WO2016072661A1 - 자외선 발광소자 및 조명시스템 - Google Patents

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light emitting
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quantum well
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박찬근
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엘지이노텍 주식회사
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    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
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    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
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    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages

Definitions

  • Embodiments relate to a light emitting device, a method of manufacturing the light emitting device, a light emitting device package and an illumination system.
  • a light emitting device may be generated by combining elements of group III and group V on a periodic table of a p-n junction diode having a characteristic in which electrical energy is converted into light energy. LED can realize various colors by adjusting the composition ratio of compound semiconductors.
  • the n-layer electrons and the p-layer holes combine to emit energy corresponding to the bandgap energy of the conduction band and the valence band.
  • it is emitted in the form of light can be a light emitting device.
  • nitride semiconductors are receiving great attention in the field of optical devices and high power electronic devices due to their high thermal stability and wide bandgap energy.
  • blue light emitting devices, green light emitting devices, and ultraviolet light emitting devices using nitride semiconductors are commercially used and widely used.
  • the active layer which is a light emitting layer, is formed by repeatedly stacking a quantum well having a small energy band gap and a quantum wall having a large energy band gap, and implanting electrons and p-type semiconductor layers injected from an n-type semiconductor layer. Holes meet with each other in the quantum well to emit light.
  • the light emitting device has a problem (Droop) that the luminous efficiency is lowered when the injection current amount is increased, which is a problem caused by the non-uniform injection efficiency of the carrier (hole or electron) to the light emitting layer,
  • Droop a problem that the luminous efficiency is lowered when the injection current amount is increased, which is a problem caused by the non-uniform injection efficiency of the carrier (hole or electron) to the light emitting layer.
  • it is required to develop a technology that allows most quantum wells of the light emitting layer to substantially participate in light emission.
  • UV light emitting devices are used for sterilization and purification, or are used in exposure machines or curing machines, and the like.
  • light emitting devices in the visible light region such as blue light emitting devices are conventionally used.
  • a technique capable of increasing luminous efficiency is required.
  • Embodiments provide an ultraviolet light emitting device, a method of manufacturing a light emitting device, a light emitting device package, and an illumination system capable of improving light emitting efficiency.
  • the ultraviolet light emitting device includes a first conductive semiconductor layer 112; An active layer 114 including a quantum wall 114B and a quantum well 114W, disposed on the first conductive semiconductor layer 112; And a second conductive semiconductor layer 116 on the active layer 114, wherein the quantum wall 114B includes an undoped Al x Ga 1-x N layer (0 ⁇ x ⁇ 1) 114BU and n. It may include a type Al y Ga 1-y N layer (0 ⁇ y ⁇ 1) (114BN).
  • the ultraviolet light emitting device includes a first conductivity type semiconductor layer 112; An active layer 114 including a quantum wall 114B and a quantum well 114W, disposed on the first conductive semiconductor layer 112; And a second conductivity-type semiconductor layer 116 on the active layer 114, wherein the quantum wall 114B includes an undoped Al x Ga 1-x N layer (0 ⁇ x ⁇ 1) 114BU.
  • the undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU is disposed on both sides of the n-type Al y Ga 1-y N layer 114BN, and the quantum well 114W is disposed on the second conductive layer. It may include a last quantum well (114WL) closest to the type semiconductor layer 116, and a second quantum well (114W) which is any one of the quantum wells not the closest to the second conductivity-type semiconductor layer 116. .
  • the light emitting device package according to the embodiment may include the ultraviolet light emitting device.
  • the embodiment can provide an ultraviolet light emitting device, a method of manufacturing a light emitting device, a light emitting device package, and an illumination system having improved light emitting efficiency.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a light emitting device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a band diagram of a light emitting device according to the first embodiment
  • FIG. 3 is a band diagram of a light emitting device according to a second embodiment
  • FIG. 6 is a band diagram of a light emitting device according to a third embodiment
  • FIG. 7 is a band diagram of a light emitting device according to a fourth embodiment.
  • FIGS. 8 to 10 are cross-sectional views of a method of manufacturing a light emitting device according to the embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a light emitting device package according to the embodiment.
  • each layer, region, pattern, or structure is “on / over” or “under” the substrate, each layer, layer, pad, or pattern.
