KR102240023B1 - 자외선 발광장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 내부공간을 가지며, 광방출창을 구비한 챔버와; 상기 광방출창에 배치되며, 제1 도전형 질화물 반도체층과 언도프된 질화물 반도체층과 상기 제1 도전형 질화물 반도체층과 상기 언도프된 질화물 반도체층 사이에 위치한 활성층을 갖는 적어도 하나의 반도체 발광소자와; 상기 챔버의 내부공간에 배치되며, 상기 언도프된 질화물 반도체층에 전자빔이 조사되도록 구성된 전자빔 조사원과; 상기 적어도 하나의 반도체 발광소자에 외부전원의 전압을 인가하도록 구성된 연결용 전극;을 포함하는 자외선 발광장치를 제공한다.

Description

자외선 발광장치{ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING APPARATUS}
본 발명은 자외선 발광장치에 관한 것이다.
최근에 자외선 광원은 살균 및 소독장치, UV 경화장치 등 다양한 용도로 활용되고 있다. 자외선 광원으로서는, 친환경적이면서 고효율인 반도체 발광다이오드(LED)가 각광을 받고 있다. 예를 들어, 질화물 반도체 발광다이오드가 사용되고 있다.
하지만, 자외선 질화물 반도체 LED의 경우에는, 결정 결함으로 인한 오제(Auger) 재결합과 낮은 캐리어 농도(특히, 홀)로 인해 외부 양자 효율이 낮아지는 문제가 있다. 예를 들어, 자외선 대역 중 단파장영역(예, UVB 및 UVC)을 위한 질화물 반도체 LED의 경우에는 2∼3%에 불과하므로 상용화가 곤란한 문제가 있다.
당 기술분야에서, 반도체 발광소자에서 재결합가능한 캐리어 농도를 높임으로써 외부 양자 효율을 향상시킨 자외선 발광장치가 요구되고 있다.
본 발명의 일 실시예는, 내부공간을 가지며, 광방출창을 구비한 챔버와; 상기 광방출창에 배치되며, 제1 도전형 질화물 반도체층과 언도프된 질화물 반도체층과 상기 제1 도전형 질화물 반도체층과 상기 언도프된 질화물 반도체층 사이에 위치한 활성층을 갖는 적어도 하나의 반도체 발광소자와; 상기 챔버의 내부공간에 배치되며, 상기 언도프된 질화물 반도체층에 전자빔이 조사되도록 구성된 전자빔 조사원과; 상기 적어도 하나의 반도체 발광소자에 외부전원의 전압을 인가하도록 구성된 연결용 전극;을 포함하는 자외선 발광장치를 제공한다.
상기 활성층은, AlxGa1 -xN(0<x<1)로 이루어진 단일한 양자우물층을 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 활성층은, Alx1Ga1 -x1N(0<x1<1)로 이루어진 복수의 양자우물층과 Alx2Ga1 -x2N(x1<x2<1)로 이루어진 복수의 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물구조일 수 있다.
상기 활성층은 210∼315㎚의 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 상기 활성층은 제1 도전형 불순물로 도프될 수 있다.
상기 언도프된 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(0<x≤1, 0≤y<1)으로 이루어질 수 있다.
상기 반도체 발광소자는 상기 제1 도전형 질화물 반도체층이 상기 광방출창을 향하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 도전형 질화물 반도체층 AlxInyGa(1-x-y)N(0<x≤1, 0≤y<1)으로 이루어진 n형 질화물 반도체일 수 있다.
상기 언도프된 질화물 반도체층의 두께는 50㎚∼1㎛일 수 있다.
