KR100413708B1 - 광자리사이클링을지닌마이크로공동발광다이오드 - Google Patents

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Abstract

광자 리사이클링을 지닌 마이크로 공동 발광 다이오드는, 기판위에 위치된 적어도 하나의 재료의 층을 갖는 기판과, 제 1 클래드층과, 제 2 클래드층과, 이 제 1 및 제 2 층사이에 놓여서 상기 재료의 층위에 메사를 형성하는 활성층을 포함한다. 상기 메사는 일반적으로 수직인 측면들과 상부 표면을 가지며, 상기 메사의 수직인 측면들상에 위치하며 발광 다이오드에 대한 제 1 전기적 접점을 형성하기 위해 상기 상부 표면을 부분적으로 덮는 전기적으로 도전성이고 광 반사인 시스템(electrically conductive and light reflective system)을 지니고, 상기 전기적으로 도전성이고 및 광 반사인 시스템은 상기 메사의 표면위에 중앙으로 위치된 발광 개구를 정의하고, 상기 메사는 상기 개구의 직경 치수보다 1배 더 큰 표면의 직경 치수를 갖는다.

Description

광자 리사이클링을 지닌 마이크로 공동 발광 다이오드{Microcavity LED photon recycling}
본 발명은 발광 다이오드들(LED)에 관한 것으로, 특히 개선된 발광 및 효율을 지닌 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드의 효율은 전체 내부 반사에 의해 제한되는데, 왜냐하면 발광 다이오드를 이루는 반도체 재료의 굴절률(통상적으로 3 내지 3.5)이 빛이 방출되는 공기의 굴절률(1)보다 훨씬 크기 때문이다. 발광 다이오드의 외부에 대한 광분배는 일반적으로 램버션 분배(Lambertion distribution)이라 칭하며, 장치의 내부에 대한 전방향성(omnidirectional) 광분배에 대응한다. 발생된 빛의 이러한 큰 공간적 분배 때문에, 작은 양의 빛만이 효과적으로 이용되며, 특히 빛이 광섬유와 같은 광전도 매체에 결합될 경우에 그러하다. 발광 다이오드와 같은 램버션 소스를 다룸에 있어서는, 발광 다이오드로부터 광학 코아(optical core)로의 광 결합(light coupling)을 증가시키는 방법을 제공하기 위해 오늘날 이용가능한 방법들이 많이 있다. 예를 들어, 구형(spherical) 렌즈들, 마이크로 렌즈들, 그라디언트 인덱스(gradient index) 렌즈(GRIN), 회절 그레이팅들은 모두 성공적으로 이용된다. 아쉽게도, 이들 기술들중 어느 것도 동일한 입력 전류에 대해 발생된 광량을 실제로 증가시키지 않는다.
증가된 효율은 전류가 적다는 것을 의미하며, 그러므로 동일한 광량을 시스템에 결합하는데 드는 전력이 적어지게 된다. 더 효율적인 발광 다이오드는, 결합 설계들 및 공정들상에서의 덜 엄격한 명세들과 더 높은 광학 결합(optical coupling)을 제공하며, 이것은 덜 비싸고 더 제조가능한 시스템들을 발생시킨다. 이들 이유들은 발광 다이오드의 효율이 증가될 수 있다면 장치는 적용된 기술에서 더욱 유용해질 것임을 의미한다.
발광 다이오드의 외부 효율을 개선하는 한가지 방법은 빛이 방출되는 측면을 제외한 발광 다이오드의 모든 측면들상의 반사기(reflector)들을 이용하는 것이며, 이에 대해서는 1994. 10. 25일에 발행되고, "닫혀진 공동 발광 다이오드 제조 방법(Method of Manufacturing Closed Cavity LED)"으로 명명되고, 동일한 양수인에게 양도된 미국 특허 제 5,358,880호에 개시되어 있다. 이 방식에서, 발생된 광자들은 단일한 일반적 방향으로 향한다. 발광 다이오드의 효율을 증가시키는 동안, 장치의 평면에 또는 평면 근처에서 전파된 광자들은 비스듬한 각도로 방출될 것이다. 이들 광자들의 방출 각도는 광학 시스템으로의 결합에 의한 광자들의 수신(acceptance)을 방해한다.
