KR100385755B1

KR100385755B1 - 발광 다이오드

Info

Publication number: KR100385755B1
Application number: KR10-1999-0053927A
Authority: KR
Inventors: 나카츠히로시; 무라카미테츠로; 호소바히로유키; 쿠라하시타카히사
Original assignee: 샤프 가부시키가이샤
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2003-05-28
Also published as: TW432727B; KR20000035778A; CN1257313A; US6384430B1; JP3698402B2; US6265732B1; KR20030004199A; CN100355092C; DE19957312A1; JP2000228536A; KR100411404B1

Abstract

본 발명은 이중 헤테로 접합구조를 갖는 발광 다이오드(이하, "LED"라 함)에 관한 것으로서, 구체적으로는 장시간 작동에도 광효율의 저하를 방지하는 기술에 관한 것이고, 기판; 발광층보다 큰 에너지갭과 제1 도전형을 갖는 제1 클래드층; 발광층보다 큰 에너지갭과 제2 도전형을 갖는 제2 클래드층; 및 발광층과는 동일하고 제1 또는 제2 클래드층과는 다른 도전형을 갖고, 제1, 제2 클래드층보다는 작고 발광층보다는 큰 에너지갭을 갖는 중간 배리어층;을 포함한다. 발광 다이오드는 그 구조가 이중 헤테로 구조이어서, 제1 및 제2 클래드층 사이에 발광층이 삽입된다. 중간 배리어층은 발광층과 제1 클래드층 사이 및/또는 발광층과 제2 클래드층 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE}

본 발명은 이중 헤테로 접합구조를 갖는 발광 다이오드(이하, "LED"라 함)에 관한 것으로서, 구체적으로는 장시간 작동에도 광효율의 저하를 방지하는 기술에 관한 것이다.

소위 이중 헤테로 구조를 갖는 LED는 발광효율과 광출력이 높아 표시장치나 광통신의 광원 등으로 널리 사용된다.

도 12는 통상의 이중 헤테로 구조를 갖는 종래의 LED(800)의 단면도이다. 이 LED(800)는 GaAs 기판과 격자정합하는 층들을 갖고 적색광부터 녹색광까지 범위의 광을 발산하는 InGaAlP 기지 LED이다.

이 LED(800)에서는,

n형 GaAs로 된 기판(1);

n형 GaAs로 된 제 1 버퍼층(2);

n형 (Al_0.4Ga_p.6)_0.5In_0.5P 층들과 n형 Al_0.5In_0.5P 층들이 서로 교대로 부착되어있는 광반사(DBR: Distributed Bragg Reflector) 층(3);

Si가 5x10¹⁷㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 n형 Al_0.5In_0.5P로 되어 있고 두께 1㎛의 제 1 클래드층(4);

p형 (Ga_0.7Al_0.3)_0.5In_0.5P로 되어 있고 두께 0.5㎛의 발광층(6);

Zn이 5x10¹⁷㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 p형 Al_0.5In_0.5P로 되어 있고 두께 1㎛의 제 2 클래드층(7);

Zn이 1x10¹⁸㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 p형 Al_0.7Ga_0.3As로 되어 있고 두께 1㎛의 제 1 전류확산층(91); 및

Zn이 3x10¹⁸㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 p형 Al_0.7Ga_0.3As로 되어 있고 두께 6㎛의 전류확산층(92);이 순서대로 부착되어 있다.

이들 제1, 제2 전류확산층(91,92)은 전류확산층(9)을 형성한다.

기판(1)의 저면에는 n측 전극(11)으로서 AuGe막을 통상의 접착법으로 배치한다. p형 전류확산층(9)의 윗면에는 AuZn막을 통상의 접착법으로 형성한다. 이 AuZn막은 포토리소그래피 패턴화되어 p측 전극(10)으로서 원형 부위를 남기고, 이곳에 외부 도체에 p측 전극(10)을 연결하기 위한 금속배선이 접합된다. 발광층(6)에서 발생된 빛은 AuZn막을 제거한 p형 전류확산층(9)의 윗면 일부에서 발산된다.

제 1 버퍼층(2)은 기판의 결함과 오염물이 기판에 부착된 여러 층에 영향을주는 것을 방지하는데 사용된다. 기판(1)의 윗면을 만족스럽게 처리할 경우에는 제 1 버퍼층(2)이 필요치 않다. DBR층(3)은 발광층(6)에서 생긴 빛을 기판(1)쪽으로 반사한다. 이 때문에 기판(1)에 의한 흡광이 방지되고 반사광이 기판(1) 반대방향으로 진행하여, LED(800)의 휘도에 영향을 준다.

전류확산층(9)은 저항율이 낮아 p측 전극(10)과 비슷한 오옴 접촉을 하고 p측 전극(10)에서 전체 발광층(6)으로 흐르는 전류를 확산시킨다. 이것은 전류확산층(9)의 불순물 농도가 높아야 하는 이유가 된다. 이 경우, 발광층(6)으로 불순물 Zn이 확산하는 것을 방지하기 위해, 불순물 농도가 낮은 제1 전류확산층(91)을 전류확산층(9)의 하부에 배치한다.

높은 수준의 발광효율을 얻기 위해, 종래의 LED에서는 도 15와 같은 이중 헤테로 구조를 채택한다. 도 15는 GaAs 기판(101)과 격자정합하는 AlGaInP 기지 LED(900)의 일례의 단면도이다. 이 LED(900)의 각층의 구조는 다음과 같다.

n형 GaAs로 된 기판(101);

n형 GaAs로 된 제 1 버퍼층(102);

Si가 5x10¹⁸㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 n형 (Ga_0.3Al_0.7)_0.5In_0.5P로 되어 있고 두께 1㎛의 n형 제 1 클래드층(103);

p형 (Ga_0.7Al_0.3)_0.5In_0.5P로 되어 있고 두께 0.5㎛의 발광층(104);

Zn이 5x10¹⁷㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 p형 Al_0.5In_0.5P로 되어 있고두께 1㎛의 p형 제 2 클래드층(105);

Zn이 1x10¹⁸㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 p형 Ga_0.3Al_0.7As로 되어 있고 두께 1㎛의 제 1 전류확산층(61);

Zn이 3x10¹⁸㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 p형 Ga_0.3Al_0.7As로 되어 있고 두께 6㎛의 전류확산층(62); 및

p형 GaAs로 된 접촉층(108).

기판(1)과 접촉층(108) 위에는 각각 n측 전극(109)과 p측 전극(107)이 배치된다.

도 12의 AlGaInP 기지 LED(800)는 전류 주입에 의해 발광한다. 도 13에서, 파단선(A)은 발광 개시이후 초기에서의 발광층(6)의 불순물 농도와 광효율 사이의 관계를 표시한다. 광효율은 발광 개시후 초기단계에서 불순물 농도 1x10¹⁷㎝^-3일때 최대이다. 그러나, 광출력은 시간이 경과함에 따라 점차 낮아진다. 예컨대, 상온에서 1000시간동안 LED(800)에 50㎃의 전류를 공급한다. 도 13에서, 파단선(B)은 1000시간 발광 이후의 발광층(6)의 불순물 농도와 광출력 사이의 관계를 보여준다. 1000시간 발광 이후의 광출력은 불순물 농도 1x10¹⁷㎝^-3에서 낮아지기 시작하고, 광출력이 최대인 5x10¹⁷㎝^-3의 불순물 농도에서 높아지는데, 이것은 발광 개시 초기와는 다르다.

본 발명자들의 연구에 따르면, 장시간 발광 이후의 이와 같은 광출력 변화의 원인은 다음과 같다. ⑴ n형 제1 클래드층(4)과 p형 발광층(6) 사이의 pn 접합면에서 발생하는 비방사성 재결합 중심, ⑵ 발광층(6)내의 확산된 불순물의 영향.

도 14A, 14B는 발광층(6) 부근의 에너지 대역의 상태를 보여준다. 도 14A는 발광 개시 초기의 상태이고, 도 14B는 장시간 발광 이후의 상태이다.

pn 접합면(40)은 도 14A와 같이 에너지갭이 크게 다른 2개의 층을 서로 접합시킨 헤테로인터페이스이다. 헤테로인터페이스(0)에서는 내부응력이 크다. p측 전극(10)과 n측 전극(11) 사이에 전압을 인가하여 빛을 발생시키면, 상기 헤테로인터페이스(40)를 가로질러 높은 전계레벨이 인가된다.

