KR100809215B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은

p형 및 n형 질화물 반도체층과 그 사이에 순차적으로 형성된 서로 다른 발광파장을 가지며 각각 적어도 하나의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층되어 이루어진 복수의 활성층을 포함하며, 상기 복수의 활성층 중 적어도 하나의 활성층은 그 양자장벽층과 양자우물층이 주입되는 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

백색 발광소자(white light emitting device), 주입길이(injection length), 모놀리식 소자(monolithic device), 재결합(recombination), 초격자(superlattice)

Description

질화물 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도1a는 종래의 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도1b는 도1a에 도시된 질화물 반도체 소자의 활성층에 대한 에너지밴드갭을 나타낸다.

도2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도2b는 도2a에 도시된 질화물 반도체 소자의 활성층에 대한 에너지밴드갭을 나타낸다.

도3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자의 활성층에서 정공주입길이를 개략적으로 나타나내는 그래프이다.

도4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 소자의 활성층에 대한 에너지밴드갭을 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10,20: 질화물 반도체 발광소자 12,22: n형 질화물 반도체층

14,24: 장파장측 활성층 15,25: 활성층간 양자장벽층

16,26: 단파장측 활성층 17,27: p형 질화물 반도체층

18,28: 투명전극층 19a,29a: n측 전극

19b,29b: p측 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게 서로 다른 파장광을 발광하는 적어도 2개의 활성층을 모놀리식 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, LED를 이용한 백색 발광소자는 탁월한 고휘도 및 고효율이 가능하므로, 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트로 널리 사용된다.

이러한 백색 발광 소자의 구현방안은 개별 LED로 제조된 청색, 적색 및 녹색 LED를 단순 조합하는 방식과 형광체를 이용하는 방식이 널리 알려져 있다. 다색의 개별 LED를 동일한 인쇄회로기판에 조합하는 방식은 이를 위한 복잡한 구동회로가 요구되며, 이로 인해 소형화가 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 형광체를 이용한 백색 발광소자 제조방법이 보편적으로 사용된다.

종래의 형광체를 이용한 백색 발광소자 제조방법으로는, 청색 발광소자를 이용하는 방법과 자외선 발광소자를 이용하는 방법이 있다. 예를 들어, 청색 발광소 자를 이용하는 경우에는 YAG 형광체를 이용하여 청색광을 백색광으로 파장 변환한다. 즉, 청색 LED로부터 발생된 청색파장이 YAG(Yittrium Aluminum Garnet)형광체를 여기시켜 최종으로 백색광을 얻을 수 있다. 하지만, 형광체분말에 의한 소자특성의 불이익한 영향이 발생되거나, 형광체 여기시 광효율이 감소하고 색보정지수가 저하되어 우수한 색감을 얻을 수 없다는 한계가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 방안으로, 형광체 없이 다른 파장광을 발광하는 복수의 활성층을 구비한 모놀리식 발광소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 적색, 청색, 녹색을 위한 활성층 또는 청색, 오렌지색을 위한 활성층을 단일한 발광소자에 구현하거나, 그 중 일부인 청색 및 녹색을 위한 활성층을 단일 발광소자로 구현하고, 다른 적색 발광소자를 결합하는 방식으로 구현될 수 있다. 복수의 활성층을 갖는 모놀리식 발광소자의 일예로서 도1에는 서로 다른 파장광을 방출하는 2개의 활성층을 구비한 질화물 반도체 발광소자가 도시되어 있다.

도1a에 도시된 바와 같이, 상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물층(12), 활성층간 양자장벽층(15)을 사이에 둔 제1 및 제2 활성층(14,16) 및, 제2 도전형 질화물층(17)을 포함한다. 또한, 상기 제2 도전형 질화물층(17) 상에는 투명전극층(18)이 형성되며 상기 제1 도전형 질화물층(12)과 상기 투명전극층(18) 상에는 각각 제1 및 제2 전극(19a,19b)이 제공된다.

도1b에 도시된 밴드갭 다이어그램과 같이, 상기 제1 및 제2 활성층(14,16)은 각각 양자장벽층(14a,16a)과 양자우물층(14b,16b)이 교대로 적층된 구조를 갖는다. 특히, 각 양자우물층(14a,16b)은 예를 들어 각각 청색, 오렌지색 또는 청색, 녹색의 광과 같이 서로 다른 파장의 광을 발생하도록 적절히 다른 조성을 갖는 In_xGa_{1 -x}N(0<x≤1)으로 형성된다.

