KR100318289B1 - III-nitride semiconductor light emitting device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서 특히, 이종접합 구조의 계면을 개선하여 구동전압을 낮출 수 있고, 고휘도 및 고발광효율을 갖도록 한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device, and more particularly, to a nitride semiconductor light emitting device capable of lowering a driving voltage by improving an interface of a heterojunction structure and having high brightness and high light emission efficiency.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 기판과 활성층 사이에 n형 접촉층이 형성되고 상기 활성층 상에 p형 클래드층 및 p형 접촉층이 접촉구조로 형성되는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 p형 클래드층과 p형 접촉층 사이에 조성이 경사진 p형 경계층을 포함하여 이루어진다.The nitride semiconductor light emitting device according to the present invention for achieving the above object is a nitride semiconductor light emitting device in which an n-type contact layer is formed between the substrate and the active layer and the p-type cladding layer and the p-type contact layer is formed in a contact structure on the active layer The p-type cladding layer comprises a p-type boundary layer having an inclined composition between the p-type cladding layer and the p-type contact layer.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다른 질화물 반도체 발광소자는 기판과 활성층 사이에 n형 접촉층이 형성되고, 상기 활성층 상에 p형 접촉층이 접촉구조로 형성되는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 활성층과 p형 접촉층 사이에 조성이 일정한 p형 제 2 클래드층 및 조성이 경사진 p형 제 1 클래드층을 포함하여 이루어진다. 따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 조성이 경사진 경계층 또는 조성이 경사진 클래드층을 사용함으로써, 캐리어가 활성층에 주입될 때 느끼는 저항을 줄이고, 활성층 내에 캐리어의 구속을 증대시키며, 클래드층으로 인한 응력의 분산과 완화로 활성층의 결정성과 광특성의 저하를 방지하기 때문에 저구동전압, 고휘도, 고발광효율 및 신뢰성 향상이 가능한 이점이 있다.Another nitride semiconductor light emitting device according to the present invention for achieving the above object is a nitride semiconductor light emitting device in which an n-type contact layer is formed between the substrate and the active layer, the p-type contact layer is formed in a contact structure on the active layer, And a p-type second cladding layer having a constant composition between the active layer and the p-type contact layer and a p-type first cladding layer having an inclined composition. Accordingly, the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention reduces the resistance felt when the carrier is injected into the active layer, increases the restraint of the carrier in the active layer by using a boundary layer having an inclined composition or a cladding layer having a composition. Due to the dispersion and relaxation of the stress due to preventing the degradation of the crystallinity and optical properties of the active layer, there is an advantage that the low driving voltage, high brightness, high luminous efficiency and reliability can be improved.

Description

질화물 반도체 발광소자{III-nitride semiconductor light emitting device}Nitride semiconductor light emitting device

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서 특히, 이종접합 구조의 계면을 개선하여 구동전압을 낮출 수 있고, 고휘도 및 고발광효율을 갖도록 한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device, and more particularly, to a nitride semiconductor light emitting device capable of lowering a driving voltage by improving an interface of a heterojunction structure and having high brightness and high light emission efficiency.

근래에 질화물 반도체를 이용한 고휘도 청색 및 녹색 발광소자에 많은 관심이 모아지고 있으며, 이로써 빛의 삼원색을 반도체로부터 얻을 수 있게 됨에 따라 산업적으로 지대한 효과가 예측되고 있다.In recent years, much attention has been paid to high-brightness blue and green light emitting devices using nitride semiconductors. As a result, three primary colors of light can be obtained from semiconductors, and thus industrially significant effects are expected.

이와관련하여 발광소자의 구동전압을 낮추어 고발광효율을 얻는 일이 발광소자의 응용에 있어서 선행되어야할 문제로 여겨지고 있다.In this regard, lowering the driving voltage of the light emitting device to obtain high light emission efficiency is considered to be a problem to be preceded in the application of the light emitting device.

지금까지는 구동전압을 낮추기 위해서 p형 도핑증대 방법과, 오믹접촉저항의 감소 등이 이루어져 왔으며, 발광휘도를 증대시키기 위해 InGaN 양자우물의 활성층과 AlGaN의 클래드층 사용 등 구조적인 연구가 이루어져 왔다.Until now, the p-type doping increase method and the ohmic contact resistance have been reduced in order to lower the driving voltage, and structural studies have been conducted such as the use of the active layer of InGaN quantum wells and the cladding layer of AlGaN to increase the luminance.

그런데도 지금까지 개발된 청색 발광다이오드의 경우 구동전압은 비교적 높은 값을 갖는다. 여기서 0.1 V라도 구동전압을 낮추는 일은 매우 어려운 일로 여겨지고 있으며, 이런 상태에서 구동전압을 낮추어 발광효율을 높이는 일은 지금까지 간과되어온 이종접합계면의 최적화로 그 문제를 접근할 수 있다.Nevertheless, the driving voltage of the blue light emitting diode developed so far has a relatively high value. It is considered that it is very difficult to lower the driving voltage even at 0.1 V. In this state, lowering the driving voltage to increase the luminous efficiency can be approached by the optimization of the heterojunction interface which has been overlooked until now.