발광층(6)에서 발생된 광에너지와 내부응력의 결합에 의해 헤테로인터페이스(40)에 격자결함이 생긴다. 이런 격자결함은 장시간 발광중에 전계선을 따라 발광층(6)쪽으로 성장한다. 이 격자결함때문에, 도 14B와 같이, 헤테로인터페이스(40) 부근에 깊은 에너지준위(20)가 형성된다. 캐리어, 정공 및 전자는 빛을 내지 않으면서 상기 깊은 에너지준위에서 서로 결합한다. 이런 깊은 에너지준위를 비방사성 에너지준위라 한다. LED(800)의 방사성 재결합(30)이 자연스런 발광과정이기 때문에, 비방사성 에너지준위(20)에서의 비방사성 재결합(31) 수명은 방사성 재결합(30)보다 짧다. 따라서, 비방사성 에너지준위(20)에서 결합하는 캐리어의 수가 증가하면, LED(800)의 발광효율이 저하된다.

장시간 발광은 발광층(6) 내부로 넓게 퍼지는 격자결함을 계속 성장시킨다. 요컨대, 발광층(6)에는 비방사성 에너지준위(20)를 갖는 많은 부분이 발생한다. 따라서, LED(800)의 발광효율이 한층 저하된다. 즉, LED(800)의 광출력이 발광 초기에 비해 낮아진다.

일본국 공고공보 2-151085에는 도 12의 구조와 유사한 구조를 갖는 반도체 발광장치(이하, "종래의 실시예 2의 LED"라 함)가 개시되어 있다. 종래의 실시예 2의 LED에는 발광층(6)과 제1, 제2 클래드층(4,7) 사이에 중간 클래드층들을 배치한다. 이들 중간 클래드층 각각은 두께가 10Å 이상 200Å 이하이고 에너지갭의 값이 발광층(6)과 제1,제2 클래드층(47)의 에너지갭 사이에 있다. 종래의 실시예 2의 LED에서, 중간 클래드층과 제1, 제2 클래드층(4,7) 사이에 및 중간 클래드층과 발광층(6) 사이에 헤테로인터페이스가 형성된다. 따라서, 인터페이스에서의 에너지갭의 차이가 감소되어, 내부응력이 낮아진다. 이 때문에, 격자결함의 발생이 곤란해져 발광층(6)내에 비방사성 재결합 중심들이 적어진다.

그러나, 종래의 실시예 2의 LED에서는, 발광층(6)과 중간층 사이의 인터페이스에 pn 접합이 형성된다. 높은 전계준위가 존재하는 상기 인터페이스에서는 발광으로 인한 격자결함이 발생한다. 종래의 실시예 2의 LED의 광출력의 저하를 효과적으로 지연시켜도, 장시간 발광하면 인터페이스에서 생성된 격자결함이 발전하게 된다. 이런 격자결함의 성장으로 인해 발광층(6)의 광출력이 저하된다.

도 13에서 설명한 바와 같이, 장시간 발광 후에는 불순물 농도가 높은 발광층이 더 높은 광출력을 갖는다. 이런 현상에 대해 이하 설명한다. 발광층(6)의 불순물 농도가 적정 이상으로 높으면, 발광층의 저항율이 낮아진다. 따라서, 제1 클래드층(4)과 발광층(6) 사이의 pn 접합면을 가로질러 인가된 전계가 상당히작아져, 발광 이후 초기에 광출력이 낮아진다. 장시간의 발광 이후에는 발광층(6) 부근에 생기는 전계와 열로 인해 발광층(6)에 상당한 불순물이 확산된다. 이런 불순물 확산으로 인해 전계가 증가하여 광출력이 증가하는 것이다. 이 경우, pn 접합면에서 역시 결함이 발생하게 되어, 장시간의 발광 후에는 발광효율이 저하된다.

도 15에 도시된 LED(900)에서는 기판(101)의 결함과 오염물의 영향을 차단하기 위해 버퍼층(102)을 이용한다. 이 버퍼층(102)은 기판(101)의 표면처리를 만족할만하게 한 경우에는 불필요하다. 접촉층(108)은 GaAs로 만들고, 이것에는 p측 전극(107)과의 오옴 접촉을 촉진하기 위해 Al이 함유되지 않는다. 접촉층(108)은 발광층(104)에 의해 발생된 빛을 투과시키지 않는다. 그러나, 전극(107) 바로 밑에 이 접촉층(108)이 배치되므로 광 방사에는 전혀 해롭지 않다.

도 15에 도시된 LED(900)에서, 발광층(104)과 제1, 제2 클래드층(103,105)의 에너지갭들은 Al의 몰분율에 의해 정해진다. Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체의 격자상수는 Al을 Ga로 대체하거나 그 반대일 경우 거의 변화하지 않는다. 함유된 Al의 몰분율이 클수록 화합물 반도체의 에너지갭이 커진다. 이하, 혼합결정내의 Al과 Ga의 총량중의 Al의 비율을 혼합결정의 Al 몰분율로 한다.

LED(900)의 광출력을 높이기 위해서는, 발광층(104)과 제1, 제2 클래드층(103,105)의 에너지갭 편차를 충분히 크게 하여 발광층(104)내에 캐리어들을 만족스럽게 가두어야만 한다. LED(900)는 높은 에너지갭을 갖는 n형 (Ga_0.3Al_0.7)_0.5In_0.5P 제1 클래드층(103)과 p형 (Ga_0.3Al_0.7)_0.5In_0.5P 제2 클래드층(105)사이에 (Ga_0.7Al_0.3)_0.5In_0.5P 발광층(104)이 삽입되어 있는 이중 헤테로 구조를 갖는다. 제1, 제2 클래드층(103,105)의 Al 몰분율이 모두 0.7이면 발광층(104)의 Al 몰분율은 0.3이다.

LED(900)의 광출력을 높이려면, 전극(107)에서 전체 발광층(104)으로 주입된 캐리어들이 확산될 필요가 있다. 이 목적으로, 전류확산층(106)의 불순물 농도를 충분히 높은 레벨로 상승시켜서 전류확산층의 저항율을 낮출 필요가 있다. 기판(101)은 통상 n형 반도체로 만들어지므로, 전류확산층(106)에는 p형 반도체가 사용된다. 그러나, Zn이나 Mg 등의 p형 반도체 불순물은 확산하기 쉽다. 불순물 농도가 서로 크게 다른 층들 사이의 인터페이스에서는 불순물 농도 구배가 높다. 따라서, 인터페이스에서는 발광층(104)에 의해 생긴 광에너지갭과 전기에너지의 상호작용으로 인해 불순물이 확산하기 쉽다. 예를들어, 전류확산층(106)과 p형 제2 클래드층(105) 사이는 물론 p형 제2 클래드층(105)과 발광층(104) 사이의 관계는 전술한 바와 같다. 따라서, 전류확산층(106)과 p형 제2 클래드층(105) 사이는 물론 p형 제2 클래드층(105)과 발광층(104) 사이에 불순물 확산이 발생하기 쉽다.

발광층(104)의 p형 불순물 농도가 초기에는 최적상태이더라도, 불순물의 확산으로 인해 그 농도가 변하므로 발광층(104)의 발광효율이 저하된다. 또, 확산에 의해 발광층(104)으로 들어가는 p형 불순물은 정상적인 격자 위치로 안정화되지 않아, 깊은 에너지준위를 갖는 비방사성 재결합 중심으로 된다.

도 15에 도시된 종래의 LED(900)에서는 전류확산층(106)이 2개 층을 포함한다. 하부층은 불순물 농도가 낮은 제 1 전류확산층(61)이다. 따라서, 발광층(104)과 제1 전류확산층(61) 사이의 불순물 농도구배가 낮은 값으로 되어, Zn의 확산이 저지된다. 제1 전류확산층(61)과 제2 전류확산층(62)의 Al 몰분율은 동일하다.

