KR100801219B1

KR100801219B1 - 고휘도 발광 다이오드

Info

Publication number: KR100801219B1
Application number: KR20060057713A
Authority: KR
Inventors: 박형수; 정현돈; 김지홍
Original assignee: (주)에피플러스
Priority date: 2005-06-25
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2008-02-11
Also published as: KR20060135571A

Abstract

본 발명은 고휘도 반도체 발광 소자에 관한 것이다. 상기 고휘도 반도체 발광 소자는 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층이 순차적으로 형성되며, 상기 p형 반도체층은 상기 활성층위에 순차적으로 형성되는 제1 클래드층, 제2 클래드층, 제3 클래드층을 구비하며, 상기 제1 클래드층, 제2 클래드층, 제3 클래드층을 구성하는 물질들은 격자 상수가 서로 다른 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 제1 클래드층위에 성장되는 상기 제2 클래드층은 제1 클래드층과의 격자 상수의 차이가 커서, 격자 부정합에 의한 피트(pit)가 많이 생성된다. 상기 제2 클래드층위에 성장되는 제3 클래드층은 상기 제2 클래드층내에 생성된 피트들이 확장되어 p형 반도체층의 표면까지 연결되도록 한다. 그 결과 p형 반도체층은 거친 표면을 갖게 된다.

본 발명에 의하여, 제1 클래드층과 제2 클래드층의 격자 상수의 차이로 인하여 제2 클래드층은 내부에 생성된 피트들이 제3 클래드층에서 확장됨으로써, p형 반도체층은 거친 표면을 갖게 된다. 그 결과 본 발명에 따른 발광 소자는 외부 양자 효율이 증가되어 휘도가 향상된다.

LED, 격자 상수, 격자 부정합, 결함, 외부 양자 효율

Description

고휘도 발광 다이오드{Light emitting diode with high brightness}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 p형 반도체층을 구성하는 제1, 제2, 제3 클래드층의 조성 물질들의 격자 상수를 대비한 도표이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 p형 반도체층을 구성하는 제1, 제2, 제3 클래드층을 성장시키는 성장 온도들을 대비한 도표이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 반도체 발광 소자

100 : n형 반도체층

110 : 활성층

120 : p형 반도체층

122 : 제1 클래드층

124 : 제2 클래드층

126 : 제3 클래드층

본 발명은 휘도가 향상된 반도체 발광 소자에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 p형 반도체층의 내부에 다수의 피트(pit)를 생성되도록 하여 거친 표면을 형성함으로써 외부 양자 효율을 증가시켜 휘도를 향상시킨 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 발광 소자인 발광 다이오드(LED)는 기판상에 n형 반도체층, 활성층, P형 반도체층이 순차적으로 적층되어 형성되며, 상기 n형 반도체층과 p형 반도체층 위에 전극을 형성한다. 이와 같은 구조로 이루어지는 발광 다이오드는 활성층에서 생성된 빛이 LED의 외부로 방출됨으로써 발광 소자로서 작용하게 된다. 이러한 특성을 갖는 LED의 휘도를 결정하는 요인은 내부 양자 효율 및 외부 양자 효율이다.

한편, LED 내부에서 생성된 빛 중 일부는 외부로 방출되지 못하고 활성층내에서 반사를 반복하다가 소멸되며, 나머지가 LED의 외부로 방출된다. 그런데, GaN 를 이용한 LED는 내부에서 생성된 빛이 LED 외부로 방출되는 외부 양자 효율이 매우 낮기 때문에, GaN LED의 휘도를 향상시키기 위한 다양한 방안들이 제안되고 있다.

발광 다이오드의 휘도를 향상시키기 위하여 제안된 방안들 중의 하나는, 반도체 발광 소자의 p형 반도체층의 표면을 거칠게 형성함으로써 외부 양자 효율을 증가시키는 방법이다.

따라서, 본 발명은 발광 다이오드의 p형 반도체층이 거친 표면을 갖도록 하는 방안을 제안하고자 한다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 p형 반도체층을 격자 상수가 서로 다른 적어도 3개의 클래드층으로 구성하여 표면을 거칠게 형성함으로써, 휘도를 향상시킨 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 고휘도 반도체 발광 소자는 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층이 순차적으로 형성되며,

상기 p형 반도체층은 상기 활성층위에 순차적으로 형성되는 제1 클래드층, 제2 클래드층, 제3 클래드층을 구비하며, 상기 제1 클래드층, 제2 클래드층, 제3 클래드층을 구성하는 물질들은 격자 상수가 서로 다른 것을 특징으로 한다.

