KR20230100464A - 질화물계 다파장 발광 다이오드 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따르면, n형으로 도핑된 제1반도체층, p형으로 도핑된 제2반도체층, 상기 제1반도체층과 상기 제2반도체층 사이에 배치되고, InGaN 기반의 양자우물 구조의 활성층을 포함하는 질화물계 다파장 발광 다이오드; 및 상기 질화물계 다파장 발광 다이오드에 주입전류의 펄스 폭 및 듀티비 중 적어도 하나를 조절하여 인가하는 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 질화물계 다파장 발광 다이오드 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
질화물계 반도체는 자외선 영역부터 가시광을 포함하는 적외선 영역에 해당하는 밴드갭을 가져 발광 다이오드에서 풀 컬러 디스플레이 시스템에 주로 사용되고 있다. 이때, 풀 컬러 구현을 위한 가시광선 영역의 커버하기 위해 발광 다이오드는 각 색상을 발광하는 여러 물질들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 적색에는 AlGaInP, 녹색에는 AlGaAs, 청색에는 InGaN이 대표적인 질화물계 발광 다이오드 물질로 사용되고 있다. 이 중 InGaN은 인듐(In)의 조성에 따라 적외선 (0.7eV) 부터 자외선(3.4eV)까지의 가시광선 영역을 커버할 수 있어 풀 컬러 디스플레이 구현에 적합하다.
이에 따라 최근, InGaN 활성층 기반 발광 다이오드에서 인듐의 조성률에 따른 뭉침 현상 및 압전 특성에 따른 청색 편이현상을 사용해 하나의 소자에서 넓은 범위의 가시광 방출을 이뤄낸 사례가 보고되었다. 특히 InGaN 활성층 기반의 발광 다이오드는 주입전류 세기의 증가에 따라 밴드 채움 현상에 의한 단파장화가 일어나게 되므로, 인가되는 바이어스에 의해 발광 파장을 조절할 수 있어 풀 컬러 디스플레이에 응용할 수 있다.
구체적으로, InGaN 활성층 기반의 발광 다이오드는 인듐의 조성이 높아질수록 뭉침 현상에 의해 밴드갭의 조성적 요동(fluctuation)이 발생하게 된다. 이에 따라 전류 주입 시 캐리어가 국부적으로 형성된 낮은 에너지의 밴드갭을 채우면서 장파장의 발광이 우선적으로 시작되며, 주입전류의 세기의 증가에 따라 높은 에너지의 밴드갭을 채우게 되면서 단파장화가 일어난다. 또한, 압전 현상을 가진 분극 질화물계 반도체에서도 낮은 전류 밀도하에서는 적은 캐리어 수에 기인하여 압전현상에 의한 밴드휨에 의해 낮은 밴드갭인 장파장에서 발광을 하게 되고, 높은 전류 주입에 따른 압전 상쇄현상에 의해 밴드가 평평하게 펴짐에 따라 높은 에너지의 밴드갭을 채우게 되면서 단파장화가 일어난다.
또한, 질화물계 발광 다이오드를 제조함에 있어서, 인듐 조성의 차이, 성장 속도 차이 등으로 인해 발생함에 따라, 청색 편이 현상이 발생하고 이에 기초한 질화물계 발광 다이오드의 다파장 발광 특성에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 발명의 목적은 주입전류의 세기가 일정하더라도 서로 다른 파장의 광을 방출할 수 있는 질화물계 다파장 발광 다이오드 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 하나의 발광 다이오드에서 풀 컬러 디스플레이의 구현이 가능한 질화물계 다파장 발광 다이오드 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, n형으로 도핑된 제1반도체층, p형으로 도핑된 제2반도체층, 상기 제1반도체층과 상기 제2반도체층 사이에 배치되고, InGaN 기반의 양자우물 구조의 활성층을 포함하는 질화물계 다파장 발광 다이오드; 및 상기 질화물계 다파장 발광 다이오드에 주입전류의 펄스 폭 및 듀티비 중 적어도 하나를 조절하여 인가하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 주입전류의 세기가 동일하게 유지되도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 주입전류의 세기를 조절하여 인가할 수 있다.
