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KR19980070127A - 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드 - Google Patents

하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드 Download PDF

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KR19980070127A
KR19980070127A KR1019970065344A KR19970065344A KR19980070127A KR 19980070127 A KR19980070127 A KR 19980070127A KR 1019970065344 A KR1019970065344 A KR 1019970065344A KR 19970065344 A KR19970065344 A KR 19970065344A KR 19980070127 A KR19980070127 A KR 19980070127A
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KR
South Korea
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light emitting
emitting diode
inorganic semiconductor
semiconductor light
layer
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KR1019970065344A
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Inventor
보자추크쥬니어네스토에이.
구하수프라틱
하이트리차드앨런
Original Assignee
제프리엘.포먼
인터내셔날비지네스머신즈코포레이션
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Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명은 신규한 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드를 제공한다. 본 발명의 디바이스는 전자 발광층(electroluminescent layer) 및 광 발광층(photoluminescent layer)으로 구성되어 있다. 전자 발광층은 무기물 GaN 발광 다이오드 구조로 이 발광 다이오드 구조에서는 디바이스가 동작될 때 전자기 스펙트럼의 청색 또는 자외선(ultraviolet: uv) 영역에서 발광한다. 광 발광층은 GaN LED 상에 증착되고, 높은 광 발광 효율을 갖는 트리스-(8-히드록시퀴놀린)알루미늄(Alq3)과 같은 광 발광 유기물 박막이다. 전자 발광 영역으로부터 나오는 uv선 방출은 녹색에서 광 발광하는 Alq3를 여기(excite)시킨다. 이러한 광변환(photoconversion)은 결과적으로 녹색(가시광선 영역)에서 동작하는 발광 다이오드를 형성한다. Alq3를 적절히 도핑하면 청색 또는 적색과 같은 다른 색들이 얻어진다. 또한, Alq3 이외에도 다른 발광 유기물들이 uv 또는 청색을 관심 대상이 되는 다른 파장으로 직접 변환시키는데 사용될 수 있다. 본 발명은 방출 파장을 변화시키기 위해 그 구조 전체를 재설계(redesign)해야 할 필요가 없기 때문에 단순화 및 제조의 용이성이라는 잇점을 제공함은 물론, 방출층의 증착을 공간적으로 변화시켜 디스플레이를 제조할 수 있다는 잇점을 제공한다.

Description

하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드
본 발명은 일반적으로 전자 발광 다이오드(electroluminescent diodes)에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 유기물 및 무기물 반도체 발광 재료를 조합하여 하이브리드형 발광 다이오드 구조의 구성물에 관한 것이다.
GaAs 및 GaN과 같은 무기물 반도체 재료만으로 이루어진 종래의 발광 다이오드(light emitting diodes: LEDs)의 구성물은 맥그로우힐 출판사가 1995년에 발행한 Handbook of Optics의 제 12장(R.H. Haitz 등의 Light Emitting Diodes) 및 Nakamura 등이 1994년에 발표한 Appln. Phys. Lett.64, 1687에 실린 논문에 광범위하게 기술되어 있다. 유기물 재료만으로 이루어진 발광 다이오드도 또한 C.W.Tang 등이 1989년에 발표한 J. Appln. Phys.65, 3610에 실린 논문 및 C.W.Tang의 Society for Information Display(SID) Digest, 181 (1996)에 실린 논문에 기술되어 있다.
현재 반도체 발광 다이오드는 널리 사용되고 있다. 그러나, 청색, 녹색, 및 적색의 강한(robust) 발광 다이오드의 사용이 가능하지만, 서로 상이한 색(color)을 만들어 내기 위해서는 별도의 구조, 재료, 및 성장 프로세스들이 필요하며 그 결과 완전히 상이한 디바이스들을 필요로 한다. 청색 및 녹색 발광 다이오드는 InGaAlN의 합금으로 이루어지는데, 각각의 색은 서로 다른 고유의 합금 조성(alloy composition)을 필요로 한다. 적색 발광 다이오드는 전혀 상이한 물질(compound)인 InGaAsP로 이루어진다.
유기물만으로 된 발광 다이오드(fully organic LEDs: OLEDs)는 단순히 광학적으로 활성 상태인 유기물 전자 발광층(organic electroluminescent layer)에 염료(dyes)를 미량(minute amounts) 첨가함으로써 청색을 적색/오렌지색으로 변화시킬 수 있다는 장점을 제공한다. 또 다른 방법으로는, 방출된 광을 더 긴 파장으로 변환시키는 색 변환기(color converters)의 역할을 하는 유기물 재료로 OLED를 코팅함으로써 색 변환이 이루어질 수 있다. 그러나, OLEDs는 기본적인 광원으로 사용하기에는 제한이 있는데, 이러한 제한은 전기적인 동작이 이루어지는 동안 다이오드 성능이 열화되는 문제와 효율이 높은 청색 발광 재료의 사용이 불가능하다는 점에서 비롯된다. 또 다른 제한은 후속 공정에 대한 유기물 OLEDs의 민감도(sensitivity) 문제로 이러한 유기물 OLEDs은 통상 100℃ 이상의 온도에 견딜 수 없으며 또한 물과 같은 용매에 용해되지 않는다. 상술한 제한들로 인해 더 강한 OLEDs가 요구된다.
