KR20220058643A - 다수의 활성층들로 선택적으로 캐리어를 주입한 발광 구조체 - Google Patents

다수의 활성층들로 선택적으로 캐리어를 주입한 발광 구조체 Download PDF

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KR20220058643A
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허쎄인 에스 엘고루리
미하일 브이 키신
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치리 창
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오스텐도 테크놀로지스 인코포레이티드
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Abstract

본 명세서에는 중간 캐리어 차단층을 포함한 반도체 발광 디바이스(LED)에 대한 다층화된 광학적 활성 영역이 개시되며, 중간 캐리어 차단층은 원하는 디바이스 주입 특성을 달성하기 위해 활성 영역들에 걸쳐 캐리어 주입 분포에 대한 효율적인 제어를 제공하도록 선택된 합성물 및 도핑 레벨에 대한 고안 파라메타를 가진다. 본 명세서에 개시된 실시 예의 예시들은, 다른 것들 중에서도, RGB 공간의 전체 커버리지를 가진 가시적 광학 범위에서 동작은 멀티플-양자-우물 가변-컬러 LED와, 표준 RGB 공간을 벗어난 확장된 컬러 공간을 가진 가시적 광학 범위에서 동작하는 멀티플-양자 우물 가변 컬러 LED와, 가변 컬러 온도를 가진 멀티플-양자-우물 광-백색 방출 LED 및 균일하게 밀집된 활성 영역들을 가진 멀티플-양자-우물 LED를 포함한다.

Description

다수의 활성층들로 선택적으로 캐리어를 주입한 발광 구조체{LIGHT EMITTING STRUCTURES WITH SELECTIVE CARRIER INJECTION INTO MULTIPLE ACTIVE LAYERS}
본 출원은 2015년 6월 5일 출원된 미국 가특허출원번호 제62/171,536호, 2016년 1월 6일자 출원된 미국 가특허출원번호 제62/275,650호 및 2016년 2월 3일자 출원된 미국 가특허출원번호 제62/290,607호의 우선권을 주장하며, 상기 가특허출원들 각각의 내용은 본 명세서에 참조로서 수록된다.
본 개시는 발광 다이오드 및 레이저 다이오드와 같은 전기적 펌핑 고체 상태 발광기(electrically pumped solid state light emitter)의 다층 활성 영역들에 있어서 전하 캐리어의 분포를 조정하고 제어하는 수단에 관한 것이다.
반도체 발광 다이오드 구조는 서로 다른 방출 파장 범위의 광학적 광원들 중에서 인정받는 선도자가 되었다. 통상적인 발광 구조는, 전형적으로 다이오드 구조의 목표 파장 방출(targeted wavelength emission)에 의거하여, GaAsP, AlGaInP 또는 AlGaInN과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 합금의 다수 층들로 구성된다. Ⅲ족-질화물 AlGaInN 합금은 이용 가능한 광범위한 대역 갭 때문에 가능한 물질계들(possible material systems) 사이의 특정 장소에 배치된다. AlGaInN으로부터의 광 방출은 전체 가시 스펙트럼을 커버하며, 자외선 및 적외선 방출을 위해 Ⅲ족 질화물 기반 광원이 현재 개발되고 있는 중이다. 광전자 디바이스 활성 영역의 멀티플 활성층 고안(multiple active layer design)은 Ⅲ족 질화물 기반 헤테로 구조에 대해 전형적인 높은 레벨의 광학적 및 전기적 손실과 작은 스트레인 완화 길이(strain relaxation length)를 오프셋시킨다.
광학적 활성 영역의 다중 양자 우물(Multiple Quantum Well: MQW) 고안은 발광기 성능에 유익하다. 활성 양자 우물(QW)들의 개수를 증가시킴에 의해, 주입된 캐리어가 MQW들간에 확산될 수 있으며, 그에 따라 평균 QW 군집(population)이 감소하게 되고, (ⅰ) 비방사 오제 재결합(nonradiative Auger recombination), (ⅱ) QW 열적 과소(thermal depopulation) 및 (ⅲ) QW 광학적 전이 포화(optical transition saturation)의 역효과가 최소화된다. 다른 한편, 전기적 펌핑 디바이스들의 MQW 활성 영역들에는 전형적으로 다이오드 구조의 반대측으로부터 주입된, 전하 캐리어, 즉 전자 및 정공이 불균일하게 분포하게 된다. 결과적으로, 활성 QW의 불균등하고 불균형적인 군집이 디바이스 성능에 좋지 않은 영향을 미친다. Ⅲ족 질화물 발광 다이오드(LED)에 있어서, 과밀한(overpopulated) 활성 QW는 디바이스 활성 영역으로부터의 캐리어 누설을 높이거나 비방사 오제 재결합 손실을 증가시킴에 의해 디바이스 효율 저하(efficiency droop)를 악화시킨다. 레이저 다이오드(LD)에 있어서, 펌핑중인(under-pumped) QW들은 전체 광학적 손실(total optical loss)에 그들의 대역간 흡수(inter-band absorption)를 추가함으로써 레이저 임계치를 증가시킨다.
극성(polar) Ⅲ족 질화물 헤테로구조에 있어서, 내부 분극 필드(built-in polarization field) 및 관련 전위 장벽(related potential barrier)에 의해 불균일한 캐리어 주입이 추가적으로 심화된다. 이에 따라, 때로는 무극성(nonpolar) 또는 반극성(semipolar) 기술이 극성 템플릿(polar template)에 대한 매력적인 대안이 된다. 그러나, 무극성 템플릿이 불균일 주입의 문제를 완전하게 해결하지는 못한다. 내부 분극 필드가 없다 해도, 충분히 깊은 QW와 강력한 캐리어 감금을 가진 MQW 구조는, 광범위한 주입 전류에 있어서 불균등한 QW 군집을 드러내며, 그에 따라 Ⅲ족 질화물 MQW에 있어서의 캐리어 군집 불균일이 극성 및 무극성 템플릿 모두의 공통적인 특성으로 된다. 캐리어 주입 불균일성은 활성 QW 깊이에 따라 증가하며, 그러므로, 장파장 에미터에서 더욱 현저하게 되어, 소위 "녹색 방출 갭(green emission gap)"에서 Ⅲ족 질화물 기반 광 방출기의 효율을 저해한다.
다수의 통상적인 방법들은 고정되거나 가변 가능한 방출 컬러로 멀티-컬러 방출을 달성하고/하거나 디바이스 활성 영역의 주입 효율을 증가시키기 위한 시도로 MQW 활성 영역 고안을 채용한다. 예를 들어, 미국특허번호 제7,323,721호는 서로 다른 방출 파장을 가진 충분한 개수의 QW들을 포함함에 의해 백색광을 방출하도록 고안된 모놀리식 멀티-컬러 MQW 구조를 설명하지만, 미국특허번호 제8,314,429호는 멀티-접합 광 방출 구조를 구비하는 다수의 접합들 각각의 고안된 방출 세기에 의거하여 각각의 접합이 백색광 방출과 결합하는 특정 파장을 방출하도록 고안된 MQW를 가진 멀티-접합 광 방출 구조를 설명하고 있다. 미국특허번호 제7,058,105호 및 제6,434,178호는 MQW 활성 영역의 증가된 광학 및 전기적 감금을 위한 수단을 합체시킴에 의해 높은 캐리어 주입 효율을 달성하기 위한 방식들을 설명한다. 미국특허공개번호 제2011/0188528호는 과도한 캐리어 감금을 피하고 균일한 MQW 캐리어 군집을 이루도록 고안된 얕은 QW를 이용함에 의해 높은 캐리어 주입 효율을 달성하는 MQW Ⅲ족 질화물 발광 다이오드 구조를 설명한다. 미국특허공개번호 2010/0066921호는 마이크로 로드(micro rod)의 에피텍셜 성장 평면이 MQW 구조로부터의 멀티-컬러 방출을 이끌 수 있는 반극성 및 무극성 배향의 보다 높은 인듐 합체를 증진시키는, 마이크로 로드상에서 에피텍셜하게 성장하는 MQW Ⅲ족 질화물 발광 구조를 설명한다. 따라서 상술한 통상적인 방식들은 그들의 특정 목적과 관련한 특정한 애드 호크 방식(ad hoc approach)을 이용한다.
본 명세서에서의 실시 예들은, 유사한 참조 번호가 유사한 소자들을 나타내는 첨부 도면에 있어서 제한적인 아닌 예시적으로 설명된다. 본 개시의 "소정" 또는 "하나"의 실시 예에 대한 언급은 반드시 동일 실시 예에 대한 것이 아니며, 적어도 하나를 의미함을 알아야 한다. 또한, 도면들의 전체 개수를 줄이고 간결성을 위하여, 주어진 도면은 그 개시의 둘 이상의 실시 예들의 특징을 도시하는데 이용될 수 있으며, 주어진 실시 예에 대하여 그 도면의 모든 소자들이 요구되는 것은 아니다.
도 1은 통상적인 헤테로-접합 다층 양자-감금 기반 발광 다이오드 구조를 설명하기 위한 활성 영역의 전형적인 에너지-대역 프로파일을 도시한 도면이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른, 헤테로-접합 다층 양자-감금 기반 발광 다이오드 구조의 레이아웃을 설명하기 위한 활성 영역 에너지-대역 프로파일을 도시한 도면이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른, 헤테로-접합 다층 양자-감금 기반 발광 다이오드 구조를 설명하기 위한 단순화된 개략적 단면도이다.
도 4a 내지 4d는 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 따른 3-컬러 RGB(Red-Green-Blue) LED 구조에 있어서의 활성 영역 대역 프로파일 시뮬레이션의 결과를 도시한 도면이다. 도 4a 및 도 4b에서는, 중간 캐리어 차단층(IBL)이 없는 도 1의 통상적인 배열에 따른 3-컬러 RGB LED 구조가 고안된다. 도 4c 및 도 4d에서는 IBL을 이용하여 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 3-컬러 RGB LED 구조가 고안된다. 도 4a 내지 도 4d에서는, 10A/㎠의 LED 주입 레벨에서의 대역 프로파일이 계산되고, 예시를 위해 대역 갭 수직 스케일(band gap vertical scale)이 1eV만큼 감소된다. 도 4c에는 IBL이 방출 컬러 제어 목적으로 고안된 도 3의 RGB-IBL-LED 구조에 대한 활성 영역 대역 프로파일이 도시된다.
도 5a 내지 도 5d는 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 따른, 도 4a 내지 도 4d를 이용하여 설명된 3-컬러 RGB LED 구조에 대해 소정 전류 주입 범위에서 계산된 CIE 색도도(chromaticity diagram)들의 비교를 도시한 도면이다. 도 5a 내지 도 5d의 구조들은 각각 도 4a 내지 도 4d에 대한 구조와 대응한다. 도 5a 내지 도 5d에 있어서, 원형 표시(circle marker)는 저 주입 전류(low injection current)의 시작점을 나타내고, 사각형 표시는 고(high) 주입 전류의 종점을 나타내며, 삼각형 표시는 도 4a 내지 도 4d에서 이용된 10A/㎠의 공칭 주입 레벨에 대응한다. 여러 "X"들은 서로 다른 컬러들의 표준 RGB 컬러 공간 원색들(color gamut primaries)을 나타낸다. 도 5c는 도 3 및 도 4c에 도시된 RGB-LED 구조에서 달성되는 방출 컬러 제어를 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예들에 따른, 도 3 및 도 4c에 도시된 RGB-IBL-LED 구조에 있어서의 컬러 제어 프로세스를 세부적으로 도시한 도면이다. 도 6a는 제어 RGB 방출을 위한 CIE 색도 좌표의 주입 의존성을 도시한 도면이다. 도 6b는 각 QW로부터의 상대적인 광학적 방출 파워(emission power)의 주입 의존성을 도시한 도면이다. 비교를 위해, 도 6a와 6b에 있어서의 파선은 도 4d에 도시된 RGB(3)-IBL LED에 대한 대응하는 의존성들을 나타낸다.