도 1은 일반적으로 사용되고 있는 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도이다.1 is a sectional view schematically showing a nitride semiconductor light emitting device which is generally used.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 질화물 반도체 발광소자는 주로 사파이어와 같은 절연 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(bufferlayer)(110) 및 n형 접촉층(120)과, 상기 n형 접촉층(120) 상의 소정 부분에 형성된 n형 클래드층(130)과, 상기 n형 클래드층(130) 상에 형성된 활성층(140)과, 상기 활성층(140) 상에 순차적으로 형성된 p형 클래드층(150) 및 p형 접촉층(160)과, 상기 n형 접촉층(120) 상의 상기 n형 클래드층(130)이 형성되지 않은 소정 부분에 형성된 n형 전극(170) 및 상기 p형 접촉층(160)상의 소정 부분에 형성된 p형 전극(180)을 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 1, a conventional nitride semiconductor light emitting device mainly includes an insulating substrate 100 such as sapphire, a buffer layer 110 and an n-type contact layer 120 sequentially formed on the substrate 100. And an n-type cladding layer 130 formed on a predetermined portion on the n-type contact layer 120, an active layer 140 formed on the n-type cladding layer 130, and sequentially on the active layer 140. The p-type cladding layer 150 and the p-type contact layer 160 formed thereon, the n-type electrode 170 formed on a predetermined portion where the n-type cladding layer 130 on the n-type contact layer 120 is not formed, and It includes a p-type electrode 180 formed on a predetermined portion on the p-type contact layer 160.

상기에서 버퍼층(110)은 사파이어 기판(100)과 n형 접촉층(120) 사이의 부정합에 의한 응력완화를 위한 목적으로 형성하고, GaN를 이용하여 상기 n형 및 p형 접촉층(120)(160)을, AlGaN를 이용하여 n형 및 p형 클래드층(130)(150)을, InGaN를 포함하여 활성층(140)을 형성한다. 상기에서 n형 클래드층(130)은 생략되기도 한다. 그러나, p형 접촉층(160)에서 주입된 홀을 활성층(140)에 잘 구속하여 소자의 휘도를 증가시키기 위해서 홀이 n형층쪽으로 넘어가는 것을 방지하여야 하는데, 이를 위해서 GaN n형 접촉층(120)보다 밴드갭이 큰 AlGaN n형 클래드층(130)을 n형 접촉층(120)과 활성층(140) 사이에 추가하는 구조가 필요하다.The buffer layer 110 is formed for the purpose of stress relaxation by mismatch between the sapphire substrate 100 and the n-type contact layer 120, the n-type and p-type contact layer 120 ( 160 is used to form n-type and p-type cladding layers 130 and 150 using AlGaN and an active layer 140 including InGaN. The n-type cladding layer 130 may be omitted. However, the holes injected from the p-type contact layer 160 should be well confined to the active layer 140 to prevent the holes from going to the n-type layer in order to increase the brightness of the device. A structure in which an AlGaN n-type cladding layer 130 having a larger bandgap is added between the n-type contact layer 120 and the active layer 140 is required.

그리고, 고휘도를 얻기 위해서는 n형 접촉층(120)에서 주입된 전자를 활성층(140)에 잘 구속하여 전자가 p형층 쪽으로 넘어가는 것을 막아야하며, 이를 위해서 높은 에너지장벽이 필요하기 때문에 GaN p형 접촉층(160)보다 밴드갭이 큰 AlGaN p형 클래드층(150)을 활성층에 접촉시키는 구조가 필수적이다.In order to obtain high brightness, electrons injected from the n-type contact layer 120 should be well constrained to the active layer 140 to prevent electrons from crossing over to the p-type layer. A structure in which the AlGaN p-type cladding layer 150 having a larger bandgap than the layer 160 is in contact with the active layer is essential.

상술한 바와 같은 기존의 발광다이오드 구조에서 Al0.15Ga0.85N/GaN의 이종접합구조를 보면, 약 0.12 eV의 홀 에너지 장벽이 생긴다. 질화물 반도체 내에서 홀의 유효질량은 전자의 유효질량보다 약 4배 정도 무겁기 때문에 홀은 전자보다도 이종접합계면의 에너지 장벽을 훨씬 크게 느끼게 된다. 또한, 다른 화합물 반도체 내에서보다 질화물 반도체 내에서 홀은 유효질량이 크고 독특한 에너지 홀밴드 때문에 이동도가 10배 이상 낮은 편이다In the heterojunction structure of Al 0.15 Ga 0.85 N / GaN in the conventional light emitting diode structure as described above, a Hall energy barrier of about 0.12 eV is generated. Since the effective mass of the hole in the nitride semiconductor is about four times heavier than the effective mass of the electron, the hole feels a much larger energy barrier at the heterojunction interface than the electron. In addition, holes in nitride semiconductors are more than 10 times less mobile than in other compound semiconductors due to their high effective mass and unique energy hole bands.

이러한 홀의 에너지 장벽에의해 활성층에 전류 주입시 저항이 증가할 뿐만 아니라, 이종접합부분에서 전압강하가 일어나기 때문에 발광소자의 구동전압을 증가시키는 요인이 된다.Due to the energy barrier of the holes, the resistance increases when the current is injected into the active layer, and a voltage drop occurs in the heterojunction, thereby increasing the driving voltage of the light emitting device.

