KR20220137886A - 단일칩 복수 대역 발광 다이오드 - Google Patents

단일칩 복수 대역 발광 다이오드 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 발광 다이오드는, n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층의 상부에 위치하며 V-피트를 갖는 V-피트 생성층; 상기 V-피트 생성층 상에 위치하는 활성층; 및 상기 활성층 상에 위치하는 p형 질화물 반도체층을 포함하고, 상기 활성층은 우물층을 포함하되, 상기 우물층은 상기 V-피트 생성층의 평평한 면을 따라 형성된 제1 우물층 부분 및 상기 V-피트 생성층의 V-피트 내에 형성된 제2 우물층 부분을 갖고, 단일 칩 레벨에서 적어도 2개의 피크 파장의 광을 방출한다.

Description

단일칩 복수 대역 발광 다이오드
본 개시는 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히, 단일칩 레벨에서 복수 대역의 광을 방출하는 발광 다이오드에 관한 것이다.
질화물 반도체는 디스플레이 장치, 신호등, 조명이나 광통신 장치의 광원으로 이용되며, 청색이나 녹색을 발광하는 발광 다이오드(light emitting diode)나 레이저 다이오드(laser diode)에 주로 사용되고 있다. 또한, 질화물 반도체는 이종 접합 바이폴라 트랜지스터(HBT) 및 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 등에도 사용될 수 있다.
일반적으로, 질화물 반도체를 이용한 발광 다이오드는 N 컨택층과 P 컨택층 사이에 양자우물구조를 갖는 이종접합 구조를 가진다. 발광 다이오드는 양자우물구조 내의 우물층의 조성에 따라 광을 방출한다. 내부 양자 효율을 증가시키고, 광 흡수에 의한 손실을 줄이기 위해 발광 다이오드는 단일 피크를 갖는 스펙트럼의 광, 즉 단색광을 방출하도록 설계된다.
조명 등에서 방출되는 혼색광, 예컨대 백색광은 단일 피크의 단색광으로는 구현될 수 없다. 따라서, 서로 다른 단색광을 방출하는 복수의 발광 다이오드들을 함께 사용하거나 발광 다이오드에서 방출된 광을 파장변환하는 형광체를 사용하여 백색광을 구현하는 기술이 일반적으로 사용되고 있다.
형광체의 사용은 형광체 자체의 비용이나 스토크 쉬프트로 알려진 효율 저하 등의 문제를 수반한다. 또한, 형광체를 발광 다이오드 상에 도포하기 위한 많은 공정상의 문제점 및 형광체를 담지하는 담지체의 황변과 같은 문제를 수반한다.
또한, 복수의 발광 다이오드들을 혼합하여 사용하는 것은 또한 공정을 복잡하게 하며 서로 다른 재료로 제조된 발광 다이오드들을 준비해야 하는 불편함이 있다.
단일칩의 발광 다이오드를 이용하여 복수 대역의 스펙트럼을 갖는 광을 구현할 수 있다면, 복수의 발광 다이오드들을 사용할 필요가 없으며, 형광체를 사용할 필요가 없어 기존의 많은 문제를 해결할 수 있다.
종래 양자우물 구조 내의 우물층들의 조성을 다양하게 함으로써 멀티 밴드 스펙트럼의 광을 구현하려는 시도가 있었으나, 만족할 만한 성과를 얻지 못했다. 특히, 전자와 정공의 재결합이 주로 특정 우물층에서 발생되기 때문에 멀티 밴드의 광을 생성하기 어렵다.
본 개시가 해결하고자 하는 과제는, 단일칩 레벨에서 멀티 밴드 스펙트럼의 광을 구현할 수 있는 새로운 구조의 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 발광 다이오드는, n형 질화물 반도체층 상기 n형 질화물 반도체층의 상부에 위치하며 V-피트를 갖는 V-피트 생성층, 상기 V-피트 생성층 상에 위치하는 활성층, 및 상기 활성층 상에 위치하는 p형 질화물 반도체층을 포함한다. 상기 활성층은 우물층을 포함하고, 상기 우물층은 상기 V-피트 생성층의 평평한 면을 따라 형성된 제1 우물층 부분 및 상기 V-피트 생성층의 V-피트 내에 형성된 제2 우물층 부분을 갖는다. 상기 발광 다이오드는 단일 칩 레벨에서 적어도 2개의 피크 파장의 광을 방출한다.
