KR20010068216A - 질화물 반도체 백색 발광소자 - Google Patents

질화물 반도체 백색 발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화물 반도체 백색 발광소자에 관한 것으로서 특히, 활성층 내부에 가시광 영역의 에너지 밴드 갭을 갖는 반도체 물질의 양자점(quantum dot)을 형성하여 발광소자 내부에서 적색, 녹색 및 청색의 삼원색 발광이 이루어지는 직접 발광 형식의 질화물 반도체 백색 발광소자를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자는 기판 상에 n형 접촉층, n형 클래드층, 양자 우물구조의 활성층, p형 클래드층 및 p형 접촉층이 순차적으로 적층되어 형성하는 질화물 반도체소자에 있어서, 상기 활성층에 가시광 영역의 에너지 밴드갭을 갖는 반도체 물질의 양자점을 형성하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자는 활성층 내부에 양자점을 형성하여 상기 양자점을 갖는 활성층 내부에서 삼원색이 직접 발광하는 형식으로 기존의 형광체나 기타 이차 천이 물질을 사용하지 않아 발광 효율이 높고 소자 제조 공정이 간단한 단일 소자 형태의 백색 발광소자의 형성이 가능하다. 또한, 형광 물질을 사용하지 않음으로써 작은 크기의 고출력, 고품위의 질화물 반도체 백색 발광소자의 제작이 가능한 이점이 있다.

Description

질화물 반도체 백색 발광소자{GaN Semiconductor White Light Emitting Device}
본 발명은 질화물 반도체 백색 발광소자에 관한 것으로서 특히, 활성층 내부에 가시광 영역의 에너지 밴드 갭을 갖는 반도체 물질의 양자점(quantum dot)을 형성하여 발광소자 내부에서 적색, 녹색 및 청색의 삼원색 발광이 이루어지는 직접 발광 형식의 질화물 반도체 백색 발광소자에 관한 것이다.
질화물 반도체(GaN) 발광소자는 청색 발광다이오드(light emitting diode : 이하, LED라 칭함), 청색 레이저 다이오드(laser diode ; LD) 또는 태양 전지 등의 재료로써 최근 크게 주목받고 있다.
그 중 800∼830 ㎚ 영역의 AlGaAs LED 및 LD에 대해 400 ㎚대의 단 파장 청색 LED는 정보 기록밀도를 4배 이상 증가시키는 것을 가능하게 한다.
특히, 청색 LED의 개발로 인해 적색 및 녹색과 더불어 빛의 삼원색이 달성되어 모든 자연색의 구현이 용이하게 된다.
도 1은 종래 기술에 의한 질화물 반도체 백색 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
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 반사층이 형성되어 있고, 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, 상기소자를 +, - 리드프레임(135)(145)에 연결하기 위한 각각의 +, - 와이어(120)(125)와, 젤(gel)형태의 실리콘 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.
상기에서 형광물질 Y3Al5O2를 이용하여 파장 450 ㎚의 청색 발광소자를 여기 광으로 사용하여 530 ∼ 580 ㎚의 가시광 영역의 광을 얻어 원래의 청색광 사이의 색조합에 의해 백색광을 얻을 수 있다. 또한, Al을 Ga으로 치환하여 발광파장을 단 파장화, Y를 Gd로 치환하여 장 파장화 하는 것이 가능하다.
