KR101359486B1 - 경사진 밴드 구조를 가지는 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

발광 동작을 수행하는 다중양자우물층과 접하는 부위에 형성된 밴드 경사층을 가지는 발광 다이오드가 개시된다. 밴드 경사층은 다중양자우물층의 상하부에 형성된다. 밴드 경사층은 다중양자우물층을 이루는 장벽층보다 낮은 밴드갭을 가지며, 우물층의 밴드갭 이상의 값을 가진다. 정방향 바이어스가 인가되면, 여기된 전자와 정공은 장벽층을 터널링하여 우물층으로 구속된다. 이를 통해 고전류가 인가되더라도 내부양자효율은 지속적으로 증가될 수 있다.

Description

경사진 밴드 구조를 가지는 발광 다이오드{Light Emitting Diode of having Sloped Band Gap Structure}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중양자우물 구조의 양측에 경사진 밴드 구조를 가지는 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드는 특정한 전계의 인가에 의해 광을 생성하는 소자이다. 발광 동작은 전도대의 전자와 가전자대의 정공의 결합에 의해 발생하며, 전자와 정공의 원활한 재결합을 위해 다중양자우물 구조가 채용된다.
최근에는 질화갈륨 계열의 발광 다이오드가 상용화된 상태이며, 형광물질의 도입을 통해 백색광이 구현되고 있다. 질화갈륨 발광 다이오드는 고전류 밀도 또는 고전압 상태에서 외부양자효율(External Quantum Efficiency : EQE)이 감소되는 현상을 가진다. 이는 "Efficiency Droop"으로 지칭된다.
Efficiency Droop은 다중양자우물 구조 내에서 전자의 과잉(electron overflow), 오제 재결합(Auger recombination) 및 낮은 정공의 주입 농도의 원인을 이유로 발생된다. 특히, 상술한 원인들 중 전자의 과잉이 가장 중요한 요소로 인정된다. 즉, 장벽층과 우물층이 번갈아가며 형성된 다중양자우물 구조 내에서 높은 전류밀도로 인해 전자는 우물층에 완벽하게 구속되지 못하고, 장벽층을 뛰어넘는 과잉현상이 발생된다. 과잉현상의 발생으로 인해 높은 전류밀도에서도 전자는 정공과 충분히 재결합되지 못하며, 다중양자우물 구조에서 산란을 통한 열발생의 일요인이 되기도 한다.
전자의 과잉현상을 방지하기 위해 높은 밴드갭을 가진 전자 차단층(Electron Blocking Layer : EBL)이 사용되는 것이 일반적이다. 예컨대, 장벽층이 GaN으로 구성되고, 우물층이 InGaN으로 구성된 구조에서 클래드층으로 AlGaN층이 도입된다. AlGaN층은 전자 차단층으로 작용하며, 전자의 과잉을 막고, 전자와 정공의 밀도의 차이를 감소시켜 효율을 향상시킨다. 다만, 전자 차단층의 도입에도 불구하고 Efficiency Droop현상은 완전히 제거되지 않으며 어느 정도 완화되는 효과만을 유발한다. 이는 전자 차단층이 도입되더라도 전자의 차단이 완벽하게 이루어지지 않으며, 전류 밀도 또는 전압이 증가함에 따라 다중양자우물 구조 내부로 진입하는 전자의 양이 정공의 양보다 상대적으로 많기 때문이다.
