KR20170108321A

KR20170108321A - 발광 다이오드

Info

Publication number: KR20170108321A
Application number: KR1020160032026A
Authority: KR
Inventors: 김대원
Original assignee: 주식회사 루멘스
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2017-09-27
Also published as: US20170271555A1; JP2018113477A; JP6039848B1; JP6320486B2; JP2017168797A; JP2017168811A; JP6722221B2; US10622512B2; US20180069152A1; US9853187B2; US20180240938A1; US9985176B2; US20190148585A1; US10217899B2

Abstract

짧은 파장 대역의 빛을이용하는 발광 다이오드가 개시된다. 이러한 발광 다이오드는, 전면과 배면을 갖는 제1 도전형반도체층과, 전면과 배면을 갖는 제2 도전형반도체층과, 상기 제1 도전형반도체층의 배면과 상기 제2 도전형반도체층의 전면 사이에 형성되는 활성층과, 상기 제1 도전형반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극과, 상기 제2 도전형반도체층의 배면 상에 형성되어 UVA 파장 대역의 광을 반사시키기 위한 제2 도전형 반사층과, 상기 제2 도전형 반사층 상에 형성되어 짧은 파장 대역의 빛 및 청색 파장 대역의 빛을 반사시키고, 상기 제2 도전형반도체층과 전기적으로 연결되는 반사부를 포함하고, 상기 제2 도전형 반사층은 DBR 유닛층을 포함하고, 상기 DBR 유닛층은 저 굴절률층과 상기 저 굴절률층에 인접하는 고 굴절률층을 포함하며, 상기 저 굴절률층 및 고 굴절률층 각각은 Al_xGa₁ _-xN(0<x≤1) 및 Al_yGa₁ _-yN(0≤y<1, y<x)을 포함한다.

Description

발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE}

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것이고, 구체적으로는, p형 반도체층을 통과하여 진행하는 빛 중에서 짧은 파장 대역을 반사시키기 위해 p형 반도체층 상에 도전형 반사층을 형성하고, 더 나아가 짧은 파장 대역의 빛 및 가시광 대역의 빛을 더 반사시키기 위해 도전형 반도체층 상에 금속 전극을 형성한 백색 발광 다이오드에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드 구조를 가지므로, 최근 가시광선 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화인듐갈륨(InGaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.

이러한 Ⅲ족 원소의 질화물 반도체층은 그것을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하는 것이 어려워, 유사한 결정 구조를 갖는 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다. 이종 기판으로는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다. 그러나, 사파이어는 전기적으로 부도체이므로, 발광 다이오드 구조를 제한한다. 이에 따라, 최근에는 사파이어와 같은 이종의 성장 기판 상에 질화물 반도체층과 같은 에피층들을 성장시키고, 상기 에피층들에 지지 기판을 본딩한 후, 레이저 리프트 오프 기술 등과 같은 기판 제거 기술을 이용하여 성장 기판을 분리하여 수직형 구조의 고효율 발광 다이오드를 제조하는 기술이 개발되고 있다. 이러한 수직형 구조의 발광 다이오드는 성장 기판 상에 n형 GaN층, 활성층 및 p형 GaN층을 차례로 형성하고, p형 GaN층 위에 p형의 오믹 전극 또는 오믹 반사층을 형성하고, 그 위에 지지기판을 본딩한 후, 사파이어 기판을 제거하고, 노출된 n형 화합물 반도체층 상에 전극패드를 형성함으로써 제조된다.

한편, 고휘도화, 고출력화를 달성하며, 전극패드 측과의 본딩 와이어를 생략하기 위한 구조인 플립칩형 발광 다이오드는 일반적으로 p형 반도체층이 아닌 사파이어 기판을 통해 발광함으로써 두꺼운 p형 전극을 사용하여 p형 반도체층의 전류 퍼짐을 좋게 하고 서브 마운트 기판을 통한 열방출로 인해 열저항을 크게 감소시킬 수 있다.

이러한 플립칩형 발광 다이오드와 수직형 발광 다이오드는 활성층에서 p형 반도체층으로 방출되는 광을 반사시켜 기판 측으로 방출시켜야 하므로 p형 반도체층으로 방출되는 광의 반사를 위해, 반사층의 형성이 필수적인 요소로 되어 왔다. 금속 전극이 이러한 반사층으로서의 기능을 수행하는 경우가 일반적이다.