상기 반도체 발광소자는 상기 제1 도전형 질화물 반도체층에 접속된 제1 전극과 상기 언도프된 질화물 반도체층 상에 배치된 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
일 예에서, 상기 제2 전극의 두께는 20㎚∼100㎚일 수 있다. 다른 예에서는, 상기 제2 전극은, 상기 언도프된 질화물 반도체층 상면의 일 영역에 배치된 본딩 전극과, 상기 본딩 전극으로부터 연장된 적어도 하나의 핑거전극을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 반도체 발광소자는 복수의 반도체 발광소자이며, 상기 복수의 반도체 발광소자는 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전자빔 조사원은 5∼50 KV의 전자빔을 방출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 내부공간을 가지며, 광방출창을 구비한 챔버와; 상기 광방출창에 배치되며, 제1 도전형 반도체층과 언도프된 반도체 및 제2 도전형 반도체 중 적어도 하나로 이루어진 캡핑층과 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 캡핑층 사이에 위치한 활성층을 갖는 반도체 발광소자와; 상기 챔버의 내부공간에 배치되며, 상기 캡핑층에 전자빔이 조사되도록 구성된 전자빔 조사원과; 상기 반도체 발광소자에 연결되어 상기 챔버 외부로 인출된 연결용 전극과, 상기 전자빔 조사원을 구동하도록 구성된 제1 구동부와; 상기 연결용 전극을 통해서 상기 반도체 발광소자를 구동하도록 구성된 제2 구동부와; 상기 제1 및 제2 구동부를 제어하기 위한 구동 제어부;를 포함하는 자외선 발광 장치를 제공한다.
상기 캡핑층은 언도프된 반도체층이며, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층일 수 있다.
상기 활성층은 자외선 대역 파장의 광을 방출할 수 있다.
상기 반도체 발광소자는 광투과성 기판을 더 포함하며, 상기 광투과성 기판 상에 제1 도전형 반도체층이 배치될 수 있다.
상기 반도체 발광소자는 상기 광투과성 기판과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 위치하며, AlxGa1 -xN(0<x≤1)로 이루어진 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 내부공간을 가지며, 광방출창을 구비한 진공 챔버와; 상기 광방출창에 배치되며, n형 질화물 반도체층과, 언도프된 질화물 반도체로 이루어진 캡핑층과 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 캡핑층 사이에 위치하며 자외선대역의 파장광을 방출하는 밴드갭을 갖는 활성층을 갖는 반도체 발광소자와; 상기 진공 챔버의 내부공간에 배치되며, 상기 캡핑층에 전자빔이 조사되도록 구성된 전자빔 조사원과; 상기 반도체 발광소자에 구동전압이 인가될 수 있도록 연결되고 상기 진공 챔버 외부로 인출된 연결용 전극;을 포함하는 자외선 발광 장치를 제공한다.
자외선 반도체 발광소자의 캡핑층에 전자빔을 조사하여 자유 캐리어를 고농도로 생성시킨 상태에서, 상기 반도체 발광소자에 전압을 인가하여 구동시킴으로써 자외선을 외부양자효율로 방출할 수 있는 자외선 발광장치를 제공할 수 있다. 캡핑층은 p형 불순물이 고의적으로 도프되지 않은 언도프 반도체층으로 사용할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광장치의 구동원리를 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광장치를 나타내는 개략도이다.
도3은 도2에 채용된 반도체 발광다이오드를 나타내는 개략 사시도이다.
도4는 반도체 발광다이오드의 구동원리를 설명하기 위한 밴드다이어그램을 나타낸다.
도5는 전자빔의 가속전압에 따른 피조사체의 투과두께를 나타내는 그래프이다.
도6은 자외선 발광장치의 구동을 위한 전자빔 조사원 및 반도체 발광다이오드에 인가되는 전압의 타임 챠트의 일 예이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광장치의 방출광 스펙트럼을 나타낸다.
도8은 자외선 발광장치의 구동을 위한 전자빔 조사원 및 반도체 발광다이오드에 인가되는 전압의 타임 챠트의 다른 예이다.
도9는 본 발명에 따른 자외선 발광장치에 채용가능한 반도체 발광다이오드의 일 예를 나타내는 측단면도이다.
도10은 도9에 도시된 반도체 발광다이오드의 평면도이다.
도11은 도9에 도시된 반도체 발광다이오드의 밴드다이어그램을 나타낸다.
도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광장치를 나타내는 개략도이다.
도13은 도12에 채용된 반도체 발광다이오드 어레이를 나타내는 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명한다.
본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 예를 들어, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 본 명세서에서, '상부', '상면', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 "일 실시예(one example)"라는 표현은 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광장치의 구동원리를 나타내는 개략도이다.
