KR20010008571A - Gan semiconductor white light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 질화물 반도체 백색 발광소자에 관한 것으로서 특히, 활성층 내부에 적색, 녹색 및 청색의 삼원색 발광 영역을 도입하여 발광소자 칩 내부에서 직접 발광하는 형식으로 발광 효율을 증대시킬 수 있는 질화물 반도체 백색 발광소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor white light emitting device. In particular, a nitride semiconductor white light emitting device capable of increasing luminous efficiency by introducing red, green, and blue three-color light emitting regions into an active layer to emit light directly from inside a light emitting device chip. It is about.
질화물 반도체소자는 청색 발광다이오드(light emitting diode : 이하, LED라 칭함), 청색 레이저 다이오드(laser diode : 이하, LD라 칭함) 또는 태양 전지 등의 재료로써 최근 크게 주목받고 있다.Nitride semiconductor devices have recently attracted much attention as materials such as blue light emitting diodes (hereinafter referred to as LEDs), blue laser diodes (hereinafter referred to as LDs), or solar cells.
그 중 800∼830 ㎚ 영역의 AlGaAs LED 및 LD에 대해 400 ㎚대의 단 파장 청색 LED는 정보 기록밀도를 4배 이상 증가시키는 것을 가능하게 하여 DVD(digital video disc) 시대의 도래를 예고하고 있다.Among them, the short wavelength blue LEDs in the 400 nm range for the AlGaAs LEDs and LDs in the 800 to 830 nm region enable the information recording density to be increased by four times or more, thus foretelling the arrival of the digital video disc (DVD) era.
특히, 청색 LED의 개발로 인해 적색 및 녹색과 더불어 빛의 삼원색이 달성되어 모든 자연색의 구현이 용이하게 된다.In particular, the development of a blue LED achieves the three primary colors of light together with red and green to facilitate the implementation of all natural colors.
도 1은 종래 기술에 의한 질화물 반도체 백색 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a nitride semiconductor white light emitting device according to the prior art.
도 1과 같이 종래에는 사파이어 또는 SiC와 같은 절연기판(100) 상에 다층의 질화물 반도체 박막 적층으로 형성된 소자(110)와, 상기 소자(110)가 형성되지 않은 상기 기판(100)의 하부 면에 빛이 다이 본딩용 합성수지에 입사되는 것을 방지하기 위해 In, Cu, Pd, Rh, W, Mo, Ti, Ni, Al 및 Ag 등의 금속 또는 TiO2, SiO2및 BaF2등의 도전성재료를 코팅하여 형성된 반사층 및 칩과 리드 프레임 사이의 열 전도도를 높이기 위해 Au, Ag, Al 및 Cu 등이 함유된 에폭시(epoxy) 수지, 실리콘(silicon) 수지 등을 사용하여 형성한 다이 본딩용 합성수지층(130)과, 상기 소자를 +, - 리드프레임(135)(145)에 연결하기 위한 각각의 와이어(120)(125)와, 젤(gel)형태의 실리콘(silicon)수지, 아몰퍼스(amorphous) 불소 수지 또는 투광성 폴리마이드(polymide) 수지를 사용한 색 변환재료 및 Y3Al5O2로 구성된 형광 물질층(150)이 상기 소자(110)를 덮도록 형성된다.As shown in FIG. 1, a device 110 formed by stacking a multilayer nitride semiconductor thin film on an insulating substrate 100 such as sapphire or SiC, and a lower surface of the substrate 100 on which the device 110 is not formed. In order to prevent light from entering the synthetic resin for die bonding, coating metal such as In, Cu, Pd, Rh, W, Mo, Ti, Ni, Al and Ag or conductive materials such as TiO 2 , SiO 2 and BaF 2 And a die-bonding synthetic resin layer 130 formed using an epoxy resin, a silicon resin, or the like containing Au, Ag, Al, and Cu in order to increase thermal conductivity between the chip and the lead frame. And wires 120 and 125 for connecting the device to the lead frames 135 and 145, and a silicone resin and an amorphous fluorine resin in a gel form. or light-transmitting polyimide (polymide) a color conversion material with a resin and a Y 3 Al 5 O type consisting of two Material layer 150 is formed so as to cover the element 110.