대한민국 공개특허 10-2014-0016512(2014.02.10. 공개) 대한민국 공개특허 10-2015-0136264(2015.12.07. 공개)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 짧은 파장 대역의 빛을 이용하는 발광 다이오드에서 종래 알루미늄이 사용되는 경우의 여러 가지 단점들을 극복하고, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는, 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 짧은 파장 대역의 빛을 포함하는 넓은 파장 영역에서 높은 반사율을 갖도록 하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있도록, 짧은 파장 대역의 빛을 반사시키는 제1 반사층과, 상기 짧은 파장 대역의 및 청색 파장 대역의 빛을 반사시키는 제2 반사층을 포함하는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 발광 다이오드는, 전면과 배면을 갖는 제1 도전형 반도체층과, 전면과 배면을 갖는 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1 도전형 반도체층의 배면과 상기 제2 도전형 반도체층의 전면 사이에 형성되는 활성층과, 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극과, 상기 제2 도전형 반도체층의 배면 상에 형성되어 단파장 대역의 광을 반사시키기 위한 제2 도전형 반사층과, 상기 제2 도전형 반사층의 배면 상에 형성되어 UVA 및 청색 파장 대역의 광을 반사시키고, 상기 제2 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하고, 상기 제2 도전형 DBR은 DBR(distributed Bragg reflector) 유닛층을 포함하고, 상기 DBR 유닛층은 저 굴절률층과 상기 저 굴절률층에 인접하는 고 굴절률층을 포함하며, 상기 저 굴절률층 및 고 굴절률층 각각은 Al_xGa₁ _-xN(0<x≤1) 및 Al_yGa₁ _-yN(0≤y<1, y<x)을 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 DBR 사이에 위상 정합층(phase-matching layer)이 형성된다.

일 실시예에 따라, 상기 제2 도전형 DBR에서 상기 DBR 유닛층은 세 번 이상 반복되며, 상기 제2 도전형 반도체층의 배면에 가장 가깝게 위치한 최초 세 개의 DBR 유닛층들의 제2 도전형 불순물 도핑 농도인 제1 도핑 농도는 나머지 층의 도핑 농도인 제2 도핑 농도보다 낮다.

일 실시예에 따라, 상기 제1 도핑 농도는 1×10¹⁶cm^-3내지 5×10¹⁷cm^- ³이고, 상기 제2 도핑 농도는 1×10¹⁸cm^-3내지 1×10²¹cm^-3이다.

일 실시예에 따라, 상기 DBR 유닛층이 복수 개인 경우, 상기 제2 전극에 가장 가깝게 위치한 DBR 유닛층의 제2 도전형 불순물 도핑 농도는 오믹 컨택(Ohmic contact)을 향상시키기 위해 나머지 DBR 유닛층에 비해 더 높으며 그 값은 5×10¹⁸cm^-3내지 1×10²¹cm^-3이다.

일 실시예에 따라, 상기 제2 전극은, 오믹 컨택(Ohmic contact)을 향상시키기 위한 제2 도전형 중간층과, 짧은 파장 대역 및 청색 파장 대역의 광을 반사시키기 위한 금속 반사층을 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 금속 반사층은 은(silver)을 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 제1 도전형반도체층의 전면에 사파이어, SiC, Si, 유리,ZnO기판이 위치한다.

일 실시예에 따라, 상기 제1 도전형반도체층은 n형 반도체층이고, 상기 제2 도전형반도체층은 p형 반도체층이다.

일 실시예에 따라, 상기 제2 도전형 반사층은 복수 개의 DBR 유닛층들을포함하고, 상기 복수 개의 DBR 유닛층들 중 하나의 DBR 유닛층 내에서 저 굴절률층과 고 굴절률층 사이에 Al의 함량이 점진적으로 감소하는 제1 트랜지션부를 포함하고, 상기 하나의 DBR 유닛층의 고 굴절률층과 그 다음의 DBR 유닛층의 저 굴절률층 사이에 Al의 함량이 점진적으로 증가하는 제2 트랜지션부를 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 제1 트랜지션부 및 상기 제2 트랜지션부 각각은, 시작점과 종료점에 델타 도핑이 적용될 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 제2 도전형 반사층의 두께는 60 nm 내지 1500 nm이다.