전술한 특징을 갖는 반도체 발광 소자의 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층을 이루는 물질들은 격자 상수의 차이가 제1 기준값 이상이 되며, 상기 제2 클래드층과 상기 제3 클래드층을 이루는 물질들은 격자 상수의 차이가 제2 기준값 이하가 되고, 상기 제1 기준값은 상기 제2 기준값보다 크며,

상기 제1 클래드층위에 형성되는 상기 제2 클래드층내에는 격자부정합에 의하여 다량의 피트(pit)들이 형성되며, 상기 제2 클래드층위에 성장되는 제3 클래드층은 상기 제2 클래드층에 형성된 피트들의 면적이 확장되어 상기 p형 반도체층의 표면까지 연결되도록 하여, 상기 p형 반도체층이 거친 표면을 갖게 되는 것이 바람 직하다.

전술한 특징을 갖는 반도체 발광 소자의 상기 p형 반도체층은 Al_xIn_yGa_1-x-yN로 이루어지며, 제1 클래드층의 원소 조성비는 0<x≤1, 0≤y≤1, 0<x+y≤1 이며, 제2 클래드층의 원소 조성비는 x=0, 0<y≤1, 0<x+y≤1 이며, 제3 클래드층의 원소 조성비는 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 인 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고휘도의 반도체 발광 소자의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고휘도 반도체 발광 소자(10)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고휘도 반도체 발광 소자(10)는 n형 반도체층(100), 활성층(110) 및 p형 반도체층(120)이 순차적으로 형성되고, 상기 p형 반도체층(120)은 제1 클래드층(122), 제2 클래드층(124), 제3 클래드층(126)을 구비한다.

본 발명에 따른 반도체 발광 소자(10)는 p형 반도체층의 표면을 거칠게 하여 상기 활성층(110)내에서 생성된 빛이 p형 반도체층에서 산란되도록 함으로써, 상기 빛이 상기 소자의 외부로 방출되는 외부 양자 효율을 증가시켜 소자의 휘도를 향상시키게 된다. 이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 전술한 구성 요소들에 대하여 구체적으로 설명한다. 한편, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자를 제작하기 위한 기판(substrate)은 산화알루미늄(Al₂O₃), 탄화실리콘, 갈륨비소, 실리콘(Si)등을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 반도체 발광 소자(10)의 n형 반도체층(100)과 활성층(120)은 일반적인 반도체 발광 소자의 n형 반도체층 및 활성층과 그 구성 및 동작, 그리고 성장 방법이 동일하므로, 이들에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 발광 소자는 질화물 발광 다이오드(GaN LED)를 예시적으로 설명하도록 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 상기 p형 반도체층(120)의 제1 클래드층(122)은 Al을 포함하는 질화갈륨막(p-AlGaN)으로 이루어지며, 제2 클래드층(124)은 In을 포함하는 질화갈륨막(p-InGaN)으로 이루어지며, 제3 클래드층(126)은 질화갈륨막(p-GaN)으로 이루어진다.

이때, 제1 클래드층(122)과 제2 클래드층(124)은 격자 상수의 차이가 상당히 큰 물질들로 구성함으로써, 제1 클래드층위에 성장되는 제2 클래드층의 격자 부정합(lattice mismatch)을 극대화시킨다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 p형 반도체층의 제1, 2, 3 클래드층들에 대한 격자 상수의 차이를 상대적으로 표시한 도표이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 클래드층과 제2 클래드층의 격자 상수의 차이를 최대화시킴으로써, 제1 클래드층위에 성장되는 제2 클래드층은 격자 부정합으로 인하여 그 내부에 다량의 피트(pit)를 포함하면서 성장하게 된다. 그 결과 본 발명에 따른 제2 클래드층(124)은 반도체 발광 소자의 피트 생성층(pit-generation layer)로 작용하게 된다.

한편, 상기 제2 클래드층(124)위에 성장되는 제3 클래드층(126)은 상기 제2 클래드층을 이루는 물질의 격자상수와 차이가 있는 물질로 구성된다. 이때, 상기 제2 클래드층과 제3 클래드층의 격자 상수의 차이값은 상기 제2 클래드층과 제1 클래드층의 경자 상수의 차이값보다 작은 것이 바람직하다.

한편, 격자 상수가 다른 상기 제2 클래드층(124)위에 성장되는 제3 클래드층(126)은 제2 클래드층에서 형성된 피트(pit)들이 확장되어 p형 반도체층의 표면까지 연결되도록 함으로써, p형 반도체층이 거친 표면을 갖도록 한다.

상기 제2 클래드층의 표면에 형성된 피트들은 제3 클래드층에서 성장되는 동안 그 면적이 확장되어 p형 반도체층의 표면까지 전달됨으로써, p형 반도체층은 매우 거친 표면을 갖게 될 뿐만 아니라 제2 클래드층의 표면에 형성된 피트들을 면적보다 훨씬 넓은 면적의 피트들을 갖게 된다. 따라서, p형 반도체층이 거친 표면을 갖게 됨에 따라, 활성층에서 생성되는 빛들의 산란을 증가시키고 외부 양자 효율을 증가시켜 소자의 휘도를 향상시킬 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 발광 소자(10)의 p형 반도체층을 구성하는 제1, 2, 3 클래드층들의 성장 온도를 예시적으로 도시한 도표이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제1 클래드층(122)은 p-AlGaN으로서 고온 성장시킨다. 이와 같이, 제1 클래드층(122)은 고온 성장시킴으로써, 제1 클래드층의 결정성을 향상시키고 Al의 평균 조성비를 높이게 된다.

