KR20130106690A - 백색 발광 다이오드 - Google Patents
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Abstract
형광체 없이 백색광을 제공할 수 있는 백색 발광 다이오드가 개시된다. 개시된 백색 발광 다이오드는 발광부는 상면으로부터 돌출된 복수의 헥사고날 피라미드 형상의 나노구조를 포함하는 제1 반도체층과, 상기 피라미드 상으로 순차적으로 적층된 적어도 두개의 다중양자우물층과, 상기 다중양자우물층 상에 형성된 제2 반도체층을 포함한다.
상기 적어도 두개의 다중양자우물층으로부터 방출된 광은 서로 다른 파장의 광을 방출하며, 이 광들은 혼합되어서 백색광을 낸다.
상기 적어도 두개의 다중양자우물층으로부터 방출된 광은 서로 다른 파장의 광을 방출하며, 이 광들은 혼합되어서 백색광을 낸다.
Description
본 개시는 백색 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 헥사고날 피라미드 형상의 나노구조로 이루어진 나노발광부를 포함하며, 형광체 없이 백색광을 제공할 수 있는 백색 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light emitting diode; LED)는 고효율, 친환경적인 광원으로서 디스플레이, 광통신, 자동차, 일반 조명 등 여러 분야에 사용되고 있다.
발광 다이오드를 이용하여 백색광을 방출하기 위해 형광체를 사용할 수 있다. 예를 들어, UV LED를 광원으로 하여 녹색, 녹색 및 청색 형광체를 각각 여기시켜 백색광을 얻거나, 청색 LED를 광원으로 하고 그와 보색 관계인 황색 형광체를 여기시켜 백색광을 얻는다. 그러나, 형광체를 이용한 백색 LED는 연색지수(Color Rendering Index; CRI) 값이 아직 60~80 정도의 수준에 머물러 있다. 이는 청색 LED나 UV LED를 광원으로 형광체를 여기시키는 구조에 기인한다. 이를 해결하기 위해서 넓은 스펙트럼을 포함할 수 있는 형광체의 개발 및 조합이 진행되고 있긴 하지만, 아직까지는 CRI 값의 향상에 많은 어려움이 있다. 또한, 형광체는 비교적 수명이 짧은 단점도 있다.
형광체 없이 LED만으로 백색을 구현하는 방법으로는, 적색, 녹색 및 청색의 가시광을 각각 발광하는 LED를 조합하여 사용하는 것이다. 예를 들어, InGaN 층을 발광 재료로서 사용하는 LED의 경우, InGaN 층 내에서 In의 몰분율(mole fraction) 변화에 따라 발광색이 변화한다는 점을 이용한다. 그러나 박막 형태의 InGaN LED는 장파장으로 갈수록 발광 효율이 저하된다는 문제가 있다. 특히, 녹색 파장 대역에서 발광 효율이 떨어진다. 이는 박막 형태의 InGaN 층과 기판 사이의 큰 격자상수 불일치(lattice mismatch)에 기인한다.
본 개시는 헥사고날 피라미드 형상의 나노구조로 이루어진 나노발광부를 포함하며, 형광체 없이 백색광을 제공할 수 있는 백색 발광 다이오드를 제공한다.
일 실시예에 따른 백색 발광 다이오드는, 상면으로부터 돌출된 복수의 헥사고날 피라미드 형상의 나노구조를 포함하는 제1 반도체층;
상기 피라미드 상으로 순차적으로 적층된 적어도 두개의 다중양자우물층; 및
상기 다중양자우물층 상에 형성된 제2 반도체층;을 포함한다.
상기 복수의 피라미드의 저면을 한정하도록 상기 복수의 피라미드의 저면을 감싸는 절연성 패턴을 더 구비할 수 있다.
상기 다중양자우물층은 각각 복수의 양자우물층과 상기 양자우물을 감싸는 장벽층을 포함하며, 상기 장벽층은 1×1016cm-3 내지 1×1019cm-3의 농도로 p-타입으로 도핑될 수 있다.
상기 양자우물은 InGaN으로 이루어지며, 상기 장벽층은 (In)GaN으로 이루어질 수 있다.
상기 적어도 두개의 다중양자우물층 사이에 배치된 터널 접합층을 더 포함할 수 있다.