일 실시예에 따라, 상기 DBR 유닛층의 두께는 60nm 내지 100nm이다.

일 실시예에 따라, 상기 DBR 유닛층에서 상기 저 굴절률층 및 상기 고 굴절률층 각각의 두께는 30nm 내지 50nm이다.

일 실시예에 따라, 상기 제2 도전형 중간층의 두께는 10nm 내지 150nm이다.

일 실시예에 따라, 상기 위상 정합층은 Al_xGa₁ _-xN(0<x<1)을 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 위상 정합층의 두께는 5nm 내지 50nm이다.

일 실시예에 따라, 상기 제1 트랜지션부 및 상기 제2 트랜지션부 각각의 Al의 함량변화는 선형 또는 이차곡선 형태일 수 있다.

본 발명은 짧은 파장 대역을 반사시키는 제1 반사층과, 짧은 파장 대역 및 청색 파장 대역을 반사시키는 제2 반사층을 포함하는 발광 다이오드를 제공함으로써, UVA및 청색 파장 대역을 포함하는 넓은 파장 대역에서 높은 반사율을 갖도록 하여 광추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 알루미늄(Al)과 은(Ag)의 파장 대역에 따른 반사율을 보여주기 위한 그래프이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 수직 단면도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 파장에 따른 반사율을 설명하기 위한 그래프이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드에서 제2 도전형 반사층을 구성하는 DBR 유닛층의 저 굴절률층과 고 굴절률층에서의 위치에 따른 알루미늄(Al) 함량의 일 예를 나타내는 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드에서 제2 도전형 반사층을 구성하는 DBR 유닛층의 저 굴절률층과 고 굴절률층에서의 위치에 따른 알루미늄(Al) 함량의 다른 예를 나타내는 그래프이고,
도 6은 도 5의 그래프와 같은 특성을 보이는 알루미늄 함량을 갖는 고 굴절률층과 저 굴절률층에서,제1 트랜지션부와 제2 트랜지션부 각각의 형태를 이차 곡선 형태로 형성한 예를 도5에서와 같은 형태로 형성한 예와 함께 나타낸 그래프이다.이렇게 함으로써 에너지 밴드의 급격한 변화를 줄이고,이에 따라 각 DBR 유닛층에서의 전기적 저항을 낮출 수 있다.

은(silver, Ag)을 포함하는 금속 전극을 반사층으로 이용할 수 있다. 그러나 은의 경우, 청색 파장 대역에서는 반사율이 매우 좋으나 대체로 315 nm 내지 420nm 파장 대역인 UVA 파장 대역에서는 도 1에서 보여지는 바와 같이 좋지 않다. 따라서, UVA 파장 대역을 이용하는 백색 발광 다이오드를 구현하고자 할 경우에는 반사층으로서 은을 사용하기는 어렵다.

또한, UVA 파장 대역에 대한 반사를 위해 반사층 또는 전극으로서 알루미늄(Al)이 사용될 수 있다. 도 1에서 보여지는 바와 같이, 비록 알루미늄(Al)이 UVA 파장 대역에 대해서 반사율이 좋기는 하나, p형 반도체층과 알루미늄 간의 오믹 컨택(Ohmic contact)이 좋지 않을 뿐만 아니라, 알루미늄 전극을 사용하기 위해서는 확산 장벽층(diffusion barrier layer)이 사용되어야 하므로 이를 위한 공정이 수반되어야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 수직 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 파장에 따른 반사율을 설명하기 위한 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드에서 제2 도전형 반사층을 구성하는 DBR 유닛층의 저 굴절률층과 고 굴절률층에서의 위치에 따른 알루미늄(Al) 함량의 일 예를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드에서 제2 도전형 반사층을 구성하는 DBR 유닛층의 저 굴절률층과 고 굴절률층에서의 위치에 따른 알루미늄(Al) 함량의 다른 예를 나타내는 그래프이며,도 6은 DBR 유닛층에 포함되는 다양한 형태의 알루미늄 조성 프로파일을 나타낸다. 도면들에 예시된 발광 다이오드는 플립칩형 발광 다이오드이고, 설명에서도 이에 관하여 집중적으로 기술하고 있으나, 플립칩형 발광 다이오드에 국한되지 않고 수직형 발광 다이오드에도 그대로 적용될 수 있음에 유의하여야 할 것이다. 또한, 도면들에서 각 층의 두께는 설명의 편의를 위해 과장되거나 개략적으로 도시되었음에 유의하여야 할 것이다.

먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드는 사파이어 기판(10), 제1 도전형 반도체층(20), 활성층(30), 제2 도전형 반도체층(40), 제2 도전형 반사층(50), 제1 전극(80), 제2 전극으로서의 반사부(72,74), 그리고 위상 정합층(90)을 포함한다.

제1 도전형 반도체층(20)과 제2 도전형 반도체층(40) 각각은 전면과 배면을 갖는다. 도시된 바와 같이, 제1 도전형 반도체층(20)은 n형 반도체층이고, 제2 도전형 반도체층(40)은 p형 반도체층이다. 제1 도전형 반도체층(20), 제2 도전형 반도체층(30) 및 제2 도전형 반사층(50) 각각의 전면은 도면 상에서 상측으로 향하는 면이고, 배면은 도면 상에서 하측으로 향하는 면을 나타낸다.

활성층(30)은 제1 도전형 반도체층(20)의 배면과 제2 도전형 반도체층(40)의 전면 사이에 형성된다. 활성층(30)은 전자와 정공의 재결합에 의해 광이 발생되는 층으로서, 다중 양자 우물 구조(multiple quantum well; MQW)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 활성층(30)은 InGaN, AlGaN, AlGaInN, 또는 GaN 등과 같은 질화물 반도체층으로 구성될 수 있다.

제1 도전형 반도체층(20), 활성층(30) 및 제2 도전형 반도체층(40)은화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD), 금속 유기 화학 증착법(MOCVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 분자선 성장법(MBE), 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy; HVPE)등의 증착 및 성장 방법을 통해 형성될 수 있다.

제1 전극(80)은 제1 도전형 반도체층(20)과 전기적으로 연결되는 구성요소이고, 반사부(72, 74)는, 상기 제2 도전형 반사층의 배면 상에 형성되어 제2 전극의 기능을 하는 것으로서,오믹 컨택(Ohmic contact)을 향상시키기 위한 제2 도전형 중간층(72)과, UVA 및 청색 파장 대역의 광을 반사시키기 위한 금속 반사층(74)을 포함한다. 예를 들어, 제1 전극(80)은 n형 반도체층(20)과 전기적으로 연결되는 전극이고, 반사부(72, 74)는 p형 반도체층(40)과 전기적으로 연결되는 제2 전극의 기능을 한다. 상기 반사부의 금속 반사층(74)은, 이하에서 설명되는 제2 도전형 반사층(50)이 제1 반사층으로서 기능하는 것이라고 보면, 제2 반사층으로서 기능한다.상기 제2 도전형 중간층(72)의 두께는 대체로 10 nm 내지 150nm일 수 있다.

제2 도전형 반사층(50)은 제1 도전형 반도체층(40)의 배면 상에, 즉 제2 도전형 반도체층(40)의 배면과 반사부(72, 74) 사이에 형성되어 활성층으로부터 제2 도전형 반도체층(40)을 통과해서 오는 짧은 파장 대역의 광을 반사시킨다. 여기서, 짧은파장 대역은, 대체로 315 nm 내지 420 nm 대역의 파장을 갖는다.

제2 도전형 반사층(50)은 DBR 유닛층(50a, 50b, 50c, ..., 50z 중 어느 하나로서, 이하에서는 대표적으로 50a를 예를 들어 설명함)을 포함한다. DBR 유닛층(50a)은 저 굴절률층(50a1)과 저 굴절률층(50a1)에 인접하는 고 굴절률층(50a2)을 포함하며, 저 굴절률층(50a1)과 고 굴절률층(50a2) 각각은 Al_xGa₁ _-xN(0<x≤1) 및 Al_yGa_1-yN(0≤y<1, y<x)을 포함한다. 제2 도전형 반사층(50)에 포함되는 DBR 유닛층(50a, 50b, 50c, ..., 50z)의 개수는 가변적이다. DBR 유닛층의 개수는 제2 도전형 반사층(50)의 반사율이 대체로 80% 이상이 되도록 조절될 수 있다. 저 굴절률층(50a1)과 고 굴절률층(50a2)의 설명에서 사용되고 있는 "인접하는" 이라는 용어는, 다른 구성요소의 개재없이 직접적으로 이웃할 수도 있고, 다른 구성요소가 개재된 채로 이웃하는 것으로도 사용되고 있다.