전자의 과잉을 발생시키는 다른 요인으로는 QCSE(Quantum Confined Stark Effect)가 있다. 이는 외부 전계가 인가될 경우, 양자우물의 흡수 스펙트럼 또는 발광 스펙트럼에 미치는 영향을 의미한다. 즉, 외부에 전계가 인가되면, 전자는 전도대는 하강하고, 정공의 가전자대는 상승한다. 또한, 전계에 의해 경사진 형태를 가지는 전도대에서 전자는 에너지 레벨이 낮은 부위로 이동한다. 이와 반대로 가전자대의 정공은 에너지 레벨이 높은 부위로 이동한다. 즉, 우물층 내부에서 전자의 밀도가 높은 영역과 정공의 밀도가 높은 영역이 서로 일치하지 않는 현상이 발생하며, 이는 전자와 정공의 재결합율을 저하시킨다. 정공과 재결합하지 않는 전자는 전자의 과잉을 유발하고 Efficiency Droop을 심화시킨다. 이러한 QCSE는 사파이어 기판의 C면상에서 GaN이 성장되고, 다중양자우물 구조인 InGaN/GaN이 생성되는 경우에 발생된다. 즉, GaN층과 격자상수의 불일치를 가지는 InGaN층에서는 일종의 압전현상인 Piezoelectric Field가 발생된다. 이러한 전계는 QCSE를 발생시키는 외부 전계로 작용한다.
상술한 문제를 해결하기 위해 비극성 성장 결정면을 가지는 GaN층의 성장을 이용하는 방법이 제시된다. 다만, 비극성 성장 결정면을 가지기 위해서는 단결정 성장의 기저가 되는 사파이어 기판의 표면이 비극성면을 가져야 한다.
상술한 바대로 전자의 과잉 현상을 해결하기 위해 다양한 방법이 제시된다. 그러나, 하나의 방법의 사용 또는 제시된 방법들을 모두 사용한다 하더라도 전자의 과잉현상은 완전히 제거되지 않으며, Efficency Droop은 지속적으로 발생된다.
따라서, 전하운송 메커니즘을 개선하고, 새로운 적층구조의 도입을 통해 Efficiency Droop을 방지하기 위한 기술의 출현은 여전히 요청된다 할 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는 주입된 전자와 정공의 터널링을 통해 우물층으로 전자와 정공을 구속하고, 이를 통해 효율이 향상된 발광 다이오드를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 전자를 공급하는 n 클래드층; 상기 n 클래드층 상에 형성되고, 밴드갭이 변화하는 제1 밴드 경사층; 상기 제1 밴드 경사층 상에 형성되고, 발광동작을 수행하는 다중양자우물층; 상기 다중양자우물층 상에 형성되고, 밴드갭이 변화하는 제2 밴드 경사층; 및 상기 제2 밴드 경사층 상에 형성되고, 정공을 공급하는 p 클래드층을 포함하는 발광 다이오드를 제공한다.
상술한 본 발명에 따르면, n 타입의 n 클래드층과 다중양자우물층 사이에 제1 밴드 경사층이 형성되고, p 타입의 p 클래드층과 다중양자우물층 사이에 제2 밴드 경사층이 형성된다. 각각의 밴드 경사층은 다중양자우물층 내의 우물층 이상의 밴드갭을 가지되, 장벽층보다 낮은 밴드갭을 가진다. 따라서, 정방향 바이어스가 인가되더라도 전자 또는 정공은 장벽층을 오버플로우하는 이동보다는 터널링을 통해 우물층에 구속된다. 따라서, 전류밀도가 증가하더라도 내부양자효율은 감소되지 않고, 지속적으로 증가한다. 이를 통해 내부양자효율의 저하는 해결된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 적층구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 발광 다이오드의 밴드갭을 도시한 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드의 특성을 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 적층구조를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 기판(100) 상에 형성된 n 클래드층(110), 제1 밴드 경사층(120), 다중양자우물층(130), 제2 밴드 경사층(140) 및 p 클래드층(150)을 가진다.
n 클래드층(110)은 도판트의 주입에 의해 페르미 레벨이 상승할 수 있는 반도체라면 어느 것이나 가능할 것이다. 예컨대, n 클래드층(110)이 GaN을 포함하는 경우, 4족 원소가 도판트로 이용되어 n 클래드층(110)이 형성될 수 있다. 또한, n 클래드층(110)이 GaN을 포함하는 경우, 도판트로는 Si이 사용됨이 바람직하다. 이외에도 상기 n 클래드층(110)은 ZnO를 포함할 수 있다. n 클래드층(110)이 ZnO를 포함하는 경우, n 타입의 반도체 형성을 위해 도우너의 역할을 할 수 있는 도판트가 선택된다. 상기 n 클래드층(110)은 발광 동작시, 전자를 공급한다.
