KR20070068303A

KR20070068303A - Ｌｅｄ 구조

Info

Publication number: KR20070068303A
Application number: KR1020067014106A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 디 레스터
Original assignee: 아바고 테크놀로지스 이씨비유 아이피 (싱가포르) 피티이 리미티드
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2007-06-29
Also published as: EP1803158A1; US7095052B2; TW200614551A; US20060097269A1; WO2006047039A1; JP2008518440A; CN1910755A; TWI433345B; EP1803158A4

Abstract

LED의 효율은 터널 접합부 다이오드에 의해 분리되는 복수의 활성 영역을 직렬로 결합함으로써 증가된다. 이것은 또한 LED가 보다 긴 파장에서 작동하는 것을 허용한다.

Description

ＬＥＤ 구조{METHOD AND STRUCTURE FOR IMPROVED LED LIGHT OUTPUT}

발광 다이오드(light emitting diode- LED)의 작동 효율은 다양한 방법으로 향상될 수 있다. 여기에는 반도체 층의 품질 향상 및 LED로부터의 광 커플링(coupling)을 최대화하기 위한 구조의 디자인의 향상이 포함된다.

녹색 GaInN LED에 있어서 AlGaInN 또는 InGaN에 기반을 둔 LED의 작동 효율은 도 1의 그래프(110)에 도시된 바와 같이 구동 전류가 증가함에 따라 감소된다. 이 효과는 잘 알려진 이 경우 외에 구동 전류(drive current)가 증가함으로써 발생된 열로 인해 효율이 감소되는 LED에도 존재한다. 이 효과는 높은 구동 전류에서의 AlGaInN 또는 InGaN의 성능을 제한한다. 또한, AlGaInN 또는 InGaN LED에 있어서, 전류가 증가함에 따라 보다 짧은 파장으로의 파장의 시프트(shift)가 발생한다.

본 발명에 따르면 터널 접합부(tunnel junction)에 의해 분리된 직렬의 복수 활성 영역들이 AlGaInN 또는 InGaN LED(light emitting diode)와 결합된다. 고정된 입력(input) 전원에서, 본 발명에 따른 LED는 보다 높은 구동 전압(drive voltage)을 요구하지만 전류 및 전류 밀도는 활성 영역의 수인 인수 n에 의해 감소된다. 보다 낮은 구동 전류에서 작동하는 능력은 AlGaInN 또는 InGaN LED의 효율을 향상시키며 구동 전류로 인한 파장의 시프트를 감소시킨다.

도 1은 전류에 대한 롤-오프(roll-off)의 효율을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 실시예를 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 LED 구조의 개략도.

도 4는 순방향 구동 전류(forward drive current)와 주파장(dominant wavelength)의 시프트(shift)를 도시한 도면.

도 5는 일정한 구동 전류에 대한 파장 함수로서 상대적인 효율을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 LED 구조(200)를 도시한 도면이다. n형 (Al_xIn_(1-x))_yGa_(1-y)N (x=0, y=0 또는 x=0) 클래딩 층(cladding layer)(215)은 통상적으로 Al₂O₃, SiC, GaN 또는 AlN인 기판(210) 위에서 일반적으로 약 2㎛ 내지 약 5㎛ 범위의 두께로 성장한다. 양자 우물 활성 영역(quantum well active region)(220)은, 일반적으로 한 개 내지 열 개의 InGaN 양자 우물들을 포함하며 GaN 배리어 층(barrier layers)들에 의해 서로 분리된다. 또한 양자 우물 활성 영역(220)은 AlGaInN 클래딩 층(215) 위에서 성장된다. 양자 우물 활성 영역(220)이 성장한 후 p형 AlGaInN 클래딩 층(224)이 일반적으로 약 0.03㎛ 내지 약 0.5㎛ 범위의 두께로 성장한다. 다음의 터널 접합부(225)는 강하게 도핑된(doped) p⁺⁺ AlGaInN 층(226)이 일반적으로 약 100Å 내지 약 500Å 범위의 두께로 성장한 후 강하게 도핑된 n⁺⁺ AlGaInN 층(227)이 일반적으로 약 100Å 내지 약 500Å 범위의 두께로 성장함으로써 형성된다. p⁺⁺ AlGaInN 층(226)은 일반적으로 마그네슘을 이용하여, 약 6·10¹⁹/㎤ 내지 약 1·10²⁰/㎤ 범위의 농도로 강하게 p 도핑 된다. n⁺⁺ AlGaInN 층(227)은 일반적으로 실리콘을 이용하여, 1·10²⁰/㎤ 보다 월등하게 높은, 예로서 약 2·10²⁰/㎤ 내지 약 3·10²⁰/㎤ 범위의 농도로 강하게 n 도핑 된다. 층 구조(297)는 n형 AlGaInN 클래딩 층(215), 양자 우물 활성 영역(220), p형 AlGaInN 클래딩 층(224) 및 터널 접합부(225)를 포함한다.