상기에서 형광물질 Y3Al5O2를 이용하여 파장 450 ㎚의 청색 발광소자를 여기 광으로 사용하여 530 ∼ 580 ㎚의 가시광 영역의 광을 얻을 수 있다. 또한, Al을 Ga으로 치환하여 발광파장을 단 파장화, Y를 Gd로 치환하여 장 파장화 하는 것이 가능하다.By using the fluorescent material Y 3 Al 5 O 2 in the blue light emitting device having a wavelength of 450 nm as excitation light it is possible to obtain light in the visible light region of 530 ~ 580 nm. It is also possible to replace Al with Ga to shorten the light emission wavelength and to replace Y with Gd to make the long wavelength.
상술한 바와 같이 종래의 청색광을 여기 광원으로 사용하여 제작한 백색 발광소자는 발광 효율이 낮고, 이차 천이 물질을 사용하기 때문에 전체적인 소자의 크기가 커져서 패키지 된 백색 발광소자의 소형화에 한계가 있고, 단가 또한 높아지는 문제가 있다. 또한, 기존 방식의 백색 발광소자의 개발을 위해 고출력 및 300 ㎚ 이하의 초 단 파장 광원이 필요하지만 아직 초 단 파장 발광소자 개발은 연구 개발 단계로 실용화에는 다소 시간이 소요되는 문제가 있다.As described above, the white light emitting device manufactured by using the conventional blue light as the excitation light source has a low luminous efficiency and uses a secondary transition material, so that the overall size of the device is large, which limits the miniaturization of the packaged white light emitting device. There is also a growing problem. In addition, high power and ultra-short wavelength light source of 300 nm or less are required for the development of the conventional white light emitting device, but the development of the ultra-short wavelength light emitting device is a research and development stage, which requires a little time to be put into practical use.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 청색 발광소자에 형광물질을 이용한 천이방식 대신에 삼원계 질화물 반도체인 InGaN 활성층의 In 조성을 제어하므로서 직접 발광하여 발광 효율을 증대시키고, 저가격의 고출력 질화물 반도체 백색 발광소자를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to directly emit light by controlling the In composition of the InGaN active layer, which is a ternary nitride semiconductor, instead of a transition method using a fluorescent material in a conventional blue light emitting device, thereby increasing luminous efficiency, and a low-cost, high-output nitride semiconductor white light emitting device. In providing.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자는 기판 상에 n형 접촉층, n형 클래드층, InGaN 활성층, 저온 결정 성장층, p형 클래드층 및 접촉층이 순차적으로 적층되어 형성되는 질화물 반도체소자에 있어서, 상기 n형 클래드층의 상층부에 깊이와 폭이 다른 V자형의 제 1 내지 제 3 홈을 형성하여 상기 각각의 홈에 형성되는 InGaN 활성층의 In 조성이 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 한다.The nitride semiconductor white light emitting device according to the present invention for achieving the above object is formed by sequentially stacking an n-type contact layer, n-type cladding layer, InGaN active layer, low-temperature crystal growth layer, p-type cladding layer and a contact layer on the substrate In the nitride semiconductor device to be formed, the In composition of the InGaN active layer formed in each groove is formed differently by forming the V-shaped first to third grooves having different depths and widths in the upper layer of the n-type cladding layer. It features.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.1 is a cross-sectional view schematically showing a nitride semiconductor white light emitting device according to the prior art.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자를 도시하는 단면도.2 is a cross-sectional view showing a nitride semiconductor white light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 3은 n형 클래드층 상에 증착되는 InGaN를 도시하는 부분 단면도.3 is a partial cross-sectional view showing InGaN deposited on an n-type cladding layer.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 상세한 설명〉<Detailed description of the reference numerals of the main parts of the drawings>
200 : 기판 210 : 버퍼층200: substrate 210: buffer layer
220 : n형 접촉층 230 : V자형 홈이 형성된 n형 클래드층220: n-type contact layer 230: n-type cladding layer having a V-shaped groove
240 : 활성층 250 : 저온 결정 성장층240: active layer 250: low temperature crystal growth layer
260 : p형 클래드층 270 : p형 접촉층260 p-type cladding layer 270 p-type contact layer
a : 제 1 홈 b : : 제 2 홈a: first groove b:: second groove
c : 제 3 홈c: third groove
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자를 도시한 단면도이고, 도 3은 V자형의 제 1 내지 제 3 홈이 형성된 n형 클래드층 상에 성장되는 InGaN를 도시하는 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a nitride semiconductor white light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating InGaN grown on an n-type cladding layer having V-shaped first to third grooves.
