KR100925064B1 - 백색 발광소자 - Google Patents

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Abstract

백색 발광소자가 개시된다. 본 백색 발광소자는, 기판 상에 형성된 제1 질화물 반도체층, 제1 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층, 및, 활성층 상에 형성된 제2 질화물 반도체층을 포함하며, 활성층은 청색광을 발광하는 제1 양자 우물층, 제1 양자 우물층 상에 형성되며 상분리에 의해 녹색광 및 적색광을 발광하는 제2 양자 우물층, 및, 제1 양자 우물층 및 제2 양자 우물층과 교번적으로 형성된 복수의 장벽층을 포함한다.
백색 발광소자, 양자 우물층, 상분리, 스트레인

Description

백색 발광소자 {White light emitting device}
본 발명은 백색 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 복수의 양자 우물층을 갖는 활성층을 포함하는 백색 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, LED를 이용한 백색 발광소자는 탁월한 고휘도 및 고효율이 가능하므로, 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트로 널리 사용된다.
종래의 백색 발광소자의 제조 방법으로는, 청색 LED 또는 자색 LED에 형광체(phosphor)를 이용하여 청색광 또는 자색광을 백색광으로 파장 변환하는 방법이 있었다. 예를 들어, 청색 LED를 이용하는 경우에는 YAG(Yittrium) 형광체를 이용하여 청색광을 백색광으로 파장 변환하게 된다. 즉, 청색 LED로부터 발생된 청색 파장이 YAG 형광체를 여기시켜 최종으로 백색광을 얻을 수 있다. 하지만, 형광체분말에 의한 소자 특성의 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 양자 우물층을 구비한 모놀리식(monolithic) 발광소자에 대한 연 구가 활발히 진행되고 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 백색 발광소자의 수직 단면도이다.
도 1a는 다이크로매틱 모놀리식 방법에 따른 백색 발광소자의 활성층 구조도이다. 도 1a를 참조하면, 백색 발광소자(10)는 기판(11) 상에 버퍼층(12), 제1 질화물 반도체층(13), 활성층(14), 제2 질화물 반도체층(15), 제1 전극(16) 및 제2 전극(17)이 순차적으로 형성되어 있다.
이 경우, 활성층(14)은 복수의 장벽층(14a, 14b, 14c) 및 복수의 장벽층(14a, 14b, 14c) 사이에 적층된 복수의 양자 우물층(14d, 14e)을 포함한다. 복수의 양자 우물층(14d, 14e) 중 하부에 위치하는 제1 양자 우물층(14d)은 청색광을 발광하며, 제2 양자 우물층(14e)은 황색광을 발광한다. 이에 따라, 백색 발광소자(10)는 활성층(14)을 통해 청색광 및 황색광이 혼합되어 백색광을 방출할 수 있다. 하지만, 황색광을 발광하는 제2 양자 우물층(14e)의 효율 저하가 발생되며, 청색광과 황색광의 혼합에 따른 연색 지수가 낮아 고효율의 백색광을 발광하는 것이 어렵다.
도 1b는 트리크로매틱 모놀리식 방법에 따른 백색 발광소자의 수직 단면도이다. 도 1b를 참조하면, 백색 발광소자(20)는 기판(21) 상에 버퍼층(22), 제1 질화물 반도체층(23), 활성층(24), 제2 질화물 반도체층(25), 제1 전극(26) 및 제2 전극(27)이 순차적으로 형성되어 있다.
