KR101861218B1 - 고효율 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

고효율 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는, n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하는 활성영역을 포함한다. 이 활성영역은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 포함하는 다중양자우물 구조를 가지며, n형 질화물 반도체층에 가장 가까운 제1 우물층은 서브 우물층 및 서브 장벽층을 포함한다. 다중양자우물 구조의 제1 우물층이 서브 우물층을 포함하기 때문에, 다중양자우물 구조 내에서 전자의 이동을 억제하여 오버플로우를 완화할 수 있으며, 따라서 전류 밀도 증가에 따른 효율 저하를 완화할 수 있다.

Description

고효율 발광 다이오드{HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고효율 발광 다이오드에 관한 것이다.
질화물계 반도체를 이용한 발광 다이오드 소자는 기본적으로 n형 질화물층, 활성 영역, 및 p형 질화물층을 포함하고 있다. 최근 질화물계 LED의 효율을 증대시키기 위하여 기본적인 구조의 LED로부터 많은 고효율 LED 구조가 개발되고 있는 실정이다. 예를 들어 전자 저장층, 다중양자우물구조, 전자 차단층 등이 물질의 특성을 고려하여 LED에 적용되고 있다. 특히, 빛을 생성하는 활성 영역의 영역은 가장 중요한 부분으로 최근 많은 연구와 새로운 구조가 개발되고 있다. 본 발명은 발광 다이오드의 전계 발광특성의 향상 및 전류 증가에 따른 효율저하 현상(droop)을 완화할 수 있는 새로운 구조의 다중양자우물 구조에 관한 것이다.
일반적으로 질화물계 LED에서 가시광 영역의 빛을 내는 물질로는 InGaN이 사용되고 있다. 특히, 효율을 증대하기 위하여 InGaN/GaN 형태의 다중양자우물구조의 활성영역(도 1의 11)을 사용하고 있다. 이때, 균일한 빛을 얻기 위하여 기존의 여러 InGaN 우물층(도 1의 11a)은 동일한 In 조성 및 두께 등을 사용하고 있다. InGaN 우물층의 In 조성이 다를 경우 다른 파장을 나타낼 수 있고, 두께가 각각 다를 경우 양자효과에 의한 발광 파장의 균일도가 저하되므로 동일한 조성 및 두께를 갖는 양자 우물층(11a) 및 장벽층(11b)을 LED의 활성영역(11)으로 사용하고 있다. 또한, 정공에 비하여 전자는 그 농도가 클 뿐 아니라, 이동도가 상당히 빠르기 때문에 일반적으로 넓은 밴드갭을 가지는 p-AlGaN 형태의 전자차단층을 사용하거나, 활성 영역 하부에 InGaN/GaN 전자 저장층을 사용하고 있다. 하지만, 월등히 많은 전자 농도 및 빠른 이동도에 의해 전자의 오버플로우 현상이 심각하게 관찰되고 있다.
일반적으로 전자의 오버플로우를 방지하기 위해서는 p형 질화물계 반도체의 높은 전기적 특성(높은 정공농도 및 이동도)이 요구되고 있다. 하지만, 질화물계 p형 반도체는 n형 반도체에 비하여 캐리어 농도는 약 10% 수준이고 이동도는 약 5% 이하의 낮은 특성을 나타내고 있다. 따라서, 활성 영역(11)에서 전자의 농도가 정공에 비하여 높기 때문에 과잉전자는 p층(p측)으로 넘어가서 활성 영역이 아닌 p층에서 발광 또는 비발광을 하게 된다. 이는 활성 영역(11)에서의 광 효율을 감소시키는 원인으로 생각되고 있다. 이러한 현상을 억제하기 위하여 활성 영역과 p층 사이에 넓은 밴드갭을 가진 p-AlGaN층의 전자차단층을 사용하고 있다. 하지만, p-AlGaN층은 활성 영역인 InGaN과의 큰 격자 상수 차이에 의해 결함이 발생하기 쉽고 p-AlGaN의 p형 활성화 에너지가 커서 p-AlGaN층의 전기적 특성이 저하되어 효율적인 전자차단층의 역할을 하지 못하고 있다. 또한, p-AlGaN층의 삽입으로 인해 전자의 차단뿐만 아니라, 활성 영역 내로의 정공의 이동 또한 억제하므로 오버플로우를 효과적으로 제어하는데 한계가 있다.
