KR101544164B1 - 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 홀을 공급하는 제1 도전형 질화물층; 전자를 공급하는 제2 도전형 질화물층; 상기 제1 도전형 질화물층과 상기 제2 도전형 질화물층 사이에 위치하는 활성층; 및 상기 제1 도전형 질화물층과 상기 활성층 사이에 위치하는 전자 차단층을 포함하고, 상온에서 측정되는 광도를 기준광도라 할 때, 주위 온도가 상기 상온 보다 높은 온도에서 측정되는 고온광도가 상기 기준광도의 90 % 이상으로 유지되는 발광 소자에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 발광 소자는 고온에서 온도에 대한 광학 특성 열화를 개선할 수 있다.

Description

발광 소자{Light emitting device}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 상세하게는 주위 온도가 상승하더라도 광도 혹은 휘도 저하가 억제되는 발광 소자에 관한 것이다.
전기적 신호를 변환하여 광을 방출하는 발광 소자에는 다양한 재료 및 구조가 사용되고 있다. 최근에는 열적 안정성이 우수하고 에너지 밴드 갭이 커서 다양한 색광을 구현할 수 있는 질화물을 기초로 하는 발광 소자가 주로 사용되고 있다. 질화물에는 GaN, AlN, InN 등이 있고, 이중 GaN은 에너지 밴드 갭이 상온에서 3.4eV로 매우 크기 때문에 고온 고출력 소자에 사용될 수 있다.
일반적으로, 질화물을 이용한 발광 소자는 N형 질화물층, P형 질화물층, 이들 사이에 배치되는 활성층이 적층되는 구조를 가지며, P형 질화물층에 전기적으로 연결되는 P 전극, N형 질화물층에 전기적으로 연결되는 N형 전극을 구비한다. 이러한 발광 소자는 N형 전극 및 P형 전극에 소정의 전류가 인가되면, N형 GaN층으로부터 제공되는 전자와 P형 GaN층으로부터 제공되는 홀이 활성층에서 재결합되어 에너지 갭에 해당하는 파장의 광이 방출되게 된다.
한편, N형 질화물층으로부터 공급되는 전자가 P형 질화물층으로 오버플로우되는 현상이 발생될 수 있고, 이에, 이러한 전자의 오버플로우를 방지하기 위하여 활성층과 P형 질화물층 사이에 전자 차단층(Electron Blocking Layer: EBL)를 더 형성하기도 한다.
그러나, 이러한 발광 소자는 상온에서의 광방출 효율 혹은 휘도는 우수하나, 발광 소자의 주위 온도가 상승하면 휘도 혹은 광도가 열화되는 문제가 발생한다. 또한, 발광 소자가 동작하면서 발생되는 발열에 의하여 온도가 상승하면 휘도 혹은 광도가 열화되는 문제가 발생한다.
이처럼, 발열 혹은 기타 이유로 발광 소자의 주위 온도가 상승하여, 발광 소자의 휘도나 광도가 열화되는 문제는 발광 소자를 복수 개 배치하는 장치 예를 들면 조명 장치에서 더욱 심각하게 야기된다.
본 발명은 주위 온도가 상승하더라도 휘도 혹은 광도 열화가 억제되는 발광 소자를 제공한다.
본 발명은 단순한 적층 구조 제어에 의하여 고온에서도 휘도 혹은 광도가 유지되는 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 발광 소자는 홀을 공급하는 제1 도전형 질화물층; 전자를 공급하는 제2 도전형 질화물층; 상기 제1 도전형 질화물층과 상기 제2 도전형 질화물층 사이에 위치하는 활성층; 및 상기 제1 도전형 질화물층과 상기 활성층 사이에 위치하는 전자 차단층을 포함하고, 주위 온도가 상온 보다 높은 온도에서 측정되는 고온광도가 상온에서 측정되는 기준광도의 90 % 이상으로 유지된다.
