KR102300718B1 - Ultraviolet light-emitting diode and electric apparatus having the same - Google Patents
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Abstract
[과제] 심자외선 발광 다이오드의 광 추출 효율을 높인다.
[해결 수단] 본 발명의 한 실시형태의 전형적인 LED 소자(100A)는 단결정의 사파이어 또는 AlN 결정의 기판(110)과, n형 도전층(132), 재결합층(134) 및 p형 도전층(136)을 기판층의 측면에서 이 순서대로 적층되어 있는 자외선 발광층(130)을 갖추고 있다. p형 도전층(136)에는 더 p형 컨택트층(150) 및 제2 전극(160)(반사 전극)이 적층되어 있다. 자외선 발광층과 p형 컨택트층은 모두 AlN과 GaN의 혼정으로 되어 있다. 발광 파장에 대한 p형 컨택트층의 투과율이 높아지면서 광 추출 효율이 향상된다. 또한 본 발명은 상기 LED 소자(100A)를 갖춘 전기 기기도 제공한다.[Task] Increase the light extraction efficiency of deep ultraviolet light emitting diodes.
[Solutions] A typical LED device 100A of one embodiment of the present invention includes a single crystal sapphire or AlN crystal substrate 110, an n-type conductive layer 132, a recombination layer 134, and a p-type conductive layer ( 136) is provided with an ultraviolet light emitting layer 130 stacked in this order on the side of the substrate layer. A p-type contact layer 150 and a second electrode 160 (reflective electrode) are further laminated on the p-type conductive layer 136 . Both the ultraviolet light emitting layer and the p-type contact layer are made of a mixed crystal of AlN and GaN. As the transmittance of the p-type contact layer with respect to the emission wavelength increases, the light extraction efficiency is improved. The present invention also provides an electric device equipped with the LED element 100A.
Description
본 발명은 자외선 발광 다이오드 및 그것을 구비한 전기 기기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 광 추출 효율을 높인 자외선 발광 다이오드 및 그것을 구비한 전기 기기에 관한 것이다.
The present invention relates to an ultraviolet light emitting diode and an electric device having the same. More particularly, the present invention relates to an ultraviolet light emitting diode having improved light extraction efficiency and an electric device having the same.
질소 화합물 반도체를 이용하는 고체 발광 소자로서 청색 발광 다이오드가 널리 사용되고 있다. 보다 짧은 파장인 자외선 대역에 있어서도 고체 광원이 요구되어 유사한 재질을 이용한 자외선 발광 다이오드(UVLED)가 개발되고 있다. 자외선 대역 중 350nm 이하의 심자외선 대역, 특히 260 ~ 280nm 정도의 파장 대역의 자외선은 살균, 정수에서 의료 응용까지 걸친 광범위한 용도가 예상되므로 심자외선 LED(DUVLED) 개발이 진행되고 있다. 전형적인 DUVLED의 구성은 사파이어 기판 또는 AlN 단결정 기판을 이용하여 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 질소(N)를 주 성분으로 하는 질화갈륨 알루미늄계의 반도체에 의한 적층 구조체를 갖춘 것이다. DUVLED에서는 출력의 향상도 도모할 수 있어 10mW 정도의 자외선 출력에서 동작하는 DUVLED도 실용화되고 있다.
A blue light emitting diode is widely used as a solid light emitting device using a nitrogen compound semiconductor. A solid-state light source is required even in the shorter wavelength ultraviolet band, so ultraviolet light emitting diodes (UVLEDs) using similar materials are being developed. Deep ultraviolet LED (DUVLED) is being developed because it is expected that a wide range of uses ranging from sterilization and water purification to medical applications is expected for the deep ultraviolet band of 350 nm or less, especially the ultraviolet in the wavelength band of about 260 to 280 nm. A typical DUVLED has a stacked structure made of a gallium aluminum nitride-based semiconductor containing aluminum (Al), gallium (Ga) and nitrogen (N) as main components using a sapphire substrate or an AlN single crystal substrate. DUVLED output can also be improved, and DUVLEDs that operate at an ultraviolet output of about 10 mW are also being put to practical use.
DUVLED의 기술 과제의 하나로 발광 효율의 개량을 들 수 있다. 발광 효율 지표의 하나가 외부 양자 효율 ηEQE이며 LED 소자의 외부에 방출된 단위 시간당 포톤 수를 구동 전류로 투입되는 단위 시간당 전자 수로 나눔으로써 정의된다. 이 외부 양자 효율 ηEQE는 내부 양자 효율 ηIQE, 전자 주입 효율 ηEIE 및 광 추출 효율 ηLEE의 3개의 인자의 곱의 형태로 표현된다. 즉, ηEQE = ηIQE × ηEIE × ηLEE 의 관계가 성립한다.
One of the technical problems of DUVLED is improvement of luminous efficiency. One of the luminous efficiency indicators is the external quantum efficiency η EQE, which is defined by dividing the number of photons per unit time emitted to the outside of the LED device by the number of electrons per unit time input as a driving current. This external quantum efficiency η EQE is expressed in the form of a product of three factors: internal quantum efficiency η IQE , electron injection efficiency η EIE and light extraction efficiency η LEE . That is, the relationship of η EQE = η IQE × η EIE × η LEE holds.
그 동안의 개발의 결과, DUVLED에서의 상기 3개의 인자 중 내부 양자 효율 ηIQE와 전자 주입 효율 ηEIE에 대해서는 비약적인 향상이 달성되어 왔다. 그 향상을 가져온 구체적 기술은 내부 양자 효율 ηIQE의 향상을 위한 자외선 발광층의 결정 전위(crystalline dislocations)의 저감이다(예를 들면 특허문헌 1, 비 특허문헌 1 및 비 특허문헌 2). 또 전자 주입 효율 ηEIE의 향상을 위해 p형 반도체층에 초격자 구조를 이용한 MQB(다중 양자 장벽) 구조라 불리는 구조를 채용함으로써 p형 반도체층에서의 전자의 블록성을 보강하는 기술도 효과적이다(예를 들면 특허문헌 2). 현 시점에서는 내부 양자 효율 ηIQE × 전자 주입 효율 ηEIE의 값은 50% ~ 80%의 값을 예상할 수 있다.
As a result of the development so far, a dramatic improvement has been achieved with respect to the internal quantum efficiency η IQE and the electron injection efficiency η EIE among the three factors in the DUVLED. A specific technique that brought about the improvement is reduction of crystalline dislocations of the ultraviolet light emitting layer for improvement of internal quantum efficiency η IQE (for example,
그런데 내부 양자 효율 ηIQE × 전자 주입 효율 ηEIE의 값이 높은 값을 기대할 수 있을 것 같으나 실제의 DUVLED 소자라 하더라도 외부 양자 효율 ηEQE는 최고 4% 정도에 머무르고 있다. 분명히 광 추출 효율 ηLEE의 낮음이 그 원인이다. 종래의 DUVLED의 광 추출 효율 ηLEE는 겨우 10% 정도에 불과하다.
However, the internal quantum efficiency η IQE × electron injection efficiency η gateuna will be expected to have a high value even if the value of the EIE actual DUVLED cattle growing external quantum efficiency η EQE is staying in by up to 4%. Obviously, the low light extraction efficiency η LEE is the cause. The light extraction efficiency η LEE of the conventional DUVLED is only about 10%.
본 발명자들은 자외선 발광 다이오드에서 광 추출 효율 ηLEE를 향상시키는 방법을 여러 가지 관점에서 검토했다. 그리고, 종래의 DUVLED 소자에서 p형 도전층에 대한 전기적 접속을 확보하기 위해 배치되는 p형 컨택트층이 자외선 발광층에서 발산되는 자외선(방사 UV)의 파장에 대하여 흡수를 나타내는 것에 주목했다. 즉 전형적인 DUVLED에서는 기판, 버퍼층, 자외선 발광층, p형 도전층, p형 컨택트층, 금속 전극을 이 순서대로 배치함으로써 LED 소자가 제작된다. 그리고 자외선 발광층으로부터의 방사 UV는 층 구조의 양면에서 바깥쪽으로 방사된다. 방사 UV 중 일측인 기판 측으로 향하는 것은 외부로 추출되거나, 그 일부 또는 전부(전반사가 되는 방향의 성분)가 내부로 돌아온다. 타측의 p형 컨택트층으로 향하는 방사 UV는 p형 컨택트층을 투과해 금속 전극에서 반사되어 다시 p형 컨택트층을 통과한다. p형 컨택트층으로 향하는 방사 UV는 그 단계까지 흡수되지 않는 성분에 한하여 기판측으로 다시 향함으로써 외부로 추출될 가능성을 남기고 있다. p형 컨택트층이 흡수한 방사 UV는 손실이 되기 때문에 p형 컨택트층의 흡수는 광 추출 효율 ηLEE를 상당히 악화시킨다. 종래의 전형적인 p형 컨택트층은 양호한 전기적 접속을 확보할 목적으로 홀(hole) 농도를 높이기 쉬운 p형 GaN에 의해 제작되고 있다. 이 p형 GaN는 특히 심자외선 파장 대역에서 강한 흡수를 나타내기 때문에 p형 컨택트층에 채용하면 방사 UV를 흡수해 버린다.
The present inventors examined the method of improving the light extraction efficiency η LEE in an ultraviolet light emitting diode from various viewpoints. Further, attention was paid to the fact that in the conventional DUVLED device, the p-type contact layer disposed to secure the electrical connection to the p-type conductive layer exhibits absorption with respect to the wavelength of ultraviolet light (radiation UV) emitted from the ultraviolet light emitting layer. That is, in a typical DUVLED, an LED element is manufactured by arranging a substrate, a buffer layer, an ultraviolet light emitting layer, a p-type conductive layer, a p-type contact layer, and a metal electrode in this order. And the radiation UV from the ultraviolet light emitting layer is radiated outward from both sides of the layer structure. Among the radiation UVs, those directed to one side of the substrate are extracted to the outside, or part or all of them (components in the direction of total reflection) return to the inside. Radiation UV directed to the p-type contact layer on the other side passes through the p-type contact layer, is reflected from the metal electrode, and passes through the p-type contact layer again. Radiation UV directed to the p-type contact layer leaves the possibility of being extracted to the outside by redirecting to the substrate side only for components that are not absorbed until that stage. The absorption of the p-type contact layer significantly deteriorates the light extraction efficiency η LEE because the radiated UV absorbed by the p-type contact layer is lost. A typical conventional p-type contact layer is made of p-type GaN, which is easy to increase the hole concentration for the purpose of ensuring good electrical connection. Since this p-type GaN exhibits strong absorption especially in the deep ultraviolet wavelength band, when it is employed in the p-type contact layer, it absorbs radiated UV.
특히 p형 컨택트층의 흡수는 다른 기술적 연구의 효과를 감쇄하는 것에도 주의가 필요하다. 예로 반사 전극의 반사율을 높여도 p형 컨택트층에서의 흡수가 강하면 효과가 작다. 마찬가지로, 도파로 모드가 되어 내부를 전파하는 방사 UV를 추출하기 위한 여러 가지 연구의 실시에도 불구하고 p형 컨택트층에서의 흡수가 강하면 도파로 모드의 UV 자체가 약해지기 때문에 그 효과는 한정된다. 광 추출 효율 ηLEE를 높이기 위해서는 p형 컨택트층의 흡수가 억제되어야 한다.
In particular, it is necessary to pay attention to the absorption of the p-type contact layer to attenuate the effect of other technical studies. For example, even if the reflectance of the reflective electrode is increased, if the absorption in the p-type contact layer is strong, the effect is small. Similarly, despite the implementation of various studies for extracting the radiation UV propagating inside the waveguide mode, if the absorption in the p-type contact layer is strong, the UV of the waveguide mode itself is weakened, so the effect is limited. In order to increase the light extraction efficiency η LEE , the absorption of the p-type contact layer should be suppressed.
본 발명은 광 추출 효율 ηLEE를 높이기 위한 DUVLED를 제공하고, 고효율 DUVLED의 실현에 기여하는 것이다.
The present invention provides a DUVLED for increasing light extraction efficiency η LEE , and contributes to realization of a high-efficiency DUVLED.
본 발명자들은 자외선 발광층과 마찬가지로 p형 컨택트층에 있어서도 Al(알루미늄)을 포함하는 조성으로 하면 흡수가 약하게 되는 것에 주목하고, 또한 그와 같은 조성의 p형 컨택트층을 채용해도 DUVLED의 동작이 가능하다는 것을 실험적으로 확인하고 본 발명을 창출하기에 이르렀다.
The present inventors noted that absorption is weak when the composition containing Al (aluminum) is used in the p-type contact layer as in the ultraviolet light emitting layer, and that the operation of the DUVLED is possible even if a p-type contact layer of such a composition is employed. It was confirmed experimentally and led to the creation of the present invention.
본 발명의 어느 실시형태에 있어서는, 단결정의 사파이어 또는 AlN 결정의 기판(a single crystalline substrate of sapphire or AlN crystal)과, 그 기판에 접하거나 또는 그 기판상에 마련된 추가 버퍼층에 접하여 배치되어 적어도 n형 도전층, 재결합층 및 p형 도전층이 그 기판의 측으로부터 이 순서로 적층되어 배치된 AlN과 GaN의 혼정의 자외선 발광층과, 상기 p형 도전층에 전기적으로 접속하고 있는 AlN과 GaN의 혼정의 p형 컨택트층과, 전술한 자외선 발광층에서 발산되는 자외선인 방사 UV에 대해 반사성을 나타내고 상기 p형 컨택트층에 접하여 배치되는 반사 전극을 구비한 자외선 발광 다이오드가 제공된다.
In one embodiment of the present invention, a single crystalline substrate of sapphire or AlN crystal and a single crystalline substrate of sapphire or AlN crystal are disposed in contact with the substrate or in contact with an additional buffer layer provided on the substrate to be at least n-type A conductive layer, a recombination layer and a p-type conductive layer are stacked in this order from the side of the substrate, and an ultraviolet light emitting layer of a mixed crystal of AlN and GaN, and a mixed crystal of AlN and GaN electrically connected to the p-type conductive layer. There is provided an ultraviolet light emitting diode having a p-type contact layer and a reflective electrode that exhibits reflectivity to radiation UV, which is ultraviolet light emitted from the above-described ultraviolet light emitting layer, and is disposed in contact with the p-type contact layer.
본 발명에 있어서는 p형 컨택트층을 위해 AlN과 GaN의 혼정의 조성을 채용한다. 또한 본 출원에서 AlN과 GaN의 혼정을 AlGaN로, 또 (AlN)x와 (GaN)1-x의 혼정을 AlxGa1-xN로 각각 기재하는 것이 있다. 덧붙여 AlN과 GaN의 혼정에는 AlN과 GaN 이외의 성분을 포함하는 경우도 있음에 유의해야 한다.
In the present invention, a composition of a mixed crystal of AlN and GaN is employed for the p-type contact layer. Also, in the present application, a mixed crystal of AlN and GaN is described as AlGaN, and a mixed crystal of (AlN) x and (GaN) 1-x is described as Al x Ga 1-x N, respectively. In addition, it should be noted that the mixed crystal of AlN and GaN may contain components other than AlN and GaN.
AlGaN의 밴드갭은 GaN의 그것에 비해 크다. 게다가 그 밴드갭은 Al의 비율(AlN과 GaN의 혼정에서 AlN의 비율, AlN 혼정 조성비)을 조정하고 변화시킬 수 있다. 이 성질을 이용하면 AlGaN를 채용한 p형 컨택트층의 흡수단을 조정하여 방사 UV에 대한 투과율을 조정할 수 있다. 특히, 자외선 발광층에도 AlN과 GaN의 혼정을 채용하는 구성에서는 p형 컨택트층에 AlGaN를 채용하면 자외선 발광층으로부터의 방사 UV의 파장에 대응하도록 그 투과율을 조정하기도 쉬워진다. 본 발명에서는 이 원리를 적극 이용한다.
The band gap of AlGaN is larger than that of GaN. In addition, the bandgap can adjust and change the Al ratio (the ratio of AlN in the AlN and GaN mixed crystal, the AlN mixed crystal composition ratio). By using this property, the transmittance for radiated UV can be adjusted by adjusting the absorption edge of the p-type contact layer employing AlGaN. In particular, in a configuration in which a mixed crystal of AlN and GaN is also employed in the ultraviolet light emitting layer, when AlGaN is employed in the p-type contact layer, it is easy to adjust the transmittance to correspond to the wavelength of UV emitted from the ultraviolet light emitting layer. The present invention actively utilizes this principle.