도1을 참조하면, 반도체 발광소자(10)는 제1 도전형 반도체층(14)과, 캡핑층(16)과, 상기 제1 도전형 반도체층(14)과 상기 제2 도전형 반도체층(16) 사이에 위치한 활성층(15)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(14)은 AlxInyGa1 -x- yN (0<x≤1, 0≤y<1)을 만족하는 n형 질화물 반도체일 수 있으며, n형 불순물은 Si일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(14)은 n형 AlGaN을 포함할 수 있다. 상기 캡핑층(16)은 의사 p형(pseudo p-type) 반도체층으로서, AlxInyGa1 -x- yN (0<x≤1, 0≤y<1)을 만족하는 언도프 또는 p형 질화물 반도체층일 수 있다. p형 불순물은 Mg일 수 있다. 고농도로 p형 불순물을 도핑할 필요가 없으며, 언도프 질화물 반도체층이 바람직하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 캡핑층(16)은 언도프 AlGaN을 포함할 수 있다.
상기 활성층(15)은, AlxGa1 -xN(0<x<1)로 이루어진 하나의 양자우물을 갖는 단일양자우물구조(SQW)일 수 있다. 이와 달리, 상기 활성층(15)은, Alx1Ga1 -x1N(0<x1<1)로 이루어진 복수의 양자우물층과 Alx2Ga1 -x2N(x1<x2<1)로 이루어진 복수의 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물구조(MQW)일 수 있다.
자외선 방출을 위한 반도체 발광소자(10)는 Al의 조성비를 높여서 큰 폭의 밴드갭(wide bandgap)을 갖는 반도체일 수 있다. 이러한 와이드 밴드갭 반도체에서는, p형 불순물을 고농도로 도핑하더라도, p형 불순물은 전도대역과 큰 차이(예, 200meV∼1000meV)를 갖는 어셉터 레벨(acceptor level)에 위치하므로, 활성화되기 어려운 문제가 있으며, 이러한 낮은 캐리어 농도로 인해 주입효율이 낮으며, 그 결과 외부양자효율이 낮은 문제가 있다.
본 발명자는 제1 도전형 반도체층(14)의 반대에 위치한 캡핑층(16)에 전자빔(e-beam)을 조사하여(①) 많은 자유 캐리어(free carrier, FC)를 생성하고(②), 다수의 자유 캐리어가 생성된 상태에서 반도체 발광소자(10)에 전압을 인가하여 캐리어를 양자우물이 있는 활성층(15)에 주입시켜(③) 자외선 광을 방출시킬 수 있다.
상기 캡핑층(16)은 앞서 설명한 바와 같이, 낮은 농도로 p형 불순물로 도프되거나 고의적으로 도프되지 않은 언도프 반도체층이더라도 전자빔에 의해 다수의 자유 캐리어(FC)를 생성시킬 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(14)과 캡핑층(16)에 연결된 구동전원(DC)을 이용하여 반도체 발광소자(10)에 전압을 인가하면, 캡핑층(16)에서 생성된 자유캐리어 중 홀과 제1 도전형 반도체층(14)에서의 전자가 활성층(15)의 양자우물로 드리프트(drift)되어 주입효율을 높일 수 있다. 활성층의 양자우물은 AlGaN과 같은 와이드 밴드갭을 갖는 물질로 이루어져 원하는 자외선(λuv)을 발광시킬 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광장치를 나타내는 개략도이며, 도3은 도2에 채용된 반도체 발광다이오드를 나타내는 개략 사시도이다.
도2에 도시된 자외선 발광장치(20)는 내부공간을 갖는 챔버(21)와, 상기 챔버(21)의 내부공간에 장착된 전자빔 조사원(25)을 포함한다.
상기 챔버(21)는 광방출창(22)을 구비하며, 상기 광방출창(22)에는 자외선 발광을 위한 반도체 발광소자(30)가 배치될 수 있다. 상기 챔버(21)는 내부 공간이 진공가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 챔버(21)의 내부압력은 10-6 ㎩ㅇ일 수 있다.
상기 반도체 발광소자(30)는 도3에 도시된 바와 같이, 제1 도전형 질화물 반도체층(34), 언도프된 질화물 반도체층(36) 및 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(34)과 상기 언도프된 질화물 반도체층(36) 사이에 위치한 활성층(35)을 가질 수 있다. 상기 활성층(35)은 제1 도전형 불순물로 도프될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 언도프된 질화물 반도체층(36)과 상기 활성층(35) 일부 영역을 에칭되어 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(34)의 전극형성영역을 노출시킬 수 있다. 상기 언도프된 질화물 반도체층(36) 상에 콘택전극(37)이 배치되고, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(34)의 전극형성영역과 상기 콘택전극(37)의 일부 영역에 각각 제1 및 제2 전극(39a,39b)을 배치할 수 있다. 상기 반도체 발광소자(30)는 광투과성 기판(31)을 더 포함하며, 상기 광투과성 기판(30) 상에 제1 도전형 질화물 반도체층(34)이 배치될 수 있다.