일반적으로, 발광 다이오드들은 적당한 양의 빛이 광섬유에 결합되도록 충분한 빛을 발생시키기 위해 큰 구동 전류를 필요로 한다. 개선된 효율들로, 더 적은 전류가 필요하고, 그러므로 더 적은 열이 발생된다. 그래서, 개선된 효율을 지닌 발광 다이오드는 상업적인 이용을 위한 발광 다이오드의 더 큰 응용성을 발생시킨다.
그러므로 종래기술에 내재된 위에서 언급한 결함들 및 다른 결함들을 개선하는 것이 크게 유리할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 발광 다이오드들에서 개선들을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 개선된 발광 특성들과 개선된 효율을 지닌 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 개선된 광학 결합을 위해 광자들의 감소된 출력 각도를 지닌 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 발광 다이오드의 부분 측면도.
도 2는, 광자 리사이클링을 예시하는, 도 1에 예시된 발광 다이오드의 부분의 확대된 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 기판 14 : 미러 스택
16 : 활성층 18 : 클래드층
간단히 설명하면, 양호한 실시예에 따라 본 발명의 요구되는 목적을 이루기 위해서, 광자 리사이클링(photon recycling)을 지닌 마이크로 공동 발광 다이오드가 제공되며, 발광 다이오드는, 기판위에 위치된 반도체 재료의 적어도 한 층을 갖는 기판, 상기 재료의 층위에 위치된 제 1 도전형의 제 1 클래드층, 제 1 클래드 영역위에 위치된 활성 영역, 상기 활성 영역위에 위치된 제 2 도전형의 제 2 클래드층, 일반적으로 수직인 측면들과 상부 표면을 갖는 메사를 재료의 층위에 형성하는 상기 제 1 클래드층, 상기 활성 영역 및, 상기 제 2 클래드층 및, 발광 다이오드에 대한 제 1 전기적 접점을 형성하기 위해 상기 상부 표면을 부분적으로 덮고 절연 재료층위에 위치되는 전기적으로 도전성이고 광 반사인 시스템을 포함하며, 상기 전기적으로 도전성이고 광 반사인 시스템은 매사의 표면상에 중앙으로 위치된 발광 개구(opening)를 정의하고, 상기 매사는 상기 개구의 지름 치수보다 2배 내지 10배 더 큰 범위에 있는 지름 치수를 갖는다.
본 발명의 전술한 목적과 또다른 목적 및 특정한 목적과 장점들은 도면들과 결합되어 취해진 양호한 실시예의 다음의 상세한 서술로부터 당 분야에 익숙한 기술자들에게 즉시 분명하게 될 것이다.
몇몇 도면들을 통해 동일한 참조부호가 대응하는 부분들을 표시하는 도면들로 가서, 일반적으로 (10)으로 지정된 발광 다이오드(LED)를 예시하는 도 1을 본다. 본 발명의 장치는 적어도 한 층으로 이루어지며, 본 실시예에서는 다수의 층이 적합한 재료의 기판(12)상에 형성된다. 일반적으로, 다양한 층들이 에피택셜 증착으로 형성되며, 이 에피택셜 증착은 MBE, MOCVD, CBE등과 같은 당 분야에 잘 알려진 기술들에 의해 이루어진다. 이 기술들은 갈륨 비소(gallium arsenide), 알루미늄 갈륨 비소(aluminum gallium arsenide), 알루미늄 비소(aluminum arsenide), 실리콘, 인듐 갈륨 비소(indium gallium arsenide)등과 같은 재료들의 비교적 얇고 두꺼운 층들의 에피택셜 증착들을 가능하게 한다.
일반적으로, 기판(12)은, 곧 이해될 바와 같이, 기판위에 후속하여 성장된 층들과 조화되는(compatible) 갈륨 비소(GaAs)등이다. 본 특정한 실시예에서 n형의 도전형인, 제 1 도전형을 갖는 브래그 미러들(Bragg mirrors)의 미러 스택(mirror stack)(14)이 기판(12)의 상부 표면상에 성장한다. 버퍼층과 같은, 중간층 또는 중간층들이 기판(12)의 일부로서 포함될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 미러 스택(14)은, 예를 들어, 기판(12)상에 교대하는 굴절률들을 지닌 반도체 재료의 층들의 복수의 쌍을 에피택셜로 성장시켜서, 일반적으로 형성된다. 교대하는 층들의 각각의 쌍은 소정의 두께(동작 주파수에서 약 1/2 파장)로 성장되고, 쌍들의 수는, 실용적인 수로 스택을 제한하면서, 가능한한 빛의 큰 반사율을 제공하도록 선택된다. 양호한 실시예에서, 본 명세서에서 후속해서 서술된 목적들을 위해 약 30 쌍의 층들이 이용된다.