따라서, n층(n측)으로부터 활성 영역으로의 전자의 이동을 억제하기 하기 위해 활성 영역 하부에 전자 저장층을 사용하고 있다. 전자 저장층을 사용함으로써 활성 영역으로의 전자의 이동을 억제하여 p층(p측)으로의 오버플로우를 최소화 하려는 것이다. 그러나 InGaN계의 전자 저장층이 활성 영역 하부에 위치할 경우, 저온 성장에서 발생되는 결함에 의한 비발광 재결함에 의해 효율 저하 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 전자 저장층의 InGaN계 층의 In 조성 및 두께에 한계가 있다.
본 발명이 해결사고자 하는 과제는 다중양자우물층으로 구성되어 있는 발광 다이오드에서 다중양자우물 구조를 개선하여 p층으로의 전자의 오버플로우를 최소화함으로써 전류 밀도 증가에 따른 효율저하 현상을 억제할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따르면 고효율 발광 다이오드가 제공된다. 이 발광 다이오드는, n형 질화물 반도체층; p형 질화물 반도체층; 및 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하는 활성영역을 포함한다. 또한, 상기 활성영역은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 포함하는 다중양자우물 구조를 갖고, 상기 n형 질화물 반도체층에 가장 가까운 제1 우물층은 서브 우물층 및 서브 장벽층을 포함한다. 다중양자우물 구조의 제1 우물층이 서브 우물층을 포함하기 때문에, 다중양자우물 구조 내에서 전자의 이동을 억제하여 오버플로우를 완화할 수 있으며, 따라서 전류 밀도 증가에 따른 효율 저하를 완화할 수 있다.
특히, 상기 서브 우물층은 상기 p형 반도체층에 가장 가까운 마지막 우물층의 밴드갭보다 좁은 밴드갭을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, n-InGaN/GaN 전자 저장층 및 p-AlGaN 전자 차단층 이외에 활성영역의 제1 우물층이 서브 우물층 및 서브 장벽층을 포함함으로써, 전자의 활성 영역 내 이동을 효율적으로 제어할 수 있으며, 따라서 고전류 인가시 전자의 오버플로우에 의한 효율저하를 효과적으로 완화할 수 있다.
나아가, 제1 우물층이 다른 우물층에 비해 높은 In 조성을 갖는 서브 우물층을 포함함으로써, 기판의 하부층에 의해 활성영역에 인가되는 압축응력을 완화하여 광 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 종래 발광 다이오드의 전형적인 다중양자우물 구조의 활성영역(11)을 나타내는 개략적인 밴드 다이어 그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 다중양자우물 구조의 활성영역(31)을 나타내는 개략적인 밴드 다이어 그램이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 다중양자우물 구조의 활성영역(41)을 나타내는 개략적인 밴드 다이어 그램이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 다중양자우물 구조의 활성영역의 제1 우물층을 나타내는 개략적인 밴드 다이어 그램이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 활성 영역(31)을 채택한 발광 다이오드와 종래 기술에 따른 활성 영역(11)을 채택한 발광 다이오드를 대비하기 위한 그래프로서, (a)는 전류 증가에 따른 발광 강도를 나타내고, (b)는 전류 증가에 따른 외부양자효율의 변화를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 활성 영역(31)을 채택한 발광 다이오드의 서브 우물층 두께에 따른 발광 강도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 활성 영역(31)을 채택한 발광 다이오드의 서브 우물층의 In 조성 변화에 따른 발광 강도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 활성 영역(41)을 채택한 발광 다이오드와 종래 기술에 따른 활성 영역(11)을 채택한 발광 다이오드를 대비하기 위한 그래프로서, (a)는 전류 증가에 따른 발광 강도를 나타내고, (b)는 전류 증가에 따른 외부양자효율의 변화를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예 2에 따른 활성 영역(41)을 채택한 발광 다이오드의 제1 서브 우물층 두께에 따른 발광 강도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 활성 영역(41)을 채택한 발광 다이오드의 제2 서브 우물층 두께에 따른 발광 강도를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 활성 영역(41)을 채택한 발광 다이오드의 제1 서브 우물층의 In 조성 변화에 따른 발광 강도를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예 2에 따른 활성 영역(41)을 채택한 발광 다이오드의 제2 서브 우물층의 In 조성 변화에 따른 발광 강도를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 3은 다중양자우물구조의 활성영역(31)을 나타내는 개략적인 밴드 다이어 그램이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 발광 다이오드는 n형 반도체층(25), p형 반도체층(35), 다중양자우물구조의 활성영역(31)을 포함하며, 기판(21), 버퍼층(23), 전자 저장층(27), 전자 주입층(29), 전자 차단층(33)을 포함할 수 있다.