이 경우, 활성층(24)은 복수의 장벽층(24a, 24b, 24c, 24d) 및 복수의 장벽 층(24a, 24b, 24c, 24d) 사이에 위치하는 복수의 양자 우물층(24e, 24f, 24g)를 포함한다. 복수의 양자 우물층(24e, 24f, 24g) 중 제1 질화물 반도체층(23)에 인접한 제1 양자 우물층(24e)은 청색광을 발광하며, 제2 양자 우물층(24f)는 녹색광을 발광한다. 또한, 제2 질화물 반도체층(25)에 인접한 제3 양자 우물층(24g)은 적색광을 발광한다. 백색 발광소자(20)의 발광시, 제2 질화물 반도체층(25)에서 제공되는 캐리어(예를 들어, 정공)의 이동도가 낮아, 캐리어가 제1 및 제2 양자 우물층(24e, 24f)까지 균일하게 이동하는 것이 어렵다. 이에 따라, 제1 및 제2 양자 우물층(24e, 24f)에서 전자 및 전공의 재결합률이 현저하게 떨어져 청색광 및 녹색광의 발광 효율이 저하된다. 또한, 질화물계 물질을 이용하여 적색광을 발생시키는 경우, 높은 In 조성에 의해 광특성이 저하된다. 이 결과, 백색 발광소자(20)는 연색 지수가 저하되어, 자연광에 가까운 백색광을 얻는 것이 어려우며, 광 효율이 저하된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 양자 우물층의 두께 또는 In 물질의 조성을 조절하여 상분리에 의한 녹색광 및 적색광을 발광하도록 함으로써, 고효율의 백색광을 얻기 위한 백색 발광소자를 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 형성된 제1 질화물 반도체층, 상기 제1 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층, 및,상기 활성층 상에 형성된 제2 질화물 반도체층을 포함하며, 상기 활성층은 청색광을 발광하는 제1 양자 우물층, 상기 제1 양자 우물층 상에 형성되며, 상분리에 의해 녹색광 및 적색광을 발광하는 제2 양자 우물층, 및, 상기 제1 양자 우물층 및 제2 양자 우물층과 교번적으로 형성되는 복수의 장벽층을 포함한다.
상기 제1 양자 우물층은 제1 두께를 가지며, 상기 제2 양자 우물층을 상기 제1 두께보다 큰 제2 두께를 갖는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 제1 양자 우물층은, InxG(1-x)N(0＜x＜1)로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제2 양자 우물층은, InyGa(1-y)N(0＜y＜1, x≤y)로 이루어질 수 있으며, 상기 복수의 장벽층은, InzGa(1-z)N(0≤z≤1, z＜x)로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 양자 우물층의 제1 두께는 1~20㎚ 이며, 상기 제1 양자 우물층의 제2 두께는 1~20㎚ 인 것을 바람직하다.
한편, 상기 제1 양자 우물층은 제1 두께를 가지며, 상기 제2 양자 우물층은 상기 제1 두께와 동일한 제2 두께를 갖는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 제1 양자 우물층은, InxG(1-x)N(0＜x＜1)로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제2 양자 우물층은, InyGa(1-y)N(0＜y＜1, x＜y)로 이루어질 수 있으며, 상기 복수의 장벽층은, InzGa(1-z)N(0≤z≤1, z＜x)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 양자 우물층의 제1 두께는 1~20㎚ 이며, 상기 제2 양자 우물층의 제2 두께는 1~20㎚ 인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 활성층 내에 제1 양자 우물층 및 제2 양자 우물층을 형성함으로써, 캐리어를 균일하게 이동시켜 전반적으로 균일한 광을 제공할 수 있게 된다. 또한, 제2 양자 우물층의 두께 또는 In 물질의 조성을 조절하여, 상분리에 의해 녹색광 및 적색광을 발광시킴으로써, 각 색의 혼합에 따른 연색 지수를 향상시켜 고효율의 백색광을 발광할 수 있게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광소자의 수직 단면도이다. 도 2를 참조하면, 백색 발광소자(100)는 기판(110), 버퍼층(120), 제1 질화물 반도체 층(130), 활성층(140), 제2 질화물 반도체층(150), 제1 전극(160) 및 제2 전극(170)을 포함한다.
기판(110)은 사파이어 기판, Si 기판 또는 SiC 기판 등을 적용할 수 있다. 또한, 비극성 또는 반극성 면의 사파이어 기판 또는 GaN 기판을 적용할 수도 있다.