n 클래드층(110) 상부에는 제1 밴드 경사층(120)이 형성된다. 상기 제1 밴드 경사층(120)은 n 타입임이 바람직하다. 따라서, n 클래드층(110)이 GaN을 포함하는 경우, 상기 제1 밴드 경사층(120)도 GaN을 포함할 수 있으며, 4족 원소를 도판트로 이용할 수 있다. 따라서, 상기 제1 밴드 경사층(120)도 n 타입의 도전성을 가진다.
다만, 상기 제1 밴드 경사층(120)은 n 클래드층과 접하는 면에서부터 상부로 갈수록 밴드갭 조절을 수행하는 물질의 농도가 증가한다. 예컨대, 제1 밴드 경사층(120)의 기저물질이 GaN인 경우, 상부로 갈수록 In의 농도는 증가하는 특성을 가진다. 이는 제1 밴드 경사층(120)이 상부로 갈수록 밴드갭이 감소함을 의미한다. 즉, GaN의 경우, 밴드갭은 상온에서 3.4eV이고, InN의 경우, 밴드갭은 상온에서 0.65eV이다. 따라서, In의 농도가 증가할수록 밴드갭은 줄어드는 경향을 가진다. 다만, 제1 밴드 경사층(120) 최상단의 밴드갭은 다중양자우물층(130)의 우물층의 밴드갭 이상임이 바람직하다.
제1 밴드 경사층(120) 상에는 다중양자우물층(130)이 구비된다. 상기 다중양자우물층(130)은 장벽층과 우물층이 교대로 형성된 구조이다. 예컨대, 장벽층이 GaN인 경우, 우물층은 InGaN으로 구성된다. 이는 In을 밴드갭 조절을 수행하는 물질로 선택한 결과이다. 따라서, 큰 밴드갭과 비교적 작은 밴드갭을 가진 물질층을 교대로 형성한다면 본 발명의 다중양자우물층(130)을 형성할 수 있을 것이다.
특히, 우물층에서의 밴드갭은 제1 밴드 경사층(120)의 최상위의 밴드갭 이하인 것이 바람직하다.
다중양자우물층(130) 상에는 제2 밴드 경사층(140)이 구비된다. 상기 제2 밴드 경사층(140)은 p 타입의 도전성을 가진다. 또한, 제2 밴드 경사층(140)이 GaN을 기반으로 형성된다면, 도판트로는 2족 원소가 사용될 수 있다. 예컨대, Mg이 도판트로 사용된다. 또한, 제2 밴드 경사층(140)은 다중양자우물층(130)과 접하는 부분에서부터 상부로 갈수록 밴드갭 조절을 수행하는 물질의 농도가 감소하는 경향을 가진다. 즉, 제2 밴드 경사층(140)이 GaN을 포함하는 경우, 다중양자우물층(130)과 접하는 부위에서 제2 밴드 경사층(140)은 가장 높은 In의 농도를 가진다. 또한, 상부로 갈수록 In의 농도는 감소한다. 따라서, 다중양자우물층(130)과 접하는 부위에서의 밴드갭은 가장 낮은 값을 가지고, 상부로 갈수록 밴드갭이 증가한다. 다중양자우물층(130)과 접하는 부위에서의 밴드갭은 다중양자우물층(130)의 밴드갭 이상임이 바람직하다.