도 7a 내지 도 7f는 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 따른, LED 구조의 IBL 소자들의 고안에 대한 MQW 캐리어 주입 및 출력 컬러 제어의 감도를 도시한 도면이다. 도 7a 내지 도 7f의 각각은, 2개의 중간 캐리어 차단층(IBL1과 IBL2)의 합성물들이 수정된 고안 파라메타들을 가진, 도 3의 300과 유사한 RGB-IBL LED의 CIE 색도도를 도시한 도면이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 따른 RGB-IBL LED 구조를 고안하는 프로세스들을 도시한 도면이다. 도 8a 내지 도 8d의 각각은 제 1 중간 캐리어 차단층(IBL1)의 가변된 도핑과, 고안된 IBL1 및 IBL2 합성물을 가진 도 3의 구조 300과 같은 RGB-IBL LED의 CIE 색도도를 도시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 8a 내지 도 8d의 RGB-IBL LED 구조에 대한 CIE 색도 좌표의 주입 의존성을 도시한 도면이다. 도 9a 내지 도 9d는 IBL1의 가변된 도핑과 고안된 IBL1 및 IBL2 합성물들을 가진 도 3의 구조 300과 같은 RGB-IBL LED에 대한 CIE 색도 좌표를 도시한 도면이다.
도 10a 내지 도 10d는 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 따른 RGB-IBL LED 구조를 고안하는 프로세스를 도시한 도면이다. 도 10a 내지 도 10d는 IBL2의 가변된 p-도핑 레벨과 고안된 IBL1 및 IBL2 합성물들을 가진 도 3의 구조 300과 같은 RGB-IBL LED에 대한 CIE도를 도시한 도면이다.
도 11a는 추가적인 아쿠아마린(aquamarine) 방출 QW를 포함하고 중간 차단층들을 이용함에 의해 표준 RGB 파렛트(palette)를 벗어나 컬러 방출이 확장되는 실시 예를 도시한 도면이다.
도 11b와 도 11c는 전 컬러 제어 전류 주입 범위(full color control current injection range)을 줄이기 위해 추가적인 중간 캐리어 차단층이 합체되는 실시 예에 관한 것이다. 도 11b는 전 컬러 제어 전류 주입 범위을 줄이기 위해 추가적인 중간 캐리어 차단층이 합체되는 RGB-IBL LED 구조의 대역 프로파일을 도시한 도면이다. 도 11c는 추가적인 중간 캐리어 차단층이 합체된 RGB-IBL LED 구조의 광 방출 공간(light emission gamut) CIE RGB 색도 좌표의 주입 의존성을 도시한 도면이다.
도 12a는 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 따라 에피텍셜하게 성장한 모놀리식 컬러-조정 가능 질화물-기반 3-컬러(monolithic color-tunable nitride-based three-color) RGB-IBL LED로부터 획득한 실험적인 전계 발광 스펙트럼들(electroluminescence spectra)과 계산된 가변 가능 컬러 방출 스펙트럼들(calculated variable-color emission spectra)간의 비교를 도시한 도면이다.
도 12b는 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 따라 에피텍셜하게 성장한 모놀리식 컬러 조정 가능 질화물 기반 3-컬러 RGB-IBL LED로부터 획득한 서로 다른 주입 전류에서의 출력 방출 컬러들을 설명하기 위한 도면이다.
도 12c는 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 따라 에피텍셜하게 성장한 모놀리식 컬러-조정 가능 질화물 기반 3-컬러 RGB-IBL LED로부터 획득한 서로 다른 주입 전류에서의 방출 컬러 공간 커버리지를 도시한 도면이다.
도 13은 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 따라 성장한 도 3의 구조 300과 같은 모놀리식 컬러-조정 가능 질화물-기반 3-컬러 RGB-IBL LED의 실험적인 전계 발광 스펙트럼들을 도시하고, 시뮬레이션 결과들과의 세부적인 비교를 도시한 도면이다.
도 14는 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 따라, 최대 LED 효율점에서 백색광 방출을 생성하도록 고안된 도 3의 구조 300과 같은 RGB-IBL LED에 대해 계산된 방출 색도 좌표의 CIE도 및 주입 의존성을 도시한 도면이다.
도 15는 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 따라 고안되고 성장한 도 3의 구조 300과 같은 모놀리식 광대역 가시광 방출 질화물 기반(monolithic broadband visible light-emitting nitride-based) RGB-IBL LED의 실험적 전계 발광 스펙트럼들을 도시한 도면이다.
도 16은 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 따라 최대 LED 효율점에서 균일하게 밀집된 활성층들을 지속하도록 고안된 MQW-IBL LED와, 통상적인 배열에 따라 고안된 단색 MQW LED들간의 계산된 방출 특성들의 비교를 나타낸 도면이다.
본 명세서에 있어서 본 개시의 여러 실시 예들 및 측면들은 이하에 설명할 세부 사항을 참조하여 설명될 것이며 첨부 도면은 여러 실시 예를 도시한다. 본 명세서에 있어서 이하의 설명 및 도면들은 본 개시를 예시한 것일 뿐, 제한을 위한 것으로 이해되어서는 안된다. 다양한 실시 예들의 전반적인 이해를 제공하기 위해 많은 특정한 세부 사항이 설명된다. 그러나, 본 명세서에 개시된 실시 예들은 이들 특정 세부 사항없이 실행될 수 있음을 알아야 한다. 특정 예시에 있어서, 예시적인 실시 예들의 정밀한 설명을 제공하기 위하여 회로, 구조 및 기술과 같은 잘 알려지거나 통상적인 세부 사항은 설명되지 않을 것이다.
명세서에서 "일 실시 예" 또는 "실시 예"에 대한 언급은, 본 실시 예와 결합하여 설명될 특정의 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함될 수 있음을 의미한다. 명세서의 여러 곳에서의 "일 실시 예에 있어서"란 표현들이 동일 실시 예들 모두를 지칭한 것은 아니다.
본 명세서에 있어서의 발명자들은, 반도체 발광 구조의 다층화된 활성 영역들에 있어서 전하 캐리어 군집 분포를 조정하고 활성층 군집 균일성을 제어하는 시스템적 방식을 제공함으로써, 활성층이 균일한 캐리어 군집 분포를 가질 수 있게 되고 에미터 효율이 강화되도록 하는 것이 바람직한 것임을 알게 되었다. 또한, 본 명세서에 있어서의 발명자들은, 많은 가능한 다른 애플리케이션들 중에서도, 고정된 사전 고안된 방출 스펙트럼을 가진 모놀리식 멀티-컬러 반도체 발광기(예를 들어, 백색 에미터)를 생성하고 가변 가능한 방출 컬러를 가진 발광기를 개발할 수 있도록, 발광 구조의 활성층들 간의 캐리어 군집 분포를 의도적으로 조정하거나 직접 제어하는 것이 바람직한 것임을 인식하였다. 이하의 상세한 설명 및 도면에 나타난 바와 같이, 본 명세서에서는 고체 상태 발광 다이오드 구조의 다수의 활성층들내로의 선택적 및 제어 가능한 전하 캐리어의 주입을 달성하는 시스템적 방법이 개시된다. 예를 들어, 본 명세서에서의 실시 예에 따르면, 다층화된 고체 상태 발광기 구조들이 고안되고 에피텍셜하게 성장하며, 그러한 기능으로부터 혜택을 입은 여러 애플리케이션을 위해 디바이스 다층 활성 영역에서의 전하 캐리어 운송을 조정하고 활성층 캐리어 군집을 제어하는 수단을 포함한다. 또한, 본 명세서에는, 예를 들어, 디스플레이 애플리케이션 및 일반적인 조명 애플리케이션과 같은 많은 가능한 애플리케이션, 고효율 고체 상태 발광기, 고정되거나 가변 가능한 방출 파장을 가진 멀티-컬러 모놀리식 반도체 광원 및 백색광 반도체 에미터의 예시들이 개시된다.
본 개시의 일 측면에 따르면, 디바이스 활성 영역내로 합성물 및 도핑이 특정하게 고안된 중간 캐리어 차단층들(IBL들)을 합체시킴에 의해, 발광 다이오드 및 레이저 다이오드와 같은 반도체 발광기 구조의 다층화된 활성 영역들의 전하 캐리어 군집 분포를 조정하고 제어하는 시스템적 방법이 제공된다.
본 개시의 다른 측면에 따르면, (ⅰ) 광학적 활성층들간의 전자 및 정공 운송에 있어서의 비대칭성의 균형을 바로잡아주고 (ⅱ) 광학적 활성층내로의 캐리어 포획 레이트(carrier capture rate)들의 균형을 유지시킴에 의해, 다층화된 발광 구조들의 주입 특성의 목표 수정이 제공됨으로써, 전체 활성층 주입 효율이 증가되고, 활성층 오버플로우(overflow), 캐리어 누설 및 활성층 밖에서의 캐리어 재결합 손실이 감소된다.
본 개시의 또 다른 측면에 따르면, 다층화된 활성 영역에 있어서의 제어 가능한 순차적 캐리어 주입이 모놀리식 반도체 발광 디바이스에 제공된다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 다층화된 활성 영역에 있어서의 균일하게 밀집된 활성층들이 모놀리식 반도체 발광 디바이스에 제공된다.
본 명세서에 개시된 다른 실시 예에 따르면, 고정되거나 가변 가능한 방출 파장을 가진, 제어 가능하고 조정 가능한 멀티 컬러 방출이 모놀리식 반도체 발광 디바이스에 제공된다.
본 명세서에 개시된 또 다른 실시 예에 따르면, 특정된 컬러 방출 공간과 매칭되는 제어 가능하고 조정 가능한 멀티-컬러 방출이 모놀리식 반도체 발광 디바이스에 제공된다.
본 명세서에 개시된 또 다른 실시 예에 따르면, 넓은 컬러 방출 공간을 가진 제어 가능하고 조정 가능한 멀티-컬러 방출이 모놀리식 반도체 발광 디바이스에 제공된다.
본 명세서에 개시된 일 실시 예에 따르면, 제어 가능한 방출 컬러 온도가 모놀리식 반도체 백색광 발광 디바이스에 제공된다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 높은 내부 양자 효율(EQE)을 획득하는 단일 컬러 방출이 모놀리식 반도체 발광 디바이스에 제공된다.
이하의 설명에서는, Ⅲ족 질화물 반도체 합금이 예시적인 물질계로서 이용되는데, 그 이유는 Ⅲ족 질화물 반도체 합금이 발광 애플리케이션에 상당한 영향을 주기 때문이다. 또한, 본 개시에서는 MQW(Multiple-Quantum-Well) 활성 영역이 예시적인 활성 영역 고안으로서 이용되는데, 이는 양자 우물(QW) 헤테로구조가 통상적으로 광학적 활성층에 대한 양자 감금 구조로서 채용되기 때문이다. 본 명세서에 개시된 실시 예는 양자 와이어(quantum wire)들 및 양자 도트(quantum dot)들의 이용과 같이 다른 양자 감금 수단을 포함하는 광학적 활성층 및 다른 물질계들에 적용될 수 있음을 알아야 한다.
