KR20090096911A - Semiconductor light emitting device emitting a light having with wide spectrum wavelenth - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 파장변환부재와 결합할 경우에 우수한 색특성을 제공할 수 있는 반도체 발광소자에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
최근에, LED를 이용한 백색 발광장치는 디스플레이 장치의 백라이트뿐만 아니라 일반 조명장치 분야까지 적용하고자 많은 연구와 개발이 진행되고 있다. Recently, many researches and developments have been conducted to apply white light emitting devices using LEDs to general lighting devices as well as backlights of display devices.
대표적으로, LED 백색 발광 장치의 구현방안은 개별 LED로 제조된 청색, 적색 및 녹색 LED를 단순 조합하는 방식과 형광체를 이용하는 방식이 알려져 있다. 일반적으로, 다색의 개별 LED를 동일한 인쇄회로기판에 조합하는 방식은 이를 위한 복잡한 구동회로가 요구되며, 그에 따라서 소형화가 어렵다는 단점이 있으므로, 최근에는 형광체를 이용한 백색 발광장치 제조방법이 널리 사용되고 있다.Representatively, the implementation method of the LED white light emitting device is known that a simple combination of blue, red and green LEDs made of individual LEDs and a method using a phosphor. In general, a method of combining individual LEDs of multiple colors on the same printed circuit board requires a complex driving circuit for this purpose, and accordingly has a disadvantage of miniaturization, and thus, a method of manufacturing a white light emitting device using phosphors has recently been widely used.
종래의 형광체를 이용한 백색 발광소자 제조방법으로는, 청색 발광소자를 이용하는 방법과 자외선 발광소자를 이용하는 방법이 있다. 예를 들어, 청색 발광소자를 이용하는 경우에는 YAG 형광체를 이용하여 청색광을 백색광으로 파장 변환한 다. 즉, 청색 LED로부터 발생된 청색파장이 YAG(Yittrium Aluminum Garnet)형광체를 여기시켜 최종으로 백색광을 발광시킬 수 있다. As a conventional white light emitting device manufacturing method using a phosphor, there is a method using a blue light emitting device and a method using an ultraviolet light emitting device. For example, when a blue light emitting device is used, blue light is converted into white light using a YAG phosphor. That is, the blue wavelength generated from the blue LED may excite the YAG (Yittrium Aluminum Garnet) phosphor to finally emit white light.
이와 같이, LED 칩의 특정 발광파장 광으로 형광 물질을 여기시켜 백색광을 제공하는 경우에는, 형광 물질의 광 변환 효율이 낮기 때문에 최종 광량의 많은 손실이 야기된다. 최종 백색광의 고휘도 광량을 실현하기 위해서 형광물질의 광 변환 효율을 최대로 하는 파장으로 여기광을 특정해야 한다. As described above, when the fluorescent material is excited by the specific light of the light emitted by the LED chip to provide white light, since the light conversion efficiency of the fluorescent material is low, much loss of the final light amount is caused. In order to realize the high luminance light amount of the final white light, the excitation light must be specified with a wavelength that maximizes the light conversion efficiency of the fluorescent material.