  • “on / over” and “under” include both “directly” or “indirectly” formed. do.
  • the criteria for the above / above or below of each layer will be described based on the drawings.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a light emitting device 100 according to an embodiment.
  • the light emitting device 100 includes a first conductive semiconductor layer 112, an active layer disposed on the first conductive semiconductor layer 112 including a quantum wall 114B and a quantum well 114W. And a second conductivity type semiconductor layer 116 disposed on the active layer 114.
  • an Al p Ga q In 1-pq N layer (where 0 ⁇ p ⁇ 1 and 0 ⁇ q ⁇ 1) 122 is disposed between the active layer 114 and the second conductive semiconductor layer 116. It is possible to increase the luminous efficiency through the electronic blocking function.
  • the embodiment may include a translucent electrode 130 on the second conductive semiconductor layer 116, and are electrically connected to the second conductive semiconductor layer 116 and the first conductive semiconductor layer 112, respectively.
  • the second electrode 152 and the first electrode 151 may be included.
  • the embodiment may be a horizontal light emitting device in which the light emitting structure 110 is disposed on the substrate 105 as shown in FIG. 1, but is not limited thereto, and may be applied to a vertical light emitting device.
  • FIG. 2 is a band diagram of the light emitting element 101 according to the first embodiment.
  • the related art in order to improve luminous efficiency in a blue LED, when the quantum well Qw is thickly grown to increase the actual emission area, the lattice constant difference due to indium (In) having a relatively large lattice constant is increased. Due to the piezoelectric (Piezoelectric) is generated according to the QCSE (Quantum Confined Stark Effect) is generated, there is a problem that the brightness is rather deteriorated.
  • the thickness of the quantum well in the active layer is increased.
  • the volume of the entire quantum well is widened, thereby degrading carrier injection efficiency into the last quantum well, for example, electron injection efficiency.
  • the first embodiment can provide a light emitting device capable of improving the luminous intensity by widening the light emitting area by a thick quantum well and improving the carrier injection efficiency.
  • the quantum wall 114B of the light emitting device includes an undoped Al x Ga 1- xN layer (0 ⁇ x ⁇ 1) 114BU and an n-type Al y Ga 1-y N layer (0). ⁇ y ⁇ 1) 114BN.
  • the undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU may be disposed on both sides of the n-type Al y Ga 1-y N layer 114BN, respectively.
  • the structure of the quantum wall 114B other than the last quantum wall 114BL closest to the second conductivity-type semiconductor layer 116 is undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU /.
  • the n-type Al y Ga 1-y N layer 114BN / undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU may have a structure, but is not limited thereto.
  • the first embodiment will be described in more detail. do.
  • the concentration x of aluminum in the undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU may be in a range of 0.1 ⁇ x ⁇ 0.2.
  • concentration (x) of aluminum in the undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU is less than 0.1, it may be difficult to function as a barrier due to a carrier overflow. Injection efficiency of the carrier (electrons or holes) may be reduced.
  • the thickness of the undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU may be about 1 nm or more to 5 nm or less, but is not limited thereto.
  • the undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU is less than 1 nm, the undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU is n-type doped element doped to the adjacent n-type Al y Ga 1-y N layer 114BU, for example, by Si.
  • the interfacial quality between the wells / quantum walls is deteriorated and light loss may occur due to non-recombination.
  • the thickness of the undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU is greater than 5 nm, electron injection efficiency into the quantum well may be reduced.
  • the concentration y of aluminum in the n-type Al y Ga 1-y N layer (0 ⁇ y ⁇ 1) 114BN may range from 0.05 ⁇ y ⁇ 0.2.
  • the concentration y of aluminum in the n-type Al y Ga 1-y N layer 114BN is less than 0.05, the function as a barrier may be degraded. Injection efficiency may be lowered.
  • the n-type Al y Ga 1-y N layer 114BN may be doped with an n-type dopant in a modulation form. Accordingly, the n-type Al y Ga 1-y N layer 114BN has a repetitive u-Al a Ga 1-a N layer (0 ⁇ a ⁇ 1 ) (not shown) / n-Al b Ga 1- b N layer (0 ⁇ b ⁇ 1) (not shown).