도 1을 참조하면, 도 1에는 통상적인 헤테로-접합 기반 발광 다이오드 구조의 활성 영역의 전형적인 대역 프로파일이 도시된다. 발광 다이오드 구조(100)는 n 도핑층(110), 광학적 활성 영역(130) 및 p 도핑층(120)으로 구성된다. 다이오드 구조(100)의 광학적 활성 영역(130)은, 광학적 활성 영역(130) 외부의 다이오드 구조(100)의 p 측에 전자 차단층(EBL)(140)이 배치됨에 따라, 완성되기도 한다. 양자-감금 기반 LED에 있어서, 다층화된 광학적 활성 영역(130)은 양자 장벽층들(132)에 의해 이격된 다중 양자 우물(MQW)층(131)들을 추가로 구비할 수 있다. 광학적 활성 MQW 층(131)에 있어서의 Ⅲ-Ⅴ족 물질 합금 합성물은, 전형적으로, 발광 다이오드 구조(100)의 원하는 활성층 대역 갭 및 그에 따른 광학적 활성 영역(130)의 고정된 방출 파장을 수립하도록 선택될 수 있다. 다이오드 구조의 p측에서의 전자 누설을 줄이기 위해 그 구조(100)에 포함되는 전자 차단층(EBL)(140)은, 전형적으로, 다이오드 구조(100)의 활성 영역(130)의 장벽층(1320)들의 대역 갭보다 더 큰 대역 갭을 가진 무겁게 p 도핑된 넓은 대역 갭 층일 수 있다. 캐리어 누설을 방지하는 것은 발광기 효율을 증가시키기 위한 가치있는 메카니즘이었으며, 다른 유형의 EBL 구조들은 현재 대부분의 Ⅲ족 질화물 LED 고안의 표준 특징들인 경우가 있다. 그러나, 강조하는 것은, 광학적 활성 영역 외부에 배치된 캐리어 차단층들이 활성 영역 내부의 균일성 또는 캐리어 분포에 대해 거의 영향을 주기 않거나 전혀 영향을 주지 않으며, 따라서, 다층 발광 디바이스에 있어서 활성층 캐리어 군집을 제어 또는 조정하기 위한 고안 요소로서 이용될 수 없다는 점이다. 사실상, 그러한 상황은 특히 장파장 에미터의 활성 영역들에 아마도 과도한 분극 필드를 유발함으로 인해, 활성 영역 내부의 캐리어 분포에 바람직하지 않은 영향을 미칠 것이다.
도 2에는 일 실시 예에 따른 헤테로-접합 다층 양자-감금 기반 발광 다이오드 구조를 설명하기 위한 활성 영역 대역 프로파일이 도시된다. 발광 다이오드 구조(200)는 n 도핑층(210), 광학적 활성 영역(230) 및 p 도핑층(220)으로 구성된다. 도 2의 실시 예에 있어서, 다이오드 구조(200)의 광학적 활성 영역(230)은 광학적 활성 영역(230) 외부의 다이오드 구조(200)의 p측에 배치된 전자 차단층(EBL)(240)을 포함한다. 다른 실시 예에서는, EBL(240)이 포함되지 않는다. 다층화된 광학적 활성 영역(230)은 양자 장벽층(232)에 의해 이격된 다중 양자 우물(MQW) 층(231)으로 구성될 수 있다. 도 2의 실시 예에 있어서, 선택된 대역-갭이 그들 각각의 합성물들에 의해 정의되고, 대역 오프셋이 그들의 도핑 레벨에 의해 영향을 받은, 특정하게 고안된 중간 캐리어 차단층(IBL)들(233)이 광학적 활성 영역(230)내에 직접 합체됨으로써, 활성층들(2310)간의 캐리어 운송을 제어하고 활성층(231)에 의해 캐리어 포획 레이트의 균형을 유지시키는 수단이 제공된다. 도 2의 발광 다이오드 구조의 다수개의 층들은, 다이오드 구조의 목표 파장 방출에 따라, GaAsP, AlGaAs, AlGaInP 또는 AlGaInN과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 합금으로 구성될 수 있다. 도 2의 실시 예에 따른 다이오드 구조는 양자 우물, 양자 와이어 또는 양자 도트와 같은 양자 감금 수단을 포함하는 광학적 활성층들을 가진 극성, 반-극성 또는 무극성 결정 구조를 가진 고체 상태 발광 다이오드 구조에 적용 가능하다.
도 3에는 일 실시 예에 따른 모놀리식 3-컬러 헤테로-접합 다층 양자-감금 GaN 기반 LED 디바이스 구조(300)를 설명하기 위한 단순화된 개략적 단면도가 도시된다. 도 3의 실시 예에 있어서, LED 구조(300)는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성된다. 그러나, LED 구조(300)는 임의 에피텍셜 증착 기술에 의해 형성될 수 있다. LED 구조(300)는 상부에 에피텍셜 증착을 하기 위한 적당한 기판(311)(예를 들어, 상부에 핵생성(nucleation)/버퍼층(312)이 형성되는 GaN, Si, 사파이어(Al2O3) 또는 실리콘 탄화물(SiC))과, 그 위(overlying)의 (예를 들어, N형 도펀트로서 Si를 구비하는) 활성 영역(330)의 N 도핑층(310)을 구비한다. N 층(310)의 상부에는 (예를 들어, GaN, InGaN, AlGaN 및 AlInGaN 층들의 조합으로 이루어진) 다층화된 광학적 활성 영역(330)이 놓인다. 활성 영역(330)의 상부에는 전형적으로 AlGaN으로 구성된 선택적 전자 차단층(EBL)(340)이 놓이며, 그 다음에는 (예를 들어, P형 도펀트로서 Mg를 구비하는) P 도핑층(320)이 놓인다. 마지막으로, N 도핑층(310)과 P 도핑층(320) 각각을 전기적으로 접촉시키기 위한 전극(313,314)이 제공된다.
도 3을 참조하면, 다층(MQW) 활성 영역(330)은 청색광, 녹색광 및 적색광 방출을 위한, 각각의 양자 우물 광학적 활성층(331)들을 가진 스택형의 다수의 양자 장벽층(332)들을 구비한다. 장벽층들(332)의 각각은 대략 5-20nm 두께를 가지며, 주로 GaN으로 구성되고, 광학적 활성층(331)들은 각각 약 2-3nm의 두께를 가지며, InGaN으로 구성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광학적 활성층(331)은 적색 방출층, 녹색 방출층 및 청색 방출층을 구비한다. 다른 실시 예에 있어서, 추가적인 적색, 녹색 및 청색 방출층들과 아쿠아마린 방출층을 포함하는 다른 광학적 활성층들이 이용될 수 있음을 알 것이다.
다층 활성 영역(330)은, 본 실시 예에 있어서, 그들 각자의 대역-갭 및 대역 오프셋(band offset)을 조정하기 위해 추가적인 양의 알루미늄(Al)과 도핑을 포함하는 특정하게 고안된 중간 캐리어 차단층들(IBL)(333)을 또한 구비한다. 중간 차단층(IBL)들에 대한 고안 파라메타의 선택은 주어진 캐리어 주입 레벨에서 그들의 자발적인 발광을 강화하기 위해 각 양자 우물내의 주입된 캐리어 군집을 선택적으로 제어하는 기능을 한다. 도 3의 실시 예에 있어서, 중간 캐리어 차단층(IBL)의 대역 갭은 연관된 양자 우물 층의 대역 갭보다 크고, 그의 두께는 성능 열화를 초래할 수 있는 높은 순방향 전압 및 과열(excessive heating)을 피하도록 선택된다. 그러나, 다른 대역 갭 및 두께가 선택될 수도 있다.
이하에서 보다 상세하게 설명하겠지만, 그 구조에 있어서의 광학적 활성층(331)들의 각각은 디바이스 방출 컬러 공간의 모든 커버리지를 달성하기 위해 필요에 따라, 추가적인 장벽층(332)들에 의해 이격된 다수의 QW 층들로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 이하의 설명 중 일부는 도 3에 도시된 구조에 대한 수정이며, 따라서 도 3은 LED 구조에 포함된 양자 장벽층들, 활성층들 및 중간 차단층들의 배열 및 개수의 단지 한가지 예시일 뿐이다.
더욱이, 다중 양자 우물(MQW) 활성 영역들은 도 3의 실시 예에서는 양자 감금 구조로서 이용된다. 그러나, 양자 우물 또는 우물들, 양자 와이어들 및 양자 도트들과 같은 다른 양자 감금 구조가 이용될 수도 있다. 이와 관련하여, 양자 와이어들 및 양자 도트들을 수반하는 실시 예들에 있어서, 도 3에 도시된 활성층의 타측면상의 양자 장벽층, 활성층 및 양자 장벽층의 조합은 양자 감금 구조로서의 양자 와이어들 또는 양자 도트들로 대체된다.
도 4a 및 도 4b에는 도 1의 실시 예에 따라 고안된 멀티플-컬러 RGB LED 구조들에 대한 활성 영역 대역 프로파일 시뮬레이션의 결과가 도시된다(도 4a는 도핑되지 않은 RGB 구조에 관한 것이고, 도 4b는 도핑된 RGB 구조에 관한 것이다). 도 4c 및 도 4d에는, IBL들(233)이 활성 영역내에 합체된 도 2의 실시 예에 따라 고안된 멀티플-컬러 RGB LED 구조들에 대한 활성 영역 대역 프로파일 시뮬레이션의 결과가 도시된다(도 4c는 RGB-IBL 구조에 관한 것이고, 도 4d는 RGB(3)-IBL 구조에 관한 것이다). 도 4a 내지 도 4d에 도시된 시뮬레이션 결과는 ODMS(Optical Device Modeling & Simulation) 소프트웨어와 같은 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 획득되었다. 결과의 명확성을 위해, 이들 시뮬레이션으로부터 EBL층이 배제되었다.
도 4a 및 도 4c에는 각각 도 1 및 도 2의 구조들의 활성 영역 대역 프로파일이 도시된다. 도 4c에는 원하는 광 방출 공간(light emission gamut)에 걸쳐서의 가변 가능(조정 가능)한 컬러 제어를 위해 선택된 활성층 대역 갭과, IBL 합성물 및 도핑 레벨을 가진 RGB-IBL LED 디바이스 구조의 시뮬레이션된 활성 영역 에너지 대역 프로파일이 도시된다. 도 4a 내지 도 4d에 도시된 모든 LED 에너지 대역 프로파일들은 대략 10A/㎠와 동일한 LED 주입 레벨로 시뮬레이션된 것이다. 도 4a 내지 도 4d에 있어서의 파선들은 전자(라인 401,404,407,410) 및 정공(라인 403,406,409, 412)에 대한 준 페르미 레벨들을 나타낸다. 도 4a 내지 도 4d에 있어서의 일점 쇄선(라인 402,405,408,411)은 활성 영역 내부의 내부 전위 분포를 나타낸다.
테이블 1은 도 4의 고안된 RGB-IBL LED 구조의 층들 각각의 반도체 물질 합성물 및 그들 각각의 도핑 레벨을 포함하는, 도 4의 고안된 RGB-IBL LED 구조의 활성 영역 레이아웃 고안 파라메타들의 예시를 제공한다. 본 개시에 따라 에피텍셜하게 성장한 LED 구조들의 실제 방출 결과들은 이하에 논의될 것이며, 그 결과들은 도 4c에 대한 RGB-IBL LED 구조에 대한 설명된 시뮬레이션 결과를 확정한다.
테이블 1
Figure pat00001
도 4d에 도시된 다른 실시 예에 있어서, 추가적인 활성층들은 디바이스 광 방출 공간의 균형을 유지시키기 위해 다이오드 구조 활성 영역내로 합체된다. 본 실시 예에 따르면, RGB-IBL 디바이스 활성 영역은 RGB 광 방출 공간 커버리지를 개선하기 위해 도입된 추가적인 청색 방출 QW를 포함한다. 추가적인 청색 방출 QW들을 추가하면 청색 방출 QW들에 의한 전체 캐리어 포획이 증가되고, 그에 따라 광 방출 공간의 원하는 컬러 방출 원색(4d의 실시 예에서 청색)을 포함하는 것으로 RGB-IBL LED 디바이스의 방출 특성이 확장된다.