기판(21)은, 예컨대 사파이어 기판, 질화갈륨 기판, 탄화실리콘 기판 또는 실리콘 기판과 같이 질화갈륨계 화합물 반도체층을 성장시키기 위한 성장기판일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 n형 반도체층(25) 및 p형 반도체층(35)은 질화물 계열, 예컨대 GaN 반도체층일 수 있다. 상기 활성영역(31)은 상기 n형 반도체층(25)과 p형 반도체층(35) 사이에 위치하며, 복수의 우물층(30, 31a)과 복수의 장벽층(31b)을 포함한다. 우물층(30, 31a)은 장벽층(31b)에 비해 좁은 밴드갭을 가지며, 따라서 전자와 정공이 우물층 내에서 재결합하여 광을 방출할 수 있다. 상기 복수의 장벽층(31b)은 InGaN, GaN 또는 AlGaN으로 형성될 수 있으며, 상기 복수의 우물층(30, 31a)은 InGaN, GaN 또는 AlGaN으로 형성될 수 있다.
n형 반도체층(25)에 가장 가까운 제1 우물층(30)은 서브 우물층(30a) 및 서브 장벽층(30b)을 포함한다. 서브 우물층(30a)은 우물층(31a)에 비해 좁은 밴드갭을 가지며, 서브 장벽층(30b)은 우물층(31a)과 동일하거나 우물층(31a)에 비해 넓은 밴드갭을 가질 수 있다.
본 명세서에서, "서브 우물층"은 원하는 파장의 광을 방출하도록 밴드갭이 조절된 양자 우물층에 비해 더 좁은 밴드갭을 갖는다. 따라서, 상기 서브 우물층은 상기 제1 우물층 이외의 다른 우물층들 중 원하는 파장의 광을 방출하는 적어도 어느 하나의 우물층의 밴드갭보다 좁은 밴드갭을 갖는다. 여기서, "우물층의 밴드갭"은 대상 우물층이 일정한 밴드갭을 갖는 경우, 그 밴드갭을 의미하며, 대상 우물층이 균일하지 않은 밴드갭을 갖는 경우, 최소 밴드갭을 의미한다.
제1 우물층(30)의 서브 우물층(30a)은 n형 반도체층(25) 측에서 주입된 전자의 이동을 억제하여 오버 플로우를 방지한다. 따라서, 전류 밀도 증가에 따른 외부 양자 효율 저하를 억제할 수 있다. 나아가, 서브 우물층(30a)은 다른 우물층들(31a)에 비해 더 높은 조성비의 In을 함유할 수 있으며, 따라서 n형 반도체층(25)과 같은 n형 질화물 반도체층에 의해 활성영역(31) 내의 우물층들(31a)에 인가되는 압축응력을 완화할 수 있다. 이에 따라, 우물층들(31a) 내에서의 발광 효율을 더욱 개선할 수 있다.
한편, 제1 우물층(30) 이외의 다른 우물층 또한 서브 우물층(30a)과 서브 장벽층(30b)을 포함할 수 있으나, 서브 우물층(30a)을 포함하는 다른 우물층은 p형 반도체층(35)에 비해 n형 반도체층(25)에 가깝게 위치하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 복수의 우물층을 갖는 활성영역에서 발광 재결합은 전자와 정공의 이동도 차이에 기인하여 p형 반도체층(35)에 가까운 우물층에서 발생한다. 따라서, 서브 우물층(30a)을 p형 반도체층(35)에 가깝게 배치할 경우, 서브 우물층(30a)에서 주로 발광 재결합이 발생하게 되어 방출되는 광의 스펙트럼이 변경될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 서브 우물층(30a)을 포함하는 우물층들은 n형 반도체층(25)측에 가깝게 배치된다.