  • the u-Al a Ga 1-a N layer (0 ⁇ a ⁇ 1) / n-Al b Ga 1-b N layer (0 ⁇ b ⁇ 1) may each have a thickness of about 1 nm to 2 nm, but is not limited thereto. no.
  • the doping level of the n-type doping element in the n-Al b Ga 1-b N layer (0 ⁇ b ⁇ 1) may be about 2x10 18 to about 6x10 18 , and when the doping concentration is less than the minimum value, Po) and the operating voltage VF3 may be lowered, and when the doping concentration exceeds the maximum value, the loss of brightness may occur due to the degradation of the quantum well quality.
  • the thickness of the n-type Al y Ga 1-y N layer 114BN may be about 2 nm to about 15 nm, but is not limited thereto.
  • the thickness of the n-type Al y Ga 1-y N layer 114BN is less than 2 nm, light loss may occur due to electron overflow, which may affect the role as a barrier.
  • the carrier injection efficiency may be lowered.
  • the thickness of the wall 114B may have a thickness of about 4 nm to about 20 nm. If the thickness is less than 3nm, it may interfere with the role of a barrier due to carrier overflow. If the thickness is more than 20nm, carrier injection efficiency may be reduced.
  • Table 1 is a light intensity and operating voltage comparison table of the comparative example and the first embodiment.
  • Comparative Example is an ultraviolet light emitting device having a quantum well of about 9 nm, Si doped quantum walls of about 7 nm
  • the first embodiment is an ultraviolet light emitting device having a quantum well of about 9 nm, Si doped quantum walls of about 14 nm Is an example.
  • the quantum wall 1114B has an undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU / n type Al y Ga 1-y N layer 114BN / undoped Al x Ga 1-x N layer.
  • the 114BU structure improves the carrier injection efficiency into the last quantum well where most of the light emission is generated, thereby improving the brightness Po and the operating voltage VF3.
  • electron mobility is increased through modulation Si doping, thereby further improving carrier injection efficiency, thereby increasing brightness and operating voltage VF3. ) Can be greatly improved.
  • FIG 3 is a band diagram of a light emitting element 102 according to the second embodiment.
  • the second embodiment can employ the technical features of the first embodiment.
  • the second embodiment improves the current spreading by improving the structure of the first quantum wall 114B1 closest to the first conductivity-type semiconductor layer 112, and electron cooling in the high current region. (electron cooling) effect can improve the electrical properties.
  • the first quantum wall 114B1 closest to the first conductivity-type semiconductor layer 112 among the quantum walls 114B is an n-type Al p Ga 1-p N layer (0 ⁇ p ⁇ ). 1) 114BA and an undoped Al q Ga 1-q N layer (0 ⁇ q ⁇ 1) 114BC.
  • the n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA may be disposed closer to the first conductivity-type semiconductor layer 112 than the undoped Al q Ga 1-q N layer 114BC.
  • the undoped Al q Ga 1-q N layer 114BC may be disposed closer to the quantum well 114W than the n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA.
  • the aluminum concentration p in the n-type Al p Ga 1-p N layer (0 ⁇ p ⁇ 1) 114BA is determined by the undoped Al q Ga 1-q N layer (0 ⁇ q ⁇ 1) 114BC. It may be more than the aluminum concentration (q) in.
  • the concentration p of aluminum in the n-type Al p Ga 1-p N layer (0 ⁇ p ⁇ 1) 114BA is equal to the undoped Al q Ga 1-q N layer (0 ⁇ q ⁇ 1) may be greater than the concentration (q) of aluminum at 114BC, and both aluminum concentrations may be controlled to 0.07 ⁇ q ⁇ p ⁇ 0.2, more specifically 0.1 ⁇ q ⁇ p ⁇ 0.18 Better effect can be obtained, but the concentration range is not limited thereto.
  • the concentration (q) of aluminum in the undoped Al q Ga 1-q N layer 114BC is less than 0.07, the current spreading effect may be reduced, and the n-type Al p Ga 1-p N layer
  • the concentration p of aluminum is greater than 0.2, the operating voltage VF3 may increase due to a decrease in carrier injection efficiency and light loss may occur.
  • the n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA may be doped with an n-type dopant, for example, Si.
  • an n-type dopant for example, Si.
  • the undoped Al q Ga 1-q N layer 114BC is doped with Si, a low current yield decrease and a current spreading effect may be reduced.