이때 문제가 될 수 있는 것은 p형 컨택트층의 캐리어 농도이다. 종래의 p형 컨택트층을 위해 채용한 p형 GaN에서는 Mg을 도핑함으로써 충분한 캐리어 농도를 얻을 수 있어 전극과의 전기적 접속이 확립되어 있었다. 그러나 AlGaN에서는 캐리어 농도를 높이기 어렵다. 자외선 발광층으로부터의 방사 UV의 파장에 맞춰 AlN 혼정 조성비를 높이면 Mg 도프 시의 p형 억셉터 준위가 깊어져, p형 도전층에서의 캐리어 부족(홀 농도의 부족)을 발생하기 쉽게 된다고 생각해왔다. 이 기존 생각에는 본 발명처럼 p형 컨택트층으로 AlGaN를 채용하면 충분한 캐리어 농도가 되지 못하고 전극과의 전기적 접속이 불충분하게 된다는 우려가 있었다. 그러나 본 발명자들은 p형 컨택트층에 AlGaN를 채용하여 DUVLED 소자를 제작한 결과 실제로는 광 추출 효율 ηLEE가 현저히 향상되었고, 외부 양자 효율 ηEQE는 오히려 높아지는 것을 확인하고 있다. 따라서 DUV의 LED 소자의 p형 컨택트층에 AlGaN를 채용하는 구성은 충분히 실용적이다.
What may be a problem here is the carrier concentration of the p-type contact layer. In the conventional p-type GaN employed for the p-type contact layer, a sufficient carrier concentration can be obtained by doping with Mg, and electrical connection with the electrode has been established. However, in AlGaN, it is difficult to increase the carrier concentration. It has been thought that if the AlN mixed crystal composition ratio is increased according to the wavelength of the UV emitted from the ultraviolet light emitting layer, the p-type acceptor level during Mg doping will deepen, and the lack of carriers (lack of hole concentration) in the p-type conductive layer is likely to occur. According to this conventional idea, if AlGaN is employed as the p-type contact layer as in the present invention, there is a concern that a sufficient carrier concentration will not be obtained and electrical connection with the electrode will be insufficient. However, as a result of fabricating a DUVLED device by employing AlGaN in the p-type contact layer, the present inventors have confirmed that the light extraction efficiency η LEE is significantly improved, and the external quantum efficiency η EQE is rather increased. Accordingly, a configuration employing AlGaN for the p-type contact layer of the DUV LED device is sufficiently practical.
또한, 본 출원 전체의 설명에서 p형 컨택트층의 투과율에서 문제가 되는 것은 자외선 발광층에서 방출되는 방사 UV의 파장의 값이다. 다만 발명을 설명하기 위해 방사 UV 이외의 파장에 대해 적절히 설명한다.
In addition, in the description of the entire application, a problem in the transmittance of the p-type contact layer is the value of the wavelength of radiation UV emitted from the ultraviolet light emitting layer. However, in order to explain the invention, wavelengths other than radiation UV will be appropriately described.
본 발명의 전술한 실시형태에 있어서 p형 컨택트층의 투과율이 90% 이상이면 바람직하다. 더 바람직하게는 상기 투과율을 95% 이상으로 한다. 또한, 본 출원의 p형 컨택트층의 투과율은 계면 반사 효과를 포함하지 않는 값, 즉 내부 투과율을 말한다. 투과율은 명시하지 않는 한 깊이 방향으로 한번 통과할 때의 값이다. p형 컨택트층을 방사 UV가 왕복하기 때문에 p형 컨택트층의 흡수는 반사 전극에 입사할 때까지 및 그곳으로부터 출사(반사)된 후 적어도 2회 발생할 수 있다. 따라서 p형 컨택트층의 흡수를 충분히 억제하는 것, 즉 충분히 높은 투과율을 실현하는 것은 광 추출 효율 ηLEE를 높이는 데 중요하다. 투과율을 높이기 위해서는 p형 컨택트층에 포함되는 Al 조성비, 즉 AlN 혼정 조성비를 높임으로써 실현할 수 있다.
In the above-described embodiment of the present invention, it is preferable that the transmittance of the p-type contact layer is 90% or more. More preferably, the transmittance is 95% or more. In addition, the transmittance of the p-type contact layer of the present application refers to a value that does not include the interfacial reflection effect, that is, the internal transmittance. Transmittance is a value for one pass in the depth direction, unless otherwise specified. Since the radiating UV travels through the p-type contact layer, absorption of the p-type contact layer can occur at least twice, until it is incident on the reflective electrode and after it is emitted (reflected) from there. Therefore, it is important to sufficiently suppress the absorption of the p-type contact layer, that is, to realize a sufficiently high transmittance to increase the light extraction efficiency η LEE . In order to increase the transmittance, it can be realized by increasing the Al composition ratio contained in the p-type contact layer, that is, the AlN mixed crystal composition ratio.
본 발명의 전술한 실시형태에 있어서 p형 도전층에 전자 블록층이 마련되어 있으면 바람직하고, 해당 전자 블록층이 다중 양자 장벽(MQB)이면 더 좋다. DUVLED 소자에서는 홀 농도가 부족할 경우 재결합층에서 전자가 누설(또는 오버 플로)되기 때문에 전자 주입 효율 ηEIE가 저하하기 쉽다. 그런 경우를 대비해 전자에서 볼 때 재결합층의 하류측의 위치에 전자 블록층을 배치하면 재결합에 관여하는 전자의 비율을 높여 전자 주입 효율 ηEIE를 높일 수 있다. 이 전자 블록층의 전형적인 예는 싱글 장벽, 즉 AlN 혼정 조성비를 높여 전도대의 에너지 레벨을 높인 단일층이다. 전자 블록층을 위한 보다 바람직한 다른 전형적인 예는 MQB이다. MQB에서는 AlN 혼정 조성비가 다른 층을 복수 개 거듭하여 전도대 에너지 레벨에 두께 방향의 요철을 마련하고, 다시 필요에 따라 그 주기를 두께 방향의 위치에 따라 변화시킨다. MQB의 다중 반사는 전자의 누설을 보다 효과적으로 억제하는 데 도움이 된다. 게다가 MQB에서는 지나치게 AlN 혼정 조성비를 높일 필요가 없기 때문에 홀 농도의 저하를 억제하는 점에서도 유리하다.
In the above-described embodiment of the present invention, it is preferable if the p-type conductive layer is provided with an electron block layer, and it is more preferable that the electron block layer is a multiple quantum barrier (MQB). In the DUVLED device, when the hole concentration is insufficient, electrons leak (or overflow) from the recombination layer, so that the electron injection efficiency η EIE tends to decrease. In preparation for such a case, if the electron block layer is disposed at a position downstream of the recombination layer when viewed from the electrons, the ratio of electrons involved in recombination can be increased to increase the electron injection efficiency η EIE . A typical example of this electron blocking layer is a single barrier, that is, a single layer in which the energy level of the conduction band is increased by increasing the AlN mixed crystal composition ratio. Another more preferred example for an electron block layer is MQB. In MQB, a plurality of layers with different AlN mixed crystal composition ratios are stacked to provide unevenness in the conduction band energy level in the thickness direction, and again, if necessary, the period is changed according to the position in the thickness direction. Multiple reflections of the MQB help to more effectively suppress the leakage of electrons. Furthermore, MQB does not require an excessively high AlN mixed-crystal composition ratio, which is advantageous in suppressing a decrease in hole concentration.
본 발명의 전술한 실시형태에 있어서 p형 컨택트층의 재질을, 조성 파장(compositional wavelength)이 방사 UV의 주요 파장보다 짧게 되도록 하는 것이 바람직하다. 여기서 조성 파장은 p형 컨택트층의 재질이나 그 성장 조건을 위한 지표 중 하나로 그 층의 포토 발광(photo luminescence)의 피크 파장에 의해 규정된다. 실험적으로 조성 파장을 결정하기 위해서는 특징짓는 대상인 p형 컨택트층과 동일 조성, 동일한 성장 조건으로 두꺼운 막을 제작하여, 그 포토 발광을 측정하면 된다. 일반적으로 조성 파장은 흡수단의 지표가 되므로 조성 파장을 경계로 긴 파장에서의 투과율은 높고, 짧은 파장에서는 낮아진다. 이 조성 파장과 대비되는 방사 UV의 주요 파장은 예를 들면 어느 정도 파장의 폭을 가진 방사 UV의 피크 파장으로 할 수 있다. 조성 파장이 방사 UV의 주요 파장보다 짧아지도록 p형 컨택트층의 재질이 선택되어 성장 조건이 정해져 있으면, 그 p형 컨택트층은 해당 주요 파장에서 투과율이 높아진다. 따라서 p형 컨택트층을 특징짓기 위해서 조성 파장에 주목하여 방사 UV의 주요 파장과 관련지으면 전술한 실시형태를 위한 좋은 지표를 얻을 수 있다. 또한 방사 UV의 주요 파장을 본 출원에서는 단순히 발광 파장이라고 표기하고 있다.
In the above-described embodiment of the present invention, it is preferred that the material of the p-type contact layer be such that the compositional wavelength is shorter than the main wavelength of the radiation UV. Here, the composition wavelength is one of the indicators for the material of the p-type contact layer or its growth conditions, and is defined by the peak wavelength of photo luminescence of the layer. In order to experimentally determine the composition wavelength, a thick film may be prepared under the same composition and growth conditions as the p-type contact layer to be characterized, and the photoluminescence may be measured. In general, since the composition wavelength is an indicator of the absorption edge, the transmittance at a long wavelength with the composition wavelength as a boundary is high and decreases at a short wavelength. The main wavelength of radiation UV contrasting with this composition wavelength may be, for example, a peak wavelength of radiation UV with a certain wavelength width. If the material of the p-type contact layer is selected and growth conditions are determined so that the composition wavelength is shorter than the main wavelength of the radiation UV, the transmittance of the p-type contact layer is increased at the main wavelength. Therefore, paying attention to the composition wavelength to characterize the p-type contact layer and correlating it with the dominant wavelength of the radiated UV can provide a good indicator for the above-described embodiment. In addition, the main wavelength of the radiation UV is simply referred to as the emission wavelength in the present application.
본 발명의 전술한 실시형태는 p형 컨택트층의 조성 AlxGa1- xN의 AlN 혼정 조성비 x를 방사 UV의 주요 파장의 값을 W(nm)로 할 때The above-described embodiment of the present invention, when the AlN mixed crystal composition ratio x of the composition Al x Ga 1- x N of the p-type contact layer is the value of the main wavelength of the radiation UV, W (nm)
xmin = -0.0060W + 2.26 x min = -0.0060 W + 2.26
에 의해 얻어지는 하한치 xmin 이상의 값으로 되어 있으면 바람직하다. AlN 혼정 조성비 x는 그 하한이 방사 UV의 주요 파장의 값과 관련하여 결정되면 전술한 투과율을 실현할 수 있다. AlN 혼정 조성비 x는 AlN이 없고 GaN만 있으면 x=0이 되고, AlN만 있으면 x=1이 되는 수치이며, AlGaN와 함께 기재한 경우에 AlxGa1- xN으로도 표현된다. AlN 혼정 조성비 x의 하한 값 xmin은 구체적인 파장과 관련지으면, 예를 들어 260nm에서는 0.7(70%), 280nm에서는 0.58(58%)이다. 이들 이외의 파장에서도 상기 수식에서 결정되는 xmin을 하한으로 하여 p형 컨택트층의 AlN 혼정 조성비 x가 결정되어 있으면, 투과율을 높인 p형 컨택트층에 의해 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다.
Obtained by the lower limit is preferred if it is more than the value x min. The AlN mixed crystal composition ratio x can realize the transmittance described above if the lower limit thereof is determined in relation to the value of the main wavelength of radiation UV. The AlN mixed crystal composition ratio x is a numerical value such that x = 0 when there is no AlN and only GaN, and x = 1 when there is only AlN, and when described together with AlGaN, it is also expressed as Al x Ga 1- x N. The lower limit x min of the AlN mixed crystal composition ratio x is, for example, 0.7 (70%) at 260 nm and 0.58 (58%) at 280 nm in relation to a specific wavelength. Even at wavelengths other than these, if the AlN mixed crystal composition ratio x of the p-type contact layer is determined with x min determined by the above formula as the lower limit, the effect of the present invention can be exhibited by the p-type contact layer with increased transmittance.
본 발명자들은 p형 컨택트층의 투과율이 낮은 상태에서는 반사 전극의 반사율을 높이는 효과가 한정적인 것이 된다는 점에도 주목했다. 반대로 본 발명의 전술한 실시형태에 있어서 p형 컨택트층의 투과율이 확보되어 있으면 반사 전극의 UV반사 효과가 현저하게 광 추출 효율 ηLEE를 향상시킨다. 본 발명의 전술한 실시형태에 있어서는 반사 전극의 반사율을 높이는 것이 유리하다.
The present inventors also noted that the effect of increasing the reflectance of the reflective electrode is limited in a state where the transmittance of the p-type contact layer is low. Conversely, in the above-described embodiment of the present invention, when the transmittance of the p-type contact layer is ensured, the UV reflection effect of the reflective electrode significantly improves the light extraction efficiency η LEE . In the above-described embodiment of the present invention, it is advantageous to increase the reflectance of the reflective electrode.
즉 본 발명의 전술한 실시형태의 바람직한 구성에 있어서, 반사 전극은 Al를 주성분으로 하는 금속막이고 오믹 컨택을 위한 삽입 금속층이 p형 컨택트층과 금속막에 접하면서 끼여 있다. 반사 전극을 위해 종래에 많이 사용되는 것은 Au(금)이다. 이에 대비하여 Al은 자외선 파장에 대해 높은 반사율을 나타낸다. 이 점에 착안하여 반사 전극의 반사율을 높이기 위해 Al를 주성분으로 하는 금속막을 채용하는 것이 유리하다.
That is, in the preferred configuration of the above-described embodiment of the present invention, the reflective electrode is a metal film containing Al as a main component, and an interposed metal layer for ohmic contact is sandwiched in contact with the p-type contact layer and the metal film. Au (gold) is widely used in the prior art for the reflective electrode. In contrast, Al exhibits high reflectivity for ultraviolet wavelengths. Paying attention to this point, it is advantageous to employ a metal film mainly composed of Al in order to increase the reflectance of the reflective electrode.
전술한 실시형태의 삽입 금속층은 Ni막으로 5nm보다 얇게 되어있으면 바람직하고, 더욱 바람직하게는 실질적 두께가 1nm가 된다. 삽입 금속층은 오믹 컨택을 실현하기 위해 재질이 선택되고 Ni 외에는 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 티탄(Ti) 등을 채용할 수 있다. 삽입 금속층으로서 적절한 것은 일반적으로 일함수가 큰 금속이다. 각 금속은 서로 또는 다른 원소를 첨가하여 합금으로 하는 것도 유용하다. 다만 Ni막으로 하는 경우에는 반사율을 높게 유지하기 위해서는 5nm보다 얇은 것이 바람직하다. 특히 실질적 두께가 1nm가 되면 오믹 컨택을 실현하면서 높은 반사율을 얻을 수 있어 DUVLED를 위한 광학적 측면과 전기적 측면을 양립시킬 수 있다. 또한, 상기 '실질적' 두께는 실제 성막에서 일어날 수 있는 막 두께의 오차나 불균질한 성막에 따른 두께 분포 등이 허용되는 것을 의미한다. 또 Ni막 이외의 경우에도 마찬가지로 막 두께를 조정함으로써 반사율을 높이면서 전기적 접속을 확립할 수 있다.
It is preferable that the insertion metal layer of the above-described embodiment is made of a Ni film and is thinner than 5 nm, and more preferably has a substantial thickness of 1 nm. For the insertion metal layer, a material is selected to realize ohmic contact, and palladium (Pd), platinum (Pt), silver (Ag), titanium (Ti), etc. may be employed other than Ni. Suitable as an intercalation metal layer are generally metals having a large work function. It is also useful to make an alloy by adding each metal or other elements to each other. However, in the case of a Ni film, it is preferable that the thickness is thinner than 5 nm in order to maintain a high reflectance. In particular, when the actual thickness becomes 1 nm, ohmic contact can be realized and high reflectance can be obtained, making it possible to achieve both optical and electrical aspects for DUVLED. In addition, the 'substantial' thickness means that an error in film thickness that may occur in actual film formation or thickness distribution due to non-uniform film formation is allowed. Also, in the case of other than the Ni film, by adjusting the film thickness similarly, the electrical connection can be established while increasing the reflectance.