한편, 기판(21)과 n형 반도체층(25) 사이에 버퍼층(23)이 위치할 수 있으며, n형 반도체층(25)과 활성 영역(31) 사이에 전자 차단층(27)이 위치할 수 있다. 버퍼층(23)은 n형 반도체층(25)을 포함하는 에피층의 결정성을 향상시키기 위해 성장된다. 상기 전자 차단층(27)은 조성이 다른 적어도 두개의 질화갈륨계 층들을 적층한 다층막 구조, 예컨대 초격자 구조를 가질 수 있으며, 전자의 이동을 억제한다. 상기 전자 차단층(27)의 각 층들은 우물층의 조성에 따라 선택될 수 있는데, 예를 들어, 발광 재결합이 발생되는 우물층이 InGaN인 경우, 상기 전자 차단층(27)은 GaN/InGaN을 적층한 초격자 구조일 수 있다.
한편, 전자 차단층(27)과 활성 영역(31) 사이에 전자 주입층(29)이 위치할 수 있다. 전자 주입층(29)은 최종적으로 활성 영역(31) 내로 전자를 주입하는 층으로서, n형 질화물 반도체층일 수 있다. 전자 주입층(29) 대신에 정공 차단층이 위치할 수도 있으며, 전자 주입층(29)이 활성 영역의 장벽층(31b)일 수도 있다.
또한, 활성영역(31)과 p형 반도체층(35) 사이에 전자 차단층(33)이 위치할 수 있다. 전자 차단층(33)은 p형 반도체층(35)에 비해 높은 밴드갭을 갖는 p형 질화물층으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(23), n형 반도체층(25), 전자 저장층(27), 전자 주입층(29), 활성영역(31), 전자 차단층(33) 및 p형 반도체층(35)은 MOCVD 또는 MBE 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 기판(21) 상에 성장된 반도체층들을 이용하여 다양한 구조의 발광 다이오드 칩, 예컨대 수평형, 수직형, 플립칩형 발광 다이오드 칩이 제작될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 적어도 제1 우물층(30)이 서브 우물층(30a)을 포함하기 때문에, 전자의 이동을 억제하여 오버 플로우를 방지할 수 있으며, 나아가, 광을 방출하도록 밴드갭이 조절된 우물층들(31a)에 인가되는 압축응력을 완화하여 이들 우물층들(31a) 내에서 발광 재결합율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 활성 영역(41)을 설명하기 위한 개략적인 밴드 다이어 그램이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 발광 다이오드와 대체로 유사하나, 제1 우물층(40)이 두개의 서브 우물층(30a, 30c)을 포함하는 것에 차이가 있다.
즉, 제1 우물층(40)은 제1 및 제2 서브 우물층들(30a, 30c) 및 상기 서브 우물층들(30a, 30c) 사이에 위치하는 서브 장벽층(30b)을 포함한다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, n형 반도체층(n측)에 가까운 제1 서브 우물층(30a)의 두께가 서브 장벽층(30b) 및 제2 서브 우물층(30c)보다 더 두꺼울 수 있다. 또한, n형 반도체층(25)에 가까운 제1 서브 우물층(30a)에 비해 p형 반도체층(p측)에 가까운 제2 서브 우물층(30c)의 밴드갭이 더 좁을 수 있다. 예컨대, 제1 서브 우물층(30a)에 비해 제2 서브 우물층(30c)이 더 좁은 밴드갭을 갖도록, 제1 서브 우물층(30a)에 비해 제2 서브 우물층(30c)의 In 함량이 더 많거나 Al 함량이 더 적을 수 있다.