본 발명은 신규한 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드(hybrid organic-inorganic semiconductor diode)를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 디바이스는 전자 발광층(electroluminescent layer) 및 광 발광층(photoluminescent layer)으로 구성되어 있다. 전자 발광층은 무기물 GaN를 기반으로 한 발광 다이오드 구조로 이 발광 다이오드 구조에서는 디바이스가 동작될 때 전자기 스펙트럼의 청색 또는 자외선(ultraviolet: uv) 영역에서 발광한다. 광 발광층은 GaN LED 상에 증착되고, 높은 광 발광 효율을 갖는 광 발광 유기물 박막이다. 이러한 예 중의 하나가 (보통 Alq3 또는 AlQ라고 부르는) 트리스-(8-히드록시퀴놀린) 알루미늄이다. 전자 발광 영역으로부터 나오는 uv선 방출은 녹색에서 광 발광하는 Alq3를 여기(excite)시킨다. 이러한 광변환(photoconversion)은 결과적으로 녹색(가시광선 영역)에서 동작하는 발광 다이오드를 형성한다. 또 다른 예로는 4-디시아노메틸렌-2-메틸-6(p-디메틸아미노스티릴)-4H-피렌 염료가 있으며, 줄여서 DCM이라고 한다. 이 재료는 청색광과 오렌지색-적색 광 발광을 흡수할 수 있다. 따라서, (S. Nakamura 등이 1994년에 발표한 Appln. Phys. Lett.64, 1687에 실린 논문에 기술되어 있는 바와 같이 활성 영역(active region)이 Zn이 도핑된 Ga0.94In0.06N으로 이루어진 다이오드에서 얻어질 수 있는) 전자 발광이 청색 영역 내에서 일어나는 GaN을 기반으로 한 다이오드 구조가 사용될 수 있으며, 이러한 다이오드 구조에 DCM 박막을 코팅하면 적색광 방출을 얻을 수 있다. 유기물 호스트(organic host)를 소량의 유기물 도펀트(dopant)로 도핑하면 더 높은 광 발광 효율이 얻어질 수 있다. 본질적으로, 상이한 발광 유기물 도펀트-호스트 조합들이 청색/uv 전자 발광을 녹색 및 적색과 같이 우리가 관심을 갖는 다른 파장으로 직접 변환시키는데 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 무기물/유기물 하이브리드에 의해 발광 다이오드의 현재 기술 수준에 대한 중요한 개선이 이루어질 수 있는데, 이러한 본 발명의 하이브리드에서는 GaN, 또는 Al, In, 및 N를 갖는 GaN 합금으로 제조된 강한(robust) 디바이스가 uv 내지 청색광을 발생시키고, 이러한 uv 내지 청색광은 GaN LED 상에 증착된 유기물 염료층에 의해 450nm 내지 700nm 범위의 가시광선 주파수로 효율적으로 변환된다.
이러한 발광 다이오드는 그 발광 다이오드 방출광의 색을 변화시키기 위해 적절한 방출층이 모듈 형식으로 부가될 수 있는 uv 내지 청색광 발생기(generator)(무기물 GaN층)가 되는 기본 구조 또는 기본 골격(skeleton)으로 구성되어 있다. 이것은 방출 파장을 변화시키기 위해 상기 기본 구조 전체를 재설계(redesign)해야 할 필요가 없기 때문에 단순화 및 제조의 용이성이라는 잇점을 제공함은 물론, 방출층의 증착을 공간적으로 변화시켜 디스플레이를 제조할 수 있다는 잇점을 제공한다.
상기한 본 발명의 장점 및 기타 장점들은 첨부 도면과 관련하여 후술하는 상세한 설명으로부터 더욱 명백하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 하이브리드형 LED의 기본 구조의 개략적인 단면도.
도 2는 도 1의 기본 구조에 대한 다른 실시예의 개략적인 단면도.
도 3은 색 변환기층을 갖지 않는 본 발명의 GaN 발광 하이브리드형 다이오드의 동작으로부터 얻어지는 방출 스펙트럼을 도시한 도면.
도 4는 색 변환기층으로 400nm 두께의 Alq3층을 갖는 본 발명의 GaN 하이브리드형 발광 다이오드의 동작으로부터 얻어지는 방출 스펙트럼을 도시한 도면.
도 5는 청색 발광 InGaAlN 다이오드, 및 4-디시아노메틸렌-2-메틸-6(p-디메틸아미노스티릴)-4H-피렌 염료(DCM)로 구성된 (오렌지색 내지 적색으로의) 색 변환 유기물 박막으로 이루어진 하이브리드형 LED의 개략도.
도 6a 및 도 6b는 청색 InGaAlN 다이오드 및 도 5의 색 변환 하이브리드형 DCM/InGaAlN 디바이스의 하나의 전자 발광 스펙트럼을 도시한 도면.
도 6c는 광 발광층이 2% DCM으로 도핑된 쿠마린(coumarin) 6으로 이루어진 본 발명의 하이브리드형 LED로부터 얻어진 전자 발광 스펙트럼을 도시한 도면.