상술한 바와 같은 종래 기술에 따른 백색 발광소자는 청색광을 여기 광원으로 사용하여 이차 천이를 이용한 LED이므로, 직접 발광에 의한 LED에 비해 발광 효율이 낮다. 그리고, 각각의 적색, 녹색 및 청색의 단위발광소자를 함께 실장하는 종래의 방법은 소자마다 별도의 전원 회로가 필요하므로 전체적인 소자의 크기가 커져서 제조 비용이 높고, 제조된 소자의 크기가 커져서 백색 발광소자의 소형화에 한계가 있고, 제조 비용이 높아지는 문제가 있다. 또한, 기존 방식의 백색 발광소자의 개발을 위해 고출력 및 300 ㎚ 이하의 초 단파장 광원이 필요하지만 아직 초 단 파장 발광소자 개발은 연구 개발 단계로 실용화에는 다소 시간이 소요될 전망이다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 청색 발광소자에 형광물질을 이용한 천이방식 대신에 질화물 반도체 발광소자에서 직접적인 청색, 녹색 및 적색 파장의 빛을 발생시켜 색조합에 의한 질화물 반도체 백색 발광소자를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자는 기판 상에 n형 접촉층, n형 클래드층, 양자 우물구조의 활성층, p형 클래드층 및 p형 접촉층이 순차적으로 적층되어 형성하는 질화물 반도체소자에 있어서, 상기 활성층에 가시광 영역의 에너지 밴드갭을 갖는 반도체 물질의 양자점을 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자를 도시하는 단면도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자의 개략적인 에너지 밴드 구조도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 상세한 설명>
200 : 기판 210 : 버퍼층
220 : n형 접촉층 230 : n형 클래드층
240 : 다층의 활성층 250 : 양자점
260 : p형 클래드층 270 : p형 접촉층
280 : n형 전극 290 : p형 전극
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자를 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자의 개략적인 에너지 밴드 구조도 이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자를 도시한 것으로서 사파이어와 같은 절연 기판(200)을 세정 및 건조하여 표면의 불순물을 제거하고, 상기 기판(200) 상에 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸인듐(TMIn) 및 암모니아(NH3) 가스를 흘려주고 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : 이하, MOCVD라 칭함) 방법을 이용하여 얇은 두께의 InGaN 버퍼층(210)을 형성한다. 이때, 상기 버퍼층(210)은 형성시에 트리메틸인듐의 유량을 점점 감소시켜 상기 버퍼층(210) 내의 인듐 조성이 10 %/Å 정도로 경사지게 형성한다.
상기 버퍼층(210) 상에 순차적으로 n형 접촉층(220) 및 n형 클래드층(230)을 형성하고, 상기 n형 클래드층(230)상에 막두께 30 ∼ 200 ㎚의 제 1 활성층(240a)을 형성한다. 상기에서 n형 접촉층(220)은 실리콘이 도핑된 GaN, 상기 클래드층(230)은 실리콘이 도핑된 Al0.15Ga0.85N로, 그리고, 상기 제 1 활성층(240a)은 In0.1Ga0.9N로 형성한다.
이어서, 상기 제 1 활성층(240a) 상에 사일렌(SiH4) 가스를 반응관 내에 수 초동안 흘려주어 표면에 달라붙은 실리콘 원자들이 양자점 성장의 핵으로 작용할 수 있게 형성한다. 이때, 사일렌 가스를 흘려주는 시간은 핵의 밀도를 좌우하게 되므로, 이후 성장되는 양자점의 밀도를 제어할 수 있다. 계속해서 높은 [트리메틸인듐 유량]/[트리메틸갈륨 유량] 혼합비율로 활성층의 인듐 조성비보다 큰 조성비를 갖는 InGaN 양자점을 형성하면 실리콘 핵의 위치에서 크기 5 ∼ 10 ㎚의 양자점(250)이 다수 개 형성된다. 이때 성장 시간, 성장 온도, 성장 압력 등을 변화시키면 상기 양자점(250)의 크기 및 밀도의 조절이 가능하다. 이후 상기 다수 개의 양자점(250)이 형성된 제 1 활성층(240a) 상에 막두께 30 ∼ 200 nm의 In0.1Ga0.9N의 제 2 활성층(240b)을 형성하여 상기 다수 개의 양자점(250)을 덮는 구조를 형성한다. 제 n-1 활성층(240n-1), 양자점(250), 제 n 활성층(240n)의 형성을 n번(n은 2이상) 반복하여 다층 구조의 양자점(250) 결정 성장층을 갖는 활성층(240) 구조를 형성한다. 상기에서 제 1 활성층(240a) 내지 제 n 활성층(240n)은 에너지 밴드갭이 성장 두께 방향에 따라서 연속적 또는 불연속적으로 변화되도록 형성할 수도 있다.