한편, 기판(110) 상에는, 기판(110)과 제1 질화물 반도체층(130) 간의 격자상수 불일치로 인한 계면 결함을 감소시키기 위한 버퍼층(120)이 형성된다. 버퍼층(120)은 GaN계 물질로 형성될 수 있다.
제1 질화물 반도체층(130)은 GaN 반도체 물질에 Si, In, Sn과 같은 n형 도펀트를 도핑시킨 n-형 GaN 반도체층이다. 또한, 제2 질화물 반도체층(150)은 GaN 반도체 물질에 Zn, Cd, Mg 등과 같은 p형 도펀트를 도핑시킨 p-형 GaN 반도체층이다.
활성층(140)은 복수의 장벽층(140a, 140b, 140c) 및, 복수의 장벽층(140a, 140b, 140c) 사이에 위치한 복수의 양자 우물층(140d, 140e)를 포함한다.
복수의 양자 우물층(140d, 140e) 중 하부에 위치한 제1 양자 우물층(140d)은 청색광을 발광하는 층으로, 약 400~480mn의 발광 파장을 갖는다. 제1 양자 우물층(140d)은 청색광의 발광을 위해 InxGa(1-x)N(0＜x＜1)로 이루어 질 수 있다.
복수의 양자 우물층(140d, 140e) 중 상부에 위치하며 InyGa(1-y)N(0＜y＜1)으로 이루어진 제2 양자 우물층(140e)은 상분리에 의해 녹색광 및 적색광으로 분리되어 발광한다. 제2 양자 우물층(140e)에서의 상분리를 위한 방안으로는, 몇 가지 실시예가 적용될 수 있다.
제1 실시예는, 제1 양자 우물층(140d) 및 제2 양자 우물층(140e)의 In 조성을 동일하게 유지하고, 제2 양자 우물층(140e)의 두께를 조절하는 방안이다. 구체적으로, 제2 양자 우물층(140e)의 제2 두께(t2)를 청색광을 발생하는 InGaN계의 제1 양자 우물층(140d)이 갖는 제1 두께(t1)보다 크게 형성한다(t1＜t2). 예를 들어, 제1 두께(t1)가 2.5㎚가 되도록 형성하고, 제2 두께(t2)가 3.6㎚ 이상이 되도록 형성할 수 있다. 이 경우, 제2 두께(t2)가 커짐에 따라 제2 양자 우물층(140e) 구조에 스트레인(strain)이 발생하게 된다. 이로 인해, 제2 양자 우물층(140e)에서의 에너지 밴드갭이 변형되어 In 물질의 상분리가 발생한다. 이에 따라, 제2 양자 우물층(140e)을 통해 서로 다른 파장을 갖는 녹색광 및 적색광이 발광될 수 있게 된다.
이 경우, 제1 양자 우물층(140d)의 제1 두께(t1) 및 제2 양자 우물층(140e)의 제2 두께(t2)는 1.0~20㎚로 형성할 수 있다.
또한, 제2 실시예는, 제1 양자 우물층(140d)의 제1 두께(t1)과 제2 양자 우물층(140e)의 제2 두께(t2)를 동일하게 유지(t1=t2)하고 제2 양자 우물층(140e)의 In 물질의 조성을 증가시키는 방안이다. 구체적으로, 제2 양자 우물층(140e)을 InyGa(1-y)N(0＜y＜1)로 형성하며, x＜y의 조건을 만족하도록 하여 In 물질의 조성을 제1 양자 우물층(140d)보다 증가시킨다. 이와 같이, 제2 양자 우물층(140e)의 In 물질의 조성을 증가시킬 경우, 상분리에 의해 파장 변이가 발생하여 녹색광의 파장 영역과 적색광의 파장 영역으로 분리된다. 이에 따라, 제2 양자 우물층(140e)을 통해 녹색광 및 적색광이 발광될 수 있다. 이 경우, 제2 양자 우물층(140e)의 제2두께(t2)는 제1 양자 우물층(140d)의 제1두께(t1)와 동일하게 적용할 수 있다.
이 경우, 제1 양자 우물층(140d)의 제1 두께(t1) 및 제2 양자 우물층(140e)의 제2 두께(t2)는 1~20㎚로 형성할 수 있다.