통상, 제1, 제2 클래드층(103,105)의 Al 몰분율은 약 0.7이다. 본 발명자들은 캐리어 감금효과를 향상시키고 LED(900)의 광출력을 높이기 위해 제1, 제2 클래드층(103,105)의 Al 몰분율이 1.0까지 상승할 때는 전술한 종래의 기술이 불순물 확산을 방지하기에 불충분함을 발견하였다. 요컨대, Al의 몰분율이 클 때는 전술한 p형 불순물 확산이 중요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, ⑴ pn 접합면에서 발생한 결함이 발광층으로 전이되는 것을 방지하기 위한 중간 배리어층을 제공하고, ⑵ p형 제2 클래드층의 Al의 몰분율을 증가시켜서 캐리어들을 만족스럽게 가두며, 이에 따라 ⑶ 장시간의 발광 이후에도 광출력의 저하가 방지되어 신뢰도가 높은 LED를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 발광 다이오드는: 기판; 발광층보다 큰 에너지갭과 제1 도전형을 갖는 제1 클래드층; 발광층보다 큰 에너지갭과 제2 도전형을 갖는 제2 클래드층; 및 발광층과는 동일하고 제1 또는 제2 클래드층과는 다른 도전형을 갖고, 제1, 제2 클래드층보다는 작고 발광층보다는 큰 에너지갭을 갖는 중간 배리어층;을 포함한다. 발광 다이오드는 그 구조가 이중 헤테로구조이어서, 제1 및 제2 클래드층 사이에 발광층이 삽입된다. 중간 배리어층은 발광층과 제1 클래드층 사이 및/또는 발광층과 제2 클래드층 사이에 배치된다.

따라서, pn 접합부에서 발생된 결정결함이 발광층에 영향을 미치는 것이 방지되어, 장시간의 발광 이후에도 광출력의 저하가 방지되는 LED가 실현된다.

본 발명의 일 실시예에서, 중간 배리어층의 두께는 중간 배리어층의 소수 캐리어의 확산길이보다는 작고 중간 배리어층과 제1 또는 제2 클래드층 사이의 인터페이스에서 발생된 비방사성 재결합 중심이 발광층에 거의 영향을 미치지 않도록 하는 값보다는 크다.

본 발명의 일 실시예에서, 중간 배리어층의 두께는 0.1㎛ 이상 0.5㎛ 이하의 범위에 있다.

따라서, pn 접합부에서 발생된 결정결함이 발광층에 영향을 주는 것이 방지되어, 발광효율의 저하가 방지되므로, 장시간 발광 이후에도 광출력 저하가 방지되는 LED가 실현된다.

본 발명의 일 실시예에서, 중간 배리어층의 에너지갭은 발광층의 에너지갭보다 0.2eV 이상 크다.

따라서, 중간 배리어층의 비방사성 재결합이 더 감소되어, 발광효율이 높은 LED가 실현된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 중간 배리어층은 비방사성 재결합 수명이 긴 간접전이형 반도체층이다.

따라서, 중간 배리어층에서의 비방사성 재결합이 거의 제거되어, 발광효율이 높은 LED가 실현된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 중간 배리어층은 제 1 및 제2 중간 배리어층들을 포함한다. 제1 중간 배리어층은 발광층과 제1 클래드층 사이에 배치된다. 제2 중간 배리어층은 발광층과 제2 클래드층 사이에 배치된다. 제1 중간 배리어층은 그도전형이 발광층과는 같지만 제 1 중간 배리어층에 인접한 제1 클래드층과는 다르고, 그 에너지갭은 제1 클래드층보다는 작고 발광층보다는 높다. 제2 중간 배리어층은 그 도전형이 발광층의 도전형은 물론 제2 중간 배리어층에 인접한 제2 클래드층의 도전형과도 같고, 그 에너지갭이 제2 클래드층보다는 작고 발광층보다는 크다.

따라서, pn 접합부에서 생긴 결정결함이 발광층에 영향을 주는 것이 방지되어, 발광효율의 저하가 방지된다. 또, 쉽게 확산되는 경향이 있는 p형 불순물이 발광층으로 확산하는 것이 방지되어, 발광효율의 저하도 방지된다.

본 발명의 또다른 실시예에서, 기판은 GaAs로 구성되고; 제1 클래드층은 (Ga_1-x2Al_x2)_0.5In_0.5P로 구성되며(여기서, x1≤x2≤1); 발광층은 (Ga_1-x1Al_x1)_0.5In_0.5P로 구성되고(여기서, 0≤x1<1); 중간 배리어층은 (Ga_1-x4Al_x4)_0.5In_0.5P로 구성되며(여기서, x1≤x4≤x2, x3); 제2 클래드층은 (Ga_1-x3Al_x3)_0.5In_0.5P로 구성된다.

따라서, 장시간의 발광 이후에도 광출력이 적색광부터 녹색광까지 스펙트럼 형태로 덜 감소된다.

본 발명의 또다른 측면에 의하면, 발광 다이오드는 기판; 발광층; 에너지갭이 발광층보다 큰 p형 클래드층; 및 에너지갭이 발광층보다 큰 n형 클래드층;을 포함한다. 이 발광 다이오드는 적어도 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체로 구성되고 이중 헤테로구조를 가져 p형 및 n형 클래드층 사이에 발광층이 배치된다. p형 클래드층은 p형 제2 중간 배리어층과 p형 제2 클래드층을 포함한다. p형 제2 중간 배리어층은 p형 제2 클래드층보다 발광층에 더 가까이 있다. p형 제2 중간 배리어층은 p형 제2 클래드층보다 Al 몰분율과 불순물 농도가 더 낮다.

따라서, LED가 Al 몰분율이 높은 클래드층을 포함한 고강도 LED일 때에도, 쉽게 확산되는 경향이 있는 p형 불순물은 장시간의 발광 이후에도 전류확산층이나 p형 제2 클래드층으로부터 발광층으로의 확산이 방지되어, 발광효율의 저하를 방지한다.

본 발명의 일 실시예에서, p형 제2 중간 배리어층의 Al 몰분율은 0.5 이하이고, p형 제2 클래드층의 Al 몰분율은 0.7 이상이다.

따라서, p형 중간 배리어층의 결정성이 만족스럽게 유지되므로, 불순물의 확산을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, p형 제2 중간 배리어층의 불순물 농도는 3x10¹⁷㎝^-3이하이다. p형 제2 중간 배리어층의 두께는 0.1㎛ 이상 0.5㎛ 이하의 범위에 있다.

따라서, LED가 p형 제2 중간 배리어층을 포함할 때에도 p형 제2 클래드층은 캐리어 감금효과를 유지하여, 높은 광출력을 실현하고 고온에서 LED의 특성을 유지시킬 수 있다. 또, p형 제2 클래드층은 불순물 농도가 낮아 주입되는 불순물을 흡수하여 그 불순물들이 발광층으로 확산하는 것을 방지한다.

본 발명의 일 실시예에서, 기판은 GaAs로 구성되고; n형 제1 클래드층은 (Ga_1-x2Al_x2)_0.5In_0.5P로 구성되며(여기서, x1<x2≤1); 발광층은 (Ga_1-x1Al_x1)_0.5In_0.5P로 구성되고(여기서, 0≤x1<1); p형 제2 중간 배리어층은 (Ga_1-x4Al_x4)_0.5In_0.5P로 구성되며(여기서, x1<x4<x2,x3, 불순물 농도 5x10¹⁷㎝^-3이하); p형 제2 클래드층은 (Ga_1-x3Al_x3)_0.5In_0.5P며(여기서, x1<x3≤1, 불순물 농도 5x10¹⁷㎝^-3이상)로 구성된다.

따라서, 오랫동안 LED가 적색광에서 녹색광까지의 스펙트럼 형태로 고강도로 빛을 낼 때에도, 쉽게 확산되는 경향이 있는 p형 불순물이 전류확산층이나 p형 제2 클래드층으로 부터 발광층으로 확산하는 것이 방지되어, 광출력의 저하를 방지한다.