그리고, 고휘도를 얻기 위한 p형 클래드층의 사용은 p형 접촉층과의 이종접합구조를 형성하여 구동전압을 높이는 역효과를 가져온다. 이는 홀이 p형 접촉층으로부터 활성층으로 주입될 때 p형 접촉층과 p형 클래드층 사이의 이종접합계면을 지나가게되는데, 이 계면은 홀이 넘어가야할 에너지장벽을 지니고 있기 때문이다. 또한, AlGaN와 GaN 사이에 격자부정합과 열팽창계수의 차이에 의해 p형 클래드층과 p형 접촉층 사이는 응력(stress)이 작용하게 되는 문제가 있다. 그리고, 홀을 활성층에 잘 구속하기 위해 형성한 n형 클래드층은 전자가 n형 접촉층과 n형 클래드층 사이의 이종접합계면을 지나가면서 에너지 장벽을 넘어야하기 때문에 이 또한 소자의 구동전압을 높이는 역효과를 가져온다. 특히, AlGaN n형 클래드층의 사용은 홀을 n형층쪽으로 넘어가는 것을 방지할 수 있어서 활성층에서 발광을 증대시킬 수 있으나, GaN 보다 결정성이 나쁜 AlGaN층을 활성층 가까이에 형성하게 되는 결과를 초래하여, n형 클래드층 상에 형성되는 InGaN를 포함한 활성층의 결정성을 저하시키고 응력을 증대시켜 오히려 발광휘도를 저하시키는 역효과를 초래하는 문제가 있다.In addition, the use of the p-type cladding layer to obtain high brightness has the adverse effect of forming a heterojunction structure with the p-type contact layer to increase the driving voltage. This is because when the hole is injected from the p-type contact layer into the active layer, it passes through the heterojunction interface between the p-type contact layer and the p-type cladding layer, since this interface has an energy barrier through which the hole must cross. In addition, there is a problem in that stress is applied between the p-type cladding layer and the p-type contact layer due to the difference in lattice mismatch and thermal expansion coefficient between AlGaN and GaN. In addition, the n-type cladding layer formed to confine the hole to the active layer well has to increase the driving voltage of the device because electrons must cross the energy barrier while passing through the heterojunction interface between the n-type contact layer and the n-type cladding layer. Adverse effect. In particular, the use of the AlGaN n-type cladding layer can prevent the hole from passing toward the n-type layer, thereby increasing the light emission in the active layer, but the result is that the AlGaN layer, which is less crystalline than GaN, is formed near the active layer. In addition, there is a problem that the adverse effect of lowering the crystallinity of the active layer including InGaN formed on the n-type cladding layer and increasing the stress to lower the light emission luminance.

또한, AlGaN p형 클래드층을 사용하여 전자를 p형층쪽으로 넘어가는 것을 방지하여 활성층에서 발광을 증대시킬 수 있으나, GaN보다 상대적으로 결정성과 도핑성이 나쁜 AlGaN층이 활성층에 접하게되어 p-n접합의 경계면이 나빠지게되어 발광소자의 구동전압을 증대시키고 발광소자의 신뢰성을 악화시키는 결과를 초래한다.In addition, the AlGaN p-type cladding layer is used to prevent electrons from passing to the p-type layer, thereby increasing the light emission in the active layer, but the AlGaN layer, which is relatively less crystalline and doped than GaN, comes into contact with the active layer, thus providing a boundary between the pn junctions. This becomes worse, resulting in an increase in the driving voltage of the light emitting element and deterioration of the reliability of the light emitting element.

상기와 같이 형성된 종래의 질화물 반도체 발광소자는 20 ㎃의 구동전류에서 역동적 저항(dynamic resistance)은 30 Ω, 동작전압은 3.9 V, 외부양자효율은 4 %를 갖는다.The conventional nitride semiconductor light emitting device formed as described above has a dynamic resistance of 30 mA, an operating voltage of 3.9 V, and an external quantum efficiency of 4% at a driving current of 20 mA.

따라서, 본 발명의 목적은 이종접합구조의 최적화를 통해 구동전압을 낮출 수 있고, 고휘도의 발광이 가능한 질화물 반도체 발광소자를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device capable of lowering a driving voltage and optimizing light emission by optimizing a heterojunction structure.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 기판과 활성층 사이에 n형 접촉층이 형성되고 상기 활성층 상에 p형 클래드층 및 p형 접촉층이 접촉구조로 형성되는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 p형 클래드층과 p형 접촉층 사이에 조성이 경사진 p형 경계층을 포함하여 이루어진다.The nitride semiconductor light emitting device according to the present invention for achieving the above object is a nitride semiconductor light emitting device in which an n-type contact layer is formed between the substrate and the active layer and the p-type cladding layer and the p-type contact layer is formed in a contact structure on the active layer The p-type cladding layer comprises a p-type boundary layer having an inclined composition between the p-type cladding layer and the p-type contact layer.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다른 질화물 반도체 발광소자는 기판과 활성층 사이에 n형 접촉층이 형성되고, 상기 활성층 상에 p형 접촉층이 접촉구조로 형성되는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 활성층과 p형 접촉층 사이에 조성이 일정한 p형 제 2 클래드층 및 조성이 경사진 p형 제 1 클래드층을 포함하여 이루어진다.Another nitride semiconductor light emitting device according to the present invention for achieving the above object is a nitride semiconductor light emitting device in which an n-type contact layer is formed between the substrate and the active layer, the p-type contact layer is formed in a contact structure on the active layer, And a p-type second cladding layer having a constant composition between the active layer and the p-type contact layer and a p-type first cladding layer having an inclined composition.

도 1은 종래기술에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.1 is a cross-sectional view schematically showing a nitride semiconductor light emitting device according to the prior art.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.2 is a cross-sectional view schematically showing a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.3 is a sectional view schematically showing a nitride semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100, 200, 300 : 기판 110, 210, 310 : 버퍼층100, 200, 300: substrate 110, 210, 310: buffer layer

120, 220, 320 : n형 접촉층 130, 230 : n형 클래드층120, 220, 320: n-type contact layer 130, 230: n-type cladding layer

140, 240, 340 : 활성층 150, 250 : p형 클래드층140, 240, 340: active layer 150, 250: p-type cladding layer

160, 260, 360 : p형 접촉층 170, 270, 370 : n형 전극160, 260, 360: p-type contact layer 170, 270, 370: n-type electrode

180, 280, 380 : p형 전극 225 : n형 경계층180, 280, 380: p-type electrode 225: n-type boundary layer

255 : p형 경계층 330 : 조성경사진 n형 제 1 클래드층255: p-type boundary layer 330: compositionally sloped n-type first cladding layer

335 : n형 제 2 클래드층 345 : p형 제 2 클래드층335: n-type second cladding layer 345: p-type second cladding layer

350 : 조성경사진 p형 제 1 클래드층350: compositionally sloped p-type first cladding layer

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 2 및 도 3은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 개략적인 단면도를 도시한다.2 and 3 show schematic cross-sectional views of nitride semiconductor light emitting devices according to the first and second embodiments of the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제 1 실시 예에 따른 단면도로서, 기본적으로는 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자와 유사한 구조를 갖으나 본 발명에서는 p형 클래드층과 p형 접촉층 사이에 p형 경계층이 형성되며, n형 클래드층과 n형 접촉층 사이에 n형 경계층이 형성되는 차이를 보인다.2 is a cross-sectional view according to a first embodiment of the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, which basically has a structure similar to that of the nitride semiconductor light emitting device according to the prior art, but in the present invention, the p-type cladding layer and the p-type contact layer The p-type boundary layer is formed in between, and the n-type boundary layer is formed between the n-type cladding layer and the n-type contact layer.