터널 접합부(225) 다음으로, n형 AlGaInN 클래딩 층(230)이 성장된다. 그 다음 제 2 양자 우물 활성 영역(235)이 n형 AlGaInN 클래딩 층(230) 위에서 성장한다. 제 2 양자 우물 활성 영역(235)은 양자 우물 활성 영역(220)과 유사하다. 이어서 p형 AlGaInN 클래딩 층(240)이 양자 우물 활성 영역(235) 위에서 성장된다. 다음의 터널 접합부(245)는 p⁺⁺ AlGaInN 층(246)을 일반적으로 약 100Å 내지 약 500Å 범위의 두께로 성장시킨 후 n⁺⁺ AlGaInN 층(247)을 일반적으로 약 100Å 내지 약 500Å 범위의 두께로 성장시킴으로써 형성된다. p⁺⁺ AlGaInN 층(246)은 일반적으로 마그네슘을 이용하여 약 6·10¹⁹/㎤ 내지 약 1·10²⁰/㎤ 범위 내의 농도로 강하게 p 도핑 된다. n⁺⁺ AlGaInN 층(247)은 일반적으로 실리콘을 이용하여 1·10²⁰/㎤ 보다 훨씬 높은, 예로서 약 2·10²⁰/㎤ 내지 약 3·10²⁰/㎤ 범위 내의 농도로 강하게 n 도핑 된다. 층 구조(299)는 LED(light emitting diode)로서의 기능을 하며 LED 구조(200)에 있어서 기본적인 기초 요소이다. 층 구조(299)는 n형 AlGaInN 클래딩 층(230), 양자 우물 활성 영역(235), p형 AlGaInN 클래딩 층(240) 및 터널 접합부(245)를 포함한다. 층 구조(299)는 LED 구조(200)에서, 원하는 임의의 횟수만큼 반복되어 수직 방향으로 적층(stack)될 수 있다.

마지막으로, n형 AlGaInN 층이 수직 적층 구조 내의 마지막 터널 접합부 위에서 성장되며, 예로서 LED 구조(200)에서는 n형 AlGaInN 클래딩 층(250)이 터널 접합부(245) 위에서 성장된다. 양자 우물 활성 영역(255)은 양자 우물 활성 영역(220, 235)과 유사하며, 양자 우물 활성 영역(255)은 n형 AlGaInN 클래딩 층(250) 위에서 성장되고 p형 AlGaInN 클래딩 층(270)이 양자 우물 활성 영역(255)의 위에서 성장된다. 층 구조(298)는 n형 AlGaInN 클래딩 층(250), 양자 우물 활성 영역(255) 및 p형 AlGaInN 클래딩 층(270)을 포함한다. 층 구조(298)는 LED로서의 기능을 한다.

도 2의 터널 접합부(245, 225)는 LED 구조(200)의 작동시 역 바이어스가 인 가된다(reverse biased). 터널 접합부(245, 225)에 역 바이어스가 인가되면 전류가 활성 영역(255, 235, 220)을 통해 직렬로 흐른다. 만약 LED 구조(200) 내에 총 n개의 양자 우물 활성 영역들이 있다면, LED 구조(200)에 인가된 전압 V는 대체로(컨택트(contacts) 양단에서 발생할 수 있는 전압 강하 때문) 동등하게 분배되어 n개의 양자 우물 활성 영역들의 양단에 인가될 것이며 따라서 양자 우물 활성 영역이 결합된 각각의 층 구조(299) 양단에서 V/n로의 전압 강하가 발생할 것이다. 이것은 LED 구조(200)의 효율은 증가시키면서 인수 n에 의해 각각의 양자 우물 활성 영역(220, 235, 255)에서 전류 및 전류 밀도를 감소시킨다. 예로서, 도 2와 관련하여, 세 개의 양자 우물 활성 영역(220, 235, 255)이 명백하게 도시되어 있고 따라서 구동 전류(drive current) I 일 때 각각의 양자 우물 활성 영역(220, 235, 255) 양단의 전압 강하는 단일 양자 우물 활성 영역의 경우로부터 인수 3에 의해 감소된 전체 인가된 전압 V의 약 1/3이다. 도 3은 LED로서의 역할을 하는 층 구조(297, 299, 298)들을 나타내는 LED 구조(200)의 개략도이다. 본 발명에 따른 실시예에서, 일반적으로 총 2개 내지 10개의 층 구조가 사용된다.