여기서, 전자 차단층은 P형 불순물이 도핑된 질화물을 포함하고, 상기 P형 불순물의 도핑 농도는 1x1018 내지 1x1019 atoms/cm3 범위일 수 있고, 상기 전자 차단층의 두께는 5nm 내지 100nm 범위일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 발광 소자는 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층과 도전형이 상이한 제2 반도체층; 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 위치하는 활성층; 상기 제1 반도체층과 상기 활성층 사이에 위치하는 전자 차단층을 포함하고, 상기 전자 차단층은 P형 불순물이 도핑된 질화물을 포함하고, 상기 P형 불순물의 도핑 농도는 1x1018 내지 1x1019 atoms/cm3 범위이다.
발광 소자는 상온에서 측정되는 광도(optical power)를 기준광도라 할 때, 주위 온도가 상기 상온 보다 높은 온도에서 측정되는 고온광도가 상기 기준광도의 90% 이상 104% 미만일 수 있다.
발광 소자의 활성층은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 구비하며, 상기 복수의 장벽층 중 상기 전자 차단층과 인접하는 장벽층인 외측 장벽층의 두께는 그 외 장벽층의 두께와 같거나 이보다 얇게 형성될 수 있다. 상기 외측 장벽층은 그 외 장벽층 두께의 0.2배 내지 0.75배 범위의 두께를 가질 수 있고, 외측 장벽층은 그 외 장벽층 두께의 0.2배 내지 0.5배 범위의 두께를 가질 수도 있다. 또한, 외측 장벽층의 두께는 2nm 내지 10nm 범위일 수 있고, 2nm 내지 7nm 범위일 수도 있다.
발광 소자의 전자 차단층은 AlxInyG1 -x- yN(0.15≤x≤0.25, 0.002≤y≤0.02)을 포함하고, P형 불순물로 마그네슘, 베릴륨, 아연 및 카드듐 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 마그네슘의 도핑 농도는 1x1018 내지 1x1019 atoms/cm3 범위일 수 있다.
또한, 발광 소자는 섭씨 20도 이상 내지 120도 이하 범위에서의 측정되는 고온광도가 상온 기준광도의 90 % 이상 104% 미만인 범위로 유지될 수 있고, 상기 고온광도의 변화폭은 섭씨 20도 이상 내지 120도 이하 범위에서 10% 이하로 유지될 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 발광 소자는 전자 차단층의 불순물 도핑 농도를 제어한다. 또한, 전자 차단층과 인접한 활성층의 장벽층 두께를 제어한다. 이로부터 고온에서 온도에 대한 광학 특성 열화가 개선된 발광 소자를 얻을 수 있다. 즉, 소자의 발열 혹은 기타의 이유로 발광 소자 주위의 온도가 상승하더라도, 휘도 혹은 광도가 일정 범위 이상으로 유지되는 발광 소자를 얻을 수 있다.
고온에서의 광학 특성 열화가 개선되므로, 발광 소자를 열악한 조건에서도 사용할 수 있고, 장시간 사용할 수도 있다.
또한, 고온 특성 열화가 개선되므로, 발광 소자를 다수 개 배치한 장치를 용이하게 제작할 수 있고, 다수 개 발광 소자의 배치를 자유롭게 변경할 수 있다. 예컨대, 다양한 구조 및 형태의 조명 장치를 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 2는 도 1의 점선 영역의 부분 확대도.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 발광 소자의 광도 특성을 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 과장하거나 확대하여 표현하였으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이고, 도 2는 도 1의 점선 영역을 확대한 부분 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자는 홀을 공급하는 제1 도전형 질화물층(500); 전자를 공급하는 제2 도전형 질화물층(100); 제1 도전형 질화물층(500)과 제2 도전형 질화물층(100) 사이에 위치하는 활성층(300); 및 제1 도전형 질화물층(500)과 활성층(300) 사이에 위치하는 전자 차단층(400)을 포함하고, 상온에서 측정되는 광도(optical power)를 기준광도라 할 때, 주위 온도가 상기 상온 보다 높은 온도에서 측정되는 고온광도가 상기 기준광도의 90 % 이상으로 유지된다.