또한 p형 컨택트층의 투과율이 높아져 있는 본 발명의 전술한 실시형태에 있어서는 도파로 모드로 전파되는 방사 UV를 외부로 빼내는 각종 구성도 유용하다. 전술한 실시형태의 LED 소자에 있어서 버퍼층에 보이드(공극)가 형성되어 있으면 좋다. 예를 들어 결정 성장시킬 때의 면내 방향의 버퍼층의 단면을, 다수 나열된 고립 도형 패턴의 각 도형 부분이나 바다섬 구조 패턴(sea-island pattern)의 섬 모양의 부분만으로 결정을 성장시킴으로써 기둥 모양의 구조를 성장시킬 수 있다. 그때의 기둥 사이가 보이드가 된다. 반대로 상기 면내 방향의 단면에서 다수 나열된 고립 도형 패턴의 각 도형의 사이 부분이나 바다섬 구조 패턴의 바다 부분만 결정을 성장시킴으로써 개방부가 형성된다. 이 경우에는 이 개방부가 보이드가 된다. 이들 이외에도 스트라이프 패턴을 이루도록 성장시키면 다중 벽이 형성되어 벽 사이가 보이드가 된다. 결정 성장 조건을 연구하면 성장과 함께 보이드를 닫히게 함으로써 버퍼층에 요구되는 결정 품질의 단결정 연속층을 다시 얻을 수도 있다. 보이드를 형성하는 각종 기법 중 특히 기둥을 형성하고 기둥을 마치 소자 두께 방향으로 연장하여 도파로로 하는 것이 특히 유용하다. 가로 세로비가 높은 기둥 구조를 만들어 광의 수직 전파가 가능한 구조로 하면, 광은 기둥을 전파하기 쉬워진다. 이 경우 도파로 모드의 광도 소자 내에서 외부로 추출되기까지 2 ~ 3회 정도의 왕복밖에 필요로 하지 않는다. 따라서 제2 전극의 반사율이 반드시 충분하다고 할 수 없는 경우에는 매우 유리하다. 덧붙여 단순한 보이드 구조에서는 10회 정도의 내부 반사를 거쳐 광이 외부로 추출되기 때문에 그 왕복의 도중에 감쇠하기 쉽다. 또한 버퍼층에 보이드가 형성되어 있는 구성에 있어서 기판을 제거하는 것도 바람직하다. 예를 들면 기둥을 형성한 경우는 기판을 제거하면 광을 추출하는 방향으로 이어진 세로형의 도파로가 많이 배열하여 그것이 그대로 표면에 위치하기 때문에 유리하다.
In addition, in the above-described embodiment of the present invention in which the transmittance of the p-type contact layer is high, various configurations for extracting radiation UV propagating in the waveguide mode to the outside are also useful. In the LED element of the above-described embodiment, a void (void) may be formed in the buffer layer. For example, the cross section of the buffer layer in the in-plane direction at the time of crystal growth is formed into a columnar structure by growing crystals only in each graphic part of a plurality of isolated graphic patterns or island-shaped parts of a sea-island pattern. can grow The space between the pillars at that time becomes a void. Conversely, in the cross section in the in-plane direction, an open portion is formed by growing crystals only between a portion between each figure of a plurality of isolated figure patterns or a sea portion of the sea island structure pattern. In this case, this opening becomes a void. In addition to these, when grown to form a stripe pattern, multiple walls are formed and voids are formed between the walls. By studying the crystal growth conditions, it is possible to obtain again a single crystal continuous layer of the crystal quality required for the buffer layer by closing the voids with growth. Among various techniques for forming voids, it is particularly useful to form pillars and extend the pillars in the device thickness direction to form a waveguide. When a columnar structure with a high aspect ratio is made to allow vertical propagation of light, light can easily propagate the column. In this case, only about 2 to 3 round trips are required before the light source in waveguide mode is extracted to the outside. Therefore, it is very advantageous when the reflectance of the second electrode is not necessarily sufficient. In addition, in a simple void structure, since light is extracted to the outside through internal reflection of about 10 times, it is easy to attenuate in the middle of the reciprocation. Moreover, it is also preferable to remove a board|substrate in the structure in which the void is formed in the buffer layer. For example, when a pillar is formed, it is advantageous because, when the substrate is removed, a large number of vertical waveguides connected in the direction of extracting light are arranged and they are located on the surface as they are.
또한 전술한 실시형태의 LED 소자에서 방사 UV의 주요 파장이 260nm 이상 280nm 이하의 하나의 파장이면 좋다. 굴절률의 단계를 수반하는 표면 또는 계면에는 나방눈 구조를 제작함으로써 일반적으로 굴절률의 단계가 초래하는 표면 반사 또는 계면 반사를 저감할 수 있다. 이러한 굴절률의 단계는 방사 UV의 전파 경로와 외부에 추출될 때의 표면에서 문제가 되기 때문에 반사 전극과는 반대쪽에 위치한 표면이나, 다른 계면 중 굴절률 단계가 커지는 면 중 하나에 나방눈 구조가 형성되어 있으면 바람직하다. 그런 표면, 계면을 예시하면, 예를 들어 LED 소자와 외계의 제일 외곽 표면이 되는 표면, LED 소자를 UV 투과성 매체(수지, 유리질 투명체 등)로 밀봉할 때 LED 소자와 UV 투과성 매체와의 계면을 들 수 있다.
Moreover, in the LED element of the above-mentioned embodiment, the main wavelength of radiation|emission UV may just be one wavelength of 260 nm or more and 280 nm or less. By fabricating a moth-eye structure on a surface or interface involving a refractive index step, it is possible to reduce the surface reflection or interfacial reflection normally caused by the refractive index step. Since this level of refractive index is a problem in the propagation path of radiation UV and the surface when it is extracted to the outside, a moth-eye structure is formed on the surface opposite to the reflective electrode or on one of the surfaces where the refractive index level increases among other interfaces. It is preferable to have Examples of such surfaces and interfaces include, for example, the surface that becomes the outermost surface of the LED element and the outer world, and when sealing the LED element with a UV-transparent medium (resin, glassy transparent material, etc.), the interface between the LED element and the UV-transmissive medium can be heard
나아가 본 발명의 전술한 실시형태에 있어서, p형 도전층, p형 컨택트층 중 어느 하나에 AlN과 GaN의 혼정의 재질에 추가로 In이 포함되어 있는 것도 바람직하다. 전자 장벽층을 포함해 p형 도전층이나 p형 컨택트층에 In이 포함되어 있는 경우에는 커리어(홀) 농도가 높아지는 효과를 기대할 수 있다.
Furthermore, in the above-described embodiment of the present invention, it is also preferable that either of the p-type conductive layer and the p-type contact layer contains In in addition to the material of the mixed crystal of AlN and GaN. When In is included in the p-type conductive layer or the p-type contact layer including the electron barrier layer, the effect of increasing the career (hole) concentration can be expected.
더 나아가 본 발명의 전술한 어느 하나의 실시형태의 자외선 발광 다이오드는 그것을 자외선 방출원으로서 갖춰 전기 기기에 적용하면 유용하다. 이러한 전기 기기는 자외선 방출원의 효율이 향상되는 것에서 유용성이 높아지기 때문이다.
Furthermore, the ultraviolet light emitting diode of any one of the above-described embodiments of the present invention is useful when equipped as an ultraviolet emitting source and applied to an electric device. This is because the usefulness of these electric devices increases when the efficiency of the ultraviolet emitting source is improved.
자외선 발광 다이오드(이하, 'UVLED'로 표기한다)는 자외선 대역의 전자기파(자외선)를 방출하는 발광 다이오드이다. 본 출원에서는 주로 220 ~ 350nm의 파장 대역이라고 하는 심자외선을 중심으로 하는 파장 범위에서의 UVLED(DUVLED)를 제작할 수 있다. 또 본 발명에서는 소위 살균 파장(260 ~ 280nm)의 파장 범위의 심자외선 대역에서 발광하는 DUVLED도 제공된다. 덧붙여 본 출원에서는 예를 들어 자외선 대역이라고 하는 가시 광선이 아닌 전자파 방사에 대해서도 관례에 따라 '광', '광원', '발광', '광 추출' 등과 광학 분야의 표현을 이용한다.
Ultraviolet light emitting diodes (hereinafter referred to as 'UVLEDs') are light emitting diodes that emit electromagnetic waves (ultraviolet rays) in the ultraviolet band. In the present application, UVLEDs (DUVLEDs) in a wavelength range centered on deep ultraviolet rays, which are mainly referred to as a wavelength band of 220 to 350 nm, can be manufactured. In addition, the present invention also provides a DUVLED that emits light in the deep ultraviolet band of the wavelength range of the so-called sterilization wavelength (260 to 280 nm). In addition, in the present application, for example, for electromagnetic radiation other than visible light, which is referred to as an ultraviolet band, according to convention, expressions in the optical field such as 'light', 'light source', 'light emission', 'light extraction' are used.
또 자외선 발광층은 전형적으로는 AlGaN층의 다층체, 즉 다층체를 이루는 각 층의 조성이 AlyGa1- yN(y는 0 ≤ y ≤ 1의 어느 하나의 값)의 조성비이고 필요에 따라 정 또는 부의 전도형으로 하기 위한 미소량의 원소(도판트)가 더 도핑되어 있는 다층체이다. 자외선 발광층은 대략, n형 도전층, 재결합층, p형 도전층이 이 차례로 적층된 구성으로 제작된다. 덧붙여 n형 도전층, 재결합층, p형 도전층 각각 자체가 양자 우물 구조 등을 위해 다층막으로 되어 있는 경우도 있다.
In addition, the ultraviolet light emitting layer is typically a multilayer body of AlGaN layers, that is, the composition of each layer constituting the multilayer body is Al y Ga 1- y N (y is any value of 0 ≤ y ≤ 1). It is a multilayer body further doped with a small amount of an element (dopant) for positive or negative conductivity type. The ultraviolet light emitting layer is approximately produced in a configuration in which an n-type conductive layer, a recombination layer, and a p-type conductive layer are laminated in this order. Incidentally, in some cases, each of the n-type conductive layer, the recombination layer, and the p-type conductive layer itself is a multilayer film for a quantum well structure or the like.
본 발명의 어느 하나의 실시형태에서는 p형 컨택트층에 의한 흡수가 감소된, 광 추출 효율 ηLEE를 높인 자외선 발광 다이오드가 실현된다.
In any one of the embodiments of the present invention, an ultraviolet light emitting diode with reduced absorption by the p-type contact layer and increased light extraction efficiency η LEE is realized.
[도 1] 본 발명의 실시형태의 개념을 도시한 설명도이다.
[도 2] 종래의 LED 소자 및 본 발명의 실시형태의 LED 소자의 양자에게 공통되는 개략 구성을 도시한 사시도이다.
[도 3] 종래의 LED 소자 및 본 발명의 실시형태의 LED 소자의 양자에게 공통되는 개략 구성을 도시한 개략단면도이다.
[도 4] 본 발명의 실시형태의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
[도 5] 본 발명의 실시형태의 p형 컨택트층에 AlGaN를 채용하여 동작시킨 실시예에서 p형 컨택트층의 AlN 혼정 조성비를 변경한 샘플의 전류 밀도에 대한 외부 양자 효율 ηEQE의 의존성을 도시한 그래프이다.
[도 6] 본 발명의 실시형태에서 p형 컨택트층에 AlGaN를 채용하여, p형 컨택트층의 AlN 혼정 조성비를 변경한 실시예의 전류 밀도에 대한 외부 양자 효율 ηEQE의 의존성을 나타내는 그래프이다.
[도 7] 본 발명의 실시예에 사용한 p형 컨택트층과 동일한 재질 및 성막 조건에서 형성한 막의 투과 스펙트럼을 실측한 그래프이다.
[도 8] 본 발명의 실시형태에 채용한 p형 컨택트층을 위한 AlN 혼정 조성비의 방사 UV의 파장에 대한 의존성을 도시한 설명도이다.
[도 9] 본 발명의 삽입 금속층과 제2 전극(반사 전극)을 위한 금속막에 대한 반사 스펙트럼이다.
[도 10] 본 발명의 실시예에서 제2 전극(반사 전극)만을 서로 다르게 하여 특성이 향상된 모습을 도시한 실측 그래프이다.
[도 11] 본 발명의 실시예에서 제2 전극(반사 전극)을 높은 반사율의 것으로 변경했을 때 외부 양자 효율 ηEQE가 변화하는 모습을 도시한다. (a)는 변화를 산출하는 비교 대상 샘플의 모습을 모식적으로 도시한 설명도, (b)는 그 그래프이다.
[도 12] 본 발명의 실시예에서 공통적 조성의 p형 컨택트층에 대해 다른 발광 파장의 자외선 발광층을 도입한 경우의 실측 특성을 도시한 그래프이다. (a)는 전류 밀도에 대한 외부 양자 효율 ηEQE의 의존성을 도시하며, (b)은 최대의 외부 양자 효율 ηEQE가 얻어진 때의 발광 스펙트럼을 도시한다.
[도 13] 본 발명의 실시형태의 한 변형례에서 얻어지는 LED의 소자 구성을 도시한 단면도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is explanatory drawing which shows the concept of embodiment of this invention.
Fig. 2 is a perspective view showing a schematic configuration common to both the conventional LED element and the LED element according to the embodiment of the present invention.
Fig. 3 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration common to both the conventional LED element and the LED element according to the embodiment of the present invention.
Fig. 4 is a flowchart showing a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
[FIG. 5] The dependence of external quantum efficiency η EQE on the current density of a sample in which the AlN mixed crystal composition ratio of the p-type contact layer was changed in an example in which AlGaN was employed for the p-type contact layer of the embodiment of the present invention It is one graph.
[Fig. 6] A graph showing the dependence of external quantum efficiency η EQE on the current density of an example in which AlGaN is employed for the p-type contact layer in the embodiment of the present invention and the AlN mixed crystal composition ratio of the p-type contact layer is changed.
[Fig. 7] Fig. 7 is a graph obtained by measuring the transmission spectrum of a film formed under the same material and film formation conditions as those of the p-type contact layer used in Examples of the present invention.
[Fig. 8] Fig. 8 is an explanatory diagram showing the dependence of the AlN mixed crystal composition ratio on the wavelength of radiation UV for the p-type contact layer employed in the embodiment of the present invention.
[Fig. 9] A reflection spectrum of the metal film for the intercalated metal layer and the second electrode (reflecting electrode) of the present invention.
[FIG. 10] It is an actual measurement graph showing a state in which characteristics are improved by making only the second electrode (reflecting electrode) different from each other in the embodiment of the present invention.
[FIG. 11] shows a change in external quantum efficiency η EQE when the second electrode (reflecting electrode) is changed to one having high reflectivity in the embodiment of the present invention. (a) is an explanatory diagram schematically showing the state of a comparison target sample for which a change is calculated, and (b) is a graph thereof.
[Fig. 12] Fig. 12 is a graph showing the measured characteristics in the case where ultraviolet light emitting layers having different emission wavelengths are introduced to the p-type contact layer of a common composition in the embodiment of the present invention. (a) shows the dependence of the external quantum efficiency η EQE on the current density, and (b) shows the emission spectrum when the maximum external quantum efficiency η EQE is obtained.
[Fig. 13] Fig. 13 is a cross-sectional view showing an element configuration of an LED obtained in a modified example of the embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 관한 자외선 LED 소자(이하, 'LED 소자') 및 그 제조 방법에 관한 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다. 해당 설명을 할 때 특별한 언급이 없는 한 전체 도면에 걸쳐 공통하는 부분 또는 요소에는 공통되는 참조 부호가 붙여져 있다. 또 각 도면에서 각 부는 서로의 축척을 유지하여 도시되어 있지는 않다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of an ultraviolet LED element (hereinafter, 'LED element') according to the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings. In the description, common reference numerals are assigned to common parts or elements throughout the drawings, unless otherwise specified. In addition, in each figure, each part is not shown to maintain the scale of each other.