도 6d는 광 발광층이 2% DCM으로 도핑된 쿠마린(coumarin) 7로 이루어진 본 발명의 하이브리드형 LED로부터 얻어진 전자 발광 스펙트럼을 도시한 도면.
도 7a 및 도 7b는 다중색(multicolor) 하이브리드형 유기물/무기물 LED 픽셀의 2가지 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 8은 모놀리식 규소를 기반으로 한 디스플레이 드라이버를 갖는 본 발명의 하이브리드형 발광 다이오드를 사용하는 픽셀화(pixelate)된 풀 칼러(full color) 디스플레이 어레이의 예를 도시한 도면.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 디바이스
12, 14 : GaN층
16, 18, 82, 84 : 전기 접촉부
20, 36 : 박막층
21, 34, 72 : 기판
32, 52, 62 : 다이오드
56, 58, 64, 66, 68 : 변환기
70 : 풀 컬러 디스플레이
80 : 트렌치
86, 92 : 웨이퍼
88, 90 : 금속 접촉부
도 1은 간단한 색 변환기인 Alq3로 코팅된 사파이어 기판(sapphire substrate) 상에서 성장된 GaN을 기반으로 한 uv 발광 다이오드 구조를 포함하는 본 발명 디바이스의 기본적인 실시예를 도시하고 있다. 상기 디바이스 (10)은 이하에서 설명하는 방식으로 성장되는 n형으로 도핑된 GaN층 (12)과 그 위에 형성된 p형으로 도핑된 GaN층 (14)로 이루어져 있다. 사파이어 웨이퍼가 분자빔 에피택시 성장 체임버 내로 도입되어 750℃까지 가열된다. 그 후, 알루미늄(Al)을 열증착시키고 또한 여기(excite)된 질소 원자 또는 분자들(고주파 전원(radio frequency source)에 의해 여기됨)의 플럭스를 기판으로 지향시킴으로써 10nm 두께의 AlN 핵형성층(nucleation layer)(도시되지 않음)의 성장이 이루어진다. AlN 핵형성층의 성장이 이루어진 후, Ga 및 Si를 열증착시키고 또한 여기된 질소 플럭스를 사용함으로써 Si로 도핑된 n형 GaN층의 성장이 이루어진다. 그 다음에는, 열증착되는 Mg으로 도핑된 p형 GaN층의 성장이 이루어진다. 이러한 성장의 결과 1.2미크론의 p형으로 도핑된 GaN/1.4미크론의 n형으로 도핑된 GaN/10nm AlN/사파이어 기판으로 이루어진 구조가 형성된다. 본 명세서에서 사용되는 GaN이라는 표현은 화합물 GaxAl yIn1-x-yN을 줄여서 나탄낸 것이다.
상기 구조가 성장한 다음에는, Ni/Au/Al을 전자빔 진공 증착시켜 p-층 (14)에 대한 전기 접촉부 (16)을 만든다. 그 후, 디바이스 구조의 일부가 반응성 이온 에칭(reactive ion etching: RIE)법에 의해 제거되어 n형으로 도핑된 영역 (12)를 노출시켜 제 2 전기 접촉부 (18)을 형성한다. 그 후 디바이스를 진공 체임버에 도입시키고, 디바이스 상에 (150nm 내지 1미크론 두께의) Alq3의 박막층 (20)을 열증착으로 증착시킨다. 도 1에서, Alq3는 사파이어 기판 (21) 상에 증착된다. Alq3 (20)(광 발광층)은 GaN LED로부터 방출되는 380nm의 광을 530nm의 광으로 변환시킨다.
Si 기판의 경우와 같이 기판이 투명하지 않은 경우에는, 광 발광 유기물 박막층 (20)이 도 2에 도시된 바와 같이 GaN 상에 직접 증착될 수 있다. 도 2에서는, 박막층 (20)이 광을 투과시키기 위해 도 1에 도시된 디바이스의 경우보다 더 얇다.
접촉부 (16) 및 (18)을 통해 전류를 통과시켜 디바이스 (10)이 동작되면, GaN 구조는 영역 (17)에서 전자 발광하고, 광방출은 380nm에서 피크값을 갖는다. 상기 기술한 GaN 디바이스로부터의 전자 발광이 도 3에 도시되어 있다. 방출 메카니즘은 예를 들어 B. Goldenberg 등이 1993년에 발표한 Appln. Phys. Lett.62, 381에 실린 논문에서 논의된 금속 절연물 반도체(metal insulator semiconductor: MIS)형이거나 또는 Wiley 출판사(뉴욕)가 1981년 발행한 S. M. Sze의 반도체 디바이스 물리학(Physics of Semiconductor Devices)(2판) 제 12장 제 681페이지에 기술된 p-n 접합형일 수 있다. p-n 접합형 방출 메카니즘에서는, n형으로 도핑된 반도체로부터 주입된 전자들과 p형으로 도핑된 반도체로부터 주입된 정공들(holes)이 재결합하여 광자(光子: photons)를 발생시킨다. Alq3가 증착되고, 디바이스가 동작될 경우, GaN로부터의 uv 방출은 Alq3에 의해 흡수되고 Alq3를 여기시키는데, 그 후 이것이 발광을 일으켜 녹색 광을 방출시킨다. 이것은 400nm의 Alq3가 도 1에서와 같은 기판 상에 증착되는 동작 디바이스의 전자 발광 스펙트럼을 보여주는 도 4에 명백히 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 390nm에서의 uv 방출 이외에도 녹색 영역인 530nm에서 넓은 범위의 피크가 나타난다.
