KR101034211B1 - 수직형 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형광체를 사용하지 않고 고연색성을 보이는 백색광을 발하는 수직형 발광소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 발광소자는 P 금속층과, P 금속층 상에 형성된 P형 오믹접촉층과, P형 오믹접촉층 상에 형성된 활성층을 구비한다. 그리고 활성층 상에 형성되며, 제1두께를 갖는 제1부와 제1두께보다 두껍거나 동일한 제2두께를 갖는 제2부를 포함하여 이루어진 N형 오믹접촉층과, N형 오믹접촉층의 제1부 상에 형성된 N 금속층과, N형 오믹접촉층의 제2부 상에 N 금속층과 이격되도록 형성되며 입사된 광의 파장을 변환하는 파장변환층을 구비한다.

Description

수직형 발광소자{Vertical light emitting device}

본 발명은 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수직형 발광소자에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 광으로 변환시키는 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

최근, LED에 사용되는 반도체 재료로 질화갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)가 많은 주목을 받고 있다. 이것은 GaN이 다른 원소들(In, Al 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조하기에 용이하기 때문이다. 따라서 질화갈륨 화합물 반도체를 이용하면, 특정 장치 특성에 적합하도록 LED를 제조할 수 있게 된다. 예를 들어, GaN을 이용하면, 광기록장치에 이용하기에 적합한 청색 LED를 용이하게 제조할 수 있다. 그리고 InGaN을 이용하게 되면 고휘도 녹색 LED를 구현하는 것이 가능하게 된다. 이러한 장점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다.

한편, 백색 발광소자를 구현하는 방법에는 크게 빨간색, 녹색, 파란색 빛을 각각 발하는 발광 다이오드를 서로 조합하여 백색광을 만드는 방법과 파란색 빛을 발하는 발광 다이오드와 형광체를 조합하여 백색광을 만드는 방법이 있다. 이중 파란색 빛을 발하는 발광 다이오드와 형광체를 조합하여 백색광을 만드는 방법이 일반적으로 널리 사용되고 있다.

종래의 파란색 빛을 발하는 발광 다이오드의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었다.

도 1을 참조하면, 종래의 파란색 빛을 발하는 발광 다이오드(100)는 사파이어 기판(110) 상에 GaN 버퍼층(120)과 N형 GaN층(130)을 성장시키고, 연속적으로 InGaN/GaN 양자우물층(140), 전류차단층(150) 및 P형 GaN층(160)을 성장시킨 후, P 금속층(170)과 N 금속층(180)을 각각 P형 GaN층(160)과 N형 GaN층(130) 상에 형성시켜 제조하게 된다.

그러나 이러한 파란색 빛을 발하는 발광 다이오드(100)와 형광체를 이용한 백색 발광소자는 형광체 도포를 이용한 추가 공정이 필요하고, 생성되는 백색광의 연색지수가 상대적으로 낮은 특성을 보이는 문제점이 있다. 그리고 서로 다른 파장이 발하는 복수의 활성층을 구비하여 백색을 구현하는 발광소자의 경우, 전류 양에 따라 발광되는 색의 변화가 심하며, 활성층으로 이용되는 물질에 대한 제한이 많아 발광되는 백색광의 품질이 낮은 문제점이 있다. 따라서 새로운 구조의 백색 발광소자의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 형광체를 사용하지 않고 고연색성을 보이는 백색광을 발하는 발광소자를 제조하는 데에 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 발광소자는 P 금속층; 상기 P 금속층 상에 형성된 P형 오믹접촉층; 상기 P형 오믹접촉층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며, 제1두께를 갖는 제1부와 상기 제1두께보다 두껍거나 동일한 제2두께를 갖는 제2부를 포함하여 이루어진 N형 오믹접촉층; 상기 N형 오믹접촉층의 제1부 상에 형성된 N 금속층; 및 상기 N형 오믹접촉층의 제2부 상에 상기 N 금속층과 이격되도록 형성되며, 입사된 광의 파장을 변환하는 파장변환층;을 구비한다.

본 발명에 따른 발광소자는 파장변환층을 이용하여 매우 다양한 파장의 빛을 만들어 낼 수 있으며, 형광체를 이용한 백색 발광 다이오드에 비해 연색성이 탁월한 백색광을 구현할 수 있다. 특히 파장변환층을 디지털 합금(digital alloy)로 형성할 경우, 손쉽게 다양한 파장의 빛을 구현할 수 있게 된다. 또한, 형광체 도포를 위한 추가공정이 필요 없게 되어, 공정이 간단해지고 비용이 적게 소요된다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 수직형 발광소자의 바람 직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 수직형 발광소자의 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 수직형 발광소자(200)는 P 금속층(210), P형 오믹접촉층(220), 활성층(230), N형 오믹접촉층(240), 파장변환층(250), N 금속층(260), 보호 N형 오믹접촉층(270) 및 반사막(280)을 구비한다.

P 금속층(210)은 전도성 물질로 이루어진다.