나아가, 상기 활성 영역(41)은 제1 및 제2 서브 우물층(30a, 30c) 및 서브 장벽층(30b)을 포함하는 다른 우물층을 더 포함할 수 있으며, 상기 다른 우물층은 p형 반도체층(p측)보다 n형 반도체층(n측)에 더 가까운 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 활성 영역의 제1 우물층을 설명하기 위한 개략적인 밴드 다이어 그램이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 도 4를 참조하여 설명한 발광 다이오드와 대체로 유사하나, 제1 우물층(50)이 복수의 세개의 서브 우물층(30a) 및 두개의 서브 장벽층(30b)을 포함하는 것에 차이가 있다.
상기 서브 우물층들(30a)은 동일한 밴드갭을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 밴드갭을 가질 수도 있다. 또한, 상기 두개의 서브 장벽층(30b)은 동일한 동일한 밴드갭을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 밴드갭을 가질 수도 있다.
본 실시예에 있어서, 제1 우물층(50)이 세개의 서브 우물층을 갖는 것에 대해 설명하지만, 제1 우물층(50)은 더 많은 수의 서브 우물층을 포함할 수도 있다. 나아가, 상기 제1 우물층 이외에 다른 우물층이 복수의 서브 우물층을 포함할 수 있으며, 상기 다른 우물층은 p형 반도체층(p측)보다 n형 반도체층(n측)에 더 가까운 것이 바람직하다.
(실시예 1)
도 2 및 도 3의 활성영역(31)을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 광학 특성을 알아보기 위해 실바코(Silvaco)를 이용하여 시뮬레이션을 수행하여 그 결과를 도 6 내지 8에 나타내었다.
활성 영역(31)은 6개의 우물층(제1 내지 제6 우물층)을 갖고, 제1 우물층이 서브 우물층과 서브 장벽층을 갖는 것으로 하였다. 우물층들은 InGaN, 장벽층들은 GaN으로 형성된 것으로 설정하고, 제1 우물층의 In 조성을 변화시켜 서브 우물층과 서브 장벽층으로 하였다. 이때, 제2 내지 제6 우물층들의 In 조성비는 20%(Ga 조성비는 80%), 두께는 3.0nm로 고정하였고, 장벽층들은 6.0nm 두께의 GaN층으로 고정하였다. 한편, 활성 영역(31)은 AlGaN 전자 차단층(33)과 전자 저장층(27) 사이에 위치하는 것을 기본 구조로 하였으며, 발광 다이오드의 크기는 1mm×1mm의 크기를 갖는 것으로 설정하였다.
도 6은 활성 영역(31)을 채택한 발광 다이오드와 종래 기술에 따른 활성 영역(11)을 채택한 발광 다이오드를 대비하기 위한 그래프로서, (a)는 전류 증가에 따른 발광 강도를 나타내고, (b)는 전류 증가에 따른 외부양자효율의 변화를 표준화된 외부양자효율(normalized EQE)로 나타낸 것이다. 여기서, 제1 우물층 내 서브 우물층의 In 조성비는 22%이고 두께는 1.0nm 이며, 서브 장벽층의 In 조성비는 20% 이고 두께는 2.0nm로 하였다.
도 6 (a)에 나타나듯이, 활성영역(31)을 채택한 발광 다이오드는 모든 영역에서 활성영역(11)을 채택한 발광 다이오드에 비해 약 2배 이상의 높은 발광 강도를 나타내고 있다. 또한, 도 6 (b)에 나타나듯이, 활성영역(31)을 채택한 발광 다이오드는 활성영역(11)을 채택한 발광 다이오드에 비해 전류 증가에 따른 외부양자효율의 저하가 상당히 완화된 것을 보여준다.
도 7은 활성 영역(31)을 채택한 발광 다이오드의 서브 우물층 두께에 따른 발광 강도를 나타내는 그래프이다. 제1 우물층의 두께를 3nm로 고정하고, 서브 우물층(30a)의 두께를 변화시켜 두께에 따른 발광 강도를 나타내었다. 서브 우물층(30a)의 In 조성비는 22%이고, 서브 장벽층(30b)의 In 조성비는 20%로 고정하였다.