도 5a 내지 도 5d는 소정 범위의 주입 전류들에 걸쳐 도 4a 내지 도 4d의 멀티-컬러 LED 구조에 대한 광 방출 공간(CIE 색도도)을 비교한 것이다. 도 5a 및 도 5c의 실시 예는, 각각, 도 4a 및 도 4c의 실시 예에 대응한다. 도 5a 내지 도 5d에 있어서, 원형 표시는 최저 주입(1㎂/㎠의 시뮬레이션 값)의 시작점을 나타내고, 사각형 표시는 최고 주입 레벨(10㎄/㎠의 시뮬레이션 값)에 대응하며, 삼각형 표시는 도 4a 내지 도 4d에서 이용된 주입 레벨(10A/㎠의 시뮬레이션 값)에 대응하고, 크로스(cross) "X"들은, 예를 들어, HD 컬러 공간과 같은, 표준 RGB 공간의 원색 컬러들을 나타낸다 (적색은 크로스 502, 506, 510, 514에 의해 표시되고, 녹색은 크로스 501, 505, 509, 513에 의해 표시되며, 청색은 크로스 503, 507, 511, 515에 의해 표시된다). 도 5c 및 도 5d는 표준 RGB 공간을 커버하는 조정 가능 멀티-컬러 방출과 디바이스 활성 영역내의 제어 가능 캐리어 주입 분포를 제공하기 위해 RGB-IBL 디바이스들이 선택된 IBL들의 대역 갭 및 대역 오프셋으로 고안된 실시 예를 도시한 것이다. 도 5d는, 특히, 연관된 장벽층과 제 1 IBL(본 명세서에서는 IBL1이라 함)의 성장전에, 2개의 청색-방출 QW를 추가함에 의해, 도 3의 RGB-IBL LED(300)의 방출이 표준 RGB 공간의 전체 커버리지를 달성하도록 추가 개선된 실시 예를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b에는 도 3의(및 도 4의 서브플롯(subplot)의) RGB-IBL LED(300)에 있어서의 컬러 제어의 프로세스가 세부적으로 도시된다. 도 6a 및 도 6b에 있어서, 라인 606과 611은 적색을 나타내고, 라인 604와 609는 청색을 나타내며, 라인 602와 608은 녹색을 나타낸다. 도 6a에는 광 방출 공간 CIE RGB 색도 좌표의 주입 의존성이 도시된다. 도 6b에는 각 QW 컬러 그룹에 있어서의 상대적인 광학적 방출 파워
Figure pat00002
가 도시되는데, 여기서 인덱스 i는 각각 적색, 녹색 또는 청색 방출 QW와 연관된다. 파선들(라인 601 및 607은 청색을 나타내고, 라인 603 및 610은 녹색을 나타내며, 라인 605 및 612는 적색을 나타낸다)은 도 4의 플롯 470에 도시된 3개의 청색 방출 QW들을 포함한 RGB-IBL(3) 발광 구조에 대한 대응하는 주입 의존성을 나타낸다. 추가적인 장벽층들(332)에 의해 이격된 추가적인 광학적 활성 QW층들(331)은 각 QW 컬러 그룹에 있어서의 디바이스 방출 컬러 공간 및 원하는 상대적인 광학적 방출 파워
Figure pat00003
의 전체 커버리지를 달성하기 위해 필요에 따라, 도 3의 디바이스 구조에 추가됨을 알아야 한다. 따라서, 도 3의 구조는 보다 소수의 또는 추가적인 광학적 활성 QW층들(331) 및 그들을 이격시키기 위해 그에 대응한 보다 소수의 또는 추가적인 장벽층들(332)을 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 도 5a 및 도 5c(도 4a 및 도 4c에 각각 대응함)의 광 방출 공간의 비교는 멀티 컬러 광 방출에 대응하는 대역 갭을 가진 다수의 활성층들을 포함하는 반도체 발광 다이오드 구조의 활성 영역내로 선택된 대역 갭 및 대역 오프셋을 가진 IBL을 합체시키는 효과를 나타낸다. 도 5a로 부터 알 수 있는 바와 같이, IBL이 없으면, 캐리어 주입 레벨(레이트)의 증가에 따른 컬러 방출 궤적은, 주로 각각 대응하는 컬러 방출을 가진 p 측(적색) 및 n 측(청색) 활성층으로 제한되고, 임의 주입 레벨에서 그 공간의 녹색 컬러 원색의 주도성(dominance)을 완전히 상실함으로써, 표준 RGB 컬러 공간의 전체 커버리지가 달성될 수 없게 된다. 도 5b로부터 알 수 있는 바와 같이, IBL없이, 통상적인 방식에 따라 반도체 발광 다이오드 구조의 활성층들 사이의 장벽을 도핑하면, 각각 낮은 주입 레벨과 높은 주입 레벨에서 녹색 방출 활성층 및 청색 방출 활성층(QW들)에 의해 주도적으로 광 방출이 이루어지게 되며, 어떠한 주입 레벨에서도 그 공간의 적색 컬러 원색의 주도성은 상실된다. 그러므로, 표준 RGB 컬러 공간의 전체 커버리지를 달성할 수 없게 된다. 도 5c 및 도 5d로부터 알 수 있는 바와 같이, IBL이 LED 구조의 활성 영역내에 합체되면, 주입 레벨(레이트)의 증가에 따라 컬러 방출 궤적이 표준 RGB 컬러 공간을 완전히 커버한다.
도 7a 내지 도 7f를 참조하여 중간 캐리어 장벽층들(IBL)의 합성물의 선택을 설명하겠다. 이와 관련하여, 도 7a 내지 도 7f에는 IBL들의 고안에 대한 MQW 주입의 감도가 도시된다. 도 7a 내지 도 7f에는 IBL들 중 하나의 고안 파라메타가 수정된 것을 제외하고는, 도 3의 RGB-IBL LED(300)와 유사한 RGB-IBL LED의 CIE 색도도가 도시된다. 도 7a 내지 도 7f에 있어서, 도 5a 내지 도 5d와 유사하게, 원형 표시는 최저 주입의 시작점을 나타내고, 사각형 표시는 최고 주입 레벨에 대응하며, 삼각형 표시는 주입 레벨에 대응하고, 크로스("X")들은, 표준 RGB 공간의 원색 컬러들을 나타낸다 (크로스 702, 706, 710, 714, 718 및 722는 적색을 나타내고, 크로스 701, 705, 709, 713, 717 및 721은 녹색을 나타내며, 크로스 703, 707, 711, 715, 719 및 723은 청색을 나타낸다).
도 7a 내지 도 7c에는 녹색 활성층과 적색 활성층(QW들) 사이에 배치되어, 그의 물질 합성물에 의해 영향을 받는, 본 명세서에서 IBL2라고 지칭하는, 중간 차단층의 선택에 대한 컬러 제어의 감도가 도시된다. 도 7a 내지 도 7c에서는, 청색 QW와 녹색 QW 사이에 배치된, 본 명세서에서 IBL1이라고 지칭하는, 중간 차단층이 존재하지 않으며, 녹색 QW와 적색 QW 사이에 배치된 IBL2의 대역 갭은, 그의 합성물내의 알루미늄 농도를 도 7a에 도시된 것에서 부터 도 7c에 도시된 것 까지 시스템적으로 증가시키는 것에 의해 영향 받아, 증가된다. 도 7a 내지 도 7c는 물질 합성물에 의해 영향받는 IBL2 대역갭이 적색-녹색 컬러 균형을 제어하기 위해 어떻게 이용되는지를 보여준다.
도 7d 내지 도 7f는 물질 합성물에 의해 영향받는 IBL1의 대역 갭이 특정 주입 레벨에서 LED 출력 녹색-청색 컬러 균형을 조정하기 위해 어떻게 이용되는지를 보여준다. 도 7d 내지 도 7f에서는, (도 3의 RGB-IBL LED(300)에서 처럼) IBL2 고안이 고정되지만 도핑되지 않은 IBL1내의 알루미늄 농도가 서브플롯 D의 농도에서부터 서브 플롯 F의 농도로 시스템적으로 증가된다. 따라서, 도 7d 내지 도 7f는, 물질 합성물에 의해 영향받는 IBL1의 대역 갭이, 서브플롯 D-F에 있어서 삼각형 표시에 의해 표시된 10A/㎠의 특정 공칭 주입에서 녹색-청색 컬러 균형을 제어하기 위해, 어떻게 이용될 수 있는지를 보여준다. 이하에 설명할 실시 예에 있어서, 이러한 특징은 백색광 LED 방출을 최대 효율점까지 조정하는데 이용될 것이다.
이제 도 8a 내지 8d와 도 9a 내지 도 9d를 참조하여, 청색 활성층과 녹색 활성층 사이에 배치된 중간 차단층(IBL1)의 도핑량의 선택을 설명하겠다. 이와 관련하여, 도 8a 내지 도 8d와 도 9a 내지 도 9d에는, 예시적인 실시 예로서 RGB-IBL LED 구조 고안의 프로세스를 이용한 IBL들의 고안에 대한 MQW의 감도가 추가로 도시된다. 도 8a 내지 도 8d에는 IBL1 및 IBL2가 선택되고 고정되며 IBL1 도핑 레벨이 가변하는 RGB-IBL LED에 대한 CIE도가 도시된다. 도 9a 내지 도 9d는 방출 색도 좌표의 대응하는 주입 의존성을 나타낸다. 이와 관련하여, 도 9a 내지 도 9d의 실시 예들은 각각 도 8a 내지 도 8d의 서브플롯들의 실시 예들에 대응한다. 도 8a 내지 도 8d로부터 알 수 있는 바와 같이, IBL1의 n 도핑 또는 p 도핑은 각각 적색-녹색 또는 녹색-청색측에서의 컬러 균형에 영향을 줄 수 있다. 도 8c의 실시 예(또한 도 5d의 실시 예)에 따라 고안된 RGB-IBL의 구조에 있어서, IBL1은 도 8a 내지 도 8d의 크로스 표시로 나타낸 목표 컬러 공간의 개선된 커버리지를 달성하기 위해 도핑되지 않으며, 거기에서 크로스 802,806,810,814는 적색을 나타내고, 크로스 801,805,809,813은 녹색을 나타내며, 크로스 806,807,811,815는 청색을 나타낸다. 도 8a 내지 도 8d에 있어서, 도 5a 내지 도 5d의 플롯들과 유사하게, 원형 표시는 최저 주입의 시작점을 나타내고, 사각형 표시는 최고 주입 레벨에 대응하며, 삼각형 표시는 주입 레벨에 대응한다. 도 9에 있어서, 라인 903,906,909 및 912는 적색을 나타내고, 라인 902,905,908 및 911은 녹색을 나타내며, 라인 901,904,907 미 910은 청색을 나타낸다.
이제, 도 10a 내지 도 10d를 참조하여, 녹색 및 적색 활성층들 사이에 배치된 중간 차단층(IBL2)의 도핑량의 선택을 설명하겠다. 도 10a 내지 도 10d에는 예시적인 실시 예로서 RGB-IBL LED 구조 고안의 프로세스를 이용한 IBL의 고안에 대한 MQW 주입의 감도가 추가 도시된다. 이와 관련하여, 도 10a 내지 도 10d에는 IBL1 및 IBL2 합성물이 선택되고 고정되며 IBL2의 p-도핑 레벨이 가변하는 RGB-IBL LED에 대한 CIE도가 도시된다. 도 10a 내지 도 10d로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 10c에 도시된 레벨로 IBL2 p 도핑이 설정되면, 캐리어 주입 레벨(레이트)의 가변을 통해 원하는 컬러 공간의 최대 확장 커버리지가 수립되며, 그 레벨의 위 또는 아래에서는 공간 커버리지(gamut coverage)가 원하는 RGB 표준 컬러 공간에 걸쳐 충분히 확장되지 못한다. 도 4c에 도시된 구조에 있어서, 크로스 1002,1006,1010 및 1014는 적색을 나타내고, 크로스 1001,1005,1009 및 1013은 녹색을 나타내며, 크로스 1003,1007,1011 및 1015는 청색을 나타내는 도 10a 내지 10d에서, 적색, 녹색 및 청색 "X" 표시에 의해 표시된 목표 컬러 공간의 최대 확장 커버리지를 달성하기 위한 IBL2의 도핑 레벨은 Na = 1.5×1018cm-3이다.