상기 터널 접합층은 p+로 도핑된 p+ 반도체층 및 n+로 도핑된 n+ 반도체층을 가지며, p+ 반도체층과 n+ 반도체층은 각각 1×1017cm-3 내지 5×1020cm-3의 범위의 도핑농도를 가질 수 있다.
상기 터널 접합층은 AlInGaN, InGaN, GaN, AlGaN 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 적어도 두개의 다중양자우물층은 상기 피라미드 상의 제1 다중양자우물층과, 상기 제1 다중양자우물층 상의 제2 다중양자우물층을 포함하며,
상기 제1 다중양자우물층으로부터 방출되는 제1파장 보다 상기 제2 다중양자우물층으로부터 방출되는 제2파장의 길이가 더 길다.
상기 다중양자우물층은 반극성면을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 백색 발광 다이오드는, 제1 반도체층 상의 적어도 하나의 제1 다중양자우물층;
상기 적어도 하나의 제1 다중양자우물층 상에서 그 상면으로부터 돌출된 복수의 헥사고날 피라미드 형상의 나노구조를 포함하는 제2 반도체층;
상기 피라미드 상의 적어도 하나의 제2 다중양자우물층; 및
상기 적어도 제2 다중양자우물층 상에 형성된 제3 반도체층;을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 터널 접합층은 상기 나노구조 상에 형성된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 터널 접합층은 상기 나노구조 하부에 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 백색 발광 다이오드는 적어도 장파장 발광부가 헥사고날 피라미드 형상의 나노구조의 형태로 형성되어 있기 때문에, 기판과의 격자 부정합에 의한 결정결함이 거의 없어 높은 내부 양자효율을 발휘한다. 또한, 나노구조의 발광부가 방출파장에 비해 작게 형성되면 광추출효율이 100%에 달해 외부 양자효율도 향상된다.
또한, 적층된 복수의 다중양자우물층으로부터 서로 다른 색의 광을 방출하여 백색광을 구현할 수 있다. 따라서, 간단한 구조의 백색 발광 다이오드를 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 나노 발광부를 포함하는 백색 발광 다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 헥사고날 피라미드 나노구조를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 어레이의 평면도이다.
도 4는 도 1의 나노 발광부의 A부분을 확대한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5의 다중양자우물 구조의 밴드갭 다이어그램(bandgap diagram)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 헥사고날 피라미드 나노구조를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 어레이의 평면도이다.
도 4는 도 1의 나노 발광부의 A부분을 확대한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5의 다중양자우물 구조의 밴드갭 다이어그램(bandgap diagram)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 이하에서 “상” 또는 “위”라는 용어는 어떤 층 위에 직접 접촉되어 배치된 경우뿐만 아니라 접촉되지 않고 떨어져 위에 배치되는 경우, 다른 층을 사이에 두고 위에 배치되는 경우 등을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 나노 발광부를 포함하는 백색 발광 다이오드(100)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(110) 상에 제1 반도체층(120)이 형성되어 있다. 기판(110)은 사파이어(Sapphire), 실리콘 카바이드(SiC), GaN 등으로 이루어질 수 있다. 기판(110) 위에는, 도시되지는 않았으나, 에피텍시 성장에 필요한 버퍼층이 더 형성될 수 있다.
제1 반도체층(120)의 상면에는 절연층 패턴(130)이 형성되어 있다. 절연층 패턴(130)은 육각형상의 홀(132)이 형성된 패턴일 수 있다.
절연층 패턴(130)에 형성된 홀(132)들로부터 복수의 헥사고날 피라미드의 나노구조(122)가 돌출되어 있다. 복수의 헥사고날 피라미드 나노구조(122)는 어레이를 이룬다. 나노어레이는 절연층 패턴(130)의 홀(132)에 노출된 제1 반도체층(120)으로부터 에피성장된 것이다.
나노어레이를 포함하는 제1 반도체층(120)은 제1형의 불순물, 예컨대 n형 불순물로 도핑된 반도체층일 수 있다. 제1 반도체층(120)은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, n-GaN일 수 있다. n형 불순물로는 Si이 사용될 수 있다.