하지만, 복수의 활성층(14,16)을 갖는 질화물 발광소자에서는, 도1b에 도시된 바와 같이 활성층에서 정공이동을 어렵게 하는 밴드갭 오프셋(bandgap offset)이 발생할 뿐만 아니라, 정공의 주입길이(injection length)가 전자의 주입길이보다 매우 낮으므로, p형 질화물층에 인접한 하나의 활성층에서만 재결합이 발생되는 문제가 있다. 이와 같이, 각 활성층의 고유한 색의 광이 적절하게 분포되지 않으므로, 적절한 색분포를 통한 백색광을 얻기 위한 모놀리식 소자로서 구현되는데 한계가 있어 왔다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 활성층 구조를 개선하여 서로 다른 파장광을 갖는 복수의 활성층의 고유한 발광이 원하는 수준의 분포를 가질 수 있는 새로운 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명은

p형 및 n형 질화물 반도체층과 그 사이에 순차적으로 형성된 서로 다른 발광파장을 가지며 각각 적어도 하나의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층되어 이루어진 복수의 활성층을 포함하며, 상기 복수의 활성층 중 적어도 하나의 활성층은 그 양자장벽층과 양자우물층이 주입되는 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

바람직하게, 상기 초격자 구조를 갖는 활성층은 상기 n형 질화물 반도체층에 인접한 활성층일 수 있다.

바람직하게, 상기 초격자 구조를 갖는 활성층의 양자장벽층과 양자우물층은 각각 약 20 ∼ 약 40 Å의 두께를 가짐으로써 터널링효과를 통해 실질적으로 보다 긴 정공주입길이를 보장할 수 있다.

바람직하게, 상기 초격자 구조를 갖는 활성층과 다른 활성층 사이에 위치한 양자장벽층은 약 50 ∼100 Å 두께를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 활성층은 제1 파장광을 방출하는 제1 활성층과 상기 제1 파장광보다 장파장인 제2 파장광을 방출하는 제2 활성층을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제2 활성층이 상기 제1 활성층보다 상기 n형 질화물 반도체층에 인접하여 배치될 수 있다.

이 경우에, 상기 제2 활성층은 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어진 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 제1 및 제2 활성층의 양자우물층은 각각 In_{1 -x1}Ga_x1N 및 In_1-x2Ga_x2N로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 활성층의 양자장벽층은 In_{1 - y}Ga_yN로 이루어지며, 여기서 x₂<1, 0<x₁<x₂, 0≤y<x₁일 수 있다.

일 예에서, 상기 제1 활성층은 약 450 ∼ 약 475㎚의 발광파장을 가지며, 상기 제2 활성층은 약 550∼600㎚의 발광파장을 가질 수 있다.

이와 달리, 제1 활성층은 약 450 ∼ 약 475㎚의 발광파장을 가지며, 상기 제2 활성층은 약 510∼ 약 535㎚의 발광파장을 가질 수 있으며, 추가적으로 약 600 ∼ 약 635㎚의 발광파장을 가지며 적어도 하나의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층되어 이루어진 제3 활성층을 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 제3 활성층은 상기 제2 활성층보다 상기 n형 질화물 반도체층에 인접하도록 배치될 수 있다.

이 경우에, 상기 제3 활성층은 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어질 수 있다. 필요에 따라, 상기 제2 활성층도 추가적으로 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어질 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도2b와 함께 도2a와 같이, 상기 질화물 반도체 발광소자(20)는 기판(21) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(22), 활성층간 양자장벽층(25)을 사이에 둔 제2 및 제1 활성층(24,26) 및, p형 질화물 반도체층(27)을 포함한다.

본 실시형태와 같이, 적절한 전극구조를 갖도록 상기 p형 질화물 반도체층(27) 상에는 오믹콘택을 위한 투명전극층(28)이 형성되며, 상기 n형 질화믈 반도체층(22)과 상기 투명전극층(28) 상에는 각각 제1 및 제2 전극(29a,29b)이 제공될 수 있다.

상기 제1 및 제2 활성층(26,24)은 각각 서로 다른 발광파장을 가지며 각각 적어도 하나의 양자장벽층(26a,24a)과 양자우물층(26b,24b)이 교대로 적층되어 이루어진다. 두 활성층(26,24) 중 적어도 하나의 활성층은 그 양자장벽층과 양자우물층이 주입되는 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어진다.

본 실시형태에서, 제2 활성층(24)의 양자장벽층과 양자우물층은 p형 질화물 반도체층으로부터 주입되는 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조를 갖는다.