하지만, LED 칩의 1차 광원과 최대 변환효율에 따라 특정된 여기광인 2차 광원이 조합되어 얻어지는 최종 백색광은 매우 좁은 파장 스펙트럼에 의해 색온도 등의 특성이 만족하는 수준으로 제공하는데 한계가 있다. However, the final white light obtained by combining the primary light source of the LED chip and the secondary light source, which is the excitation light specified according to the maximum conversion efficiency, has a limitation in providing at a level that satisfies characteristics such as color temperature by a very narrow wavelength spectrum.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 고휘도 백색광 발광장치를 구현하는데 있어서 형광물질 여기광의 스펙트럼의 분포를 넓게 유지하도록, 형광물질에서의 광변환 효율을 향상시키고 높은 색재현성을 보장할 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the conventional problems, and an object thereof is to improve the light conversion efficiency in the fluorescent material and to ensure high color reproducibility to maintain a wide distribution of the spectrum of the fluorescent material excitation light in implementing a high brightness white light emitting device. A nitride semiconductor light emitting device can be provided.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 In order to solve the above technical problem, the present invention
p형 및 n형 질화물 반도체층과, 상기 p형 및 n형 질화물 반도체층 사이에 위치하여 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물구조를 갖는 활성층을 포함하며, 상기 활성층의 양자우물층은 서로 다른 파장의 광을 방출하는 적어도 2개의 양자우물층을 포함하며, 해당 양자우물층의 발광피크파장이 짧을수록 상기 p형 질화물 반도체층에 인접하여 배치된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.an active layer having a p-type and n-type nitride semiconductor layer and a multi-quantum well structure in which a plurality of quantum well layers and a plurality of quantum barrier layers are alternately stacked between the p-type and n-type nitride semiconductor layers, The quantum well layer of the active layer includes at least two quantum well layers emitting light of different wavelengths, and the shorter the emission peak wavelength of the quantum well layer is disposed adjacent to the p-type nitride semiconductor layer. A nitride semiconductor light emitting device is provided.
바람직하게, 상기 적어도 2개의 양자우물층 중 최대 발광피크파장을 갖는 양자우물층과 최소 발광피크파장을 갖는 양자우물층은 그 발광피크파장 차이가 5∼30㎚가 되도록 형성된다. Preferably, the quantum well layer having the maximum light emission peak wavelength and the quantum well layer having the minimum light emission peak wavelength among the at least two quantum well layers are formed such that the light emission peak wavelength difference is 5 to 30 nm.
또한, 특정 실시형태에서는, 상기 복수의 양자우물층은 각각 서로 다른 파장 의 광을 방출하는 양자우물층일 수 있다.Further, in a particular embodiment, the plurality of quantum well layers may each be a quantum well layer that emits light of different wavelengths.
본 발명은 각 양자우물층의 파장을 서로 다르게 구현하기 위해서 2가지 방안(양자우물층의 조성 또는 두께의 변경)을 제공한다.The present invention provides two methods (change of the composition or thickness of the quantum well layer) in order to implement the wavelength of each quantum well layer differently.
본 발명의 일 실시형태에서는, 상기 적어도 2개의 양자우물층은 서로 다른 파장을 방출하도록 서로 다른 조성비를 갖는다. 바람직하게는, 상기 적어도 2개의 양자우물층은 인듐의 조성비가 상이하도록 형성될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the at least two quantum well layers have different composition ratios so as to emit different wavelengths. Preferably, the at least two quantum well layers may be formed so that the composition ratio of indium is different.
본 발명의 다른 실시형태에서는, 상기 적어도 2개의 양자우물층은 서로 다른 파장을 방출하도록 서로 다른 두께를 갖는다. In another embodiment of the present invention, the at least two quantum well layers have different thicknesses to emit different wavelengths.