각 나노구조(122) 상에는 적어도 둘 이상의 다중양자우물층(multi quantum well)이 순자적으로 적층되어 있다. 도 1에 도시된 실시예에서는 나노구조(122) 상에 제1 다중양자우물층(140)과 제2 다중양자우물층(150)이 적층되어 있다. 제2 다중양자우물층(150) 상에는 제2 반도체층(160)이 형성되어 있다. 나노구조(122)와 그 위의 제1 다중양자우물층(140), 제2 다중양자우물층(150), 및 제2 반도체층(160)은 나노 발광부(124)를 구성한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 백색 발광다이오드(100)는 나노 발광부 어레이를 포함한다.
제2 반도체층(160)은 제2형의 불순물, 예컨대 p형 불순물로 도핑된 반도체층일 수 있다. 제2 반도체층(160)은, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, p-GaN일 수 있다. p형 불순물로는 Mg, Ca, Zn, Cd, Hg 이 사용될 수 있다.
절연층 패턴(130) 상에는 나노구조 어레이를 덮는 투명전극층(170)이 형성되어 있다. 본 실시예의 백색 발광 다이오드(100)는 제1 반도체층(120)의 일부 영역이 노출된 메사 구조를 가지며, 제1전극(181)은 제1 반도체층(120)의 노출된 일부 영역 상에 마련된다. 제2전극(182)은 투명전극층(170) 상면 일측에 마련된다.
본 발명의 실시예에 따른 제1전극(181) 및 제2전극(182)의 배치는 도 1에 한정되지 않는다. 예컨대, 기판(110)의 적어도 일부를 제거하고, 제1전극(181)은 제1 반도체층(120)의 저면에 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 광이 투명전극층(170) 방향으로 방출되는 것을 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 광이 기판(110) 방향으로 방출될 수 있으며, 이 경우, 투명전극층(170)은 오믹 특성을 가지면서 광을 반사할 수 있는 물질로 이루어질 수 있다.
제1 다중양자우물층(140) 및 제2 다중양자우물층(150)은 전자-정공 재결합에 의해 빛을 발광하는 층으로, 예를 들어, InGaN 기반의 질화물 반도체층으로 이루어지며, 밴드갭 에너지를 제어함으로써 그 발광 파장 대역이 조절된다. 예를 들어, 각 다중양자우물층은 양자우물층과 장벽층이 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, InGaN/AlGaN 또는 InGaN/InAlGaN의 한 쌍으로 이루어질 수 있다.
제2 다중양자우물층(150)은 제1 다중양자우물층(140)의 밴드갭보다 작은 밴드갭을 가질 수 있다. 일 실시예에 의한 백색 발광 다이오드(100)는 제1 다중양자우물층(140)에서 방출된 제1파장의 광과 제2 다중양자우물층(150)에서 방출된 제2파장의 광이 혼합되어 백색광을 만들 수 있다.
일 실시예에서, 제1 다중양자우물층(140)은 청색광을 발광하도록 구성될 수 있으며, 청색광이 발광되도록 InGaN층에서의 인듐(In) 몰분율이 정해질 수 있다. 통상적으로, In의 몰분율이 1% 변화할 때 발광 파장은 약 5nm 정도 시프트된다. 예를 들어, 청색광을 발생시키고자 하는 경우, InGaN 층 내의 In의 몰분율은 약 20% 정도가 된다.
제2 다중양자우물층(150)은 황색광을 발광하도록 구성될 수 있다. 황색광을 발광하도록 InGaN층에서의 In의 몰분율이 약 50% 정도가 된다.
제1 반도체층(120), 제1 다중양자우물층(140), 제2 다중양자우물층(150), 제2 반도체층(160)의 제조에 있어서, 일반적으로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 성장방법으로 알려진 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 금속 유기 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition;MOCVD), 혼성 기상 결정 성장법(hydride vapor phase epitaxy;HVPE), 분자선 결정 성장법(molecular beam epitaxy;MBE), 유기 금속 기상 결정 성장법(metal organic vapor phase epitaxy;MOVPE), HCVD 법(halide chemical vapour deposition) 등이 사용될 수 있다.