또한, 발광 소자는 활성층(300)과 제2 도전형 질화물층(100) 사이에 응력 완화층(200)을 더 포함할 수 있다. 상기 각 층들이 적층된 적층 구조물은 기판(도시되지 않음) 상에 형성될 수도 있고, 기판상에 형성한 후 기판을 제거할 수도 있다. 또한, 적층 구조물은 하부로부터 제2 도전형 질화물층(100), 응력 완화층(200), 활성층(300), 전자 차단층(400), 제1 도전형 질화물층(500)의 순서로 적층할 수 있다. 물론, 이들의 적층 순서를 역으로 할 수도 있다. 또한, 상기 적층 구조물의 제1 도전형 질화물층(500) 및 제2 도전형 질화물층(100) 상에는 각각 전극 패드 혹은 전극이 더 형성될 수 있다.
기판은 발광 소자를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하며, 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 재질을 이용할 수 있다. 예를 들면, 기판은 Al2O3, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl2O3, BN, AlN 및 GaN 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 또한, 기판상에는 상기의 적층 구조물을 형성하기 전에 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다. 버퍼층은 기판과 제1 혹은 제2 도전형 질화물층 사이의 격자 부정합을 완화시키고, 열팽창계수의 차이를 극복하기 위해 형성된다. 이러한 버퍼층은 도핑없이 형성될 수 있으며, GaN 계열, AlN 계열, InAlGaN 계열 혹은 SiC 계열의 재료로 형성될 수 있다.
제1 도전형 질화물층(500)은 P형 불순물이 도핑된 제1 반도체층일 수 있으며, 그에 따라 활성층(300)에 홀을 공급할 수 있다. 이러한 제1 반도체층(500)은 P형 불순물, 예를 들어 Mg가 도핑된 GaN층을 이용할 수도 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 물질이 가능하다. 즉, GaN, InN, AlN(Ⅲ-Ⅴ족) 등과 같은 질화물이 이용될 수 있고, 이러한 질화물을 일정한 비율로 혼합한 화합물이 이용될 수 있는데, 예를 들어 AlGaN, AlInGaN을 포함한 다양한 반도체 물질이 가능하다. 또한, 제1 도전형 질화물층(500)은 단일막으로 형성될 수도 있고, 다층막으로 형성될 수도 있다.
제2 도전형 질화물층(100)은 N형 불순물이 도핑된 N형의 제2 반도체층일 수 있다. 즉 제1 반도체층과 도전형이 상이한 제2 반도체층일 수 있다. 이에, 활성층(300)에 전자를 공급할 수 있다. 이러한 제2 도전형 질화물층(100)은 N형 불순물, 예를 들어 Si가 도핑된 GaN층을 이용할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 물질이 가능하다. 즉, GaN, InN, AlN(Ⅲ-Ⅴ족) 등과 같은 질화물이 이용될 수 있고, 이러한 질화물을 일정한 비율로 혼합한 화합물이 이용될 수 있는데, 예를 들어 AlGaN을 이용할 수 있다. 또한, 제2 도전형 질화물층(100)은 단일막으로 형성할 수도 있고, 다층막으로 형성할 수도 있다.
활성층(300)은 소정의 밴드 갭을 가지며 양자 우물이 만들어져 전자 및 홀이 재결합되는 영역이다. 활성층(300)은 단일 양자 우물 구조(SQW) 또는 다중 양자 우물 구조(MQW)로 형성할 수 있는데, 다중 양자 우물 구조는 양자 우물층과 장벽층이 반복적으로 복수 회 적층되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 다중 양자 우물 구조의 활성층(300)은 InGaN과 GaN이 반복적으로 적층되어 형성될 수 있고, AlGaN과 GaN이 반복적으로 적층되어 형성될 수도 있다. 반복 적층되는 회수는 3 내지 15회 일 수 있다. 여기서, 활성층(300)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 홀이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화되기 때문에 목표로 하는 파장에 따라 활성층(300)에 포함되는 반도체 재료를 조절할 수 있다.