본 발명은 도 2와 같이 기판(200)과, 상기 기판(200) 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(210) 및 n형 접촉층(220)과, 상기 n형 접촉층(220) 상의 소정 부분에 형성된 n형 경계층(225)과, 상기 n형 경계층(225) 상에 순차적으로 형성된 n형 클래드층(230) 및 활성층(240)과, 상기 활성층(240) 상에 순차적으로 형성된 p형 클래드층(250), p형 경계층(255) 및 p형 접촉층(260)과, 상기 n형 접촉층(220) 상의 상기 n형 경계층(225)이 형성되지 않은 소정 부분에 형성된 n형 전극(270) 및 상기 p형 접촉층(260)상의 소정 부분에 형성된 p형 전극(280)을 포함하여 이루어진다. 상기에서 n형 클래드층(230)과 n형 경계층(225)은 생략될 수 있다. 상기 n형 경계층(225)은 n형 경계층(225) 상에 형성되는 n형 클래드층(230)의 결정성을 향상시키고, 전자에너지 장벽을 낮추어 저항을 감소시키는 역할을 한다.The present invention is formed on the substrate 200, the buffer layer 210 and the n-type contact layer 220 sequentially formed on the substrate 200, and a predetermined portion formed on the n-type contact layer 220 as shown in FIG. An n-type boundary layer 225, an n-type cladding layer 230 and an active layer 240 sequentially formed on the n-type boundary layer 225, and a p-type cladding layer 250 sequentially formed on the active layer 240. ), the p-type boundary layer 255 and the p-type contact layer 260, the n-type electrode 270 formed at a predetermined portion where the n-type boundary layer 225 on the n-type contact layer 220 is not formed, and the and a p-type electrode 280 formed at a predetermined portion on the p-type contact layer 260. The n-type cladding layer 230 and the n-type boundary layer 225 may be omitted. The n-type boundary layer 225 enhances the crystallinity of the n-type cladding layer 230 formed on the n-type boundary layer 225, and serves to reduce resistance by lowering an electron energy barrier.

상기에서 기판(200)으로는 사파이어, GaN, SiC, ZnO, GaAs 또는 Si으로 형성하며, 상기 버퍼층(210)으로는 GaN, AlN, AlGaN 또는 InGaN 등이 이용되나 일반적으로 GaN를 사용하여 형성한다. 그리고, n형 접촉층(220), n형 클래드층(230), p형 접촉층(260) 및 p형 클래드층(250)은 AlxGa1-xN(0≤x≤1)으로, 활성층(240)은 InxGa1-xN(0≤x≤1)으로 형성하여 In의 성분비를 조절하여 방출되는 빛의 파장을 자외선에서 청색, 녹색, 노란색(350∼600㎚)까지 조절할 수 있다. 상기에서 n형 및 p형 클래드층(230)(250)과 n형 및 p형 접촉층(220)(260)은 In을 포함하는 InAlGaN로 형성할 수도 있다.The substrate 200 is formed of sapphire, GaN, SiC, ZnO, GaAs or Si, and the buffer layer 210 is made of GaN, AlN, AlGaN or InGaN, but is generally formed using GaN. The n-type contact layer 220, the n-type cladding layer 230, the p-type contact layer 260, and the p-type cladding layer 250 are Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). The active layer 240 is formed of In x Ga 1-x N (0≤x≤1) to control the wavelength of light emitted by adjusting the component ratio of In from ultraviolet to blue, green, and yellow (350 to 600 nm). have. The n-type and p-type cladding layers 230 and 250 and the n-type and p-type contact layers 220 and 260 may be formed of InAlGaN including In.

상기 본 발명의 구조에서 10∼1000Å 범위의 두께를 갖는 p형 경계층(255)을 구성하는 질화물 반도체 InxAlyGa1-x-yN(여기서 x, y는 각각 In과 Al의 조성비)가 그 조성이 일정하지 않고 경계층(255)의 두께에 걸쳐 조성이 점점 경사지는 것을 특징으로 한다. 상기 p형 경계층(255)의 조성비는 p형 클래드층(250)과 접촉한 일면에서 p형 클래드층(250)의 성분비와 같다가 점차 상기 p형 접촉층(260)과 접촉한 타면으로 갈수록 p형 접촉층(260)의 성분비와 같고, 상기 일면과 타면 사이에서 p형 경계층(255)의 성분비가 선형적 또는 비선형적으로 경사지게 형성된다. 상기 p형 경계층(255) 또한, 상기 n형 경계층(225)의 역할과 마찬가지로 상기 p형 경계층(255) 상에 형성되는 p형 접촉층(260)의 결정성을 향상시키고, 정공에너지 장벽을 낮추어 저항을 감소시키는 역할을 한다.In the structure of the present invention, the nitride semiconductor In x Al y Ga 1-xy N (where x and y are composition ratios of In and Al, respectively) constituting the p-type boundary layer 255 having a thickness in the range of 10 to 1000 GPa. It is characterized by the fact that the composition is gradually inclined over the thickness of the boundary layer 255 without being constant. The composition ratio of the p-type boundary layer 255 is the same as the component ratio of the p-type cladding layer 250 on one surface in contact with the p-type cladding layer 250, but gradually toward the other surface in contact with the p-type cladding layer 260. It is equal to the component ratio of the type contact layer 260, and the component ratio of the p-type boundary layer 255 is formed to be inclined linearly or nonlinearly between the one surface and the other surface. The p-type boundary layer 255 also improves the crystallinity of the p-type contact layer 260 formed on the p-type boundary layer 255 and lowers the hole energy barrier, similarly to the role of the n-type boundary layer 225. It serves to reduce resistance.