도 2는 도 1의 헥사고날 피라미드 나노구조(122)를 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 나노구조(122)와 나노 발광부(124)의 형상은 실질적으로 동일할 수 있다. 나노구조(122)는 여섯개의 측면(122a)과 과 저면(122b)을 포함할 수 있다. 측면(122a)은 반극성면(semi-polar surface)일 수 있다. 저면(122b)의 크기는 10nm~1000nm일 수 있다. 저면(122b)은 무극성 면(non-polar surface)일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 어레이의 평면도이다. 나노구조(122)의 저면(122b)이 소정 간격으로 배열될 수 있다. 나노구조(122)가 지그재그 형태로 배열될 수 있다. 이 경우, 저면(122b)이 벌집 형태로 배열될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니고, 매트릭스 형태로 배열될 수도 있다.
나노 발광부(124)는 예를 들어 InGaN 다중양자우물층에서 인듐의 함량을 자유롭게 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 격자 부정합에 의한 결정 결함이 감소되어 내부 양자 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 나노 발광부(124)의 크기가 빛의 파장에 비해 작은 경우 빛의 추출 효율이 증가되어 외부 양자 효율도 증가될 수 있다. 또한, 나노 발광부(124)는 다중양자우물층의 응력에 의한 변형을 신축이완시킴으로써, 응력으로 인한 피에조일렉트릭 편광(piezoelectric polarization)을 감소시킬 수 있다. 피에조일렉트릭 편광의 생성을 억제하여 장파장, 예를 들어 500nm 이상의 파장의 광효율을 증가시키고, 고전류 동작에서의 효율을 높일 수 있다.
또한, 나노 발광부(124)는 다중양자우물층들의 표면적이 넓어 높은 광출력을 얻을 수 있다. 제1전극(181)과 제2전극(182)은 나노 발광부(124)에 전자 및 정공이 주입되도록 외부 전원 공급부와 연결되는 곳으로, Au, Al, Ag와 같은 금속물질 또는 ITO (Indium Tin Oxide)등과 같은 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다.
도 4는 도 1의 나노 발광부(124)의 A부분을 확대한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 나노 발광부(124)는 제1 다중양자우물층(140)과 제2 다중양자우물층(150)을 포함한다. 제1 다중양자우물층(140)은 나노구조(122)에서 면방향으로 에피성장되어 교호적으로 배치된 3개의 장벽층(140b)과 2개의 양자우물(14q)을 가질 수 있다. 하나의 양자우물(140q)은 인접하여 배치된 2개의 장벽층(140b) 사이에 개재된다. 또한, 제2 다중양자우물층(150)은 제1 다중양자우물층(140) 상에서 면방향으로 에피성장되어 교호적으로 배치된 3개의 장벽층(150b)과 2개의 양자우물(150q)을 가질 수 있다. 하나의 양자우물(150q)은 인접하여 배치된 2개의 장벽층(1150b) 사이에 개재된다. 도 4에서는 편의상 제1 다중양자우물층(140)과 제2 다중양자우물층(150)이 각각 2개의 양자우물을 가지는 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는 다. 예컨대, 제1 다중양자우물층(140)과 제2 다중양자우물층(150)이 각각 3개 이상의 양자우물과 이에 따른 장벽을 포함할 수 있다.
한편, 양자우물(140q, 150q)의 개수가 증가할수록, p-형 반도체층, 예컨대 제 2 반도체층(160) 부근의 양자우물에만 정공이 주로 분포하고, n-형 반도체층, 예컨대 제 1 반도체층(120) 부근의 양자우물에는 정공이 잘 도달하지 못할 수 있다. 이러한 현상은 전자에 비하여 정공의 이동도가 현저하게 낮기 때문에 발생한다. 이 경우, 발광은 주로 p-형 반도체층 부근에서만 일어나기 때문에, 발광효율이 감소될 수 있다. 따라서, 모든 양자우물(140q, 150q)에 고르게 정공을 제공하기 위하여, 장벽층들(140b, 150b)을 p-타입으로 도핑시킬 수 있다. 그러면, p-타입으로 도핑된 장벽층(140b, 150b)들이 인접한 양자우물(140q, 150q)에 정공을 제공할 수 있다. 이때, 모든 장벽층들 (140b, 150b) 을 도핑할 수 있지만, 단지 일부의 장벽층(140b, 150b)만을 도핑시키는 것도 가능하다. 이러한 장벽층(140b, 150b)의 적절한 도핑 농도는 일반적인 반도체의 도핑 농도보다 약간 낮은, 예를 들어, 약 1×1016cm-3 내지 1×1019cm-3의 범위에 있을 수 있다.