도 4의 그래프(410)는 주파장(dominant wavelength)의 시프트(shift)와 순방향 구동 전류(forward drive current)를 도시한 도면이다. 그래프(410)에 도시된 바와 같이 AlGaInN 또는 InGaN LED에서 구동 전류가 증가함에 따라 파장은 일반적으로 보다 짧은 파장을 향해서 시프트한다. 도 5의 그래프(510)는 약 20㎃의 일정한 구동 전류에 대한 파장 함수로서 상대적인 효율을 나타낸다. In의 양이 감소함에 따라 상대적인 효율은 증가한다. 최대 순방향 구동 전류에서 원하는 주파장을 얻기 위해서, 양자 우물 활성 영역들은 InGa(Al)N의 적당한 구조로 성장한다.만약 본 발명에 따라 LED의 작동이 최대 순방향 구동 전류보다 낮은 전류일 때 일어난다면, 주파장은 보다 길어질 것이다. 그러므로, 보다 적은 In을 포함하는 화합물을 이용하여 LED의 효율을 향상시키는 동시에 원하는 동일한 주파장을 얻을 수 있다.

이상, 본 발명을 특정한 실시예와 관련하여 설정하였지만, 당업자에게 여러 대안, 변경 및 변화들이 앞서 기술한 명세의 범위 내에서 나타날 것임이 명백하다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항의 사상과 범위 내에서 그러한 다른 모든 대안들, 변경들 및 변화들을 포함한다.

Claims

발광 다이오드(light emitting diode- LED) 구조(200)에 있어서,

기판(210)과,

상기 기판 위에 형성된 복수의 층 구조들(297, 299)을 포함하되,

상기 복수의 층 구조들은 각각 터널 접합부(225, 245)와 한 쌍의 클래딩 층(cladding layer)에 의해 둘러싸인 양자 우물 활성 영역(220, 235)을 포함하며, 상기 복수의 층 구조들(297, 299)은 상기 복수의 층 구조(297) 중 제 1 층은 상기 기판에 가장 가까우며 상기 복수의 층 구조(299) 중 제 2 층이 상기 기판(200)으로부터 가장 먼 곳에 위치하도록 상기 기판(210)에 대하여 수직의 적층 구조로 배열되는

LED 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 클래딩 층(215,224,230,240)은 AlGaInN으로 구성되는

LED 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 기판(200)은 Al₂O₃, SiC, AlN 및 GaN을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나의 재료로 구성되는

LED 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 터널 접합부(tunnel junction)(225,245)는 n 도핑된(doped) AlGaInN 층(227,247)으로 구성되는

LED 구조.
제 4 항에 있어서,

상기 n 도핑된 AlGaInN 층(227,247)은 n 도펀트(dopant)를 이용하여 약 2·10²⁰/㎤ 내지 약 3·10²⁰/㎤ 범위의 농도로 도핑된

LED 구조.
제 5 항에 있어서,

상기 n 도펀트는 실리콘인

LED 구조.
제 4 항에 있어서,

상기 n 도핑된 AlGaInN 층(227,247)은 약 100Å 내지 약 500Å 범위의 두께를 가지는

LED 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 터널 접합부(225,245)는 p 도핑된 AlGaInN 층(226,246)으로 구성되는

LED 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 양자 우물 활성 영역(220,235)은 GaN 배리어 층들(barrier layers)에 의하여 서로 분리된 다수의 InGaN 양자 우물로 구성되는

LED 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 터널 접합부(225,245)는 역 바이어스가 인가되어(reverse biased) 작동할 수 있는

LED 구조.