도 2에서와 같이 제2 도전형 반사층(50)이 복수 개의DBR 유닛층(50a, 50b, 50c, ..., 50z)을 포함한 상태라면, 저 굴절률층(50a1)과 고 굴절률층(50a2)이 계속해서 교대로 반복되는 패턴이 된다.

예를 들어, 제2 도전형반도체층(40)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 반사층(50)은 p형 DBR이다. 또한, 저 굴절률층(50a1)과 고 굴절률층(50a2) 각각은 전술한 바와 같이 Al_xGa₁ _-xN(0<x≤1) 및 Al_yGa₁ _-yN(0≤y<1, y<x)을 포함하는데, GaN의 굴절률(UV 대역에서 약 2.4)보다 AlN의 굴절률이 더 낮으므로, 저 굴절률층(50a1)이 고 굴절률층(50a2)보다 항상 Al 함량을 더 높게 포함하도록 구성된다.

저 굴절률층(50a1)과 고 굴절률층(50a2)의 일반식에서, 저 굴절률층(50a1)은 Al_xGa_1-xN이고, 고 굴절률층(50a2)은 Al_yGa₁ _- _yN이며, 여기서 x와 y 간의 관계식은 0≤y<x≤1이다. 즉, 저 굴절률층(50a1)의 알루미늄(Al) 함량이 고 굴절률층(50a2)의 알루미늄(Al) 함량보다 높다. 또한, 저 굴절률층(50a1)과 고 굴절률층(50a2)의 조성을 단계적으로 변화시켜 에너지 밴드의 급격한 변화를 줄일 수 있도록 한다. 위의 식에 기초하여 볼 때, 예컨대, 저 굴절률층(50a1)은 AlN으로 이루어지고, 고 굴절률층(50a2)은 GaN으로 이루어질 수 있다.

또한, 도시된 바와 같이, 제2 도전형 반사층(50)이 복수 개의 DBR 유닛층들(50a, 50b, 50c, ..., 50z)을 포함하는 경우, 복수 개의 DBR 유닛층들(50a, 50b, 50c, ..., 50z) 중 제2 전극(72, 74)에 가장 가깝게 위치한 DBR 유닛층(50z)의 제2 도전형 불순물 도핑 농도는, 나머지 DBR 유닛층보다 높다. 그리하여, 제2 전극(72, 74)과의 오믹 컨택(Ohmic contact)이 향상될 수 있도록 한다. 예컨대, 제2 도전형 불순물이 p형 불순물인 경우, p형 전극(72, 74)에 가장 가깝게 위치한 마지막 DBR 유닛층(50z)을 최대 5×10²⁰ cm^-3까지 고농도로 도핑된 p형 반도체층으로 형성할 수 있다.

제2 도전형 반사층(50)에서 DBR 유닛층(50a, 50b, 50c, ..., 50z)에서 제2 도전형반도체층(40)의 배면에 가장 가깝게 위치한 최초 세 개의 DBR 유닛층(50a, 50b, 50c)의 제2 도전형 불순물 도핑 농도인 제1 도핑 농도는 나머지 층의 도핑 농도인 제2도핑 농도보다 낮을 수 있다. 제2 도전형 반사층(50)에서 나머지 부분들에 비해 상대적으로 활성층(30)에 가까이 위치한 DBR 유닛층의 경우, 자유 캐리어 흡수(free-carrier absorption)가 상대적으로 크게 일어나기 때문에, 이를 줄이기 위한 것이다. 제2 도핑 농도는 제2 도전형 반사층(50)에서 나머지 DBR 유닛층들의 도핑 농도이다. 예를 들어, 제2 도핑 농도는 대체로 1×10¹⁸ cm^- ³내지 1×10²¹ cm^-3이고 상기 최초 세 개의 DBR 유닛층(50a, 50b, 50c)의 제2 도전형 불순물 도핑 농도인 제1 도핑 농도는 대체로1×10¹⁶cm^-3내지5×10¹⁷ cm^-3일 수 있다. 상기 제2 도전형 반사층(50)의 전체 두께는, 예컨대, 대체로 60 nm 내지 1500 nm일 수 있고, DBR 유닛층(예컨대, 50a)의 두께는 대체로 60 nm 내지 100 nm일 수 있다. 또한, DBR 유닛층(예컨대, 50a)에서 저 굴절률층(50a1) 및 고 굴절률층(50a2) 각각의 두께는 대체로 30 nm 내지 50 nm일 수 있다.