1. 실시형태1. Embodiment
도 1은 본 실시형태의 개념을 도시한 설명도이다. 도 1에서는 좌우 각각에 종래의 LED 소자(100) 및 본 실시형태의 LED 소자(100A)의 개략의 단면 구성을 도시한다. 양 LED 소자에서는 기판에 몇 개의 층을 통해 형성된 발광층으로부터는 모든 방향으로 광이 방출된다. 종래는 p형 컨택트층이 p형 GaN이기 때문에 심자외선의 방사 UV는 p형 컨택트층을 통과할 때 흡수되고 있다. 또, 양 LED 소자에 공통으로 UV를 투과시키는 재질의 굴절률이 2를 넘는 정도이다. 그래서, 방사 UV의 대부분은 기판에서 출사되지 못하고 도파로 모드가 되어 내부를 전파한다. 구체적으로는 자외선 발광층으로부터 반사, 굴절을 거치지 않고 직접 외부로 추출되는 광은 발광한 광(방사 UV) 중 기판 측으로 향하는 것에 한정되고, 기판의 법선 방향에서 약 20도 정도의 원추각(apex angle)의 원뿔이 만드는 입체각 범위의 광으로 한정된다. 이 입체각은 전체의 약 8% 정도에 불과하다. 종래의 p형 컨택트층을 채용하면 나머지 성분이 외부로 추출될 가능성이 없다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is explanatory drawing which shows the concept of this embodiment. In FIG. 1, the schematic cross-sectional structure of the
이에 대해 본 발명에서는 p형 컨택트층에 UV에 대한 투과율이 높은 재료인 AlGaN, 즉 AlN과 GaN의 혼정을 채용한다. 이에 따라 전극(제2 전극, 반사 전극)으로 향하는 광의 흡수가 억제된다. p형 컨택트층을 통과하는 광에는 자외선 발광층에서 직접 향하는 방사 UV 외에 도파로 모드가 되어 내부를 전파하는 광도 포함된다. p형 컨택트층의 UV에 대한 투과율을 높이면 기존에 이용하지 못하였던 반사 전극측에 방출된 방사 UV도 기판쪽으로 향할 수 있어, 도파로 모드의 광도 쓸데없이 흡수되지 않고 이용할 수 있다. 이것이 본 실시형태의 목적이다.
On the other hand, in the present invention, AlGaN, that is, a mixed crystal of AlN and GaN, which is a material having high UV transmittance, is employed for the p-type contact layer. Accordingly, absorption of light directed to the electrode (second electrode, reflective electrode) is suppressed. The light passing through the p-type contact layer includes not only the radiation UV directed directly from the ultraviolet light emitting layer, but also the light propagating inside the waveguide mode. If the UV transmittance of the p-type contact layer is increased, the radiation UV emitted from the reflective electrode side, which has not been used before, can also be directed toward the substrate, so that the light in the waveguide mode can be used without being absorbed unnecessarily. This is the object of this embodiment.
1-1. LED 소자의 구성1-1. Configuration of LED element
도 2는 종래의 LED 소자(100) 및 본 실시형태의 LED 소자(100A)의 양자에 공통되는 개략 구성을 도시한 사시도이다. 또 도 3은 그 개략단면도이다. LED 소자(100 및 100A)에서는 대체로 평판형 α-Al2O3 단결정인 사파이어 기판(110)의 한쪽 면(104)에 버퍼층(120)이 AlN 결정 등의 재질에 따라 에피택셜 성장된다. 그 버퍼층(120)에 접하도록 자외선 발광층(130)이 배치된다. 자외선 발광층(130)의 결정도 버퍼층(120)에 대해 에피택셜 성장된다. 자외선 발광층(130)의 구성은 종래의 LED 소자(100)이든 본 실시형태의 LED 소자(100A)이든 관계 없이 공통된다. 구체적으로는 자외선 발광층(130)의 구성은 버퍼층(120)의 옆으로 n형 도전층(132), 재결합층(134) 및 p형 도전층(136)이 이 순서로 적층하여 형성되어 있다. 자외선 발광층(130)의 재질은 전형적으로는 AlGaN 또는 그것에 미량 원소(n형을 위해서는 Si, p형을 위해서는 Mg 등)을 도핑한 조성이다. n형 도전층(132)에는 제1 전극(140)이 전기적으로 접속되어 있다. 이에 대해 p형 도전층(136)에는 종래의 LED 소자(100)의 경우에는 p형 컨택트층(150), 그 위에 제2 전극(160)이 배치된다. 본 실시형태의 LED 소자(100A)의 경우에는 p형 도전층(136)에 p형 컨택트층(150A)이 형성되고, 그 위에 제2 전극(160A)이 배치된다. 제2 전극(160 또는 160A)은 각각 p형 컨택트층(150 또는 150A)을 매개로 p형 도전층(136)과 전기적 접속을 확립하고 있다. 그리고 사파이어 기판(110)의 다른 면에 있는 광 출력면(102)으로부터 광 출력(L)이 방사된다.
Fig. 2 is a perspective view showing a schematic configuration common to both the
보다 상세하게 각 층의 구성을 설명한다. 버퍼층(120)은 사파이어 기판(110)에 AlGaN의 결정을 에피택셜 성장시키기 위해 도입되었는데, 예를 들면 2μm 정도의 두께로 제작된다. 즉 사파이어 기판(110)에 양질의 AlGaN층의 결정을 형성하여 내부 발광 효율 ηIQE를 높인다고 하는 결정 성장상의 요청을 충족시키기 위해 버퍼층(120)이 채용된다. 본 실시형태의 LED 소자(100A)에서 버퍼층(120)은 이것과 같은 것으로 할 수 있다.
The configuration of each layer will be described in more detail. The
자외선 발광층(130)에 대해 n형 도전층(132)은 예를 들면 n형이 되도록 Si가 도핑된 Al0.60Ga0.40N의 층, 즉 Al0.60Ga0.40N;Si층이다. 재결합층(134)은 Al0.60Ga0.40N과 Al0.53Ga0.47N의 조성의 박막을 초격자 구조가 되도록 적층한 MQW(다중 양자 우물) 적층체이며, 재결합층(134)의 양자 우물의 수는 예를 들면 3 정도로 한다. p형 도전층(136)은 AlGaN;Mg층, 즉 p형이 되도록 Mg을 도핑한 AlGaN의 층이다. 본 실시형태의 LED 소자(100A)에서는 p형 도전층(136)에 임의 선택으로서 전자 블록층(138)이 마련되어 있어도 좋다. 그 경우 전자 블록층(138)은 예를 들면 MQB로 구성된다.
With respect to the ultraviolet
종래의 LED 소자(100)에서는 p형 컨택트층(150)은, 예를 들어 마그네슘을 도핑한 질화 갈륨인 GaN;Mg(p형 GaN이라고도 부른다)이라는 조성의 층이다. 이에 대해 본 실시형태의 LED 소자(100A)에 채용한 p형 컨택트층(150A)에서는 Al을 포함한 재질, 즉, AlN과 GaN과 혼정(AlGaN)의 재질에 Mg을 도핑한 재질로 한다(이하 이 재질을 p형 AlGaN이라고도 부른다).
In the
종래의 p형 컨택트층(150)에 p형 GaN이 채용된 것은 전극과의 전기적 접속을 확립하여 전류 주입 동작을 하기 위함이다. 그러나 전술한 것처럼 GaN;Mg은 방사 UV를 흡수하기 때문에 광 추출 효율을 악화시키는 원인이 된다. 이에 대해 본 실시형태의 p형 컨택트층(150A)은 p형 AlGaN로 함으로써 고 투과성으로 되어 UV의 흡수가 억제된다. 이 경우에도 LED 소자(100A)가 실제로 작동하는 것을 본 발명자들은 확인했다. 이 실험적 확인은 실시예에서 상세하게 설명한다.
The reason that p-type GaN is employed in the conventional p-
제1 전극(140)은 기초측으로부터 Ni/Au의 적층 구조의 금속 전극이다. 이 Ni은 오믹 컨택을 실현하기 위해 Au와 그 기초의 반도체층 사이에 삽입되어 있는 얇은, 예를 들어 25nm의 두께의 층이다.
The
종래의 LED 소자(100)의 경우 제2 전극(160)도 제1 전극(140)과 같다. 그에 반해 LED 소자(100A)에서는 제2 전극(160A)을 위해 고순도의 Al이나 Al을 주성분으로 하는 합금을 채용한다. 본 실시형태의 LED 소자(100A)에서는 p형 컨택트층(150A)의 투과율이 높아, 제2 전극(160A)이 반사성을 가지면 방사 UV를 반사시켜 효율적으로 추출할 수 있기 때문이다. 즉 제2 전극(160A)이 UV를 사파이어 기판(110)측에 돌려보내는 반사막으로서도 기능한다. 그 때문에, UV의 파장 대역에 있어서 높은 반사율이 되도록, 제2 전극(160A)('반사 전극'이라고도 함)에 금보다 높은 반사율을 보이는 Al을 주성분으로 하는 금속막을 채용한다. 또한 이 구성의 제2 전극(160A)에서도 전기적 측면에서 기초측에 삽입 금속층(162)이 되는 Ni을 삽입한다. 단 Ni의 경우는 두께가 5nm를 초과하면 UV에 대한 반사율이 낮아진다. 따라서 본 실시형태에 있어서 제2 전극(160)의 삽입 금속층(162)이 되는 Ni의 두께는 5nm보다 얇게, 바람직하게는 실질적 두께가 1nm 정도 되게 한다. 이 점도 실시예에서 상세하게 설명한다. 덧붙여 본 출원의 실시형태에서 제2 전극에 채용하는 Al은 고순도의 Al 뿐만 아니라 Al 합금을 포함하고, 양자를 포함한 막을 총칭하여 'Al을 주성분으로 하는 금속막'이라고도 부른다.
In the case of the
실제 LED 소자(100 및 100A)의 형상에 대해 보충한다. 이들은 버퍼층(120)에서 제2 전극(160 또는 160A)까지의 두께가 기껏해야 100μm, LED 소자(100 또는 100A)의 면내 사이즈가 500μm × 500μm 정도 또는 그보다 큰 사이즈의 대체로 평판 모양의 형상이다. 여기서 LED 소자(100 또는 100A)를 구성하는 재질의 방사 UV의 파장에서의 굴절률은 주위보다 상당히 크다. 사실 주위의 매체(공기나 진공 등)나 UV 투과성 매체에 의한 밀봉 부재(채용되는 경우)의 굴절률은 각각 1 및 1.5 정도이다. 이에 대해 LED 소자(100 또는 100A)를 구성하는 재질의 굴절률은 2 또는 그것을 넘는 정도이다. 이러한 형상과 굴절률에 기인하여 재결합층(134)에서 전도 캐리어의 재결합의 결과 방출된 광의 대부분은 도파로 모드의 광이 된다. 즉, LED 소자(100 또는 100A)의 평면의 법선에서 임계각을 넘어선 방향으로 향하는 광은 전반사에 의해 LED 소자(100 또는 100A)에서 출사되지 않는다. 종래의 LED 소자(100)에서는 이 도파로 모드의 광은 외부로 출사될 때까지 p형 컨택트층(150)에 흡수되기 때문에 광 출력면(102)에서 추출되는 광 출력에는 기여하지 않는다. 종래의 LED 소자(100)에서는 재결합층(134)에서 생성된 광 가운데 실효적으로 광 출력으로 되는 것은 상기 한쪽면(104)과 반대면인 광 출력면(102)으로부터 직접 출사한 광뿐이다. 직접 출사 가능한 입체각은 전방위 중 기껏해야 8% 정도여서 나머지 대부분은 p형 컨택트층(150)의 흡수의 영향을 받는다.
It supplements the shape of the
이에 대해 본 실시형태의 LED 소자(100A)에서는 재결합층(134)에서 생성되어 광 출력면(102)으로 향하는 광 외에 p형 컨택트층(150A) 측으로 향하는 광으로도 광 출력면(102)에서 추출되는 성분이 많아진다. 또 도파로 모드로 되는 광도 p형 컨택트층(150A)에 의해 흡수되지 않으면 제2 전극(160A)에 의해 반사되어 광 출력면(102)에서 추출된다. 즉, 본 실시형태의 LED 소자(100A)에서는 흡수가 적은 p형 컨택트층(150A)을 채용하고 제2 전극(160A)에 높은 반사율의 반사 전극을 채용하는 것과 함께 자외선 발광층(130)에서 양면으로 향하는 광과, 도파로 모드가 되는 광의 쌍방을 활용할 수 있다. 이것이 LED 소자(100A)에서 광 출력면(102)에서 출력하는 광의 총량을 증가시켜 광 추출 효율 ηLEE가 개선되는 이유이다.
In contrast, in the
이 관점에서 도파로 모드의 광을 더욱 효율적으로 추출하기 위한 개량도 본 실시형태에서는 유용하게 된다. 구체적으로는 실시형태의 LED 소자(100A)에서는 버퍼층(120)에 보이드를 형성하여 방사 UV를 산란시키거나 굴절시키는 등의 광의 방향 변환 작용을 하게 함으로써 LED 소자(100A)의 광 추출 효율 ηLEE를 향상시킬 수 있다. 그 버퍼층은 한 예로, 결합 기둥 AlN 버퍼라고 부르는 구조로 제작한다{도 13, 버퍼층(120B)}. 이 구조는 결정 성장상의 요청을 충족시키면서 방향 변환 작용을 발생시키는 기능을 달성하는 구조이다. 버퍼층이 결합 기둥 AlN 버퍼 등의 구조, 보다 일반적으로는 보이드를 가지고 있어도, 이들이 형성되지 않은 버퍼층(120)(도 2)과 비견되는 정도의 내부 발광 효율 ηIQE를 유지할 수 있는 것은 본 발명자들이 확인하고 있다. 이에 따라 전파하는 광의 방향을 변환하는 보이드나 기둥은 도파로 모드의 광 추출 효율 ηLEE의 향상을 가져온다. 이 점에 대해서는 변형례로서 후술한다.
From this point of view, improvements for more efficiently extracting light in the waveguide mode are also useful in the present embodiment. Specifically, in the LED element 100A of the embodiment, the light extraction efficiency η LEE of the
1-2. LED 소자의 제조 방법1-2. LED device manufacturing method
다음으로 본 실시형태의 LED 소자의 제조 방법을 설명한다. 도 4는 본 실시형태의 LED 소자(100A)의 제조 방법을 도시한 흐름도이다. 본 실시형태에 있어서 LED 소자(100A)의 제조 공정은 기판 준비 공정(S110), 버퍼층 성장 공정(S120), 자외선 발광층 형성 공정(S130), p형 컨택트층 형성 공정(S140), 전극 형성 공정(S150)을 포함하고 있다.
Next, the manufacturing method of the LED element of this embodiment is demonstrated. 4 is a flowchart showing a manufacturing method of the
먼저 기판 준비 공정(S110)에서는 사파이어 기판(110)을 준비한다. 사파이어 기판(110)은 격자 전위(dislocation)가 적은 단결정의 α-Al2O3(0001)면 배향의 기판이 바람직하다. 사파이어 기판(110)은 온도 제어 기능 및 가스 공급 기능을 갖춘 MOVPE 장치의 반응로 내에 배치된다.
First, in the substrate preparation process ( S110 ), the
다음으로 버퍼층 성장 공정(S120)에서 버퍼층(120)을 형성한다. 이 버퍼층 성장 공정(S120)은 본 실시형태에서, 일례로서 핵 결정 형성 공정(S122), 매입 공정(S124)이라는 2개 공정으로 실시된다. 핵 결정 형성 공정(S122) 및 매입 공정(S124)에서는 버퍼층(120)에서 가능한 한 양질인 결정을 실현하기 위하여 본 발명자들이 개발해 온 고품질의 결정 성장을 위한 기법을 적용하는 것이 유리하다.
Next, the
구체적으로는 핵 결정 형성 공정(S122)에서는 미소한 AlN의 결정이 형성되기 쉬운 조건에서 AlN의 미소한 결정을 성장시킨다. 생성된 결정핵은 그 후의 결정 성장의 종결정으로 기능한다. 이 방법은 암모니아를 시계열에서 간헐적으로 공급하는 MOVPE 공정('암모니아 펄스 플로 성장법'이라고 부른다)이 매우 적합하다.
Specifically, in the nucleation crystal forming step ( S122 ), minute AlN crystals are grown under conditions in which minute AlN crystals are easily formed. The produced crystal nuclei function as seed crystals for subsequent crystal growth. For this method, the MOVPE process in which ammonia is supplied intermittently in time series (called 'ammonia pulse flow growth method') is very suitable.