본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 발광 다이오드는, n형 질화물 반도체층, 상기 n형 질화물 반도체층의 상부에 위치하며 V-피트를 갖는 V-피트 생성층, 상기 V-피트 생성층 상에 위치하는 활성층, 상기 활성층 상에 위치하는 p형 AlGaN층; 및 상기 p형 AlGaN층 상에 위치하는 p형 질화물 반도체층을 포함한다. 상기 활성층은 우물층을 포함하고, 상기 우물층은 상기 V-피트 생성층의 평평한 면을 따라 형성된 제1 우물층 부분 및 상기 V-피트 생성층의 V-피트 내에 형성된 제2 우물층 부분을 갖는다. 상기 제1 우물층 부분 및 제2 우물층 부분은 서로 다른 피크 파장의 광을 방출한다.
도 1은 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2A는 본 개시의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위해 도 1의 일부를 확대 도시한 개략적인 부분 단면도이다.
도 2B는 본 개시의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위해 도 2의 일부를 확대 도시한 개략적인 부분 단면도이다.
도 3은 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위해 V-피트 생성층을 확대도시한 개략적인 사시도이다.
도 4A는 비교예에 따른 황색 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 4B는 실시예 1에 따른 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 5A는 비교예에 따른 황색 발광 다이오드에서 방출되는 광을 설명하기 위한 사진이다.
도 5B는 실시예 1에 따른 발광 다이오드에서 방출되는 광을 설명하기 위한 사진이다.
도 6A는 비교예에 따른 황색 발광 다이오드의 V-피트를 설명하기 위한 TEM 사진이다.
도 6B는 실시예 1에 따른 발광 다이오드의 V-피트를 설명하기 위한 TEM 사진이다.
도 6C는 도 6B의 양자우물 구조를 확대한 TEM 사진이다.
도 7A는 실시예 2에 따른 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 7B는 실시예 3에 따른 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 8A는 실시예 2에 따른 발광 다이오드에서 방출되는 광을 설명하기 위한 사진이다.
도 8B는 실시예 3에 따른 발광 다이오드에서 방출되는 광을 설명하기 위한 사진이다.
도 9A는 실시예 2에 따른 발광 다이오드의 V-피트를 설명하기 위한 TEM 사진이다.
도 9B는 실시예 3에 따른 발광 다이오드의 V-피트를 설명하기 위한 TEM 사진이다.
도 10은 실시예 4에 따른 발광 다이오드 패키지의 발광 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 11은 실시예 4에 따른 발광 다이오드의 V-피트를 설명하기 위한 TEM 사진이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 개시의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 개시의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 개시는 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 개재된 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 발광 다이오드는, n형 질화물 반도체층, 상기 n형 질화물 반도체층의 상부에 위치하며 V-피트를 갖는 V-피트 생성층, 상기 V-피트 생성층 상에 위치하는 활성층, 및 상기 활성층 상에 위치하는 p형 질화물 반도체층을 포함한다. 상기 활성층은 우물층을 포함하고, 상기 우물층은 상기 V-피트 생성층의 평평한 면을 따라 형성된 제1 우물층 부분 및 상기 V-피트 생성층의 V-피트 내에 형성된 제2 우물층 부분을 갖고, 단일 칩 레벨에서 적어도 2개의 피크 파장의 광을 방출한다.
적어도 하나의 변형예에서, 형광체 없이 멀티 밴드 스펙트럼의 광이 방출될 수 있으며, 따라서, 형광체 사용에 따른 종래 기술의 많은 문제점을 해결할 수 있다.
상기 제1 우물층 부분은 제1 피크 파장의 광을 상기 제2 우물층 부분은 적어도 하나의 제2 피크 파장의 광을 방출할 수 있다.
또 다른 변형예에 있어서, 상기 제1 우물층 부분은 황색 계열의 피크 파장의 광을 방출하고, 상기 제2 우물층 부분은 청색 계열의 피크 파장의 광을 방출할 수 있다.
또 다른 변형예에 있어서, 상기 제1 우물층 부분은 황색 계열의 피크 파장의 광을 방출하고, 상기 제2 우물층 부분은 청색 계열의 피크 파장의 광 및 녹색 계열의 피크 파장의 광을 방출할 수 있다.
상기 제1 우물층 부분은 상기 제2 우물층 부분에 비해 더 많은 인디움(In) 함량을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 우물층 부분은 상기 제2 우물층 부분에 비해 더 두꺼울 수 있다.
상기 발광 다이오드는, 상기 활성층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 개재된 p형 AlxGa1-xN층을 더 포함할 수 있으며, 상기 p형 AlGaN층 내의 Al의 조성비 x는 0보다 크고 0.3보다 작다.
나아가, 상기 p형 AlxGa1-xN층은 100nm 미만의 두께를 가질 수 있다.