제2 밴드 경사층(140) 상에는 p 클래드층(150)이 구비된다. 상기 p 클래드층(150)은 도판트의 주입에 의해 페르미 레벨이 가전자대를 향해 하강할 수 있는 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 따라서, 상기 p 클래드층(150)은 GaN 또는 ZnO를 포함할 수 있다. 만일 p 클래드층(150)이 GaN을 포함하는 경우, 도판트로는 2족 원소가 사용된다. 따라서, 도판트로는 Mg이 사용됨이 바람직하다. 상기 p 클래드층(150)에서는 정공이 발생되고, 이는 다중양자우물층(130)에 공급된다.
상기 도 1에서 n형 반도체의 특성을 가진 n 클래드층(110)과 다중양자우물층(130) 사이에는 제1 밴드 경사층(120)이 구비된다. 제1 밴드 경사층(120)은 n형 반도체의 특성을 가지며, 다중양자우물층(130)에 가까울수록 밴드갭이 감소하는 특성을 가진다. 다만, 다중양자우물층(130)에 접하는 제1 밴드 경사층(120)의 밴드갭은 우물층의 밴드갭 이상으로 설정된다.
또한, 다중양자우물층(130)과 p형 반도체의 특성을 가진 p 클래드층(150) 사이에는 제2 밴드 경사층(140)이 형성된다. 제2 밴드 경사층(140)은 p형 반도체의 특성을 가지며, 다중양자우물층(130)에 가까울수록 밴드갭이 감소하는 특성을 가진다. 다만, 다중양자우물층(130)에 접하는 제2 밴드 경사층(140)의 밴드갭은 우물층의 밴드갭 이상으로 설정된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 발광 다이오드의 밴드갭을 도시한 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 반도체 물질들의 접합에 따른 열적 평형 상태는 무시한다. 따라서, 이종 막질들 사이의 페르미 레벨은 일치하지 않은 상태이며 전도대와 가전자대의 변화의 추이만 도시된다. 또한, 전계의 인가에 따른 밴드의 왜곡도 무시된다. 다만, 각각의 적층구조에서의 밴드의 경향은 도시된다. 또한, 상기 도 2에서 전도대의 에너지 준위는 Ec로 표시하고, 가전자대의 에너지 준위는 Ev로 표시한다. 각각의 적층구조마다 Ec와 Ev는 상이할 수 있다. 다만, 전도대의 에너지 준위 Ec는 각각의 연속하는 적층구조 전체의 에너지 준위를 대표하는 것으로 기재하며, 가전자대의 에너지 준위 Ev도 각각의 연속하는 적층구조의 에너지 준위를 대표하는 것으로 기재한다.
먼저, n 클래드층(110)의 전도대는 평활한 상태이다. 이는 n 클래드층(110) 전체에 도판트가 균일하게 도핑된 상태를 나타낸다. 만일, 정방향의 바이어스가 인가되면, 페르미 레벨로부터 전자는 전도대로 이동한다. 따라서, 전도대의 전자가 여기된 상태로 나타난다. 또한, 바이어스의 인가에 따라 제1 밴드 경사층(120)에서의 전도대에서도 전자가 발생된다. 전도대의 전자는 낮은 에너지 준위로 이동하고자 하는 특성을 가진다. 따라서, 다중양자우물층(130)에 접하는 부위에 전도대의 전자는 집중된다. 다중양자우물층(130)과 접하는 제1 밴드 경사층(120)은 낮은 밴드갭을 가진다. 따라서, 경사진 에너지 밴드를 따라 전도대의 전자는 집중된다.
다중양자우물층(130)은 장벽층과 우물층이 교대로 형성된 구조를 가진다. 물론, 제1 밴드 경사층(120)과 접하는 부위에서는 장벽층이 형성된다.
밴드 경사층들이 구비되지 않은 경우, 정방향의 바이어스가 인가되면, 높은 에너지 레벨을 가지는 n 클래드층의 전도대의 전자는 장벽층을 오버플로우하고, 우물층의 전도대로 이동한다. 즉, 양자구속효과가 발생된다. 장벽층에 대한 오버플로우와 양자구속의 과정에서 우물층과 장벽층의 레벨을 상회하는 에너지를 가지는 전자는 우물층에 구속되지 않고, p 클래드층으로 직접 이동한다. 이는 발광효율을 저하시키는 일요인이 된다.