도 7에 나타나듯이, 발광 강도는 서브 우물층(30a)의 두께가 증가함에 따라 증가하다가 1nm(10Å)를 초과하면서 다시 감소하는 경향을 나타내었다. 서브 우물층(30a)의 두께가 서브 장벽층(30b)과 동일한 두께, 즉, 1.5nm에서 상당히 감소한 발광 강도를 나타내었다. 따라서, 서브 우물층(30a)의 두께는 서브 장벽층(30b)보다 얇은 것이 바람직할 것으로 판단된다.
도 8은 활성 영역(31)을 채택한 발광 다이오드의 서브 우물층의 In 조성비에 따른 발광 강도를 나타내는 그래프이다. 서브 우물층(30a)의 두께는 1nm, 서브 장벽층(30b)의 두께는 2nm로 고정하고, 서브 장벽층(30b)의 In 조성비는 20%로 고정하였으며, 서브 우물층(30a)의 In 조성비를 변화시켰다.
도 8에 나타나듯이, 서브 우물층(30a)의 In 조성비가 22%일때, 최대의 발광 강도를 얻을 수 있으며, In 조성비가 더욱 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다.
(실시예 2)
도 4의 활성 영역(41)을 갖는 발광 다이오드에 대해 실시예 1과 유사한 방식으로 실바코(Silvaco)를 이용하여 시뮬레이션을 수행하여 그 결과를 도 9 내지 12에 나타내었다.
활성 영역(41)은 6개의 우물층(제1 내지 제6 우물층)을 갖고, 제1 우물층이 제1 및 제2 서브 우물층(30a, 30c)과 서브 장벽층(30b)을 갖는 것으로 하였다. 우물층들은 InGaN, 장벽층들은 GaN으로 형성된 것으로 설정하고, 제1 우물층의 In 조성을 변화시켜 제1 및 제2 서브 우물층(30a, 30c)과 서브 장벽층(30b)으로 하였다. 이때, 제2 내지 제6 우물층들의 In 조성비는 20%(Ga 조성비는 80%), 두께는 3.0nm로 고정하였고, 장벽층들은 6.0nm 두께의 GaN층으로 고정하였으며, 서브 장벽층(30b)의 In 조성비는 16%로 고정하였다. 한편, 활성 영역(31)은 AlGaN 전자 차단층(33)과 전자 저장층(27) 사이에 위치하는 것을 기본 구조로 하였으며, 발광 다이오드의 크기는 1mm×1mm의 크기를 갖는 것으로 설정하였다.
도 9는 활성 영역(41)을 채택한 발광 다이오드와 종래 기술에 따른 활성 영역(11)을 채택한 발광 다이오드를 대비하기 위한 그래프로서, (a)는 전류 증가에 따른 발광 강도를 나타내고, (b)는 전류 증가에 따른 외부양자효율의 변화를 표준화된 외부양자효율(normalized EQE)로 나타낸 것이다. 여기서, 제1 우물층 내 서브 우물층들(30a, 30c)의 In 조성비는 22%이고, 제1 서브 우물층(30a)의 두께는 1.3nm, 제2 서브 우물층(30a)의 두께는 0.7nm이며, 서브 장벽층의 두께는 1nm로 하였다.
도 9 (a)에 나타나듯이, 활성영역(41)을 채택한 발광 다이오드는 모든 영역에서 활성영역(11)을 채택한 발광 다이오드에 비해 높은 발광 강도를 나타내고 있다. 또한, 도 9 (b)에 나타나듯이, 활성영역(41)을 채택한 발광 다이오드는 활성영역(11)을 채택한 발광 다이오드에 비해 전류 증가에 따른 외부양자효율의 저하가 상당히 완화된 것을 보여준다.
도 10은 활성 영역(41)을 채택한 발광 다이오드의 제1 서브 우물층 두께에 따른 발광 강도를 나타내는 그래프이다. 제1 우물층의 두께를 3nm로 고정하고, 제2 서브 우물층(30c)의 두께를 1nm로 고정하였으며, 제1 서브 우물층(30a)과 서브 장벽층(30b)의 두께를 변화시켜 두께에 따른 발광 강도를 나타내었다. 서브 우물층들(30a, 30c)의 In 조성비는 22%로 고정하였다.
도 10에 나타나듯이, 발광 강도는 제1 서브 우물층(30a)의 두께가 증가함에 따라 증가하다가 1.3nm(13Å)를 초과하면서 다시 감소하는 경향을 나타내었다.