상술한 실시예에서는 발광부가 제1 다중양자우물층과 제2 다중양자우물층을 포함하나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 제2 다중양자우물층 상에 다른 적어도 하나의 다중양자우물층을 더 포함할 수 있다. 이경우, 제1 다중양자우물층에서는 청색광을 발생하며, 제2 다중양자우물층에서는 녹색광을 발생하고, 적어도 다른 하나의 다중양자우물층에서는 녹색광을 발생함으로써 발광다이오드로부터 백색광이 방출될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드(200)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1의 실시예와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 나노 발광부(224) 내에서 제2 반도체층(160)으로부터 이격된 제1 다중양자우물(140q)에 정공을 제공하기 위한 방법으로 터널 접합층을 다중양자우물층 사이에 형성한다. 즉, 제1 다중양자우물층(140) 및 제2 다중양자우물층(150) 사이에 터널접합층(210)을 형성한다.
도 6은 도 5의 다중양자우물 구조의 밴드갭 다이어그램(bandgap diagram)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 다중양자우물층(140)과 제2 다중양자우물층(150) 사이에 p+로 도핑된 p+ 반도체층(210a)과 n+로 도핑된 n+ 반도체층(210b)을 갖는 터널 접합층(210)이 배치되어 있다. 터널 접합층(210)은 2개의 장벽층(140b, 150b) 사이에 배치된다. p+ 반도체층(210a)은 제1 다중양자우물층(140) 쪽으로 배치되며, n+ 반도체층(210b)은 제2 다중양자우물층(150) 쪽으로 배치된다. 따라서, 터널 접합층(210)이 더 배치된 나노 발광부(224)는 p-i-n+-p+-i-n의 구조가 된다. 도 6에는 단지 하나의 터널 접합층(210)만이 도시되어 있으나, 복수의 터널 접합층(210)이 나노 발광부(224) 내에 배치될 수도 있다.
터널 접합층(210)에 바이어스 전압이 인가되면, 터널 접합층(210)의 내부에서 전자와 정공의 쌍이 생성되어 양자우물(140q, 150q)에 각각 제공된다. 즉, p+ 반도체층(210a)은 인접한 양자우물(140q)에 정공을 제공하며, n+ 반도체층(210b)은 인접한 양자우물(150q)에 전자를 제공할 수 있다. 이를 위하여, p+ 반도체층(210a)과 n+ 반도체층(210b)의 도핑 농도는 일반적인 반도체의 도핑 농도보다 약간 높은, 예컨대, 약 1×1017cm-3 내지 5×1020cm-3의 범위에 있을 수 있다. 터널 접합층(210)은 AlInGaN, InGaN, GaN, AlGaN 등으로 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드(300)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1의 실시예와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 기판(310) 상에 제1 반도체층(320)이 형성되어 있다. 기판(310)은 사파이어(Sapphire), 실리콘 카바이드(SiC), GaN 등으로 이루어질 수 있다. 기판(310) 위에는, 도시되지는 않았으나, 에피텍시 성장에 필요한 버퍼층이 더 형성될 수 있다.
제1 반도체층(320)은 제1형의 불순물, 예컨대 n형 불순물로 도핑된 반도체층일 수 있다. 제1 반도체층(320)은, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, n-GaN일 수 있다. n형 불순물로는 Si이 사용될 수 있다.
제1 반도체층(320)의 상면에는 제1 다중양자우물층(330)이 형성된다. 제1 다중양자우물층(330)은 전자-정공 재결합에 의해 빛을 발광하는 층으로, 예를 들어, InGaN 기반의 질화물 반도체층으로 이루어지며, 밴드갭 에너지를 제어함으로써 그 발광 파장 대역이 조절된다. 제1 다중양자우물층(330)은 양자우물층과 장벽층이 교번적으로 형성된 구조이며, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, InGaN/AlGaN 또는 InGaN/InAlGaN의 한 쌍으로 이루어질 수 있다.