활성층(300)은 제2 도전형 질화물층(100)과 인접하는 쪽에서부터 우물층과 장벽층이 교대로 반복 적층된 구조일 수 있다. 즉, 제1 우물층(3011)의 상부에 제1 장벽층(3012)가 형성되고, 그 위에 다시 제2 우물층 및 제2 장벽층이 형성되고, 계속하여 제n 우물층(301n) 및 제n 장벽층(302n)이 형성된다. 이때, 제n 우물층(301n) 및 제n 장벽층(302n)은 원하는 반복회수에 따라 3번째 혹은 15번째 층이 될 수 있고, 전자 차단층(400)에 인접하여, 최상부에 형성되는 층으로 외측 우물층 및 장벽층이다. 외측 장벽층(302n)의 두께는 그외 장벽층(3021 내지 302n-1)의 두께와 같거나 이보다 얇게 형성된다. 예를 들면 외측 장벽층(302n)은 그 외 장벽층(3021 내지 302n-1) 두께의 0.2배 내지 0.75배 범위의 두께를 가질 수 있다. 바람직하게는 0.2배 내지 0.5배 범위의 두께를 가진다. 또한, 외측 장벽층(302n)은 2nm 내지 10nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 바람직하게는 2nm 내지 7nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 이때, 그 외 장벽층(3021 내지 302n-1)의 두께는 대략 6nm 내지 13nm 정도 일 수 있다. 외측 장벽층(302n)이 2nm 보다 얇을 경우, 장벽층이 그 바로 아래 우물층의 표면을 충분히 커버(cover)하지 못하는 부분이 많이 생기게 된다. 이에 휘도 및 전기적 특성의 급격한 저하를 야기시키며, 제2 도전형 반도체층(n층)에서 주입되는 전자가 제1 도전형 반도체층(p층)으로 유입될 수 있어 전류 누설이 심해질 수 있다. 또한, 외측 장벽층(302n)이 10nm를 초과하면 장벽층이 그 바로 아래 우물층의 표면을 충분히 커버하므로 전기적 특성의 급격한 저하는 없으나, 주위 온도가 상승되는 경우 즉, 120도에서의 고온광도가 상온에서의 기준광도에 비해 90% 보다 더 낮아지는 문제가 있다.
종래 발광 소자에서는 활성층에서 전자 차단층에 인접하는 외측 장벽층의 두께를 그 외 장벽층의 두께보다 두껍게(예를 들면 대략 2배) 형성하였다. 그러나 본 발명에서는 외측 장벽층의 두께를 종래의 외측 장벽층의 두께보다 얇게 하였다. 이로부터 주위 온도가 증가하더라도, 휘도 감소를 억제한다. 특히, 주위 온도가 증가하더라도 휘도를 증가시킬 수도 있게 된다. 이는 후술하는 전자 차단층의 P형 불순물 예를 들면 마그네슘(Mg)의 도핑 농도 감소와 함께 상승된 효과를 나타낸다. 한편, 전자 차단층에서 불순물의 도핑 농도를 감소시키지 않고 외측 장벽층의 두께만 감소시키게 되면 전자 차단층에서 확산되는 불순물(예; Mg) 이온이 활성층에 영향을 주어 역전류 특성(reverse bias) 감소 및 휘도 감소에 영향을 주게 된다. 반대로 외측 장벽층의 두께를 상기의 범위를 초과하여 증가시킬 경우 활성층으로의 홀 주입이 어렵게 되어 동작 전압을 상승시키고 휘도를 감소시키게 된다.
전자 차단층(400)은 제1 도전형 질화물층(500)과 활성층(300) 사이에 위치하며, 전자를 차단하는 기능을 한다. 즉, 전자 차단층(400)은 P형 질화물 반도체층(500)과 활성층(300) 사이에 형성되어, N형 질화물 반도체층(100)으로부터 공급되는 전자가 P형 질화물 반도체층(500)으로 오버 플로우 되는 것을 방지하는 역할을 한다. 또한, 전자 차단층(400)은 활성층(300)으로의 홀 주입층으로의 역할도 수행할 수 있다. 전자 차단층(400)은 GaN보다 밴드 갭 에너지가 큰 물질로 형성될 수 있고, P형 불순물이 도핑된 질화물을 포함한다. 예를 들면, 전자 차단층(400)은 AlxInyG1-x-yN(0.15≤x≤0.25, 0.002≤y≤0.02)을 포함할 수 있고, P형 불순물로 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 아연(Zn) 및 카드듐(Cd) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, P형 불순물의 도핑 농도는 종래의 발광 소자에 비하여 낮게 도핑된다. 즉, P형 불순물의 도핑 농도는 1x1018 내지 1x1019 atoms/cm3 범위로 조절된다.