P형 오믹접촉층(220)은 P 금속층(210) 상에 형성되며, 질화물 반도체로 이루질 수 있다. 일반적으로 P형 오믹접촉층(220)은 p형 도펀트가 도핑된 GaN 또는 GaN/AlGaN으로 이루어질 수 있다. 이때 p형 도펀트는 주로 2족 원소가 사용되며, 마그네슘(Mg)이 사용될 수 있다.

활성층(230)은 P형 오믹접촉층(220) 상에 형성되며, 광이 생성 및 방출되는 층으로 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 활성층(230)은 N형 오믹접촉층(240)으로부터 주입된 전자와 P형 오믹접촉층(220)으로부터 주입된 정공이 결합되어 전기적 에너지를 빛 에너지로 전환시켜 외부로 광을 방출하는 역할을 한다. 이를 위해, 활성층(230)은 양자 우물층과 배리어층이 교번적으로 적층된 양자우물(quantum well) 구조로 형성될 수 있다. 양자 우물층에 전하들이 모이는 감금(confinement) 효율을 증대시키기 위하여, 활성층(220)은 복수의 배리어층과 복수의 양자 우물층이 교번적으로 적층되어 있는 다중양자우물(Multi Quantum Well, MQW) 구조를 가질 수 있다. 이때 양자 우물층은 InGaN과 같이 상대적으로 에너지 밴드갭이 작은 물질로 이루어지며, 배리어층은 GaN과 같이 상대적으로 에너지 밴드갭이 큰 물질로 이루어질 수 있다.

N형 오믹접촉층(240)은 활성층(230) 상에 형성되며, 질화물 반도체로 이루질 수 있다. 일반적으로 N형 오믹접촉층(240)은 n형 도펀트가 도핑된 GaN 또는 GaN/AlGaN으로 이루어질 수 있다. 이때 n형 도펀트는 주로 4족 원소가 사용되며, 실리콘(Si)이 사용될 수 있다. N형 오믹접촉층(240)은 제1두께를 갖는 제1부와 제2두께를 갖는 제2부로 구분되며, 제2두께는 제1두께보다 두껍거나 동일하다. 바람직하게는 제2두께가 제1두께보다 두껍게 되도록 N형 오믹접촉층(240)이 형성된다. 이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이 N형 오믹접촉층(240)의 상면에는 홈부가 형성될 수 있다. 이 홈부는 식각에 의해 형성될 수 있다.

N 금속층(260)은 N형 오믹접촉층(240)의 제1부 상에 형성되며, 전도성 물질로 이루어져 N형 오믹접촉층(240)과 오믹 접합된다.

파장변환층(250)은 N형 오믹접촉층(240)의 제2부 상에 형성되며, N 금속층(260)과 이격되도록 배치된다. 파장변환층(250)은 활성층(230)에서 발광된 광을 입사받아 다른 파장을 갖는 광을 생성하는 역할을 하는 것으로, 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 파장변환층(250)은 InN, GaN, AlN, InGaN, InAlN, AlGaN 및 InGaAlN 중에서 선택된 2종 이상의 물질로 이루어진 양자 우물 구조로 이 루어지거나 디지털 합금(digital alloy)으로 이루어질 수 있다. 디지털 합금이란 2 이상의 물질의 모노 레이어(mono layer)가 여러 개 적층되어 이루어진 것이다. 예컨대, In_xGa_{1 - x}N 물질을 형성할 때, 'In, Ga, N'을 동시에 증착하지 않고, 'InN' 모노 레이어와 'GaN' 모노 레이어 증착을 반복함으로써, 두께의 비율로 In_xGa_{1 - x}N 물질의 조성을 결정하게 되는데, 이와 같은 형태로 이루어진 것을 디지털 합금이라고 한다. In_xGa_{1 - x}N 물질의 디지털 합금의 예를 도 3에 나타내었다.

도 3에 도시된 바와 같이, In_{0 .5}Ga_{0 .5}N 디지털 합금을 형성하기 위해서는 InN 모노 레이어와 GaN 모노 레이어를 한 층씩 교번적으로 증착하면 된다. 그리고 In_0.33Ga_0.67N 디지털 합금을 형성하기 위해서는 InN 모노 레이어 한 층과 GaN 모노 레이어 두 층을 반복적으로 증착하면 된다. 반대로, In_{0 .67}Ga_{0 .33}N 디지털 합금을 형성하기 위해서는 InN 모노 레이어 두 층과 GaN 모노 레이어 한 층을 반복적으로 증착하면 된다. 이와 같이 디지털 합금 기술을 이용하게 되면, 다양한 조성을 갖는 물질을 용이하게 구현할 수 있게 된다.

보호 N형 오믹접촉층(270)은 파장변환층(270) 상에 형성되며, 질화물 반도체로 이루질 수 있다. 보호 N형 오믹접촉층(270)은 N형 오믹접촉층(240)과 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 파장변환층(270)을 보호하는 역할을 한다.