계속되는 매입 공정(S124)에서는 그 결정핵 사이를 채우도록 기초 결정층(도시하지 않는다)을 성장시킨다. 이 공정에서는 암모니아 펄스 플로 성장법과 동시 공급 성장법(simultaneous supply growth)을 적어도 한번씩 실행하는 것이 바람직하다. 또한 여기에서 채용하는 암모니아 펄스 플로 성장법은 핵 결정 형성 공정(S122)의 성장 조건과는 다른 성장 조건을 채용하여, 새로운 결정핵이 생성되기 어려운 대신에, 이미 형성된 결정핵의 결정에 대해 코히어런트한 횡방향(면내 방향, 무극성 방향)으로 결정 성장하기 쉬운 횡-인핸스 성장(enhanced lateral growth)이라고 부르는 조건을 채용한다. 또 동시 공급 성장법은 TMAl(tri-methyl-aluminum)과 암모니아 양쪽의 공급을 계속하면서 주로 막 두께 방향으로 빠른 속도로 성장시키는 방법이다. 이 시점의 AlN이 나중의 결정 품질에 영향을 미치는 것으로 보인다. 그래서 본 실시형태에서는 예를 들어 전술한 암모니아 펄스 플로 성장법과 동시 공급 성장법을 교대로 여러 번 반복하는 것(암모니아 펄스 플로 다단 성장법)이 바람직하다. 이러한 반복에 의해 막 두께 방향으로 연장되는 관통 전위가 줄어든다. 구체적인 성장 공정에서는 MOVPE법에 의한 결정 성장의 조건이 정밀하게 제어된다. 그 결정 성장 조건 중 본 발명자들이 특히 중요하다고 생각하는 조건은 원료 가스 중 V족 원소를 위한 가스(암모니아)와 III족 원소를 위한 가스(TMAl)의 공급 비율이다.
In the subsequent embedding process (S124), a base crystal layer (not shown) is grown so as to fill between the crystal nuclei. In this process, it is preferable to carry out the ammonia pulse flow growth method and the simultaneous supply growth method at least once. In addition, the ammonia pulse flow growth method employed here adopts a growth condition different from the growth condition of the nucleation crystal forming step ( S122 ), so that new crystal nuclei are difficult to be generated, but coherence is applied to the crystals of the already formed crystal nuclei. A condition called enhanced lateral growth is adopted, which is easy to grow crystals in a runt lateral direction (in-plane direction, non-polar direction). In addition, the simultaneous feed growth method is a method of growing at a high speed mainly in the film thickness direction while continuing to supply both TMAl (tri-methyl-aluminum) and ammonia. The AlN at this point seems to affect the later crystal quality. Therefore, in the present embodiment, for example, it is preferable to alternately repeat the above-described ammonia pulse flow growth method and simultaneous feed growth method several times (ammonia pulse flow multi-stage growth method). Through this repetition, the penetration dislocation extending in the film thickness direction is reduced. In a specific growth process, the conditions for crystal growth by the MOVPE method are precisely controlled. Among the crystal growth conditions, the condition that the present inventors consider particularly important is the supply ratio of the gas (ammonia) for the group V element and the gas (TMAl) for the group III element in the source gas.
발광층 형성 공정(S130)에서는 버퍼층(120)의 결정 격자를 템플릿으로 하여, 그 표면에 AlxGa1-xN(x는 0< x ≤ 1의 어느 하나의 값)의 조성이 주성분인 자외선 발광층(130)이 형성된다. 자외선 발광층(130)은 도 1에 도시된 것과 마찬가지로 n형 도전층(132), 재결합층(134), p형 도전층(136)을 이 순서로 버퍼층(120)에서 적층한 적층체이다. n형 도전층(132), 재결합층(134) 및 p형 도전층(136)을 형성하기 위해서는 원료 가스로 TMAl 가스, 암모니아 가스 외에 원료 가스로서 Si를 위해 TESi(tetraethyl silane), Ga를 위해 TMGa(tri-methyl-gallium) 또는 TEGa(tri-ethyl-gallium), 또한 Mg을 위해 Cp2Mg(bis-cyclopentadienyl magnesium) 등의 여러 가지 가스를 채용할 수 있다. p형 도전층(136)에 전자 블록층을 마련하는 경우에는 그 전자 블록층의 구성에 맞춰 가스 비율 등을 조정하여 성장을 수행한다.
In the light emitting layer forming process (S130), using the crystal lattice of the
그 위에 p형 컨택트 층 형성 공정(S140)에서 전기적 접속을 위한 p형 컨택트층(150A)을 형성한다. 이때에도 p형 도전층(136)을 제작하는 것과 같은 원료 가스를 채용할 수 있다. 또 종래의 p형 컨택트층(150)이면 p형 GaN를 제작하기 위하여 p형 컨택트 층 형성 공정(S140)에서는 TMAl 가스는 사용되지 않았다.
A p-type contact layer 150A for electrical connection is formed thereon in the p-type contact layer forming process (S140). Even at this time, the same source gas used for manufacturing the p-type
그 후 전극 형성 공정(S150)에 의해 전극을 형성한다. 이는 도 1에 도시된 제1 전극(140)과 제2 전극(160)을 형성하는 공정이다. 예컨대 n형 도전층(132)의 표면에는 제1 전극(140)이 형성된다. 또 p형 컨택트층(150A)의 표면에는 삽입 전극층(162)을 배치하고 그 위에 제2 전극(160A)이 형성된다.
Thereafter, an electrode is formed by an electrode forming process ( S150 ). This is a process of forming the
2. 본 실시형태의 실시예2. Examples of this embodiment
다음으로, 본 실시형태를 실시예에 따라 더욱 상세히 설명한다. 이하의 실시예에서 제시하는 재료, 사용량, 비율, 처리 내용, 처리 절차, 요소 또는 부재의 방향이나 구체적인 배치 등은 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 한 적절하게 변경할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 아래의 구체적인 예에 한정되는 것은 아니다. 다음의 설명에서는 지금까지 설명한 도면도 계속 참조하고, 이미 설명된 요소의 부호는 그대로 사용한다.
Next, the present embodiment will be described in more detail with reference to Examples. Materials, amounts used, ratios, treatment details, treatment procedures, directions, specific arrangements, and the like of elements or members presented in the following examples may be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the specific examples below. In the following description, reference is also made to the drawings described so far, and the reference numerals of the elements already described are used as they are.
2-1. 실시예 1: p형 컨택트층(150A)의 동작 가능성 확인2-1. Example 1: Confirmation of operability of the p-type contact layer 150A
본 실시형태의 실시예 1로 우선 전기적 측면에서의 동작이 가능한지 여부를 확인했다. 또한 실시예 1은 전반적으로 p형 컨택트층(150A)에는 p형 AlGaN를 이용하고 있지만, 제2 전극(160)을 위해서는 종래와 같은 반사율이 낮은 구성을 채용하고 있다.
First, in Example 1 of this embodiment, it was confirmed whether operation|movement from an electrical aspect was possible. In addition, in Example 1, p-type AlGaN is generally used for the p-type contact layer 150A, but for the second electrode 160, a configuration having a low reflectance as in the prior art is adopted.
도 5는 본 실시형태의 p형 컨택트층에 AlGaN를 채용하여 동작시킨 실시예(실시예 1)에서 p형 컨택트층의 AlN 혼정 조성비를 변경한 샘플의 전류 밀도에 대한 외부 양자 효율 ηEQE의 의존성을 도시한 그래프이다. 측정은 실온에서 연속 발광으로 수행하였다. 이하, 실시예를 위해 제작한 샘플을 실시예 샘플 E1 등으로 부르고, 비교예를 위해 제작한 샘플을 비교예 샘플 C1이라고 부른다. 각 샘플의 제작 조건을 표 1에 발췌하여 나타낸다. 또한 p형 도전층(136)은 MQB의 전자 블록층(138) 만으로 구성했다.
Fig. 5 shows the dependence of the external quantum efficiency η EQE on the current density of a sample in which the AlN mixed crystal composition ratio of the p-type contact layer is changed in the example (Example 1) in which AlGaN is employed for the p-type contact layer of this embodiment. is a graph showing Measurements were carried out with continuous light emission at room temperature. Hereinafter, the sample prepared for the Example is called Example Sample E1 etc., and the sample prepared for the Comparative Example is called Comparative Example Sample C1. The preparation conditions of each sample are extracted and shown in Table 1. In addition, the p-type
[표 1][Table 1]
각 샘플에서는 전술한 제조 방법에 따라 LED 소자를 제작했다. 실시예 1에서는 비교예 샘플 C1 및 실시예 샘플 E1 ~ E3를 제작했다. 이들 샘플은 모두 발광 파장(방사 UV의 주요 파장)이 265nm가 되도록 제작하고, p형 도전층(136)에는 다중 양자 장벽(MQB)의 전자 블록층(138)을 마련했다. 또 모두 제2 전극(160)은 종래와 같은 Ni/Au로 했다(위에서 설명함). 각 샘플에서는 p형 컨택트층만을 다르게 만들었다. 구체적으로는 비교예 샘플 C1에서는 종래의 p형 컨택트층(150)에 p형 GaN를 채용했다. p형 GaN에서는 AlN 혼정 조성비가 0%이다. 이에 비해 실시예 샘플 E1 ~ E3에서는 p형 컨택트층(150A)에 p형 AlGaN를 채용했다. AlN 혼정 조성비는 차례로 47%, 56% 및 60%이다. 각 p형 컨택트층과 같은 조성 및 같은 성막 조건에 따라 두꺼운 막을 성막하여 실온에서의 광 발광(photo luminescence)을 측정하여 구한 조성 파장도 도 1에 병기하고 있다. 또 이들 샘플의 전류 밀도에 대한 외부 양자 효율 ηEQE의 측정치가 도 5의 그래프에 명시되어 있다.
In each sample, an LED device was manufactured according to the above-described manufacturing method. In Example 1, Comparative Example Sample C1 and Example Samples E1 to E3 were produced. All of these samples were manufactured so that the emission wavelength (the main wavelength of radiation UV) was 265 nm, and the
도 5에 도시된 바와 같이 실시예 샘플 E1 ~ E3이 LED 소자로서 충분히 동작하는 것이 확인됐다. 비교예 샘플 C1 및 실시예 샘플 E1 ~ E3의 경향은 전기적 측면에서 비교예 샘플 C1이 가장 우위이고, AlN 혼정 조성비가 증가하는 실시예 샘플 E1, E2, E3의 순으로 열등하게 되는 결과가 되었다. 즉 비교예 샘플 C1이 가장 높은 외부 양자 효율 ηEQE를 보였다. 다만 중요한 것은 실시예 샘플 E1, E2 및 E3의 어느 LED 소자도 동작에 지장이 없는 점이다.
As shown in FIG. 5 , it was confirmed that Example Samples E1 to E3 were sufficiently operated as LED devices. Comparative Example Sample C1 and Example Samples E1 to E3 tended to have the highest electrical potential in Comparative Example Sample C1, and Example Samples E1, E2, and E3, in which the AlN mixed crystal composition ratio increased, were inferior in that order. That is, Comparative Example Sample C1 showed the highest external quantum efficiency η EQE . However, it is important to note that none of the LED elements of Example Samples E1, E2, and E3 have a problem in operation.
다음으로 살균 용도의 파장(260 ~ 280nm)의 범위에서 약간 장파장 측으로 파장을 이동시킨 발광 파장 277nm인 LED 소자를 대상으로 하여 같은 종류의 경향을 조사했다. 도 6은 본 실시형태에서 p형 컨택트층에 AlGaN를 채용하여, p형 컨택트층의 AlN 혼정 조성비를 정밀하게 변경한 실시예의 전류 밀도에 대한 외부 양자 효율 ηEQE의 의존성을 도시한 그래프이다. 도 5와 도 6에서는 p형 컨택트층의 조성 파장이 발광 파장보다 긴 것(도 5)과 짧은 것(도 6)이라는 차이가 있다. 즉, 실시예 샘플 E4 및 E5는 p형 컨택트층(150A)의 AlN 혼정 조성비 x를 조성 파장이 발광 파장보다 짧아지게 되는 범위에서 변화시킨 샘플이다. 이들의 샘플의 조건도 표 1에 기재되어 있다. 측정은 도 5와 동일하게 실온에서 연속 발광으로 수행됐다. AlN 혼정 조성비 x가 60% 및 63%인 실시예 샘플 E4 및 E5 각각의 p형 컨택트층(150A)을 대상으로 조성 파장을 구한 결과, 각각 270 및 265nm이었다.
Next, the same kind of trend was investigated by targeting an LED element with an emission wavelength of 277 nm, which was slightly shifted to a longer wavelength in the wavelength range for sterilization (260 to 280 nm). 6 is a graph showing the dependence of the external quantum efficiency η EQE on the current density in an example in which AlGaN is employed for the p-type contact layer in the present embodiment and the AlN mixed crystal composition ratio of the p-type contact layer is precisely changed. 5 and 6, there is a difference in that the composition wavelength of the p-type contact layer is longer (FIG. 5) and shorter (FIG. 6) than the emission wavelength. That is, Example samples E4 and E5 are samples in which the AlN mixed crystal composition ratio x of the p-type contact layer 150A is changed in a range where the composition wavelength becomes shorter than the emission wavelength. The conditions for these samples are also listed in Table 1. The measurement was performed with continuous light emission at room temperature in the same manner as in FIG. 5 . The composition wavelengths of the p-type contact layers 150A of Example Samples E4 and E5 having AlN mixed crystal composition ratio x of 60% and 63%, respectively, were found to be 270 and 265 nm, respectively.
발광 파장보다 짧은 파장을 p형 컨택트층(150A)의 조성 파장으로 하고 있는 실시예 샘플 E4 및 E5의 LED 소자는 모두 차질 없이 동작했다. 본 발명자가 아는 한 실제로 동작이 확인된 DUV의 LED 소자에서 p형 컨택트층(150A)의 AlN 혼정 조성비 x가 가장 큰 구성이다. 또 약 3%의 외부 양자 효율 ηEQE는 발광 파장 277nm의 LED 소자로 봐도 충분히 높다고 할 수 있다. 또 이들의 샘플에서도 동일한 방사 UV의 파장에 대해 AlN 혼정 조성비 x가 증가하면 외부 양자 효율 ηEQE가 저하하는 관계가 확인됐다.
The LED elements of Examples Samples E4 and E5 in which a wavelength shorter than the emission wavelength as the composition wavelength of the p-type contact layer 150A operated without any problem. As far as the present inventor knows, the AlN mixed crystal composition ratio x of the p-type contact layer 150A is the largest in the DUV LED device whose operation has been actually confirmed. In addition, it can be said that the external quantum efficiency η EQE of about 3% is sufficiently high even for an LED device with an emission wavelength of 277 nm. Also, in these samples, it was confirmed that the external quantum efficiency η EQE decreases when the AlN mixed crystal composition ratio x increases for the same wavelength of radiation UV.
실시예 샘플 E4 및 E5의 p형 컨택트층(150A)은 둘 다 277nm의 파장에 대해서는 일정 정도의 투과성을 나타내지만, AlN 혼정 조성비 x가 증가함에 따라서(조성 파장이 짧아짐에 따라) 투과율이 높게 되는 것이 기대된다. 다만 AlN 혼정 조성비 x를 지나치게 증대시킨다고 반드시 좋은 결과가 되지는 않는다. AlN 혼정 조성비 x를 증대시킴에 따른 전기적 접속에 기인하는 폐해, 구체적으로는 p형 컨택트층(150A)의 홀 농도의 부족이 문제가 되기 시작한다. 즉 p형 컨택트층(150A)의 AlN 혼정 조성비 x는 방사 UV의 파장에 따라 적절하게 조정되어야 한다고 말할 수 있다. 유의해야 할 것은 제2 전극(160)도 반사를 기대할 수 없는 Ni/Au구성임에도 불구하고 도 6과 같은 충분한 동작 가능성이 확인된 것이다. p형 컨택트층의 전기적 측면의 문제는 대처 가능하다.
Both of the p-type contact layers 150A of Example samples E4 and E5 exhibit a certain degree of transmittance to a wavelength of 277 nm, but as the AlN mixed crystal composition ratio x increases (as the composition wavelength becomes shorter), the transmittance becomes high. that is expected However, excessively increasing the AlN mixed crystal composition ratio x does not necessarily give good results. A negative effect due to electrical connection due to an increase in the AlN mixed crystal composition ratio x, specifically, a lack of hole concentration in the p-type contact layer 150A starts to become a problem. That is, it can be said that the AlN mixed crystal composition ratio x of the p-type contact layer 150A should be appropriately adjusted according to the wavelength of the radiation UV. It should be noted that, although the second electrode 160 has a Ni/Au configuration in which reflection cannot be expected, sufficient operability as shown in FIG. 6 is confirmed. The problem of the electrical aspect of the p-type contact layer can be dealt with.