한편, 상기 V-피트 생성층은 450nm를 초과하는 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 V-피트 생성층에 형성된 V-피트들은 입구 폭이 300nm를 초과하는 V-피트를 포함할 수 있다.
한편, 상기 활성층은 복수의 우물층 및 복수의 장벽층을 갖는 다중양자우물 구조를 가질 수 있으며, 상기 우물층과 장벽층 사이에 상기 우물층을 덮는 캐핑층을 더 포함할 수 있고, 상기 캐핑층은 Al을 함유할 수 있다.
나아가, 상기 캐핑층은 캐핑층 내의 전체 조성에 대해 10 원자% 이상의 Al을 함유할 수 있다.
상기 p형 질화물 반도체층은 상기 V-피트 상에 오목부를 포함할 수 있다.
또 다른 변형에 있어서, 상기 활성층은 상기 V-피트 생성층에 접할 수 있다. 즉, 활성층의 장벽층이 V-피트 생성층 상에 직접 형성될 수 있다.
본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 발광 다이오드는, n형 질화물 반도체층, 상기 n형 질화물 반도체층의 상부에 위치하며 V-피트를 갖는 V-피트 생성층, 상기 V-피트 생성층 상에 위치하는 활성층, 상기 활성층 상에 위치하는 p형 AlGaN층, 및 상기 p형 AlGaN층 상에 위치하는 p형 질화물 반도체층을 포함한다. 상기 활성층은 우물층을 포함하고, 상기 우물층은 상기 V-피트 생성층의 평평한 면을 따라 형성된 제1 우물층 부분 및 상기 V-피트 생성층의 V-피트 내에 형성된 제2 우물층 부분을 갖는다. 상기 제1 우물층 부분 및 제2 우물층 부분은 서로 다른 피크 파장의 광을 방출할 수 있다.
상기 제2 우물층 부분은 상기 제1 우물층 부분에 비해 단파장의 광을 방출할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제2 우물층 부분은 적어도 2개의 피크 파장의 광을 방출할 수 있다.
한편, 상기 p형 AlGaN층은 일반식 AlxGa1-xN으로 표현할 수 있으며, 여기서, 상기 p형 AlGaN층 내의 Al의 조성비 x는 0보다 크고 0.3보다 작을 수 있다.
상기 p형 AlGaN층은 100nm 미만의 두께를 가질 수 있다.
한편, 상기 V-피트 생성층은 450nm를 초과하는 두께를 가질 수 있으며, 상기 V-피트 생성층에 형성된 V-피트들은 입구 폭이 300nm를 초과하는 V-피트를 포함할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 2A는 본 개시의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위해 도 1의 일부를 확대 도시한 개략적인 부분 단면도이다. 도 2B는 본 개시의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위해 도 2A의 일부를 확대 도시한 개략적인 부분 단면도이다. 도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위해 V-피트 생성층을 확대 도시한 개략적인 사시도이다.
우선, 도 1을 참조하면, 발광 다이오드는 기판(21), 핵층(23), 고온 버퍼층(25), n형 질화물 반도체층(27), V-피트 생성층(29), 활성층(30), p형 AlGaN층(31), p형 질화물 반도체층(33)을 포함할 수 있다.
기판(21)은 질화 갈륨계 반도체층을 성장시키기 위한 것으로, 사파이어 기판, SiC 기판, Si 기판, 스피넬 기판 등이 이용될 수 있다. 기판(21)은 도 1에 도시한 바와 같이 돌출부들을 가질 수 있으며, 예컨대 패터닝된 사파이어 기판일 수 있다. 그러나 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니며, 평평한 상면을 갖는 기판, 예컨대 사파이어 기판일 수도 있다.
핵층(23)은 기판(21) 상에 400℃ 내지 600℃ 저온에서 (Al, Ga)N으로 형성될 수 있으며, 일례로, AlGaN 또는 GaN으로 형성될 수 있다. 핵층(23)의 조성은 기판(21)에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 기판(21)이 패터닝된 사파이어 기판인 경우, 핵층(23)은 AlGaN을 형성될 수 있으며, 기판(21)이 평평한 상면을 갖는 사파이어 기판인 경우, 핵층(23)은 GaN로 형성될 수 있다. 핵층(23)은 예컨대 약 25nm 두께로 형성될 수 있다.