상기 반도체 발광소자(30)는 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(34)이 상기 광방출창(22)을 향하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 발광소자(30)는 UV 경화성 수지에 의해 접착 고정될 수 있다. 본 실시예와 같이, 상기 광투과성 기판(21)이 상기 광방출창(22)에 접할 수 있다. 상기 광방출창(22)은 자외선 투과물질로 구성된 자외선 투과창일 수 있다.
상기 전자빔 조사원(25)은, 상기 언도프된 질화물 반도체층(36)에 전자빔이 조사되도록 배치될 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 발광소자(30)는 상기 언도프된 질화물 반도체층(36)이 상기 전자빔 조사원(25)을 향하도록 배치될 수 있다.
상기 자외선 발광장치(20)는 상기 전자빔 조사원(25)과 상기 반도체 발광소자(30)에 각각 전압을 인가하기 위한 제1 및 제2 구동부(26,27)를 더 포함할 수 있다. 상기 반도체 발광소자(30)에 외부전원인 제1 구동부(26)의 전압을 인가하도록 구성된 연결용 전극(24a,24b)을 더 포함할 수 있다. 상기 연결용 전극(24a,24b)은 상기 반도체 발광소자(30)에 연결되고 상기 챔버(21) 외부로 인출될 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 상기 연결용 전극(24a,24b)은 상기 제1 및 제2 전극(39a,39b)에 각각 연결된 일단과 상기 제2 구동부(27)에 연결된 타단을 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 구동부(26,27)는 제어부(29)에 의해 제어되어, 상기 전자빔 조사원(25)과 상기 반도체 발광소자(30)에 구동전압을 선택적으로 인가시킬 수 있다.
도4는 자외선 발광장치에서 반도체 발광소자의 구동원리를 설명하기 위한 밴드다이어그램을 나타낸다.
도4를 참조하면, 활성층(35)을 중심으로 제1 도전형 질화물 반도체층(34)과 언도프된 질화물 반도체층(36)의 밴드다이어그램을 도시되어 있다. 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(34)은 n형 AlGaN일 수 있다. n형 불순물 도핑에 의해 도너 레벨(Ed)을 가질 수 있다. 상기 언도프된 질화물 반도체층(36)은 언도프 AlGaN일 수 있다. 이러한 언도프 AlGaN(36)은 의사 p형 AlGaN을 작용할 수 있다. 본 실시예에 채용된 활성층(35)은 AlGaN인 단일 양자우물구조일 수 있다. 상기 활성층(35)의 AlGaN 양자우물은 원하는 자외선광을 위한 밴드갭(Eg)을 가질 수 있다. AlGaN 양자우물(35)은 210∼315㎚의 파장을 갖는 광을 방출하도록 형성될 수 있다. n형 AlGaN(34) 및 언도프 AlGaN(36)은 양자우물의 밴드갭(Eg)보다 큰 밴드갭(Eg')을 가질 수 있다.
언도프 AlGaN(36)에 전자빔이 조사되면 자유 캐리어가 생성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 전자에 의해 약 250쌍의 전자와 정공이 생성될 수 있다. 이러한 전자빔(e-)을 이용하여 자유 캐리어(ⓔ,ⓗ)를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 자유 캐리어(ⓔ,ⓗ)는 제2 구동부(27)에 의해 인가된 전압에 의해 정공(ⓗ)만 선택되어 활성층에 주입되고, 반대편의 n형 AlGaN(34)으로부터 주입되는 전자와 재결합될 수 있다.
