KR20010000545A - 펌핑 층이 집적된 다 파장 ＡｌＧａＩｎＮ계 반도체ＬＥＤ 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

펌핑 층이 집적된 다 파장 ＡｌＧａＩｎＮ계 반도체ＬＥＤ 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 새로운 활성층과 pumping이 수직으로 집적된 새로운 AlGaInN계 LED 구조에 관한 것이다. 본 발명으로 한 소자에서 두 가지 이상 파장 생성이 가능하게 되어 종래의 형광물질을 이용한 색 변환 백색LED 광 소자의 시간에 따른 색의 변화 및 신뢰성의 문제점을 원천적으로 제거하는 새로운 AlGaInN계 LED 반도체 소자 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 1개 이상의 활성층 구조와 1개의 p - n 접합 다이오드 구조의 pumping층이 동일 기판 상에 수직으로 집적화된 것을 특징으로 한다.

Description

펌핑 층이 집적된 다 파장 ＡｌＧａＩｎＮ계 반도체 ＬＥＤ 소자 및 그 제조 방법{The multiple wavelength AlGaInN LED device with pumping layer}
본 발명은 새로운 AlGaInN 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 형광물질을 이용한 색 변환 백색LED 의 문제점을 원천적으로 해결하는 것이다.
일반적으로 종래의 AlGaInN계 LED(Light Emitting Diode) 광 소자는, 첨부 도면 도 1-a에 도시된 바와 같이, 절연성 기판인 사파이어 기판(10) 상에 buffer층(11), n형 GaN 층(12), InGaN(또는 GaN) 활성층(13), p형 GaN층(14), 투명전극(15), n형 금속전극(17) 및 p형 금속전극(18)으로 구성되거나, 혹은 도 1-b와 같이 도전성 기판인 SiC, Si(19) 등 위에, buffer층(20), n형 GaN 층(21), InGaN(또는 GaN) 활성층(22) 및 p형 GaN층(23)을 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)방법에 따라 순차적으로 결정 성장 한 후, p형 금속전극(24)의 형성을 하고 n-GaN층에 n 전극(25)을 형성하는 구조이다.
이 두 구조에서 보듯이 일반적인 화합물 반도체 광소자의 원리는p 전극을 통해 들어오는 정공과 n 전극을 통해 들어오는 전자가 활성층에서 결합하여 활성층 물질 조성의 bandgap에 해당하는 빛을 방출하는 구조이다. 이렇게 활성층에서 방출된 빛은 활성층의 윗 부분과 아랫 부분으로 대부분 방출되게 되는데, AlGaInN계 LED의 경우 활성층의 상층부는 투명 전극을 하층부는 기판이 빛에 대하여 투명하기 때문에 가능하다.
일반적으로 LED 의 출력과 파장등 중요한 특성은 활성층에서 결정되며 그만큼 활성층의 결정질 구조 조성이 매우 중요하게 된다.
종래의 AlGaInN 계 LED 구조는 반도체 소자에서는 단 한 개 파장의 빛이 활성층으로 부터 방출하기 때문에, 흰색의 빛을 얻기 위해서는 그림 2와 같이 금속 package(29) 속에 형광물질(26)을 LED chip과 같이 투입하여, LED에 인가된 전압 전류에 의해 LED로부터 일차 파장의 빛(27)이 방출하고, 이 빛이 형광물질에 입사되어 형광물질에 의한 새로운 이차 파장의 빛(28)이 발생할 수 있게 된다.
일반적으로 일차 파장의 빛(27)과 이차 파장의 빛(28) 이 혼합된 빛을 얻게 되는데 두 빛이 보색 관계이면 백색의 빛을 두 파장의 혼합만으로 얻을 수 있다. 예를 들면 깊은 청색(450 nm) 파장의 LED 빛으로 YAG가 함유된 형광 물질을 여기시켜 450nm와 보색인 황색(590nm)의 파장의 빛을 발생시켜, 두 색의 혼합으로 백색의 LED 가 가능하게 된다. 이때 YAG 형광층의 성분을 조절하여 황색 파장을 튜닝하고, 형광층의 두께를 조절하여 두 빛의 광량의 비율을 조절하여 백색을 얻게 된다.
백색의 LED 는 미래의 전구, display 의 back light 광원등을 대체하는 미래 기술이다. 그러나 종래의 방식은 비교적 간단하나, 형광물질의 신뢰성이 반도체 소자만큼 안정하지 않아서 사용 시간에 따라 색이 변화한다 든지, 효율이 저하되는 치명적 단점이 존재한다. 또한 일차 청색 LED의 파장과 power의 chip-to-chip 변화에 따른 형광 물질의 성분과 두께 조절이 용이하지 않아 양산에 따른 백색 튜닝에 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 새로운 동작원리를 제공하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고출력이 가능한 pumping 층을 소자 내부에서 동작시키고, pumping 층으로부터 발생한 빛을 활성층에 흡수시켜 이 흡수된 빛이 활성층에서 다시 재결합하여 얻고자 하는 LED 파장의 빛을 얻는 구조이다.
이 새로운 구조에 의해 In 조성이 적은 양질의 pumping 의 장점과 In 조성 높은 활성층 특히 전류에 의한 재결합 방출이 아니라, 빛의 흡수를 그대로 빛으로 전환시키는 활성층의 장점을 구성할 수 있다. 따라서, 얻고자 하는 빛의 파장을 종래의 p-n 구조에서가 아니고, 동일 conductive type 활성층으로 부터 얻을 수 있다..
이 원리를 이용하면 한 개의 LED 소자에서 한 개 이상의 빛을 얻을 수가 있고, 이런 두개 이상의 빛의 적절한 혼합으로 새로운 색 파장의 빛을 얻을 수 있다. 예를 들면 pumping층에서 발생된 깊은 청색(~450 nm) 파장의 빛이 활성층에 흡수되어, 이 색과 보색 관계인 황색(590nm) 빛을 낼 때 활성층의 두께와 활성층의 수를 조절하여, 깊은 청색(~450nm) 파장 빛의 활성층에서의 흡수량과 투과량 등을 조절하여 흰색의 빛을 얻을 수가 있다.
또 다른 방법으로 pumping 층의 빛을 일부분 방출시키고, 활성층의 빛과 혼합하여도 2 개의 파장의 빛을 얻을 수도 있다.