위상 정합층(90)은 제2 도전형 반도체층(40)과 제2 도전형 반사층(50) 사이에 추가되는 것으로서, 유효 반사율을 극대화하기 위한 층이다. 이 위상 정합층(90)의 제2 도전형 불순물 도핑 농도도 또한, 상기 최초 세 개의 DBR 유닛층(50a, 50b, 50c)과 마찬가지로 자유-캐리어 흡수를 줄이기 위해 제2 도전형 불순물 도핑 농도를 제2 도핑 농도보다 낮춘다. 예를 들어, 제2 도핑 농도는 대체로 1×10¹⁸cm^- ³내지 1×10²¹cm^-3이고 상기 최초 세 개의 DBR 유닛층(50a, 50b, 50c)의 제2 도전형 불순물 도핑 농도와 위상 정합층의 제2 불순물 도핑 농도가 모두 1×10¹⁶cm^-3내지5×10¹⁷cm^-3일 수 있다. 예를 들어, 위상 정합층(90)은 Al_xGa₁ _-xN(0<x<1)을 포함하고, 두께는 5 nm 내지 50 nm일 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 UVA 파장 대역을 반사시키는 제1 반사층으로서 기능하는 제2 도전형 반사층(50)과 UVA 파장 대역 및 청색 파장 대역을 반사시키는 제2 반사층으로서 기능하는 금속 반사층(74)을 포함하는 발광 다이오드를 제공함으로써, UVA를 포함하는 넓은 파장 대역에서 높은 반사율을 갖도록 하여 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다. 그뿐만 아니라, p형 반도체층 방향으로 전파하는 빛을 반사시켜 광 효율을 향상시키기 위해 도전형 DBR을 추가함으로써, 기존에 비도전형 DBR을 형성하고 전류 경로 형성을 위한 추가 공정도 줄일 수 있는 이점이 있다.

다음으로, 도 2에 도시된 본 발명의 발광 다이오드의 파장(wavelength)에 따른 반사율(reflectance) 그래프를 보여주는 도 3을 살펴보면, 섹션 2(S2)보다 짧은 파장 대역(섹션 1(S1) 및 그 이하)은 백색 발광 다이오드의 구현에 사용되지 않는 파장 대역(UVB, UVC로 정의됨)이고, 섹션 2는 UVA 파장 대역(315 nm 내지 420 nm)의 일부로서, 도 2에서의 제2 도전형 반사층(50)에 의해 주로 반사된다. 섹션 2에서 빨간색의 그래프로 표시된 바와 같이, 이 파장 대역에서 제2 도전형 반사층(50)은 90%(0.9) 이상의 반사율을 보인다. 그리고, 섹션 3은 UVA 파장 대역의 일부와 청색 파장 대역으로서, 이 부분의 반사는 회색의 그래프로 표시된 바와 같이, 금속 반사층(74)에 의해 반사된다. 회색 그래프는 은을 금속 반사층(74)으로 사용한 경우이다. 그리하여, 본 발명은 UVA 파장 대역을 반사시키는 제1 반사층으로서 기능하는 제2 도전형 반사층(50)과 UVA 파장 대역 및 청색 파장 대역을 반사시키는 제2 반사층으로서 기능하는 금속 반사층(74)을 포함하는 발광 다이오드를 제공함으로써, UVA를 포함하는 넓은 파장 대역에서 높은 반사율을 갖도록 하여 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

도 2를 참조하여 설명된 본 발명의 발광 다이오드에서, DBR 유닛층(예컨대, 50a)의 저 굴절률층(50a1)과 고 굴절률층(50a2)은 Al_xGa₁ _- _xN(0<x≤1) 및 Al_yGa₁ _-yN(0≤y<1, y<x)을 포함하는 것으로 설명되었다. 따라서, 제2 도전형 반사층(50)의 알루미늄(Al) 함량을 그래프로 나타낼 수 있다. 그 예들이 도 4 내지 도 6에 도시되어 있다. 그래프들에서 x축은 제2 도전형 반사층(50)의 위치이고, y축은 Al 함량을 나타내며, 도 2에서의 제2 도전형 반사층(50)을 수직으로 놓고 본 그래프이다.