전자빔은 언도프된 질화물 반도체층(36)의 내부에 투과되어 전자와 정공을 생성할 수 있다. 상기 전자빔 조사원(25)은 5∼50 KV의 전자빔을 방출할 수 있다. 전자빔의 가속전압은 투과되는 두께를 결정할 수 있다. 상기 언도프된 질화물 반도체층(36)의 두께(t1)는 20㎚∼1㎛일 수 있다. 특정 예에서, 상기 언도프된 질화물 반도체층(36)의 두께(t1)는 20㎚∼800㎚일 수 있다. 도5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 언도프된 질화물 반도체층(36)이 이러한 두께를 가질 경우에, 20KV 이하의 가속전압을 갖는 전자빔을 사용하여도 충분한 농도로 다수의 캐리어를 생성시킬 수 있다.
본 실시예와 같이, 콘택전극(37)을 상기 언도프된 질화물 반도체층(36) 상에 배치하는 경우에, 전자빔에 언도프된 질화물 반도체층(36)에 충분히 도달할 수 있도록 상기 콘택 전극(37)의 두께(t2)를 100㎚이하일 수 있다. 상기 콘택 전극(37)은 전극 기능을 수행하도록 적절한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 콘택 전극(37)의 두께(t2)는 20㎚이상일 수 있다. 본 실시예와 달리, 전자빔이 언도프 질화물 반도체층(36)에 직접 조사될 수 있도록 핑거전극을 이용할 수 있다(도10 참조).
도6은 자외선 발광장치의 구동을 위한 전자빔 조사원 및 반도체 발광다이오드에 인가되는 전압의 타임 챠트의 일 예이며, 도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광장치의 방출광 스펙트럼을 나타낸다. 도6에 도시된 타임 챠트는 제어부(29)에 의해 제어되는 과정으로 이해할 수 있다.
도6을 참조하면, 상기 제1 구동부(26)는 전자빔 조사원(25)에 전압(V1)을 T1 시점에 인가하여 전자빔을 언도프된 질화물 반도체층에 조사할 수 있다. 일정한 타임(ΔTg)이 경과한 후(T2 시점)에, 상기 제2 구동부(27)는 반도체 발광소자(30)에 전압(V2)을 인가할 수 있다. 본 예와 달리, 상기 반도체 발광소자(30)도 전자빔 조사원(25)의 구동시작과 동일 시점(T1)에 구동될 수 있으나, 본 예에서는, 전자빔 조사에 의해 충분한 양의 캐리어가 생성될 시간을 확보하기 위해서 전자빔 조사 후에 일정한 타임(ΔTg)을 경과한 후에 상기 반도체 발광소자(30)를 구동시킬 수 있다.
원하는 자외선 발광은 T2∼T3 구간에서 얻어질 수 있다. 구체적으로, 전자빔에 의해 언도프 AlGaN(35)에서 생성된 자유 캐리어 중 정공은 활성층(35)의 양자우물에 주입되고 반대편에 위치한 n형 AlGaN(34)에서 주입된 전자와 재결합하여 원하는 파장의 자외선 발광을 얻을 수 있다. 예를 들어, Al0 .65Ga0 .25N 양자우물에서는, 도8에 도시된 바와 같이 약 260㎚의 피크 파장의 방출스펙트럼(A)을 나타낸다.
T3 시점 후에 또는 전자빔만 조사하고 반도체 발광소자의 전압이 인가되지 않을 때에, 전계에 의한 캐리어의 드리프트(drift)는 일어나지 않으며, 언도프 AlGaN(35)에서 생성된 자유 캐리어는 자발적으로(spontaneously) 재결합이 발생될 수 있다. 이러한 재결합은 상대적으로 밴드갭이 큰 언도프 AlGaN에서 발생되므로, 원하는 파장보다 짧은 파장의 광이 방출될 수 있다.
예를 들어, 언도프 AlGaN이 Al0 .9Ga0 .1N일 경우에, 도7에 도시된 바와 같이, 약 210㎚의 피크 파장의 방출스펙트럼(B)을 나타낸다. 이러한 자발적인 재결합에 의해 발생되는 광(B)의 피크강도은 드리프트 재결합에 의한 광(A)의 피크 강도보다 약할 수 있다.
도8은 자외선 발광장치의 구동을 위한 전자빔 조사원 및 반도체 발광다이오드에 인가되는 전압의 타임 챠트의 다른 예이다.
