로 배열되어 이미지 화소를 구성하고, 각 칩에 대해서 주입 전류를 제어함으로써 각 칩으로부터의 발광 강도가 조절되어서 각 화소마다 각종 색을 발현시킬 수 있게 된다(예를 들어, 특허 문헌 1 및 2).
최근, 모바일 디바이스, 예컨대, 스마트폰 및 태블릿 단말기의 개발은 현저하고 있고, 따라서, 초소형 및 고선명 이미지를 얻어낼 수 있는 마이크로 LED 디스플레이(초소형/고선명 마이크로 LED 디스플레이)에 대한 사회적 요구가 증가하고 있다.
초소형/고선명 마이크로 LED 디스플레이를 실현하기 위한 주된 수법은 "동일 기판 상에 소형 칩 크기를 가진 청색, 녹색 및 적색 LED를 어떻게 집적시키는가"이다. 그러나, 통상의 마이크로 LED 디스플레이에서는, 청색 LED와 녹색 LED가 질화물 반도체이기 때문에 이들이 동일 기판 상에 집적될 수 있지만, 적색 LED는 질화물 반도체가 아니므로, 적색 LED는 청색 LED 및 녹색 LED와 함께 동일한 기판 상에 집적될 수 없다.
따라서, 적색 LED가 청색 LED 및 녹색 LED와 동일한 기판 상에 집적될 수 있도록 질화물 반도체를 이용하는 적색 LED를 실현하는 것이 요망되어 왔다.
이들 상황하에, 본 발명자들은, 세계에 앞서서, 희귀 희토류 원소 중 하나인 유로퓸(Eu)이 도핑된 GaN을 사용해서 협대역 및 초-안정적인 파장의 적색 LED를 발명하고, 동일 기판 상에 청색, 녹색 및 적색 LED의 집적을 초래하는 수법을 개발하였다(특허 문헌 3).
JP 2008-198614 A JP 2017-199757 A JP 6222684 B
그러나, 동일 기판 상에 청색 LED, 녹색 LED 및 적색 LED의 집적 방법이 이들 3개의 LED 칩이 동일 기판 상에 물리적으로 배열되어 하나의 이미지 화소를 구성하도록 하는 한, 마이크로 LED 디스플레이의 초소형화 및 고선명에 대한 제한이 있다.
즉, 각각의 LED 칩은, 이들이 동일 기판 상에 물리적으로 배열될 경우, 적어도 20 제곱㎛의 크기를 갖고 화소 크기는 칩 크기의 정수배(integral multiple)가 된다. 따라서, 화소의 초소형화에 제한이 있고, 마이크로 LED 디스플레이를 충분히 초소형 및 고선명화시키기 어렵다.
이상의 내용을 고려해서, 본 발명의 목적은, 각종 색 발현을 가능하게 하도록 청색광, 녹색광 및 적색광을 방출 가능한 하나의 LED 칩으로 이미지 화소를 구성하여 초소형 화소를 달성함으로써 초소형 및 고선명 마이크로 LED 디스플레이를 제공 가능한 발광 반도체 디바이스 수법을 제공하는데 있다.
본 발명자들은 예의 연구를 행하고 후술하는 본 발명에 의해서 전술한 문제를 해결함으로써 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
청구항 1에 따른 본 발명은,
색 조절 가능한 발광 다이오드로서,
주입 전류를 제어함으로써 방출 색의 색조가 변화되고,
기판 상에 p-형 층과 n-형 층 사이에 끼워진 활성 층을 구비하며,
활성층은 GaN, InN, AlN 또는 이들 중 임의의 2종 이상의 혼정(mixed crystal)인 AlGaInN계 재료에 Eu 및 Mg를 도핑함으로써 형성되는, 색 조절 가능한 발광 다이오드이다.
청구항 2에 따른 본 발명은,
청구항 1에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드이며, 여기서,
활성층은 AlGaInN계 재료로 이루어진 장벽층과 AlGaInN계 재료로 이루어진 우물층이 교대로 적층된 양자 우물 구조를 구비하고,
장벽층의 AlGaInN계 재료는 AlxGayIn1-x-yN으로 표시되는 재료이고, 우물층의 AlGaInN계 재료는 Alx'Gay'In1-x'-y'N로 표시되는 재료일 때,
x, x', y 및 y'는 설정되어서,
AlxGayIn1-x-yN의 전자 친화도 κ(장벽) 및 밴드 갭 εg(장벽)과 상기 Alx'Gay'In1-x'-y'N의 전자 친화도 κ(우물) 및 밴드 갭 εg(우물)은 다음 식을 충족시킨다:
κ(장벽) ＜ κ(우물)
κ(장벽)+εg(장벽) ＞ κ(우물)+εg(우물)
상기에 있어서, x 및 x'는 0 내지 1의 숫자이고, y 및 y'는 0 내지 1의 숫자이고, x+y 및 x'+y'는 0 내지 1의 숫자이다.