상기 질화물계 다파장 발광 다이오드가 방출하는 광의 파장은 상기 주입전류의 펄스 폭이 증가함에 따라 낮아진다.
상기 질화물계 다파장 발광 다이오드가 방출하는 광의 파장은 상기 주입전류의 듀티비가 증가함에 따라 낮아진다.
상기 제어부는, 상기 질화물계 다파장 발광 다이오드가 2 이상의 파장의 광을 방출하도록 서로 다른 펄스폭 및 듀티비를 가지는 2 이상의 주입전류를 인가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, n형으로 도핑된 제1반도체층, p형으로 도핑된 제2반도체층, 상기 제1반도체층과 상기 제2반도체층 사이에 배치되고, InGaN 기반의 양자우물 구조의 활성층을 포함하는 질화물계 다파장 발광 다이오드에 주입전류의 펄스 폭 및 듀티비 중 적어도 하나를 조절하여 인가하는 단계를 포함한다.
상기 인가하는 단계는, 상기 주입전류의 세기가 동일하게 유지되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 인가하는 단계는, 상기 주입전류의 세기를 조절하여 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 인가하는 단계는, 상기 질화물계 다파장 발광 다이오드가 2 이상의 파장의 광을 방출하도록 서로 다른 펄스폭 및 듀티비를 가지는 2 이상의 주입전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 주입전류의 펄스 조건 변화에 따른 파장 변화를 통해 다양한 색상을 발광하는 질화물계 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 주입전류의 펄스 조건 및 전류 세기를 제어함으로써, 하나의 발광 다이오드에서 풀 컬러 디스플레이의 구현이 가능할 것으로 기대된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 2 이상의 펄스 조건을 사용하여, 다양한 혼합색을 만들 수 있을 뿐 아니라, 청색-녹색-적색 발광을 통하여 백색광원도 가능할 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 다파장 발광 다이오드 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주입전류의 펄스 조건에 따른 파장 변화를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어의 거동 메커니즘을 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 따른 주입전류의 듀티비 조절에 따라 나타나는 변화를 측정한 그래프를 도시한다.
도 5는 실시예 2에 따른 주입전류의 듀티비 조절에 따라 나타나는 변화를 측정한 그래프를 도시한다.
도 6은 실시예 3에 따른 주입전류의 펄스 폭 조절에 따라 나타나는 변화를 측정한 그래프를 도시한다.
도 7은 실시예 4에 따른 주입전류의 조건에 따라 달라지는 광을 방출하는 발광 다이오드를 촬영한 사진이다.
도 8은 서로 다른 파장을 발생시키는 주입전류를 도시한 그래프이다.
도 9는 2 이상의 다른 주입전류 조건에 의한 이색성 및 삼색성 모노리식 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주입전류의 펄스 조건에 따른 파장 변화를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어의 거동 메커니즘을 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 따른 주입전류의 듀티비 조절에 따라 나타나는 변화를 측정한 그래프를 도시한다.
도 5는 실시예 2에 따른 주입전류의 듀티비 조절에 따라 나타나는 변화를 측정한 그래프를 도시한다.
도 6은 실시예 3에 따른 주입전류의 펄스 폭 조절에 따라 나타나는 변화를 측정한 그래프를 도시한다.
도 7은 실시예 4에 따른 주입전류의 조건에 따라 달라지는 광을 방출하는 발광 다이오드를 촬영한 사진이다.
도 8은 서로 다른 파장을 발생시키는 주입전류를 도시한 그래프이다.