  • intentional n-type doping is not performed on the undoped Al q Ga 1-q N layer 114BC, and n is diffused from another layer such as n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA. It does not mean to exclude type elements.
  • the n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA has an n-type dopant, for example, a doping range of about 1x10 18 to about 2x10 19 , and more specifically about 2x10 18 to about 7x10 18. When it may be more effective, but is not limited thereto.
  • n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA when the concentration of the n-type dopant is less than 1x10 18, carrier injection may not be smooth. When the n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA is more than 2x10 19 , excessive doping may occur. Problems may arise such as lower yield and lower electrical properties.
  • the n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA may have a thickness of about 5 nm to about 20 nm, and more specifically, may be more effective when it is about 10 nm to about 15 nm. If the thickness of the n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA is less than 5 nm, the current spreading effect may be lowered. If the thickness of the n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA is less than 5 nm, carrier injection may not be performed. The problem that the operating voltage VF3 rises may occur.
  • the undoped Al q Ga 1-q N layer 114BC may have a thickness of about 2 nm to about 7 nm, and more specifically, about 3 nm to about 5 nm.
  • the thickness of the undoped Al q Ga 1-q N layer 114BC is less than 2 nm, the current diffusion effect may be reduced, and when the thickness of the undoped Al q Ga 1-q N layer 114BC is greater than 7 nm, problems may occur in carrier injection.
  • 4 and 5 are electrical property data of the light emitting device and the comparative example according to the second embodiment.
  • the light intensity Po is increased in the second embodiment SMPL # 1 and SMPL # 3 as compared with the comparative example SMPL # 2.
  • SMPL # 3 of the second embodiment is reproduction data reproduced again in the second embodiment, and in FIG. 4B, SMPL # 3 (solid line), which is reproduction data, almost matches the data of SMPL # 1 (solid line).
  • the second embodiment SMPL # 1 and SMPL # 3 have significantly improved internal quantum efficiency EQE and Dropop compared with the comparative example SMPL # 2.
  • FIG. 6 is a band diagram of a light emitting element 103 according to the third embodiment.
  • the third embodiment can employ the technical features of the first embodiment or the second embodiment.
  • the quantum well 114W is disposed on the last quantum well 114WL which is closest to the second conductive semiconductor layer 116 and the second conductive semiconductor layer 116. It may include a second quantum well (114W) which is any one of the nearest quantum well.
  • the bandgap energy is controlled so that the light emitted from the last quantum well 114WL is not absorbed by other quantum wells.
  • the last quantum well 114WL has a composition of In r Ga 1-r N layers (0 ⁇ r ⁇ 1), and the second quantum well 114W is In s Ga 1-. s N layer (0 ⁇ s ⁇ 1), and the concentration r of indium (In) of the last quantum well 114WL is greater than the concentration s of indium of the second quantum well 114W.
  • the concentration r of indium (In) of the last quantum well 114WL is greater than the concentration s of indium of the second quantum well 114W.
  • the composition of indium (In) in the last quantum well 114WL and the second quantum well 114W may be 0 ⁇ r ⁇ s ⁇ 0.015, and in detail, the composition of indium in the last quantum well 114WL. (r) may be 0.005 ⁇ r ⁇ 0.007, and the composition (s) of indium in the second quantum well 114W may be 0.01 ⁇ s ⁇ 0.015, but is not limited thereto.
  • composition (s) of indium in the second quantum well 114W exceeds 0.015, a dual peak may occur or a wavelength may be longer than 370 nm.
  • the light emitted from the last quantum well (114WL) is absorbed by another quantum well to Losses may occur.
  • the bandgap energy may be controlled so that the light emitted from the last quantum well 114WL is not absorbed by other quantum wells.
  • the actual light emitting area of the last quantum well 114WL closest to the second conductive semiconductor layer 116 where most of the light emission occurs is to be widened.
  • the thickness T1 of the last quantum well 114WL may be thicker than the thickness T2 of the second quantum well 114W.
  • the relationship between the thickness T1 of the last quantum well 114WL and the thickness T2d of the second quantum well 114W may be 3nm ⁇ T2 ⁇ T1 ⁇ 15nm, and in detail, 7nm ⁇ T2 ⁇ T1 ⁇ It can be more effective at 12nm.