일단 생성된 캐리어는 그 라이프타임(life-time) 동안에는 지속되므로, 전자빔 조사원을 연속적으로 구동하지 않고, 비연속적으로 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 도8에 도시된 바와 같이, 펄스 또는 주기적으로 온/오프하여 캐리어를 비연속적으로 생성할 수도 있다. 본 예에서는, 전자빔 조사원과 반도체 발광소자에 동시에 전압을 인가할 수 있다. 전자빔 조사원에 대한 인가전압은 제1 시간(ΔT)동안 온(on)하고, 이어 제2 시간(ΔT')동안 오프(off)하는 과정을 반복적으로 수행할 수 있다. 제1 시간(ΔT)은 언도프 질화물 반도체층 내에서 충분한 캐리어를 생성하기 위한 시간이며, 제2 시간(ΔT')은 언도프 질화물 반도체층 내의 캐리어가 자발적 재결합이나 드리프트에서 소진되는 시간을 고려하여 그보다 짧은 시간으로 선택될 수 있다. 마지막 주기의 온 동작 종료하는 시점(T2) 이후에도 언도프 질화물 반도체층 내에 캐리어가 잔류하므로, 전압을 인가하여 추가적으로 특정 시점(T3)까지 상기 반도체 발광소자를 구동시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 자외선 발광장치에는 다양한 형태의 반도체 발광소자가 채용될 수 있다.
도9는 본 발명에 따른 자외선 발광장치에 채용가능한 반도체 발광다이오드의 일 예를 나타내는 측단면도이다. 도10은 도9에 도시된 반도체 발광다이오드의 평면도이다
도9에 도시된 반도체 발광소자(110)는, 기판(111) 상에 순차적으로 배치된 제1 도전형 반도체층(114)과, 활성층(115)과 의사 제2 도전형 반도체층(116)을 포함할 수 있다. 상기 기판(111)과 상기 제1 도전형 반도체층(114) 사이에 버퍼층(12)을 배치시킬 수 있다.
상기 버퍼층(112)은 AlxGa1 -xN(0<x≤1)일 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층(112)는 AlN 핵성장층일 수 있다. 필요에 따라, 복수의 층을 조합하거나, 조성을 점진적으로 변화시켜 사용할 수도 있다.
본 실시예에 채용된 기판(111)은 사파이어와 같은 투광성 기판일 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않으며, 상기 기판(111)은 광투과성을 갖는다면 절연성 기판 외에도 도전성 또는 반도체 기판일 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(114)은 AlxInyGa(1-x-y)N(0<x≤1, 0≤y<1)을 만족하는 n형 질화물 반도체일 수 있으며, n형 불순물은 Si일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(114)은 n형 AlGaN을 포함할 수 있다. 본 실시예에 채용된 의사 제2 도전형 반도체층(116)은 AlGaN 전자차단층(116a)과 AlGaN 캡핑층(116b)을 포함할 수 있다. 상기 AlGaN 전자차단층(116a)은 상대적으로 큰 밴드갭을 갖도록 구성될 수 있다. 상기 AlGaN 전자차단층(116a)은 전자의 오버플로잉을 방지하여 정공의 주입효율을 크게 개선시킬 수 있다. 본 명세서에 사용되는 "의사 제2 도전형 반도체층(116)"라는 요소는 활성층을 기준으로 제1 도전형 반도체의 반대에 위치하지만, 제2 도전형 불순물로 도프되지 않거나 적게 도프된 반도체층으로서 캐리어를 전자빔의 조사에 의해 생성하는 층을 의미한다.
상기 의사 제2 도전형 반도체층(116)은 AlxInyGa(1-x-y)N(0<x≤1, 0≤y<1)을 만족하는 언도프 또는 저농도 p형 질화물 반도체일 수 있다. 상기 AlGaN 캡핑층(116b)은 양자장벽층(115b)의 밴드갭과 동일하거나 큰 밴드갭을 가지며, 상기 AlGaN 전자차단층(116a)은 AlGaN 캡핑층(116b)의 밴드갭보다 큰 제2 밴드갭을 가지며, 예를 들어 상기 AlGaN 전자차단층(116a)의 Al 조성비는 AlGaN 캡핑층(116b)의 조성비보다 크며, 약 0.9 이상일 수 있다. p형 불순물로 도프할 경우에 Mg일 수 있다. 다만, 굳이 도핑하지 않아도 전자빔을 조사하여 캐리어를 생성할 수 있으므로, 의사 제2 도전형 반도체층(116)을 언도프 반도체층으로 사용할 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 AlGaN 캡핑층뿐만 아니라 AlGaN 전자차단층도 전자빔에 조사되어 그 내부에서 캐리어를 생성할 수 있다.