도 9는 2 이상의 다른 주입전류 조건에 의한 이색성 및 삼색성 모노리식 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 다파장 발광 다이오드 시스템을 도시한 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 다파장 발광 다이오드 시스템(1)(이하 시스템(1)이라 한다.)은 질화물계 다파장 발광 다이오드(100)(이하, 발광 다이오드(100)라 한다.) 및 제어부(200)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발광 다이오드(100)는 제1 반도체층(110), 제2 반도체층(120) 및 제1반도체층(110)과 제2 반도체층(120) 사이에 배치되는 활성층(130)을 포함하고, 제1반도체층(110) 위에 제1전극(141), 제2반도체층(120) 위에 제2전극(142)이 각각 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1반도체층(110), 제2반도체층(120) 및 활성층(130)은 각각 질화물 반도체를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, GaN, InGaN, InAlGaN, AlGaN, BAlGaN 및 BInAlGaN로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 발광 다이오드(100)는 성장 방법 및 제조 방법에 따라 분극, 무분극 및 반분극 질화물계 발광 다이오드 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1반도체층(110)이 n형 물질로 도핑된 경우, 제2반도체층(120)은 p형 물질로 도핑될 수 있다. 그리고, 활성층(130)은 전자-정공의 재결합에 의해 빛을 발광하는 층으로서, 단일 또는 다중 양자우물(Quantum well)층을 포함한다. 양자우물층에 대하여는 도 2와 관련하여 구체적으로 설명한다.
그리고, 제1전극(141)은 n형 전도성 물질로 형성되고, 제2전극(142)은 제1전극(142)과 p형 전도성 물질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1전극(141) 및 제2전극(142)은, Pt, Al, Pb, Sn, Au, Ge, Cu, Bi, Cd, Zn, Ag, Ni 및 Ti로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(200)는 발광 다이오드(100)를 구동하는 구동회로를 포함하고, 그 구성 및 구조에 한정되지 않는다. 제어부(200)는 발광 다이오드(100)에 주입전류의 펄스 조건, 전류 조건 등을 조절하여 인가함으로써, 발광 다이오드(100)에서 발광하는 광의 파장을 조절하는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발광 다이오드(100)는 웨이퍼(150) 상에서 성장된다. 이때, 웨이퍼(150)는 절연성 기판 또는 도전성 기판일 수 있다. 웨이퍼(150)는, 예를 들어, 사파이어 기판, 유리 기판, 실리콘 카바이드 기판, 실리콘 기판, 금속 기판 및 세라믹 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발광 다이오드(100)는 메사 구조를 포함하는 플렛 구조로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고, 웨이퍼(150)를 n-GaN 또는 n-Si등의 전도성 기판을 사용함으로써 제1전극(141)을 웨이퍼(150)의 하부에 배치하는 메사 구조를 포함하지 않는 플렛 구조, 혹은 제1전극(141)을 항복전도성 채널을 형성시킨 p*전극으로 구현하여 제2반도체층(120)의 상부에 제1전극(141) 및 제2전극(142)을 모두 배치시키는 메사 구조를 포함하지 않는 플렛 구조도 구현이 가능할 것이다.
또한, 도 1에는 도시되지 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드(100)는 별도의 웨이퍼에 전사되어 디스플레이로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주입전류의 펄스 조건에 따른 파장 변화를 도시한 도면이다.
앞서 서술한 바와 같이 발광 다이오드(100)는 성장 방법 및 제조 방법에 따라 분극, 무분극 및 반분극 질화물계 발광 다이오드일 수 있다. 이 중 반분극(11-22)면 GaN 박막은 무분극(10-10) GaN 박막에 비하여 인듐 주입 효율이 높아 장파장화, 발광 효율 향상에 유리하다.