제1 다중양자우물층(330) 상에는 제2 반도체층(332)이 형성된다. 제1 반도체층(332)은 제1형의 불순물, 예컨대 n형 불순물로 도핑된 반도체층일 수 있다. 제1 반도체층(332)은, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, n-GaN일 수 있다. n형 불순물로는 Si이 사용될 수 있다.
제2 반도체층(332)의 상면에는 절연층 패턴(340)이 형성되어 있다. 절연층 패턴(340)은 육각형상의 홀(342)이 형성된 패턴일 수 있다.
절연층 패턴(340)에 형성된 홀들(342)로부터 복수의 헥사고날 피라미드의 나노구조(334)가 돌출되어 있다. 복수의 헥사고날 피라미드 나노구조(334)는 어레이를 이룬다. 나노어레이는 절연층 패턴(340)의 홀(342)에 노출된 제2 반도체층(330)으로부터 에피성장된 것이다.
각 나노구조(334) 상에는 적어도 하나 이상의 다중양자우물층(multi quantum well)이 순자적으로 적층되어 있다. 도 7에 도시된 실시예에서는 나노구조(334) 상에 제2 다중양자우물층(350)이 적층되어 있다. 제2 다중양자우물층(350) 상에는 제3 반도체층(360)이 형성되어 있다.
제3 반도체층(360)은 제2형의 불순물, 예컨대 p형 불순물로 도핑된 반도체층일 수 있다. 제3 반도체층(360)은, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, p-GaN일 수 있다. p형 불순물로는 Mg, Ca, Zn, Cd, Hg 이 사용될 수 있다.
절연층 패턴(340) 상에는 나노구조 어레이를 덮는 투명전극층(370)이 형성되어 있다. 본 실시예의 백색 발광 다이오드(300)는 제2 반도체층(332)의 일부 영역이 노출된 메사 구조를 가지며, 제1전극(381)은 제2 반도체층(332)의 노출된 일부 영역 상에 마련된다. 제2전극(382)은 투명전극층(370) 상면 일측에 마련된다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 광이 투명전극층(370) 방향으로 방출되는 것을 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 광이 기판 방향으로 방출될 수 있으며, 이 경우, 투명전극층(370)은 오믹 특성을 가지면서 광을 반사할 수 있는 물질로 이루어질 수 있다.
제1 다중양자우물층(330) 및 제2 다중양자우물층(350)은 전자-정공 재결합에 의해 빛을 발광하는 층으로, 예를 들어, InGaN 기반의 질화물 반도체층으로 이루어지며, 밴드갭 에너지를 제어함으로써 그 발광 파장 대역이 조절된다. 예를 들어, 각 다중양자우물층은 양자우물층과 장벽층이 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, InGaN/AlGaN 또는 InGaN/InAlGaN의 한 쌍으로 이루어질 수 있다.
제2 다중양자우물층(350)은 제1 다중양자우물층(330)의 밴드갭보다 작은 밴드갭을 가질 수 있다. 일 실시예에 의한 백색 발광 다이오드(300)는 제1 다중양자우물층(330)에서 방출된 제1파장의 광과 제2 다중양자우물층(350)에서 방출된 제2파장의 광이 혼합되어 백색광을 만들 수 있다.
일 실시예에서, 제1 다중양자우물층(330)은 청색광을 발광하도록 구성될 수 있으며, 청색광이 발광되도록 InGaN층에서의 인듐(In) 몰분율이 정해질 수 있다. 통상적으로, In의 몰분율이 1% 변화할 때 발광 파장은 약 5nm 정도 시프트된다. 예를 들어, 청색광을 발생시키고자 하는 경우, InGaN 층 내의 In의 몰분율은 약 20% 정도가 된다.
제2 다중양자우물층(350)은 황색광을 발광하도록 구성될 수 있다. 황색광을 발광하도록 InGaN층에서의 In의 몰분율이 약 50% 정도가 된다.
제1 반도체층(320), 제1 다중양자우물층(330), 제2 반도체층(332), 제2 다중양자우물층(350), 제2 반도체층(360)의 제조에 있어서, 일반적으로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 성장방법으로 알려진 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 금속 유기 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition;MOCVD), 혼성 기상 결정 성장법(hydride vapor phase epitaxy;HVPE), 분자선 결정 성장법(molecular beam epitaxy;MBE), 유기 금속 기상 결정 성장법(metal organic vapor phase epitaxy;MOVPE), HCVD 법(halide chemical vapour deposition) 등이 사용될 수 있다.