본 발명에 채용된 초격자구조의 양자장벽층(24a) 두께(ta)는 약 20 ∼ 약 40 Å 범위인 것이 바람직하며, 양자우물층(24b)의 두께(tb)도 이와 유사한 범위인 약 20 ∼ 약 40 Å인 것이 바람직하다. 상기 초격자 구조를 갖는 활성층(24)과 다른 활성층(26) 사이에 위치한 양자장벽층(25), 즉 활성층간 양자장벽층(25)의 두께(ts)는 제1 및 제2 활성층(26,24)을 명확히 구분하고 적절한 색분포조건을 얻기 위해서, 약 50 ∼100 Å인 것이 바람직하다.

이와 같이, 초격자 구조의 활성층(24)에서는, 양자장벽층(24a)이 얇게 형성되므로 전자와 정공이 터널링을 통해 양자우물층(26b)에 보다 많이 공급될 수 있다.

따라서, n형 질화물 반도체층(22)에 인접한 제2 활성층(24)에서 상대적으로 낮은 정공밀도에 의한 재결합효율의 저하문제를 해소하여, 제2 활성층(24)의 발광효율을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 초격자 구조의 활성층(24)을 구현함으로써 통상의 활성층에 비해 실질적으로 정공주입길이가 길어지는 효과를 기대할 수 있다.

이러한 초격자 구조를 갖는 활성층은 본 실시형태와 같이 전자보다 상대적으로 짧은 정공주입길이에 의한 영향이 큰 n형 질화물 반도체층(22)에 인접한 제2 활성층(24)구조로 채용되는 것이 바람직하다.

상대적으로 짧은 발광파장을 갖는 활성층에서 정공의 구속효과가 크므로, 균 등한 색분포를 실현하기 위해서, 도2b에 도시된 바와 같이 상기 제1 활성층(26)보다 n형 질화물 반도체층(22)에 인접한 제2 활성층(24)은 상기 제1 활성층(26)의 발광파장보다 긴 발광파장을 갖는다.

구체적인 예에서는, 상기 제1 및 제2 활성층(16,14)의 양자우물층(16b,14b)은 각각 In_{1 -x1}Ga_x1N 및 In_{1 -x2}Ga_x2N로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 활성층(16,14)의 양자장벽층(16a,14a)은 In_{1 - y}Ga_yN로 이루어지며, 여기서 x₂<1, 0<x₁<x₂, 0≤y<x₁일 수 있다.

일 예에서, 상기 제1 활성층(26)은 약 450 ∼ 약 475㎚의 발광파장을 가지며, 상기 제2 활성층(24)은 약 550∼600㎚의 발광파장을 갖도록 구현함으로써 모놀리식 백색 발광다이오드로 구현될 수 있다.

이와 달리, 제1 활성층(26)은 약 450 ∼ 약 475㎚의 발광파장을 가지며, 상기 제2 활성층(24)은 약 510∼ 약 535㎚의 발광파장을 가질 수 있으며, 이 경우에, 도4에 도시된 다이어그램과 같이, 3개 파장광을 위한 활성층으로 구성하고, 추가된 활성층을 약 600 ∼ 약 635㎚의 발광파장을 갖도록 제공하여 백색 발광다이오드를 구현할 수도 있다.

본 발명에서 채용된 초격자구조를 갖는 제2 활성층(24)은 바람직하게는 단파장대역에 채용됨으로써 부수적으로 결정성이 향상될 수 있는 장점을 제공한다. 인듐은 상대적으로 높은 휘발성을 가지므로, 그 함량이 높을수록 낮은 온도에서 성장 되어야 하므로, 결정성이 낮아지는 문제가 있으나, 초격자구조의 양자우물층(24b)에서는 통상의 양자우물층보다 낮은 인듐함량으로도 단파장구현이 가능하므로, 상대적으로 높은 온도에서 보다 우수한 결정성을 갖도록 성장될 수 있다.

도3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 소자의 활성층에서 정공주입길이를 개략적으로 나타나내는 그래프이다.

앞선 실시형태에서 설명한 바와 같이, 초격자구조의 활성층에서는 정공주입길이가 길어지는 효과를 기대할 수 있다. 도2a에 도시된 발광다이오드 구조를 참조할 때, 도3의 그래프에서 T1은 통상의 활성층 구조를 갖는 제1 활성층(26)의 두께로, T2-T1은 초격자구조의 제2 활성층(24) 두께로 이해할 수 있다.

p형 질화물 반도체층(27)으로부터 정공이 주입될 때에 지수함수적으로 두께방향에 따라 진행될수록 감소한다. 이러한 급격한 감소경향에 따르면, 점선으로 표시된 바와 같이, n형 질화물 반도체층(22)과 인접한 제2 활성층(24)에서는 거의 정공밀도가 존재하지 않는 영역이 있을 수 있으나, 초격자구조에 의해 터널링 현상을 통해 정공밀도(△D)가 증가되고, 실질적으로 정공주입길이가 연장되는 효과(△L)가 일어난다.