제3 실시예는, 제1 실시예 및 제2 실시예를 결합하는 방안이다. 즉, 제2 양자 우물층(140e)의 제2 두께(t2)를 제1 양자 우물층(140d)의 제1 두께(t1)보다 크게 형성하고, 제2 양자 우물층(140e)을 구성하는 In 물질의 조성을 제1 양자 우물층(140d)을 구성하는 In 물질보다 증가시킨다. 이에 따라, 제2 양자 우물층(140e) 구조에 스트레인을 발생시켜 에너지 밴드갭을 변형시키고, 높은 In 물질의 함량에 의해 파장을 변이시켜 녹색광 및 적색광의 상분리가 발생하도록 한다.
한편, 활성층(140)을 구성하는 복수의 장벽층(140a, 140b, 140c)은 InzGa(1-z)N (0≤z≤1)로 이루어 질 수 있으며, x＞z의 조건을 만족하도록 한다.
제1 전극(160)은 제1 질화물 반도체층(130)의 상부에 접합되며 n-전극이 될 수 있다. 또한, 제2 전극(170)은 제2 질화물 반도체층(150)의 상부에 접합되며 p-전극이 될 수 있다.
본 백색 발광소자(100)에 따르면, 제1 양자 우물층(140d)을 통해 청색광을 발광시키고, 제2 양자 우물층(140e)을 통해 녹색광 및 적색광을 발광시킴으로써, 최소의 양자 우물층을 이용하여 삼색광을 발광시킬 수 있게 된다. 또한, 2개의 양자 우물층으로 구성되어 있으므로, 제1 질화물 반도체층(130) 및 제2 질화물 반도체층(150)에서 제공되는 캐리어의 이동 거리가 짧아져 캐리어의 재결합률을 향상시킬 수 있게 된다. 따라서, 백색광의 광 효율을 향상시킬 수 있으며, 전반적으로 균일한 백색광의 발광이 가능하게 된다.
도 3a 내지 도 3c는 제1 양자 우물층과 제2 양자 우물층의 두께 및 In 물질의 조성에 따른 발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 즉, 도 2에서 설명한 제3 실시예에 따라 제1 양자 우물층 및 제2 양자 우물층을 형성하였다.
구체적으로, 도 3a 내지 도 3c에 적용되는 발광소자의 복수의 장벽층은 모두 15㎚의 두께를 가지며, 제1 양자 우물층은 모두 2.0㎚의 두께를 갖는다. 다만, 제2 양자 우물층의 두께를 2.0㎚, 2.6㎚, 3.6㎚로 변경시켰다. 또한, 도 3a 내지 도 3c에서 제1 양자 우물층은 In(0.15)Ga(0.85)N의 조성을 가지며, 제2 양자 우물층은 In(0.25)Ga(0.75)N 의 조성을 갖도록 형성하였다.
도 3a는 2.0㎚의 두께를 갖는 In(0.25)Ga(0.75)N의 제2 양자 우물층을 포함하는 발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 3a를 참조하면, 제1 양자 우물 층에서 발광하는 청색광은 약 420~440㎚의 발광 파장을 가지며, 매우 낮은 피크를 갖는다. 반면, 제2 양자 우물층에서 발광하는 녹색광은 약 470~550㎚의 발광 파장을 가지며, 높은 피크를 갖는다. 이는, 제2 질화물 반도체층에서 제공되는 캐리어가 제2 양자 우물층에 주로 집중되어, 2.0㎚의 두께를 갖는 In(0.15)Ga(0.85)N의 제1 양자 우물층까지 균일하게 이동하지 못하기 때문이다.