반분극(11-22)면 GaN 박막은 이종기판인 m-사파이어(m-sapphire)위에서 성장 시 높은 결함이 발생하는데, 결함을 감소하기 위해 ELO(epitaxial lateral overgrowth) 공정이 사용된다
그 중에서도, 육각 패턴(Hexagonal pattern)의 ELO 사용 시, 육각 패턴 내 여섯 방향의 각각 다른 측면 성장 속도로 인해 여러 형태가 나타날 수 있고, 이러한 성장 속도의 차이로 인해, 화살촉 형태의 구조가 나타난다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드(100)는, 화살촉 형태의 구조를 가짐으로써, 화살촉 구조의 결정 성장면에 따른 위치 별 인듐 조성에 차이가 있을 수 있다. 예를 들어, 화살촉 형태의 꼭지점 부분인 (20-21)면이 가장 높은 인듐 조성률을 가지고, 측면인 (10-11)면, 상단 평면인 (11-22)면 순으로 인듐 조성률이 감소할 수 있다. 인듐 조성이 결정면마다 달라짐에 따라 강한 청색 편이 현상이 발생한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 활성층(130)은 도 2에 도시된 바와 같이 청색 편이 현상이 크게 형성할 수 있는 두꺼운 양자우물층 구조를 포함한다. 예를 들어, 2.5nm이상의 양자우물층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드(100)는 인듐 국소화를 증가시키고, 적색 발광 효율을 높이기 위해 인듐 함량이 높일 수 있다. 예를 들어, 전체 조성비 중 인듐 함량이 20 % 이상일 수 있다. 또한, 인듐 몰 분률을 증가시킬 수 있는 결정면, V형태 결함을 포함하는 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 발광 다이오드(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 인듐의 조성이 높아질수록 뭉침 현상에 의해 밴드갭의 조성적 요동(fluctuation)이 발생하게 된다. 도 2의 좌측(210), 중간(220), 우측(230)으로 갈수록 캐리어가 국부적으로 형성된 낮은 에너지의 밴드갭을 채우면서 장파장의 발광이 우선적으로 시작되며, 주입되는 캐리어의 양이 증가함에 따라, 높은 에너지의 밴드갭을 채우게 되면서 단파장화가 일어난다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양자우물층 구조를 가지는 발광 다이오드(100)에서, 주입되는 캐리어의 양을 주입전류의 펄스 조건에 기초하여 제어하면서 파장을 조절하는 방법을 제안한다. 이때, 펄스 조건은 펄스 폭 및 듀티비를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 펄스 폭이 증가하고, 듀티비가 증가함에 따라 캐리어의 양이 증가하고, 단파장화가 일어날 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어의 거동 메커니즘을 나타내는 그래프이다.
보다 구체적으로, 발광 다이오드에 주입되는 캐리어 양을 제어하기 위해 일정한 전류에서 서로 다른 펄스 조건을 가지는 주입전류를 인가 시 캐리어의 거동 메커니즘을 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 동일 시간 내에 동일 펄스 폭 조건 하에서 듀티비의 증가는 평균 주입 캐리어 양의 증가를 뜻한다. 그리고, 동일 시간내에 동일 듀티비 조건 하에서 펄스 폭의 증가는 주입되는 캐리어의 속도 감소를 뜻한다. 따라서 같은 주입전류 하에서 펄스 폭 및 듀티비가 증가하였을 경우 밴드 채움 현상에 의하여 단파장화가 일어나게 된다. 이렇듯 주입전류 인가 시 펄스 조건 변경을 통하여 전류량의 변화 없이 발광 다이오드에서의 파장 변화를 이뤄낼 수 있다.
본 발명에서는 도 3 에 나타낸 방식으로 InGaN 활성층 기반의 질화물계 발광 다이오드에 동일 전류 인가 시, 인가되는 주입전류의 펄스 폭과 듀티비를 조절하여 발광 파장을 제어하는 방법을 개발하였다.
이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 전류 인가의 주체는 앞서 서술한 바와 같이 제어부(200)에 의해 수행될 것이다.
[실시예 1]
실시예 1에서는 주입전류의 듀티비 조절에 따라 서로 다른 파장의 광을 방출하는 것을 실험하였다.