본 발명의 다른 양태에 의하면, 발광 다이오드는, 기판; 발광층; 에너지갭이 발광층보다 큰 p형 클래드층; 및 에너지갭이 발광층보다 큰 n형 클래드층;을 포함한다. 상기 발광 다이오드는 적어도 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체로 구성되고 이중 헤테로 구조를 가져 p형 및 n형 클래드층 사이에 발광층이 배치된다. p형 클래드층은 p형 제2 중간 배리어층과 p형 제2 클래드층을 포함한다. p형 제2 중간 배리어층은 p형 제2 클래드층보다 발광층에 더 가까이 있다. p형 제2 중간 배리어층은 p형 제2 클래드층보다 Al 몰분율과 불순물 농도가 더 낮다.

LED가 Al의 높은 몰분율을 갖는 클래드층을 포함하는 고강도 LED이더라도, 긴 시간 발광 이후라도 쉽게 확산되는 p형 불순물이 전류확산층 또는 p형 제 2 클래드층으로부터 발광층으로 확산되는 것이 방지되어, 발광효율의 감소를 방지할 수 있다.

따라서, p형 제 2 중간 배리어층의 결정체가 만족스럽게 유지되어, 불순물의 확산을 방지할 수 있다.

따라서, LED가 p형 제 2 중간 배리어층을 포함할 때라도, p형 제 2 클래드층은 캐리어 제한효과를 유지시켜, 높은 광출력을 실현할 수 있고 고온에서의 LED의 특성을 유지시킬 수 있다. 또한, p형 제 2 클래드층은 낮은 불순물농도를 가져서 불순물이 발광층으로 확산되는 것을 방지하기 위해 인입하는 불순물을 흡수한다.

본 발명의 일 실시예에서, 기판은 GaAs로 구성되고; n형 제1 클래드층은 (Ga_1-x2Al_x2)_0.5In_0.5P로 구성되며(여기서, x1<x2≤1); 발광층은 (Ga_1-x1Al_x1)_0.5In_0.5P로 구성되고(여기서, 0≤x1<x2,x3); p형 제2중간 배리어층은 (Ga_1-x4Al_x4)_0.5In_0.5P로 구성되며(여기서, x1<x4<x3, 불순물 농도 5x10¹⁷㎝^-3이하); p형 제2 클래드층은 (Ga_1-x3Al_x3)_0.5In_0.5P로 구성된다(여기서, x1<x3≤1, 불순물 농도 5x10¹⁷㎝^-3이상).

따라서, 긴 시간동안 고강도로 LED가 적색광으로부터 녹색광까지의 스펙트럼의 빛을 방사할 때라도, 용이하게 확산되는 p형 불순물이 전류확산층 또는 p형 제 2 클래드층으로부터 발광층으로 확산되는 것이 방지되어, 광출력의 감소를 방지할 수 있다.

따라서, 상기 설명된 본 발명은, (1) pn 접합 계면에서 발생되는 결함이 발광층을 관통하는 것을 방지하기 위한 중간 배리어층을 제공하며; (2) p형 제 2 클래드층의 Al의 몰분율을 증가시킴에 의해 캐리어를 만족스럽게 제한하며; 및 (3) 긴 시간 발광 후에 광출력의 감소가 방지되는 고레벨의 신뢰성을 갖는 LED를 제공할 수 있다.

상기한 장점 및 본 발명의 다른 장점은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 읽고 이해함으로써 당업자들에게 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 LED의 단면도;

도 2A, 2B는 초기 발광기 및 장시간 발광 이후 실시예 1의 LED의 발광층 부근에서의 에너지 대역 상태를 보여주는 그래프;

도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 LED의 단면도;

도 4는 장시간 발광 이후의 실시예 2의 LED의 발광층 부근에서의 에너지 대역 상태를 도시한 그래프;

도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 LED의 단면도;

도 6은 장시간 발광 이후의 실시예 3의 LED의 발광층 부근에서의 에너지 대역 상태를 도시한 그래프;

도 7은 본 발명의 실시예 4에 따른 LED의 단면도;

도 8은 본 발명의 실시예 5에 따른 LED의 단면도;

도 9는 본 발명의 실시예 6에 따른 LED의 단면도;

도 10A, 10B는 장시간 발광 이후의 광출력의 감소율과, 실시예 6의 LED의 p형 제2 중간 배리어층의 불순물 농도와 두께 사이의 관계를 도시한 그래프;

도 11은 본 발명의 실시예 7에 따른 LED의 단면도;

도 12는 종래의 LED의 단면도;

도 13은 발광층의 불순물 농도와, 도 12의 종래의 LED의 장시간 발광 이후의 광출력과 발광 개시 직후의 광출력 사이의 관계를 도시한 그래프;

도 14A, 14B는 도 12의 종래의 LED의 발광층 부근의 에너지 대역 상태를 도시한 그래프;

도 15는 다른 종래의 LED의 단면도.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다.

(실시예 1)

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 LED(100)의 구조를 보여주는 단면도이다. 편의상, LED(800)와 동일한 기능을 갖는 부품들은 동일한 부호로 표시한다. LED(100)는:

GaAs로 된 기판(1);

(Ga_1-x2Al_x2)_0.5In_0.5P로 된 제 1 클래드층(4) (여기서, x1<x2≤1);

(Ga_1-x1Al_x1)_0.5In_0.5P로 된 발광층(6) (여기서, 0≤x1<1);

(Ga_1-x4Al_x4)_0.5In_0.5P로 된 중간 배리어층(5) (여기서, x1<x4<x2, x3); 및

(Ga_1-x3Al_x3)_0.5In_0.5P로 된 제 2 클래드층(7) (여기서, x1<x3≤1);을 포함한다.

이런 구조에서는, 장시간의 발광 이후에도 적색광에서 녹색광까지 LED의 광출력이 스펙트럼 형태로 덜 줄어들도록 할 수 있다.

더 구체적으로, LED(100)는:

n형 GaAs로 된 기판(1);

n형 GaAs로 된 제 1 버퍼층(2);

n형 (Al_0.4Ga_p.6)_0.5In_0.5P 층들과 n형 Al_0.5In_0.5P 층들이 서로 교대로 부착되어 있는 광반사(DBR) 층(3);

Zn이 1x10¹⁷㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 p형 (Ga_0.5Al_0.5)_0.5In_0.5P로 되어 있고 두께 0.2㎛의 중간 배리어층(5);

Zn이 1x10¹⁷㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 p형 (Ga_0.7Al_0.3)_0.5In_0.5P로 되어 있고 두께 0.5㎛의 발광층(6);

Zn이 1x10¹⁸㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 p형 (Al_0.05Ga_0.95)_0.95In_0.05P로 되어 있고 두께 0.15㎛의 제 2 버퍼층(8); 및

Zn이 5x10¹⁸㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 p형 (Al_0.01Ga_0.99)_0.99In_0.01P로 되어 있고 두께 7㎛의 전류확산층(9);을 포함한다.

본 실시예의 LED(100)는 발광층(6)과 제 1 클래드층(4) 사이에 중간 배리어층(5)이 있다는 점에서 도 12에 도시된 LED(800)과 다르다. 중간 배리어층(5)의 도전 형태는 발광층(6)과는 동일하지만 제 1 클래드층(4)과는 다르다. 중간 배리어층(5)의 에너지갭은 발광층(6)보다는 크지만 제 1 클래드층(4)보다는 작다. p형 발광층(6)의 Zn 불순물 농도는 1x10¹⁷㎝^-3이고, 이 값은 발광개시 초기의 광효율에 적절한 값이다.

종래의 LED(800)와 달리, 실시예 1에서는 전류확산층(9)이 InGaAlP로 구성된다. 이것은 광흡수는 가능한한 낮추고 광출력은 가능한한 높이기 위해서이다.