본 발명의 실시 예에서는 상기 양자점(250) 크기 5 ~ 10 ㎚, 양자점 밀도 1 × 105∼ 1 × 1012/㎠ 정도의 양자점(250)을 성장하였다.
이어서, 상기 다층 구조의 활성층(240) 상에 MOCVD 방법을 이용하여 p형 클래드층(260) 및 p형 접촉층(270)을 형성하고, 상기 n형 접촉층(220) 및 p형 접촉층(270) 상에 각각 n형 및 p형 전극(280)(290)을 형성한다.
상기에서 청색 발광 및 발광 효율을 증대시키기 위해 상기 활성층(240) 및 상기 n, p형 클래드층(230)(260)에 억셉터 불순물과 도우너 불순물을 도핑할 수 있고, 상기 양자점(250)을 형성하는 물질로는 가시광선 영역의 발광을 구현할 수 있는 Alx1Gay1In1-x1-y1N( 0 ≤x1+y1 ≤1 ), Alx2Ga1-x2As( 0 ≤x2 ≤1), GaAsx3P1-x3( 0 ≤x3 ≤1), (Alx4Ga1-x4)y2In1-y2P( 0 ≤x4 ≤1 , 0 ≤y2 ≤1 ), ZnSe, 또는, ZnS 등의 반도체 물질중 적어도 1개 이상을 사용하여 이종 접합 구조에 의한 저차원 양자점 발광을 구현한다.
종래의 질화물 반도체는 GaAs 또는 GaP에 비교하여 큰 전자의 유효질량을 갖기 때문에 높은 투과 전류밀도를 갖게되고, 운반자의 공간적인 한정에 의한 내부양자효율을 높이는 것이 용이하지 않다.
그러나, 본 발명에서는 양자우물, 양자점등의 저차원 반도체 구조의 엑시톤 효과(excitonic effects)에 의한 발광소자의 제작에 의하여 낮은 구동전압을 구현할 수 있으며, 바이엑시톤(biexciton)에 의한 발광으로 발광이득을 크게 향상시킬수 있다.
이러한 양자점 구조를 갖는 상온동작 및 큰 양자효율을 갖는 소자의 제작은 합금조성의 국소적 공간상의 변동이 필요하며, 이를 형성하는 방법으로는 MOCVD 방법으로 이종접합물질을 반도체 에피층 상에 응집된 결정상으로 성장하는 방법과, 비촉매(antisurfactant)를 이용하여 3차원적인 섬(island)구조를 양자우물층상에 성장한 후 다시 에피층을 덮는 방법에 의하여 공간적으로 분리된 포텐셜을 갖는 양자점을 성장시키는 것이다.
특히, 질화물 반도체는 일반적으로 에너지 밴드갭이 가시광선 파장영역의 발광 특성을 갖는 InGaN로 발광 활성층이 구성되어 있으며, 특히 청색발광영역에서 큰 내부발광 양자효율을 갖는다. 그러나 녹색 및 적색의 발광을 구현하기 위해서는 매우 큰 In 조성비가 요구되고, 이를 실현하는 것은 반도체 박막성장 과정 중 고온에서 In의 탈착증발 현상과 In 조성이 불안정하여 공간적으로 불균일한 현상이 발생되어 성장이 어렵고 발광효율이 낮다.
이러한 공간적인 분리현상을 제어하여 낮은 In 조성비의 InGaN 양자우물층 표면에 비촉매를 이용하여 결정성장 핵을 먼저 만들고, 높은 In 조성비를 갖는 InGaN 양자점 또는 ZnSe, GaAsP, InAlGaP등의 밴드갭이 작은 반도체 양자점을 성장시키면 양자우물의 해당파장과 양자점에서의 엑시톤효과에 의한 발광을 동시에 구현할 수 있다. 이때의 양자점은 양자우물 압착층의 성장과 반복하여 성장하여 다층의 양자점 성장층으로 형성시켜 그 효율을 높일수도 있다.