청구항 3에 따른 본 발명은,
청구항 1 또는 청구항 2에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드이며, 여기서 장벽층은 AlGaN층이고, 우물층은 GaN층이다.
청구항 4에 따른 본 발명은,
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드이며, 여기서 우물층의 각각에 도핑된 Eu의 양은 1×1017 내지 5×1021 ㎝-3이다.
청구항 5에 따른 본 발명은,
청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드이며, 여기서 우물층의 각각에 도핑된 Mg의 양은 1×1018 내지 1×1020 ㎝-3이다.
청구항 6에 따른 본 발명은,
청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드이며, 여기서 우물층의 각각에 Si가 더 도핑된다.
청구항 7에 따른 본 발명은,
청구항 6에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드이며, 여기서 우물층의 각각에 도핑된 Si의 양은 1×1017 내지 5×1021 ㎝-3이다.
청구항 8에 따른 본 발명은,
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드이며, 여기서 장벽층의 두께는 층당 0.5 내지 50㎚이고, 우물층의 두께는 층당 0.1 내지 20㎚이다.
청구항 9에 따른 본 발명은,
청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드이며, 여기서 장벽층과 상기 우물층 사이에 완충층으로서 ud-GaN층이 형성된다.
청구항 10에 따른 본 발명은,
청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드이며, 여기서 완충층의 두께는 층당 0.1 내지 20㎚이다.
청구항 11에 따른 본 발명은,
마이크로 LED 디스플레이이며, 여기서 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드를 구비한 이미지 화소를 집적시킴으로써 디스플레이 유닛이 형성된다.
청구항 12에 따른 본 발명은,
마이크로 LED 디스플레이이며, 여기서 이미지 화소를 집적시킴으로써 디스플레이 유닛이 형성되되, 각각의 이미지 화소는, 동일한 화소 기판 상에,
GaN, InN, AlN 또는 이들 중 임의의 2종 이상의 혼정인 AlGaInN계 재료에 Eu가 도핑된 발광 다이오드와
GaN, InN, AlN 또는 이들 중 임의의 2종 이상의 혼정인 AlGaInN계 재료에 Mg가 도핑된 발광 다이오드
를 배열함으로써 형성된다.
본 발명에 따르면, 1개의 이미지 화소는 청색광, 녹색광 및 적색광을 방출 가능한 1개의 LED 칩으로 구성되고, 각종 색이 발현될 수 있다. 그 결과, 이미지 화소가 초-소형화될 수 있고, 초소형 및 고선명 마이크로 LED 디스플레이를 제공 가능한 발광 반도체 디바이스 수법이 제공될 수 있다.
[도 1] 본 발명에서 적색 발광 및 녹색 발광의 기전을 예시한 다이어그램.
[도 2] 본 발명의 일 실시형태에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드에서 펄스 전류의 주입을 수반하는 방출 색의 변화를 예시한 다이어그램.
[도 3] 본 발명의 일 실시형태에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드에서 불순물로서 Mg가 도핑된 GaN: Eu 층에서의 발광을 설명하기 위한 다이어그램.
[도 4] 본 발명의 일 실시형태에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드에 의해 방출될 수 있는 색의 범위를 설명하기 위한 색도도(chromaticity diagram)(CIE 색도도).
[도 5] 본 발명의 실시형태의 일례에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드의 구성의 일례를 도시한 개략도.
[도 6] 본 실시형태의 양자 우물 구조의 에너지 준위를 도시한 다이어그램.
[1] 본 발명의 기본적 개념
본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기 전에, 본 발명의 기본적인 개념을 설명할 것이다.
위에서 설명된 바와 같이, 본 발명자들은, 세계에 앞서서 Eu-도핑된 GaN을 사용하는 초-안정적인 파장 및 협대역의 적색 LED(GaN: Eu LED)를 발명하였고, 동일 기판 상에 청색 LED, 녹색 LED 및 적색 LED의 집적을 초래하는 수법을 개발하였다.
그러나, 추가의 연구 후에, GaN: Eu LED가 놀랍게도 전류 주입 조건이 변화된 경우 적색광뿐만 아니라 녹색광도 방출할 수 있는 것이 발견되었다.