도 11a를 참조하여, 활성 영역내에 추가적인 멀티-컬러 QW가 포함되는 실시 예를 설명하겠다. 도 11a에 도시된 바와 같이, RGB 공간은 추가적인 QW를 포함시키고 중간 캐리어 차단층들(IBL)을 재 고안함에 의해 제어된다. 이 실시 예에 있어서, 공칭 방출 파장 525㎚를 가진 하나의 녹색-발광 QW를 이용하는 대신에, 도 11a(플롯 1160 및 플롯 1165)에서 RG(아쿠아)B-IBL 컬럼에 의해 표시된, 공칭 방출 파장 531㎚를 가진 녹색-방출 QW와 공칭 방출 파장 512㎚를 가진 아쿠아마린 방출 QW를 포함하는 2개의 QW들이 이용되며, 그들은 추가적인 중간 캐리어 차단층(IBL3)에 의해 이격된다. 도 11a(플롯 1150 및 1155)의 RGB-IBL 컬럼은, 그 구조가 아쿠아마린 방출 QW를 포함하지 않은 도 3의 실시 예에 대응한다.
테이블 2A는 아쿠아마린 방출 QW가 없는 LED 구조(RGB-IBL LED)에 있어서의 고안된 IBL과 아쿠아마린 방출 QW를 포함하는 본 실시 예에 따른 LED 구조(RGAB-IBL LED)에 있어서의 고안된 IBL을 비교한 것이다. 도 11a에는 대응하는 컬러에 의해 표시된 각 활성 QW의 CIE 특성이 도시된다. 이와 관련하여, 라인 1118 및 1123과, 크로스 1103 및 1111과, 도트 1104 및 1112는 적색을 나타내고, 라인 1117 및 1122와, 화살표 1119와, 크로스 1102 및 1110과, 영역 1101 및 1109는 녹색을 나타내며, 라인 1116 및 1121과, 화살표 1120과, 크로스 1105 및 1113과, 도트 1106과 1114와, 영역 1108은 청색을 나타낸다. 도 11a에 있어서, RGAB-IBL 구조는 10A/㎠의 공칭 주입 레벨을 넘어서 녹색 방출 범위를 확장시키기 위해 아쿠아마린 QW 방출에 있어서 강한 청색-시프트(strong blue-shift)로 고안된다.
테이블 2A
Figure pat00004
도 11b 및 도 11c를 참조하여 캐리어 주입 전류의 선택이 설명된다. 도 11b 및 도 11c에 의해 도시된 실시 예에 있어서, 청색 발광 QW의 전면(n 측)에 있는 추가적인 캐리어 차단층(IBL0)이 본 명세서에 개시된 RGB-IBL LED 구조내에 합체되었으며, 그 구조의 활성 영역의 다른 중간 차단층들(IBL1 및 IBL2)과 장벽층들이 재 고안된다. 따라서, RGB-IBL LED 구조의 전 컬러 전류 주입 범위를 개선할 수 있게 된다. 도 11b에는 본 실시 예의 RGB-IBL LED 구조의 대역 프로파일이 도시된다. 도 4와 유사하게, 도 11b의 파선들은 전자(라인 1124) 및 정공(라인 1125)에 대한 준-페르미 레벨을 보여준다. 도 11b의 일점 쇄선들은 활성 영역 내부의 내부 전위 분포를 나타낸다.
테이블 2B는 도 11b-c의 실시 예에 따른 활성 영역의 고안에 대한 예시적인 파라메타들을 제공한다. 테이블 2B에 도시된 바와 같이, 그 구조의 n 측에서의 IBL0의 추가 이외에, 발광 레이아웃 구조의 활성 영역의 재 고안은, (ⅰ) 7×1017cm-3의 가벼운 Si 도핑에 의해 수반되는 22%의 알루미늄 콘텐츠를 가진 IBL0의 추가, (ⅱ) 1×1017cm-3의 Mg 도핑에 의해 수반되는 B-QW층과 G-QW층간의 장벽 이격의 증가, (ⅲ) 0.3×1017cm-3의 가벼운 Mg 도핑에 의해 수반되는 IBL1에 있어서의 알루미늄의 콘텐츠의 23%까지의 증가, 및 (ⅳ) 5×1017cm-3의 Mg 도핑에 의해 수반되는 IBL2에 있어서의 알루미늄 콘텐츠의 25%까지의 증가를 포함한다.
도 11c에는 본 실시 예의 RGB-IBL LED 구조의 예시의 광 방출 공간 CIE RGB 색도 좌표의 주입 의존성이 도시된다. 도 11c에 있어서, 삼각형 1126은 녹색을 나타내고, 사각형 1127은 녹색을 나타내며, 크로스 1128은 녹색을 나타낸다. 또한 삼각형 1129는 적색을 나타내고, 사각형 1130은 적색을 나타내며, 크로스 1131은 적색을 나타낸다. 사각형 1132는 청색을 나타내고, 삼각형 1133은 청색을 나타내며, 크로스 1134는 청색을 나타낸다. 도 11c에 있어서의 점선들(라인 1136은 적색을 나타내고, 라인 1138은 녹색을 나타내며, 라인 1140은 청색을 나타냄)은 추가적인 IBL0을 가지지만 잔여 구조의 재고안은 없는 RGB-IBL LED 구조의 방출 공간을 보여준다. 도 11c에 있어서 실선(라인 1135는 적색을 나타내고, 라인 1137은 녹색을 나타내며, 라인 1139는 청색을 나타냄)들은 추가적인 IBL0을 가지며 잔여 구조의 재고안이 이루어진 RGB-IBL LED 구조의 방출 공간을 보여준다. 도 11c에 있어서의 실선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시 예의 추가적인 IBL0 및 재 고안된 구조를 가진 RGB-IBL LED 구조는 이전 실시 예들의 예시보다 실질적으로 더 좁은, 20㎃/㎠ 내지 50A/㎠ 범위의 주입 전류내에서 표준 RGB 공간을 완전히 커버한다.
(도 3의 구조(300)의 활성 영역(330)과 같은) 멀티-컬러 발광 다이오드 구조의 활성 영역내로 중간 캐리어 차단층들을 합체시키는 것의 추가적인 장점은, IBL들이 중간 스트레인 보상층(intermediate strain-compensation layer)으로서 작용한다는 것이다. 그 경우, 활성 영역에 걸쳐 캐리어 운송의 균형을 유지시키는 것에 추가하여, IBL을 합체시키면 (발광 다이오드 구조(300)의 활성 영역(330)과 같은) 멀티플 대역 갭 활성 영역에 걸쳐서의 결정 스트레인(crystalline strain)이 최소화된다. 결과적으로, IBL을 합체시키면 (멀티-컬러 발광 다이오드 구조(300)의 광학적 활성층(331)과 같은) 질화물 기반 광학적 활성층으로의 보다 높은 인듐 유입(InGaN)을 증가시키며, 그에 따라 멀티-컬러 발광 다이오드 구조의 활성 영역내에서 엠버(Amger)(615㎚) 내지 적색(625㎚) 범위의 장파장 광 방출을 가진 광학적 활성층들의 에피텍셜 성장이 이루어질 수 있게 된다. 따라서, 중간 캐리어 차단층들(IBL)을 합체시키면 가시광 스펙트럼에 걸쳐 광 방출을 제어할 수 잇는 전류 주입을 가진 컬러 조정 가능 질화물 기반 발광 다이오드 구조가 생성될 수 있게 된다.
테이블 2B
Figure pat00005
도 12a는 도 11a의 RG(아쿠아)B-IBL 컬럼에 따라 에피텍셜하게 성장한 3-컬러 엠버-녹색-청색-IBL LED로부터 획득한 실험적인 전계 발광 스펙트럼과, RGB-IBL LED(도 11a의 RGB-IBL 컬럼)를 이용한 시뮬레이션으로부터 획득한 가변-컬러 방출 스펙트럼간의 비교를 제공한다. 시뮬레이션된 스펙트럼(플롯 1200)에 있어서, 활성 영역 양단의 전압 강하는 20mV 스텝으로 3.0V에서 3.7V로 변화한다. 플롯 1200에 있어서, 플롯상의 라인 1201 쪽에서 라인 1202을 향하는 방향으로, 라인 1201은 자주색(purple)을 나타내고, 그 다음의 여러개의 라인들은 청색, 그 다음 녹색, 그 다음 노랑색, 그 다음 오렌지색, 그 다음 적색을 나타내며, 라인 1202가 적색을 나타낼 때까지 다시 자주색에서 시작하여 상기를 반복한다. 실험적인 데이터 세트(플롯 1220)에 있어서, 레전드(legend)는 전체 LED 주입 전류를 나타낸다. 플롯 1220의 레전드에 있어서, 4㎃는 적색을 나타내고, 7㎃는 밝은 녹색을 나타내며, 11㎃는 어두운 청색을 나타내고, 31㎃는 밝은 청색을 나타내고, 61㎃은 자주색을 나타내고, 101㎃는 어두운 청색을 나타내고, 151㎃는 밝은 청색을 나타내고, 201㎃는 어두운 청색을 나타내고, 251㎃는 밝은 청색을 나타내고, 301㎃는 적색을 나타내고, 340㎃는 어두운 녹색을 나타내고, 350㎃는 밝은 녹색을 나타내고, 353㎃는 오렌지색을 나타낸다. 플롯 1220을 참조하면, 라인 1222는 적색을 나타내는 4㎃에 대응하고, 라인 1221은 오렌지색을 나타내는 353㎃에 대응한다. 라인 1222에서 라인 1221 쪽을 향해, 중간 라인들은 그 순서에 있어서 플롯 1220의 레전드에 대응한다. 따라서, 라인 1222 위의 라인은 밝은 녹색을 나타내는 7㎃에 대응하고, 그 위의 다음 라인은 어두운 청색을 나타내는 11㎃에 대응하고, 그 다음도 마찬가지이다.
도 12b와 도 12c는 Ⅲ족 질화물을 이용하여 에피텍셜하게 성장하고 본 개시에 따라 고안된 RGB-IBL LED로부터 획득한 가변 컬러 방출 스펙트럼을 제공한다. 도 12b 및 도 12c에 도시된 전 컬러 공간(full color gamut)을 달성하기 위하여, 에피텍셜하게 성장한 RGB-IBL LED 구조는 동일한 방출 파장을 가진 QW들 사이에 IBL을 합체시키는 것을 포함한다. 특히, 도 12b 및 도 12c에 제공된 에피텍셜하게 성장한 RGB-IBL LED로부터 획득한 가변 컬러 방출 스펙트럼은 3개의 청색 방출 QW들과 청색-녹색 IBL1, 그 다음 IBL1.5로 표시된 추가적인 IBL에 의해 이격된 2개의 녹색 방출 QW들, 그 다음 IBL2에 의해 제 2 녹색 방출 QW로부터 이격된 녹색 방출 QW를 포함하였다. 이와 같이 에피텍셜하게 성장한 RGB-IBL LED에 있어서의 3개의 IBL의 합성물 및 도핑은 상술한 바와 같이 도 12b 및 도 12c에 제공된 주입 범위에서 컬러 공간 커버리지를 달성하기 위해 선택되었다. 도 12b에 있어서, (a)는 5㎃에서의 적색광의 방출을 나타내고, (b)는 20㎃에서의 오렌지색 광의 방출을 나타내며, (c)는 30㎃에서의 노랑색 광의 방출을 나타내며, (d)는 200㎃에서의 밝은 청색광의 방출을 나타내고, (f)는 350㎃에서의 청색광의 방출을 나타낸다. 도 12c에 있어서, 700㎚와 640㎚는 적색을 나타내고, 620㎚는 적색-오렌지색을 나타내며, 600㎚은 오렌지색을 나타내고, 590㎚는 밝은 오렌지색을 나타내며, 580㎚은 밝은 오렌지색을 나타내고, 570㎚은 노랑색을 나타내고, 560㎚ 및 540㎚는 밝은 녹색을 나타내고, 520㎚, 510㎚ 및 500㎚은 녹색을 나타내고, 496㎚은 청색을 나타내고, 480㎚은 밝은 청색을 나타내고, 480㎚ 및 460㎚는 어두운 청색을 나타낸다.