상기 활성층(115)은 복수의 양자우물층(115a)과 복수의 양자장벽층(115b)이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조일 수 있다. 예를 들어, 복수의 양자우물층(115a)은 Alx1Ga1 -x1N(0<x1<1)로 이루어진 질화물층으로 이루어지며, 복수의 양자장벽층(115b)은 Alx2Ga1 -x2N(x1<x2<1)로 이루어진 질화물층으로 이루어질 수 있다.
본 실시예에 채용된 양자우물층(115a)은 210∼315㎚의 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, x1은 0.2∼0.95일 수 있다.
본 실시예에서, 상기 의사 제2 도전형 반도체층(116)과 상기 활성층(115) 일부 영역을 에칭되어 상기 제1 도전형 반도체층(114)의 전극형성영역을 노출시킬 수 있다. 도10에 도시된 바와 같이, 상기 제1 도전형 반도체층(114)의 전극형성영역에 제1 본딩 전극(119a)을 형성하고, 타 전극은 상기 의사 제2 도전형 반도체층(116) 상에 배치된 3개의 핑거전극(118)과 이와 연결된 제2 본딩전극(119a)으로 구성될 수 있다. 본 실시예와 같이, 상기 의사 제2 도전형 반도체층(116) 상에 핑거 전극(118)을 형성하여 전체 면적에 균일한 전류분산을 도모하면서도 상기 의사 제2 도전형 반도체층(116)의 상당 영역(S)을 노출시켜 전자빔을 효과적으로 조사시킬 수 있다.
도11은 도9에 도시된 반도체 발광다이오드의 밴드다이어그램을 나타낸다.
도11을 참조하면, 활성층(115)을 중심으로 제1 도전형 반도체층(114)과 의사 제2 도전형 반도체층(116)의 밴드다이어그램을 도시되어 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(114)은 n형 AlGaN일 수 있다. n형 불순물 도핑에 의해 도너 레벨(Ed)을 가질 수 있다. 상기 의사 제2 도전형 반도체층(116)은 AlGaN 캡핑층(116b)과 캡핑층(116b)의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 AlGaN 전자차단층(116a)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 채용된 활성층(115)은 AlGaN/AlGaN 다중양자우물구조일 수 있다. AlGaN 양자우물층(115a)은 원하는 자외선광을 위한 밴드갭(Egw)을 가질 수 있다. AlGaN 양자우물층(115a)은 210∼315㎚의 파장을 갖는 광을 방출하도록 형성될 수 있다. AlGaN 양자장벽층(115b)은 상기 양자우물층(115a)의 밴드갭(Egw)보다 큰 밴드갭(Egb)을 갖는다. .
앞선 실시예와 유사하게, 상기 의사 제2 도전형 반도체층(116), 특히 AlGaN 캡핑층(116b)에 전자빔이 조사되면 자유 캐리어가 생성될 수 있다. 이러한 전자빔을 이용하여 자유 캐리어를 생성할 수 있다. 반도체 발광소자(110)에 전압이 인가되면 자유 캐리어 중 정공만이 양자우물층(115a)에 주입되고, 반대편의 n형 AlGaN(114)으로부터 주입되는 전자와 재결합되어 상기 양자우물층(115a)의 밴드갭에 해당하는 자외선 파장의 광을 방출할 수 있다.
도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광장치를 나타내는 개략도이며, 도13은 도12에 채용된 반도체 발광다이오드 어레이를 나타내는 평면도이다.
도12에 도시된 자외선 발광장치(200)는 내부공간을 갖는 챔버(221)와, 상기 챔버(221)의 내부공간에 장착된 복수의 전자빔 조사원(225)을 포함할 수 있다.
상기 챔버(221)는 광방출창(222)을 구비하며, 상기 광방출창(222)에는 복수의 반도체 발광소자(230)가 배치될 수 있다. 상기 반도체 발광소자(230)는 앞선 예들과 유사하게, 제1 도전형 질화물 반도체층, 언도프된 질화물 반도체층 및 상기 제1 도전형 질화물 반도체층과 상기 언도프된 질화물 반도체층 사이에 위치한 활성층을 가질 수 있다.