이런 다 파장 LED는 형광 물질을 사용하지 않아 소자의 신뢰성이 혁신적으로 향상되며, 또한 한번의 에피성장 과정에서 얻어진 에피웨이퍼를 기존의 청색 LED 공정을 그대로 적용하여 제작이 가능함으로 간편성과 양산성이 혁신적이다.
도 1-a는 절연성 기판을 사용한 종래 방식의 AlGaInN계 LED 구조를 도시한 단면도.
도 1-b는 도전성 기판을 이용한 종래 방식의 AlGaInN 계 LED 구조를 도시한 단면도
도 2는 형광물질을 이용한 AlGaInN 계 백색 LED 구성
도 3 는 본 발명의 활성층과 Pumping 층이 수직으로 집적된 LED 구조의 단면도
도 4 는 본 발명 LED 소자의 동작 원리를 설명하는 band diagram.설명도
도 5은 본 발명의 또 다른 실시예로, 2개의 활성층과 1 개의 pumping 층이 수직으로 집적된 LED 단면도 구조.
도 6은 본 발명의 또 따른 실시 예로 황색과 청색이 LED 상부와 하부에서 방출되어 혼합되어 백색을 구현하는 것을 도시한 단면도.
〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉
10, 19, 30, 50, 60. 기판 11, 20, 31, 51, 61. 버퍼층
12, 21.32, 34, 52, 62. n-AlGaInN 층 13,22, 33 AlGaInN 활성층
14,23,36, 56, 66. p-AlGaInN층 15. 투명전극
17, 25, 37, 57, 67 n형 금속전극 18, 24. p형 금속 전극
26. 형광물질 27. LED 1차 방출
28. 형광 물질에 의한 2차 방출 29. 금속 package frame,
35, 55, 65. AlGaInN pumping 층 38, 58, 68. p전면전극
40. pumping 층의 band gap, 41. 활성층의 band gap
42. 전자 43. 정공
44. pumping 층으로부터 방출된 빛
45. pumping 층으로 방출된 빛이 활성층에 흡수됨
46. 흡수된 빛에 의한 전자 47 흡수된 정공에 의한 정공
48. 활성층에 해당하는 빛의 방출 68. 전극 폭
69. 전극 opening 70. 활성층으로부터 방출되는 빛
71. pumping 층으로부터 방출되는 전극 opening을 통해 방출되는 빛
이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명이 제공하고자 하는 새로운 구조는 LED의 파장과 출력을 결정하는 활성층과 이 활성층에 에너지를 공급하는 pumping 층이 수직으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
첨부된 도면 도 3는 본 발명에 따른 다층의 활성층과 pumping 층이 수직으로 형성한 반도체 LED광 소자의 구조에 대한 일 실시예를 도시한 단면도이다. 활성층은 동일 type (n형 혹은 p 형) AlGaInN/AlGaInN의 다층 구조이고, pumping 층은 p-n 접합의 AlGaInN/AlGaInN 의 다층 구조인 것을 특징으로 한다. 또한 활성층은 1개 이상의 수직 구조가 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 기판(30) 위에 적절한 완충층 (31) 을 성장 시키고, n-AlGaInN 층(32)을 성장시킨 후 Al(x)Ga(y)In(z)N/ Al(x1)Ga(y1)In(z1)N(33)의 다층 활성층을 성장 시키고, 그 위에 다시 n-AlGaInN(34)층을 성장시킨다. 이때 n-AlGaInN(34)층은 필요에 따라 제거할 수 있다. 그 위 Al(a)Ga(b)In(c)N/ Al(a1)Ga(b1)In(c1)N 의 다층 pumping 층(35)을 성장시키고, 그 위에 p- AlGaInN(36)를 성장시킨 후 전면 전극의 p 전극(38)과 n 전극(37)을 도시한 바와 같이 구성한 것을 특징으로 한다.
여기서 활성층의 조성은 x+y+z=1, x1+y1+z1=1 을 만족시키며, 활성층에 해당하는 bandgap ( Eg(Al(x)Ga(y)In(z)N) ) 이 활성층을 구성하고 있는 barrier 층의 bandgap (Eg(Al(x1)Ga(y1)In(z1)N) 보다 작은 경우이다.
이의 원리를 설명하기 위하여 도 4는 본 발명의 band diagram 이다.
참고로 도시된 구조는 활성층 및 pumping 층의 barrier구조는 GaN 경우로 단순화 시켜 예시하였다. 이 경우 x1=0, y1=1, z1=0, a1=0, b1=1, c1=0 인 경우라 할 수 있다.
본 발명의 경우 pumping 층의 bandgap ( Eg(Al(a)Ga(b)In(c)N) (40)은 활성층의 bandgap ( Eg(Al(x)Ga(y)In(z)N) (41)보다 커야 한다.
이 새로운 구조의 원리는 두개의 전극으로부터 공급된 전류에 의해 p-GaN를 통해 들어온 정공(43)이 pumping 층에 제한되고, n-GaN로 통해 들어온 전자(42)가 pumping 에 제한되어 이 두개의 전자 및 정공이 결합하여 pumping 층의 bandgap ( Eg(pumping)) 에 해당하는 빛(44)을 방출하는데, pumping 층의 하부로 방출된 빛은 그대로 활성층(45)에 흡수되고, pumping 층의 상부로 방출된 빛은 p 전극에서 반사되어 다시 활성층에 흡수되게 된다. 이렇게 흡수된 빛은 활성층에 전자(46)와 정공(47)으로 변환되고 활성층의 barrier 층에 의해 제한되고 있다가 활성층에서 다시 결합하여 활성층 bandgap(Eg(active))(41)에 해당하는 빛(48)을 방출하게 된다. 이런 빛은 LED 구조에서 에너지가 가장 작은 빛으로 더 이상 어느 층에도 흡수되지 않고 기판을 통해 전부 방출 시킬 수 있다.
본 발명은 한 개의 LED 소자에서 두 개 이상의 파장 방출이 가능하여 얻고자 하는 다양한 파장을 얻을 수 있게 안출된 구조이다. 특히 종래의 백색 LED 의 문제점인 형광 물질의 신뢰성의 문제점과 양산 제한성을 원천적으로 해결하는 효과이다.
또한, 활성층에서의 흡수율을 활성층의 두께, 수를 조절하여 높임으로써 pumping 층이 활성층의 파장으로 모두 변환된 단파장 단색 LED도 구현이 가능하다.