도 13은, 본 명세서의 개시에 따라 고안되고 성장한 도 3의 모놀리식 컬러-조정 가능 질화물 기반 3-컬러 RGB-IBL LED(300)의 실험적 전계 발광 스펙트럼을 추가로 특정하고 시뮬레이션 결과들과의 보다 세밀한 비교를 제공한다. 도 13에 있어서의 플롯들 1321-1323은 낮은 주입 전류 밀도, 중간 주입 전류 밀도 및 높은 주입 전류 밀도와, 실내 온도에서 측정된 EL 스펙트럼을 보여준다. 약 0.5A/㎠(플롯 1323)의 낮은 전류 밀도의 경우, 광 방출은 주로 대략 560 내지 650㎚ 범위의 파장 및 약 50㎚의 FWHM(full width at half maximum)을 가진 적색 컬러로 이루어진다. 약 10A/㎠(플롯 1322)의 중간 전류 밀도의 경우, 광 방출은 주로 대략 480 내지 540㎚ 범위의 파장 및 약 45㎚의 FWHM을 가진 녹색 컬러로 이루어진다. 약 50A/㎠(플롯 1321)의 전류 밀도의 경우, 광 방출은 주로 약 420 내지 475㎚ 범위의 파장 및 약 35㎚의 FWHM을 가진 청색 컬러로 이루어진다. 플롯 1334-1335는 3가지 전압 바이어스 값들(볼트 단위)에서의 스펙트럼 방출 파워에 대한 대응하는 결과를 보여준다. 플롯 1334에 있어서, 라인 1301은 3.46볼트의 전압 바이어스 값을 나타내고, 라인 1302는 3.16볼트의 전압 바이어스 값을 나타내며, 라인 1303은 2.98 볼트의 전압 바이어스 값을 나타낸다. 플롯 1335는 정규화된 스케일(normalized scale)에 대한 결과를 보여준다. 플롯(1305)에 있어서, 라인 1305는 적색을 나타내고, 라인 1306은 녹색을 나타내며, 라인 1304는 청색을 나타낸다.
이전 실시 예에서는, 다수의 중간 캐리어 차단층들(IBL)이 RGB-IBL LED의 광학적 활성 영역내에 합체된다. 설명한 바와 같이, 이들 실시 예들 중 일부에서는, IBL들이 특정 파정 방출을 가진 하나 이상의 QW들을 포함하는 활성층들의 영역들을 이격시킨다. 또한, 이들 실시 예들 중의 일부에서는 IBL이 동일한 파장 방출을 가진 QW를 포함하는 활성층들을 이격시킨다. 본 발명의 또 다른 실시 예에 있어서, IBL은 RGB-IBL LED의 광학적 활성 영역의 n 측에 합체된다. 이 모든 실시 예에 있어서, IBL 합성물 및 도핑은 주어진 캐리어 주입(I,V) 범위에 걸쳐 넓은 컬러 공간을 커버하는 제어 가능(또는 조정 가능) 컬러 방출이 가능하도록 상기 논의에서 설명한대로 선택되고 고안된다. 이들 실시 예들에 있어서 IBL 합성물 및 도핑의 전반적인 고안 기준은, (1) IBL의 전도 대역(CB) 에너지 레벨이 광학적 활성 영역의 CB 에지보다 더 높아야 하고 그 구조의 n 측에서 p 측을 향해 계속적으로 증가되어야 하며; (2) IBL의 밸런스 대역(VB) 에너지 레벨이 광학적 활성 영역의 VB 에지보다 낮아야 하며, 그 구조의 n 측에서 p 측을 향해 계속적으로 감소되어야 한다는 것 중 하나 이상을 포함한다.
상술한 실시 예에 따르면, 멀티-컬러 반도체 발광 구조(예를 들어, 컬러-조정 가능 RGB-IBL LED 디바이스)는 반도체 발광 구조의 다음과 같은, 고안 파라메타들, 즉, (1) 원하는 컬러 방출 공간에 걸쳐 광 방출을 달성하도록 선택된 활성층 QW의 대역-갭; (2) 각 컬러에 대한 원하는 상대적 광학 방출 파워에서 디바이스 광 방출 공간에 원하는 컬러 방출 원색들을 포함시키도록 선택된 주어진 파장에서의 광 방출에 대응하는 대역 갭을 가진 활성층들 QW의 개수; (3) 원하는 공간내에서 디바이스 광 방출 컬러의 캐리어 주입 레이트를 제어할 수 있도록 하기 위하여 발광 디바이스의 활성 영역내에 합체되는 최적화된 물질 합성물 및 도핑 레벨을 가진 다수의 IBL들; (4) 주어진 캐리어 주입 범위내에서 디바이스 광 방출 컬러를 제어할 수 있도록 하기 위해 발광 디바이스의 활성 영역내에 합체되는 최적화된 물질 합성물 및 도핑 레벨을 가진 다수의 IBL들; 및 (5) 넓은 공간 컬러 방출을 제공하도록 선택된 주어진 파장에서의 광 방출에 대응하는 다수의 활성층 QW들의 대역 갭 중 하나 이상의 선택에 의해 고안된다.
여러 애플리케이션에 제공하기 위해 반도체 발광 구조의 고안 파라메타가 선택되는 여러 예시들이 도 14 내지 도 16을 참조하여 설명될 것이다. 도 14에는 가변 컬러 온도를 가진 모놀리식 백색 LED를 생성하기 위해 멀티-컬러 LED 구조내에 합체된 IBL들의 고안 파라메타들이 선택되는 실시 예가 도시된다. 도 14는 방출 색도 좌표(1410)의 주입 의존성 및 CIE 색도도(1400)를 보여준다. 도 14의 실시 예에서는, RGB-IBL 구조 활성층들 QW의 방출 컬러 원색들에 의해 형성된 컬러 공간의 (도 14의 플롯 1400에서 크로스 1303에 의해 표시된) 백색 포인트에서 (도 14의 1400에서 반전된 삼각형에 의해 표시된) 50A/㎠의 주입 전류 밀도 및 최대 LED 효율점으로 백색 광 방출을 생성하도록 RGB-IBL-백색 LED 구조의 고안 파라메타가 선택되었다. 도 14의 플롯 1400에 있어서, 크로스 1303 및 도트 1304는 적색을 나타내고, 크로스 1302 및 영역 1301은 녹색을 나타내며, 크로스 1305 및 도트 1306은 청색을 나타낸다. 도 14의 플롯 1410에 있어서, 라인 1308은 적색을 나타내고, 라인 1309는 녹색을 나타내며, 라인 1307은 청색을 나타낸다.
테이블 3은 도 3의 (또한 도 4c 및 도 5c에 도시된) RGB-IBL LED(300)에 대해 고안된 IBL과, 백색 발광 RGB-IBL-백색 LED에 대해 고안된 IBL의 비교를 보여준다.
테이블 3
Figure pat00006
도 14의 플롯 1401은 백색 발광 RGB-IBL 백색 LED의 방출 색도 좌표의 주입 의존성을 보여준다. 본 실시 예에 있어서, RGB-IBL 백색 LED 구조의 고안 파라메타는 50A/㎠의 공칭 주입 전류 밀도로 주어진 컬러 온도, 예를 들어, 6500°K의 백색 광 방출을 생성하도록 선택된다. 도 14의 플롯 1410에 도시된 바와 같이, 50A/㎠의 공칭 주입 전류 밀도보다 더 큰 값까지 주입 전류가 증가되면, 방출된 백색광은 청색 활성층 QW으로부터의 보다 높은 레벨의 상대적 세기 기여를 포함할 것이며, 그에 따라 방출된 컬러 온도는 50A/㎠의 공칭 전류 밀도에서 방출된 백색광의 온도보다 더 높은 값 T+까지 대응적으로 증가하게 된다. 이와 유사하게, 도 14의 플롯 1410에 도시된 바와 같이, 50A/㎠의 공칭 주입 전류 밀도보다 낮은 값까지 주입 전류가 감소하게 되면, 방출된 백색광은 녹색 및 적색 활성층들 QW로부터의 보다 높은 레벨의 상대적 세기 기여를 포함할 것이며, 그에 따라 방출된 백색광 컬러 온도는 50A/㎠의 공칭 주입 전류에서 방출된 백색광 컬러 온도보다 낮은 T-로 대응적으로 감소하게 된다. RGB-IBL 백색 LED 구조 고안 파라메타들은 공칭 방출 백색광 온도 근처의 원하는 백색광 방출 온도 범위에 대응하는, 공칭 주입 전류 밀도보다 높고 낮은 주입 전류 제어 범위를 생성하도록 선택된다. 예를 들어, 50A/㎠의 공칭 주입 전류 밀도에서 6500°K의 백색광 온도가 선택되면, 예를 들어, 디바이스 주입 전류가 각각 50A/㎠의 공칭 주입 전류 밀도보다 높고 낮은 주어진 범위에 걸쳐 감소되거나 증가될 때, 2500°K 내지 8000°K 범위의 백색광 온도 범위가 가능하도록 RGB-IBL 백색 LED 구조 고안 파라메타들이 고안될 수 있었다.
도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 방출된 백색광 온도가 그의 전류 주입 레벨을 변경함에 의해 변경되는 모놀리식 백색 LED 디바이스를 생성하도록 멀티-컬러 LED 구조의 활성 영역내에 합체되는 IBL에 대해 고안 파라메타들이 선택된다. 일반적인 조명 분야의 애플리케이션에 있어서, 제어 가능(조정 가능) 백색 방출 온도를 가진 고체 상태 전구를 생성하기 위해 제어 가능(조정 가능) 백색 방출 온도 모놀리식 백색 LED 디바이스가 이용될 수 있다. 디스플레이 분야의 애플리케이션에 있어서, 양자 도트 디스플레이와 같은 후방 조명광을 요구하는 액정 디스플레이(LCD) 또는 임의 다른 유형의 디스플레이를 위한 고체 상태 백라이트 유닛(Back Light Unit: BLU)을 생성하기 위해 제어 가능(조정 가능) 백색 방출 온도 모놀리식 백색 발광 LED 디바이스가 이용될 수 있다. 디스플레이를 위한 백라이트로서 그러한 모놀리식 백색 LED를 이용하는 한가지 장점은, 그의 밝기 및 그의 백색 컬러 온도가 디스플레이된 이미지들의 동적 범위를 희생시키지 않고도 디스플레이 요건과 매칭되도록 조정될 수 있다는 것이다. 이와 관련하여, 통상적인 백색 백라이트 디스플레이(white back light display)에 있어서, 백라이트 컬러 온도 및 그의 세기는 전형적으로 고정되며, 디스플레이된 이미지 밝기 또는 색상(hue)은 디스플레이된 이미지 픽셀들의 RGB 값들을 조정함에 의해 조정된다. 그 방식은 전형적으로 디스플레이된 이미지 동적 범위의 감소로 결과하는데, 이는, 일부분이 각 픽셀 컬러의 그레이스케일 값(grayscale)를 나타내는데 이용되는 것이 아니라 디스플레이된 이미지의 밝기 및 색상을 조정하는데 이용되기 때문이다. 제어 가능(조정 가능) 백색 방출 온도 모놀리식 백색 발광 LED 디바이스를 이용하는 디스플레이 BLU는 이들 제한들을 완화시키고 높은 동적 범위(HDR)의 디스플레이가 가능하게 하는데 이용될 수 있다.