상기 도 2에서는 제1 밴드 경사층(120)의 밴드갭이 장벽층의 밴드갭보다 낮은 레벨을 가진다. 따라서, 정방향 바이어스가 인가되는 경우, 제1 밴드 경사층(120)의 전도대의 전자는, 장벽층에 대한 터널링을 통해 우물층에 구속된다. 물론, 높은 에너지 레벨을 가진 전자는 장벽층을 오버플로우 할 수 있으나, 이는 주도적인 현상이 아니다.
제1 밴드 경사층(120)의 낮은 밴드갭을 이용하여 장벽층을 터널링한 전자는 우물층에서 구속된다.
또한, p 클래드층(150)의 가전자대도 평활한 상태라 가정한다. 이는 p 클래드층(150)에서 국부적인 도판트의 집중이 없이 대략 균일한 상태로 도판트가 분포된 것을 의미한다. 다만, p 클래드층(150)의 페르미 레벨은 가전자대 방향으로 이동된 상태이다. 정방향의 바이어스가 인가되면 p 클래드층(150)의 가전자대에는 정공이 형성된다. 가전자대의 정공은 전계의 인가에 따라 제2 밴드 경사층(140)으로 이동한다.
또한, p 클래드층(150)과 접하는 제2 밴드 경사층(140)은 다중양자우물층(130)에 근접할수록 밴드갭이 감소되는 경향을 가진다. 정방향의 바이어스가 인가되면, 가전자대에는 정공이 형성된다. 또한, 가전자대의 정공은 높은 에너지 상태로 이동하는 특성을 가진다. 따라서, 제2 밴드 경사층(140)의 정공은 다중양자우물층(130)과 접하는 가전자대로 집중된다.
인가되는 정방향 바이어스에 기인한 전계에 의해 제2 밴드 경사층(140)의 정공은 다중양자우물층(130)의 장벽층을 터널링한다. 터널링을 통해 우물층으로 양자구속된다.
상술한 과정을 통해 우물층 내로 정의되는 전자와 정공은 장벽층을 오버플로우 하지 않고, 터널링을 통해 구속된다. 우물층 내에 구속된 전자와 정공은 재결합을 통해 발광 동작을 수행할 수 있다.
또한, 상기 제1 밴드 경사층(120)과 제2 밴드 경사층(140)의 밴드갭은 다중양자우물층(130)을 향해 선형적으로 감소함이 바람직하다. 이외에 상기 제1 밴드 경사층(120)과 제2 밴드 경사층(140)은 다중양자우물층(130)으로부터 일정 영역까지 감소하고, 일정 영역에서부터 다중양자우물층(130)까지는 평활한 밴드를 유지할수도 있다.
만일, 종래와 같이 밴드 경사층이 도입되지 않는 경우, 전자 및 정공의 오버플로우에 의해 우물층으로 전자 및 정공이 구속되어야 한다. 따라서, 높은 에너지 상태의 전자는 산란 등을 통해 에너지를 잃어야 함을 의미한다. 양자의 산란은 결정구조 내에서 열에너지를 발생시키는 일 요인이 된다. 이는 내부양자효율이 저하됨을 의미한다.
반면, 본 실시예에서는 양자의 터널링을 이용한다. 전계의 인가에 따른 양자의 터널링을 통해 입자의 산란은 최소화되고, 에너지를 유지한 상태에서 양자는 우물층 내로 구속된다. 따라서, 내부양자효율은 증가한다. 이는 전계의 인가에 따라 우물층에서 재결합되는 전자와 정공의 수가 증가함을 의미한다.