구체적으로, GaN: Eu LED의 경우에, Eu3+ 이온은 4f 껍질에서 5D0에서 7F2로의 전이(4f 껍질에서의 5D0→7F2 전이)로 인한 적색광을 방출한다. 방출 수명은 200 내지 300㎲로 비교적 길기 때문에, 전류가 방출 수명보다 짧은 간격에서 펄스화 방식으로 주입된다면, Eu3+ 이온은 5D0 준위보다 더 높은 에너지를 갖는 준위(5D1)로 더욱 여기된다. 5D1에서 7F2로의 4f 안쪽-껍질 전이가 새롭게 일어나서 녹색 발광을 초래한 것을 발견하였다. 이어서, 주입 전류를 제어함으로써, 적색 발광 및 녹색 발광이 적절하게 혼합되므로, 적색에서 오렌지색으로의 그리고 오렌지색에서 녹색으로의 각종 색 발현이 가능한 것으로 발견되었다.
추가의 연구 후에, Mg가 Eu-도핑된 GaN에 불순물로서 도핑된 경우, Mg와 연루된 청색 발광이 Eu3+ 이온에 의한 적색 발광 이외에 관찰되었고, 적색 방출 및 청색 방출의 방출 강도는 주입 전류를 제어함으로써 변화된 것으로 발견되었다. 적색 및 청색의 이러한 혼합된 루미네선스(luminescence)의 경우에, 청색 루미네선스는 필터를 적용함으로써만 제거될 수 있다. 따라서, 위에서 기재된 Eu-도핑된 GaN의 적색 루미네선스 및 녹색 루미네선스에 청색 루미네선스를 첨가함으로써, 3원색의 광이 보증될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, Mg가 불순물로서 도핑된 GaN: Eu LED는 적색, 녹색 및 청색의 3원색의 각각의 광을 방출할 수 있다. 따라서, 전류 주입 조건을 적절하게 제어함으로써 발광 색을 적절하게 혼합함으로써, 자유롭게 색을 발현하는 것이 가능해진다.
이 지견에 기초하여, 1개의 LED 칩(불순물로서 Mg가 도핑된 GaN: Eu LED 칩)으로 1개의 이미지 화소를 제작하는 것이 가능해진다. 그 결과, 요소 자체의 크기는 가능한 한 작게 소형화될 수 있고, 화소 크기는 통상의 크기의 1/3까지 충분히 저감될 수 있어, 스크린의 고선명이 달성될 수 있다.
이러한 지견은 이 세계에서의 첫 번째 발견이며, 초소형 및 고선명 마이크로 LED 디스플레이를 제공하는데 크게 길을 열어줄 것이다.
[2] 본 발명에서의 방출 기전
다음에, 본 발명에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드에서의 발광 기전이 설명될 것이다.
(1) 적색 발광 및 녹색 발광
도 1은 본 발명에서 적색 발광 및 녹색 발광의 기전을 예시하는 다이어그램이다. 도 1에서, 좌측 다이어그램은 Eu3+ 이온의 에너지 준위 및 전이 개요를 설명하기 위한 다이어그램이다. 우측 다이어그램은 주입 전류의 변화에 따른 파장과 방출 스펙트럼 강도 간의 관계를 도시하기 위한 다이어그램이다.
10㎃ 이하의 낮은 주입 전류의 경우에, Eu3+ 이온은 도 1의 좌측 다이어그램에서 상향 실선으로 표시된 바와 같이 7F0 준위로부터 5Dj 준위(j = 0 내지 3)로 먼저 여기된다. 이어서, 하향 실선으로 표시된 바와 같이 5D0 준위(5D3 준위로 여기된 Eu3+ 이온, 5D2 준위 및 5D1 준위가 또한 발광 없이 5D0 준위로 전이)로부터 7F1 준위 또는 7F2 준위로 전이되고, 그 때에, 약 622㎚의 파장을 갖는 적색광이 도 1의 우측 다이어그램에 도시된 바와 같이 방출된다.
그러나, 주입 전류가 증가되는 경우, 도 1의 좌측 다이어그램에서 하향 점선으로 표시된 5D1 준위로부터 7F3 준위로의 전이와 하향 일점 쇄선으로 표시된 5D1 준위로부터 7F1 준위 또는 7F2 준위로의 전이는, 5D1 준위로부터 5D0 준위로의 전이를 일으키는 일 없이 일어나, 황색-오렌지색광, 녹색-황색광, 및 녹색광이 각각 방출된다. 즉, 도 1의 우측 다이어그램에 도시된 바와 같이, 약 545㎚의 파장에 센터링되는 녹색 발광이 발생되고, 주입 전류가 증가함에 따라서 그의 강도가 증가하는 한편, 약 622㎚의 파장을 가진 발생된 적색광의 발광 강도가 소정 크기로 포화된다. 그 결과, 녹색 발광과 적색 발광이 혼합되어 주입 전류의 변화에 따라서, 발광색은 녹색, 녹색-황색, 황색-오렌지색으로 계속해서 변화된다.