따라서, 상대적으로 낮은 정공주입효율, 특히 p형 질화물 반도체층(27)으로부터 상대적으로 멀리 위치한 제2 활성층(24)에서의 재결합효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 발광다이오드는 2개보다 많은, 즉 3개의 활성층에서도 유사하게 적용될 수 있다.

도4는 2개의 활성층간 양자장벽층(45a,45b)으로 구분되는 3개의 활성층(43,44,46)을 포함한 발광구조의 에너지밴드 다이어그램이 예시되어 있다.

3개의 활성층(43,44,46)은 각각 백색 발광다이오드를 위한 적색, 녹색, 청색 활성층일 수 있다. 적색 활성층(43)을 약 600 ∼ 약 635㎚의 발광파장을 갖는 양자우물층(43b)과 그와 교대로 배치된 장벽층(43a)을 포함한다. 녹색 활성층(44) 및 청색 활성층(45)은 각각 약 510∼ 약 535㎚과 약 450 ∼ 약 475㎚의 발광파장을 갖는 양자우물층(44b,45b)과 그와 교대로 배치된 장벽층(44a,45a)을 포함한다.

도4에 도시된 바와 같이, 3개의 활성층(43,44,46)을 채용한 형태에서도, 장파장에 해당하는 적색 활성층(43)이 녹색 활성층(44)보다 n형 질화물 반도체층(42)에 인접하게 배치하는 것이 바람직하다.

또한, n형 질화물 반도체층(42)에 인접한 적색 활성층(43)뿐만 아니라, 추가적으로 p형 질화물 반도체층(47)과 이격된 녹색 활성층(44)도 함께 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어질 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위 에 속한다고 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복수의 활성층 중 적어도 일부를 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 형성함으로써 상대적으로 짧은 정공주입길이로 인한 복수의 활성층에서 일부 활성층의 낮은 발광효율과 불균일 광분포를 해결할 수 있다. 특히, n형 질화물층에 인접한 장파장 활성층에서 보다 유효한 효과를 얻을 수 있으며, 장파장 활성층에 적용할 경우에는 인듐함량을 낮출 수 있으므로, 결정성을 향상시킬 수 있는 장점도 있다.

Claims (13)

1. p형 및 n형 질화물 반도체층과 그 사이에 순차적으로 형성된 서로 다른 발광파장을 가지며 각각 적어도 하나의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층되어 이루어진 복수의 활성층을 포함하며,

   상기 복수의 활성층은 적어도 제1 파장광을 방출하는 제1 활성층과 상기 제1 파장광보다 장파장인 제2 파장광을 방출하는 제2 활성층을 포함하고,

   상기 복수의 활성층 중 상기 제2 활성층은 그 양자장벽층과 양자우물층이 주입되는 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 초격자 구조를 갖는 제2 활성층의 양자장벽층과 양자우물층은 각각 20 ∼ 40 Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 초격자 구조를 갖는 제2 활성층과 상기 제1 활성층 사이에 위치한 양자장벽층은 50 ∼100 Å 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상기 제2 활성층이 상기 제1 활성층보다 상기 n형 질화물 반도체층에 인접하여 배치된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
7. 삭제
8. 제6항에 있어서

   상기 제1 및 제2 활성층의 양자우물층은 각각 In_1-x1Ga_x1N 및 In_1-x2Ga_x2N로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 활성층의 양자장벽층은 In_1-yGa_yN로 이루어지며, 여기서 x₂<1, 0<x₁<x₂, 0≤y<x₁인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1 활성층은 450 ∼ 475㎚의 발광파장을 가지며, 상기 제2 활성층은 550 ∼ 600㎚의 발광파장을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
10. 제8항에 있어서,

    상기 제1 활성층은 450 ∼ 475㎚의 발광파장을 가지며, 상기 제2 활성층은 510∼ 535㎚의 발광파장을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
11. 제10항에 있어서,

    상기 복수개의 활성층은 600 ∼ 635㎚의 발광파장을 가지며 적어도 하나의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층되어 이루어진 제3 활성층을 더 포함하며, 상기 제3 활성층은 상기 제2 활성층보다 상기 n형 질화물 반도체층에 인접하도록 배치된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
12. 제11항에 있어서,

    상기 제3 활성층은 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
13. 제12항에 있어서,

    상기 제1 활성층은 추가적으로 정공이 터널링가능한 두께를 갖는 초격자구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.

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