도 3b는 2.6㎚의 두께를 갖는 In(0.25)Ga(0.75)N의 제2 양자 우물층을 포함하는 발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 3b를 참조하면, 2.0㎚의 두께를 갖는 In(0.15)Ga(0.85)N의 제1 양자 우물층에서 발광하는 청색광은 약 420~450㎚의 발광 파장을 가지며, 도 3a에 비해 높은 피크를 갖는다. 또한, 제2 양자 우물층에서 발광하는 녹색광은 약 510~620㎚의 발광 파장을 가지며, 높은 피크를 갖는다. 이 경우, 청색광과 녹색광 사이의 약 450~510㎚ 발광 파장 영역에서 낮은 피크의 파장이 발생하였다. 이는, 제2 양자 우물층의 두께가 증가함에 따른 스트레인 발생으로 인해 부분적인 상분리가 발생하였기 때문이다. 하지만, 상분리에 따른 발광 파장의 피크가 약하고, 청색광의 피크 또한 약하므로, 전반적으로 균일한 광 효율을 얻을 수가 없다.
도 3c는 3.6㎚의 두께를 갖는 In(0.25)Ga(0.75)N의 제2 양자 우물층을 포함하는 백색 발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 3c를 참조하면, 2.0㎚의 두께를 갖는 In(0.15)Ga(0.85)N의 제1 양자 우물층에서 발광하는 청색광은 약 410~450㎚의 발광 파장을 가지며, 그 피크 또한 0.8[a.u.]로 도 3a 및 도 3b에 현저히 개선되었다. 또한, 제2 양자 우물층에서 발광하는 광은 상분리에 의해 약 450~560㎚의 발광 파장 및 약 560~700㎚의 발광 파장을 갖는다. 이에 따라, 약 450~560㎚의 발광 파장에서 녹색광이 방출되며, 약 560~700㎚의 발광 파장에서 적색광이 방출된다. 따라서, 도 3c에서와 같이, 청색광, 녹색광 및 적색광이 모두 발광하게 되어, 연색 지수가 향상된다. 또한, 청색광, 녹색광 및 적색광의 발광 피크가 약 0.8~0.9[a.u.]에서 균일하게 나타나므로, 백색광의 광 효율이 향상된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해해서는 안 될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 백색 발광소자의 활성층 구조를 나타낸 수직단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광소자의 수직 단면도, 그리고,
도 3a 내지 도 3b는 제2 양자우물층의 두께에 따른 백색 발광소자의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
100 : 백색 발광소자 110 : 기판
120 : 버퍼층 130 : 제1 질화물 반도체층
140 : 활성층 150 : 제2 질화물 반도체층
160 : 제1 전극 170 : 제2 전극

Claims (13)

  1. 기판 상에 형성된 제1 질화물 반도체층;
    상기 제1 질화물 반도체층 상에 형성되며, 복수의 양자 장벽층 및 복수의 양자 우물층이 교대로 적층되어 이루어진 활성층; 및,
    상기 활성층 상에 형성된 제2 질화물 반도체층;을 포함하며,
    상기 복수의 양자 우물층은 청색광을 발광하는 제1 양자 우물층과, 상기 제1 양자 우물층과 사이에 상기 복수의 양자 장벽층의 일 양자 장벽층이 위치하도록 형성되며 상분리에 의해 녹색광 및 적색광을 발광하는 제2 양자 우물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양자 우물층은 제1 두께를 가지며, 상기 제2 양자 우물층을 상기 제1 두께보다 큰 제2 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 양자 우물층은, InxG(1-x)N(0＜x＜1)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 양자 우물층은, InyGa(1-y)N(0＜y＜1, x≤y)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 장벽층은, InzGa(1-z)N(0≤z≤1, z＜x)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 양자 우물층의 제1 두께는 1~20㎚ 인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2 양자 우물층의 제2 두께는 1~20㎚ 인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양자 우물층은 제1 두께를 가지며, 상기 제2 양자 우물층은 상기 제1 두께와 동일한 제2 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 양자 우물층은, InxG(1-x)N(0＜x＜1)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 양자 우물층은, InyGa(1-y)N(0＜y＜1, x＜y)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 장벽층은, InzGa(1-z)N(0≤z≤1, z＜x)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 양자 우물층의 제1 두께는 1~20㎚ 인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제2 양자 우물층의 제2 두께는 1~20㎚ 인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
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