파장-변환 반도체 발광 장치 document_id A220623053889

발광 다이오드(LED), 공진 공동 발광 다이오드(RCLED), 수직 공동 레이저 다이오드(VCSEL) 및 단면 발광 레이저를 포함하는 반도체 발광 장치는 현재 이용가능한 가장 효율적인 광원들 중의 하나이다. 가시 스펙트럼 전역에 걸쳐 동작할 수 있는 고휘도 발광 장치의 제조에서 현재 주목받는 재료 시스템은 III-V족 반도체, 특히, III-질화물 재료라고도 칭해지는 갈륨, 알루미늄, 인듐과 질소의 2원, 3원 및 4원 합금, 및 III-인화물 재료라고도 칭해지는 갈륨, 알루미늄, 인듐과 인의 2원, 3원 및 4원 합금을 포함한다. 통상적으로, III-질화물 발광 장치는 금속-유기 화학 증착(MOCVD), 분자 빔 에피택시(MBE) 또는 다른 에피텍셜 기술에 의해 사파이어, 탄화규소, III-질화물 또는 다른 적합한 기판 상에 상이한 조성 및 도펀트 농도의 반도체 층의 스택을 에피택셜 성장시킴으로써 제조된다. 스택은 흔히, 기판 위에 형성된, 예를 들어 Si로 도핑된 하나 이상의 n형 층, 이 n형 층 또는 층들 위에 형성된 발광 또는 활성 영역, 및 이 활성 영역 위에 형성된, 예를 들어 Mg로 도핑된 하나 이상의 p형 층을 포함한다. 도전성 기판 상에 형성된 III-질화물 장치는 장치의 반대측 상에 형성된 p-접촉부 및 n-접촉부를 가질 수 있다. 흔히, III-질화물 장치는 장치의 동일측 상에 2개의 접촉부가 있는, 사파이어와 같은 절연 기판 상에 제조된다. 그러한 장치는 (에피택시-업(epitaxy-up) 장치로 알려져 있는) 접촉부를 통해 또는 (플립 칩(flip chip) 장치로 알려져 있는) 접촉부 맞은 편의 장치의 표면을 통해 광이 추출되도록 실장된다. 도 1은 미합중국 특허 제6,650,044호에서 더욱 상세하게 설명된 III-질화물 플립 칩 장치의 한 예를 도시한 도면이다. LED(2)는 제1 도전형의 제1 반도체 층(10) 및 제2 도전형의 제2 반도체 층(12)을 포함한다. 반도체 층(10 및 12)은 활성 영역(14)에 전기적으로 결합된다. 활성 영역(14)은 예를 들어, 층(10 및 12)의 계면과 관련된 p-n 접합이다. 대안적으로, 활성 영역(14)은 n형 또는 p형 도핑되거나, 또는 도핑되지 않은 하나 이상의 반도체 층을 포함한다. 선택적인 투명 상층(superstrate)(16)은 반도체 층(10) 상에 배치된다. 접촉부(18 및 20)는 각각 반도체 층(10 및 12)에 전기적으로 결합된다. 활성 영역(14)은 접촉부(18 및 20) 양단에 적합한 전압을 인가하면 광을 방출한다. 상호접속부(22 및 24)는 각각 접촉부(18 및 20)를 기판 접촉부(26 및 28)에 전기적으로 결합시킨다. 한 구현에서, 반도체 층(10 및 12) 및 활성 영역(14)은 AlxInyGaz,N 화합물과 같은 III-질화물 화합물로부터 형성되고, 활성 영역(14)은, 예를 들어 약 470 nm의 파장에서 청색 광을 방출한다. 선택적인 투명 상층(16)은, 예를 들어 사파이어 또는 탄화규소로부터 형성된다. 기판(4)은 예를 들어, 실리콘을 포함한다. 미합중국 특허 제6,650,044호의 컬럼 3, 라인 40-63을 참조하기 바란다. III-질화물 LED 구조는 사파이어의 높은 온도 안정성 및 상대적인 제조 용이성으로 인해 흔히 사파이어 기판 상에 성장된다. 사파이어 기판의 사용은 반도체 층들과 기판 사이의 계면에서의 큰 굴절률 차이로 인해 불량 추출 효율을 초래할 수 있다. 광이 2가지 재료 사이의 계면 상에 입사될 때, 굴절률 차이는 얼마나 많은 광이 그 계면에서 전체적으로 내부로 반사되는지, 그리고 얼마나 많은 광이 그 계면을 통해 투과되는지 결정한다. 굴절률 차이가 클수록, 더 많은 광이 반사된다. 사파이어의 굴절률(1.8)은 사파이어 상에 성장된 III-질화물 장치 층들의 굴절률(2.4)에 비해 낮다. 그러므로, III-질화물 장치 층들 내에서 생성된 광이 반도체 층들과 사파이어 기판 사이의 계면에 도달할 때 그러한 광의 대부분이 반사된다. 전체적으로 내부로 반사된 광은 반드시 산란되고, 추출되기 전에 장치를 통해 많은 통로를 만든다. 이러한 많은 통로는 접촉부에서의 광 손실, 프리 캐리어(free carrier) 흡수, 및 III-질화물 장치 층들의 임의의 층 내의 대역간 흡수로 인해, 광의 상당한 감쇠를 초래한다. III-질화물 재료의 굴절률과 더욱 가깝게 일치하는 굴절률을 갖는 다른 성장 기판의 사용은 광 손실을 감소시킬 수 있지만, 일반적으로 완전히 제거하지는 못할 것이다. 이와 마찬가지로, III-질화물 재료와 공기 사이의 큰 굴절률 차이로 인해, 성장 기판의 제거도 또한 광 손실을 제거하지는 못할 것이다.