헥사고날 피라미드 나노구조(322)와 그 위의 제2 다중양자우물층(350)의 형상은 도 2 및 도 3의 나노구조와 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 또한, 제2 다중양자우물층(350)의 구조는 도 4의 실시예로부터 잘 알 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드(400)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 7의 실시예와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 제3 반도체층(360)으로부터 이격된 제1 다중양자우물층(330)의 양자우물에 정공을 제공하기 위한 방법으로 제1 다중양자우물층(330) 및 제2 다중양자우물층(350) 사이에 터널접합층(410)을 형성한다.
나노구조(334) 상에 터널접합층(410)이 형성된다.
터널접합층(410)은 p+로 도핑된 p+ 반도체층과 n+로 도핑된 n+ 반도체층을 포함한다. p+ 반도체층(510a)은 제1 다중양자우물층(330) 쪽으로 배치되며, n+ 반도체층(510b)은 제2 다중양자우물층(350) 쪽으로 배치된다.
터널접합층(510) 상에 제2 다중양자우물층(350)이 형성된다. 제2 다중양자우물층(350) 상의 구조는 도 7의 실시예와 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
터널접합층(410)은 도 5 및 도 6의 실시예에 도시된 터널접합층(210)의 구조로부터 잘 알 수 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광다이오드(500)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 7의 실시예와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 제3 반도체층(360)으로부터 이격된 제1 다중양자우물층(330)의 양자우물에 정공을 제공하기 위한 방법으로 제1 다중양자우물층(330) 및 제2 다중양자우물층(350) 사이에 터널접합층(510)을 형성한다.
터널접합층(510)은 p+로 도핑된 p+ 반도체층(510a)과 n+로 도핑된 n+ 반도체층(510b)을 포함한다. p+ 반도체층(510a)은 제1 다중양자우물층(330) 쪽으로 배치되며, n+ 반도체층(510b)은 제2 다중양자우물층(350) 쪽으로 배치된다. 터널접합층(510) 상에 제2 반도체층(332)가 형성된다. 제2 반도체층(332) 상의 구조는 도 7의 실시예와 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
터널 접합층(510)에 바이어스 전압이 인가되면, 터널 접합층(510)의 내부에서 전자와 정공의 쌍이 생성되어 p+ 반도체층(510a)은 인접한 양자우물에 정공을 제공하며, n+ 반도체층(510b)은 인접한 양자우물에 전자를 제공할 수 있다. 이를 위하여, p+ 반도체층(510a)과 n+ 반도체층(510b)의 도핑 농도는 일반적인 반도체의 도핑 농도보다 약간 높은, 예컨대, 약 1×1017cm-3 내지 5×1020cm-3의 범위에 있을 수 있다. 터널 접합층(510)은 AlInGaN, InGaN, GaN, AlGaN 등으로 형성될 수 있다.