이상과 같이 Al을 조성에 포함한 p형 컨택트층(150A)을 이용해도 동작이 충분히 가능하다는 것을 확인했다. 또 이때의 발광 파장과 조성 파장에서 규정되는 p형 컨택트층(150A)의 Al 조성과의 관계에 대해서도 지식을 얻었다.
As described above, it was confirmed that the operation was sufficiently possible even with the p-type contact layer 150A including Al in the composition. In addition, knowledge was also obtained about the relationship between the emission wavelength at this time and the Al composition of the p-type contact layer 150A defined by the composition wavelength.
2-2. 실시예 2: p형 컨택트층(150A)의 투과 특성 2-2. Example 2: Transmission characteristics of the p-type contact layer 150A
다음으로 실시예 2로서, p형 컨택트층(150A)에 채용되는 재질의 광학적 특성을 확인하기 위해 p형 컨택트층(150A)을 위한 재질의 투과율을 측정했다. 도 7은 p형 컨택트층(150A)과 동일한 막의 투과 스펙트럼을 실측한 그래프이다. 측정 샘플의 막은 에피택셜 성장을 위한 AlN 버퍼층이 형성된 사파이어 기판의 해당 버퍼층에 대해 AlN 혼정 조성비 x를 0.6(60%, 조성 파장 270nm)으로 하는 p형 컨택트층(150A)을 위한 성막 조건에서 AlGaN를 형성한 것이다. 투과율 측정용 샘플에서는 측정의 정밀도를 높이기 위해 AlGaN의 두께를 p형 컨택트층(150A)에 실제로 채용하는 두께의 2배로 했다. 또 계면 반사의 영향을 포함하지 않는 내부 투과율 값을 산출하기 위해 반사율도 동시에 측정했다. 그 결과, 투과율 측정용 샘플에서는 AlN 혼정 조성비 x가 0.6인 경우(조성 파장이 270nm인 조성의 경우), 279nm에서 94%의 높은 투과율이 된다는 것을 확인했다. 두께가 2배인 막에 대한 이 값은 AlN 혼정 조성비 x가 0.6인 경우의 p형 컨택트층(150A)의 내부 투과율이 279nm에서 97%인 것에 상당한다. 덧붙여 279nm의 방사 UV의 파장은 다른 실시예에서 나타내 보이게 실현 가능하다. 또 0.6이라는 AlN 혼정 조성비 x는 실시예 1에서 설명했듯이 전기적 측면에서의 동작에 차질이 생기지 않은 값이다. 이처럼 p형 컨택트층(150A)의 내부 투과율로 방사 UV의 파장에서 90%를 초과하고, 또 95%를 웃도는 높은 값을 확인했다. 또 측정치는 도시되지 않았지만 AlN 혼정 조성비 x(조성 파장)를 변경함으로써, 투과율이 급격히 떨어지는 파장(흡수단)이 이동하는 것을 확인했다.
Next, as Example 2, the transmittance of the material for the p-type contact layer 150A was measured in order to confirm the optical properties of the material employed for the p-type contact layer 150A. 7 is a graph in which the transmission spectrum of the same film as that of the p-type contact layer 150A is measured. The film of the measurement sample was formed from AlGaN under the film formation conditions for the p-type contact layer 150A with the AlN mixed crystal composition ratio x 0.6 (60%,
다음으로 발광 파장과 그에 적절한 p형 컨택트층(150A)의 AlN 혼정 조성비와의 관계를 밝혔다. 전술한 것처럼 전기적 측면에서는 AlN 혼정 조성비가 가능한한 작은 값이 바람직하다. 한편, 투과율이 높은 p형 컨택트층(150A)을 실현하기 위해 AlN 혼정 조성비에는 하한치가 존재한다. 본 출원 발명자들은 AlN 혼정 조성비로서 바람직한 값의 범위를 LED 발광 파장과 대응시키기로 했다. 도 8은 본 실시형태에 채용하는 p형 컨택트층을 위한 AlN 혼정 조성비의 발광 파장에 대한 의존성을 도시한 설명도이다.
Next, the relationship between the emission wavelength and the AlN mixed crystal composition ratio of the p-type contact layer 150A appropriate thereto was revealed. As described above, from an electrical point of view, the AlN mixed crystal composition ratio is preferably as small as possible. On the other hand, in order to realize the p-type contact layer 150A having high transmittance, the AlN mixed crystal composition ratio has a lower limit. The inventors of the present application have decided to make the range of the preferable value as the AlN mixed crystal composition ratio correspond to the LED emission wavelength. 8 is an explanatory diagram showing the dependence of the AlN mixed crystal composition ratio on the emission wavelength for the p-type contact layer employed in the present embodiment.
본 출원의 LED 소자의 전형적인 용도 중 하나로 상정할 수 있는 살균 용도에서는 LED의 발광 파장이 260nm ~ 280nm인 것이 바람직하다. 260nm 및 280nm의 발광 파장의 LED 각각에서, p형 컨택트층(150A)에 채용하는 AlGaN의 AlN 혼정 조성비를 각각 70% 이상 및 58% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 다만 이 사상은 260nm ~ 280nm 이외의 발광 파장의 LED에 대해서도 적용할 수 있는데, 그것을 보여 주는 것이 도 8이다. 구체적으로는 AlN 혼정 조성비 x가 발광 파장(방사 UV의 주요 파장)의 값을 W(nm)로서In the sterilization use, which can be assumed as one of the typical uses of the LED device of the present application, it is preferable that the emission wavelength of the LED is 260 nm to 280 nm. In each of the LEDs having emission wavelengths of 260 nm and 280 nm, the AlGaN mixed crystal composition ratio of AlGaN employed for the p-type contact layer 150A is preferably 70% or more and 58% or more, respectively. However, this idea can also be applied to LEDs of emission wavelengths other than 260 nm to 280 nm, which is shown in FIG. 8 . Specifically, the AlN mixed crystal composition ratio x is the value of the emission wavelength (the main wavelength of radiation UV) as W (nm).
xmin = -0.0060W + 2.26x min = -0.0060 W + 2.26
에 의해 구해지는 하한치 xmin 이상의 값으로 되어 있으면 바람직하다. 도 8에서 해칭된 영역의 AlN 혼정 조성비 x를 각 파장에서 채용하는 것이 바람직하고, 위 수식의 xmin은 직선으로 도시되어 있다.
The lower limit value obtained by the preferable if it is more than the value x min. It is preferable to employ the AlN mixed crystal composition ratio x in the region hatched in FIG. 8 at each wavelength, and x min in the above equation is shown by a straight line.
2-3. 실시예 3: 제2 전극(160A)의 반사 특성2-3. Example 3: Reflection characteristics of the
다음으로 실시예 3으로서 제2 전극(160A)(반사 전극)에 의한 반사의 증강을 시험해 보았다. 도 9는 삽입 금속층과 제2 전극(반사 전극)을 위한 각종 금속막에 대한 반사 스펙트럼이다. 측정은 p형 컨택트층(150A)에 형성된 제2 전극의 p형 컨택트층(150A) 측에서 입사 및 반사를 위한 측정치를 얻기 위해 사파이어 기판에 금속막을 형성하고, 사파이어 기판 측에서 금속막에 입사한 광에 대한 반사 스펙트럼을 측정했다. 사파이어 기판에 Al판만 충분한 두께로 형성한 경우에는 예를 들면 270nm에서 91% 정도의 반사율이 측정됐다. 이에 대해 종래의 제2 전극(160)으로서 채용되어 온 Ni(25nm)/Au(150nm)에서는 270nm에서 30% 정도의 반사율이었다. 또한 Ni(25nm)/Au(150nm)은 우선 삽입 금속층으로서 Ni를 25nm 두께만 형성하고, 그 Ni층에 접하여 Au를 150nm 두께로 형성한 금속막이다. 즉, 종래의 제2 전극(160)에는 개선의 여지가 있다. 본 발명자들은 Al의 높은 반사율을 가능한 한 유지하면서 삽입 금속층으로서 이용되는 Ni의 효과를 검토했다.
Next, as Example 3, enhancement of reflection by the
우선 Ni를 5nm로 하고 거기에 100nm의 Al을 피복한 결과 270nm에서 약 34%로 Ni/Au와 큰 차이가 없는 반사율에 그쳤다. 그래서 문제가 Ni의 낮은 반사율이라고 추측하여 Ni를 얇게 1nm 두께로 한 결과 100nm의 Al과 조합해 약 64%의 반사율을 얻었다. Al의 두께를 더 이상 증가시켜도 실질적으로 변화가 없었다. 역으로 알루미늄을 얇게, 예를 들어 50nm로 한 경우 반사율이 47% 정도로 떨어졌다. 이로부터 삽입 금속층(162)인 니켈은 실질적으로 두께가 1nm 정도가 되도록 하여 제2 전극(160A)에 Al을 채용하면 양호한 반사율이 실현되는 것을 확인했다. 제2 전극(160A)의 Al은 두껍게 형성하는 것이 전기적 측면에서도 반사율에서도 유리하다.
First, Ni was 5 nm and 100 nm of Al was coated thereon. As a result, the reflectance was only about 34% at 270 nm, not significantly different from Ni/Au. So, I guess the problem is the low reflectance of Ni, and as a result of making Ni thinly 1 nm thick, it was combined with 100 nm Al to obtain a reflectance of about 64%. Further increasing the thickness of Al did not change substantially. Conversely, when aluminum was thinned, for example, to 50 nm, the reflectance dropped to about 47%. From this, it was confirmed that good reflectance was realized when Al was adopted for the
도 9의 그래프는 반사율을 측정하기 위한 샘플의 것이지만 본 발명자들은 실제 LED 소자에서도 같은 경향이 있는 것으로 생각한다. 즉, 실제 LED 소자에서도 Ni/Au의 구성의 제2 전극은 10 ~ 30% 정도의 낮은 반사율을 보여 Ni/Al 구성으로 하면 64% 정도는 확보 가능한 것으로 생각한다. 또한 Pd, Pt, Ag, Ti 등의 컨택트 금속의 선택과 그 막 두께의 제어를 행함으로써 70% 이상의 높은 반사율도 기대할 수 있다.
Although the graph of FIG. 9 is of a sample for measuring reflectance, the present inventors believe that the same trend is observed in an actual LED device. That is, even in an actual LED device, the second electrode of the Ni/Au configuration shows a low reflectance of about 10 to 30%, so it is considered that about 64% can be secured if the Ni/Al configuration is used. In addition, by selecting a contact metal such as Pd, Pt, Ag or Ti and controlling the film thickness thereof, a high reflectance of 70% or more can be expected.
2-4. 실시예 4: LED 소자(100A)에서의 실증2-4. Example 4: Demonstration in
다음으로 실시예 4로서 투과율을 높인 p형 컨택트층(150A) 및 반사율이 높아진 제2 전극(160A)을 조합한 LED 소자(100A)의 실용성을 실증했다. 구체적으로는 LED 소자(100A)에서 광 추출 효율 ηLEE가 실제로 높아지는 것 및 외부 양자 효율 ηEQE이 높아지는 것을 확인했다. 또한 실시예 4의 LED 소자(100A)의 샘플에서는 지금까지의 실시예 샘플에서 MQB의 최적화를 도모했다. 이는 p형 컨택트층(150A)에 있어서 투과율을 높이는 것, 즉 AlN 혼정 조성비 x가 증가됨에 따라 홀 농도가 부족하여 전자의 누설(오버 플로우)이 생기기 쉬워져 전자 주입 효율 ηEIE의 저하가 우려되기 때문이고, 또한 본 실시형태의 LED 소자(100A)가 가진 가능성을 끌어내기 위한 것이다. 최적화의 구체적 내용은 p형 도전층(136)에 배치하는 MQB의 장벽 높이를 증대시켜 전자 블록 효과를 증강했다. 투과율을 높인 p형 컨택트층(150A)은 비록 그것에 의한 전자 주입 효율 ηEIE의 저하라고 하는 전기적 측면에서의 불리가 생기더라도 MQB 등의 전자 블록층에 의해 대처 가능하다.
Next, as Example 4, the practicality of the
도 10은 본 실시예에서 제2 전극(반사 전극)만을 서로 다르게 하여 특성이 향상된 모습을 도시한 실측 그래프이다. 또 도 11에는 제2 전극(반사 전극)을 높은 반사율의 것으로 변경했을 때 외부 양자 효율 ηEQE가 변화하는 모습을 도시한다. 구체적으로는 도 11(a)는 변화를 산출하는 비교 대상 샘플의 모습을 모식적으로 도시한 설명도, 도 11(b)는 그 그래프이다. 각 샘플의 조건은 표 1에 기재되어 있다. 본 발명자들은 투과율을 높인 p형 컨택트층(150A) 및 반사율이 높아진 제2 전극(160A)의 조합으로 광 추출 효율 ηLEE가 높아지는 것을 실증하기 위해 도 11(a)에 모식적으로 도시한 바와 같이 제2 전극의 재질만을 변경한 샘플을 제작하여 변경 전후에서 광 추출 효율 ηLEE의 변화를 조사했다.
10 is an actual measurement graph illustrating a state in which characteristics are improved by making only the second electrode (reflecting electrode) different from each other in the present embodiment. Moreover, when the 2nd electrode (reflecting electrode) is changed to the thing of high reflectance in FIG. 11, it shows a mode that external quantum efficiency η EQE changes. Specifically, Fig. 11(a) is an explanatory diagram schematically showing the state of a comparison target sample for which a change is calculated, and Fig. 11(b) is a graph thereof. The conditions for each sample are listed in Table 1. The present inventors have demonstrated that the light extraction efficiency η LEE is increased by the combination of the p-type contact layer 150A with increased transmittance and the
구체적으로는 제2 전극이 Ni/Au인 것(실시예 샘플 E6)과 Ni/Al인 것(실시예 샘플 E7)을 대상으로 전류 밀도와 외부 양자 효율 ηEQE의 관계를 조사했다(도 10). 이들 샘플은 모두 발광 파장이 279nm가 되도록 자외선 발광층(130)을 제작하고 조성 파장이 270nm인 p형 컨택트(150A)(AlN 혼정 조성비 x가 60%)를 채용한 것으로 실온의 연속 동작에 의해 측정을 행하고 있다. 도 10에 도시한 바와 같이 제2 전극을 Ni/Au(E6)에서 Ni/Al(E7)로 하는 것에 의해, 외부 양자 효율 ηEQE의 최대치가 4.1%에서 7.0%로 약 1.67배가 되는 것을 확인했다.
Specifically, the relationship between the current density and the external quantum efficiency η EQE was investigated for the second electrode of Ni/Au (Example Sample E6) and Ni/Al (Example Sample E7) ( FIG. 10 ). . For all of these samples, the ultraviolet
이것은 직접적으로는 두 가지 점에서 중요하다. 우선 살균 용도의 파장인 발광 파장 279nm에 대해 실제로 7.0%의 외부 양자 효율 ηEQE가 실현되고 있다는 점에서 중요하다. 또 하나는 LED 소자(100)와 LED 소자(100A)를 대비하는 것에 의해, 제2 전극의 반사율의 차이가 p형 컨택트(150A)의 투과율의 높음 때문에 실제 LED 소자에 반영된 것을 실제로 확인한 점에서 중요하다. 본 실시예에 따라 투과성을 높이기 위해 60%의 AlN 혼정 조성비로 한 p형 컨택트(150A)에서 반사율을 높인 제2 전극을 조합해 광 추출 효율 ηLEE가 증대하는 것이 현실로 확인됐다.