발광 소자(예: LED)에서는 발광 결합 및 비발광 결합이 발생하는데 이중 빛을 내는 결합은 발광 결합이다. LED의 주위 혹은 주변 온도가 증가하면 발광 결합은 감소하고 비발광 결합이 증가하게 되는데 이로 인해 휘도가 감소하게 된다. 이때, 결합의 증가에 의해 순방향 전압(VF)은 감소하게 된다. 본 발명의 실시예는 온도 증가에 따라 감소하는 발광 결합을 온도 증가에 따른 홀의 주입 효율을 개선함으로써 개선하였다. 즉, P형 불순물의 도핑 농도를 감소시켜 전자 차단층의 품질(quality)을 향상시키고, 이에 따라 고온에서도 홀 생성(hole generation)을 비교적 원활하게 하여, 활성층으로 주입되는 홀 농도가 온도가 증가하더라도 거의 변화하지 않도록 하였다.
일반적으로 전자 차단층의 P형 불순물의 도핑 농도가 1x1018 보다 낮으면 발광효율이 좋지 않고, 5x1019 atoms/cm3보다 높으면 결정성 저하로 인하여 누설 전류 특성이 나빠진다. 온도 증가에 따라 감소하는 발광 효율을 개선하기 위해 P형 불순물로는 마그네슘(Mg)을 포함한 상술된 원소들이 사용될 수 있다. 특히, 마그네슘(Mg)을 사용하는 경우, 도핑 농도는 1x1018 내지 1x1019 atoms/cm3 범위로 할 수 있다. 이 경우 도핑 농도가 1x1018 atoms/cm3보다 낮으면 상온에서의 홀 농도가 낮아 휘도가 저하되므로 구동 전압이 3.7V이상으로 증가되는 문제가 야기되고, 1x1019 atoms/cm3보다 높으면 고온에서 광도가 저하된다. 예를들면 120도에서의 고온광도가 상온에서의 기준광도에 비해 90% 보다 더 낮아지는 문제가 발생된다.
또한, 전자 차단층(400)의 두께는 5 내지 100nm로 형성될 수 있다. 전자 차단층의 두께가 5nm 미만일 경우 전자 차단층으로 역할을 충분히 할 수 없게 되고, 두께가 100nm 를 초과하여 너무 두꺼우면 P형 질화물 물질에서 활성층 방향에 대한 저항 성분이 커짐에 따라 홀의 주입이 어려워져 휘도 또는 순방향 전압(VF) 강하 특성이 저하될 수 있다.
응력 완화층(200)은 상하부의 층 사이의 응력을 완화시키는 층이다. 즉, 하부의 N형 반도체층과 상부의 활성층 사이에서 발생할 수 있는 응력을 완화시킨다. 또한, 응력 완화층(200)은 InGaN 물질로 제조될 수 있다.
한편, 제1 도전형 질화물층(500) 및 제2 도전형 질화물층(100) 상에는 각각 전극 패드 혹은 전극이 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 도전형 질화물층(500) 상에 제1 전극(미도시)이 형성될 수 있고, 제2 도전형 질화물층(100) 상에 제2 전극(미도시)이 형성될 수 있다. 제1 및 2 전극은 서로 대향하도록 마주 보고 형성될 수도 있고, 동일 방향의 면에 형성될 수도 있다. 즉, 제1 전극이 제1 도전형 질화물층(500)의 상부면에 형성되고, 제2 전극은 제2 도전형 질화물층(100)의 하부면에 형성되는 수직형 구조로 제조될 수 있다. 또한, 제1 전극을 제1 도전형 질화물층(500)의 상부면에 형성하고, 제1 도전형 질화물층(500), 전자 차단층(400), 활성층(300) 및 응력 완화층(200)의 일부를 제거하여 제2 도전형 질화물층(100)의 상부면 일부를 노출하고 노출면에 제2 전극을 형성하여 수평형 구조로 제조할 수도 있다.