주입 전류에 따른 발광 색의 이러한 변화는 5D1 준위로 여기된 Eu3+ 이온을 구속하고 5D1 준위로부터 5D0 준위로의 전이를 방지(캐리어 구속(carrier confinement))함으로써 초래된다.
따라서, 본 발명에 있어서, 5D0 준위로부터의 전이의 발생 동안, 즉, 적색 방출의 방출 수명(200 내지 300㎲) 이내에, 직사각형 펄스 전류는 짧은 간격에서 주입되고, Eu3+ 이온은 위에서 기재된 바와 같이 방출 색의 변화를 얻기 위하여 5D1 준위로 재여기된다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드에서 펄스 전류을 주입을 수반하는 방출 색의 변화를 예시한 다이어그램이다. 도 2에서, 좌측 다이어그램은 60㎐의 주파수의 조건하에 "ON" 시간(듀티 사이클)을 나타내는 다이어그램이다. 우측 다이어그램은 주입 전류의 변화를 수반하는 방출 색의 변화를 도시한다. 상부 부분은 듀티 사이클이 미리 결정된 제곱평균 제곱근 전력 Prms(150 mw) 및 주파수 f(60㎐)의 조건하에 변화될 경우 방출 색의 변화가 어떻게 일어나는지를 나타내는 다이어그램이다. 하부의 두 부분은 주파수와 듀티 사이클이 미리 결정된 피크 전류(200㎃)의 조건하에 변화될 경우 방출 색의 변화가 어떻게 일어나는지를 도시한 다이어그램이다.
도 2의 우측 다이어그램의 상부 부분에서, 방출 색은 Prms 150 mw 및 f 60㎐의 경우에 듀티 사이클이 감소됨에 따라서 적색에서 황색으로 변하고, 방출 색은 주입 전류의 변화로 인해 변하는 것을 알 수 있다. 도 2의 우측 다이어그램 상의 하부의 두 부분에서, 피크 전류가 200㎃에서 고정될 경우, 방출 색은, 주파수 변화와 상관없이, 듀티 사이클이 감소됨에 따라서 황색에서 적색으로 변한다. 방출 색은 주입 전류의 변화에 의해 변하는 것을 알 수 있다.
이들 결과로부터, GaN: Eu LED 칩의 방출 색이 주입 전류를 변화시킴으로써 변화될 수 있는 것이 확인되었다.
(2) 청색 발광
Mg가 도핑된 GaN층이 청색을 나타내는 것은 알려진 바 있다. 그러나, GaN: Eu 층에 불순물로서 Mg가 도포된 경우 어떠한 방출색이 나타나는지는 지금까지 연구되어 있지 않다. 실험 및 연구의 결과로서, Mg가 불순물로서 도핑된 GaN: Eu 층의 경우에, Mg 연루 청색 발광이 Eu3+ 이온에 의한 적색 발광에 부가해서 관찰될 수 있었던 것으로 발견되었다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드에서 불순물로서 Mg가 도핑된 GaN: Eu 층에서의 발광을 설명하기 위한 다이어그램이다. 도 3에서, 좌측 다이어그램 a는 약 75㎃의 전류가 Mg-도핑된 GaN: Eu 층에 주입된 경우 EL 방출 스펙트럼과 파장 간의 관계를 나타내는 다이어그램이다. 그리고 우측 다이어그램 b는 주입 전류의 변화에 따른 방출 색의 변화를 도시한다. 상부 부분은 주입 전류의 변화가 어떻게 고정된 듀티 사이클의 조건하에 방출 색의 변화(99.9%)를 초래하는지를 도시한 다이어그램이다. 그리고 하부의 두 부분은 미리 결정된 피크 전류(90㎃)하에 주파수 및 듀티 사이클의 변화가 어떻게 방출 색의 변화를 초래하는지를 도시한 다이어그램이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, Mg-도핑된 GaN: Eu층에서, 5D0 준위로부터 7F2 준위로의 Eu3+ 이온의 전이를 수반하는 약 620㎚에서의 적색 발광에 부가해서, Mg로 인한 청색 발광은 약 420㎚에서 일어나는데, 이것은 GaN 니어 밴드 에지(NBE: near-band-edge)이고, 중앙의 사진에 나타낸 바와 같이, 적색광과 청색광이 혼합된 자색 발광으로서 보일 수 있다. 좌측 상의 사진은 이 발광에 대한 600㎚ 숏-패스 필터(short-pass filter)를 이용해서 얻어진 청색 발광을 나타내는 한편, 우측 상의 사진은 이 발광에 대한 600㎚ 롱-패스 필터(long-pass filter)를 이용해서 얻어진 적색 발광을 도시한다. 적색 발광과 청색 발광이 필터를 사용해서 독립적으로 취출될 수 있는 것을 알 수 있다.