배리어(barrier)층들에 의해 분리되는 하나 이상의 양자 우물들(quantum wells)을 일반적으로 포함하는 활성 영역(16)은, 그 어느 쪽 측면상에도 스페이서 또는 클래드층을 지니고, 미러 스택(14)상에서 성장된다. 양자 우물들, 배리어층들 및, 클래드층들은 에피택셜로 성장된다. 양자 우물들은, 그 양단에 인가된 전류에 의해 적절하게 전압이 가해질 때, 잘 알려진 현상에 따라 광자들(빛)을 생성한다. 일반적으로, 활성 영역(16)에 인가된 전류가 클수록 발생되는 광자들의 수도 많다.
양호한 실시예에서, 한 층이 미러 스택(14)상에 증착되고 발광 다이오드(10)에서 제 1 도전형의 클래드층(18)을 형성한다. 클래드층(18)은 불순물에 의해 낮게 도핑되어 제 1 도전형을 생성한다. 도핑되지 않은 재료의 3개의 층들(20)은 협력하여 발광 다이오드(10)의 활성 영역(16)을 제공한다. 바라는 바와같이 부가적인 양자 우물들을 제공하기 위해 부가적인 층들이 부가될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 활성 영역(16)의 상부 표면상에 제 2 클래드층이 증착되고, 불순물로 낮게 도핑되어 제 2 도전형을 생성한다. 활성 영역(16)을 형성하는 층들(20)과 이 층들의 어느쪽 측면상에도 있는 클래드층들(18과 22)은 발광 다이오드(10)의 광 발생부를 형성한다. 층들(18, 20 및, 22)은 일반적으로 발광 다이오드의 공동(cavity)이라 칭하는 것을 형성하며 발광 다이오드(10)의 광 발생부이다. 발광 다이오드(10)의 본 실시예에서, 공동은, 얇고 낮게 도핑된 클래드층들을 이용하여, 매우 짧게 이루어져, 내부 프리(free) 캐리어 손실이 작고, 그에 의해 효율을 증가시킨다. 미러 스택(14)과 활성 영역(16)의 형성은 당 분야에서 잘 알려져 있으며 본 실시예에서는 더 상세히 설명하지 않을 것이다.
클래드층(18과 22)과 활성 영역(16)은 종래의 에칭 기술들에 의해 미러 스택(14)상의 메사(24)로 형성된다. 메사(24)는 상부 표면(26)과 실질적으로 수직인 측면들(28)을 갖는다. 미러 스택(14)의 최상부 표면과 메사(24)의 수직인 측면들(28)에는 절연층(30)이 증착된다. 절연층(30)은 실질적으로 실리콘 질화물(SiNx)과 같은 잘 알려진 재료들의 어느것도 될 수 있으며, 메사의 상부 표면을 제외한 임의의 장소로부터 발광 다이오드(10)로 전류가 들어가서 발광 다이오드에 단락(short)을 일으키는 것을 방지한다.
클래드층(22)의 상부 표면상 및, 수직인 측면들(32)과 미러 스택(14)위의 절연층(30)상에, 제 1 금속 접촉층(32)이 증착된다. 제 1 금속 접촉층(32)은 클래드층(22)과 오믹 접촉(ohmic contact)을 형성한다. 본 특정한 실시예에서, 제 1 금속 접촉층(32)은 증착이 용이함을 위해 티타늄 텅스텐(TiW)으로 형성되며 클래층과 조화될수 있는 p형 접촉 금속이다. 본 실시예에서 절연층(3)과 제 1 금속 접촉층(32)은 전기적으로 도전성이고 광 반사인 시스템을 형성한다. 그러나, 다른 응용들에서 전기적으로 도전성이고 광 반사인 시스템은, 메사의 측면들상의 반사 재료, 상부 표면상의 전기적으로 도전성이고 반사하는 재료, 또는 몇몇 다른 변형들도 포함할 수 있다.