바람직하게, 상기 적어도 2개의 양자우물층 중 최대 발광피크파장을 갖는 양자우물층과 최소 발광피크파장을 갖는 양자우물층은 0.1∼3㎚의 두께 차이를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 복수의 양자우물층은 각각 서로 다른 파장의 광을 방출하는 경우에, 0.1∼1㎚의 두께 차이를 갖도록 형성된 것이 바람직하다.Preferably, the quantum well layer having the maximum emission peak wavelength and the quantum well layer having the minimum emission peak wavelength among the at least two quantum well layers may be formed to have a thickness difference of 0.1 to 3 nm. In the case where the plurality of quantum well layers respectively emit light having different wavelengths, the quantum well layers may be formed to have a thickness difference of 0.1 to 1 nm.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 여기광의 스펙트럼 분포를 넓게 유지함으로써, 형광물질에서의 광변환 효율을 향상시키고, 나아가 높은 색재현성을 보장할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자를 형광체를 이용한 고휘도 백색 발광장치에 매우 유익하게 적용될 수 있다. In the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, by maintaining the spectral distribution of the excitation light wide, it is possible to improve the light conversion efficiency in the fluorescent material and further ensure high color reproducibility. Therefore, the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention can be very advantageously applied to a high brightness white light emitting device using a phosphor.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described embodiments of the present invention;
도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 측단면도이다.1 is a side cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(10)는 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(13), 활성층(15) 및 p형 질화물 반도체층(17)을 포함한다. Referring to FIG. 1, the nitride semiconductor
본 실시형태와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(17) 상에는 오믹콘택을 위한 투명전극층(18)이 형성되며, 상기 n형 질화물 반도체층(12)과 상기 투명전극층(18) 상에는 각각 n측 및 p측 전극(19a,19b)이 제공될 수 있다. As in the present embodiment, a
상기 활성층(15)은 복수의 양자우물층(15a)과 복수의 양자장벽층(15b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조를 갖는다. 본 발명은 상기 양자우물층(15a) 중 적어도 2개의 양자우물층을 그 방출광의 파장영역이 서로 상이하도록 형성함으로써 전체 방출광의 스펙트럼을 확장시키는 방안을 제공한다. The
본 실시형태에서는, 도2의 도시된 바와 같이 복수의 양자우물층(15a)은 각각 상이한 방출파장을 갖도록 p형 질화물 반도체층(17)에 가까울수록 에너지밴드갭이 점점 커지도록 배치된다(Eg1<Eg2<Eg3<Eg4). In this embodiment, as shown in Fig. 2, the plurality of
이러한 에너지밴드갭의 차이는 각각 양자우물층의 다른 조성비를 갖도록 형성함으로써 실현될 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 양자우물층(15a)은 InxGa1-xN(0≤x≤1)으로 이루어질 수 있으며, 각 양자우물층(15a)에서의 In 조성비(x)를 p형 질화물 반도체층(17)에 가까울수록 점점 낮춤으로써 실현될 수 있다. This difference in energy band gap can be realized by forming different ratios of quantum well layers, respectively. For example, the plurality of
질화물 반도체 발광소자의 경우에는, 정공의 주입길이가 전자에 비해 상대적으로 짧고, 장파장을 방출하는 양자우물층일수록 양자우물이 깊으므로 정공이 전체 영역에서 균일하게 분포되기 어렵다는 문제가 있다. In the case of a nitride semiconductor light emitting device, the hole injection length is relatively shorter than that of electrons, and the longer the quantum well layer emitting the longer wavelength, the deeper the quantum well.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는, p형 질화물 반도체층(17)측에 가까운 양자우물층이 n형 질화물 반도체층(13)에 가까운 양자우물층보다 작은 에너지밴드갭을 갖도록 배열함으로써 다중양자우물구조의 활성층(15)에서 정공의 균일한 분포를 갖도록 도모한다. 결과적으로 활성층(15) 내의 전류가 원활하게 제공되어 발광효율의 향상효과를 기대할 수 있다.In order to solve this problem, in the present invention, the quantum well layer close to the p-type
또한, 본 발명에서 각 양자우물층의 방출광 파장을 달리함으로써 최종 발광파장의 스펙트럼을 보다 넓게 확보할 수 있으며, 결과적으로 형광체에 의한 광변환효율을 향상시키고 색재현성을 향상시킬 수 있다. In addition, by varying the emission light wavelength of each quantum well layer in the present invention it is possible to secure a broad spectrum of the final light emission wavelength, as a result can improve the light conversion efficiency by the phosphor and color reproducibility.
이러한 관점에서, 양자우물층의 방출파장범위는 일정한 범위에서 제한하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 최대 발광피크파장을 갖는 양자우물층과 최소 발 광피크파장을 갖는 양자우물층은 그 발광피크파장 차이가 5∼30㎚가 되도록 형성될 수 있다.In this respect, the emission wavelength range of the quantum well layer is preferably limited within a certain range. Preferably, the quantum well layer having the maximum emission peak wavelength and the quantum well layer having the minimum emission peak wavelength may be formed such that the difference in the emission peak wavelength is 5 to 30 nm.