도 15에는 본 명세서의 개시에 따라 에피텍셜하게 성장하고 고안된 도 3의 모놀리식 광대역 가시광 방출 질화물 기반 RGB-IBL LED(300)의 전계 발광 스펙트럼이 도시된다. 도 15의 플롯 1500에는 1A/㎠의 구동 전류 밀도에서의 EL 스펙트럼이 도시된다. 광 방출은 주로 대략 560 내지 680㎚의 파장 범위 및 70㎚의 FWHM(Full Width at Half Maximum)을 가진 적색 대역에서 이루어진다. 도 15의 플롯 1510에는 약 10A/㎠의 중간 구동 전류 밀도에서의 EL 스펙트럼이 도시된다. 광 방출은 주로 대략 500 내지 690㎚의 파장 범위 및 120㎚의 FWHM를 가진 조합된 적색 및 녹색 대역에서 이루어진다. 도 15의 플롯 1520에는 약 40A/㎠의 주입 전류 밀도에서의 EL 스펙트럼이 도시된다. 대략 440 내지 700㎚에 걸친 파장 및 190㎚의 FWHM을 가진 조합된 적색, 녹색 및 청색 대역에서 광이 방출된다. 도 15로부터 알 수 있는 바와 같이, 광대역 백색 광 방출을 가진 모놀리식 백색 LED를 생성하기 위해 멀티-컬러 LED 구조의 활성 영역내에 합체된 IBL에 대해 고안 파라메타들이 선택된다.
도 16에는 LED 구조내에 균일하게 밀집된 활성층들을 생성하기 위해 모놀리식 LED 구조내에 합체된 IBL들의 고안 파라메타가 선택됨으로써, (예를 들어, 효율의 견지에서) 디바이스 성능에 악영향을 미치는 활성 QW들의 불균일하고 불균등한 군집을 완화시키는 실시 예가 도시된다. 도 16은 MQW 활성 영역에 있어서 균일하게 밀집된 활성 영역들을 유지하기 위해 본 명세서의 개시에 따라 고안된 MQW-IBL LED(플롯들 1640 및 1645)와, 도 1의 통상적인 구조의 단색 청색-방출(플롯들 1620 및 1640) 및 녹색-방출(플롯들 1620 및 1625)을 비교한 도면이다. 각 로우(row)에 있어서, 도 16의 서브 플롯들은 도 1의 통상적인 구조에 따른 3-QW LED들(플롯 1620 및 1625)과, 50A/㎠의 주입 전류 밀도로 달성되는 최대 LED 내부 양자 효율(IQE)에 대응하는 LED 주입 레벨에서 균일한 방출 분포를 위해 선택된 IBL을 가진 3-QW IBL LED에 있어서의 활성 QW들(
Figure pat00007
)간의 광학적 방출 파워의 분포를 나타낸다. 플롯 1620 및 1625에 있어서의 통상적인 LED 구조(예를 들어, 도 1)는 EBL이 없고(실선 1602는 청색을 나타내고, 실선 1604는 밝은 청색을 나타내고, 실선 1606은 자주색을 나타내고, 실선 1608은 녹색을 나타내고, 실선 1610은 밝은 녹색을 나타내고, 시선 1612는 어두운 녹색을 나타냄), p 측 EBL이 있는(파선 1601은 청색을 나타내고, 파선 1603은 밝은 청색을 나타내며, 파선 1605는 자주색을 나타내고, 파선 1609는 녹색을 나타내고, 파선 1611은 밝은 녹색을 나타내고, 파선 1613은 어두운 녹색을 나타냄) 구조를 포함하며, 따라서, 전체 LED 내부 양자 효율(IQE)이 이미 악화된 최고 주입 레벨이 아니라면 MQW 방출 균일성에 대한 EBL의 효과가 미미함을 나타낸다. 이와 대조적으로, MQW-IBL LED들은 50A/㎠의 초기 최적화 주입 전류를 상당히 초과하는 (플롯 1640 및 1645에서 원형에 의해 표시된) 실질적으로 중요한 주입 전류의 넓은 범위에서 상대적으로 균일한 방출 분포를 나타낸다. 도 16의 플롯들 1640 및 1645에 있어서, 라인 1605는 청색을 나타내고, 라인 1606은 밝은 청색을 나타내고, 라인 1607은 자주색을 나타내고, 라인 1614는 어두운 녹색을 나타내고, 라인 1615는 밝은 녹색을 나타내고, 1616은 녹색을 나타낸다.
테이블 4는 50A/㎠의 공칭 주입 레벨에서의 IBL-LED와 (IBL 없는) 통상적인 LED의 방출 균일성 특성을 비교하고, 본 실시 예에 따라 선택된 IBL의 알루미늄 합성물과 p 도핑 어셉터 농도를 보여준다.
테이블 4
Figure pat00008
도 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, LED 구조는 단색 LED 구조의 활성 영역 내에 합체된 IBL에 대한 선택된 고안 파라메타들에 의해 로우(low)에서 중간까지 범위내의 원하는 전류 주입 밀도에서 IQE를 갖도록 고안될 수 있다. 도 16의 실시 예는, 본 명세서에서 방출 마이크로-스케일 고체 상태 광 디스플레이로서 지칭되는 디스플레이의 방출 픽셀들로서 마이크로-스케일 고체 상태 광 에미터들의 어레이가 이용되는 애플리케이션에 특히 유익하다. 그러한 애플리케이션에 있어서, 디바이스 전체 방출 개구는 또한 그의 광학적 개구이며, 따라서, 그 디바이스는 보다 높은 광학적 커플링 효율로 동작하고 전형적으로 고 전류 주입 밀도의 이용을 필요로 하지 않는다. 이와 대조적으로, 전형적인 고체 상태 광 애플리케이션은, 일반적으로 보다 높은 전류 주입 밀도의 이용을 필요로 한다. 방출 마이크로-스케일 고체 상태 광 디스플레이는, 전형적으로, 높은 전류 주입 영역(current injection regime)을 동작시키는 전형적인 고체 상태 광 애플리케이션에 비해, 낮은 전류 주입 영역을 동작시킨다. 그러한 낮은 주입 영역의 경우, 고체 상태 마이크로-스케일 에미터들 IQE는 그들의 전형적인 전류 주입 동작 포인트에서 그들의 동작 효율을 보존 및 추가로 증가시키도록 고안될 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 도 16의 실시 예는 그들의 동작 효율을 증가시키기 위하여 방출 마이크로-스케일 고체 상태 광 디스플레이의 IQE를 고안하는데 이용된다.
본 명세서에서 설명한 방법 및 구조에 따르면, 특히 멀티-컬러 고체 상태 발광 구조의 활성 영역내에 IBL을 합체시킴에 의해, 가변-컬러 방출 (또는 조정 가능) 고체 상태 발광 물질 및 가변-컬러 방출(또는 조정 가능) 고체 상태 발광 디바이스를 제공할 수 있게 된다. 상술한 바와 같이, 일반적인 조명 및 디스플레이 애플리케이션을 포함하는, 그러한 가변-컬러 방출(또는 조정 가능) 고체 상태 발광 물질을 위한 많은 분야의 애플리케이션이 있다. 한가지 예를 들면, 본 명세서에 개시된 가변-컬러 방출(또는 조정 가능) 고체 상태 발광 물질 및 디바이스는, 그들의 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용되는, 미국특허번호 제7,623,560호, 제7,767,479호, 제7,829,902호, 제8,049,231호 및 제8,098,265호와, 미국특허출원공개번호 제2010/0066921호 및 제2012/0033113호에 설명된 방출 마이크로-스케일 고체 상태 광 디스플레이 분야이다. 이러한 유형의 디스플레이에 있어서, 개별적인 어드레스 가능(컬러 및 세기) 방출 마이크로-픽셀 어레이 디바이스를 형성하기 위해 제어 실리콘 기반 상보 금속 산화물 반도체(CMOS) 구조의 최상부상에 상태 발광 구조 층들의 다수개를 적층함에 의해 마이크로-스케일 픽셀 멀티-컬러 방출이 실현된다. 그러한 방출 마이크로-스케일 고체 상태 광 디스플레이 기술의 한가지 장점은, 그것이 수 미크론 범위내의 작은 픽셀 크기를 실현하는데 이용될 수 있다는 것이다. 그러한 방출 마이크로-스케일 고체 상태 광 디스플레이를 얼마나 작게 만들 수 있는 가는 각 마이크로-스케일 픽셀의 세기 및 방출 컬러를 제어하는데 필요한 전기적 콘택트들의 개수에 의존한다. 디스플레이 공간을 생성하기 위해 3개의 컬러 원색이 이용되는 경우에, 전체 마이크로-픽셀 어레이에 대한 하나의 공통 콘택트 이외에, 각 방출 마이크로-스케일 픽셀마다 적어도 3개의 콘택트가 요구되며, 이는 전류 반도체 장비 기능에 기초하여 약 10미크론의 범위내에서 마이크로-스케일 픽셀 피치를 실현할 수 있게 한다. 본 명세서에 개시된 가변-컬러 방출(또는 조정 가능) 고체 상태 발광 물질이 이러한 유형의 방출 마이크로-스케일 고체 상태 광 디스플레이의 문맥에서 이용되는 경우, 전체 마이크로-픽셀 어레이에 대한 하나의 공통 콘택트 이외에, 각 픽셀 광 방출을 제어하기 위하여 마이크로-스케일 픽셀마다 단지 하나의 콘택트만이 요구된다. 마이크로-픽셀당 요구된 콘택트들의 개수에 있어서의 이러한 감소는 바람직하게 5 미크론 이하의 방출 멀티-컬러 마이크로-스케일 픽셀 피치를 실현할 수 있게 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 가변-컬러 방출(또는 조정 가능) 고체 상태 발광 물질이 이러한 유형의 방출 마이크로-스케일 고체 상태 광 디스플레이 문맥에서 이용되면, (전형적인 3개 층들 대신에) 멀티-컬러 방출 마이크로-스케일 픽셀 디스플레이를 실현하기 위해 단지 하나의 고체 상태 발광층만이 필요하게 되고, 그에 따라 디스플레이의 제조 원가가 크게 줄어들게 된다.
본 발명이 여러 실시 예의 견지에서 설명되었지만, 본 기술 분야의 숙련자라면, 본 발명이 설명된 실시 예에 국한되는 것이 아니라 첨부된 청구범위의 사상 및 범주내에서 수정 및 대안으로 실행될 수 있음을 알 것이다. 따라서, 상세한 설명은 제한이 아닌 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 상술한 본 발명의 다른 측면에 대한 많은 다른 변형이 있으나, 정밀성을 위해 상세하게 제공되지는 않았다. 따라서, 다른 실시 예들으 본 명세서에 개시된 범주내이며, 그의 측면들은 청구범위에 정의된다.