  • the thickness T2 of the second quantum well 114W is less than 3 nm, light loss may occur due to a small light emitting area, and when the thickness T1 of the last quantum well 114WL is 15 nm or more, quality decreases. Light loss may occur.
  • the thickness T1 of the last quantum well 114WL is controlled to be thicker than the thickness T2 of the second quantum well 114W, so that most light emission occurs.
  • the actual light emitting area of the last quantum well 114WL closest to the two-conductive semiconductor layer 116 can be further increased.
  • the third embodiment may maximize hole injection into the last quantum wall 114BL nearest to the second conductivity-type semiconductor layer 116.
  • the thickness B1 of the last quantum wall 114BL may be thinner than the thickness B2 of the second quantum wall 114B.
  • the thickness B1 of the last quantum wall 114BL may have a thickness range of about 30% to about 70% of the thickness B2 of the second quantum wall 114B, and when less than 30%, Mg diffusion ( diffusion, electron blocking, and the like, and hole injection may be reduced when it exceeds 70%.
  • the thickness of the last quantum wall 114BL is thinner than that of the other second quantum wall 114B, so that the light emitting device 103 is closest to the second conductive semiconductor layer 116.
  • the luminous efficiency may be increased by maximizing hole injection into the last quantum wall 114BL.
  • the brightness was significantly improved while the operating voltage was maintained as compared with the comparative example.
  • the last light emitting area of the last quantum well 114WL closest to the second conductivity type semiconductor layer 116 where most of the light emission occurs is widened, and the last quantum well ( The band gap energy is controlled to prevent the light emitted from 114WL) from being absorbed by other quantum wells, and hole injection into the last quantum wall 114BL closest to the second conductivity-type semiconductor layer 116 is performed.
  • the band gap energy is controlled to prevent the light emitted from 114WL) from being absorbed by other quantum wells, and hole injection into the last quantum wall 114BL closest to the second conductivity-type semiconductor layer 116 is performed.
  • the last quantum wall 114BL
  • FIG 7 is an energy band diagram of the light emitting device 104 according to the fourth embodiment.
  • the fourth embodiment can adopt the technical features of the first embodiment, the second embodiment or the third embodiment.
  • the light emitting device 104 includes a first conductive semiconductor layer 112, a quantum wall 114B, and a quantum well 114W.
  • the active layer 114 and the second conductive semiconductor layer 116 on the active layer 114, the quantum wall (114B) is an undoped Al x Ga 1-x N layer (0 ⁇ x ⁇ 1) 114 BU, an n-type Al y Ga 1-y N layer (0 ⁇ y ⁇ 1) 114 BN and a first quantum wall 114 B1 closest to the first conductivity-type semiconductor layer 112 It may include.
  • the undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU is disposed on both sides of the n-type Al y Ga 1- yN layer 114BN, and the quantum well 114W is disposed on the quantum wall 114B. It includes a last quantum well (114WL) closest to the second conductivity type semiconductor layer 116 and a second quantum well (114W) which is one of the quantum wells closest to the second conductivity type semiconductor layer 116. can do.
  • the quantum wall 1114B includes an undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU / n type Al y Ga 1-y N layer 114BN / undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU. Structure) and improves the efficiency of carrier injection into the last quantum well where most of the light emission occurs, thereby improving the brightness (Po) and the operating voltage (VF3).
  • the first quantum wall 114B1 includes an n-type Al p Ga 1-p N layer (0 ⁇ p ⁇ 1) 114BA and an undoped Al q Ga 1-q N layer (0 ⁇ q ⁇ 1) 114BC. It may include. In this case, the concentration p of aluminum in the n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA may be equal to or greater than the concentration q of aluminum in the undoped Al q Ga 1-q N layer 114BC. .
  • the concentration p of aluminum in the n-type Al p Ga 1-p N layer (0 ⁇ p ⁇ 1) 114BA is equal to the undoped Al q Ga 1-q N layer (0 ⁇ q ⁇ 1) may be greater than the concentration (q) of aluminum at 114BC, and both aluminum concentrations may be controlled to 0.07 ⁇ q ⁇ p ⁇ 0.2, more specifically 0.1 ⁇ q ⁇ p ⁇ 0.18 A better effect can be obtained, but the concentration range is not limited thereto.