지금까지, 발명의 이해를 돕기 위하여 다양한 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 도시되고 설명된 설명에 발명이 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100: 백색 발광 다이오드 110: 기판
120: 제1 반도체층 122: 나노구조
130: 절연층 패턴 132: 홀
140: 제1 다중양자우물층 150: 제2 다중양자우물층
160: 제2 반도체층 170: 투명전극층
181: 제1전극 182: 제2전극
120: 제1 반도체층 122: 나노구조
130: 절연층 패턴 132: 홀
140: 제1 다중양자우물층 150: 제2 다중양자우물층
160: 제2 반도체층 170: 투명전극층
181: 제1전극 182: 제2전극
Claims (21)
- 상면으로부터 돌출된 복수의 헥사고날 피라미드 형상의 나노구조를 포함하는 제1 반도체층;
상기 피라미드 상으로 순차적으로 적층된 적어도 두개의 다중양자우물층; 및
상기 다중양자우물층 상에 형성된 제2 반도체층;을 포함하는 백색 발광 다이오드. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 피라미드의 저면을 한정하도록 상기 복수의 피라미드의 저면을 감싸는 절연성 패턴을 더 구비하는 백색 발광 다이오드.. - 제 1 항에 있어서,
상기 다중양자우물층은 각각 복수의 양자우물과 상기 양자우물을 감싸는 장벽을 포함하며, 상기 장벽은 1×1016cm-3 내지 1×1019cm-3의 농도로 p-타입으로 도핑된 백색 발광 다이오드. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자우물은 InGaN으로 이루어지며, 상기 장벽층은 (In)GaN으로 이루어진 백색 발광 다이오드. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 두개의 다중양자우물층 사이의 터널 접합층을 더 포함하는 백색 발광 다이오드. - 제 5 항에 있어서,
상기 터널 접합층은 p+로 도핑된 p+ 반도체층 및 n+로 도핑된 n+ 반도체층을 가지며, p+ 반도체층과 n+ 반도체층은 각각 1×1017cm-3 내지 5×1020cm-3의 범위의 도핑농도를 가지는 백색 발광 다이오드. - 제 5 항에 있어서,
상기 터널 접합층은 AlInGaN, InGaN, GaN, AlGaN 으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 이루어진 백색 발광 다이오드. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 두개의 다중양자우물층은 상기 피라미드 상의 제1 다중양자우물층과, 상기 제1 다중양자우물층 상의 제2 다중양자우물층을 포함하며,
상기 제1 다중양자우물층으로부터 방출되는 제1파장 보다 상기 제2 다중양자우물층으로부터 방출되는 제2파장의 길이가 더 긴 백색 발광 다이오드. - 제 8 항에 있어서,
상기 터널접합층은 상기 제1 다중양자우물층과 상기 제2 다중양자우물층 사이에 형성된 백색 발광 다이오드. - 제 1 항에 있어서,
상기 다중양자우물층은 반극성면을 포함하는 백색 발광 다이오드. - 제1 반도체층 상의 적어도 하나의 제1 다중양자우물층;
상기 적어도 하나의 제1 다중양자우물층 상에서 그 상면으로부터 돌출된 복수의 헥사고날 피라미드 형상의 나노구조를 포함하는 제2 반도체층;
상기 피라미드 상의 적어도 하나의 제2 다중양자우물층; 및
상기 적어도 제2 다중양자우물층 상에 형성된 제3 반도체층;을 포함하는 백색 발광 다이오드. - 제 11 항에 있어서,
상기 복수의 피라미드의 저면을 한정하도록 상기 복수의 피라미드의 저면을 감싸는 절연성 패턴을 더 구비하는 백색 발광 다이오드. - 제 11 항에 있어서,
상기 다중양자우물층은 각각 복수의 양자우물과 상기 양자우물을 감싸는 장벽을 포함하며, 상기 장벽은 1×1016cm-3 내지 1×1019cm-3의 농도로 p-타입으로 도핑된 백색 발광 다이오드. - 제 13 항에 있어서,
상기 양자우물은 InGaN으로 이루어지며, 상기 장벽층은 (In)GaN으로 이루어진 백색 발광 다이오드. - 제 11 항에 있어서,
상기 다중양자우물층들 사이의 적어도 하나의 터널 접합층을 더 포함하는 백색 발광 다이오드. - 제 15 항에 있어서,
상기 터널 접합층은 상기 나노구조 상에 형성된 백색 발광 다이오드. - 제 15 항에 있어서,
상기 터널 접합층은 상기 나노구조 하부에 형성된 백색 발광 다이오드. - 제 15 항에 있어서,
상기 터널 접합층은 p+로 도핑된 p+ 반도체층 및 n+로 도핑된 n+ 반도체층을 가지며, p+ 반도체층과 n+ 반도체층은 각각 1×1017cm-3 내지 5×1020cm-3의 범위의 도핑농도를 가진 백색 발광 다이오드. - 제 15 항에 있어서,
상기 터널 접합층은 AlInGaN, InGaN, GaN, AlGaN 으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 이루어진 백색 발광 다이오드. - 제 11 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제1 다중양자우물층으로부터 방출되는 제1파장 보다 상기 적어도 하나의 제2 다중양자우물층으로부터 방출되는 제2파장의 길이가 더 긴 백색 발광 다이오드. - 제 11 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제2 다중양자우물층은 반극성면을 포함하는 백색 발광 다이오드.
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