실시예 1에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드(100)에 주입전류의 세기를 1mA 및 펄스 폭(pulse width)을 0.1μs로 고정하고, 듀티비(duty ratio)를 0.1%에서 10%까지 조절하여 인가하였다.
도 4는 실시예 1에 따른 주입전류의 듀티비 조절에 따라 나타나는 전계발광 피크 파장(EL peak wavelength)의 변화를 측정한 그래프(410)와, 상대적인 발광 세기(Relative EL intensity)의 변화를 측정한 그래프(420)를 도시한다.
도 4의 그래프(410)를 참조하면, 듀티비가 증가함에 따라 전계발광 피크 파장이 586nm에서 557nm로 약 30nm가량 단파장화되는 것을 확인할 수 있고, 그래프(420)를 참조하면, 듀티비가 증가함에 따라 발광 세기가 증가함을 확인할 수 있다.
이는 앞서 서술한 바와 같이 동일 시간 하에서의 듀티비의 증가가 평균 주입 캐리어 양의 증가를 초래하여 방출되는 광의 파장이 짧은 쪽으로 변화하는 것을 알 수 있다. 파장의 변화에 따라 방출되는 광의 색상이 달라진다. 예를 들어, 파장이 짧을수록 청색광이 나타나고, 파장이 길수록 적색광이 나타난다.
[실시예 2]
실시예 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드에 주입전류의 세기를 1mA 및 펄스 폭을 0.1μs에서 1μs로 변경하고, 듀티비를 1%에서 100%까지 증가시켰을 경우에 대해서 설명한다.
도 5는 실시예 2에 따른 주입전류의 듀티비 조절에 따라 나타나는 전계발광 피크 파장(EL peak wavelength)의 변화를 측정한 그래프(510)와, 상대적인 발광 세기(Relative EL intensity)의 변화를 측정한 그래프(520)를 도시한다.
도 5의 그래프(510)를 참조하면, 듀티비 증가에 따라 전계발광 피크 파장이 562nm에서 522nm로 약 30nm가량 단파장화 되는 것을 확인할 수 있고, 그래프(420)를 참조하면, 발광 세기가 증가함을 확인할 수 있다.
이때, 실시예 1과 실시예 2를 비교하면, 실시예 2에서 사용한 주입전류의 펄스 폭이 1μs로 높다.
펄스 폭이 0.1μs에서 1μs로 증가한다는 것은 주입되는 캐리어 양의 증가를 나타낸다. 따라서 펄스 폭이 0.1μs인 경우보다 1μs인 경우, 주입된 캐리어의 축적 양이 증가하게 되고, 더 짧은 파장 영역에서 단파장화가 이루어질 수 있다.
이는 실시예 2에서 듀티비가 실시예 1과 동일하게 10%까지 증가한 경우와 비교하면, 실시예 1은 586nm에서 557nm로 파장이 변화하고, 실시예 2는 562nm에서 544nm로 파장이 변화함을 통해서도 확인할 수 있다.
각 실시예 1과 실시예 2를 통하여는 주입전류의 듀티비 제어를 통해 발광 다이오드로 주입되는 캐리어 양을 조절함으로써 파장 변화를 일으킬 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1과 실시예 2를 비교함으로써 주입전류의 펄스 폭의 제어를 통해서도 파장 변화를 일으킬 수 있음을 확인할 수 있다.
[실시예 3]
실시예 3에서는 주입전류의 듀티비 뿐만 아니라 펄스 폭의 조절을 통해서도 발광 다이오드에서 방출되는 광의 파장 변화가 가능함을 실험하였다.
실시예 3에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드에 주입전류의 세기를 1mA 및 듀티비(duty ratio)를 1%로 고정하고, 펄스 폭(pulse width)을 0.1μs에서 100μs까지 조절하여 인가한 경우와, 주입전류의 세기를 1mA 및 듀티비(duty ratio)를 5%로 고정하고, 펄스 폭(pulse width)을 0.1μs에서 300μs까지 조절하여 인가한 경우를 설명한다.