고온 버퍼층(25)은 기판(21)과 n형 질화물 반도체층(27) 사이에서 전위 등의 결함이 발생하는 것을 완화하기 위해 상대적으로 고온에서 성장될 수 있다. 고온 버퍼층(25)은 언도프 GaN 또는 n형 불순물이 도핑된 GaN으로 형성될 수 있다. 고온 버퍼층(25)이 형성되는 동안 기판(21)과 고온 버퍼층(25) 사이의 격자 부정합에 의해 실전위가 발생한다. 고온 버퍼층(25)은 예를 들어 약 4.2um의 두께로 형성될 수 있다.
n형 질화물 반도체층(27)은 n형 불순물이 도핑된 질화물계 반도체층으로, 예컨대 Si가 도핑된 GaN층으로 형성될 수 있다. n형 질화물 반도체층(27)에 도핑되는 Si 도핑 농도는 5E17/㎠ 내지 5E19/㎠ 일 수 있다. n형 질화물 반도체층(27)은 MOCVD 기술을 사용하여 챔버 내로 금속 소스 가스를 공급하여 1000℃ 내지 1200℃(예컨대, 1050℃ 내지 1100℃)에서 150Torr 내지 200Torr의 성장 압력 하에서 성장될 수 있다. 이때, n형 질화물 반도체층(27)은 고온 버퍼층(25) 상에 연속적으로 형성될 수 있으며, 고온 버퍼층(25) 내에 형성된 실전위는 n형 질화물 반도체층(27)으로 전사될 수 있다. n형 질화물 반도체층(27)은 고온 버퍼층(25)보다 상대적으로 얇게 형성될 수 있으며, 예를 들어, 약 2.5um의 두께로 형성될 수 있다.
V-피트 생성층(29)은 n형 질화물 반도체층(27)의 상부에 위치한다. 본 개시의 일 실시예에서 V-피트 생성층(29)은 예를 들어 GaN층으로 형성될 수 있다. V- 피트 생성층(29)은 n형 질화물 반도체층(27)보다 상대적으로 낮은 온도, 예컨대 약 900℃에서 성장될 수 있으며, 이에 따라 V-피트 생성층(29)에서 V-피트들이 형성된다.
V-피트 생성층(29)이 n형 질화물 반도체층(27)보다 상대적으로 낮은 온도에서 성장됨으로써, 결정 품질을 인위적으로 저하시키고 3차원 성장을 촉진하여 V-피트(29v)를 생성할 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, V-피트들(29v)은 질화물 반도체층의 성장면이 C면인 경우, 육각뿔 형상을 가질 수 있다. V-피트들(29v)은 실전위의 상단에서 형성될 수 있다.
V-피트 생성층(29)은 n형 질화물 반도체층(27)보다 얇은 두께로 형성될 수 있으며, 예를 들어 약 450 내지 600nm의 두께로 형성될 수 있다. V-피트 생성층(29) 내에 형성되는 V-피트들(29v)의 크기는 V-피트 생성층(29)의 성장 조건 및 성장 시간 등을 통해 조절될 수 있다. 일 실시예에 있어서, V-피트 생성층(29)에 형성된 V-피트(29v)의 입구의 최대 폭은 대체로 약 230nm를 초과할 수 있다.
V-피트 생성층(29)의 두께는 특히 V-피트(29v)의 크기에 영향을 미친다. 더욱이, V-피트(29v)의 크기는 멀티 밴드 스펙트럼의 광을 생성하는 데 영향을 미치는 것으로 고려된다.
본 실시예에서, 일 예로 V-피트 생성층(29)이 단일층인 것으로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다중층일 수도 있다. 예를 들어, V-피트 생성층(29)은 GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlGaInN층들 중 적어도 두 개의 층을 포함할 수 있다.
활성층(30)은 V-피트 생성층(29) 상에 위치한다. 활성층(30)은 전자와 정공의 재결합에 의해 광을 방출한다. 그리고 도 2A 및 도 2B에 도시된 바와 같이, 활성층(30)은 단일 양자우물구조 또는 장벽층(30b)과 우물층(30w)이 교대로 적층된 다중양자우물(MQW) 구조를 가질 수 있다.
활성층(30)은 V-피트 생성층(29)에 접할 수 있으나, 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다. 활성층(30)은 V-피트(29v)를 따라 형성될 수 있다. V-피트(29v) 내에 형성된 활성층(30)의 두께는 V-피트 생성층(29)의 평평한 면 상에 형성된 활성층(30)의 두께보다 작다. V-피트(29v) 내의 활성층(30)의 두께는 V-피트(29v)의 깊이에 따라 다를 수 있다. V-피트(29v)의 중간 정도의 깊이에서 활성층(30)의 두께는 V-피트 생성층(29)의 평평한 면 상에 형성된 활성층(30)의 두께의 약 1/3 이하일 수 있다. 특히, V-피트(29v)의 중간 정도의 깊이에서 우물층(30w)의 두께는 V-피트 생성층(29)의 평평한 면 상에 형성된 우물층(30w)의 두께의 약 1/3 이하일 수 있다.