이러한, 제1 및 2 전극은 도전성 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 예를 들어 Ti, Cr, Au, Al, Ni, Ag 등의 금속 물질 또는 이들의 합금을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제1 및 2 전극은 단일층 또는 다층으로 형성할 수 있다. 또한, 제1 및 2 전극 중 적어도 어느 하나는 광을 투과하는 투명 전극을 포함하거나 전체가 투명 전극으로 형성될 수도 있다.
상술된 구조의 발광 소자는 주위 온도가 상승하더라도 소정 범위 내로 광도가 유지된다. 즉, 상온에서 측정되는 광도(optical power)를 기준광도라 할 때, 상온 보다 높은 주위 온도에서 측정되는 고온광도가 상기 기준광도의 90 % 이상으로 유지된다. 상온은 평상시 대기 중의 온도를 의미하며, 연간을 통하여 평균한 온도 일 수 있고, 예를 들면 20±5℃ 정도 일 수 있다. 광도는 광원으로부터 단위거리만큼 떨어진 거리에서 단위면적을 단위시간에 통과하는 빛의 양을 나타낸다. 또한 광도는 점광원은 아니므로 휘도와 비례할 수 있다. 예를 들면 상온 즉 섭씨 20도 근처에서 측정한 발광 소자의 광도를 기준광도 100으로 하고, 20도를 초과하여 온도를 올리면서 측정하는 고온광도를 기준광도 100에 대하여 상대적으로 나타내는 경우, 본 발명 실시예의 발광 소자는 고온광도가 기준광도의 90 % 이상 104% 미만이다. 이때, 고온광도는 섭씨 20도 이상 내지 120도 이하 범위에서의 측정되는 광도일 수 있다.
상술된 본 발명의 실시예의 발광 소자를 제조하는 방법은 일반적인 반도체 발광 소자의 제조 방법과 동일하거나 유사하므로, 그 상세한 설명은 생략한다. 다만, 전자 차단층을 제조할 때, P형 불순물의 원료 도입량을 감소시켜 P형 불순물 도핑 농도를 조절하고, 활성층의 외측 장벽층을 제조할 때, 박막 제조 시간이나 온도, 원료 도입량 등을 제어하여 외측 장벽층의 두께를 제어한다.
실험예 및 종래예
이하에서는, 본 발명의 구체적 실험예 및 종래예를 설명한다.
실험예의 발광 소자는 실리콘(Si)이 도핑된 GaN으로 형성된 N형 질화물 반도체층, InGaN로 형성된 응력 완화층, InGaN으로 제조된 우물층과 GaN으로 제조된 장벽층이 11회 반복 적층된 다중 양자 우물 구조를 가지는 활성층, AlxInyG1 -x- yN(0.15≤x≤0.25, 0.002≤y≤0.02)에 마그네슘(Mg)이 도핑되며 두께가 대략 30nm로 제조된 전자 차단층, 및 마그네슘이 도핑된 GaN으로 제조된 P형 질화물 반도체층이 순서대로 적층된 구조이다. 활성층에서 전자 차단층과 인접한 외측 장벽층 두께를 3.75nm로 하였으며, 그외 장벽층의 두께는 8.5nm 및 6nm하였다. 즉, 그외 장벽층 중 외측 장벽측와 인접한 쪽으로의 6개의 장벽층의 두께는 8.5nm 로 하고, 이들 외의 장벽층의 두께는 6nm로 하였다. 이러한 외측 장벽층의 두께는 후술하는 종래예의 외측 장벽층의 두께의 대략 0.25배이다. 전자 차단층의 마그네슘 농도를 2가지로 조절하였다. 실험예1은 마그네슘 농도를 1x1019 atoms/cm3로 하였으며, 실험예2는 마그네슘 농도를 4x1018 atoms/cm3로 하였다. 이는 후술하는 종래예의 전자 차단층의 마그네슘 농도에 대하여 대략 0.08배 내지 0.5배 정도이다.