도3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 측단면도이다. 본 실시형태에서는 각 양자우물층의 방출파장을 해당 양자우물층의 두께를 조절하는 방안이 제공된다. 3 is a side cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, a method of controlling the thickness of the quantum well layer with the emission wavelength of each quantum well layer is provided.
도3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(30)는 앞선 실시형태와 유사하게 기판(31) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(33), 활성층(35) 및 p형 질화물 반도체층(37)을 포함한다. p측 및 n측 전극(39b,39a)은 상기 p형 질화물 반도체층(37) 상에 형성된 투명전극층(38)과 상기 n형 질화물 반도체층(32) 상에 각각 형성된다.Referring to FIG. 3, the nitride semiconductor
상기 활성층(35)은 복수의 양자우물층(35a)과 복수의 양자장벽층(35b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조를 갖는다. The
본 실시형태에서는, 복수의 양자우물층(35a)은 각각 상이한 방출파장을 갖도록 서로 다른 두께를 갖는다. 동일한 조성비를 갖는 양자우물층(35a)은 그 두께가 두꺼울수록 상대적으로 장파장화되는 경향을 갖는다. In the present embodiment, the plurality of
이러한 경향을 이용하여, 양자우물층(35a)을 상기 p형 질화물 반도체층(37)에 가까울수록 그 두께가 얇아지도록 배치된다(ta1>ta2>ta3>ta4). 이러한 두께 조 정과 배치를 통해서 도4에 도시된 에너지밴드갭의 차이와 유사한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 양자우물층의 두께가 얇을수록 실질적인 에너지밴드갭이 커지는 효과가 있으며(Ea1<Ea2<Ea3<Ea4), 두께에 따라 서로 다른 방출광의 파장을 가질 수 있다. By using this tendency, the closer the
이와 같이, 본 실시형태에서는, 양자우물층(35a)의 두께를 조절하여 방출광 파장을 달리함으로써 최종 발광파장의 스펙트럼을 보다 넓게 확보할 수 있다. 결과적으로 형광체에 의한 광변환효율을 향상시키고 색재현성을 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 최대 발광피크파장을 갖는 양자우물층과 최소 발광피크파장을 갖는 양자우물층은 그 발광피크파장 차이가 5∼30㎚가 되도록 형성될 수 있다. As described above, in the present embodiment, the spectrum of the final light emission wavelength can be more widely secured by adjusting the thickness of the
형광체 변환효율을 향상시키기 위한 원하는 파장대역을 보장하기 위해서, 최대 발광피크파장을 갖는 양자우물층과 최소 발광피크파장을 갖는 양자우물층은 0.1∼3㎚의 두께 차이를 갖도록 형성될 수 있다. 바람직하게, 상기 각 양자우물층(35a)은 0.1∼1㎚의 두께 차이를 갖도록 형성될 수 있다. In order to ensure a desired wavelength band for improving the phosphor conversion efficiency, the quantum well layer having the maximum emission peak wavelength and the quantum well layer having the minimum emission peak wavelength may be formed to have a thickness difference of 0.1 to 3 nm. Preferably, each
본 발명은 각 양자우물층의 파장을 서로 다르게 구현하기 위해서 2가지 방안, 즉 양자우물층 조성 및 양자우물층 두께의 변경을 제안하고 있다. 물론, 본 발명은 양자우물층의 조성과 함께 양자우물층의 두께를 변경하는 것을 동시에 채용할 수도 있다.The present invention proposes two methods, namely, change of quantum well layer composition and quantum well layer thickness, to implement different wavelengths of each quantum well layer. Of course, the present invention may employ simultaneously changing the thickness of the quantum well layer with the composition of the quantum well layer.
이하, 도3 및 도4에 도시된 실시형태와 같이 양자우물층의 두께를 조절함으 로써 파장스펙트럼을 확장시키는 방안을 도5의 그래프를 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of expanding the wavelength spectrum by adjusting the thickness of the quantum well layer as in the embodiment shown in FIGS. 3 and 4 will be described in more detail with reference to the graph of FIG. 5.