한편, 우물층(30w)은 InxAlyGa1-x-yN(0<x<1, 0≤y<1)으로 형성될 수 있다. In, Al, Ga의 조성비는 요구되는 광에 따라 선택될 수 있다. 특히, V-피트 생성층(29)의 평평한 면 상에 형성된 우물층(30w, 이하 제1 우물층 부분)은 멀티 밴드의 장파장측 스펙트럼의 광을 방출하는 조성을 갖는다. 한편, V-피트(29v) 내에 형성된 우물층(30w, 이하 제2 우물층 부분)은 멀티 밴드의 단파장측 스펙트럼의 광을 방출하는 조성을 갖는다. 예를 들어, 제1 우물층 부분 내의 In 조성비는 제2 우물층 부분 내의 인디움(In) 조성비보다 높으며, 제1 우물층 부분은 황색 계열의 광을 방출하도록 InGaN으로 형성될 수 있으며, 제2 우물층 부분은 녹색 및/또는 청색 계열의 광을 방출하도록 InGaN으로 형성될 수 있다.
제2 우물층 부분은 V-피트(29v) 내의 각 면 상에 동일한 조성으로 형성될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각 면에 서로 다른 조성으로 형성될 수도 있다. 이에 따라, 본 개시의 발광 다이오드는 제1 우물층 부분과 제2 우물층 부분을 이용하여 적어도 2개의 밴드를 갖는 광을 단일칩 레벨에서 구현할 수 있다. 달리 말해, 단일칩이 제1 우물층 부분과 제2 우물층 부분을 포함하며, 이는 적어도 2개의 밴드를 갖는 광이 형광체 사용 없이 방출될 수 있게 한다.
장벽층(30b)은 우물층(30w)이 비해 밴드갭이 넓은 GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlInGaN 등의 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 우물층 부분이 황색 계열의 광을 방출하도록 InGaN으로 형성된 경우, 장벽층(30b)은 우물층(30w)보다 인디움(In) 함량이 적은 InGaN으로 형성될 수 있다.
한편, 도 2B에 도시되듯이, 우물층(30w)과 장벽층(30b) 사이에 캐핑층(30c)이 개재될 수 있다. 캐핑층(30c)은 장벽층(30b)을 증착하는 동안 우물층(30w) 내의 In이 해리되는 것을 방지하기 위해 장벽층(30b) 증착 전에 형성될 수 있다. 캐핑층(30c)은 Al을 포함할 수 있으며, 예를 들어 AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. 캐핑층(30c) 내에 함유되는 Al 조성은 제1 캐핑층 부분, 즉 V-피트 생성층(29)의 평평한 면 상부에 배치된 캐핑층 부분과, 제2 캐핑층 부분, 즉 V-피트(29v) 내에 형성된 캐핑층 부분이 서로 다를 수 있다. 제1 캐핑층 부분 내의 Al 함량이 제2 캐핑층 부분 내의 Al 함량보다 많다. 예를 들어, 제1 캐핑층 부분 내의 Al 조성은 캐핑층 내의 전체 조성에 대해 10 원자% 이상, 나아가 12 원자% 이상일 수 있으며, 제2 캐핑층 부분 내의 Al 조성은 캐핑층 내의 전체 조성에 대해 약 5 원자% 이상일 수 있다.
캐핑층들(30c)은 인접한 우물층(30w)과 대체로 유사한 두께 또는 그보다 작은 두께로 형성될 수 있다.
p형 AlGaN층(31)은 활성층(30) 상에 위치한다. p형 AlGaN층(31)은 V-피트(29v) 내에도 형성될 수 있다. p형 AlGaN층(31) 내의 Al 조성비는 전자 블록층에 사용되는 Al 조성비에 비해 상대적으로 낮다. 또한, p형 AlGaN층(31) 내의 Al 조성비는 캐핑층(30c) 내의 Al 조성비보다 작을 수 있다. 예를 들어, p형 AlGaN층(31)을 일반식 AlxGa1-xN으로 표현될 수 있으며, 여기서 x는 0보다 크고 0.3보다 작을 수 있다. 한편, 일 실시예에 있어서, p형 AlGaN층(31)의 두께는 약 100nm 미만일 수 있으며, 특정 실시예에 있어서, 약 70nm일 수 있다.
p형 질화물 반도체층(33)은 Mg와 같은 p형 불순물이 도핑된 반도체층, 예컨대 GaN으로 형성될 수 있다. p형 질화물 반도체층(33)은 단일층이나 다중층일 수 있으며, p형 콘택층을 포함할 수 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, p형 질화물 반도체층(33)은 V-피트(29v)에 오목한 홈을 가질 수 있다. p형 질화물 반도체층(33)으로 V-피트(29v)를 완전히 메우지 않기 때문에, V-피트(29v) 내의 우물층(30w)에서 생성된 광의 손실을 방지할 수 있다.