  • the concentration p of aluminum in the n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA is less than the concentration q of aluminum in the undoped Al q Ga 1-q N layer 114BC.
  • Current spreading effect may be reduced.
  • the concentration (q) of aluminum in the undoped Al q Ga 1-q N layer 114BC is less than 0.07, the current spreading effect may be reduced, and the n-type Al p Ga 1-p N layer
  • the concentration p of aluminum is greater than 0.2, the operating voltage VF3 may increase due to a decrease in carrier injection efficiency and light loss may occur.
  • the thickness T1 of the last quantum well 114WL may be thicker than the thickness T2 of the second quantum well 114W.
  • the relationship between the thickness T1 of the last quantum well 114WL and the thickness T2d of the second quantum well 114W may be 3nm ⁇ T2 ⁇ T1 ⁇ 15nm, and in detail, 7nm ⁇ T2 ⁇ T1 ⁇ It can be more effective at 12nm.
  • the thickness T2 of the second quantum well 114W is less than 3 nm, light loss may occur due to a small light emitting area, and when the thickness T1 of the last quantum well 114WL is 15 nm or more, quality decreases. Light loss may occur.
  • the thickness T1 of the last quantum well 114WL is controlled to be thicker than the thickness T2 of the second quantum well 114W, so that most light emission occurs.
  • the actual light emitting area in the last quantum well 114WL closest to the type semiconductor layer 116 can be further widened.
  • the last quantum well 114WL has a composition of an In r Ga 1-r N layer (0 ⁇ r ⁇ 1), and the second quantum well 114W has an In s Ga 1-s N layer (0 ⁇ s ⁇ 1) and the concentration r of indium (In) of the last quantum well (114WL) may be greater than the concentration (s) of indium of the second quantum well (114W).
  • the composition of indium (In) in the last quantum well 114WL and the second quantum well 114W may be 0 ⁇ r ⁇ s ⁇ 0.015, and in detail, the composition of indium in the last quantum well 114WL. (r) may be 0.005 ⁇ r ⁇ 0.007, and the composition (s) of indium in the second quantum well 114W may be 0.01 ⁇ s ⁇ 0.015, but is not limited thereto.
  • composition (s) of indium in the second quantum well 114W exceeds 0.015, a dual peak may occur or a wavelength may be longer than 370 nm.
  • the indium composition (r) in the last quantum well (114WL) and the indium composition (s) in the second quantum well (114W) are the same, the light emitted from the last quantum well (114WL) is absorbed by another quantum well to Losses may occur.
  • the bandgap energy may be controlled so that the light emitted from the last quantum well 114WL is not absorbed by other quantum wells.
  • the substrate 105 is prepared as shown in FIG. 8.
  • the substrate 105 may be formed of a material having excellent thermal conductivity, and may be a conductive substrate or an insulating substrate.
  • the substrate 105 may use at least one of sapphire (Al 2 O 3 ), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga 2 0 3 .
  • An uneven structure may be formed on the substrate 105, and the cross-section of the uneven structure may be circular, elliptical or polygonal, but is not limited thereto.
  • a buffer layer (not shown) may be formed on the substrate 105.
  • the buffer layer may mitigate lattice mismatch between the material of the light emitting structure 110 and the substrate 105 to be formed later, and the material of the buffer layer may be a Group III-V compound semiconductor such as GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN. It may be formed of at least one of, InAlGaN, AlInN.
  • the light emitting structure 110 including the first conductive semiconductor layer 112, the active layer 114 and the second conductive semiconductor layer 116 may be formed on the first substrate 105.
  • the first conductivity-type semiconductor layer 112 may be formed of a semiconductor compound, may be implemented as a compound semiconductor, such as group 3-5, group 2-6, and the like may be doped with a first conductivity type dopant. .
  • the first conductivity type semiconductor layer 112 is an n type semiconductor layer
  • the first conductivity type dopant may be an n type dopant and may include Si, Ge, Sn, Se, Te, but is not limited thereto.
  • the first conductivity-type semiconductor layer 112 may include a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1). Can be.
  • the first conductive semiconductor layer 112 may be formed of any one or more of GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP.
  • the active layer 114 may be formed of at least one of a single quantum well structure, a multi quantum well structure (MQW), a quantum-wire structure, or a quantum dot structure.