제 1 금속 접촉층(32)은 상부 표면(26)상의 중앙으로 위치된 발광 개구(34)를 제외한 발광 다이오드(10)의 전체 상부 표면과 측면들 위에(절연층(30)의 바깥 측면상에) 증착된다. 제 1 금속 접촉층(32)과 미러 스택(14)은 발광 개구(34)를 통해 빛이 나갈때까지 모든 방향으로 빛(광자들)을 반사하도록 반사 공동(cavity)을 형성한다. 발광 개구(34)는 발광 다이오드의 결합 효율(coupling efficiency)을 증가시키는 광자들의 방출을 일으키는 광자 방출 각도를 제한한다. 발광 개구(34)는 메사(24)의 상부 표면보다 현저히 작으며, 메사(24)의 상부 표면은 발광 개구(34)의 직경 치수보다 2 내지 10배 더 큰 직경 치수를 갖는다. 발광 개구(34)의 상대적 크기들와 메사(24)의 크기(상부 표면 및 깊이)를 조절하는것은 리사이클링 이벤트들의 평균 수와 장치의 광자 수명(photon lifetime)을 조절하는 것을 허용한다. 또한, 상부 메사 표면의 더 큰 영역이 제 1 금속 접촉층(32)에 의해 접촉되기 때문에, 더 좋은 전기 접촉이 제공되고 발광 다이오드에서의 더 좋은 전류 분배가 구현된다.
기판(12)의 하부 표면상에 제 2 접촉층(36)이 증착된다. 제 2 접촉층(36)은 n형 금속으로 도시되어 있으며, 제 1 금속 접촉층(32)와 반대의 접촉이 된다. 제 1 금속 접촉층(32)와 제 2 금속 접촉층(36) 사이에서 통과된 전류는 위에서 언급한 바와 같이 활성 영역(16)내에 광자를 발생한다. 제 2 금속 접촉층(36)은, 기판(12)과 미러 스택(14)사이와 같은, 요구되는 바와같은 다른 위치들에 위치될 수 있다. 제 2 접촉층(36)은 광 반사 특성을 가질 필요가 없으므로, 금속 대신에 높게 도핑된 반도체 재료가 될 수 있다.
동작에서, 활성 영역(16)으로 주입된 캐리어들의 재결합(recombination)에 의해 광자들이 발생된다. 기판(12)의 표면에 수직으로 진행하는 많은 광자들은 미러 스택(14)과 제 1 금속 접촉층(32)에 의해 정의된 광학 모드로 효율적으로 결합할 수 있다. 환언하면, 일반적으로 기판(12)에 수직이고 중앙에서 발생되는 광자들은, 발광 개구(34)를 통해 방출될 것이다. 각도를 가지고 발생되거나 또는 중앙에서 발생되지 않는 광자들이 도 2에 도시된 바와 같이 활성 영역(16)으로 되돌려져 반사될 것이다. 그다음에, 반사된 광자들은 활성 영역(16)으로 흡수되어, 광 리사이클링 처리로 잘 알려진 처리에서, 다른 방향으로 재방출된다. 이 처리는 광자가 발광 개구(34)를 통해 방출될 때까지 계속된다.
광자 리사이클링 처리가 효율적으로 작용되기 위해서, 프리 캐리어 흡수와 산란(scattering) 손실이 최소로 되어야 한다. 이것은, 위에서 언급한 바와 같이클래드층들(18과 22)을 얇고 단지 낮게 도핑되게 함으로써, 그리고 높은 반사율을 위해 수신(acceptance) 각도가 크게 되도록 미러 스택(14)에서 충분한 미러 쌍들을 이용함으로써 달성된다. 양호한 실시예에서는 약 30 개의 미러쌍들이 이용되어, 모든 입사각들 <16도에 대해 》 99%의 반사율을 제공한다. 그래서, 높은 효율을 지니고, 광학 시스템들로의 결합을 증가시키며, 또한 눈에 보이는 효율을 증가시키는 광자 출력각을 지닌 발광 다이오드가 제공된다.
당 분야에 익숙한 기술인은 본 명세서에서 예시의 목적으로 선택된 실시예들을 다양하게 변화들 및 수정들을 할 수 있다. 그러한 변화들 및 수정들이 본 발명의 정신으로부터 벗어나지 않는 한도까지, 변화들 및 수정들은 다음의 청구항들의 올바른 해석에 의해서만 평가되는 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
당 분야에 익숙한 기술인들이 본 발명을 이해하고 실행할 수 있도록 분명하고 간결한 용어들로 본 발명을 기재하였다.