두 번째 실시예 (30)이 도 5에 도시되어 있으며, 2.5미크론 두께의 DCM 염료로 이루어진 박막 (36)으로 코팅된 소다회 유리 기판(soda lime glass substrate) (34)를 갖는 것으로 구성된 (일본의 Nichia Chemical Industries사가 제조한) 상업적으로 입수 가능한 InGaAlN 청색광 발광 다이오드 (32)를 포함하고 있다. 용제를 완전히 제거하고, 건조된 유리 기판을 2x10-8torr의 베이스 압력(base pressure)으로 유지되는 진공 체임버 내로 도입하여 DCM 박막 (36)을 유리 기판 상에 증착시킨다. 그리고 나서, 저항을 이용하여 가열되는 열분해 질화 붕소 도가니(pyrolytic boron nitride crucible) 내에 보유되어 있는 DCM 파우더를 열증착시킴으로써 DCM 염료의 플럭스를 기판 (34) 상으로 향하게 한다. 그 후, 증착된 DCM을 유리 기판 상에 발광 박막으로 증착시킨다. 그 다음에, DCM 박막을 갖는 유리 기판을 InGaAlN을 기반으로 한 청색 LED와 근접하여 접촉하도록(즉, DCM 박막 측면이 LED를 마주보도록) 위치시킨다. InGaAlN을 기반으로 한 청색 LED가 켜지면, 청색 전자 발광은 DCM 박막에 의해 흡수되고, 이 DCM 박막은 광여기(光勵起)(photoexcite)되어 오렌지색/적색으로 발광한다. 도 6a는 Nichia InGaAlN 청색 LED의 전자 발광 스펙트럼을 도시하고 있다. 도 6b는 상기 기술한 본 발명의 하이브리드형 디바이스의 전자 발광 스펙트럼을 도시하고 있다. 색 변환이 일어나, 청색광 방출이 흡수되어 디바이스가 오렌지색/적색을 방출한다는 것을 명확히 알 수 있다. 본 발명의 디바이스가 오렌지색/적색 형광(fluorescence)의 원리에 따라 작동되는 것이 실제로 DCM에 의한 것으로 InGaAlN LED 자체의 임의의 오렌지색-적색 성분을 통한 필터링(filtering)에 의한 것이 아니라는 점을 확인하기 위한 추가적인 조사로서, InGaAlN LED의 임의의 오렌지색-적색 성분이 DCM 내를 통과하지 못하도록 차단하기 위하여 520 내지 670nm 파장 범위의 광은 차단하고 405 내지 495nm 파장 범위의 광은 투과시키는 Ealing 쇼트 패스 광필터(short pass optical filter)를 InGaAlN LED와 DCM 박막층 사이에 배치시킨다. 육안에 의해서도 명백히 알 수 있는 바와 같이, DCM은 오렌지색/적색에서 여전히 형광을 발생하는 것으로 관찰된다.
도 1의 실시예에 대한 한 변형예로 Alq3층 (20)을 염료로 도핑된 유기물 호스트 재료(organic host material)로 대체시켜 도펀트의 선택에 따라 다른 파장에로의 광 변환을 가능케하는 것이 있다. 이들 도펀트들로는 스펙트럼 중 청색 및 녹색 영역의 광을 발생시키는 쿠마린(coumarines) 및 로다민(rhodamines), 술포로다민(sulforhodamines), 금속-테트라벤즈 포르포린(metal-tetrabenz porphorines)과 같은 염료, 및 스펙트럼 중 오렌지색 내지 적색 범위의 광을 발생시키는 DCM이 있을 수 있다. 이들 염료의 형광 거동(fluorescence behavior)에 대한 연구가 예를 들어 Tang 등이 1989년에 발표한 J. Appl. Phys.65, 3610에 실린 논문과 독일 괴팅겐 (D-3400)의 Lambda Physik, GmbH가 출판한 Ulrich Brackmann의 Lambdachrome Dyes라는 책에 기술되어 있다.
염료로 도핑된 호스트 재료에 해당하는 경우의 예로는 호스트가 2% DCM으로 도핑된 쿠마린 6{3-2'-벤조티아조릴-7-디에틸아미노쿠마린}이 있다. 이 경우, 쿠마린 6 및 DCM은 소다회 유리 기판(도 5의 층 (34)) 상에 함께 증착(co-evaporate)된다. 이러한 하이브리드형 디바이스로부터 발생되는 전자 발광이 도 6c에 도시되어 있다. 도 6a의 Nichia 전자 발광 스펙트럼과 비교하면, 쿠마린 6/2% DCM 유기물 박막의 경우에 대한 색 하강 변환(color down conversion)(더 낮은 주파수로의 전이)이 명백히 관찰된다. Nichia LED 전자 발광은 460nm에서 나타나는 피크 이외에도 약 530nm 및 590nm에서도 피크가 나타나는 것이 관찰된다. 파장이 520nm 이상인 광방출(radiation)을 억제하는 차단 필터(blocking filter)를 Nichia LED와 유기물 박막 사이에 배치시키면, 530nm에서의 피크는 사라지지만, 590nm에서의 피크는 그대로 남아 있다. 이것은 590nm에서 나타나는 피크는 DCM 도펀트로부터의 형광에 의한 것인 반면, 530nm에서 나타나는 피크는 Nichia 전자방출의 필터링된 긴 파장 성분에 의한 것이라는 것을 보여준다.