불순물로서 도핑된 Mg는 가전자대(valence band)의 부근에서 GaN의 고유 결함보다 더 얕은 준위를 형성하고, 이 청색 발광은 GaN: Eu 층에서 밴드 갭(εg(우물))보다 더 좁은 에너지 폭을 가진 주입된 캐리어의 재조합에 의해 얻어진다(결함 제어: 결함 조작(defect engineering)).
도 3b의 상부 부분에서, 방출 색은 주입 전류의 증가에 따라서 적색에서 자색으로 그리고 자색에서 분홍색으로 변하고, 주입 전류의 변하에 따라서 방출 색이 변하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 3b의 하부 두 부분에서, 피크 전류가 90㎃에서 고정된 경우, 주파수의 크기에 상관없이, 색은 듀티 사이클의 감소를 수반하는 분홍색에서 자색으로 그리고 자색에서 적색으로 변하고, 방출 색이 주입 전류의 변화에 따라서 변화되는 것을 알 수 있다.
Mg의 양이 너무 적으면, 충분한 청색 발광이 얻어질 수 없는 한편, Mg의 양이 너무 많으면, 청색 발광이 포화된다. 이를 고려하면, Mg의 도핑된 양은 바람직하게는 1×1018 내지 1×1020 ㎝-3이다. 그리고 Si가 Mg에 부가해서 도핑된 경우, 청색 발광의 방출 강도가 더 높아지는 것을 알 수 있다. 이 경우에, Si의 도핑될 특정량은 바람직하게는 1×1018 내지 1×1020 ㎝-3이다.
(3) 색도
다음에, 위에서 기재된 적색 발광, 녹색 발광 및 청색 발광에 의해 발현될 수 있는 발광 색이 설명될 것이다.
도 4는 본 실시형태에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드에 의해 방출될 수 있는 색의 범위를 설명하기 위한 색도도(CIE 색도도)이다. 적색 발광(Eu3+ 이온의 5D0 상태), 녹색 발광(Eu3+ 이온의 5D1 상태) 및 청색 발광(GaN의 NBE 준위로부터의 분리된 발광)의 3가지 발광 상태에 각각 대응하는 꼭짓점을 가진 삼각형이 형성된다.
GaN의 NBE 준위로부터의 방출은 600㎚ 숏-패스 필터와 600㎚ 롱-패스 필터를 사용해서 청색 또는 적색으로 분리된다(도 4에서, 각 사진을 둘러싸는 실선의 원은 필터의 사용을 나타낸다). 도 4의 상부 부분에서, 각 꼭짓점에서의 발광 상태, 즉, Eu3+ 이온의 5D0 전이로 인한 적색 발광, Eu3+ 이온의 5D1 전이로 인한 녹색 발광, 및 NBE에서 도핑된 Mg로 인한 청색 발광이 좌측에서부터 차례로 도시된다.
LED의 방출 색역(emission color gamut)이 우측 상에 도시된 캐리어 구속(carrier confinement)으로 인한 적색에서 녹색으로의 변화, 더 낮은 측 상에 도시된 의도적 결함 조작과의 조합으로 인한 적색에서 녹색으로의 변화 및 필터에 의해 분리된 청색광을 이용하는 청색에서 녹색으로의 변화를 적절하게 조합함으로써 크게 확대될 수 있는 것을 도 4로부터 알 수 있다.
즉, CIE 색도도 상의 이들 3점을 연결함으로써 형성된 삼각형의 색은 이들 적색, 녹색 및 청색 준위로부터의 방출을 부가적으로 혼합함으로써 적절하게 방출될 수 있다. 따라서, 본 실시형태는 각종 색 발현의 발광을 가능하게 한다.
구체적으로, 이들 3개의 발광 상태의 수명은 십의 몇 승배 정도 떨어져 있으므로, 주입 전류 밀도를 증가시킴으로써, 예를 들어 펄스 전류 주입 동안 듀티 사이클을 통해서 흐르는 전류의 시간 스케일을 변화시킴으로써 보다 짧은 수명으로 하나의 상태로부터의 발광을 금지시키고 다른 상태로부터의 발광을 증대시킬 수 있다. 따라서, 색조가 자유롭게 조절될 수 있다.
위에서 기재된 "캐리어 구속" 및 "결함 조작"을 동시에 수행함으로써 방출 색의 색조를 연속해서 변화시키는 기술이 본 발명자들에 의해 먼저 제시되었다. 이 기술은 1개의 Eu 도핑된 GaN LED가 3-색 조절 가능한 발광 다이오드로서 사용될 수 있으므로 획기적이고, 이것은 디바이스 자체의 크기를 최대 한도로 소형화할 가능성을 나타낸다.