도 4A는 비교예 1에 따른 황색 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 보여주는 그래프이고, 도 4B는 실시예 1에 따른 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 한편, 도 5A는 비교예 1에 따른 황색 발광 다이오드에서 방출되는 광을 설명하기 위한 사진이고, 도 5B는 실시예 1에 따른 발광 다이오드에서 방출되는 광을 설명하기 위한 사진이다.
비교예 1 및 실시예 1은 평평한 상면을 갖는 사파이어 기판을 성장 기판으로 사용하여 유사한 공정 조건에서 반도체층들을 성장한 것으로 다만, V-피트 생성층(29)의 증착 시간을 다르게 한 것이다. 즉, 실시예 1은 V-피트 생성층(29)의 증착 시간이 비교예 1에 비해 더 길다. 한편, 비교예 1 및 실시예 1에서 각각 3개의 우물층들이 형성되었다.
도 4A 및 도 5A를 참조하면, 50mA의 전류 세기 하에서, 비교예 1은 황색 파장 대역에서 단일 피크를 갖는 단일 밴드의 스펙트럼을 나타내었다. 비교예 1의 발광 다이오드에서 방출되는 광은 도 5A에 보이듯이 뚜렷한 황색을 나타내었다.
도 4B 및 도 5B를 참조하면, 50mA의 전류 세기 하에서, 실시예 1은 황색 파장 대역, 녹색 파장 대역 및 청색 파장 대역에서 각각 피크를 가지는 복수 밴드의 스펙트럼을 나타내었다. 실시예 1의 발광 다이오드에서 방출되는 광은 도 5B에 보이듯이 차가운 백색을 나타내었다.
한편, 도 6A는 비교예 1에 따른 황색 발광 다이오드의 V-피트를 설명하기 위한 TEM 사진이고, 도 6B는 실시예 1에 따른 발광 다이오드의 V-피트를 설명하기 위한 TEM 사진이다.
도 6A 및 도 6B를 참조하면, 활성층이 형성된 후의 V-피트의 크기는 각각 약 309nm 및 362nm이었으며, 따라서, 비교예 1의 V-피트에 비해 실시예 1의 V-피트가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 즉, V-피트 생성층의 증착 시간을 조절함으로써 V-피트의 크기를 조절할 수 있다.
도 6A 및 도 6B에 보이듯이, 비교예 1과 실시예 1은 V-피트 생성층(29)의 두께를 달리한 것으로, V-피트의 크기가 스펙트럼 밴드에 영향을 준 것으로 판단될 수 있다. 특히, 실시예 1은 녹색 계열뿐만 아니라 청색 계열의 파장 대역에서 뚜렷한 피크들을 나타내었다. 이것은 V-피트(29v) 내에 형성된 제2 우물층 부분이 서로 다른 조성 및/또는 서로 다른 두께로 형성된 것에 기인한다고 판단된다.
도 6C는 도 6B의 양자우물 구조를 확대한 TEM 사진이다.
도 6C를 참조하면, 우물층(30w) 상에 Al을 함유하는 캐핑층(30c)이 형성되고, 그 위에 장벽층(30b)이 형성된 것을 확인할 수 있다. 여기서, 우물층(30w)의 두께는 약 3.3nm ~ 3.4nm이고, 캐핑층들(30c)은 약 2.8nm ~ 3.0nm의 두께인 것을 확인할 수 있다.
한편, 제1 우물층 부분과 제2 우물층 부분에 대해 APT(atom probe tomography)를 통한 성분 분석을 통해 제1 우물층 부분이 제2 우물층 부분에 비해 상대적으로 높은 인디움(In) 함량을 갖는 것을 확인할 수 있었다. APT 그래프 상에서, 제1 우물층 부분의 인디움(In) 함량과 제2 우물층 부분의 인디움(In) 함량은, 비교예 1의 경우, 각각 약 25% 및 약 10.6%이었으며, 실시예 1의 경우, 약 25.4% 및 약 12.6%이었다.