상기 제1 클래드층위의 제2 클래드층은 p-InGaN로서, 저온에서 성장시킨다. 인듐(In)을 포함하는 제2 클래드층은 인듐의 강한 휘발성으로 인하여 400 ~ 1000℃의 범위내에서 성장시킨다. 하지만, 바람직하게로는 In을 포함하는 제2 클래드층은 600 ~ 900 ℃에서 성장시키는 것이 좋다. 상기 제2 클래드층을 구성하는 InGaN와 제1 클래드층을 구성하는 AlGaN의 격자 상수가 서로 다르기 때문에, 제1 클래드층위에 성장되는 제2 클래드층은 제1 클래드층과의 격자 부정합이 발생하여 스트레인(Strain)을 많이 발생시키게 된다. 그 결과 제2 클래드층의 내부에는 다량의 피트(pit)들이 생성되어, 제2 클래드층은 피트-생성층(pit-generation layer)로서 작용하게 된다.

상기 제2 클래드층위에 성장되는 제3 클래드층은 제2 클래드층에 형성된 피트들이 확장되어 p형 반도체층의 표면까지 전달되도록 한다. 그 결과, p형 반도체층은 피트들에 의하여 거친 표면을 갖게 되며, 제 2 클래드층에서 생성된 피트들이 제3 클래드층에서 확장됨에 따라 p형 반도체층의 표면에는 넓은 면적의 피트들이 형성되어 p형 반도체층의 표면의 거친 영역도 넓어지게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 제1, 제2, 제3 클래드층으로 이루어지는 p형 반도체층(120)은 전체 두께가 0.4 ~ 0.8 ㎛의 범위내인 것이 바람직하며, 아연, 마그네슘, 카드늄, 베릴리움, 칼슘 등을 도핑하여 p 타입으로 형성하는 것이 바람직하다 .

한편, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자(10)의 n형 반도체층(100)은 실리콘, Tn, Ge 등을 도핑하여 n 타입으로 형성하는 것이 바람직하다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이 상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에서 p형 반도체층을 구성하는 제1, 제2, 제3 클래드층의 구성 물질, 성장 온도 등은 소자의 표면의 거친 정도를 증가시키고 소자의 휘도를 향상시키기 위하여 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 반도체 발광 소자는 활성층위에 형성되는 p형 반도체층이 거친 표면을 갖도록 함으로써, 반도체 발광 소자의 외부 양자 효율을 증가시켜 소자의 휘도를 향상시키게 된다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는 p형 반도체층을 격자 상수가 서로 다른 3개의 클래드층으로 형성함으로써, 종래의 편평한 표면을 갖는 반도체 발광 소자보다 그 휘도가 약 60~80 % 증가하게 되었다.

Claims

n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층이 순차적으로 형성된 반도체 발광 소자에 있어서,

상기 p형 반도체층은 상기 활성층위에 순차적으로 형성되는 제1 클래드층, 제2 클래드층, 제3 클래드층을 구비하며,

상기 제1 클래드층, 제2 클래드층, 제3 클래드층을 구성하는 물질들은 격자 상수가 서로 상이하며, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층을 이루는 물질들에 대한 격자 상수들의 차이값은 상기 제2 클래드층과 상기 제3 클래드층을 이루는 물질들에 대한 격자 상수의 차이값보다 큰 것을 특징으로 하며,

상기 제1 클래드층위에 성장되는 상기 제2 클래드층에는 제1 클래드층과의 격자 부정합에 의하여 다량의 피트(pit)들이 형성되어 피트 생성층(pit generation layer)으로 작용하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 피트 생성층으로 작용하는 상기 제2 클래드층위에 성장되는 제3 클래드층은 상기 제2 클래드층에 형성된 피트들이 확장되어 상기 p형 반도체층의 표면까지 연결되도록 하여, 상기 p형 반도체층이 거친 표면을 갖게 되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
제1항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 p형 반도체층은 Al_xIn_yGa_1-x-yN로 이루어지며, 제1 클래드층의 원소 조성비는 0<x≤1, 0≤y≤1, 0<x+y≤1 이며, 제2 클래드층의 원소 조성비는 x=0, 0<y≤1, 0<x+y≤1 이며, 제3 클래드층의 원소 조성비는 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
제1항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 p형 반도체층의 전체 두께는 0.4 ~ 0.8 ㎛ 범위내인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
제1항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 p형 반도체층의 제2 클래드층은 In을 포함하는 질화갈륨막으로 이루어지며, 상기 제2 클래드층의 성장 온도는 400 ~ 1000℃ 범위내 인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.