먼저, 도 4를 참조하면, a는 저 굴절률층(50a1)이고, b는 고 굴절률층(50a2)이고, a+b는 DBR 유닛(50a)이다. 이와 같이 저 굴절률층(50a1)에서는 Al 함량이 가장 높으므로, 저 굴절률층(50a1)은 실질적으로 AlN층이 된다. 그리고 고 굴절률층(50a2)에서는 Al의 함량이 가장 높으므로, 고 굴절률층(50a2)은 실질적으로 GaN층이 된다. 따라서, 이 경우, 제2 도전형 반사층(50)은 AlN층과 GaN층이 번갈아 가며 반복되는 패턴이 된다.

다음으로, 도 5를 참조하면, 제2 도전형 반사층(50)은, 저 굴절률층(50a1)과 고 굴절률층(50a2) 사이에 Al의 함량이 점진적으로 낮아지는 제1 트랜지션부(t1)를 포함하고, 고 굴절률층(50a2)과 그 다음의 DBR 유닛층(도 1의 50b)에서의 저 굴절률층(50a2) 사이에 함량이 점진적으로 높아지는 제2 트랜지션부(t2)를 포함할 수 있다. 도 5의 경우, 0.5t2+a+0.5t1이 저 굴절률층이고, 0.5t1+b+0.5t2가 고 굴절률층이며, a+b+t1+t2는 하나의 DBR 유닛의 전체 두께이다. 파장과의 관계를 고려해 보면, 하나의 DBR 유닛의 광학적 두께, 즉 a+b+t1+t2는 λ/2가 되도록 설계될 수 있다. 또한, 하나의 DBR 유닛 내에서 저 굴절률층(50a1) 및 고 굴절률층(50a2) 각각의 두께는 λ/4가 되도록 설계될 수 있다.제1 트랜지션부(t1)와 제2 트랜지션부(t2)의 Al의 함량 프로파일은 여러 가지 형태로 될 수 있으며, 예를 들어, 선형 또는 이차곡선 형태일 수 있다.

제1 트랜지션부(t1)의 시작점(P3)과 종료점(P4), 그리고 제2 트랜지션부(t2)의 시작점(P1)과 종료점(P2), 즉 이종 접합점들(P1, P2, P3, P4)은 Al 함량이 점진적으로 변하지 않고 급격히 변화하는 포인트들인데 이 지점에만 델타 도핑(delta doping)하여 에너지 밴드의 급격한 변화를 줄일 수 있다.그리고, 본 명세서 내에서 도면들의 프로파일에 관한 설명에서 Al 함량을 기준으로 설명하고 있으나, DBR 유닛층이 Al_xGa₁ _-xN(0<x≤1) 및 Al_yGa₁ _-yN(0≤y<1, y<x)으로 이루어지므로, Ga 함량도 그에 대응되게 변화할 것이다.

일반적으로 델타 도핑(delta doping)은 델타 함수(delta function)과 같은 프로파일로 도핑하는 방법으로서, 제2 도전형 반사층(50)에서의 도핑 과정에서, 백그라운드 도핑을 높이는 경우, 자유-캐리어흡수(free-carrier absorption)가 전체적으로 커지게 되므로, 이를 방지하기 위해 본 발명에서와 같이, 제2도핑 농도를1×10¹⁸cm^- ³내지 1×10²¹ cm^-3수준으로 하고, Al의 함량이 변화하는 부분, 즉 트랜지션부들(t1, t2)에만 이러한 델타 도핑을 적용함으로써, Al의 함량이 변화함에 따라 발생하는 에너지 밴드의 급격한 변화를 줄여, 제2 도전형 반사층(50)에서의 저항을 줄일 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 새로운 개념의 발광 다이오드를 제공함으로써, 종래 p형 반도체층 상에 비도전형 DBR을 형성하는 경우에 비해, 전류 경로 형성을 위한 은이나 알루미늄과 같은 p형 반도체층과의 기계적/전기적 접합 성능이 좋지 않은 금속 반사 전극을 사용할 필요가 없을 뿐만 아니라, 추가적인 금속 반사층을 사용하지 않고서도 광효율을 대폭 향상시킬 수 있다.