[3] 구체적인 실시형태
다음에, 본 발명을 구체적인 실시형태를 참조하여 더욱 상세히 설명할 것이다. 본 발명은 이하에 기재된 실시형태로 제한되지 않고, 본 발명과 동일 및 등가의 범위 내에서 각종 변화를 시행할 수 있다.
1. 색 조절 가능한 발광 다이오드
(1) 전체 구성
본 실시형태에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드는 기판 상의 p-형 층과 n-형 층 사이에 끼어진 활성층을 구비하고, 활성층은 GaN, InN, AlN 또는 이들 중 임의의 2종 이상의 혼정인 AlGaInN계 재료에 Eu 및 Mg를 도핑함으로써 형성된다.
도 5는 본 실시형태에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드의 구성의 일례를 도시한 개략적 다이어그램이다. 본 실시형태에서, 기판으로서, 예를 들어, 사파이어와 GaN 간의 격자 상수의 차이로 인한 균열의 발생을 방지하기 위한 LT-GaN층과 사파이어 기판 등으로 인한 전위의 영향을 억제하기 위한 ud-GaN층이 도 5에 도시된 바와 같이 상부에 형성된 사파이어 기판인 주형이 사용된다. 단, SiC, Si, GaN 등이 사파이어 기판 대신에 사용될 수도 있다.
이어서, 활성층으로서 역할하는 GaN: Eu 층(Mg 첨가)이 기판 상에 형성된다. 이때, 보다 높은 방출 강도를 얻기 위하여, 장벽층으로서 역할하는 AlGaN층과 우물층으로서 역할하는 GaN: Eu 층이 교대로 적층되어(도 5에서 13쌍), 도 5에 도시된 바와 같이 양자 우물 구조를 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 양자 우물 구조를 제공함으로써, 캐리어 밀도는 Eu3+ 이온을 우물층에 도핑함으로써 증가될 수 있으므로, 더 높은 방출 강도가 얻어질 수 있다. 또한, 불순물로서 도핑된 Mg는 또한 우물층으로 전이되므로, 보다 높은 발광 강도를 가진 청색광이 방출될 수 있다.
본 실시형태에서, 장벽층이 너무 얇으면, 우물층에 도핑된 Eu3+ 이온이 도망가서 Eu 둘레의 캐리어 밀도가 증가될 수 없다. 다른 한편, 장벽층이 너무 두꺼우면, 그 효과는 포화된다. 따라서, 두께는 바람직하게는 층당 0.5 내지 50㎚이다.
우물층이 너무 얇으면, Eu3+ 이온이 충분하게 도핑될 수 없어 캐리어 밀도가 증가될 수 없다. 다른 한편, 우물층이 너무 두꺼우면, 그 효과는 포화된다. 따라서, 두께는 바람직하게는 층당 0.1 내지 20㎚이다.
본 실시형태에서, 도 5에 도시된 바와 같이 Eu3+ 이온이 장벽층으로 확산되는 것을 방지하기 위하여 장벽층과 우물층 사이에 완충층으로서 ud-GaN층이 제공되는 것이 바람직하다. 따라서, Eu3+ 이온이 충분히 도핑될 수 있다. 완충층의 두께는 바람직하게는 층당 0.1 내지 20㎚이다.
본 실시형태에서, Eu3+ 이온의 양이 너무 적은 경우 그 양이 불충분하고 그 양이 너무 많으면 적색 발광이 포화되는 것을 고려해서, 우물층 내 Eu의 도핑량은 바람직하게는 1×1017 내지 5×1021 ㎝-3이다.
(2) 양자 우물 구조
다음에, 상기 양자 우물 구조를 상세히 설명할 것이다. 도 6은 본 실시형태의 양자 우물 구조에서의 에너지 준위를 도시한 다이어그램이다. 도 6에서, AlxGayIn1-x-yN이 장벽층(장벽)이고, Alx'Gay'In1-x'-y'N이 우물층(우물)이며, Ec는 전도대 하부를 나타내고, Ev는 원자가 전자대 상부를 나타내며, κ는 전자 친화도를 나타내고, εg는 밴드 갭을 나타낸다. 진공 준위는 진공의 수준을 나타낸다.
본 실시형태에 있어서, x, x', y 및 y'가 이하의 두 식을 충족시키도록 설정된 AlGaInN계 재료가 장벽층 및 우물층에 사용된다.