또한, 본 실시예에서 다중양자우물층과 접하는 제1 밴드 경사층과 제2 밴드 경사층은 상기 우물층이 가지는 밴드갭 이상의 밴드갭을 가짐이 바람직하다. 이는 우물층에서의 재결합에 의해 발생되는 광이 제1 밴드 경사층과 제2 밴드 경사층에서 재흡수되는 현상을 회피하기 위한 것이다. 또한, 제1 밴드 경사층 또는 제2 밴드 경사층이 가지는 가장 낮은 밴드갭은 다중양자우물층의 장벽층의 밴드갭 미만값을 가짐이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드의 특성을 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, n 클래드층(110)은 1500nm의 두께를 가지고, 도판트로는 Si이 사용된다. 도핑되는 도판트의 농도는 2*1018cm-3이다. 또한, n 클래드층(110) 상부에 형성되는 제1 밴드 경사층(120)은 30nm의 두께를 가지며, 도판트로는 Si이 사용된다. 밴드갭의 조절을 위한 인자로 In이 사용된다. 특히 n 클래드층(110)과 접하는 부분에서부터 다중양자우물층(130)까지의 인듐의 농도는 선형적으로 변경된다. 즉, 인듐의 분률은 Ga 대비 0에서 0.185까지 변경된다. 따라서, 다중양자우물층(130)과 접하는 제1 밴드 경사층(120)의 말단은 In0 .185Ga0 .815N의 조성식을 가진다.
상기 제1 밴드 경사층(120) 상에는 다중양자우물층(130)이 구비된다. 장벽층은 GaN으로 구성되며 두께는 10nm이다. 또한, 우물층은 In0 .185Ga0 .815N로 구성되며, 두께는 3nm이다. 다중양자우물층(130)은 장벽층과 우물층이 번갈아가며 형성되며, n 클래드층에 접하는 부위에는 장벽층이 구비되고, 다중양자우물층(130)의 최상층에도 장벽층이 구비된다. 상기 다중양자우물층(130)에서 장벽층과 우물층의 반복횟수는 5회이다. 따라서, 6층의 장벽층과 5층의 우물층이 형성된다.
다중양자우물층(130) 상에는 제2 밴드 경사층(140)이 구비된다. 제2 밴드 경사층(140)은 GaN을 포함하며, 도판트로는 Mg이 이용된다. 또한, 밴드갭 조절을 위해 In이 포함된다. 제2 밴드 경사층(140)의 두께는 30nm이며, In의 분율은 다중양자우물층(130)과 접하는 면에서부터 최상부까지 0.185~0으로 설정된다. 상기 In의 분율은 Ga 대비 In의 분율을 나타낸다.
제2 밴드 경사층(140) 상에는 p 클래드층(150)이 형성된다. p 클래드층(150)은 GaN을 포함하며, 도판트로는 Mg가 사용되고, 두께는 200nm이다. p 클래드층(150)에 포함되는 도판트의 농도는 1*1018cm-3이다.
상술한 발광 다이오드의 특성은 상기 도 3에서 로 표시된다.
상술한 발광 다이오드와 성능의 비교를 위해 제1 밴드 경사층 및 제2 밴드 경사층이 생략된 발광 다이오드가 구비된다. 즉, n 클래드층, 다중양자우물층 및 p 클래드층으로 구성된 발광 다이오드가 구비된다. 이의 특성은 상기 도 3에서 로 표시된다.
도 3을 참조하면, 밴드 경사층이 구비되지 않은 발광 다이오드는 전류가 공급되는 초기 단계에서 높은 내부양자효율(IQE : Internal Quantum Efficiency)을 가진다. 이는 비교적 낮은 전압에서 적절한 수준으로 전자와 정공이 우물층 내로 구속되기 때문이다. 다만, 전류밀도가 증가하는 경우, 높은 에너지의 공급으로 인해 전자 및 정공의 오버플로우가 발생되며, 전자 및 정공이 우물층 내로 구속되지 않는 경우의 수가 증가한다. 이는 효율의 감소로 연결된다. 따라서, 전류밀도가 상승할수록 내부양자효율은 감소된다.