Claims (8)

  1. AlGaInN 계 LED 소자에 있어서,
    1개 이상의 동일한 conductive type의 다층의 Al(x)Ga(y)In(z)N 활성층과 1개의 Al(a)Ga(b)In(c)N pumping 층이 수직으로 집적된 LED 구조로 활성층의 bandgap (Eg(Al(x)Ga(y)In(z)N)이 pumping 층의 bandgap (Eg(Al(a)Ga(b)In(c)N) 보다 작은 것을 특징으로 하는 소자.
  2. 제 1항에 있어서 1개의 다층의 활성층이 도입된 경우는, pumping 층을 기준으로 활성층의 반대편 전극이 전면 전극을 특징으로 하는 소자
  3. AlGaInN 계 LED 소자에 있어서,
    1개 동일한 conductive type의 Al(x)Ga(y)In(z)N 활성층과 1개의 Al(a)Ga(b)In(c)N pumping 층이 수직으로 집적된 LED 구조로 활성층의 band gap(Eg(Al(x)Ga(y)In(z)N)이 pumping 층의 bandgap (Eg(Al(a)Ga(b)In(c)N) 보다 작은 것을 특징으로 하는 소자에 있어서 pumping 층과 가장 근접한 전극이 소정의 폭으로 open 되어 있는 소자 구조.
  4. 제 3항에 있어서, 전극 폭(Wm)과 전극의opening 의 폭(Wo)을 조절하여 2개의 파장의 빛을 추출하는 소자.
  5. 제 4항에 있어서 전극의 opening 폭 Wo는, 0 =〈 Wo 〈 = 300 um 의 범위를 갖는 소자.
  6. 제 1~3항에서 활성층의 In 조성비와 활성층의 수를 조절하여 2파장의 빛을 얻는 소자.
  7. 제 1~3항에서 활성층의 In 조성비와 활성층의 수를 조절하여 단파장의 빛을 얻는 소자.
  8. 제 1~3항에서 기판으로 절연성 알루미나(Al2O3) 기판이나, 도전성 기판으로 SiO, Si 등을 사용하는 소자.
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