This is directly important for two reasons. First, it is important in that an external quantum efficiency η EQE of 7.0% is actually realized for the emission wavelength 279 nm, which is a wavelength for sterilization applications. Another important point is that by contrasting the
도 10의 결과는 더욱 LED 소자의 동작에서의 p형 컨택트(150A)의 조성과 발광 파장의 상세한 관계를 시사하고 있는 점에서도 중요하다. 도 10으로부터는, 발광 파장 279nm에 대해 조성 파장이 270nm(AlN 혼정 조성비 x가 60%)인 AlGaN의 p형 컨택트(150A)가 높은 투과율을 가지고 있는 것 및 제2 전극(160A)의 높은 반사율이 실제로도 실현되고 있음을 보여 준다. 여기서 도 7에 관련해서 설명했듯이 p형 컨택트(150A)의 투과율의 파장 의존성은 그 AlN 혼정 조성비 x(조성 파장)에 의존한다. 따라서 제2 전극에 의한 외부 양자 효율 ηEQE의 개선 효과가 p형 컨택트(150A)의 조성과 발광 파장과의 조합에 의존한다. 이런 점에 착안하여 도 10을 위해 채용된 발광 파장(279nm) 이외 파장에 대해서도 제2 전극의 반사율에 의한 외부 양자 효율 ηEQE의 개선 효과를 조사한 것이 도 11(b)이다. 이 개선 효과를 나타내는 값을 '광 추출비(LEE Enhancement Factor)'라고 부른다. 광 추출비는 반사율이 높아진 제2 전극(Ni/Al, Ni를 1nm로 한 것)의 경우의 외부 양자 효율 ηEQE를 제2 전극이 반사율이 낮은 종래의 것(Ni/Au)인 경우의 외부 양자 효율 ηEQE로 나눈 값이다. 여기서 조사 대상 샘플은 p형 컨택트층(150A)의 재질을 고정하고(조성 파장 270nm, AlN 혼정 조성비 x가 60%), 발광 파장이 다른 샘플을 제작했다. 도 11(b)에 그 결과를 도시했다. 도 11(b)에는 6파장의 발광 파장(279, 277, 275, 273, 271 및 265nm)에 대한 광 추출비를 나타냈다. 또한 발광 파장 279nm의 값은 도 10과 동일한 실시예 샘플 E6 및 E7의 조합에서 얻어진 것이다.
The result of Fig. 10 is also important in that it suggests a detailed relationship between the composition of the p-type contact 150A and the emission wavelength in the operation of the LED element. From Fig. 10, it can be seen that the AlGaN p-type contact 150A having a composition wavelength of 270 nm (AlN mixed crystal composition ratio x is 60%) has a high transmittance with respect to the emission wavelength of 279 nm, and the high reflectance of the
도 11(b)에 도시된 바와 같이 p형 컨택트층(150A)의 조성 파장(270nm)을 경계로 발광 파장이 단파장인 구성에서는 광 추출비가 1.3 ~ 1.4 정도의 값이었다. 이에 대해 발광 파장이 조성 파장보다 장파장이 되면 광 추출비가 증가하여 최대 1.7 정도의 광 추출비가 됐다.
As shown in FIG. 11( b ), in the configuration in which the emission wavelength is short with respect to the composition wavelength (270 nm) of the p-type contact layer 150A, the light extraction ratio was a value of about 1.3 to 1.4. In contrast, when the emission wavelength is longer than the composition wavelength, the light extraction ratio increases, resulting in a maximum light extraction ratio of about 1.7.
이 결과는 제2 전극의 반사율의 외부 양자 효율 ηEQE에 대한 기여가 p형 컨택트층(150A)의 투과율이 낮으면 작게 되고 반대로 투과율이 높으면 크게 된다고 하는 이해를 지지하고 있다. 특히 도 7에 도시된 투과 스펙트럼을 적용해 보면 이 점은 이해가 쉬워진다. 즉 제2 전극의 금속 박막의 반사 스펙트럼이 도 9에 도시된 것처럼 파장에 대해 완만한 변화밖에 보이지 않는 것에 대해, p형 컨택트층(150A)의 투과 스펙트럼은 도 7에 도시된 것처럼 파장에 대해 급격하게 변화하고 있다. 도 11(b)에 도시된 것처럼 광 추출비의 발광 파장 의존성도 조성 파장 부근을 경계로 급격하게 변화하고 있어, p형 컨택트층(150A)의 투과율이 광 추출 효율 ηLEE에 큰 기여를 하는 것을 보여준다. 이렇게 투과율을 높인 p형 컨택트층(150A)이 광 추출 효율 ηLEE의 향상에 크게 기여하는 것을 확인했다.
This result supports the understanding that the contribution of the reflectance of the second electrode to the external quantum efficiency η EQE becomes small when the transmittance of the p-type contact layer 150A is low and, conversely, becomes large when the transmittance is high. In particular, this point becomes easy to understand when the transmission spectrum shown in FIG. 7 is applied. That is, while the reflection spectrum of the metal thin film of the second electrode shows only a gentle change with respect to the wavelength as shown in FIG. 9 , the transmission spectrum of the p-type contact layer 150A is sharp with respect to the wavelength as shown in FIG. 7 . is changing drastically As shown in Fig. 11(b), the emission wavelength dependence of the light extraction ratio also changes rapidly around the composition wavelength, so that the transmittance of the p-type contact layer 150A contributes greatly to the light extraction efficiency η LEE. show It was confirmed that the p-type contact layer 150A having such an increased transmittance greatly contributed to the improvement of the light extraction efficiency η LEE .
또 p형 컨택트층(150A)의 재질을 고정하여 발광 파장을 변경하는 것에 의한 확인도 실시했다. 도 12는 공통하는 조성의 p형 컨택트층에 대해 다른 발광 파장의 자외선 발광층을 채용한 경우의 실측 특성을 도시한 그래프이다. 도 12(a)는 전류 밀도에 대한 외부 양자 효율 ηEQE의 의존성을 도시하고, 도 12(b)는 거의 최대의 외부 양자 효율 ηEQE가 얻어진 20mA/cm2의 전류 밀도인 때의 발광 스펙트럼을 도시한다. 구체적으로는 도 12는 제2 전극에 Ni/Al을 채용하여 발광 파장을 279nm로 한 실시예 샘플 E7에 더하여, 도 11을 위한 발광 파장을 277, 275nm로 한 샘플(실시예 샘플 E8 및 E9)도 더하여 외부 양자 효율 ηEQE의 전류 밀도 의존성을 나타낸다. 확인된 것은, 하나에는 p형 컨택트(150A)의 조성 파장(이들의 샘플에 대해 모두 270nm)을 고정하여 발광 파장을 변화시켜도 해당 조성 파장에 비해 긴 파장의 발광 파장에 대해서는 높은 외부 양자 효율 ηEQE를 얻을 수 있다는 것이다. 이 점이 실제의 외부 양자 효율 ηEQE의 값에 따라 확인됐다. 또 하나 확인된 것은 수량적인 관계이다. 조성 파장(270nm)에 비해 5nm 긴 발광 파장의 경우(실시예 샘플 E9)에 비해 7nm 긴 발광 파장(E8)에서는 외부 양자 효율 ηEQE의 최대치가 크게 높아지는 것과 9nm 긴 발광 파장(E7)에서는 외부 양자 효율 ηEQE의 최대치가 더 높아지는 것도 확인했다. 발광 파장에서 조성 파장을 감산한 값은 7nm 정도로 하는 것이 바람직하고, 해당 값을 9nm 정도로 하는 것이 더욱 바람직하다.
In addition, confirmation was also performed by fixing the material of the p-type contact layer 150A and changing the emission wavelength. Fig. 12 is a graph showing measured characteristics in the case where ultraviolet light emitting layers having different emission wavelengths are employed for p-type contact layers of a common composition. 12 (a) is an external quantum efficiency η EQ showing the dependence of the E, and Figure 12 (b) is substantially maximum external quantum efficiency η luminescence spectra when the EQE is the current density of the obtained 20mA / cm 2 for the current density shows Specifically, FIG. 12 shows samples having emission wavelengths of 277 and 275 nm for FIG. 11 (Example Samples E8 and E9) in addition to Example Sample E7 in which Ni/Al was used for the second electrode and the emission wavelength was 279 nm. also shows the current density dependence of the external quantum efficiency η EQE . It has been confirmed that, even when the emission wavelength is changed by fixing the composition wavelength of the p-type contact 150A (both 270 nm for these samples) to one, high external quantum efficiency η EQE for the emission wavelength of a longer wavelength than the composition wavelength that you can get This was confirmed according to the value of the actual external quantum efficiency η EQE . Another thing that has been confirmed is the quantitative relationship. In the case of the emission wavelength 5 nm longer than the composition wavelength (270 nm) (Example sample E9), the maximum value of external quantum efficiency η EQE becomes significantly higher at the emission wavelength E8 7 nm longer than in the case of the emission wavelength E9 of the example sample E9, and the external quantum efficiency at the emission wavelength E7 9 nm long It was also confirmed that the maximum value of the efficiency η EQE was higher. The value obtained by subtracting the composition wavelength from the emission wavelength is preferably about 7 nm, and more preferably about 9 nm.
3. 변형례3. Variant
전술한 본 발명의 실시형태는 여러 가지 변형을 동반하는 형태에 의해 실시하는 것도 좋다. 특히 p형 컨택트(150A)의 투과율이 높아지고 제2 전극(160)의 반사율이 높아지면 도파로 모드에 의해 LED 소자(100A)의 내부를 전파하는 광을 외부로 추출하기 위한 방안이 모두 효과적으로 작용하게 된다. 또 전기적 측면에서의 대책도 변형이 가능하다.
The above-described embodiment of the present invention may be implemented by a form accompanied by various modifications. In particular, when the transmittance of the p-type contact 150A increases and the reflectivity of the second electrode 160 increases, all methods for extracting the light propagating inside the
3-1. 변형례 1: 보이드를 가진 AlN 버퍼층3-1. Variant 1: AlN buffer layer with voids
변형례 중 하나가 버퍼층에 보이드(공극)를 마련하는 것이다. 보이드는 굴절, 산란 등 현상을 불러 전파하는 광의 방향을 변화시키는 방향 변환 작용을 발휘한다. 도 13은 본 실시형태의 한 변형례에서 얻어지는 LED 소자의 구성을 나타내는 단면도이며, 보이드(V)가 형성되는 변형례이다. 보이드(V)는 버퍼층(120B)의 결정 성장 공정에서 형성된다. 그 형성을 위한 전형적인 방법으로 사파이어 기판(110A)의 표면에 패터닝에 의해 고저차가 형성되어 있다. 버퍼층(120B)을 형성할 때, 사파이어 기판(110A)의 높은 곳(凸부)에서 결정 성장 속도가 빠르고 낮은 곳(凹부)에서 늦어진다. 이 현상을 이용하면 버퍼층(120B)을 성장시키는 과정에서 위치 선택적으로 결정 성장을 촉진 또는 억제할 수 있다. 또한 버퍼층(120B)의 결정 성장의 조건에서, 면내 방향으로 성장이 촉진되는 조건을 적용하면, 보이드(V)를 성장과 함께 막도록 하여 연속한 결정이 되는 버퍼층(120B)을 성막할 수 있다. 이렇게 하여 보이드를 포함하도록 된 버퍼층(120B)에서는 LED 소자(100B)에서 방사 UV가 출사할 때 임계각 이상으로 경사하여 도파로 모드가 되어 전파되는 광의 방향을 에너지 손실을 수반하지 않고 변화시킬 수 있다. p형 컨택트(150A)가 강하게 흡수할 경우 거기에 입사한 도파로 모드가 광도 흡수해 버린다. 본 실시형태의 LED 소자(100A)의 구성에서는 p형 컨택트(150A)가 흡수하기 어렵기 때문에 제2 전극(160)의 반사 기능과 맞물려 도파로 모드가 된 광을 다시 추출하는데 기여한다. 보이드의 방향 변환 작용은 p형 컨택트(150A)의 적은 흡수에 의해 효과적으로 광 추출 효율 ηLEE의 향상에 작용할 수 있다.
One of the variants is to provide voids (voids) in the buffer layer. Voids exhibit a direction-changing action that changes the direction of propagating light by inducing phenomena such as refraction and scattering. 13 is a cross-sectional view showing the configuration of an LED element obtained in a modification of the present embodiment, and is a modification in which the void V is formed. The void V is formed in the crystal growth process of the
보이드를 형성하기 위해서는 여러 가지 방법을 이용할 수 있다. 전술한 사파이어 기판(110A)의 표면의 고저차 패턴은 바다섬 구조 패턴 구조의 섬 부분이 높아지면 기둥(124)이 형성되고, 기둥(124) 간 간격이 보이드(V)가 된다(도 13). 반대로 바다부가 높아지면 섬부에 해당하는 개방부가 형성되어 보이드가 된다. 버퍼층(120B)이 성장할 때는 결정 격자의 대칭성을 반영한 성장이 이루어지므로 기둥과 보이드의 평면 내의 단면 형상에는 결정 격자의 대칭성에 의한 변이나 각이 나타난다. 또, 이외에도 스트라이프 패턴이나, 임의의 패턴으로 형성할 수 있다. 더욱이 사파이어 기판(110A)의 표면에 있어서 고저차의 패턴에 의하지 않고, 결정 성장을 저해하는 조성의 막을 패터닝해 부여함으로써 마스크로 할 수 있다.
Several methods can be used to form voids. In the elevation difference pattern of the surface of the above-described
보이드(V)를 형성한 버퍼층(120B)의 경우, 사파이어 기판(110A)을 제거하는 것도 바람직하다. 도 13에는 기둥(124)의 사파이어 기판(110A) 측에 점선을 따라 사파이어 기판(110A)이 제거되는 위치가 도시되어 있다. 사파이어 기판(110A)을 제거하여 버퍼층(120B)의 보이드(V)가 표면에 노출되면 그 보이드의 구조가 전반사나 표면 반사에 의해 내부로 돌아가는 광의 총량을 감소시킨다. 버퍼층(120B)이 결합 기둥 모양으로 되어 있는 경우에 기판을 제거하면, UV에게는 각 기둥이 도파로가 되어 다시 방사 UV를 외부로 추출할 때에 각 기둥 내부를 통과하면서 외부로 방출되기 때문에, 전반사나 표면 반사에 의한 광이 감소하여 광 추출 효율 ηLEE가 높아진다. 기둥부의 크기나 전파 방향에 따라서는 후술하는 나방눈 구조처럼 외부로 출사되는 방사 UV의 계면에서의 임피던스가 저하할 수도 있으나, 전반사나 표면 반사에 의한 광은 감소한다.
In the case of the
3-2. 변형례 2: 나방눈 구조3-2. Variant 2: Moth eye structure
본 실시형태에서 p형 컨택트층의 투과율을 높이는 것은 광 추출 효율 ηLEE를 높이는 다른 방법과 양립할 수도 있다. 광 추출 효율 ηLEE를 높이기 위해 자외선 발광층(130)에서 제2 전극 쪽으로 발산되는 광이나, 도파로 모드가 되어 전파되는 광은 함께 최종적으로 외계로 출사된다. LED 소자의 전극과는 반대쪽에 위치한 표면이나, 다른 계면 중 굴절률 단계를 수반하는 표면 또는 계면의 어느 하나에 나방눈 구조가 형성되어 있으면, 그 출사 때 내부로 돌아가는 광을 감소시킬 수 있어 바람직하다. 나방눈 구조가 형성되는 측면을 예시하면 반사 전극과는 반대쪽에 위치한 LED 소자와 외계와의 제일 외곽 표면이 되는 표면{예를 들면 기판(110)의 광 출력면(102)}, LED 소자를 UV 투과성 매체(수지, 유리질 투명체 등)로 밀봉할 때의 LED 소자와 UV 투과성 매체와의 계면이다. 굴절률 단계가 크게 되는 측면 중 어느 하나에 나방눈 구조가 형성되어 있으면 바람직하다. 나방눈 구조는 파장을 기준으로 그보다 작은 면 내의 사이즈에서 요철을 가진 임의의 표면 형상을 가리키며, 굴절률 단계가 있는 면에서 그 표면 형상 때문에 굴절률 단계에 의한 반사가 억제되는 것을 말한다. 이러한 구조에서는 굴절률 단계가 있는 계면에서 외부로 출사되는 방사 UV의 임피던스가 저하되기 때문에 표면 반사가 경감된다.
Increasing the transmittance of the p-type contact layer in the present embodiment may be compatible with other methods of increasing the light extraction efficiency η LEE. In order to increase the light extraction efficiency η LEE , the light emitted from the ultraviolet
3-3. 변형례 3: 전자 블록층의 구성3-3. Modification 3: Configuration of the electronic block layer
전술한 본 실시형태의 또 다른 전형적인 예로서 전자 블록층에 대해 설명한다. 광 추출 효율 ηLEE를 높이기 위한 본 실시형태에서 전자 주입 효율 ηEIE를 높이기 위한 방법은 외부 양자 효율 ηEQE를 높이는 점에서 중요하다. 특히 본 실시형태는 p형 컨택트(150A)의 투과율을 높이기 위해 홀 농도를 희생시키기 때문에, 그것에 의한 전자 주입 효율 ηEIE의 저하를 보충하는 방법을 병용할 수 있을지는 실용성에 영향을 미친다. 이 전자 주입 효율 ηEIE를 높이는 수단으로 이미 MQB에 관련해서 전술한 것처럼, p형 도전층(136)에 마련된 전자 블록층(138)은 효과적인 수단이다.