도 6은 실시예 3에 따른 듀티비(duty ratio)가 1%인 경우 주입전류의 펄스 폭 조절에 따라 나타나는 전계발광 피크 파장(EL peak wavelength)의 변화를 측정한 그래프(610)와, 듀티비(duty ratio)가 1%인 경우 주입전류의 펄스 폭 조절에 따라 나타나는 전계발광 피크 파장(EL peak wavelength)의 변화를 측정한 그래프(620)를 도시한다.
도 6의 그래프(610)를 참조하면, 펄스 폭이 0.1μs에서 100μs까지 증가함에 따라 전계발광 피크 파장이 576nm에서 534nm로 약 40nm가량 단파장화 되고, 그래프(620)를 참조하면, 펄스 폭이 0.1μs에서 300μs까지 증가함에 따라 전계발광 피크 파장이 566nm에서 524nm로 약 40nm가량 단파장화 되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동일 시간, 동일 듀티비 하에서 펄스 폭의 증가는 주입되는 캐리어 양이 증가하기 때문에 밴드채움 현상에 의한 청색 편이 현상으로 판단된다.
또한, 그래프(610)과 그래프(620)은 동일한 경향성을 나타내고 있고, 단지 듀티비가 1%에서 5%로 증가한다는 것은 앞서 말했듯이 동일 시간 내에 주입되는 캐리어 양의 증가를 의미한다. 따라서 높은 듀티비를 가지는 그래프(620)에서 더 짧은 파장 영역에서 단파장화가 이루어짐을 알 수 있으며, 이는 펄스 폭과 듀티비의 변화만으로 파장이 변화될 수 있음을 나타낸다.
[실시예 4]
실시예 4에서는 실시예1, 실시예 2, 실시예 3에서 실험한 바와 같이, 서로 다른 듀티비, 펄스 폭, 전류 세기 조건을 가지는 주입전류를 발광 다이오드에 인가한 경우, 발광하는 색을 관측하였다.
도 7은 실시예 4에 따른 주입전류의 조건에 따라 달라지는 광을 방출하는 발광 다이오드를 촬영한 사진이다.
도 7의 사진(710)과 사진(720)에 나타나듯이, 0.2mA의 전류, 1μs의 펄스 폭 및 1% 듀티비를 가지는 주입전류를 인가 시 발광 다이오드는 오렌지 빛을 발광하고, 0.2mA의 동일 전류에서 100μs의 펄스 폭 및 50% 듀티비로 증가한 주입전류를 인가 시에는 발광 다이오드는 녹색 빛을 발광한다. 이는 동일한 발광 다이오드에서 오렌지색에서 녹색까지 파장을 제어할 수 있음을 나타낸다.
또한, 도 7의 사진(730)과 사진(740)에 나타나듯이, 주입전류의 전류 세기를 5mA로 증가시킬 경우 1μs의 펄스 폭 및 1% 듀티비를 가지는 주입전류를 인가 시 발광 다이오드는 녹색 빛을 발광하고, 5mA의 동일 전류에서 100 μs의 펄스 폭 및 50% 듀티비로 증가한 주입전류를 인가 시에는 발광 다이오드는 청색에 대응하는 파장까지 발광 파장이 감소함을 확인할 수 있다.
추가적으로 도 7의 사진(750)과 사진(760)에 나타나듯이, 주입전류의 전류 세기를 더 높게 유지하면서 펄스 조건을 제어할 경우, 청녹색, 진청색까지 발광할 수 있음을 나타낸다. 이를 기반으로, 펄스 조건만으로도 발광 파장을 제어할 수 있지만, 전류량과, 펄스폭, 듀티비를 제어 시 오렌지색에서 진청색까지 다양한 색을 구현할 수 있음을 나타낸다.
도 8은 서로 다른 파장을 발생시키는 주입전류를 도시한 그래프이다.