그러나, 상기 전류확산층(9)은 GaAs 기판(1)과 격자정합하지 않는다. 전류확산층(9)의 저항률을 낮추기 위해서는 Al의 몰분율을 0.01의 낮은 값으로 할 필요가 있다. 따라서, In의 몰분율을 0.01로 하여 Al의 낮은 몰분율로 인한 에너지갭의 감소를 보충한다. 전류확산층(9)이 몰분율 0.01의 In을 함유하고 있기때문에, GaP로구성되었을 때보다 윗면이 더 부드럽다. 따라서, 전류확산층(9)의 윗면에 형성된 전극(10)을 분리하기가 어려울 것이다. In의 몰분율이 0.01로 낮기때문에 전류확산층(9)이 기판(1)에서 제 2 클래드층(7)까지의 어떤층과도 격자정합할 수 없게 된다. 따라서, 제 2 클래드층(7)과 전류확산층(9) 사이에 제 2 버퍼층(8)을 제공하여 격자상수의 부정합으로 인한 결정결함의 발생을 방지한다. 구체적으로, 제 2 버퍼층(8)의 격자상수는 전류확산층(9)의 격자상수와 기판(1) 등의 격자상수 사이의 값을 갖는다. 제 2 버퍼층(8)의 이런 중간값의 격자상수는 Al과 In의 몰분율을 둘다 0.05로 할 때 얻어진다.

이하, 도 2를 참조하여 중간 배리어층(5)의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 2A와 2B는 장시간의 발광 이후에 LED의 대역상태를 도시한 것이다. 도 14A, 14B와 마찬가지로, 도 2A는 발광층(6)의 앞쪽으로 치우쳐서 캐리어들을 주입할 때의 LED(100)의 상태를 도시한 것이다. 중간 배리어층(5)의 Al 몰분율은 그 에너지갭 레벨이 n형 제 1 클래드층(4)과 p형 발광층(6) 사이에 있도록 한다. 중간 배리어층(5)이 p형이기 때문에, n형 제 1 클래드층(4)과 p형 중간 배리어층(5) 사이에 pn 접합이 형성된다. 주입된 캐리어들은 pn 접합부 부근에서 재결합된다. 에너지갭이 낮은 중간배리어층(5)에 정공과 전자가 둘다 존재한다. 중간 배리어층(5)의 두께가 주입된 소수 캐리어의 확산 길이보다 충분히 짧을 때에도, 발광층(6)에 역시 충분한 소수 캐리어들이 주입된다. 중간 배리어층(5)보다 발광층(6)의 방사성 재결합 수명이 짧기때문에, 중간 배리어층(5)보다 발광층(6)에서 더 많은 캐리어들이 소비된다. 따라서, 발광층(6)은 캐리어가 부족하게 되어, 중간 배리어층(5)으로 주입된 캐리어들이 신속하게 발광층(6)으로 전이된다. 중간 배리어층(5)에 많은 정공과 전자가 존재하여도, 발광층(6)에서 방사성 재결합이 효율적으로 발생한다. 이것은 에너지갭이 낮아 방사성 재결합 수명이 더 짧기 때문이다.

전술한 바와 같이, 중간 배리어층(5)은 LED(100)의 발광 및 광효율에 거의 영향을 미치지 않는다.

도 2B는 장시간의 발광 후에 중간 배리어층(5)을 갖는 LED(100)의 대역상태를 도시한 것이다. pn 접합부 부근에서 비방사성 재결합 에너지 레벨(20)이 발생한다. 그럼에도, 중간 배리어층(5)의 캐리어들이 전술한대로 발광층(6)으로 빠르게 확산되기 때문에, 이 에너지 레벨(20)에서 결합하는 캐리어들의 갯수가 작아, 광효율의 저하를 방지한다.

전술한 바와 같이, 중간 배리어층(5)의 도전형은 발광층(6)과는 동일하지만 제 1 클래드층(4)과는 다르다. 중간 배리어층(5)의 에너지갭은 발광층(6)보다는 크지만 제 1 클래드층(4)보다는 작다. 중간 배리어층(5)으로 인해, 발광층(6)의 광효율이 발광 초기와 장시간 발광 이후에 낮아지지 않는 LED(100)를 실현할 수 있다.

전자의 확산 길이는 통상 0.5-1.5㎛이다. 실시예 1에서, In의 몰분율이 약 0.5인 InGaAlP 기지 반도체층의 확산 길이는 약 0.5㎛이다. 따라서, LED(100)에서 중간 배리어층(5)의 두께를 0.2㎛로 설정한다. 장시간의 발광 후에는 p형 중간 배리어층(5)과 n형 제 1 클래드층(4) 사이의 경계면(pn 접합부) 부근에 결정결함이 발생한다. 이 결정결함이 성장하는 것을 방지하여 실제 사용시 발광층(6)의 발광시간에 영향을 주지 않으려면, p형 중간 배리어층(5)의 두께를 0.1㎛이상으로 크게 하는 것이 바람직하다.

LED(100)에서, p형 중간 배리어층(5)의 에너지갭이 발광층(6)의 에너지갭보다 0.2 eV 크면(즉, x4-x1≥0.15, 여기서 x4와 x1은 각각 p형 중간 배리어층(5)과 발광층(6)의 Al의 몰분율이다), 대부분의 정공과 전자들이 발광층(6)에서 결합하여 LED(100)의 광효율이 더 높아진다.

Al의 몰분율이 0.5 이상이면, InGaAlP 기지 반도체로 된 중간 배리어층(5)이 간접 전이형 반도체층으로 된다. 따라서, 중간 배리어층(5)에서 방사성 재결합(30)이 거의 발생하지 않아, 발광층(6)의 방사성 재결합 효율이 더 향상된다. 상기 LED(100)에서, 중간 배리어층(5)의 Al의 몰분율 x4를 0.5로 설정하여, 중간 배리어층(5)을 간접 전이형 반도체층으로 한다. 이렇게 하면 중간 배리어층(5)이 발광하기가 곤란해져, 발광층(6)에서 거의 모든 주입 정공 및 전자들이 방사성으로 결합한다.

도 13에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따른 많은 LED를 제작하여 이들 LED에 50㎃의 구동전류를 상온에서 1000시간 인가하였다. 1000시간 뒤에 LED의 광출력을 측정하였다. 그 결과, 평균 광출력은 650㎼였고 광출력 변화율은 구동전류를 20㎃로 한 발광 초기의 광출력에 비해 ±2%의 범위안에 있었다. 이런 광출력의 변화율은 실제 사용하기에 충분히 작다.

(실시예 2)

도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 LED(200)의 단면도이다. 편의상, 실시예1의 LED(100)의 구성과 동일한 기능을 갖는 구성은 동일한 번호로 표시한다.

실시예 2의 LED(200)는 발광층(6)에 불순물을 도핑하지 않아 n형이고 이 n형 발광층(6)과 p형 제 2 클래드층(7) 사이에 중간 배리어층(50)을 배치한다는점에서 실시예 1의 LED(100)와 다르다. 중간 배리어층(50)의 에너지갭은 발광층(6)보다는 크지만 제 2 클래드층(7)보다는 낮다. n형 중간 배리어층(50)은 Si가 1x10¹⁶㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 (Ga_0.5Al_0.5)_0.5In_0.5P로 이루어지고 두께 0.2㎛이다.

도 4는 장시간 발광 후의 LED(200)의 대역상태를 보여준다.

GaAs 기판(1)과 격자정합하는 InGaAlP 기지 재료로 LED(200)를 만들 경우, 발광층(6)에 불순물을 도핑하지 않으면, 발광층(6)이 n형 도전형으로 된다. 실시예 2에서는 발광층(6)이 n형인 경우에 대해 설명한다.

이 LED(200)에서, n형 발광층(6)과 p형 제 2 클래드층(7) 사이에 중간 배리어층(50)을 배치한다. 이 중간 배리어층(50)은 Si로 도핑된다. 불순물 농도는 1x10¹⁶㎝^-3이하가 바람직하다. 중간 배리어층(50)의 두께는 소수 캐리어로서의 정공의 확산 길이보다 짧다. 정공의 확산길이는 전자의 확산길이인 약 0.3㎛보다 짧다. 따라서, 중간 배리어층(50)의 두께는 실시예 2의 LED(200)에서 0.2㎛이다. 이 값은 0.1㎛보다 크고, 이 값에서 중간 배리어층(50)과 p형 클래드층(7) 사이의 pn 접합에 의한 결정결함의 영향이 발광층(6)에 미치는 것이 방지된다. 따라서, 실시예 1의 LED(100)와 마찬가지로 실제 사용하기에 충분할만큼 장시간의 발광 후의 광출력의 저하가 감소한다.