Claims (20)

  1. 다층 반도체 멀티-컬러 발광 구조체로서,
    한 쌍의 서로 반대되는 n-도핑 및 p-도핑된 주변층들 사이에 형성된 다층의 광학적 활성 영역(optically active multi-layer region)을 구비하고,
    다층의 광학적 활성 영역은,
    다수의 양자 감금 구조체들과,
    다수의 양자 감금 구조체들 사이에 형성된 다수의 중간 캐리어 차단층들을 구비하며,
    다수의 양자 감금 구조체들의 각각은, 2개의 장벽층들 사이에 형성된 활성층을 구비하고, 서로 다른 파장들의 광 방출을 할 수 있도록 서로 다른 대역-갭들을 가지며,
    다수의 중간 캐리어 차단층들의 각각은,
    사전 결정된 대역-갭 및 대역 오프셋을 가지며,
    주변층들 또는 장벽층들 각각의 대역 에너지보다 높거나 낮게 오프셋된 전도 및 밸런스 대역 에너지를 가지며,
    서로에 대해 다른 대역-갭을 가지며,
    주변층들 또는 장벽층들의 대역-갭보다 넓은 대역-갭을 가지고,
    중간 캐리어 차단층들의 대역 오프셋과 대역-갭은, 사전 결정된 컬러 스펙트럼 방출 공간(color spectral emission gamut)에 매칭되는 제어 가능하고 조정 가능한 멀티-컬러 방출을 제공하도록 구성되는
    다층 반도체 멀티-컬러 발광 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    중간 캐리어 차단층들의 물질 합성물과, 그들의 도펀트 유형들 및 레벨들은 사전 결정된 컬러 스펙트럼 방출 공간(color spectral emission gamut)에 걸쳐 특정된 전류 의존성 멀티-컬러 광 방출 스펙트럼 궤적(specified current dependent multi-color light emission spectral locus)을 달성하도록 선택되는
    다층 반도체 멀티-컬러 발광 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각자의 물질 합성물에 의해 결정되는 양자 감금 구조체들의 대역-갭들은, 사전 결정된 컬러 스펙트럼 방출 공간을 정의하는 다수의 원색 컬러들의 컬러 좌표들로 광 방출이 이루어질 수 있게 선택되는
    다층 반도체 멀티-컬러 발광 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    다층의 광학적 활성 영역내의 다수의 양자 감금 구조체들의 배치는, 가장 긴 광 방출 파장에 대응하는 가장 좁은 대역-갭을 가진 양자 감금 구조체가 p-도핑된 주변층들에 인접하게 배치되고, 가장 짧은 광 방출 파장에 대응하는 가장 넓은 대역-갭을 가진 양자 감금 구조체가 n-도핑된 주변층에 인접하게 배치되도록 선택되는,
    다층 반도체 멀티-컬러 발광 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    다수의 중간 캐리어 차단층들은 다층의 광학적 활성 영역의 서브-영역들(sub-regions) 사이에 형성되고, 다층의 광학적 활성 영역의 서브-영역들 중의 적어도 하나는 다수의 양자 감금 구조체들을 구비하며, 그러한 활성 서브-영역들내의 다수의 양자 감금 구조체들의 개수는 사전 결정된 컬러 스펙트럼 방출 공간의 컬러 원색들로 광 방출이 이루어질 수 있도록 선택되는
    다층 반도체 멀티-컬러 발광 구조체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    다수의 중간 캐리어 차단층들의 각각의 서로 다른 대역-갭 및 대역-갭 오프셋은, 양자 감금 구조체들 또는 서브-영역 내로의 특정된 캐리어 주입 전류 의존성 선택적 주입 프로파일(specified carrier injection current dependent selective injection profile)을 생성하도록 선택되고,
    캐리어 주입 선택도(carrier injection selectivity)는, 전류 의존성 선택적 주입 프로파일과 연관된 광 방출 컬러 혼합비 및 멀티-컬러 방출 스펙트럼 궤적을 정의하는, 다층 반도체 멀티-컬러 발광 구조체로의 전체 캐리어 주입 전류에 대한, 다수의 양자 감금 구조체들 또는 서브-영역들 각각으로의 캐리어 주입 전류의 특정된 비율을 정의하는,
    다층 반도체 멀티-컬러 발광 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    특정된 멀티-컬러 광 방출 공간의 전체 커버리지(full coverage)를 제어하고 조정할 수 있도록 하기 위하여, 가장 짧은 광 방출 파장에 대응하는 가장 넓은 대역-갭을 가진 양자 감금 구조체와 n-도핑된 주변층들 사이에 추가적인 중간 캐리어 차단층이 배치되는
    다층 반도체 멀티-컬러 발광 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    다수의 양자 감금 구조체들 사이에 형성된 다수의 중간 캐리어 차단층들의 각각은, 다층의 광학적 활성 영역에 걸쳐서의 결정 스트레인(crystalline strain)을 최소화하는 중간 스트레인 보상층으로서 작용하기 위해 사전 결정된 대역-갭 및 대역 오프셋을 가지는
    다층 반도체 멀티-컬러 발광 구조체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    다수의 중간 캐리어 차단층들의 결정 스트레인 보상 측면들(crystalline strain compensation aspects)은, 질화물 기반 광학적 활성층들 내로의 보다 높은 인듐(In) 유입이 가능하게 하여, 멀티-컬러 발광 구조체의 다층의 활성 영역내에서 엠버(Amber)(612nm) 내지 적색(625nm) 범위의 장파장 광 방출을 가진 광학적 활성층의 에피텍셜 성장이 이루어질 수 있게 하고, 가시광 스펙트럼 영역에 걸쳐 멀티-컬러 광 방출을 하는 컬러-조정 가능 질화물 기반 발광 구조체를 인에이블(enable)할 수 있게 하는
    다층 반도체 멀티-컬러 발광 구조체.
  10. 다층 반도체 발광 구조체로서,
    제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 양자 감금 구조체;
    제 1 중간 캐리어 차단층;
    제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 양자 감금 구조체;
    제 2 중간 캐리어 차단층;
    제 3 파장의 광을 방출하는 제 3 양자 감금 구조체를 구비하되,
    제 1 중간 캐리어 차단층은, 제 1 양자 감금 구조체와 제 2 양자 감금 구조체 사이에 배치되고, 제 1 중간 캐리어 차단층은 제 1 양자 감금 구조체와 제 2 양자 감금 구조체의 각각에 대한 제 1 사전 결정된 대역-갭과 대역 오프셋들을 제공하기 위하여 단일 전도성 유형(single conductive type)으로 도핑되거나 도핑되지 않은 합성물을 구비하며,
    제 2 중간 캐리어 차단층은, 제 2 양자 감금 구조체와 제 3 양자 감금 구조체 사이에 배치되고, 제 2 중간 캐리어 차단층은, 제 2 양자 감금 구조체와 제 3 양자 감금 구조체의 각각에 대한 제 2 사전 결정된 대역-갭과 대역 오프셋들을 제공하기 위하여 단일 전도성 유형(single conductive type)으로 도핑되거나 도핑되지 않은 합성물을 구비하며,
    제 1, 제 2 및 제 3 양자 감금 구조체들은, 각각, 적색, 녹색 및 청색의 원색 컬러들을 방출하며,
    제 1 및 제 2 중간 캐리어 차단층들의 대역-갭과 대역 오프셋들은, 제 1, 제 2 및 제 3 양자 감금 구조체들이 각각의 파장의 광을 방출하고, 상대적 세기 기여(ralative intensity contribution)와 함께 다층 반도체 발광 구조체가 백색광을 방출할 수 있도록 선택되고,
    제 1 중간 캐리어 차단층의 합성물과 제 2 중간 캐리어 차단층의 합성물 중 단지 하나만이 도핑되고, 다른 것은 도핑되지 않은
    다층 반도체 발광 구조체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    제 1, 제 2 및 제 3 양자 감금 구조체들은 대략 50A/㎠의 주입 전류 밀도에서 대략 동일한 CIE로 각각의 컬러를 방출하는
    다층 반도체 발광 구조체.
  12. 제 10 항에 있어서,
    제 1, 제 2 및 제 3 양자 감금 구조체들은 특정 주입 전류 밀도에 대해 대략 동일한 CIE 방출들로 적색, 녹색 및 청색 광을 방출하며, 특정 주입 전류 밀도가 증가하면, 청색 방출이 증가하고 녹색 방출이 감소하는
    다층 반도체 발광 구조체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    백색 발광 디바이스의 방출 컬러 온도는 주입 전류 밀도를 제어함에 의해 제어될 수 있는
    다층 반도체 발광 구조체.
  14. 제 12 항에 있어서,
    제 1, 제 2 및 제 3 양자 감금 구조체들은, 주입 전류 밀도의 증가와 함께 적색 방출이 감소하고 있으면, 대략 동일한 CIE 방출들로 각각의 컬러를 방출하는
    다층 반도체 발광 구조체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    백색광을 방출하는 다층 반도체 발광 구조체의 방출 컬러 온도는 주입 전류 밀도는 주입 전류 밀도를 제어함에 의해 제어될 수 있는
    다층 반도체 발광 구조체.
  16. 다층 반도체 발광 구조체로서,
    한 쌍의 서로 반대되는 n-도핑 및 p-도핑된 주변층들 사이에 형성된 다층의 광학적 활성 영역(optically active multi-layer region)을 구비하고,
    다층의 광학적 활성 영역은,
    다수의 양자 감금 구조체들과,
    다수의 양자 감금 구조체들 사이에 형성된 다수의 중간 캐리어 차단층들을 구비하며,
    다수의 양자 감금 구조체들의 각각은, 2개의 장벽층들 사이에 형성된 활성층을 구비하고, 서로 다른 파장들의 광 방출을 할 수 있도록 서로 다른 대역-갭들을 가지며,
    다수의 중간 캐리어 차단층들의 각각은,
    사전 결정된 대역-갭 및 대역 오프셋을 가지며,
    주변층들 또는 장벽층들 각각의 대역 에너지보다 높거나 낮게 오프셋된 전도 및 밸런스 대역 에너지를 가지며,
    서로에 대해 다른 대역-갭을 가지며,
    주변층들 또는 장벽층들의 대역-갭보다 넓은 대역-갭을 가지고,
    중간 캐리어 차단층들의 대역 오프셋과 대역-갭은, 특정된 캐리어 주입 전류 범위에서 다수의 양자 감금 구조체들로의 주입된 캐리어들이 균일하게 분포되게 하고, 그 다음 특정된 캐리어 주입 전류 범위내에서 최대 내부 양자 효율(internal quantum efficiency: IQE)로 광 방출이 이루어질 수 있도록, 선택되는
    다층 반도체 발광 구조체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    중간 캐리어 차단층들의 물질 합성물과, 그들의 도펀트 유형들 및 레벨들은 특정된 캐리어 주입 전류 범위내에서 특정된 IQE를 달성하도록 선택되는
    다층 반도체 발광 구조체.
  18. 제 16 항에 있어서,
    양자 감금 구조체들의 대역-갭들은 특정된 캐리어 주입 전류 범위내에서 최대 IQE로 특정된 파장의 광을 방출할 수 있는
    다층 반도체 발광 구조체.
  19. 제 16 항에 있어서,
    다수의 중간 캐리어 차단층들의 각각의 서로 다른 대역-갭 및 대역-갭 오프셋은, 양자 감금 구조체들 내로의 특정된 캐리어 주입 전류 의존성 주입 프로파일(specified carrier injection current dependent injection profile)을 생성하도록 선택되고,
    캐리어 주입 전류 의존성 주입 프로파일은, 다수의 양자 감금 구조체들내로의 실질적으로 동일한 캐리어 주입 비율에 의해 정의된 대로 다층의 활성 영역내에서 캐리어 주입 전류가 균일하게 거주할 수 있게 하고, 그 다음, 특정된 캐리어 주입 전류 범위내에서 최대 내부 양자 효율로 특정된 파장의 광의 방출이 이루어질 수 있도록 하기 위해, 다층 반도체 발광 구조체로의 전체 캐리어 전류 주입에 대한, 다수의 양자 감금 구조체들 각각으로의 특정된 캐리어 주입 전류 범위의 특정된 비율을 정의하는
    다층 반도체 발광 구조체.
  20. 제 19 항에 있어서,
    균일하게 거주하는 캐리어 주입 전류는,
    (1) 다수의 양자 감금 구조체들의 서로 다른 대역-갭들;
    (2) 다수의 중간 캐리어 차단층들의 개수;
    (3) 다층의 광학적 활성 영역내의 다수의 중간 캐리어 차단층들 각각의 특정 배치 위치;
    (4) 물질 합성물에 의해 결정되는 다수의 중간 캐리어 차단층들 각각의 사전 결정된 대역-갭;
    (5) 도핑 유형 및 도핑 레벨에 의해 결정되는 다수의 중간 캐리어 차단층들 각각의 대역 오프셋;
    (6) 장벽층들의 전도 및 밸런스 대역 에너지들에 대한 다수의 중간 캐리어 차단층들 각각의 전도 및 밸런스 대역 에너지들; 및
    (7) 서로 반대되게 도핑된 주변 층들의 전도 및 밸런스 대역 에너지들에 대한 다수의 중간 캐리어 차단층들 각각의 전도 및 밸런스 대역 에너지들에 따라
    선택되는
    다층 반도체 발광 구조체.
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