도 11은 활성 영역(41)을 채택한 발광 다이오드의 제2 서브 우물층 두께에 따른 발광 강도를 나타내는 그래프이다. 제1 우물층의 두께를 3nm로 고정하고, 제1 서브 우물층(30a)의 두께를 1.3nm로 고정하였으며, 제2 서브 우물층(30a)과 서브 장벽층(30b)의 두께를 변화시켜 두께에 따른 발광 강도를 나타내었다. 서브 우물층들(30a, 30c)의 In 조성비는 22%로 고정하였다.
도 11에 나타나듯이, 발광 강도는 제2 서브 우물층(30c)의 두께가 증가함에 따라 증가하다가 0.7nm(7Å)를 초과하면서 다시 감소하는 경향을 나타내었다.
도 12는 활성 영역(41)을 채택한 발광 다이오드의 제1 서브 우물층(30a)의 In 조성비에 따른 발광 강도를 나타내는 그래프이다. 제1 서브 우물층(30a)의 두께는 1.3nm, 서브 장벽층(30b)의 두께는 1.0nm, 제2 서브 우물층(30c)의 두게는 0.7nm로 고정하고, 서브 장벽층(30b)의 In 조성비는 16%, 제2 서브 우물층(30c)의 In 조성비는 22%로 고정하였으며, 제1 서브 우물층(30a)의 In 조성비를 변화시켰다.
도 12에 나타나듯이, 제1 서브 우물층(30a)의 In 조성비가 22%일때, 최대의 발광 강도를 얻을 수 있으며, In 조성비가 더욱 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다.
도 13은 활성 영역(41)을 채택한 발광 다이오드의 제2 서브 우물층(30c)의 In 조성비에 따른 발광 강도를 나타내는 그래프이다. 제1 서브 우물층(30a)의 두께는 1.3nm, 서브 장벽층(30b)의 두께는 1.0nm, 제2 서브 우물층(30c)의 두게는 0.7nm로 고정하고, 서브 장벽층(30b)의 In 조성비는 16%, 제1 서브 우물층(30a)의 In 조성비는 22%로 고정하였으며, 제2 서브 우물층(30c)의 In 조성비를 변화시켰다.
도 13에 나타나듯이, 제2 서브 우물층(30c)의 In 조성비가 증가함에 따라 발광 강도가 약간 증가하는 것으로 나타났다.

Claims (17)

  1. n형 질화물 반도체층;
    p형 질화물 반도체층; 및
    상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하는 활성영역을 포함하고,
    상기 활성영역은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 포함하는 다중양자우물 구조를 갖고,
    상기 n형 질화물 반도체층에 가장 가까운 제1 우물층은 서브 우물층 및 서브 장벽층을 포함하고,
    상기 서브 우물층은 상기 서브 장벽층에 비해 n형 반도체층에 가까이 위치하는 발광 다이오드.
  2. n형 질화물 반도체층;
    p형 질화물 반도체층; 및
    상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하는 활성영역을 포함하고,
    상기 활성영역은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 포함하는 다중양자우물 구조를 갖고,
    상기 복수의 우물층은
    상기 n형 질화물 반도체층에 가장 가까우며 서브 우물층 및 서브 장벽층을 포함하는 제1 우물층; 및
    상기 제1 우물층 이외에 서브 우물층 및 서브 장벽층을 포함하는 다른 우물층을 포함하되, 상기 다른 우물층은 p형 반도체층보다 n형 반도체층에 더 가까운 발광 다이오드.
  3. n형 질화물 반도체층;
    p형 질화물 반도체층; 및
    상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하는 활성영역을 포함하고,
    상기 활성영역은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 포함하는 다중양자우물 구조를 갖고,
    상기 n형 질화물 반도체층에 가장 가까운 제1 우물층은 서브 우물층 및 서브 장벽층을 포함하고,
    상기 제1 우물층은 적어도 두개의 서브 우물층들 및 상기 서브 우물층들 사이에 위치하는 서브 장벽층을 포함하고,
    상기 서브 우물층들 중 n형 반도체층에 가장 가까운 서브 우물층의 두께가 서브 장벽층 및 다른 서브 우물층들보다 더 두꺼운 발광 다이오드.