도 7A는 실시예 2에 따른 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 보여주는 그래프이고, 도 7B는 실시예 3에 따른 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 한편, 도 8A는 실시예 2에 따른 발광 다이오드에서 방출되는 광을 설명하기 위한 사진이고, 도 8B는 실시예 3에 따른 발광 다이오드에서 방출되는 광을 설명하기 위한 사진이다. 그리고, 도 9A는 실시예 2에 따른 발광 다이오드의 V-피트를 설명하기 위한 TEM 사진이고, 도 9B는 실시예 3에 따른 발광 다이오드의 V-피트를 설명하기 위한 TEM 사진이다.
실시예 2 및 3은 모두 패터닝된 사파이어 기판을 성장기판으로 사용하고, V-피트 생성층(29)의 성장 조건은 실시예 1과 동일하게 하였으며, 양자우물 구조 내에 5개의 우물층을 형성하였다. 다만, 실시예 3은 우물층에 함유되는 인디움(In) 함량을 실시예 2보다 적게 하였다.
도 7A 및 도 7B를 참조하면, 실시예 2 및 실시예 3 모두 황색 계열의 피크 파장과 함께 청색 계열의 피크 파장을 갖는 스펙트럼을 나타내었다. 또한, 전류 세기를 증가시킴에 따라 장파장측 피크의 강도가 단파장측 피크의 강도보다 더 크게 증가하였다. 더욱이, 단파장측 피크의 강도는 전류 세기가 500mA일 때 가장 높은 값을 보여주었으며, 700mA일 때의 값이 300mA일 때의 값보다 더 작았다.
도 8A 및 도 8B를 참조하면, 300mA의 동일 전류 세기하에서 실시예 2는 핑크색을 나타내었으며, 실시예 3은 백색광을 나타내었다.
도 9A 및 도 9B를 참조하면, 활성층이 형성된 후의 V-피트의 크기는 각각 약 364nm 및 약 359nm로, 실시예 1의 V-피트의 크기와 유사하였다. 즉, V-피트 크기는 평평한 사파이어 기판이나 패터닝된 사파이어 기판의 종류에 크게 영향을 받지 않는 것으로 판단된다.
한편, APT 그래프 상에서, 제1 우물층 부분과 제2 우물층 부분의 인디움(In) 함량은 각각, 실시예 2의 경우, 약 26.6% 및 약 11.6%이었고, 실시예 3의 경우, 약 27% 및 약 10% 이었다.
실시예 1은 평평한 면을 갖는 사파이어 기판을, 실시예 2 및 실시예 3은 패터닝된 사파이어 기판을 성장 기판으로 사용한 것으로, 성장 기판의 종류에 따라 발광 다이오드에서 방출되는 광의 스펙트럼 밴드가 다른 것을 알 수 있다.
도 10은 실시예 4에 따른 발광 다이오드 패키지의 발광 스펙트럼을 보여주는 그래프이고, 도 11은 실시예 4에 따른 발광 다이오드의 V-피트를 설명하기 위한 TEM 사진이다.
실시예 4의 발광 다이오드는 V-피트 생성층의 증착 시간을 줄인 것을 제외하면 실시예 2와 동일한 조건에서 형성되었다. 한편, 실시예 4의 발광 다이오드를 480×920um2 면적의 칩으로 제작하고 투명 몰딩으로 봉지한 후 파장에 따른 전기 발광(EL) 강도를 측정하여 도 10의 결과를 얻었다.
도 10을 참조하면, 실시예 4의 발광 다이오드는 50mA 이상의 전류 세기하에서 청색 영역의 피크와 황색 영역의 피크를 뚜렷하게 나타내며, 전류 세기가 증가할수록 피크 파장에서 강도가 증가하였다.
도 11을 참조하면, V-피트의 입구 크기는 약 230nm이었다. 평평한 사파이어 기판을 사용한 경우에 비해, 패터닝된 사파이어 기판을 성장 기판으로 사용할 때, V-피트의 크기가 상대적으로 작아도 두 개의 뚜렷한 피크 파장을 갖는 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 한편, 평평한 사파이어 기판을 사용할 경우, 230nm 근처의 V-피트 크기로 두 개 이상의 피크 파장을 갖는 발광 다이오드를 제공하기 위해, 패터닝된 사파이어 기판을 사용할 경우에 비해 우물층의 인디움(In) 조성비를 증가시킬 필요가 있다.