10 : 사파이어 기판 20 : 제1 도전형 반도체층
30 : 활성층 40 : 제2 도전형 반도체층
50 : 제2 도전형 반사층
50a, 50b, 50c, ..., 50z : DBR 유닛층
72 : 제2 도전형 중간층 74 : 금속 반사층
80 : 제1 전극
90 : 위상 정합층

Claims

전면과 배면을 갖는 제1 도전형 반도체층;
전면과 배면을 갖는 제2 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층의 배면과 상기 제2 도전형 반도체층의 전면 사이에 형성되는 활성층;
상기 제2 도전형 반도체층의 배면 상에 형성되는 제2 도전형 반사층; 및
상기 제2 도전형 반사층의 배면 상에 형성되어 단파장 대역 및 청색 파장 대역의 광을 반사시키고, 상기 제2 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 반사부;를 포함하고,
상기 제2 도전형 반사층은 315 nm 내지 420 nm 파장 대역의 광을 반사시키는 DBR(distributed Bragg reflector) 유닛층을 포함하고, 상기 DBR 유닛층은 저 굴절률층과 상기 저 굴절률층에 인접하는 고 굴절률층을 포함하며, 상기 저 굴절률층 및 고 굴절률층 각각은 Al_xGa₁ _-xN(0<x≤1) 및 Al_yGa₁ _-yN(0≤y<1, y<x)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 DBR 사이에 위상 정합층(phase-matching layer)이 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 제2 도전형 반사층에서 상기 DBR 유닛층은 세 번 이상 반복되며, 상기 제2 도전형 반도체층의 배면에 가장 가깝게 위치한 최초 세 개의 DBR 유닛층들의 제2 도전형 불순물 도핑 농도인 제1 도핑 농도는 나머지 층의 도핑 농도인 제2 도핑 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 3에 있어서, 상기 제1 도핑 농도는1×10¹⁶cm^-3내지 5×10¹⁷cm^- ³이고, 상기 제2 도핑 농도는 1×10¹⁸cm^- ³내지 1×10²¹cm^-3인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 DBR 유닛층이 복수 개인 경우, 상기 반사부에 가장 가깝게 위치한 DBR 유닛층의 제2 도전형 불순물 도핑 농도는 오믹 컨택(Ohmic contact)을 향상시키기 위해 나머지 DBR 유닛층에 비해 더 높은 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 반사부는,
오믹 컨택(Ohmic contact)을 향상시키기 위한 제2 도전형 중간층과,
단파장 대역 및 청색 파장 대역의 광을 반사시키기 위한 금속 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 6에 있어서, 상기 금속 반사층은 은(silver)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층의 전면에 사파이어 기판이 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이고, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 제2 도전형 반도체층은 복수 개의 DBR 유닛층들을 포함하고, 상기 복수 개의 DBR 유닛층들 중 하나의 DBR 유닛층 내에서 저 굴절률층과 고 굴절률층 사이에 Al의 함량이 점진적으로 감소하는 제1 트랜지션부를 포함하고, 상기 하나의 DBR 유닛층의 고 굴절률층과 그 다음의 DBR 유닛층의 저 굴절률층 사이에 Al의 함량이 점진적으로 증가하는 제2 트랜지션부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 10에 있어서, 상기 제1 트랜지션부 및 상기 제2 트랜지션부 각각은, 시작점과 종료점에 델타 도핑이 적용되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 제2 도전형 반사층의 두께는 60 nm 내지 1500 nm인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 DBR 유닛층의 두께는 60 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 DBR 유닛층에서 상기 저 굴절률층 및 상기 고 굴절률층 각각의 두께는 30 nm 내지 50 nm인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 6에 있어서, 상기 제2 도전형 중간층의 두께는 10 nm 내지 150 nm인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 3에 있어서, 상기 위상 정합층은 Al_xGa₁ _-xN(0<x<1)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 3에 있어서, 상기 위상 정합층의 두께는 5 nm 내지 50 nm인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 10에 있어서, 상기 제1 트랜지션부 및 상기 제2 트랜지션부 각각의 알루미늄의 함량 프로파일은 선형 또는 이차 곡선인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.