따라서, 이러한 활성층내에 양자점구조로 성장된 소자는 활성층내부에서 양자점의 종류 및 크기에 따라서 가시광선 전체 영역의 발광을 구현 가능하다. 그리고 이러한 광량의 조절 및 광선의 색조합에 의하여 제작된 백색발광소자는 형광체를 이용한 이차여기발광에 의하여 형성된 백색발광소자에 비하여 발광효율이 우수한 특성을 갖게 된다. 또한 백색광원을 구현하기 위한 많은 제작비용 및 공정 방법이 줄어들게 되어 보다 간단한 백색광원 발광소자를 구현할 수가 있다.
도 3은 상술한 양자점 구조를 갖는 활성층을 사용한 질화물 반도체 백색 발광소자의 개략적인 에너지 밴드 구조이다.
도 3에서 보는 바와 같이 본 발명의 질화물 반도체 백색 발광소자는 n형 및 p형 GaN 접촉층 사이에 밴드갭이 큰 n형 및 p형 AlGaN 클래딩층을 형성하고, 캐리어를 효과적으로 한정시키고 펌핑하여 큰 발광이득을 얻기 위한 양자점이 형성된 InGaN 활성층이 형성되으로 구성되어 있다. 실제 발광이 되는 InGaN 활성층에는 양자점에 의한 국소화된 에너지 상태가 존재하고, 이 활성층에서는 이종접합구조에 기인한 InGaN 활성층에서의 청색파장의 발광과 높은 In 조성비를 갖는 양자점에서 발광하는 가시광 영역의 적색 및 녹색영역의 발광을 구현할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 양자점을 형성한 질화물 반도체 백색 발광소자는 기존의 형광체에 의한 이차 여기광에 의한 백색발광소자에 비하여 발광소자 활성층 내부에서 각각의 파장을 갖는 광이 직접발광 함으로서 이들 광에 의한 색조합에 의하여 고효율, 고출력의 백색광원 발광소자를 구현할 수 있는 구조이다.
따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 백색 발광소자는 활성층 내부에 양자점을 형성하여 상기 양자점을 갖는 활성층 내부에서 삼원색이 직접 발광하는 형식으로 기존의 형광체나 기타 이차 천이 물질을 사용하지 않아 발광 효율이 높고 소자 제조 공정이 간단한 단일 소자 형태의 백색 발광소자의 형성이 가능하다. 또한, 형광 물질을 사용하지 않음으로써 작은 크기의 고출력, 고품위의 질화물 반도체 백색 발광소자의 제작이 가능한 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 기판 상에 n형 접촉층, n형 클래드층, 활성층, p형 클래드층 및 p형 접촉층이 순차적으로 형성된 질화물 반도체 소자에 있어서,
    상기 활성층 내부에 가시광선 영역의 파장을 발광하는 다수 개의 양자점 결정구조를 갖고 있는 것이 특징인 질화물 반도체 백색 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 양자점을 갖는 활성층을 제 1 활성층, 양자점, 제 2 활성층, 양자점, …, 양자점, 제 n 활성층(여기서 n은 2 이상)의 다층구조로 형성하는 것이 특징인 질화물 반도체 백색 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 양자점을 Alx1Gay1In1-x1-y1N( 0 ≤x1+y1 ≤1 ), Alx2Ga1-x2As( 0 ≤x2 ≤1), GaAsx3P1-x3( 0 ≤x3 ≤1), (Alx4Ga1-x4)y2In1-y2P( 0 ≤x4 ≤1 , 0 ≤y2 ≤1 ), ZnSe, 또는, ZnS 등의 반도체 물질중 적어도 1개 이상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 백색 발광소자.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 다수 개의 양자점의 에너지 밴드 갭이 각각 다른 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 백색 발광소자.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 다층의 활성층 에너지 밴드갭이 성장 두께 방향에 따라 연속적 또는 불연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 백색 발광소자.
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