6쌍의 In0.07Ga0.93N 양자우물층과 GaN 양자장벽층으로 다중양자우물구조의 활성층을 전제하여 시뮬레이션을 실시하였다. 6개의 양자우물층은 그 두께가 성장순서대로 각각 4.5㎚, 4.0㎚, 3.5㎚, 3.0㎚, 2.5㎚, 2.0㎚를 갖도록 설정하였다.Simulations were carried out using six pairs of In 0.07 Ga 0.93 N quantum well layers and GaN quantum barrier layers under the assumption of an active layer having a multi-quantum well structure. The six quantum well layers were set so that their thicknesses had 4.5 nm, 4.0 nm, 3.5 nm, 3.0 nm, 2.5 nm, and 2.0 nm, respectively, in the order of growth.
또한, 기준예(R)로서 동일하게 3.0㎚의 두께를 갖는 6쌍의 다중양자우물구조의 활성층을 상정하였다.In addition, as an example (R), six active pairs of multi-quantum well structures having a thickness of 3.0 nm were assumed.
도5에 도시된 바와 같이, 기준예의 경우(R)에는 약 384㎚의 파장값을 가지며 그 스펙트럼이 매우 협소하게 나타났다. 이 경우에는 앞서 설명한 바와 같이, 형광체의 여기파장과 조금만 어긋나도 변환효율이 크게 낮아지며, 제품에 따라 색재현성이 떨어지는 문제가 있다. As shown in Fig. 5, in the reference example (R), the wavelength value was about 384 nm, and the spectrum was very narrow. In this case, as described above, even if only a slight deviation from the excitation wavelength of the phosphor, the conversion efficiency is greatly lowered, and color reproducibility is inferior depending on the product.
이에 반해, 양자우물층의 두께를 각각 다르게 구현한 경우에는, 각 양자우물층에 따라 다른 발광파장 피크를 나타내었다. 각 양자우물층의 발광파장피크는 인접한 양자우물층의 발광파장피크와 약 4∼6㎚정도의 파장시프트를 나타내며, 전체적으로 발광파장피크가 약 25㎚ 대역에 걸쳐서 위치하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 주어진 형광체의 여기파장과 다소 차이가 발생되더라도 변환효율을 일정한 수준으로 유지할 수 있으며, 결과적으로 매우 우수한 색재현성을 기대할 수 있다. In contrast, when the thickness of the quantum well layer is implemented differently, the emission wavelength peak is different according to each quantum well layer. The light emission wavelength peak of each quantum well layer exhibits a wavelength shift of about 4 to 6 nm with the light emission wavelength peak of the adjacent quantum well layer, and it can be seen that the light emission wavelength peak is located over a band of about 25 nm as a whole. Therefore, even if a slight difference with the excitation wavelength of a given phosphor occurs, the conversion efficiency can be maintained at a constant level, and as a result, excellent color reproducibility can be expected.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings, but by the appended claims. Therefore, it will be apparent to those skilled in the art that various forms of substitution, modification, and alteration are possible without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, and the appended claims. Will belong to the technical spirit described in.
도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 측단면도이다.1 is a side cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention.
도2는 도1에 도시된 질화물 반도체 발광소자의 활성층에 대한 에너지밴드 다이어그램을 나타낸다.FIG. 2 is an energy band diagram of an active layer of the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG.
도3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 측단면도이다.3 is a side cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.
도4는 도3에 도시된 질화물 반도체 발광소자의 활성층에 대한 에너지밴드 다이어그램을 나타낸다.FIG. 4 is an energy band diagram of an active layer of the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG.
도5는 본 발명의 일 실시예로서 양자우물층의 두께 조절을 이용하여 확대된 질화물 발광소자의 파장스펙트럼을 나타내는 그래프이다. FIG. 5 is a graph showing wavelength spectrum of a nitride light emitting device enlarged using thickness control of a quantum well layer as an embodiment of the present invention.
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