개선된 발광 및 효율을 지닌 발광 다이오드(LED)를 제공한다.

Claims (3)

  1. 광자 리사이클링을 지닌 마이크로 공동 발광 다이오드(microcavity LED)로서,
    기판 위에 위치된 재료의 적어도 한 층을 갖는 상기 기판;
    상기 재료의 층위에 위치된 제 1 도전형의 제 1 클래드층;
    상기 제 1 클래드 영역위에 위치된 활성 영역;
    상기 활성 영역위에 위치된 제 2 도전형의 제 2 클래드층;
    일반적으로 수직인 측면들과 상부 표면을 갖는 메사를 상기 재료의 층 위에 형성하는, 상기 제 1 클래드층, 상기 활성 영역 및, 상기 제 2 클래드 층; 및
    상기 메사의 수직인 측면들 위에 위치하고, 상기 발광 다이오드에 대한 제 1 전기적 접점을 형성하도록 상기 상부 표면을 부분적으로 덮는, 전기적으로 도전성이고 광 반사인 시스템(electrically conductive and light reflective system)으로서, 상기 전기적으로 도전성이고 광 반사인 시스템은 상기 메사의 표면위에 중앙으로 위치된 발광 개구를 정의하며, 상기 메사는 상기 개구의 직경 치수보다 1배 더 큰 상기 표면의 직경 치수를 갖는, 상기 전기적으로 도전성이고 광 반사인 시스템을 포함하는, 광자 리사이클링을 지닌 마이크로 공동 발광 다이오드.
  2. 광자 리사이클링을 지닌 마이크로 공동 발광 다이오드로서,
    기판위에 위치된 재료의 적어도 한 층을 갖는 상기 기판;
    상기 재료의 층위에 위치된 제 1 도전형의 제 1 클래드층;
    상기 제 1 클래드 영역위에 위치된 활성 영역;
    상기 활성 영역위에 위치된 제 2 도전형의 제 2 클래드층;
    일반적으로 수직인 측면들과 상부 표면을 갖는 메사를 상기 재료의 적어도 한 층위에 형성하는, 상기 제 1 클래드층, 상기 활성 영역 및, 상기 제 2 클래드층;
    상기 메사의 수직인 측면들 위에 위치된 절연재료의 층; 및
    상기 절연 재료의 층위에 위치하고, 상기 발광 다이오드에 대한 제 1 전기적 접점을 형성하기 위해 상기 상부 표면을 부분적으로 덮는, 전기적으로 도전성이고 광 반사인 층으로서, 상기 전기적으로 도전성인 층은 상기 메사의 표면위에 중앙으로 위치된 발광 개구를 정의하고, 상기 메사는 상기 개구의 직경 치수보다 1배 더 큰 상기 표면의 직경 치수를 갖는, 상기 전기적으로 도전성이고 광 반사인 층을 포함하는, 광자 리사이클링을 지닌 마이크로 공동 발광 다이오드.
  3. 광자 리사이클링을 지닌 마이크로 공동 발광 다이오드에 있어서,
    기판;
    상기 기판위에 위치된 미러 스택(mirror stack);
    상기 미러 스택위에 위치된 제 1 도전형의 제 1 클래드층;
    상기 제 1 클래드 영역위에 위치된 활성 영역;
    상기 활성 영역위에 위치된 제 2 도전형의 제 2 클래드층;
    일반적으로 수직인 측면들과 상부 표면을 갖는 메사를 상기 미러 스택위에 형성하는, 상기 제 1 클래드층, 상기 활성 영역 및, 상기 제 2 클래드층;
    상기 메사의 수직인 측면들위에 위치된 절연 재료의 층; 및
    상기 절연 재료의 층위에 위치하고, 상기 발광 다이오드에 대한 제 1 전기적 접점을 형성하기 위해 상기 상부 표면을 부분적으로 덮는, 전기적으로 도전성이고 광 반사인 층으로서, 상기 전기적으로 도전성인 층은 상기 메사의 표면위에 중앙으로 위치된 발광 개구를 정의하고, 상기 메사의 표면은 상기 개구의 직경 치수보다 2 내지 10배 큰 범위의 직경 치수를 갖는, 상기 전기적으로 도전성이 광 반사인 층을 포함하는, 광자 리사이클링을 지닌 마이크로 공동 발광 다이오드.
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