또한, n형 클래드층(230)과 n형 접촉층(220) 사이에도 0∼1000Å 범위의 두께를 갖고 조성이 경사진 n형 경계층(225)을 형성함으로써 n형 이종접합 경계에서 생기는 단점인 전자의 에너지장벽과 전압강하를 감소시킬 수 있으며, 응력을 완화시켜 n형 클래드층(230) 상에 형성되는 활성층(240)의 결정성을 향상시키는 효과가 있다.In addition, by forming an n-type boundary layer 225 having a thickness in the range of 0 to 1000 GPa and having an inclined composition between the n-type cladding layer 230 and the n-type contact layer 220, the former is a disadvantage of the n-type heterojunction boundary. The energy barrier and voltage drop can be reduced, and stress can be alleviated to improve the crystallinity of the active layer 240 formed on the n-type cladding layer 230.

상기에서 n형 경계층(225)의 조성비 역시 p형 경계층(255)에서와 마찬가지로 n형 클래드층(230)과 접촉한 일면에서 n형 클래드층(230)의 성분비와 같으며, 상기 n형 접촉층(220)과 접촉한 타면에서 n형 접촉층(220)의 성분비와 같도록 상기 n형 경계층(225)의 성분비가 일면과 타면 사이에서 상기 경계층(225)의 전 두께에 걸쳐 선형적 또는 비선형적으로 점점 경사지게 형성된다.The composition ratio of the n-type boundary layer 225 is the same as the component ratio of the n-type cladding layer 230 on one surface in contact with the n-type cladding layer 230 as in the p-type boundary layer 255, and the n-type contact layer The component ratio of the n-type boundary layer 225 is linear or nonlinear over the entire thickness of the boundary layer 225 between one side and the other side such that the component ratio of the n-type contact layer 220 is the same on the other side in contact with the 220. It is gradually formed to be inclined.

상기의 구조를 갖는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자에서 조성이 경사진 p형 경계층을 형성하는 방법을 설명하면 다음과 같다.A method of forming a p-type boundary layer having an inclined composition in the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention having the above structure will be described below.

일반적인 방법으로 기판(200) 상에 버퍼층(210)을 형성시키고, 상기 버퍼층(210) 상에 n형 접촉층(220)과 n형 클래드층(230)을 형성한 후, 상기 n형 클래드층(230) 상에 InGaN를 포함하는 활성층(240)과 AlGaN을 이용한 p형 클래드층(250)을 순차적으로 형성한다. 상기에서는 n형 경계층을 생략하였을 경우이다.After the buffer layer 210 is formed on the substrate 200 in a general manner, the n-type contact layer 220 and the n-type cladding layer 230 are formed on the buffer layer 210, the n-type cladding layer ( The active layer 240 including InGaN and the p-type cladding layer 250 using AlGaN are sequentially formed on the 230. In the case where the n-type boundary layer is omitted.

이어, 상기 p형 클래드층(250)과 같은 성장온도에서 조성이 경사진 p형 AlxGa1-xN 경계층(255)을 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : 이하, MOCVD라 칭함) 방법을 이용하여 성장하게 되는데, 이때 AlGaN 클래드층(250)을 성장할 때 사용한 트리메틸알루미늄(이하, TMA라 칭함)의 유량과 트리메틸갈륨(이하, TMG라 칭함)의 유량으로부터 시작하여 시간이 경과되면서 TMA의 유량을 점점 감소시키고, 동시에 TMG의 유량을 점점 증가시켜, 항상 TMA의 유량과 TMG의 유량을 더한 총유량이 같도록 조절하여 알루미늄의 조성이 경사진 AlxGa1-xN층, 즉, p형 경계층(255)을 형성한다.Subsequently, the p-type Al x Ga 1-x N boundary layer 255 whose composition is inclined at the same growth temperature as the p-type cladding layer 250 is referred to as metal organic chemical vapor deposition (hereinafter referred to as MOCVD). In this case, the growth is performed using a flow rate of trimethylaluminum (hereinafter referred to as TMA) and a flow rate of trimethylgallium (hereinafter referred to as TMG) used to grow the AlGaN cladding layer 250. gradually decreases the flow rate of TMA and, by simultaneously increasing the flow rate of TMG, always adjusted to be equal to the total flow rate plus the flow rate of the TMG flow rate of the TMA to the composition of the aluminum inclined Al x Ga 1-x N layer, that is, , a p-type boundary layer 255 is formed.

다음으로, 상기 p형 경계층(255) 형성이 완료되면 TMA의 유입을 완전히 차단하고, TMG으로 GaN를 성장시켜 p형 접촉층(260)을 형성한다. 상기 p형 클래드층(250), p형 경계층(255) 및 p형 접촉층(260)은 Mg원자를 도펀트로 하여 성장시킨 후 급속 열처리로 활성화시킨다.Next, when the formation of the p-type boundary layer 255 is completed, the inflow of TMA is completely blocked, and GaN is grown by TMG to form the p-type contact layer 260. The p-type cladding layer 250, the p-type boundary layer 255, and the p-type contact layer 260 are grown by doping with Mg atoms and then activated by rapid heat treatment.