종래예의 발광 소자는 발광 소자는 실리콘(Si)이 도핑된 GaN으로 형성된 N형 질화물 반도체층, InGaN로 형성된 응력 완화층, InGaN으로 제조된 우물층과 GaN으로 제조된 장벽층이 11회 반복 적층된 다중 양자 우물 구조를 가지는 활성층, AlxInyG1-x-yN(0.15≤x≤0.25, 0.002≤y≤0.02)에 마그네슘(Mg)이 도핑되며 두께가 대략 30nm로 제조된 전자 차단층, 및 마그네슘이 도핑된 GaN으로 제조된 P형 질화물 반도체층이 순서대로 적층된 구조이다. 활성층에서 전자 차단층이 인접한 외측 장벽층의 두께를 15nm로 하였으며, 그외 장벽층의 두께는 8.5nm로 하였다. 또한, 전자 차단층의 마그네슘 농도를 대략 2x1019 ~ 5x1019 atoms/cm3 로 하였다.
상기와 같이 제조된 각 발광 소자를 패키지 처리하여 발광 칩으로 제조하고, 이를 열원 위에 로딩한 후, 열을 올리면서 전류를 인가하여 휘도를 측정하고 광도를 산출하였다. 휘도는 적분구로 측정하였다. 또한, 주위 온도 증가에 따라 산출된 광도를 온도에 따라 기준 광도에 대한 상대적 광도로 나타내었다.
도 3은 본 발명의 실험예 및 종래예에 따른 발광 소자의 광도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3에 나타낸 바와 같이 종래예의 발광 소자는 주위 온도가 증가함에 따라 발광 소자의 광도가 급격하게 저하되는 것을 알 수 있다. 특히, 주위 온도가 90도를 초과하기 시작하면 상대 광도는 90%를 유지하지 못하고 열화되는 것을 알 수 있다. 또한, 종래예의 발광 소자는 주위 온도가 증가하면 상대 광도의 변화폭이 10%를 초과하여 열화된다. 도 3에서 보여주듯이, 주위 온도가 20도에서 120도로 증가하여 주위 온도 증가폭이 100인 경우, 광도는 100에서 86으로 감소하여 그 변화폭은 14%가 된다. 이처럼 종래예의 발광 소자에서는 주위 온도가 증가하면 광도 즉 휘도가 감소하는 광학 특성의 열화 현상이 야기된다. 이러한 열화는 발광 소자를 열악한 조건에서 사용할 수 없게 하며, 장시간 사용할 수 없게 한다.
반면, 실험예1 및 2의 발광 소자는 주위 온도가 증가하더라도 광도가 급격하게 저하되지 않고 소정 범위 이상으로 유지되는 것을 알 수 있다. 주위 온도가 120도까지 증가하더라도 실험예1 및 2의 발광 소자는 기준 광도에 대하여 90% 이상의 광도를 유지한다. 즉, 주위 온도가 증가하더라도 일정 범위에서 휘도를 유지하는 것을 알 수 있다. 또한, 전자 차단층의 P형 불순물 도핑 농도를 대폭 감소시키면 고온 광도가 기준 광도 보다 높게 나타난다. 실험예2의 경우, 마그네슘 도핑 농도를 4x1018 atoms/cm3로 낮추어 20 내지 120도의 온도 범위에서 100 내지 104%의 상대 광도를 얻었다. 또한, 실험예의 발광 소자는 주위 온도가 증가하더라도 상대 광도의 변화폭이 10%를 이하로 유지된다. 도 3에서 보여주듯이, 주위 온도가 20도에서 120도로 증가하여 주위 온도 증가폭이 100인 경우, 실험예1의 발광 소자의 광도는 상온에서의 기준광도를 100이라고 할 때, 120도에서의 고온광도는 91로 감소하여 그 변화폭은 9%가 된다. 실험예2의 발광 소자의 광도는 상온에서의 기준광도를 100이라고 할 때, 120도에서의 고온광도는 최대 103.2로 증가하여 그 변화폭이 최대 3.2%가 된다. 이처럼, 전자 차단층의 불순물 농도와 활성층의 외측 장벽층 두께를 조절하여 고온 광도가 우수한 발광 소자를 얻었다. 이로부터 실험예의 발광 소자는 열악한 환경에서도 충분한 광도로 동작할 수 있으며, 장시간 사용에 의하여 소자가 발열하더라도 광도를 유지할 수 있다.