본 실시예는, 복수의 반도체 발광소자(230)가 배열된 예이다. 복수의 반도체 발광소자(230)의 어레이 영역에 전자빔이 조사되도록 2개 이상의 전자빔 조사원(225)을 구비할 수 있다. 상기 복수의 반도체 발광소자(230)는 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 연결은 상호연결라인(223)을 이용하여 구현될 수 있으며, 도13에 도시된 바와 같이, 4개의 라인에서는 서로 직렬로 연결하고, 4개의 라인은 병렬로 연결하여 동시 구동될 수 있도록 연결될 수 있다.
상기 반도체 발광소자(230)는 상기 광방출창(222)을 향하도록 배치될 수 있다. 상기 반도체 발광소자(230)는 상기 광방출창(222)의 표면에 UV 경화성 수지에 의해 접착될 수 있으나, 본 실시예와 같이, 광방출창에 형성된 홈(g)을 이용하여 상기 반도체 발광소자(230)를 고정시킬 수 있다. 상기 광방출창(222) 중 반도체 발광소자가 배치되지 않은 영역은 전자빔이 투과되지 않도록 전자빔 차단막이 코팅될 수 있다.
상기 반도체 발광소자(230)는 상기 언도프된 질화물 반도체층(236)이 상기 전자빔 조사원(225)을 향하도록 배치될 수 있다. 상기 반도체 발광소자(230)에 외부전원에 연결하기 위해서 반도체 발광소자 어레이의 양 단자에 연결된 연결용 전극(224a,224b)을 더 포함할 수 있다. 상기 연결용 전극(224a,224b)은 상기 반도체 발광소자(230)에 연결되고 상기 챔버(221) 외부로 인출될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 내부공간을 가지며, 광방출창을 구비한 챔버;
    상기 광방출창에 배치되며, 제1 도전형 질화물 반도체층과, 언도프된 질화물 반도체층과, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층과 상기 언도프된 질화물 반도체층 사이에 위치한 활성층을 갖는 적어도 하나의 반도체 발광소자;
    상기 챔버의 내부공간에 배치되며, 상기 언도프된 질화물 반도체층에 전자빔이 조사되도록 구성된 전자빔 조사원; 및
    상기 적어도 하나의 반도체 발광소자의 상기 제1 도전형 질화물 반도체층과 상기 언도프된 질화물 반도체층에 각각 연결되어 외부전원의 전압을 인가하도록 구성된 제1 및 제2 연결용 전극;을 포함하는 자외선 발광장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은, AlxGa1 -xN(0<x<1)로 이루어진 하나의 양자우물층을 갖는 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은, Alx1Ga1 -x1N(0<x1<1)로 이루어진 복수의 양자우물층과 Alx2Ga1 -x2N(x1<x2<1)로 이루어진 복수의 양자장벽층이 교대로 적층된 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 210∼315㎚의 파장을 갖는 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 언도프된 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(0<x≤1, 0≤y<1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는 상기 제1 도전형 질화물 반도체층이 상기 광방출창을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(0<x≤1, 0≤y<1)으로 이루어진 n형 질화물 반도체인 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 언도프된 질화물 반도체층의 두께는 50㎚∼1㎛인 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
  9. 내부공간을 가지며, 광방출창을 구비한 챔버;
    상기 광방출창에 배치되며, 제1 도전형 반도체층과, 언도프된 반도체 및 제2 도전형 반도체 중 적어도 하나로 이루어진 캡핑층과, 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 캡핑층 사이에 위치한 활성층을 갖는 반도체 발광소자;
    상기 챔버의 내부공간에 배치되며, 상기 캡핑층에 전자빔이 조사되도록 구성된 전자빔 조사원;
    상기 반도체 발광소자의 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 캡핑층에 각각 연결되어 상기 챔버 외부로 인출된 제1 및 제2 연결용 전극;
    상기 전자빔 조사원을 구동하도록 구성된 제1 구동부;
    상기 제1 및 제2 연결용 전극을 통해서 상기 반도체 발광소자를 구동하도록 구성된 제2 구동부; 및
    상기 제1 및 제2 구동부를 제어하기 위한 구동 제어부를 포함하는 자외선 발광 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 캡핑층은 언도프된 반도체층이며, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층인 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.

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