  • the active layer 114 may be formed by injecting trimethyl gallium gas (TMGa), ammonia gas (NH 3 ), nitrogen gas (N 2 ), and trimethyl indium gas (TMIn) to form a multi-quantum well structure. It is not limited to this.
  • the active layer 114 may have a quantum well 114W / quantum wall 114B structure, for example, AlGaN / AlGaN, InGaN / GaN, InGaN / InGaN, GaN / AlGaN, InGaN / AlGaN, InAlGaN / GaN, GaAs / AlGaAs, InGaAs / AlGaAs, GaP / AlGaP, InGaP / AlGaP may be formed of any one or more pair structure, but is not limited thereto.
  • a quantum well 114W / quantum wall 114B structure for example, AlGaN / AlGaN, InGaN / GaN, InGaN / InGaN, GaN / AlGaN, InGaN / AlGaN, InAlGaN / GaN, GaAs / AlGaAs, InGaAs / AlGaAs
  • the active layer 114 may employ the technical features of the first to fourth embodiments described above.
  • the quantum wall 114B in the active layer 114 includes an undoped Al x Ga 1-x N layer (0 ⁇ x ⁇ 1) 114 BU and an n-type Al y Ga 1-y N layer (0). ⁇ y ⁇ 1) 114BN and a first quantum wall 114B1 closest to the first conductivity-type semiconductor layer 112.
  • the undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU is disposed on both sides of the n-type Al y Ga 1- yN layer 114BN, and the quantum well 114W is disposed on the quantum wall 114B. It includes a last quantum well (114WL) closest to the second conductivity type semiconductor layer 116 and a second quantum well (114W) which is one of the quantum wells closest to the second conductivity type semiconductor layer 116. can do.
  • the quantum wall 1114B includes an undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU / n type Al y Ga 1-y N layer 114BN / undoped Al x Ga 1-x N layer 114BU. Structure) and improves the efficiency of carrier injection into the last quantum well where most of the light emission occurs, thereby improving the brightness (Po) and the operating voltage (VF3).
  • the first quantum wall 114B1 includes an n-type Al p Ga 1-p N layer (0 ⁇ p ⁇ 1) 114BA and an undoped Al q Ga 1-q N layer (0 ⁇ q ⁇ 1) 114BC. It may include. In this case, the concentration p of aluminum in the n-type Al p Ga 1-p N layer 114BA may be equal to or greater than the concentration q of aluminum in the undoped Al q Ga 1-q N layer 114BC. .
  • the thickness T1 of the last quantum well 114WL may be thicker than the thickness T2 of the second quantum well 114W.
  • the relationship between the thickness T1 of the last quantum well 114WL and the thickness T2d of the second quantum well 114W may be 3nm ⁇ T2 ⁇ T1 ⁇ 15nm, and in detail, 7nm ⁇ T2 ⁇ T1 ⁇ It can be more effective at 12nm.
  • the thickness T1 of the last quantum well 114WL is controlled to be thicker than the thickness T2 of the second quantum well 114W, so that most light emission occurs.
  • the actual light emitting area in the last quantum well 114WL closest to 116 can be further widened.
  • the last quantum well 114WL has a composition of an In r Ga 1-r N layer (0 ⁇ r ⁇ 1), and the second quantum well 114W has an In s Ga 1-s N layer (0 ⁇ s ⁇ 1) and the concentration r of indium (In) of the last quantum well (114WL) may be greater than the concentration (s) of indium of the second quantum well (114W).
  • the bandgap energy may be controlled so that the light emitted from the last quantum well 114WL is not absorbed by other quantum wells.
  • the Al p Ga q In 1-pq N layer (where 0 ⁇ p ⁇ 1 , 0 ⁇ q ⁇ 1) 122 is an energy band of the active layer 114 on the active layer 114. It is formed to have a higher energy band gap than the gap to serve as electron blocking and the cladding of the active layer (MQW cladding) to improve the luminous efficiency.
  • a second conductivity type semiconductor layer 116 may be formed on the Al p Ga q In 1-pq N layer 122.
  • the second conductivity type semiconductor layer 116 may include a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1). Can be.