앞서 서술한 실시예1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4에서 보여주듯이 주입전류의 듀티비, 펄스 폭 및 전류를 각각 변화 시에 서로 다른 파장이 발생할 것이다. 따라서, 주입전류의 주입 조건을 조합하면 2 이상의 파장의 광이 발생할 수 있음을 알 수 있다.
그래프(810)는 듀티비가 서로 다른 주입전류의 파형을 나타낸다. 이 경우, 듀티비가 낮은 구간에서는 단파장의 광이 발생할 것이며, 듀티비가 높은 구간에서는 장파장의 광이 발생할 것이다.
그래프(820)는 펄스 폭이 서로 다른 주입전류의 파형을 나타낸다. 이 경우, 펄스 폭이 좁은 구간에서는 장파장의 광이, 펄스 폭이 넓은 구간에서는 단파장의 광이 교대로 발생할 것이다.
마지막으로 그래프(830)는 펄수 폭과 전류의 세기가 서로 다른 주입전류의 파형을 나타낸다. 이 경우, 펄스 폭이 좁고 전류의 세기가 낮은 구간에서는 장파장의 광이 발생할 것이며, 펄스 폭이 넓고 전류의 세기가 높은 구간에서는 단파장의 광이 발생할 것이다.
또한, 그래프(810, 820, 830)에 나타나는 서로 다른 펄스 폭, 듀티비 및 주입전류의 세기를 가지는 주입전류를 인가한 경우, 2개 이상의 발광 스펙트럼이 동시에 발생하는 이색성 및 삼색성 모노리식 발광 다이오드를 구현할 수 있을 것이다. 이에 대하여는 도 9을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 9는 2 이상의 다른 주입전류 조건에 의한 이색성 및 삼색성 모노리식 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 9의 그래프(910)는 동일 발광 다이오드에 전류의 세기 3mA, 펄스 폭 5μs 및 듀티비 0.5%인 주입전류를 인가하였을 때 약 550nm에서 녹색 광을 얻을 수 있으며, 전류의 세기 50mA, 펄스 폭 0.1μs, 및 듀티비 0.01% 인 주입전류를 인가하였을 때 약 450nm의 청색 광을 얻을 수 있다.
두 스펙트럼의 주입전류의 세기 및 펄스 조건의 조절에 의해 동일한 발광 세기를 얻을 수 있었고, 두 가지 펄스 조건을 동시에 사용하였을 경우 청색과 녹색이 동시에 발광하는 이색성 발광 다이오드를 얻을 수 있었다.
또한 도 9의 그래프(920)는 적색 광을 얻기 위해서 전류 세기가 0.05mA인 주입전류를 연속적으로 주입하고, 펄스 주입전류 전류의 세기 3mA와 펄스 폭 5μs와 듀티비 0.5%인 주입전류를 인가하였을 때 녹색 광을 얻을 수 있었다.
이와 같이, 연속 주입과 펄스 조건의 조절을 동시에 사용하였을 때 두 가지 색이 모두 발생하는 오렌지색을 얻을 수 있었다.
도 9의 그래프(930)는 적색 광을 얻기 위해서 전류 세기가 0.05mA인 주입전류를 연속적으로 주입하고, 전류의 세기 50mA, 펄스폭 0.1μs 및 듀티비 0.01%인 주입전류를 인가하였을 때 청색 광을 얻을 수 있었다. 이 또한 연속 주입과 펄스 조건의 조절을 동시에 사용하였을 때 보라색의 발광을 얻을 수 있음을 나타내었다.
적색 장파장 스펙트럼은 낮은 밴드갭에서 발광을 나타내어야 하기 때문에 주입 캐리어 양이 적도록 주입전류의 세기가 낮다. 따라서, 연속 주입을 통하여 적색 발광을 얻고, 청색-녹색 스펙트럼의 발광세기와 적색 스펙트럼의 발광 세기를 맞추기 위해, 녹색에서 청색으로 갈수록 더 낮은 펄스 폭과 듀티비를 이용하여 녹색과 청색을 얻을 수 있었다.