반면, 밴드 경사층이 구비된 경우, 낮은 전류밀도에서 낮은 내부양자효율을 가진다. 이는 밴드 경사층의 말단부의 밴드갭이 장벽층의 밴드갭보다 낮으며, 이를 터널링하기에는 낮은 에너지가 공급되는데 기인한다. 반면, 전류밀도가 증가할수록 내부양자효율은 증가한다. 이는 높은 에너지로 인해 장벽층을 터널링을 통해 전자 및 정공이 관통하고, 우물층에 구속되기 때문이다.
결국, 전류밀도가 400 A/cm2 이상에서는 밴드 경사층이 구비된 발광 다이오드가 통상의 발광 다이오드보다 높은 내부양자효율을 가지게 된다. 또한, 지속적으로 전류밀도가 증가하더라도 내부양자효율은 지속적으로 증가한다. 이는 전류밀도의 증가에 따라 내부양자효율이 감소되는 기존의 Efficiency Droop현상을 해결하고 있음을 의미한다.
상술한 본 발명에서는 n 타입의 n 클래드층과 다중양자우물층 사이에 제1 밴드 경사층이 형성되고, p 타입의 p 클래드층과 다중양자우물층 사이에 제2 밴드 경사층이 형성된다. 각각의 밴드 경사층은 다중양자우물층 내의 우물층 이상의 밴드갭을 가지되, 장벽층보다 낮은 밴드갭을 가진다. 따라서, 정방향 바이어스가 인가되더라도 전자 또는 정공은 장벽층을 오버플로우하는 이동보다는 터널링을 통해 우물층에 구속된다. 따라서, 전류밀도가 증가하더라도 내부양자효율은 감소되지 않고, 지속적으로 증가한다. 이를 통해 내부양자효율의 저하는 해결된다.
110 : n 클래드층 120 : 제1 밴드 경사층
130 : 다중양자우물층 140 : 제2 밴드 경사층
150 : p 클래드층

Claims (7)

  1. 전자를 공급하는 n 클래드층;
    상기 n 클래드층 상에 형성되고, 밴드갭이 변화하는 제1 밴드 경사층;
    상기 제1 밴드 경사층 상에 형성되고, 발광동작을 수행하는 다중양자우물층;
    상기 다중양자우물층 상에 형성되고, 밴드갭이 변화하는 제2 밴드 경사층; 및
    상기 제2 밴드 경사층 상에 형성되고, 정공을 공급하는 p 클래드층을 포함하고,
    상기 제1 밴드 경사층은 n 타입의 도전형을 가지고, 상기 다중양자우물층과 접하는 부위의 밴드갭은 상기 다중양자우물층의 장벽층의 밴드갭 미만값을 가지고,
    상기 제2 밴드 경사층은 p 타입의 도전형을 가지고, 상기 다중양자우물층과 접하는 부위의 밴드갭은 상기 다중양자우물층의 장벽층의 밴드갭 미만값을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 밴드 경사층은 GaN을 가지고, Si을 도판트로 이용하며, 상기 다중양자우물층에 가까울수록 In의 농도가 증가하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 밴드 경사층은 상기 다중양자우물층과 접하는 부위의 밴드갭이 상기 다중양자우물층의 우물층의 밴드갭 이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 밴드 경사층의 밴드갭은 상기 다중양자우물층에 근접할수록 감소하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 밴드 경사층은 GaN을 가지고, Mg을 도판트로 이용하며, 상기 p 클래드층에 가까울수록 In의 농도가 감소하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 밴드 경사층은 상기 다중양자우물층과 접하는 부위의 밴드갭이 상기 다중양자우물층의 우물층의 밴드갭 이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 밴드 경사층의 밴드갭은 상기 다중양자우물층에 근접할수록 감소하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
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