κ(장벽) ＜ κ(우물)
κ(장벽)+εg(장벽) ＞ κ(우물)+εg(우물)
도 5에 도시된 AlGaN 장벽층은 상기 식을 충족시키는 AlxGayIn1-x-yN에서 In 조성이 0인 재료이다. 마찬가지로, GaN 우물층은 상기 식을 충족시키는 Alx'Gay'In1-x'-y'N에서 In 조성과 Al 조성이 0인 재료이다.
이러한 양자 우물 구조가 도 6에 도시된 바와 같이 형성된 경우, Eu3+ 이온은 Eu 둘레에 캐리어 밀도를 증가시키도록 우물층에 충분히 이동될 수 있다. 그 결과, 더 높은 방출 강도를 가진 적색광 또는 녹색광을 방출시키는 것이 가능하다.
또한, 불순물로서 도핑된 Mg는, GaN의 고유의 결함보다 더 낮은 준위로 도입되어, GaN: Eu 층에서 밴드 갭(εg(우물))보다 더 좁은 밴드 갭으로 이동하여 청색광을 방출한다. 따라서, 낮은 주입 전류에 의해서도, 청색광은 적색 발광과 동시에 높은 방출 강도로 방출될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, Si가 Mg 이외에 도입된 경우, 청색광의 방출 강도가 더욱 증가될 수 있어, 바람직하다. 이 양자 우물층은 단일 층일 수도 있다.
(3) 색 조절 가능한 발광 다이오드의 제작
이하에 본 실시형태에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드를 제작하는 절차가, 도 5에 도시된 색 조절 가능한 발광 다이오드의 제작을 구체적인 예로서 참조해서 설명될 것이다.
우선, LT-GaN층을 유기금속 기상 에피텍시(OMVPE법)를 이용해서 (0001) 사파이어 기판 상에 형성하고, 이어서 LT-GaN층 상에 약 1㎛의 두께를 갖는 ud-GaN층을 형성하였다.
사파이어와 GaN 간의 격자상수의 차이로 인해 균열의 발생을 방지하고, 이러한 LT-GaN층 및 ud-GaN층을 제공함으로써 사파이어 기판으로 인한 전위의 영향을 억제하는 것이 가능하다.
다음에, 마찬가지로 ud-GaN층 상에 OMVPE법을 이용해서 약 1.5㎛의 두께를 갖는 n-GaN층을 형성하였다.
다음에, OMVPE법을 이용해서, 마찬가지로, n-GaN층 상에 약 5㎚의 두께를 갖는 AlGaN층(Al 농도: 20%), 약 1㎚의 두께를 갖는 ud-GaN층, 약 1㎚의 두께를 갖는 GaN: Eu 층 및 약 1㎚의 두께를 갖는 ud-GaN층을 이 순서로 형성하는 단계를 13회 반복하였다. 그 후, 약 5㎚의 두께를 갖는 AlGaN층을 형성함으로써, 13-주기 AlGaN/GaN: Eu 다수 양자 우물(MQW) 구조(성장 온도: 960℃)를 형성한다. GaN: Eu 층을 형성할 경우 Mg 및 Si가 불순물로서 Eu와 함께 동시에 도핑되었다.
다음에, 마찬가지로 AlGaN층 상에 OMVPE법을 이용해서 p+-GaN/p-GaN층을 형성하였다. 따라서, pn 접합 다이오드 구조가 앞서 형성된 n-GaN층과 함께 형성될 수 있다.
위에서 설명된 단계들의 각각은 샘플을 반응 용기로부터 도중에 꺼내는 일 없이 반응 용기 내 압력을 100㎪로 유지시키면서 일련의 단계에서 수행되었다. 상기 단계의 각각에서, 트라이메틸갈륨(TMGa)은 Ga 공급원으로서 사용되었고, 암모니아(NH3)는 질소 공급원으로서 사용되었으며, 트라이메틸알루미늄(TMA)은 Al 공급원으로서 사용되었다. Eu 공급원으로서, 유기 Eu 화합물 중에서 높은 증기압을 갖는 EuCppm 2, 예컨대, EuCppm 2 및 Eu(DPM)3(공급 온도: 125℃)가 사용되었다. 또한, Cp2Mg가 Mg 공급원으로서 사용되었고, 모노메틸실란(MMSi)이 Si 공급원으로서 사용되었다.
제작된 디스플레이의 각 활성층의 Eu 농도는 2차 이온질량 분광법에 의해 측정되었고, 이는 5.6×1019 ㎝-3인 것으로 추정되었다. Mg 농도는 1×1019 ㎝-3인 것으로 추정되었고, Si 농도는 3×1018 ㎝-3인 것으로 추정되었다.