도 9의 그래프(940)와 같이, 펄스 주입 조건을 세 가지로 한다면 3가지 발광 스펙트럼을 얻을 수 있다. 발광 다이오드에 연속주입조건으로 0.05mA와 펄스조건으로 전류의 세기 3mA, 펄스폭 5μs, 듀티비 0.5% 및 전류의 세기 50mA, 펄스폭 0.1μs, 듀티비 0.01%인 세가지 조건으로 주입전류 인가 시, 각각 적색, 녹색 및 청색광을 얻을 수 있었으며, 이는 스펙트럼을 나타내는 그래프(940)와 같이 백색광을 얻을 수 있음을 나타낸다.
이렇듯 각각의 청-녹-적색의 발광 다이오드는 풀컬러 LED 디스플레이의 광원으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
1: 질화물계 다파장 발광 다이오드 시스템
100: 질화물계 다파장 발광 다이오드
110: 제1반도체층
120: 제2반도체층
130: 활성층
200: 제어부
100: 질화물계 다파장 발광 다이오드
110: 제1반도체층
120: 제2반도체층
130: 활성층
200: 제어부
Claims (12)
- n형으로 도핑된 제1반도체층, p형으로 도핑된 제2반도체층, 상기 제1반도체층과 상기 제2반도체층 사이에 배치되고, InGaN 기반의 양자우물 구조의 활성층을 포함하는 질화물계 다파장 발광 다이오드; 및
상기 질화물계 다파장 발광 다이오드에 주입전류의 펄스 폭 및 듀티비 중 적어도 하나를 조절하여 인가하는 제어부를 포함하는 발광 다이오드 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 주입전류의 세기가 동일하게 유지되도록 제어하는 발광 다이오드 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 주입전류의 세기를 조절하여 인가하는 발광 다이오드 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 질화물계 다파장 발광 다이오드가 방출하는 광의 파장은 상기 주입전류의 펄스 폭이 증가함에 따라 낮아지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 질화물계 다파장 발광 다이오드가 방출하는 광의 파장은 상기 주입전류의 듀티비가 증가함에 따라 낮아지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 질화물계 다파장 발광 다이오드가 2 이상의 파장의 광을 방출하도록 서로 다른 펄스폭 및 듀티비를 가지는 2 이상의 주입전류를 인가하는 발광 다이오드 시스템. - n형으로 도핑된 제1반도체층, p형으로 도핑된 제2반도체층, 상기 제1반도체층과 상기 제2반도체층 사이에 배치되고, InGaN 기반의 양자우물 구조의 활성층을 포함하는 질화물계 다파장 발광 다이오드에 주입전류의 펄스 폭 및 듀티비 중 적어도 하나를 조절하여 인가하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 시스템의 제어방법.
- 제7항에 있어서,
상기 인가하는 단계는,
상기 주입전류의 세기가 동일하게 유지되도록 제어하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 시스템의 제어방법. - 제7항에 있어서,
상기 인가하는 단계는,
상기 주입전류의 세기를 조절하여 인가하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 시스템의 제어방법. - 제7항에 있어서,
상기 질화물계 다파장 발광 다이오드가 방출하는 광의 파장은 상기 주입전류의 펄스 폭이 증가함에 따라 낮아지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 시스템의 제어방법. - 제7항에 있어서,
상기 질화물계 다파장 발광 다이오드가 방출하는 광의 파장은 상기 주입전류의 듀티비가 증가함에 따라 낮아지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 시스템의 제어방법. - 제7항에 있어서,
상기 인가하는 단계는,
상기 질화물계 다파장 발광 다이오드가 2 이상의 파장의 광을 방출하도록 서로 다른 펄스폭 및 듀티비를 가지는 2 이상의 주입전류를 인가하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 시스템의 제어방법.
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