호스트가 2% DCM으로 도핑된 쿠마린 7{3-2'-벤즈이미다졸릴-7-N, N-디에틸아미노쿠마린}의 경우로부터 얻어지는 전자 발광 스펙트럼이 도 6d에 도시되어 있다. 이들 구성 성분들도 앞에서와 마찬가지로 함께 증착(co-evaporate)된다. 이 경우, DCM 도펀트로부터 얻어지는 형광에 대응하는 590nm 피크와 함께 약 460nm, 515nm, 및 590nm 부근에서 나타나는 3개의 피크가 관측된다.
호스트 재료 자체는 유기물 박막이 될 수 있는데, 이 유기물 박막은 GaN 다이오드로부터 방출되는 전자 발광에 의한 광방출을 흡수하고, 도펀트에 여기 에너지(excitations)를 전달한다. 이러한 호스트는 (녹색, 적색, 및 청색 발광 도펀트와 함께 사용하기 위한) Alq3 또는 (적색 도펀트와 함께 사용하기 위한) 쿠마린이 될 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 기판 (21)로 사용될 수 있는 적합한 재료로는 사파이어, Si, 및 SiC가 있다.
호스트가 도펀트에 여기 에너지를 효과적으로 전달하기 위해서는, 호스트 방출 스펙트럼과 도펀트 흡수 스펙트럼 간에 양호한 오버랩(good overlap)이 존재하여 호스트 분자 자체의 에너지가 광자 방출에 의해 감소(relax)되지 않아야 한다. 마찬가지로, 도펀트 흡수 스펙트럼과 방출 스펙트럼은 자기 켄칭 효과(self quenching effects)를 피하기 위해 가능한 한 서로 멀리 떨어져야 한다.
실온(room temperature)으로 유지되는 기판에 유기물 박막을 진공 증착시키면 큰 표면 거칠기(surface roughness)를 갖는 박막이 얻어진다. 예를 들어, 실온으로 유지되는 소다회 유리 기판 상에 증착된 2.5미크론 두께의 DCM 박막의 표면 표면 거칠기를 프로파일러(surface profiler)로 측정하면 약 0.5미크론을 나타낸다. 이것은 2가지 이유로 인해 바람직하지 않다. 먼저, 표면이 거친 박막은 유기물 막막을 패터닝(pattering)하는 동안 문제를 일으킨다. 두 번째로, 형광의 산란(scattering)이 증가할 수 있다. 약 77K로 유지되는 기판 상에 박막을 증착하면 표면 거칠기가 감소한다는 사실이 알려져 있다. 예를 들어, 액체 질소로 냉각된 핑거(cold finger) 상의 소다회 유리 기판 상에 쿠마린 6/2% DCM 박막을 증착하면 증착이 일어나는 동안 기판 온도가 77K에 근접하여 증착된 상태에서(as-deposited) 표면 조직(morphology)이 현저하게 개선되고 표면 거칠기가 약 100nm 이하(통상적으로는 50nm)인 빛나는 경면 같은 박막이 생성된다. 진공 체임버로부터 꺼냈을 때는, 박막이 비정질/미세 다결정성(amorphous/finely polycrystalline nature)을 갖는다. 실온에서 몇 시간이 지나면, 소정의 재결정화 또는 (수지상(樹枝狀) 결정 패턴(dendritic patterns)에 의해 알 수 있듯이) 그레인 성장(grain growth)이 일어나는 것이 광학 현미경으로 관측된다. 그러나, 박막의 표면 평탄도(surface smoothness)는 실온에서 증착된 박막에 비해 우수한 상태로 보존, 유지된다.
도 7은 다중색 하이브리드형 LED 픽셀의 2가지 실시예 (50) 및 (60)을 개략적으로 도시하고 있다. 도 7a에서는, InGaAlN 다이오드 (52)가 460nm에서 광을 방출한다. 커버가 없는 영역(uncovered region) (54)에서는, 460nm의 청색광이 방출된다. 적색 (56) 및 녹색 (58) 변환기가 형성되어 있는 영역에서는 적색광 또는 녹색광 중 어느 하나가 방출된다. 원거리 시야에서는 3원색이 백색광으로 존재하기 때문에, 3개 영역이 모두 구동될 경우 픽셀은 우리 눈에 백색으로 보이는 광을 방출한다. 도 7b에서, InGaAlN 다이오드 (62)는 Al및 In의 농도가 (400nm 미만의) uv 영역에서 방출이 일어나도록 조정되는 것으로 나타나 있다. 이러한 uv광은 적색 (64), 녹색 (66), 및 청색 (68) 유기물 색 변환기를 여기시키는데 사용된다.