앞서 설명한 발광 다이오드는 다양한 칩으로 제작되어 다양한 용도로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광 다이오드는 수직형 구조, 수평형 구조, 또는 플립칩형 구조의 발광 다이오드 칩으로 제작될 수 있다. 또한, 상기 발광 다이오드는 통상의 일반적인 크기의 발광 다이오드 칩으로 제작될 수도 있고, 마이크로 LED 또는 미니 LED로 제작될 수도 있다. 상기 발광 다이오드는 조명 광원 뿐만 아니라 백라이트 광원 또는 디스플레이 광원으로 사용될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 개시에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 설명은 본 개시의 실시예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 개시가 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 개시의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층의 상부에 위치하며 V-피트를 갖는 V-피트 생성층;
    상기 V-피트 생성층 상에 위치하는 활성층; 및
    상기 활성층 상부에 위치하는 p형 질화물 반도체층을 포함하고,
    상기 활성층은 우물층을 포함하되, 상기 우물층은 상기 V-피트 생성층의 평평한 면을 따라 형성된 제1 우물층 부분 및 상기 V-피트 생성층의 V-피트 내에 형성된 제2 우물층 부분을 갖고,
    형광체 사용 없이 단일 칩 레벨에서 적어도 2개의 피크 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 우물층 부분은 제1 피크 파장의 광을 상기 제2 우물층 부분은 적어도 하나의 제2 피크 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 우물층 부분은 황색 계열의 피크 파장의 광을 방출하고,
    상기 제2 우물층 부분은 청색 계열의 피크 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 우물층 부분은 황색 계열의 피크 파장의 광을 방출하고,
    상기 제2 우물층 부분은 청색 계열의 피크 파장의 광 및 녹색 계열의 피크 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 우물층 부분은 상기 제2 우물층 부분에 비해 더 많은 인디움(In) 함량을 갖는 발광 다이오드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 우물층 부분은 상기 제2 우물층 부분에 비해 더 두꺼운 발광 다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 개재된 p형 AlxGa1-xN층을 더 포함하되,
    상기 p형 AlxGa1-xN층 내의 Al의 조성비 x는 0보다 크고 0.3보다 작은 발광 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 p형 AlxGa1-xN층은 100nm 미만의 두께를 갖는 발광 다이오드.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 V-피트 생성층은 450nm를 초과하는 두께를 갖는 발광 다이오드.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 V-피트 생성층에 형성된 V-피트는 입구 폭이 230nm를 초과하는 V-피트를 포함하는 발광 다이오드.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성층은 복수의 우물층 및 복수의 장벽층을 갖는 다중양자우물 구조를 갖되,
    상기 우물층과 장벽층 사이에 개재되고 상기 우물층을 덮는 캐핑층을 더 포함하고,
    상기 캐핑층은 Al을 함유하는 발광 다이오드.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 캐핑층은 캐핑층 내의 전체 조성에 대해 10 원자% 이상의 Al을 함유하는 발광 다이오드.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은 상기 V-피트 상에 오목부를 포함하는 발광 다이오드.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성층은 상기 V-피트 생성층에 접하는 발광 다이오드.
  15. n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층의 상부에 위치하며 V-피트를 갖는 V-피트 생성층;
    상기 V-피트 생성층 상에 위치하는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 위치하는 p형 AlGaN층; 및
    상기 p형 AlGaN층 상에 위치하는 p형 질화물 반도체층을 포함하고,
    상기 활성층은 우물층을 포함하되, 상기 우물층은 상기 V-피트 생성층의 평평한 면을 따라 형성된 제1 우물층 부분 및 상기 V-피트 생성층의 V-피트 내에 형성된 제2 우물층 부분을 갖고,
    상기 제1 우물층 부분은 제1 피크 파장의 광을 방출하고 상기 제2 우물층 부분은 상기 제1 피크 파장과 다른 제2 피크 파장의 광을 방출하며,
    형광체를 포함하지 않는 발광 다이오드.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제2 우물층 부분은 상기 제1 우물층 부분에 비해 단파장의 광을 방출하는 발광 다이오드.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제2 우물층 부분은 적어도 2개의 피크 파장의 광을 방출하되, 상기 2개의 피크 파장은 상기 제1 피크 파장과 다른 발광 다이오드.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 p형 AlGaN층은 일반식 AlxGa1-xN으로 표현되고, 상기 p형 AlGaN층 내의 Al의 조성비 x는 0보다 크고 0.3보다 작은 발광 다이오드.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 p형 AlGaxN층은 100nm 미만의 두께를 갖는 발광 다이오드.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 V-피트 생성층은 450nm를 초과하는 두께를 갖고,
    상기 V-피트 생성층에 형성된 V-피트는 입구 폭이 230nm를 초과하는 V-피트를 포함하는 발광 다이오드.
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