  4. n형 질화물 반도체층;
    p형 질화물 반도체층; 및
    상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하는 활성영역을 포함하고,
    상기 활성영역은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 포함하는 다중양자우물 구조를 갖고,
    상기 n형 질화물 반도체층에 가장 가까운 제1 우물층은 서브 우물층 및 서브 장벽층을 포함하고,
    상기 제1 우물층은 두개의 서브 우물층들 및 상기 서브 우물층들 사이에 위치하는 서브 장벽층을 포함하고,
    상기 두개의 서브 우물층들 중 n형 반도체층에 가까운 서브 우물층에 비해 p형 반도체층에 가까운 서브 우물층의 밴드갭이 더 좁은 발광 다이오드.
  5. n형 질화물 반도체층;
    p형 질화물 반도체층; 및
    상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 위치하는 활성영역을 포함하고,
    상기 활성영역은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 포함하는 다중양자우물 구조를 갖고,
    상기 복수의 우물층은
    상기 n형 질화물 반도체층에 가장 가까우며 서브 우물층 및 서브 장벽층을 포함하는 제1 우물층; 및
    상기 제1 우물층 이외에 서브 우물층 및 서브 장벽층을 포함하는 다른 우물층을 포함하되,
    상기 제1 우물층은 적어도 두개의 서브 우물층들 및 상기 서브 우물층들 사이에 위치하는 서브 장벽층을 포함하고,
    상기 다른 우물층은 p형 반도체층보다 n형 반도체층에 더 가까운 발광 다이오드.
  6. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 서브 우물층은 상기 제1 우물층 이외의 다른 우물층들 중 적어도 어느 하나의 우물층의 밴드갭보다 좁은 밴드갭을 갖는 발광 다이오드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 서브 우물층은 p형 반도체층에 가장 가까운 마지막 우물층의 밴드갭보다 좁은 밴드갭을 갖는 발광 다이오드.
  8. 청구항 1 , 청구항 3 및 청구항 4의 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브 장벽층은 상기 제1 우물층 이외의 다른 우물층들 중 적어도 어느 하나의 우물층의 밴드갭과 동일하거나 더 넓은 밴드갭을 갖는 발광 다이오드.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 서브 우물층은 상기 서브 장벽층보다 얇은 두께를 갖는 발광 다이오드.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 장벽층은 InGaN, GaN 또는 AlGaN으로 형성되고,
    상기 복수의 우물층은 InGaN, GaN 또는 AlGaN으로 형성된 발광 다이오드.
  11. 청구항 1, 청구항 3 및 청구항 4의 어느 한 항에 있어서,
    서브 우물층 및 서브 장벽층을 포함하는 다른 우물층을 더 포함하되, 상기 다른 우물층은 p형 반도체층보다 n형 반도체층에 더 가까운 발광 다이오드.
  12. 청구항 2 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 서브 우물층들은 상기 제1 우물층 이외의 다른 우물층들 중 적어도 어느 하나의 우물층의 밴드갭보다 좁은 밴드갭을 갖는 발광 다이오드.
  13. 청구항 4에 있어서,
    상기 두개의 서브 우물층들 중 n형 반도체층에 가까운 서브 우물층에 비해 p형 반도체층에 가까운 서브 우물층의 In 함량이 더 많은 발광 다이오드.
  14. 청구항 4에 있어서,
    상기 두개의 서브 우물층들 중 n형 반도체층에 가까운 서브 우물층에 비해 p형 반도체층에 가까운 서브 우물층의 Al 함량이 더 적은 발광 다이오드.
  15. 청구항 3 내지 청구항 5의 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 장벽층들은 InGaN, GaN 또는 AlGaN을 포함하고,
    상기 복수의 우물층들은 InGaN, GaN 또는 AlGaN을 포함하는 발광 다이오드.
  16. 청구항 5에 있어서,
    상기 다른 우물층은 적어도 두개의 서브 우물층들 및 상기 서브 우물층들 사이에 위치하는 서브 장벽층을 포함하는 발광 다이오드.
  17. 삭제
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