IR LED에 대한 짧은 지식

(1) 적외선(IR)

현재 시판되고 있는 적외선 발광 다이오드(LED)로는 GaAs 발광 다이오드(LED), GaAlAs 발광 다이오드(LED), InGaAsP 발광 다이오드(LED) 등이 있다.
적외선 발광 다이오드(LED)는 주로 오토포커스 카메라(Auto-focus Camera), 포토커플러(Photo Coupler) 및 리모콘(Remote Controller) 등의 광원으로 사용되고 있는데, 실리콘(Si) 수광 소자와 조합해서 일반적으로 사용되고 있다. 
GaAs 적외선 발광 다이오드(LED)는 보통 GaAs에서 양성(n형과 p형) 불순물로 사용되는 실리콘(Si)을 불순물로 이용하여 액상성장법(LPE)으로 pn 접합을 형성하게 되는데, 성장 중에 실리콘(Si)은 고온시에서는 n형 불순물로서 온도가 내려가면 p형 불순물로 GaAs 결정 중에 도핑된다. 발광 다이오드(LED)의 파장은 도핑되는 실리콘(Si)의 양에 의해 변하게 되는데, 주로 920∼950nm의 피크(Peak) 파장을 얻게 된다. 
한편, p형 불순물로서 아연(Zn)을 사용하여 확산법으로 pn 접합을 형성하기도 하는데, 아연(Zn)을 불순물로 사용하면 실리콘(Si)을 불순물로 사용한 경우에 비해 그 응답속도는 빨라지지만 발광 강도는 작아진다. 
AlGaAs 적외선 발광 다이오드(LED)는 GaAs보다도 고출력의 발광 다이오드(LED)로서 GaAs 기판 위에 성장된다. GaAs에서와 마찬가지로 AlGaAs에서도 실리콘(Si)은 양성 불순물로서 작용하는데, 이를 이용하여 위의 실리콘(Si) 도핑된 GaAs 발광 다이오드(LED)와 같은 방법으로 AlGaAs 발광 다이오드(LED)를 제작하게 된다. 
GaAs 기판 위에서 액상성장법(LPE)으로 고온에서 서서히 온도를 내리면서 AlGaAs 결정을 성장시키면, AlGaAs 결정 속의 알루미늄(Al)의 비율이 성장 두께 방향으로 차가 생기게 된다. AlGaAs 결정에서 알루미늄(Al) 비율이 커질수록 밴드갭이 커지게 되므로 이로 인한 빛의 흡수 정도가 달라지게 되므로 이러한 성질을 이용하여 효율을 높인 특허[5,181,084(미국)]가 있으며, 여기에서 GaAs 기판을 제거하는 것에 의해 고출력 발광 다이오드(LED)를 만들 수 있게 된다. 
또한 고출력과 빠른 응답속도를 목표로 이종접합(Heterojunction) 구조를 이용하게 된다. 단일 이종접합(SH, Single Heterojunction) 구조와 이중 이종접합(DH, Double Heterojunction) 구조가 있는데, GaAs 또는 알루미늄(Al) 조성비가 작은 AlGaAs층을 활성층으로 사용한다. 이종접합(Heterojunction) 구조의 활성층에서 발광한 빛은 거의 흡수되지 않고 표면까지 잘 도달하므로 고출력의 특성을 얻을 수 있으며, 한정된 발광 영역으로 인해 수십 ns 정도의 빠른 응답속도를 얻게 된다. 
GaAs/AlGaAs층 위의 Si₃N₄ 패터닝(Patterning) 후, 그 위에 아연(Zn)의 선택적 확산을 통하여 열화를 막고 광효율의 향상에 대한 특허[1441754(일본)], 그리고 같은 시기에 좀 더 나은 Extraction 효율을 얻기 위해 p형 결정 기판 위에 p형 반도체, n형 GaAlAs를 성장시킨 후에 우유빛 석출 박막을 증착한다. 결과적으로 5배 이상의 빛을 효율적으로 얻을 수 있음을 보여준 특허[1366878(일본)]도 출원되었다. 
GaAs 기판 위의 발광 다이오드(LED)의 앞, 뒤 표면에 구성되는 금속층은 반사되는 빛에 의해서 나오는 Quasi-Peak을 제거하여서 반치폭이 적은 발광 다이오드(LED)를 얻는 방법[1392519(일본)]도 제시되었다. 
그 후, 유기금속화학기상증착법(MOCVD, Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 전류구속 구조를 가지는 발광 다이오드(LED) 구조의 성장[4,706,101(미국)]이 나타나고, 이종접합(Heterojunction) 내의 금속확산을 시킨 AlGaAs 발광 다이오드(LED)[4,719,497(미국)]도 나타났다. 
여러 층으로 구성된 발광 다이오드(LED) 기판을 부분적인 식각을 이용한 기판 내로 흡수하는 양을 줄였으며[4,864,371(미국)], 실리콘(Si)이 도핑된 n형 GaAs 기판 위에 n형 GaAs, p형 GaAs, p형 AlGaAs 순으로 증착시킨다. 이 때 활성층인 p형 GaAs층의 두께를 극도로 얇게 하여 에피(Epi)를 만듦으로써 발광 다이오드(LED)의 출력을 높이기도 했으며[2131870(일본)], GaAs 웨이퍼 위에 p형 GaAs층 없이 직접 p형 AlGaAs를 성장한다. n형 GaAs의 전자는 전위(Potential) 장벽에 의해서 p형 AlGaAs층으로 주입되지 않아서 n형 GaAs층에서만 발광이 이루어져 우수한 발광특성[2098000(일본)]을 얻었다. 또한, 실리콘(Si) 기판에서 Strained GeSn Alloy가 받는 스트레인(Strain) 효과를 이용하는 경우[5,548,128(미국)]도 알려졌다. 그 후에 도핑을 통하여 기판을 투명하게 만들어 효과를 보거나[5,548,128(미국)], InGaAs의 식각성을 이용하여 GaAs층의 균일하게 산란되는 빛을 막기도[1998-082181(일본)] 하였다. 
한편, InGaAsP 발광 다이오드(LED)는 InP 기판 위에 주로 성장되는데, 1.3μm 및 1.55μm 대역을 이용한 광통신용의 고속 고출력을 위한 발광 다이오드(LED)에 관한 연구가 있었으나, 최근에는 주로 InGaAsP계 레이저 다이오드(LD)를 사용하고 있다.

결론: 850nm Infrared LED 100개를 사자.