상기와 같이 형성된 본 발명의 일 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 20 ㎃의 구동전류에서 역동적 저항은 28 Ω, 동작전압은 3.75 V, 외부양자효율은 5.6 %를 갖는다.The nitride semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention formed as described above has a dynamic resistance of 28 mA, an operating voltage of 3.75 V, and an external quantum efficiency of 5.6% at a driving current of 20 mA.

상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 AlGaN p형 클래드층과 GaN p형 접촉층 사이에 조성이 경사진 p형 경계층을 추가로 형성하여 에너지 밴드갭이 경사지게 되어 홀의 에너지 장벽이 감소하는 효과를 준다. 그리고, 조성이 경사진 p형 경계층으로 인해 이종접합의 계면이 없어지는 효과를 주어 계면에서 발생하는 전압강하를 크게 줄일 수 있다. 또한, AlGaN p형 클래드층과 GaN p형 접촉층사이에 격자부정합과 열팽창계수의 차이에 의한 응력을 조성이 경사진 경계층으로 완화시켜 결정성이 향상되는 이점이 있다.As described above, the nitride semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention further forms a p-type boundary layer having an inclined composition between the AlGaN p-type cladding layer and the GaN p-type contact layer to incline the energy band gap to induce energy of the hole. The barrier is reduced. In addition, due to the p-type boundary layer whose composition is inclined, the interface of the heterojunction is eliminated, thereby greatly reducing the voltage drop occurring at the interface. In addition, the stress due to the difference in lattice mismatch and thermal expansion coefficient between the AlGaN p-type cladding layer and the GaN p-type contact layer is relieved to be a boundary layer inclined in composition, thereby improving crystallinity.

그러나, 상술한 n형 및 p형 경계층을 삽입한 구조에서도 n형 및 p형 클래드층으로 인한 활성층의 결정성 저하 및 응력 문제는 완전히 해결하지 못하여, InGaN를 포함하는 활성층의 구조적, 광학적 성질에는 여전히 영향을 미치게 된다.However, even in the above-described structure in which the n-type and p-type boundary layers are inserted, crystallinity deterioration and stress problems of the active layer due to the n-type and p-type cladding layers are not completely solved, and the structural and optical properties of the active layer including InGaN still remain. Will be affected.

따라서, 활성층에 캐리어의 구속을 좋게하여 발광소자의 휘도를 증가시키기 위해서는 밴드갭이 큰 AlGaN로 클래드층을 형성하여야 하겠지만 상기 클래드층으로 인한 활성층의 구조적, 광학적 성질에 영향이 적은 구조를 형성하여야한다. 그래서 구조적, 광학적 성질을 향상시킬 수 있는 구조로 도 3에 도시한 바와 같은 구조를 제시한다.Therefore, in order to increase the luminance of the light emitting device by improving the confinement of the carrier to the active layer, the cladding layer should be formed of AlGaN having a large band gap, but the structure having less influence on the structural and optical properties of the active layer due to the cladding layer should be formed. . Therefore, a structure as shown in FIG. 3 is proposed as a structure capable of improving structural and optical properties.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 도시하는 것으로서, 알루미늄의 조성이 경사진 AlGaN으로 제 1 클래드층을 형성하고 상기 클래드층과 활성층 사이에 얇은 제 2 클래드층을 형성하여 상술한 바와 같은 활성층의 구조적, 광학적 성질에 영향이 적은 구조이다.3 shows a nitride semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention, in which a first cladding layer is formed of AlGaN having an inclined aluminum composition and a thin second cladding layer is formed between the cladding layer and the active layer. It is a structure with little influence on the structural and optical properties of the active layer as described above.

도 3과 같이 기판(300)과, 상기 기판(300) 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(310) 및n형 접촉층(320)과, 상기 n형 접촉층(320) 상의 소정 부분에 형성된 조성이 경사진 n형 제 1 클래드층(330)과, 상기 n형 제 1 클래드층(330) 상에 형성된 n형의 얇은 제 2 클래드층(335)과, 상기 n형 제 2 클래드층(335) 상에 형성된 활성층(340)과, 상기 활성층(340) 상에 순차적으로 형성된 p형의 얇은 제 2 클래드층(345), 조성이 경사진 p형 제 1 클래드층(350) 및 p형 접촉층(360)과, 상기 n형 접촉층(320) 상의 상기 n형 제 1 클래드층(330)이 형성되지 않은 소정 부분에 형성된 n형 전극(370) 및 상기 p형 접촉층(360)상의 소정 부분에 형성된 p형 전극(380)을 포함하여 이루어진다. 상기에서 n형 제 1 클래드층(330)과 n형 제 2 클래드층(335)은 생략될 수 있다.As shown in FIG. 3, the composition formed on the substrate 300, the buffer layer 310 and the n-type contact layer 320 sequentially formed on the substrate 300, and a predetermined portion on the n-type contact layer 320 is thin. On the n-type first cladding layer 330, the n-type thin second cladding layer 335 formed on the n-type first cladding layer 330, and the n-type second cladding layer 335 The formed active layer 340, the p-type thin second cladding layer 345 sequentially formed on the active layer 340, the p-type first cladding layer 350 and the p-type contact layer 360 having an inclined composition. And an n-type electrode 370 formed at a predetermined portion where the n-type first cladding layer 330 on the n-type contact layer 320 is not formed and p formed at a predetermined portion on the p-type contact layer 360. It comprises a type electrode 380. The n-type first cladding layer 330 and the n-type second cladding layer 335 may be omitted.