2. 마이크로 LED 디스플레이
위에서 설명된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 디바이스는, 색 조절 가능한 발광 다이오드로서 1개의 Eu-도핑된 GaN LED를 사용할 수 있다. 따라서, 1개의 화소는 1개의 LED 칩으로 구성될 수 있고, 화소의 크기는 가능한 한 작게 소형될 수 있다. 따라서, 디스플레이 유닛이 이러한 발광 다이오드를 구비한 화소를 집적시킴으로써 형성될 경우, 마이크로 LED 디스플레이가 초소형화될 수 있다. 동일 면적에 더 많은 화소가 배열될 수 있으므로, 스크린이 더 고선명으로 될 수 있다.
단, 위에서 기재된 3-색 조절 가능한 발광 다이오드 대신에, 디스플레이는 Mg가 도핑되지 않은 적색광 및 녹색광을 방출하기 위한 GaN LED 및 청색광을 방출하기 위한 Mg-도핑된 GaN LED가 배열되어 있는 화소를 사용해서 구성될 수 있다. 그러나, 이 경우에, 1개의 화소를 형성하기 위하여 2개의 LED가 배열되어 있지만, 화소 크기는 통상의 경우에서보다 더 작게 제작될 수 있고, 그 크기 소형화의 정도는 위에서 기재된 실시형태에서의 정도까지는 아니다.

Claims (12)

  1. 색 조절 가능한 발광 다이오드로서,
    주입 전류를 제어함으로써 방출 색의 색조가 변화되고,
    기판 상에 p-형 층과 n-형 층 사이에 활성 층을 구비하며,
    활성층은 GaN, InN, AlN 또는 이들 중 임의의 2종 이상의 혼정(mixed crystal)인 AlGaInN계 재료에 Eu 및 Mg를 도핑함으로써 형성되는, 색 조절 가능한 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 AlGaInN계 재료로 이루어진 장벽층과 AlGaInN계 재료로 이루어진 우물층이 교대로 적층된 양자 우물 구조를 구비하고,
    상기 장벽층의 상기 AlGaInN계 재료는 AlxGayIn1-x-yN으로 표시되는 재료이고, 상기 우물층의 상기 AlGaInN계 재료는 Alx'Gay'In1-x'-y'N로 표시되는 재료일 때,
    x, x', y 및 y'는 설정 되어서,
    상기 AlxGayIn1-x-yN의 전자 친화도 κ(장벽) 및 밴드 갭 εg(장벽)과 상기 Alx'Gay'In1-x'-y'N의 전자 친화도 κ(우물) 및 밴드 갭 εg(우물)은 다음 식을 충족시키는, 색 조절 가능한 발광 다이오드:
    κ(장벽) ＜ κ(우물)
    κ(장벽)+εg(장벽) ＞ κ(우물)+εg(우물).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장벽층은 AlGaN층이고, 상기 우물층은 GaN층인, 색 조절 가능한 발광 다이오드.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 우물층의 각각에 도핑된 Eu의 양은 1×1017 내지 5×1021 ㎝-3인, 색 조절 가능한 발광 다이오드.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 우물층의 각각에 도핑된 Mg의 양은 1×1018 내지 1×1020 ㎝-3인, 색 조절 가능한 발광 다이오드.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 우물층의 각각에 Si가 더 도핑되는, 색 조절 가능한 발광 다이오드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 우물층의 각각에 도핑된 Si의 양은 1×1017 내지 5×1021 ㎝-3인, 색 조절 가능한 발광 다이오드.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장벽층의 두께는 층당 0.5 내지 50㎚이고, 상기 우물층의 두께는 층당 0.1 내지 20㎚인, 색 조절 가능한 발광 다이오드.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장벽층과 상기 우물층 사이에 완충층으로서 ud-GaN층이 형성되는, 색 조절 가능한 발광 다이오드.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 완충층의 두께는 층당 0.1 내지 20㎚인, 색 조절 가능한 발광 다이오드.
  11. 마이크로 LED 디스플레이로서,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 색 조절 가능한 발광 다이오드를 구비한 이미지 화소를 집적시킴으로써 디스플레이 유닛이 형성된, 마이크로 LED 디스플레이.
  12. 마이크로 LED 디스플레이로서,
    이미지 화소를 집적시킴으로써 디스플레이 유닛이 형성되되, 각각의 이미지 화소는, 동일한 화소 기판 상에,
    GaN, InN, AlN 또는 이들 중 임의의 2종 이상의 혼정인 AlGaInN계 재료에 Eu가 도핑된 발광 다이오드와
    GaN, InN, AlN 또는 이들 중 임의의 2종 이상의 혼정인 AlGaInN계 재료에 Mg가 도핑된 발광 다이오드
    를 배열함으로써 형성되는, 마이크로 LED 디스플레이.
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JP2017199757A (ja) 2016-04-26 2017-11-02 日亜化学工業株式会社 発光装置およびその製造方法

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