열증착 대신에, 형광 유기물 염료를 폴리-메틸 메타크릴레이트에 용해시켜 GaN 다이오드 상에 도포(spun)한 후 경화시키는 것이 가능하다. 이러한 기법은 진공 장비를 필요로 하지 않으며 대기 중에서 수행될 수 있다는 점에서 효과적이다.
상술한 장점 이외에도, 본 발명의 하이브리드형 LEDs는 현재 기술 수준의 LEDs에 비해 효율이 상당히 높다. GaN를 기반으로 한 양호한 LEDs는 통상 거의 10%의 높은 월플러그(wallplug) 효율(입력 전력 대 방출된 에너지의 비율)을 갖는다. Alq3의 형광 효율은 약 10% 정도인 반면, 기타 다른 색 변환기 재료들의 효율은 90%를 넘는다(예를 들어, Tang 등의 J. Appl. Phys.65, 3610 (1989); H. Nakamura, C. Hosokawa, 및 J. Kusumoto의 Inorganic and Organic Electroluminescence/EL 96, Berlin, Wissenschaft und Technik Verl., R.H. Mauch 및 H.E.Gumlich eds., 1996, pp. 95-100 참조). 따라서, 본 발명은 약 10%의 월플러그 효율을 달성할 수 있다. 이것은 최대 효율이 3 내지 4%이고 보통은 1%인 것으로 알려져 있는 유기물만으로 된 발광 다이오드(OLEDs)에 비해 훨씬 더 유리하다.
현재 상업적으로 입수 가능한 녹색 및 청색 LEDs는 GaN를 기반으로 한 시스템인 반면, 적색 LEDs는 InGaAlN을 기반으로 한 시스템이다. 상이한 색을 갖는 발광 다이오드를 더욱 간단하고 편리하게 제조하는 해결책을 제시하는 본 발명의 하이브리드형 LED 구조는 전류 수송층(current transporting layers)을 전혀 변화시키지 않고 단지 광 발광층만을 변화시키는 방법으로 상이한 색들을 제공한다.
유기물만으로 된 발광 다이오드(OLEDs)에 비해, 본 발명의 하이브리드형 LEDs는 전류 수송 프로세스가 본 발명 디바이스의 무기물 반도체 부분과 격리(isolate)되어 있기 때문에 유기물층이 전류 수송 활동에 참여하지 않는다는 장점을 제공한다. 따라서, 유기물 부분만이 광 발광층으로 참여한다. 이것은 유기물 LEDs가 공기중에서 전기적 동작(전자 발광)을 하는 동안 열화(劣化)하는 경향이 있기 때문에 특히 효과적이다. 상기 열화 경향은 대기중의 습도가 높을수록 더욱 가속되는 것으로 믿어지고 있으므로, 이러한 문제를 최소화하기 위해서는 광범위한 밀봉/패키징 기법(extensive sealing/packaging techniques)을 사용하여야 한다. 또 다른 한편으로, GaN를 기반으로 한 전자 발광 디바이스는 열화 문제의 영향을 받지 않으며, 따라서 하이브리드형 발광 다이오드에서도 이러한 장점이 나타난다.
또한, 유기물층이 동일한 uv GaN 다이오드의 어레이 상으로 (예를 들어 마스크 세트를 통해) 공간적으로 선택 증착되고 그에 따라 픽셀화된 풀 컬러 LED 디스플레이를 얻을 수 있기 때문에, 본 발명의 하이브리드형 LEDs는 디스플레이 어레이의 제조를 더 용이하게 해준다.
이러한 예가 도 8에 도시되어 있다. 도 8은 규소를 기반으로 한 디바이스 드라어버와 일체화되어 있는 본 발명의 하이브리드형 LEDs의 어레이로 만들어질 수 있는 풀 컬러 디스플레이 (70)의 일부를 도시하고 있다. 도 8은 3원색으로 방출되는 3개의 픽셀로 된 세트를 도시하고 있다. 이러한 기본이 되는 세트를 반복하면 디스플레이 어레이가 얻어진다. 이러한 디스플레이는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다. InGaAlN(이하에서는 III-N으로 부르기로 하며, 여기서 III라는 표시는 Ga, Al, 및 In이 속해 있는 주기율표의 족(column)을 나타냄) LED 구조가 양쪽면이 연마(polish)된 투명 사파이어 기판 (72) 상에 증착된다. LED 구조는 금속 유기물 화학 기상증착 또는 분자빔 에피택시와 같은 표준 에피택셜 성장 기법으로 증착될 수 있으며, 전자 주입을 위해 n형으로 도핑된 III-N층 (74), 전자-정공 재결합에 의해 광을 발생시키기 위한 활성 III-N층 (76), 및 정공 주입을 위해 p형으로 도핑된 III-N층 (78)이 연속적으로 이어진 것으로 구성되어 있다. 활성층의 조성은 자외선광의 방출이 일어나도록 선택된다.