상기에서 조성이 경사진 n형 및 p형 제 1 클래드층(330)(350)은 각각 상기 n형 및 p형 제 2 클래드층(335)(345)과 접촉된 일면에서 0.01∼1 범위의 알루미늄 조성비를 갖는 AlGaN로 형성하고, 각각 상기 n형 및 p형 접촉층(320)(360)과 접촉된 타면에서 각각 접촉층의 성분비와 같고, 상기 일면과 타면 사이에서 조성비가 경사지게 형성된다. 상기 n형 및 p형 제 2 클래드층(335)(345)은 InxGa1-xN(0≤x≤0.1)로 형성한다. 그리고, 상기 조성이 경사진 n형 제 1 클래드층(330)의 두께는 0∼5000Å 범위에서, 상기 조성이 경사진 p형 제 1 클래드층(350)의 두께는 50∼5000Å 범위에서 형성한다. 또한, 상기 n형 및 p형 제 2 클래드층(335)(345)의 두께는 10∼300Å범위로 얇게 형성하여 활성층(340) 내에 캐리어의 구속을 저해하지 않는 수준에서 결정된다.The n-type and p-type first cladding layers 330 and 350 having the inclined composition are in the range of 0.01 to 1 in one surface in contact with the n-type and p-type second cladding layers 335 and 345, respectively. It is formed of AlGaN having a composition ratio, and is the same as the component ratio of the contact layer on the other surface in contact with the n-type and p-type contact layers 320 and 360, respectively, and the composition ratio is formed to be inclined between the one surface and the other surface. The n-type and p-type second cladding layers 335 and 345 are formed of In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.1). The thickness of the n-type first cladding layer 330 in which the composition is inclined is in the range of 0 to 5000 kPa, and the thickness of the p-type first cladding layer 350 in which the composition is inclined is in the range of 50 to 5000 kPa. In addition, the thicknesses of the n-type and p-type second cladding layers 335 and 345 are thinly formed in the range of 10 to 300 占 so that the carriers are not inhibited in the active layer 340.

상기와 같이 형성된 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 20 ㎃의 구동전류에서 역동적 저항은 24 Ω, 동작전압은 3.5 V, 외부양자효율은 7.8 %를 갖는다.The nitride semiconductor light emitting device according to the present invention as described above has a dynamic resistance of 24 mA, an operating voltage of 3.5 V, and an external quantum efficiency of 7.8% at a driving current of 20 mA.

도 2의 구조에서 조성이 경사진 경계층이나 도 3의 구조에서 조성이 경사진 제 1 클래드층의 사용은 다음과 같은 몇가지 이점을 가져온다.The use of the boundary layer with the composition tilted in the structure of FIG. 2 or the first cladding layer with the composition tilted in the structure of FIG. 3 brings several advantages as follows.

첫째로, 조성이 경사진 경계층이나 조성이 경사진 클래드층은 접촉층으로부터 주입시킨 캐리어가 느끼는 에너지 장벽을 낮추어 소자의 구동전압을 감소시킨다.First, the inclined boundary layer or the inclined cladding layer lowers the energy barrier felt by the carrier injected from the contact layer, thereby reducing the driving voltage of the device.

둘째로, 조성이 경사진 클래드층은 활성층에 가까운 면에서 알루미늄의 조성비가 최대이며 활성층에서 멀어질수록 조성이 감소하는 형태로 형성되었는데, 이는 응력의 분산과 완화로 인하여 결정성의 저하없이 클래드층의 최대 알루미늄 조성비를 증가시킬 수 있기 때문에 활성층에 주입된 캐리어의 구속은 조성이 일정한 AlGaN를 클래드층으로 사용하였을때보다 양호하다.Secondly, the cladding layer with the inclined composition was formed in the form of aluminum having the maximum composition ratio near the active layer and decreasing composition with increasing distance from the active layer. Since the maximum aluminum composition ratio can be increased, the restraint of the carrier injected into the active layer is better than when AlGaN having a constant composition is used as the clad layer.

셋째로, 조성이 경사짐으로써 클래드층에 의한 응력을 분산시키고 완화시켜 결정성의 저하를 방지하여 발광소자의 신뢰성을 향상시킨다. 특히, 종래 소자에서 발생하는 n형 클래드층에 의한 활성층의 결정성과 광특성의 저하를 방지할 수 있어 소자의 휘도를 증가시킨다.Third, as the composition is inclined, the stress caused by the cladding layer is dispersed and alleviated to prevent deterioration of crystallinity, thereby improving reliability of the light emitting device. In particular, it is possible to prevent a decrease in crystallinity and optical characteristics of the active layer due to the n-type cladding layer generated in the conventional device, thereby increasing the brightness of the device.

넷째로, 조성이 경사진 제 1 클래드층과 활성층 사이에 조성 변화가 없는 얇은 제 2 클래드층을 삽입하여 조성경사진 제 1 클래드층에 의한 활성층 내에 미치는 결정성과 광특성의 저해를 추가로 완화시킨다.즉, n형 및 p형 경계층을 추가로 형성하였을 경우(도 2의 경우)에는 바로 인접한 상층부의 결정성을 향상시키고 에너지 장벽을 낮춰주는 효과만을 기대할 수 있으나, 클래드층을 두층 이상으로 형성하여 활성층과 접하는 바로 상하에 형성된 조성경사진 제 1 클래드층을 형성하였을 경우(도 3의 경우)에는 에너지 장벽을 낮춰주는 효과 뿐만 아니라 활성층의 결정성 향상 및 광특성의 저하를 방지할 수 있는 이점이 있다.Fourthly, a thin second cladding layer having no composition change is inserted between the first cladding layer and the active layer whose composition is inclined to further mitigate the inhibition of crystallinity and optical properties caused by the compositionally inclined first clad layer. That is, when the n-type and p-type boundary layer is additionally formed (in case of FIG. 2), only the effect of improving the crystallinity of the immediately adjacent upper layer and lowering the energy barrier can be expected, but by forming the clad layer in two or more layers, the active layer In the case of forming the compositionally inclined first cladding layer formed directly above and below (in case of FIG. 3), there is an advantage of lowering an energy barrier as well as improving crystallinity and deterioration of optical properties of the active layer.