공지된 바와 같이, 장시간 발광후에는 p형 불순물인 Zn의 확산이 발생한다. Zn이 발광층(6)에서 확산함에 따라, 발광층(6)의 발광효율이 낮아진다. 특히 고출력 LED의 경우에는, 저항율을 낮추기 위해 전류확산층(9)과 p형 제 2 클래드층(7)에 대량의 Zn이 도핑되어 있다. 이 경우, 발광층(6)으로의 Zn의 확산이 심각하여 발광효율을 저하시킨다.

그러나, 실시예 2의 LED(200)에서는 p형 제 2 클래드층(7)과 발광층(6) 사이에 불순물 농도가 낮은 중간 배리어층(50)을 배치하여 발광층(6)으로 Zn이 확산하는 것을 방지하므로 발광 효율의 저하를 막을 수 있다. 특히, 중간 배리어층(50)의 Al의 몰분율이 낮기 때문에, Zn의 확산이 상당히 낮아진다. 따라서, 이런 중간 배리어층(50)은 Zn 확산을 방지하는데 효과적이다. 그 결과. 전류확산층(9)의 불순물 농도가 증가하여 작동전압을 낮출 때에도 LED(200)의 발광효율이 장시간 발광 이후 저하되지 않는다.

실시예 2의 LED(200)에서는 p형 전류확산층(9)과 p형 제 2 클래드층(7)으로부터의 Zn의 확산이 거의 없기때문에 광출력이 거의 저하되지 않는다. 예컨대, 도 2와 같이 상온에서 1000시간 동안 LED에 50㎃의 구동전압을 인가한 상태에서 장시간 작동한 뒤, LED(200)의 광출력은 구동전류가 20㎃인 발광기 초기에 얻은 450㎼에서 ±2% 범위내에 있다. 단, 구동전압은 실시예 1에 비해 10%까지 감소하였다.

(실시예 3)

도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 LED(300)의 단면도이다. 편의상 실시예 1의 LED(100)와 동일한 기능을 갖는 구성은 동일한 부호로 표기한다.

실시예 3의 LED(300)는 n형 제 1 클래드층(4)과 p형 발광층(6) 사이에 배치된 p형 제 1 중간 배리어층(51)(실시예 1에서는 5로 표시됨) 이외에도 n형 발광층(6)과 p형 제 2 클래드층(7) 사이에 p형 제 2 중간 배리어층(52)을 배치한다는 점에서 실시예 1의 LED(100)과 다르다. 이 p형 중간 배리어층(52)은 Zn이 1x10¹⁷㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 (Ga_0.5Al_0.5)_0.51In_0.49P로 이루어지고 두께 0.2㎛이다.

도 6은 초기 발광기와 장시간 발광 이후의 LED(300)의 대역상태를 각각 도시한 것이다.

실시예 1의 LED(100)의 구성 이외에, p형 발광층(6)과 p형 제 2 클래드층(7) 사이에 p형 제 2 중간 배리어층(52)을 배치하여 pn 접합면을 형성하지 않는다. 이 p형 제 2 중간 배리어층(2)으로 인해, 실시예 2에서 설명한 바와 같이, 발광층(6)과 제 2 클래드층(7) 사이의 에너지갭으로 인한 결정결함의 발생이 방지된다. 광출력의 저하 방지는 실시예 1의 LED(100)보다 더 효과적이다.

또, p형 제 2 중간 배리어층(52)은 불순물 농도가 낮고 Al의 몰분율이 낮다. 따라서, p형 제 2 중간 배리어층(52)으로 인해 p형 전류확산층(9)과 p형 제 2 클래드층(7)에서 발광층(6)으로 Zn이 확산되는 것이 방지되어, 발광효율의 저하가 방지된다.

그 결과, 실시예 3의 LED(300)에서는 실시예 1의 LED(100)보다 더 오래 발광작용을 하여도 발광층(6)의 발광효율의 저하가 방지된다.

또한, 실시예 1의 LED(100)와 비교해, 실시예 3의 LED(300)에서는 결정결함 발생율이 낮아 광출력이 높아진다. 구체적으로, 실온에서 LED(300)에 50㎃의 구동전압을 인가하고 1000시간 뒤에 LED(300)의 광출력을 측정했다. 이 조건은 도 13의 조건과 비슷하다. 그 결과, LED(300)의 광출력은 720㎼였다. 이 값은 구동전류가 20㎃인 발광 초기에 얻은 광출력에서 ±2%의 범위내에 있었다.

(실시예 4)

도 7는 본 발명의 실시예 4에 따른 LED(400)의 단면도이다. 편의상 실시예 1의 LED(100)와 동일한 기능을 갖는 구성은 동일한 부호로 표기한다.

실시예 4의 LED(400)는 발광층(60)이 다양자 우물(MQW) 구조이고 이 발광층(60)과 n형 제 1 클래드층(4) 사이에 중간 배리어층(5)을 배치한다는 점에서 실시예 1의 LED(100)과 다르다. 이 발광층(60)은 드보라지에 파장보다 두께가 얇은 Ga_0.51In_0.49P층과 (Ga_0.5Al_0.5)_0.5In_0.5P층을 교대로 배치하여 구성된다. 중간 배리어층(5)의 에너지갭은 발광층(60)과 n형 제 1 클래드층(4)의 에너지갭 사이의 값을 갖는다. 중간 배리어층(5)의 두께는 0.05㎛로 얇게 한다.

이런 MQW 구조에서는, 발광층(60)에서의 결정결함의 발생이 저지된다. 따라서, n형 제 1 클래드층(4)과 중간 배리어층(5) 사이의 pn 접합부에서 발생하는 모든 결정결함이 발광층(60)으로 거의 지속 성장하지 않는다. 중간 배리어층(5)의 두께를 최대 0.02㎛로 하면 광출력의 저하를 방지할 수 있다.

(실시예 5)

도 8은 본 발명의 실시예 5에 따른 LED(500)의 단면도이다. 편의상 실시예 1의 LED(100)와 동일한 기능을 갖는 구성은 동일한 부호로 표기한다.

전술한 실시예들의 LED 각각은 n형 기판을 갖는다. 실시예 5에서의 LED(500)는 p형 기판을 갖는다. 이 경우, 역시 앞의 실시예의 LED와 동일한 효과를 얻는다.

실시예 5의 LED(500)는:

p형 GaAs로 된 기판(1);

p형 GaAs로 된 제1 버퍼층(2)

p형 (Al_0.4Ga_p.6)_0.5In_0.5P 층들과 p형 Al_0.5In_0.5P 층들이 서로 교대로 부착되어 있는 광반사(DBR) 층(3);

Zn이 5x10¹⁷㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 n형 Al_0.5In_0.5P로 되어 있고 두께 1㎛의 제 1 클래드층(4);

Si가 5x10¹⁷㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 n형 (Ga_0.5Al_0.5)_0.5In_0.5P로 되어 있고 두께 0.1㎛의 중간 배리어층(5);

n형 (Ga_0.7Al_0.3)_0.5In_0.5P로 되어 있고 두께 0.5㎛의 발광층(6);

Si가 5x10¹⁷㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 n형 Al_0.5In_0.5P로 되어 있고 두께 1㎛의 제 2 클래드층(7);

Si가 1x10¹⁸㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 n형 (Al_0.05Ga_0.95)_0.95In_0.05P로 되어 있고 두께 0.15㎛의 제 2 버퍼층(8); 및

Si가 1x10¹⁸㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 n형 (Al_0.01Ga_0.99)_0.99In_0.01P로 되어 있고 두께 7㎛의 전류확산층(9);을 포함한다.

p형 기판은 n형 기판보다 제작하기가 더 어렵기 때문에, 대부분의 LED에서 n형 기판이 사용된다. 이 LED(500)가 p형 기판을 포함하기때문에, 확산전류층(9)은 n형이다. n형 확산전류층(9)은 p형 확산전류층보다 불순물 농도가 낮을때에도 p형 확산전류층과 동일한 전류확산효과를 가질 수 있다. 이때문에, 발광층(6)으로의 불순물의 확산을 감소시켜 발광효율의 저하를 거의 방지할 수 있다는 점에서 유리하다. 또, n형 전류확산층(9)과 n측 전극 사이의 접촉저항을 낮출 수 있다.