증착이 이루어진 후, 디스플레이를 형성하는 격리된 LED 픽셀들(각 픽셀은 층 (74), (76), 및 (78)로 이루어짐)로 이루어진 어레이들은 반응성 이온 에칭과 같은 표준 에칭 기법에 의해 트렌치 (80)을 에칭함으로써 만들어진다. 웨이퍼를 진공 체임버에 도입하여 적절한 금속을 증착함으로써 p층 (78) 및 n층 (74)에 대한 전기적 접촉부 (82) 및 (84)가 만들어진다. 예를 들어, Au층 및 Ni층은 p층에 접촉하는 접촉부 (82)에 접속하는 금속 접촉부(metallurgy) (90)과의 경계를 정하는데 사용되고, Ti층 및 Al층은 n층에 접촉하는 접촉부 (84)에 접속하는 금속 접촉부 (88)과의 경계를 정하는데 사용될 수 있다. 상부에 LED 어레이를 갖는 사파이어 웨이퍼는 다음과 같이 디바이스 드라이버를 포함하는 Si 웨이퍼 (86)과 일치된다. Si 웨이퍼는 표준 Si 처리 기법에 의해 그 상부에 형성된 드라이버 전자 장치를 포함한다. 드라이버는 III-N LEDs의 n층 접촉부 (84) 및 p층 접촉부 (82)에 접속되는 금속 접촉부 (88) 및 (90)을 통해 개별 LEDs에 전력을 전달하고, 이들 2세트의 전기적 접촉부 (82) 및 (84)는 서로 일치하도록 위치되고, 정렬된다.
마스크 정렬기(mask aligner)를 사용하여 각 웨이퍼의 전기적 접촉부의 측면이 서로 마주보도록 LED 어레이 웨이퍼를 Si 드라이버 웨이퍼 상에 위치시킴으로써 Si 디바이스 드라이버 웨이퍼 (86)과 LED 어레이 웨이퍼 (92) 간에 정렬이 이루어질 수 있다. LED 어레이 웨이퍼의 투명한 사파이어 측면으로부터 광학 현미경을 통해 보면서, 전기적 접촉부를 정렬시키도록 2개의 웨이퍼를 기계적으로 위치시킬 수 있다. 정렬이 이루어진 후, Si 디바이스 드라이버 웨이퍼/LED 어레이 웨이퍼 샌드위치 구조를 압력을 가하면서 가열하면 접촉부들이 영역 (88) 및 (90)에서 확산에 의해 본딩될 수 있다. 확산 본딩된 웨이퍼 샌드위치 구조는 사파이어 기판 측면 (72)에서부터 얇아져서 사파이어 기판의 두께가 약 10 내지 20미크론까지 감소된다. 그 후, 상기 샘플을 진공 체임버에 도입한 후, 청색, 녹색, 및 적색의 유기물 염료들을 사파이어 표면과 근접하여 위치되는 쉐도우 마스크를 통해 증착시키면 이들 유기물 염료들이 사파이어 측면 상으로 증착되어 각각 영역 (94), (96), (98)이 형성된다. 각각의 색 염료가 각 LED 픽셀과 정렬되도록 마스크를 위치시킨다. 유기 염료의 증착이 완료되면, 디스플레이 제조가 완료된다.
상기에서 인용된 논문 및 기타 참고 자료들은 본 발명에 참조되어 본 명세서의 일부를 이룬다.
본 발명의 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드는 방출 파장을 변화시키기 위해 uv 내지 청색광 발생기(generator)(무기물 GaN층)가 되는 기본 구조 전체를 재설계(redesign)해야 할 필요가 없기 때문에 디바이스가 단순하고, 용이하게 제조될 수 있으며, 또한 방출층의 증착을 공간적으로 변화시켜 디스플레이를 제조할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예들에 대해 기술하고 있지만, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 여러 가지 변경이 이루어질 수 있다는 점을 당업자들은 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 여러 가지 재료들이 상술한 본 발명에 사용된 기판으로 사용되거나 개발될 수 있으며, 상이한 어셈블리 기법 및 프로시저가 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (36)

  1. 발광 다이오드에 있어서,
    a) 무기물 전자 발광 재료(inorganic electroluminescent material)로 이루어진 전자 발광층; 및
    b) 유기물 광 발광 재료(organic photoluminescent material)로 이루어진 상부 층(overlying layer)
    을 포함하는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드(hybrid organic-inorganic semiconductor light emitting diode).