반사막(280)은 P형 오믹접촉층(220), 활성층(230), N형 오믹접촉층(240), 파장변환층(250) 및 보호 N형 오믹접촉층(270)의 측면부에 형성되어 P형 오믹접촉 층(220), 활성층(230), N형 오믹접촉층(240), 파장변환층(250) 및 보호 N형 오믹접촉층(270)의 측면을 통해 광이 방출되는 것을 최소화한다. 즉, 반사막(280)은 발광 효율을 높이기 위한 것으로, 금속 또는 유전체로 이루어질 수 있다.

도 2에 도시된 본 발명에 따른 수직형 발광소자(200)의 동작 원리는 다음과 같다.

P 금속층(210)과 N 금속층(260)에 외부 전압이 인가되면 활성층(230)에 전자와 정공이 서로 결합되어 특정 파장(λ₁)의 빛이 발생하게 된다. 이때 활성층(230)이 InGaN/GaN를 이용한 양자우물일 경우, 일반적으로 460nm 부근의 파장을 갖는 파란색 빛이 발광된다. 그러나 파장변환층(250)이 도 2에 도시된 바와 같이, 활성층(230)에서 일정 거리 이격되어 있고, 전류의 흐름이 존재하지 않는 영역에 형성되면, λ₁의 파장을 λ₂, λ₃,... 등 원하는 파장의 빛으로 변환할 수 있게 된다. 파장변환층(250)은 λ₁의 파장을 갖는 빛을 흡수하여, λ₁보다는 파장이 길어진 λ₂, λ₃,... 등의 파장을 갖는 빛을 발광한다.

파장변환층(250)이 InGaN/GaN 형태의 양자우물이거나 InN/GaN으로 이루어진 디지털 합금인 경우, 'In' 조성을 조절하여 다양한 파장을 갖는 빛을 얻을 수 있게 된다. 일반적으로 'In'의 조성이 증가할수록 긴 파장의 빛을 얻게 된다. 이러한 파장변환층(250)을 이용한다면, 가시광 영역에서 다양한 파장의 빛을 얻을 수 있으며, 파장변환층(250)의 구성 물질, 조성 등을 조절하면, 활성층(230)과 파장변환층(250)을 함께 이용하여 백색광을 얻을 수 있게 된다. 이때 얻게 되는 백색광은 종래의 형광체를 이용한 백색 발광 다이오드에서 얻는 백색광에 비해 연색성이 탁월하게 된다.

또한, 활성층(230)에 사용되는 InGaN/GaN의 경우에는 전자와 정공이 서로 결합되어 빛을 생성하기 위해서, 활성층(230)을 이루는 물질의 결정 품질(crystal quality)가 매우 우수하여야 한다. 그러나 이러한 결정 품질이 우수한 박막을 실제 구현하는 것에는 많은 제한이 따르게 되어, 직접 활성층(230)에서 발하는 빛의 파장은 극히 제한된다. 반면에, 파장변환층(250)은 전기에너지를 광에너지로 직접 변환하는 것이 아니라, 특정 파장을 갖는 광에너지를 흡수하여, 다른 파장을 갖는 광에너지로 변환시키는 것이므로 파장변환층(250)을 구현함에 있어서 상대적으로 제한 사항이 적어, 매우 다양한 물질, 조성 등을 갖도록 파장변환층(250)을 구현할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 종래의 파란색 빛을 발하는 발광 다이오드의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 수직형 발광소자의 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 수직형 발광소자에 구비되는 파장변환층을 디지털 합금의 예를 나타낸 도면이다.

Claims (7)

1. P 금속층;

   상기 P 금속층 상에 형성된 P형 오믹접촉층;

   상기 P형 오믹접촉층 상에 형성된 활성층;

   상기 활성층 상에 형성되며, 제1두께를 갖는 제1부와 상기 제1두께보다 두껍거나 동일한 제2두께를 갖는 제2부를 포함하여 이루어진 N형 오믹접촉층;

   상기 N형 오믹접촉층의 제1부 상에 형성된 N 금속층; 및

   질화물 반도체로 이루어지고, 상기 N형 오믹접촉층의 제2부 상에 상기 N 금속층과 이격되도록 형성되며, 입사된 광의 파장을 변환하는 파장변환층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 파장변환층 상에 형성된 보호 N형 오믹접촉층이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 P형 오믹접촉층, 활성층, N형 오믹접촉층 및 파장변환층의 측면부에 형성된 반사막이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자.
4. 제3항에 있어서,

   상기 반사막은 금속 또는 유전체로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 활성층에서 출력되는 광이 상기 파장변환층을 통해 백색 광이 발광되도록 상기 활성층과 파장변환층이 이루어진 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 P형 오믹접촉층, 활성층 및 N형 오믹접촉층은 질화물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자.
7. 제1항에 있어서,

   상기 파장변환층은 InN, GaN, AlN, InGaN, InAlN, AlGaN 및 InGaAlN 중에서 선택된 2종 이상의 물질로 이루어진 양자우물 구조를 갖거나 디지털 합금(digital alloy)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직형 발광소자.

Images