이상의 모든 설명에서, 모든 LED는 GaAs 기판과 격자정합하는 InGaAlP 기지 반도체로 구성된다. 전술한 설명에서 알 수 있듯이, 본 발명의 LED는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(예; AlGaAs, AlGaInSb, InGaAsp, AlGaInN, GaInNSb)와 Ⅲ-Ⅵ 화합물 반도체 등의 다른 재료로 구성될 수도 있다. 이들 재료로 구성된 층들의 두께와 캐리어 농도 역시 본 발명의 LED에서 변경될 수 있다.

(실시예 6)

도 9는 본 발명의 실시예 6에 따른 LED(600)의 단면도이다. 편의상 도 15에 도시된 종래의 LED(900)와 동일한 기능을 갖는 구성은 동일한 부호로 표기한다.

실시예 6의 LED(600)는 p형 제2 클래드층(105)이 p형 제 2 중간 배리어층(53)과 p형 제2 클래드층(54)로 구성된다는 점에서 종래의 LED(900)와 다르다. p형 제2 중간 배리어층(53)은 그 Al 몰분율이 LED(900)의 발광층(104)보다는크지만 p형 제2 클래드층(105)보다는 작고 p형 제2 클래드층(105)의 하부에 배치된다. p형 제2 클래드층(54)은 캐리어를 가두기에 충분한 Al 몰분율을 갖고 p형 제2 클래드층(105)의 하부에 배치된다.

실시예 6의 LED(600)은:

Zn이 2x10¹⁷㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 p형 (Ga_0.5Al_0.5)_0.5In_0.5P로 되어 있고(Al의 몰분율은 0.5) 두께 0.3㎛의 p형 제 2 중간 배리어층(53);

Zn이 5x10¹⁷㎝^-3의 불순물 농도로 도핑되어 있는 p형 (Ga_0.5Al_0.5)_0.5In_0.5P로 되어 있고(Al의 몰분율은 1.0) 두께 1㎛의 p형 제 2 클래드층(54); 및

단층으로 된 전류확산층(106);을 구비한다.

이상의 구조에서, p형 제 2 클래드층(54)은 캐리어들을 가두기에 충분한 Al 몰분율을 가져, LED(600)의 광출력을 높일 수 있다. p형 제 2 클래드층(54)의 Al의 몰분율 x는 0.7≤x≤1의 범위내에 있는 것이 바람직하다. p형 제2 중간 배리어층(53)은 불순물 농도와 Al 몰분율이 낮다. 이때문에, 발광으로 인한 불순물 확산을 방지하여 장시간의 발광 후의 광출력 저하를 방지할 수 있다.

p형 제2 중간 배리어층(53)에서는 낮은 Al 몰분율은 물론 낮은 불순물 농도로 인해 결정성이 향상되고, 이로인해 불순물 확산이 방지된다. Al의 높은 산화성으로 인해 층의 구성재료에 함유된 산소가 결정화된다. 따라서, Al의 높은 몰분율때문에 이상적인 결정구조에 비해 불완전 결정구조가 만들어진다. 이런 불완전 구조의 결정은 흔히 빈 격자점을 갖고, 이것은 원자가 제위치에 있는 이상결정의 격자점이기는 하지만 원자를 함유하지는 않고, 이상결정에서 기대되는 것보다 큰 공간을 갖는다. 이때문에 이상결정에서의 확산과 비교하여 불순물의 확산이 촉진된다.

p형 제2 클래드층(54)의 Al의 몰분율 x는 캐리어들을 충분히 가둘 수 있도록 가능한한 큰 것이 바람직하다. 일반적으로 x는 1.0이다. 또, p형 제2 클래드층(54)의 저항율은 전체 발광층(104)의 캐리어들을 확산시킬 수 있도록 가능한한 낮은 것이 좋다. 이를 위해, p형 제2 클래드층(54)의 불순물 농도는 가능한한 높은 것이 바람직하다.

p형 제2 중간 배리어층(53)에서, Al의 몰분율은 0.5 정도의 낮은 값으로 설정해야만 한다. 이렇게 하면 결정성이 향상되어, p형 제2 중간 배리어층(53)의 두께가 얇아도 불순물 확산을 방지할 수 있다.

p형 제 2 중간 배리어층(53)의 두께가 크면, 발광층(104)에서 오버플로되는 캐리어들이 p형 제 2 중간 배리어층(53)을 발광시키거나 비방사성 결합에 의해 사라지게 되어, 발광층(104)의 발광효율을 저하시킨다. 이런 현상을 방지하려면, p형 제2 중간 배리어층(53)의 두께를 p형 제2 중간 배리어층(53)내의 소수 캐리어인 전자의 확산길이의 절반으로 하는 것이 바람직하다. Al의 몰분율이 통상 0.5인 InGaAlP 결정의 전자 확산길이는 약 0.5㎛이다. 따라서, p형 제2 중간 배리어층(53)의 두께는 0.3㎛ 이하가 바람직하다.

p형 제2 중간 배리어층(53)의 불순물 농도와 두께를 좀더 최적화하는 것이 바람직함은 말할 나위도 없다.

도 10A는 p형 제2 중간 배리어층(53)의 발광 초기에 대해 1000시간 발광한 뒤의 불순물 농도와 광출력비 사이의 관계를 보여준다. 도 10B는 p형 제2 중간 배리어층(53)의 발광 초기에 대해 1000시간 발광 이후의 두께와 광출력비 사이의 관계를 보여준다. p형 중간 배리어층(53)에 실온에서 50㎃의 구동전류를 인가한 상태에서 발광되었다.

p형 제2 중간 배리어층(53)의 불순물 농도가 높으면 발광효율이 낮아진다. 이것은 전류확산층(106)과 p형 제2 클래드층(54)에서 확산된 불순물이 p형 제2 중간 배리어층(53)의 불순물을 발광층(104)으로 밀어내기 때문일 수 있다.

한편, p형 제2 중간 배리어층(53)의 두께가 너무 얇으면 불순물 일부가 발광층(104)으로 확산하여 광효율을 저하시킨다.

도 10A에서 알 수 있듯이, 불순물 농도가 3x10¹⁷㎝^-3이하로 충분히 낮은 p형 제2 중간 배리어층(53)은 전류확산층(106)과 p형 제2 클래드층(54)에서 확산된 p형 불순물들이 발광층(104)으로 더 확산되는 것을 방지한다. 이 경우, 1000시간 발광 이후의 광출력은 초기 발광기의 광출력의 80% 이상이고, 이 값은 실제 사용하기에 충분한 수준의 광도이다.

도 10B는 발광층(104)의 불순물 농도가 1x10¹⁷㎝^-3일때의 결과를 보여준다. 도 10B에서 알 수 있듯이, 두께가 0.1㎛ 이상인 p형 제2 중간 배리어층(53)으로 인해 1000시간 발광 이후의 광출력이 발광 초기의 광출력의 90% 이상인 LED를 실현할 수 있다. 이런 LED는 실제로 유용하다.

p형 제2 중간 배리어층(53)의 두께가 크면, p형 제2 클래드층(54)은 캐리어 감금효과를 상실한다. 이런 p형 제2 중간 배리어층(53)은 본래의 기능을 갖는 p형 클래드층 역할을 한다. 이 경우, p형 제2 중간 배리어층(53)에서 방사성 재결합 등에 의해 캐리어들이 소모된다. 따라서, p형 제2 중간 배리어층(53)의 두께는 p형 층의 소수 캐리어인 전자의확산효과와 동일하거나 더 얇게 할 필요가 있다. 전자의 확산길이는 GaAs와 격자정합하는 AlGaInP 기지 화합물 반도체에서 0.5-1.5㎛이다. AlGaInP 기지 화합물 반도체의 Al 몰분율이 0.5이면, 전자의 확산길이는 약 0.5㎛이다. 따라서, p형 제2 중간배리어층(53)의 두께는 0.5㎛ 이하로 해야하고, 바람직하게는 0.3㎛ 이하로 하는 것이 좋다.