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전자 발광층이 하나는 p형으로 도핑되고 다른 하나는 n형으로 도핑된 적어도 2개의 층을 포함하는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 적어도 2개의 층은 방출된 광의 파장을 제어 가능하게 변화시키기 위해 가변 비율(varying ratio)을 갖는 Ga, Al, In, 및 N로 이루어지는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 광 발광층이 전자 발광 영역과 직접 접촉하는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 광 발광층이 상기 전자 발광층과 떨어져 격리(displace)되어 있으나, 전자 발광 영역으로부터 발생되는 광이 상기 광 발광층에 충돌할 수 있는 구조로 되어 있는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 유기물 상부층이 단일 형광 물질(single fluorescent compound)로 이루어지는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 단일 형광 물질이 트리스-(8-히드록시퀴놀린)알루미늄(Alq3)인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 단일 형광 물질이 4-디시아노메틸렌-2-메틸-6(p-디메틸아미노스티릴)-4H-피렌 염료(DCM)인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 유기물 상부층이 형광 물질, 또는 상기 발광 디바이스의 무기물 전자 발광 부분에 의해 방출되는 파장에서 광을 흡수하여 상기 흡수 파장과 다른 파장의 광을 재방출(re-emit)하는 화합물들의 조합으로 이루어지는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 유기물 상부층이 쿠마린(coumarines), 로다민(rhodamines), 술포로다민(sulforhodamines), DCM, 및 금속 포르포린(metal porphorine)으로 이루어진 군에서 선택되는 염료 분자(dye molecules)로 도핑된 호스트 재료(host material)로 이루어지는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 호스트 재료가 쿠마린인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  12. 발광 다이오드에 있어서,
    a) 기판(substrates);
    b) n형으로 도핑된 반도체층;
    c) 전자와 정공(holes)이 재결합하여 광을 방출하는 발광 영역; 및
    d) p형으로 도핑된 반도체층
    이 연속적으로 이어진 것으로 구성되고,
    유기물 광 발광 재료(organic photoluminescent material)로 이루어진 층을 추가로 포함하는
    하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드(hybrid organic-inorganic semiconductor light emitting diode).
  13. 제 12항에 있어서, 상기 광 발광 재료가 상기 발광 영역과 마주보고 있는(opposite) 상기 기판 상에 위치하는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  14. 제 12항에 있어서, p형으로 도핑된 재료 상에 위치하는 전기적 전도성 재료로 이루어진 층 상에 상기 광 발광 재료가 위치하는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 n형으로 도핑된 재료가 규소(Si)로 도핑된 GaN인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  16. 제 12항에 있어서, 상기 p형으로 도핑된 재료가 마그네슘(Mg)으로 도핑된 GaN인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  17. 제 12항에 있어서, 상기 전자 발광 영역이 상기 n형으로 도핑된 층과 p형으로 도핑된 층 사이의 접합부(junction)인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 상기 n형으로 도핑된 층과 p형으로 도핑된 층이 GaxAl yIn1-x-yN인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  19. 제 12항에 있어서, GaxAl yIn1-x-yN으로 이루어진 화학적으로 상이한 별도의 층이 상기 n형으로 도핑된 층과 p형으로 도핑된 층 사이에 위치하는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  20. 제 9항에 있어서, 상기 유기물 상부층이 청색, 녹색, 및 적색의 형광을 발생하는 영역을 보유하도록 패터닝(pattern)되어 풀 컬러 픽셀(full color pixel)을 구성하는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  21. 제 20항에 있어서, 픽셀의 모든 영역이 동시에 발광하여 백색광을 발생시키는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  22. 제 12항에 있어서, 상기 기판이 사파이어, 실리콘 카바이드(silicon carbide), 또는 규소로 이루어진 군으로부터 선택되는 기판인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  23. 제 10항에 있어서, 상기 호스트 재료가 2% DCM으로 도핑된 쿠마린 6인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  24. 제 10항에 있어서, 상기 호스트 재료가 2% DCM으로 도핑된 쿠마린 7인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  25. 제 1항에 있어서, 상기 유기물 광 발광층의 증착된 상태(as-deposited)에서의 표면 거칠기(surface roughness amplitude)가 약 100nm 이하인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  26. 제 1항에 있어서, 상기 유기물 광 발광층이 증착된 상태에서(as-deposited) 비정질/미세 다결정 조직(amorphous/finely polycrystalline morphology)을 갖는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  27. 제 12항에 있어서, 상기 유기물 상부층이 단일 형광 물질(single fluorescent compound)로 이루어지는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 단일 형광 물질이 Alq3인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  29. 제 27항에 있어서, 상기 단일 형광 물질이 DCM인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  30. 제 12항에 있어서, 상기 유기물층이 형광 물질, 또는 상기 발광 디바이스의 무기물 전자 발광 부분에 의해 방출되는 파장에서 광을 흡수하여 상기 흡수 파장과 다른 파장의 광을 재방출(re-emit)하는 화합물들의 조합으로 이루어지는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  31. 제 12항에 있어서, 상기 유기물층이 쿠마린(coumarines), 로다민(rhodamines), 술포로다민(sulforhodamines), DCM, 및 금속 포르포린(metal porphorine)으로 이루어진 군에서 선택되는 염료 분자(dye molecules)로 도핑된 호스트 재료(host material)로 이루어지는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  32. 제 31항에 있어서, 상기 호스트 재료가 쿠마린인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  33. 제 31항에 있어서, 상기 호스트 재료가 2% DCM으로 도핑된 쿠마린 6인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  34. 제 31항에 있어서, 상기 호스트 재료가 2% DCM으로 도핑된 쿠마린 7인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  35. 제 12항에 있어서, 상기 유기물 광 발광층의 증착된 상태(as-deposited)에서의 표면 거칠기(surface roughness amplitude)가 약 100nm 이하인 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
  36. 제 12항에 있어서, 상기 유기물 광 발광층이 증착된 상태에서 (as-deposited) 비정질/미세 다결정 조직(amorphous/finely polycrystalline morphology)을 갖는 하이브리드형 유기물-무기물 반도체 발광 다이오드.
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