An electron block layer will be described as another typical example of the present embodiment described above. The method for increasing the electron injection efficiency η EIE in the present embodiment for increasing the light extraction efficiency η LEE is important in terms of increasing the external quantum efficiency η EQE . In particular, since the present embodiment sacrifices the hole concentration in order to increase the transmittance of the p-type contact 150A, the practicality is affected whether or not a method of compensating for the decrease in the electron injection efficiency η EIE caused by it can be used in combination. As a means for increasing the electron injection efficiency η EIE , as already described above with respect to MQB, the
일반적으로 발광 파장이 자외선 대역의 범위에서 장파장인 경우에는 p형 컨택트(150A)의 조성 파장도 그것에 맞춰 큰 값이 된다. 즉 p형 도전층(136)의 AlN 혼정 조성비 x는 적어도 좋다. 이 경우에 있어서 홀 농도의 문제도 심각하지 않다. 본 실시형태의 경우에도 UV에서도 장파장의 경우에는 전자 블록층은 반드시 필요하지는 않다. 단파장이 될수록 p형 도전층(136)이나 p형 컨택트층(150A)의 AlN 혼정 조성비 x를 높일 수 밖에 없어 홀 농도도 그만큼 희생되므로, 전자 주입 효율 ηEIE에의 영향이 심각해 진다. 이에 따라 전자 블록층(138)을 사용할 필요성이 높아진다. 파장에 따라서는 비교적 간소한, Al 조성비가 높은 단층의 영역으로 마련된 싱글 장벽 구조로 충분한 경우가 있다. 극성이 생기는 결정 방위의 경우, 싱글 장벽 구조에서도 유효한 전자 블록 작용이 실현된다. 더욱 발광 파장이 짧아지면 싱글 장벽 구조보다 높은 전자 블록 작용을 기대할 수 있는 MQB를 채용하거나 그 최적화를 치밀하게 수행하는 것이 적절한 해결책이 된다. 특히 다중 반사 효과를 이용하는 MQB에서는 p형 도전층의 전자 블록층을 위한 Al 혼정 조성비의 증대를 작게 하는 것이 가능하며 전기적 접속이 유지되고, 전자 주입 효율 ηEIE의 저하를 보완하는 방법으로서 상기 실시형태에는 적당하다. 또한 살균 용도의 파장 범위(260 ~ 280nm)에서는 싱글 장벽 구조로 하는 것도, 실시예로서 나타낸 것처럼 MQB을 채용하는 것도 모두 유용하다.
In general, when the emission wavelength is a long wavelength in the range of the ultraviolet band, the composition wavelength of the p-type contact 150A also becomes a large value accordingly. That is, the AlN mixed crystal composition ratio x of the p-type
중요한 것은 본 실시형태에서 광 추출 효율 ηLEE를 높일 수 있도록 투과율을 높인 p형 컨택트층 때문에 야기될 수 있는 부작용에 대해 이미 해결책이 제시되어 있고, 그 유효성이 확인되고 있는 것이다. 또한 MQB의 효과를 높이기 위해서는 Al 조성비의 고저의 변화를 초래하는 두께 방향의 주기를 변화시키는 것도 유용하다. 이 점을 포함한 MQB의 상세는 본 발명자의 특허문헌 2에 상세하게 기술되어 있다.
Importantly, in the present embodiment, a solution has already been proposed for side effects that may be caused by the p-type contact layer having an increased transmittance so that the light extraction efficiency η LEE can be increased, and its effectiveness has been confirmed. In addition, in order to increase the effect of MQB, it is also useful to change the period in the thickness direction, which causes a change in the Al composition ratio. The details of MQB including this point are described in detail in
3-4. 변형례 4: p형층에 In의 도입3-4. Modification 4: Introduction of In into the p-type layer
본 실시형태의 변형적인 예로서, p형 도전층(136)이나, 임의 선택으로서 마련되는 전자 블록층(138) 및 p형 컨택트층(150A)이라고 하는 캐리어(홀) 농도가 저하된 p형층 중 어느 하나에 인듐(In)을 도입하는 것도 유용하다. p형 InAlGaN에는 In을 도입함으로써, 캐리어 농도가 높아지는 것을 본 발명자들은 확인하고 있다(비 특허문헌 3). 구체적으로 도핑 수준의 저농도(1×1018cm-3)에서 2% 정도까지의 농도 범위에서 In을 함유시켜 제작한 p형 InAlGaN로 하는 것이 바람직하다. 또한 이러한 조성의 p형 컨택트층(150A)에서는 조성 파장이 대체로 AlN 혼정 조성비에 따라 결정되고, 조성 파장보다 장파장의 영역에서의 투과율에도 거의 영향이 없다. 이 때문에, p형 도전층(136), 전자 블록층(138) 및 p형 컨택트층(150A)에 본 실시형태의 상기 설명을 거의 변경하지 않고 적용할 수 있다. In을 도입하기 위해서는 트리메틸 인듐 디이소프로필아민 어덕트(TMIn어덕트) 등의 원료 가스를 제때에 적당량 첨가한다.
As a modified example of this embodiment, among the p-type
3-5. 변형례 5: 자외선 발광층에 In의 도입3-5. Modification 5: Incorporation of In into the ultraviolet light emitting layer
본 실시형태에서 발광 출력을 향상하기 위해 자외선 발광층, 특히 재결합층(134)에도 In을 도입하는 것이 유용하다. 자외선 발광층(130)이나 재결합층(134)의 AlN과 GaN의 혼정의 조성에 In을 예를 들면 0.3% 정도 혼입함으로써 280nm 부근에서 발광하는 양자 우물 내부의 양자 효율이 증강되는 것을 본 발명자들은 확인하고 있다(비 특허문헌 2). 그 메커니즘에 대해서는 AlGaN 중의 In의 조성이 요동하는 것(변조)에 의해 캐리어의 국재화(localization)가 생기는 결과 발광에 기여하는 재결합 전자와 홀의 비율이 증가하여, 관통 전위의 결정 결함에서 비발광으로 재결합하는 것에 의한 손실이 억제 가능한 때문인 것으로 본 발명자들은 보고 있다. 이 변형례에서도 In의 조성비는 도핑 수준(1×1018cm-3)에서 최고 2% 정도로 하는 것이 유용하다.
In this embodiment, it is useful to introduce In also into the ultraviolet light emitting layer, particularly the
3-6. 변형례 6: AlN 결정의 기판3-6. Variant 6: Substrate of AlN crystal
본 실시형태의 변형례로서 전술한 사파이어 기판(110) 대신에 AlN 결정의 기판을 채용할 수도 있다. 이 변형례에서는 AlN 결정에 의하여 버퍼층(120)이 생략되는 경우가 있다. 자외선 발광층(130)은 AlN 결정 또는 버퍼층(이용되는 경우)에 접하게 배치되어 에피택셜 성장한다. AlN 결정의 기판을 이용하는 경우라도, p형 컨택트층의 투과율을 높이는 것이나 제2 전극(반사 전극)의 반사율을 높이는 것은 광 추출 효율을 향상시켜서 외부 양자 효율의 향상에도 도움이 된다. 사파이어 기판(110)을 채용하는 경우의 모든 설명은 AlN 결정의 기판을 채용하는 변형례에 대해서도 적용된다.
As a modification of the present embodiment, an AlN crystal substrate may be employed instead of the above-described
3-7. 변형례 7: 전기 기기에의 적용3-7. Variant 7: Application to electrical equipment
본 실시형태의 LED 소자(100A)에 의해 얻어지는 효율이 높아진 자외선 방출원은 그것을 사용하는 전기 기기의 유용성을 높인다. 이러한 전기 기기는 임의이며 특별히 한정되지 않는다. 그런 전기 기기의 비 한정적인 예를 들면, 살균 장치, 정수 장치, 화학 물질의 분해 장치(배기 가스 정화 장치 등을 포함), 정보 기록·재생 장치 등이 포함돼 있다. 이들 전기 기기를 작동할 때 효율이 높은 자외선 방출원이 얻어지면 동작을 위한 전력이 억제 가능하여 환경 부하가 저하되고 러닝 코스트도 감소된다. 또 방출원의 효율이 높아지면 이들 전기 기기의 구성에서 방출원 자체의 수를 억제시킬 뿐만 아니라, 방열 구조나 구동 전원의 구성 등도 간소화된다. 이것들은 전기 기기의 소형화·경량화에 기여하고 기기 가격도 감소시킨다.
The ultraviolet emission source with increased efficiency obtained by the
이상과 같이 p형 컨택트층의 투과율을 높이는 여러 가지 변형이나 다른 변형을 본 실시형태에 적용하면 DUVLED의 외부 양자 효율 ηEQE를 높이는 것에 의해 DUVLED의 실용성을 높일 수 있다.
As described above, when various modifications or other modifications for increasing the transmittance of the p-type contact layer are applied to the present embodiment, the practicality of the DUVLED can be enhanced by increasing the external quantum efficiency η EQE of the DUVLED.
이상 본 발명의 실시형태를 구체적으로 설명했다. 전술한 각 실시형태 및 구성예는 발명을 설명하기 위해 기재된 것으로 본 출원의 발명의 범위는 특허청구범위의 기재에 의해 정하여져야 할 것이다. 또 각 실시형태의 다른 조합을 포함한 본 발명의 범위 내에 존재하는 변형례도 또한 특허청구범위에 포함되는 것이다.
The embodiment of the present invention has been specifically described above. Each of the above-described embodiments and structural examples has been described for explaining the invention, and the scope of the invention of the present application should be defined by the description of the claims. In addition, modifications within the scope of the present invention including other combinations of the respective embodiments are also included in the claims.
본 발명의 자외선 발광 다이오드는 자외선을 생성하는 임의의 전기 기기로 이용 가능하다.
The ultraviolet light emitting diode of the present invention can be used in any electric device that generates ultraviolet rays.
100, 100A, 100B LED 소자(심자외선 LED 소자)
102 광 출력면
104 기판의 한쪽 면
110, 110A 기판
120, 120B 버퍼층
130 자외선 발광층
132 n형 도전층
134 재결합층
136 p형 도전층
140 제1전극
150 p형 컨택트층
150A p형 컨택트층(고 투과성)
160 제2 전극
160A 제2 전극(고 반사성)
162 삽입 금속층100, 100A, 100B LED element (deep ultraviolet LED element)
102 light output side
104 One side of the board
110, 110A board
120, 120B buffer layer
130 UV light emitting layer
132 n-type conductive layer
134 recombination layer
136 p-type conductive layer
140 first electrode
150 p-type contact layer
150A p-type contact layer (high permeability)
160 second electrode
160A second electrode (high reflectivity)
162 insert metal layer
Claims (15)
상기 기판에 접하여 또는 상기 기판상에 마련된 추가 버퍼층에 접하여 배치되어, 적어도 n형 도전층, 재결합층 및 p형 도전층이 상기 기판의 측에서 이 순서대로 적층되어 배치되어 있는 AlN과 GaN의 혼정의 자외선 발광층과;
상기 p형 도전층에 전기적으로 접속하고 있는 AlN과 GaN의 혼정의 p형 컨택트층과;
상기 자외선 발광층에서 발산되는 자외선인 방사 UV에 대해 반사성을 나타내는 상기 p형 컨택트층에 접하여 배치되어 있는 반사 전극을 구비하며,
상기 p형 컨택트층의 재질이 상기 방사 UV의 주요 파장에 비하여 짧은 파장을 조성 파장으로서 가지도록 되어 있고,
상기 p형 컨택트층의 조성 AlxGa1-xN에 있어서 AlN 혼정 조성비 x가 상기 방사 UV의 주요 파장의 값을 W(단위: nm)로 하여,
Xmin = -0.0060W + 2.26
에 의해 구해지는 하한치 Xmin 이상의 값으로 되어 있는 자외선 발광 다이오드.
a single crystal sapphire or AlN crystal substrate;
A mixed crystal of AlN and GaN disposed in contact with the substrate or in contact with an additional buffer layer provided on the substrate, and in which at least an n-type conductive layer, a recombination layer and a p-type conductive layer are stacked in this order on the side of the substrate an ultraviolet light emitting layer;
a p-type contact layer of a mixed crystal of AlN and GaN electrically connected to the p-type conductive layer;
and a reflective electrode disposed in contact with the p-type contact layer that exhibits reflectivity with respect to radiation UV, which is an ultraviolet light emitted from the ultraviolet light emitting layer,
The material of the p-type contact layer has a shorter wavelength than the main wavelength of the UV radiation as a composition wavelength,
In the composition Al x Ga 1-x N of the p-type contact layer, the AlN mixed crystal composition ratio x is the value of the main wavelength of the radiation UV as W (unit: nm),
X min = -0.0060 W + 2.26
An ultraviolet light emitting diode having a value greater than or equal to the lower limit X min obtained by
상기 p형 컨택트층은 상기 방사 UV가 두께 방향으로 한번 통과할 때 상기 방사 UV에 대한 투과율이 90% 이상인 자외선 발광 다이오드.
The method according to claim 1,
The p-type contact layer is an ultraviolet light emitting diode having a transmittance of 90% or more with respect to the radiation UV when the radiation UV passes once in the thickness direction.
상기 투과율이 95% 이상인 자외선 발광 다이오드.
3. The method according to claim 2,
An ultraviolet light emitting diode having the transmittance of 95% or more.
상기 p형 도전층에 전자 블록층이 배치되어 있는 자외선 발광 다이오드.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
An ultraviolet light emitting diode in which an electron block layer is disposed on the p-type conductive layer.
상기 전자 블록층이 다중 양자 장벽인 자외선 발광 다이오드.
5. The method according to claim 4,
An ultraviolet light emitting diode wherein the electron block layer is a multiple quantum barrier.
상기 반사 전극이 Al을 포함하는 금속막이고,
오믹 컨택을 위한 삽입 금속층이 상기 p형 컨택트층과 상기 반사 전극에 접하여 끼여 있는 자외선 발광 다이오드.
The method according to claim 1,
The reflective electrode is a metal film containing Al,
An ultraviolet light emitting diode in which an insertion metal layer for ohmic contact is sandwiched in contact with the p-type contact layer and the reflective electrode.
상기 삽입 금속층이 Ni막이고 두께가 5nm보다 얇게 되어 있는 자외선 발광 다이오드.
7. The method of claim 6,
An ultraviolet light emitting diode wherein the interposed metal layer is a Ni film and the thickness is thinner than 5 nm.
상기 삽입 금속층이 Ni막이고 실질적인 두께가 1nm인 자외선 발광 다이오드.
7. The method of claim 6,
An ultraviolet light emitting diode wherein the interposed metal layer is a Ni film and has a substantial thickness of 1 nm.
상기 추가 버퍼층이 구비되고, 상기 추가 버퍼층에 보이드가 형성되어 있는 자외선 발광 다이오드.
The method according to claim 1,
An ultraviolet light emitting diode having the additional buffer layer, wherein a void is formed in the additional buffer layer.
상기 기판이 제거되어 있는 자외선 발광 다이오드.
10. The method of claim 9,
An ultraviolet light emitting diode from which the substrate is removed.
상기 방사 UV의 주요 파장이 260nm 이상 280nm 이하의 어느 하나의 파장인 자외선 발광 다이오드.
The method according to claim 1,
An ultraviolet light emitting diode in which the main wavelength of the radiation UV is any one wavelength of 260 nm or more and 280 nm or less.
상기 방사 UV의 주요 파장이 220nm 이상 260nm 이하의 어느 하나의 파장인 자외선 발광 다이오드.
The method according to claim 1,
An ultraviolet light emitting diode in which the main wavelength of the radiation UV is any wavelength of 220 nm or more and 260 nm or less.
상기 p형 도전층, 상기 p형 컨택트층의 어느 하나의 상기 AlN과 GaN의 혼정의 재질에 추가로 In이 포함되어 있는 자외선 발광 다이오드.
The method according to claim 1,
An ultraviolet light emitting diode in which In is additionally included in the material of the AlN and GaN mixed crystal of any one of the p-type conductive layer and the p-type contact layer.
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