삼원계 화합물 반도체인 InGaN는 에너지 밴드 갭(energy band gap)이 1.9 eV 인 InN와, 3.4 eV인 GaN의 혼합에 의해 형성되는 직접천이형 고용체이다. 따라서, In의 조성에 의해 그 에너지 밴드 갭이 1.9 eV에서 3.4 eV까지 변화할 수 있다.InGaN, a ternary compound semiconductor, is a direct transition solid solution formed by mixing InN having an energy band gap of 1.9 eV and GaN having 3.4 eV. Therefore, the energy band gap can vary from 1.9 eV to 3.4 eV by the composition of In.
그러나, InN와 GaN는 격자 상수 차이가 약 11 %로 매우 크기 때문에 GaN와 InN의 혼합에는 일정범위의 혼합 갭(miscibility gap)이 존재한다. 이러한 혼합 갭 영역에서 InGaN 고용체는 열역학적으로 불안정하여 열역학적으로 안정한 두 개의 상으로 자발적인 분해를 일으키게 된다. 이러한 상분리는 In 함량이 적은 모재(matrix) 속에 In 함량이 많은 상이 공간적으로 무질서하게 분포하게 된다.However, since InN and GaN have a very large lattice constant difference of about 11%, there is a range of miscibility gaps in mixing GaN and InN. InGaN solid solution in this mixed gap region is thermodynamically unstable, causing spontaneous decomposition into two thermodynamically stable phases. This phase separation results in spatially disordered distribution of a high In content phase in a matrix having a low In content.
GaN-In 상태 변화도로부터 성장온도 760 ℃에서 분리되는 두 상의 조성은 대략 함량이 22 %와 80 % 정도가 된다. 이와 같은 조성의 상들은 에너지 간격으로 볼 때 각각 자주색과 적색영역의 빛을 발광할 수 있다.The composition of the two phases separated from the GaN-In state gradient at the growth temperature of 760 ° C is approximately 22% and 80%. The phases of the composition may emit light in purple and red regions, respectively, when viewed at energy intervals.
상태도로부터 예측되는 또 하나의 조성은 인듐(In) 함량이 44 % 정도의 상태로 이러한 조성은 열역학적으로 준 안정상태에 있는 중간상에 해당하며, 이때 녹색 영역의 빛을 발광할 수 있다.Another composition predicted from the state diagram is about 44% of indium (In) content, which corresponds to the intermediate phase in thermodynamic quasi-stable state, and may emit light in the green region.
그러므로, InGaN 성장시 성장 조건을 제어함으로써 분리된 상들의 In 조성비를 조절하여 청색, 녹색 및 적색의 기본 삼원색의 색조합에 의한 백색 발광소자를 제작할 수 있다.Therefore, by controlling the growth conditions during InGaN growth, the In composition ratio of the separated phases can be adjusted to fabricate a white light emitting device based on the color sum of the basic three primary colors of blue, green, and red.
본 발명에서는 상술한 In 상분리 현상을 이용하여 제작한 질화물 반도체 백색 발광소자를 도 2에 도시하였다.In the present invention, a nitride semiconductor white light emitting device fabricated using the above In phase separation phenomenon is illustrated in FIG. 2.
도 2와 같이 기판(200)과, 상기 기판(200) 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(buffer layer)(210) 및 n형 접촉층(220)과, 상기 n형 접촉층(220) 상의 소정 부분에 형성되며 상부에 깊이와 폭이 다른 V자형의 제 1 내지 제 3 홈(a)(b)(c)이 형성된 n형 클래드층(clad layer)(230)과, 상기 제 1 내지 제 3 홈(a)(b)(c)이 형성된 n형 클래드층(230) 상에 순차적으로 형성된 활성층(240), 저온 결정 성장층(250), p형 클래드층(260) 및 p형 접촉층(270)으로 구성되는 더블 헤테로(double hetero) 구조를 가지며, 상기 n형 클래드층(230)이 형성되지 않은 n형 접촉층(220) 상의 소정 부분 및 상기 p형 접촉층(270) 상의 소정 부분에 각각 형성된 n형 및 p형 전극(280)(290)을 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 2, the substrate 200, the buffer layer 210 and the n-type contact layer 220 sequentially formed on the substrate 200, and a predetermined portion on the n-type contact layer 220 are disposed on the substrate 200. And an n-type clad layer 230 having V-shaped first to third grooves (a) (b) (c) having different depths and widths formed thereon, and the first to third grooves ( a) (b) (c) formed sequentially on the n-type cladding layer 230, the active layer 240, low temperature crystal growth layer 250, p-type cladding layer 260 and p-type contact layer 270 It has a double hetero structure consisting of a predetermined portion on the n-type contact layer 220, the n-type cladding layer 230 is not formed and a predetermined portion on the p-type contact layer 270, respectively and n-type and p-type electrodes 280 and 290.