상기에서는 질화물 반도체로 제조된 발광 소자를 예시적으로 설명하였으나, 이는 질화물 외의 재료에서도 적용될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 제2 반도체층 500 : 제1 반도체층
200 : 응력 완화층 300 : 활성층
400 : 전자 차단층

Claims (14)

  1. 홀을 공급하는 제1 도전형 질화물층;
    전자를 공급하는 제2 도전형 질화물층;
    상기 제1 도전형 질화물층과 상기 제2 도전형 질화물층 사이에 위치하는 활성층;
    상기 제1 도전형 질화물층과 상기 활성층 사이에 위치하는 전자 차단층; 및
    상기 제 2 도전형 질화물층과 상기 활성층 사이에 위치하여 이들 사이의 응력을 완화시키는 응력 완화층을 포함하고,
    상기 활성층은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 구비하며, 상기 복수의 장벽층 중 상기 전자 차단층과 인접하는 장벽층인 외측 장벽층이 2㎚ 이상 10㎚ 미만의 두께로 형성되고, 그 외 장벽층은 6㎚ 이상 10㎚ 미만의 두께에서 상기 외측 장벽층과 같거나 이보다 두껍게 형성되며,
    상기 응력 완화층은 InGaN으로 형성되며,
    상기 전자 차단층은 P형 불순물이 1x1018atoms/cm3 이상 1x1019atoms/cm3 미만으로 도핑된 AlxInyG1-x-yN(0.15≤x≤0.25, 0.002≤y≤0.02)가 5㎚ 내지 100㎚의 두께로 형성되어 주위 온도가 상온 보다 높은 섭씨 20도 이상 내지 120도 이하의 온도에서 측정되는 고온광도가 상온에서 측정되는 기준광도의 90% 이상 104% 미만인 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층과 도전형이 상이한 제2 반도체층;
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 위치하는 활성층;
    상기 제1 반도체층과 상기 활성층 사이에 위치하는 전자 차단층; 및
    상기 제 2 반도체층과 활성층 사이에 위치하여 이들 사이의 응력을 완화시키는 응력 완화층을 포함하고,
    상기 활성층은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 구비하며, 상기 복수의 장벽층 중 상기 전자 차단층과 인접하는 장벽층인 외측 장벽층이 2㎚ 이상 10㎚ 미만의 두께로 형성되고, 그 외 장벽층은 6㎚ 이상 10㎚ 미만의 두께에서 상기 외측 장벽층과 같거나 이보다 두껍게 형성되며,
    상기 전자 차단층은 P형 불순물이 1x1018atoms/cm3 이상 1x1019atoms/cm3 미만으로 도핑된 AlxInyG1-x-yN(0.15≤x≤0.25, 0.002≤y≤0.02)가 5㎚ 내지 100㎚의 두께로 형성되어 상온에서 측정되는 광도(optical power)를 기준광도라 할 때, 주위 온도가 상기 상온 보다 높은 섭씨 20도 이상 내지 120도 이하의 온도에서 측정되는 고온광도가 상기 기준광도의 90% 이상 104% 미만인 발광 소자.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 외측 장벽층은 그 외 장벽층 두께의 0.2배 내지 0.75배 범위의 두께를 가지는 발광 소자.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 외측 장벽층은 그 외 장벽층 두께의 0.2배 내지 0.5배 범위의 두께를 가지는 발광 소자.
  9. 삭제
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 외측 장벽층의 두께는 2nm 내지 7nm 범위인 발광 소자.
  11. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 P형 불순물로 마그네슘, 베릴륨, 아연 및 카드듐 중에서 적어도 하나를 포함하는 발광 소자.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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