따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 조성이 경사진 경계층 또는 조성이 경사진 클래드층을 사용함으로써, 캐리어가 활성층에 주입될 때 느끼는 저항을 줄이고, 활성층 내에 캐리어의 구속을 증대시키며, 클래드층으로 인한 응력의 분산과 완화로 활성층의 결정성과 광특성의 저하를 방지하기 때문에 저구동전압, 고휘도, 고발광효율 및 신뢰성 향상이 가능한 이점이 있다.Accordingly, the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention reduces the resistance felt when the carrier is injected into the active layer, increases the restraint of the carrier in the active layer by using a boundary layer having an inclined composition or a cladding layer having a composition. Due to the dispersion and relaxation of the stress due to preventing the degradation of the crystallinity and optical properties of the active layer, there is an advantage that the low driving voltage, high brightness, high luminous efficiency and reliability can be improved.

Claims (11)

기판과 활성층 사이에 n형 접촉층이 형성되고 상기 활성층 상에 p형 클래드층 및 p형 접촉층이 접촉구조로 형성되는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,In a nitride semiconductor light emitting device in which an n-type contact layer is formed between the substrate and the active layer, and the p-type cladding layer and the p-type contact layer are formed in a contact structure on the active layer, 상기 p형 클래드층과 p형 접촉층 사이에 인접한 상층부의 결정성 향상 및 에너지 장벽을 감소시킬 수 있도록 조성이 경사진 p형 경계층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.And a p-type boundary layer whose composition is inclined so as to improve crystallinity and reduce an energy barrier of an upper layer adjacent between the p-type cladding layer and the p-type contact layer. 청구항 1에 있어서, 상기 n형의 접촉층과 활성층 사이에 조성이 경사진 n형 경계층과 n형 클래드층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising an n-type boundary layer and an n-type cladding layer having an inclined composition between the n-type contact layer and the active layer. 청구항 1에 있어서, 상기 p형 경계층을 10∼1000Å 범위의 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The nitride semiconductor light emitting device of claim 1, wherein the p-type boundary layer is formed to have a thickness in the range of 10 to 1000 GPa. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 경계층을 InxAlyGa1-x-yN(여기서 x, y는 각각 In과 Al의 조성비)으로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The nitride semiconductor light emitting device of claim 1 or 2, wherein the boundary layer is formed of In x Al y Ga 1-xy N (where x and y are composition ratios of In and Al, respectively). 청구항 4에 있어서, 상기 경계층의 In과 Al의 조성비는 상기 클래드층과 접촉한 면에서 클래드층의 조성비와 같다가 점차 상기 접촉층과 접촉할수록 접촉층의 조성비와 같아지도록 선형적 또는 비선형적으로 경사지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The method of claim 4, wherein the composition ratio of In and Al of the boundary layer is inclined linearly or nonlinearly so as to be the same as the composition ratio of the cladding layer in contact with the cladding layer, and to be equal to the compositional ratio of the contacting layer as the contacting layer gradually contacts the contacting layer. A nitride semiconductor light emitting device, characterized in that. 기판과 활성층 사이에 n형 접촉층이 형성되고, 상기 활성층 상에 p형 접촉층이 접촉구조로 형성되는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,In the nitride semiconductor light emitting device in which an n-type contact layer is formed between the substrate and the active layer, the p-type contact layer is formed in a contact structure on the active layer, 상기 활성층과 p형 접촉층 사이에 상기 활성층과 접하는 면에 조성이 경사진 p형 제 1 클래드층과, p형 접촉층과 접하는 면에서는 조성일 일정한 p형 제 2 클래드층 을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.A p-type first cladding layer having an inclined composition on the surface in contact with the active layer between the active layer and the p-type contact layer, and a p-type second cladding layer having a constant composition on the surface in contact with the p-type contact layer. Nitride semiconductor light emitting device. 청구항 6에 있어서, 상기 n형의 접촉층과 활성층 사이에 조성이 경사진 n형 제 1 클래드층과 조성이 일정한 n형 제 2 클래드층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The nitride semiconductor light emitting device of claim 6, further comprising an n-type first cladding layer having an inclined composition and an n-type second cladding layer having a constant composition between the n-type contact layer and the active layer. 청구항 6에 있어서, 상기 제 1 클래드층은 20∼5000Å의 두께로, 상기 제 2 클래드층은 10∼300Å 범위의 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The nitride semiconductor light emitting device of claim 6, wherein the first cladding layer has a thickness of 20 to 5000 GPa, and the second clad layer has a thickness of 10 to 300 GPa. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 조성이 경사진 제 1 클래드층으로는 AlxGa1-xN를, 조성이 일정한 제 2 클래드층으로는 InGaN을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The nitride semiconductor light emitting device according to claim 6 or 7, wherein Al x Ga 1-x N is formed as the first cladding layer having the inclined composition, and InGaN is used as the second cladding layer having the constant composition. device. 청구항 9에 있어서, 상기 제 1 클래드층의 Al 조성비는 상기 제 2 클래드층과 접촉한 면에서 멀어질수록 점차 감소하다가 상기 접촉층으로 가까워 질수록 접촉층의 조성비와 같아지도록 선형적 또는 비선형적으로 경사지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.10. The method of claim 9, wherein the Al composition ratio of the first cladding layer is decreased linearly or nonlinearly so as to be closer to the contacting layer as it is closer to the contacting layer. A nitride semiconductor light emitting device, characterized in that inclined. 청구항 10에 있어서, 상기 제 1 클래드층은 상기 제 2 클래드층과 접촉한 면에서 0.01∼1 범위의 Al조성비를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.The nitride semiconductor light emitting device of claim 10, wherein the first cladding layer has an Al composition ratio in the range of 0.01 to 1 in contact with the second cladding layer.
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