이후에 도시하지 않았지만 각각의 n형 및 p형 전극에 와이어 본딩하여 열 방출용 히트-신크(Heat-sink)를 접촉시켜, 상기 전극 부분에 전류를 흘려줌으로써 구동되는 질화물 반도체 백색 발광소자 칩을 제작한다.Although not shown, a nitride semiconductor white light emitting device chip is driven by wire-bonding each n-type and p-type electrode to contact a heat-dissipating heat-sink to apply a current to the electrode portion. do.
상기에서 n형 클래드층은 기판 상에 버퍼층, n형 접촉층 및 n형 클래드층을 순차적으로 적층하여 형성하고, 상기 형성된 n형 클래드층을 건식 식각(dry etching) 방법 또는 스크라이버(scriber)를 이용하여 상기 n형 클래드층의 상층부에 깊이와 폭이 다른 다수의 V자형 제 1 내지 제 3 홈을 형성하였다.The n-type cladding layer is formed by sequentially stacking a buffer layer, an n-type contact layer, and an n-type cladding layer on a substrate, and performing dry etching or a scriber on the formed n-type cladding layer. In the upper portion of the n-type cladding layer, a plurality of V-shaped first to third grooves having different depths and widths were formed.
상술한 구조의 질화물 반도체 백색 발광소자에서 기판으로는 사파이어, GaN, SiC, ZnO, GaAs 또는 Si 등이, 상기 버퍼층으로는 GaN, AlN, AlGaN 또는 InGaN 등이 이용되나, 일반적으로는 사파이어 절연 기판 상에 유기금속 화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법을 이용한 GaN를 증착하여 형성한 버퍼층을 이용한다.In the nitride semiconductor white light emitting device having the above-described structure, sapphire, GaN, SiC, ZnO, GaAs, or Si is used as the substrate, and GaN, AlN, AlGaN, or InGaN is used as the buffer layer. The buffer layer formed by depositing GaN using a method of metal organic chemical vapor deposition (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) is used.
또한, 상기에서 활성층은 상분리 현상을 일으키는 InGaN로 형성하며, 상기 활성층과 p형 클래드층 사이에 형성된 저온 결정 성장층은 상기 활성층과 상기 p형 클래드층의 격자부정합을 완충시킬 수 있도록 GaN로 형성한다.In addition, the active layer is formed of InGaN causing a phase separation phenomenon, the low temperature crystal growth layer formed between the active layer and the p-type cladding layer is formed of GaN to buffer the lattice mismatch between the active layer and the p-type cladding layer. .
상기 저온 결정 성장층은 상기 다수의 V자형 홈이 형성된 n형 클래드층 상에 형성된 활성층 내의 정확한 In 조성을 제어하기 위한 것으로써, 상기 활성층 상에 1000 ℃ 이상의 고온 결정 성장 과정인 p형 클래드층을 형성하면 활성층 내의 저융점 In이 증발하여 In 조성을 제어하기 어렵게된다. 그리고, 상기 저온 결정 성장층을 형성하면 상기 저온 결정 성장층이 활성층 상부에 형성되는 p형 결정 성장층의 격자 부정합을 최소화하여 격자부정합에 의해 야기되는 발광 효율의 저하를 방지할 수 있다.The low temperature crystal growth layer is to control the precise In composition in the active layer formed on the n-type cladding layer having the plurality of V-shaped grooves, and forms a p-type cladding layer which is a high temperature crystal growth process of 1000 ° C. or more on the active layer. When the low melting point In in the active layer evaporates, it becomes difficult to control the In composition. In addition, when the low temperature crystal growth layer is formed, the low temperature crystal growth layer may minimize lattice mismatch of the p-type crystal growth layer formed on the active layer to prevent a decrease in luminous efficiency caused by lattice mismatch.