(실시예 7)

도 11은 본 발명의 실시예 7에 따른 LED의 단면도이다. n형 GaAs 기판(201)상에, n형 (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP 제1 클래드층(21)(x=1.0, y=0.5, Si 캐리어 농도 1x10¹⁷㎝^-3, 두께 1㎛); n형 (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP 제1 중간 배리어층(22)(x=0.5, y=0.5, Si 캐리어 농도 2x10¹⁷㎝^-3, 두께 0.5㎛); (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP 발광층(203)(x=0.3, y=0.5, 두께 0.5㎛); p형 (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP 제2 중간 배리어층(41)(x=0.5, y=0.5, Zn 캐리어 농도 2x10¹⁷㎝^-3, 두께 0.5㎛); p형 (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP 제2 클래드층(42)(x=1.0,y=0.5, Zn 캐리어 농도 5x10¹⁷㎝^-3, 두께 1㎛); 및 (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP 전류확산층(205)(x=0.05, y=0.90, Zn 캐리어 농도 1x10¹⁷㎝^-3, 두께 7㎛)가 연속적으로 부착되어 있다. 또, 전류확산층(205)의 윗면에 p측 전극(207)이 형성된다. 기판(201) 저면에는 n측 전극(209)이 형성된다. 그 결과 발광 다이오드(700)가 완벽히 형성된다.

p형 제2 중간 배리어층(41)은 Al의 몰분율이 낮고 불순물 농도가 낮으며 두께가 0.5㎛로 크다. 따라서, p형 제2 중간 배리어층(41)은 전류확산층(205)과 p형 제2 클래드층(42)으로부터 발광층(203)으로의 불순물 확산을 방지하여, 발광효율의 저하를 방지한다. n형 제1 중간 배리어층(22)과 함께, Al 몰분율이 낮은 발광층(203)을 그 위에 형성할 수 있다. Al의 몰분율이 낮기 때문에 발광층(203)에 만족스러운 결정성이 생긴다. 이와같은 만족스런 결정성을 갖는 발광층(203)과 n형 제1 중간 배리어층(22) 사이의 pn 접합으로 인해 발광효율을 향상시킬 수 있다.

이상의 모든 설명에서, 모든 LED는 GaAs 기판과 격자정합하는 InGaAlP 기지 반도체로 구성된다. 상기 설명에서 알 수 있듯이, 본 발명의 LED는 에너지갭을 Al의 몰분율에 의해 설정할 수 있는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(예; AlGaAs, AlGaInSb, InGaAsp, AlGaInN) 등의 다른 재료로 구성될 수도 있다. 이들 재료로 구성된 층들의 두께와 캐리어 농도 역시 본 발명의 LED에서 변경될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 LED에서는 장시간 발광 이후에도 광출력이 적게 저하된다.

본 발명의 일 측면에 의하면, pn 접합부에서 발생하는 결정결함이 발광층에 영향을 주는 것이 방지되어, 장시간 발광 이후에도 광출력의 저하가 방지되는 LED를 실현할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, pn 접합부에서 발생하는 결정결함이 발광층에 영향을 주는 것이 방지되어 발광 효율의 저하가 방지됨으로써, 장시간 사용후에도 광출력의 저하가 방지되는 LED를 실현할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 중간배리어층에서의 비방사성 재결합이 거의 제거되어, 높은 레벨의 발광 효율을 갖는 LED를 실현할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 쉽게 확산되는 경향이 있는 p형 불순물이 발광층으로 확산하는 것이 방지되어, 발광효율의 저하를 방지된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 장시간의 발광후에도 적색광에서 녹색광으로의 스펙트럼에 있어 광출력의 저하가 감소된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, LED가 Al 몰분율이 높은 클래드층을 포함한 고강도 LED일 때에도, 쉽게 확산되는 경향이 있는 p형 불순물은 장시간의 발광 이후에도 전류확산층이나 p형 제2 클래드층으로부터 발광층으로의 확산이 방지되어, 발광효율의 저하를 방지한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, p형 제2 중간 배리어층의 Al 몰분율은 0.5 이하이고, p형 제2 클래드층의 Al 몰분율은 0.7 이상이기 때문에, p형 중간 배리어층의 결정성이 만족스럽게 유지되어, 불순물의 확산을 방지할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, LED가 p형 제2 중간 배리어층을 포함할 때에도 p형 제2 클래드층은 캐리어 구속 효과를 유지하여, 높은 광출력을 실현하고 고온에서 LED의 특성을 유지시킬 수 있다. 또, p형 제2 클래드층은 불순물 농도가 낮아 주입되는 불순물을 흡수하여 그 불순물들이 발광층으로 확산하는 것을 방지한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 오랫동안 LED가 적색광에서 녹색광까지의 스펙트럼 형태로 고강도로 빛을 낼 때에도, 쉽게 확산되는 경향이 있는 p형 불순물이 전류확산층이나 p형 제2 클래드층으로 부터 발광층으로 확산하는 것이 방지되어, 광출력의 저하를 방지한다.

Claims

기판;

발광층;

발광층보다 큰 에너지갭을 갖는 제1 도전형의 제1 클래드층;

발광층보다 큰 에너지갭을 갖는 제2 도전형의 제2 클래드층; 및

발광층의 도전형과 동일한 도전형을 가지지만 제1 또는 제2 클래드층의 도전형과는 다른 도전형을 가지며, 제1, 제2 클래드층의 에너지갭보다는 작고 발광층의 에너지갭보다는 큰 에너지갭을 갖는 중간 배리어층;을 포함하고;

상기 발광 다이오드는 그 구조가 이중 헤테로구조이어서, 제1 및 제2 클래드층 사이에 발광층이 삽입되고; 중간 배리어층은 발광층과 제1 클래드층 사이 및/또는 발광층과 제2 클래드층 사이에 배치되는 발광다이오드.
제1항에 있어서, 중간 배리어층의 두께는, 중간 배리어층의 소수 캐리어의 확산길이보다는 작고 그리고 중간 배리어층과 제1 또는 제2 클래드층 사이의 인터페이스에서 발생된 비방사성 재결합 중심이 발광층에 거의 영향을 미치지 않도록 하는 값보다는 큰 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제1항에 있어서, 중간 배리어층의 두께는 0.1㎛ 이상 0.5㎛ 이하의 범위에 있는 발광다이오드.
제1항에 있어서, 중간 배리어층의 에너지갭은 발광층의 에너지갭보다 0.2eV 이상 큰 발광다이오드.
제1항에 있어서, 중간 배리어층은 비방사성 재결합 수명이 긴 간접전이형 반도체층인 발광다이오드.
제1항에 있어서, 중간 배리어층은 제 1 및 제2 중간 배리어층들을 포함하고; 제1 중간 배리어층은 발광층과 제1 클래드층 사이에 배치되고; 제2 중간 배리어층은 발광층과 제2 클래드층 사이에 배치되고; 제1 중간 배리어층은 그도전형이 발광층과는 같지만 제 1 중간 배리어층에 인접한 제1 클래드층과는 다르고, 그 에너지갭은 제1 클래드층보다는 작고 발광층보다는 높고; 제2 중간 배리어층은 그 도전형이 발광층의 도전형은 물론 제2 중간 배리어층에 인접한 제2 클래드층의 도전형과도 같고, 그 에너지갭이 제2 클래드층보다는 작고 발광층보다는 큰, 발광다이오드.
제1항에 있어서, 기판은 GaAs로 구성되고;

제1 클래드층은 (Ga_1-x2Al_x2)_0.5In_0.5P로 구성되며(여기서, x1<x2≤1);

발광층은 (Ga_1-x1Al_x1)_0.5In_0.5P로 구성되고(여기서, 0≤x1<1);

중간 배리어층은 (Ga_1-x4Al_x4)_0.5In_0.5P로 구성되며(여기서, x1<x4<x2, x3);

제2 클래드층은 (Ga_1-x3Al_x3)_0.5In_0.5P로 구성되는(여기서, x1<x3≤1) 발광다이오드.
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