도 3은 V자형 제 1 내지 제 3 홈이 형성된 n형 클래드층 상에 활성층을 형성하기 위한 InGaN의 결정 성장 과정을 설명하기 위한 단면도이다.FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a crystal growth process of InGaN for forming an active layer on an n-type cladding layer having V-shaped first to third grooves.
도 3과 같이 깊이와 폭이 다른 V자형 제 1 내지 제 3 홈(a)(b)(c)이 형성된 n형 클래드층(230) 상에 각각의 홈에 형성된 제 1 내지 제 3 InGaN(240a)(240b)(240c)를 도시하는 것으로서, 상기 깊이와 폭이 다른 각각의 제 1 내지 제 3 홈(a)(b)(c)이 형성된 클래드층(230) 상에 형성된 제 1 내지 제 3 InGaN(240a)(240b)(240c)의 In 조성이 각각 다르게 형성된다.As shown in FIG. 3, the first to third InGaN 240a formed in the respective grooves on the n-type cladding layer 230 having the V-shaped first to third grooves (a) (b) (c) having different depths and widths. 240b and 240c, which are formed on the cladding layer 230 having the first to third grooves (a), (b) and (c) having different depths and widths. In compositions of InGaN 240a, 240b, and 240c are formed differently.
즉, 깊이와 폭이 다른 상기 V자형 제 1 내지 제 3 홈(a)(b)(c) 상에 형성되는 InGaN 활성층의 결정 성장률은 가장 골이 깊은 제 3 홈(c)에서 가장 골이 낮은 제 1 홈(a)보다 빠르므로, 상기 홈의 형태에 따라 In의 조성이 다르게되며, V자 홈의 골이 깊은 제 3 홈(c)이 골이 낮은 제 1 홈(a)보다 같은 시간, 같은 온도에서도 상대적으로 높은 In 조성을 가지므로, 각각의 제 1 내지 제 3 홈(a)(b)(c)으로부터의 적색, 녹색 및 청색의 발광을 유도하여 이 삼원색의 색 조합 효과에 의해 단일 칩 내부에서 백색광이 발광되는 백색 발광소자가 형성된다.That is, the crystal growth rate of the InGaN active layer formed on the V-shaped first to third grooves (a) (b) (c) having different depths and widths is the lowest in the third grooves (c) having the deepest valleys. Since it is faster than the first groove (a), the composition of In is different according to the shape of the groove, and the time when the third groove (c) having a deep valley of the V-shaped groove is the same as the first groove (a) having a low valley, Since the composition has a relatively high In composition at the same temperature, red, green, and blue light emission from each of the first to third grooves (a), (b), and (c) are induced, and the single color combination effect of the three primary colors A white light emitting device in which white light is emitted therein is formed.
따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자는 활성층 내부에 삼원색 발광영역을 도입하여 직접 발광하는 형식으로 기존의 형광체나 기타 이차 천이 물질을 사용하지 않아 발광 효율이 높고 소자 제조 공정이 간단하며, 작은 크기의 고출력, 고품위 단일 칩 형태의 백색 발광소자의 제작이 가능한 이점이 있다.Accordingly, the nitride semiconductor white light emitting device according to the present invention is a type of directly emitting light by introducing a three primary color light emitting region into the active layer, and thus does not use a conventional phosphor or other secondary transition material, and thus has a high luminous efficiency and a simple device manufacturing process. It is possible to manufacture a white light emitting device having a high output, high-quality single chip form of size.
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KR19990026488A KR20010008571A (en) | 1999-07-02 | 1999-07-02 | Gan semiconductor white light emitting device |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2009002073A1 (en) * | 2007-06-26 | 2008-12-31 | Wooreelst Co., Ltd. | Method for fabricating semiconductor device |
-
1999
- 1999-07-02 KR KR19990026488A patent/KR20010008571A/en not_active Application Discontinuation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2009002073A1 (en) * | 2007-06-26 | 2008-12-31 | Wooreelst Co., Ltd. | Method for fabricating semiconductor device |
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