  • the second conductive semiconductor layer 116 is a p-type semiconductor layer
  • the second conductive dopant may be a p-type dopant and may include Mg, Zn, Ca, Sr, and Ba.
  • the first conductive semiconductor layer 112 is formed of an n-type semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer 116 is formed of a p-type semiconductor layer.
  • the first conductive semiconductor layer ( 112 may be a p-type semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer 116 may be implemented as an n-type semiconductor layer, but is not limited thereto.
  • the light emitting structure 110 may be implemented as any one of an n-p junction structure, a p-n junction structure, an n-p-n junction structure, and a p-n-p junction structure.
  • the translucent electrode 130 is formed on the second conductive semiconductor layer 116.
  • the translucent electrode 130 may include an ohmic layer, and may be formed by stacking a single metal or a metal alloy, a metal oxide, etc. in a single layer or multiple layers so as to efficiently inject holes.
  • the translucent electrode 130 may be formed of indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), indium zinc tin oxide (IZTO), indium aluminum zinc oxide (IAZO), indium gallium zinc oxide (IGZO), or IGTO.
  • ITO indium tin oxide
  • IZO indium zinc oxide
  • IZTO indium zinc tin oxide
  • IAZO indium aluminum zinc oxide
  • IGZO indium gallium zinc oxide
  • IGTO indium gallium zinc oxide
  • the translucent electrode 130, the second conductive semiconductor layer 116, the Al p Ga q In 1-pq N layer 122, and the first conductive semiconductor layer 112 are exposed.
  • a region H from which a portion of the active layer 114 is removed may be formed.
  • the first electrode 151 is formed on the second electrode 152 and the exposed first conductive semiconductor layer 112 on the light-transmissive electrode 130 to emit light according to the embodiment.
  • An element can be formed.
  • a plurality of light emitting devices may be arranged on a substrate in the form of a package, and a light guide plate, a prism sheet, a diffusion sheet, a fluorescent sheet, or the like, which is an optical member, may be disposed on a path of light emitted from the light emitting device package.
  • FIG. 11 illustrates a light emitting device package including a light emitting device according to embodiments.
  • the light emitting device package according to the embodiment is provided in the package body portion 205, the third electrode layer 213 and the fourth electrode layer 214 provided on the package body portion 205, and the package body portion 205.
  • the light emitting device 100 is electrically connected to the third electrode layer 213 and the fourth electrode layer 214, and a molding member 230 surrounding the light emitting device 100 is included.
  • the molding member 230 may include a phosphor 232.
  • the molding member 230 may be formed to have an upper surface flat, convex or concave, but is not limited thereto.
  • the third electrode layer 213 and the fourth electrode layer 214 are electrically separated from each other, and serve to provide power to the light emitting device 100.
  • the third electrode layer 213 and the fourth electrode layer 214 may serve to increase light efficiency by reflecting the light generated from the light emitting device 100, and generated from the light emitting device 100. It may also serve to release heat to the outside.
  • the light emitting device 100 may be electrically connected to the third electrode layer 213 and / or the fourth electrode layer 214 by any one of a wire method, a flip chip method, and a die bonding method.
  • UV LED ultraviolet light emitting device
  • the ultraviolet light emitting device (UV LED) may be used for sterilization, purification, etc., or may be used for an exposure machine or a curing machine, but is not limited thereto.
  • the ultraviolet light emitting device may be applied to a backlight unit, a lighting unit, a display device, an indication device, a vehicle display device, a vehicle lighting device, a smart watch, etc., but is not limited thereto.

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Abstract

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다. 실시예에 따른 자외선 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112); 양자벽(114B)과 양자우물(114W)을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 배치되는 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 반도체층(116);을 포함할 수 있다. 상기 양자벽(114B)은 언도프트 AlxGa1-xN층(0≤x≤1)(114BU)과 n형 AlyGa1-yN층(0≤y≤1)(114BN)을 포함할 수 있다.

Description

자외선 발광소자 및 조명시스템
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지가 빛 에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드를 주기율표상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족의 원소가 화합하여 생성될 수 있다. LED는 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
발광소자는 순방향전압 인가 시 n층의 전자와 p층의 정공(hole)이 결합하여 전도대(Conduction band)와 가전대(Valance band)의 밴드갭 에너지에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지가 빛의 형태로 발산되면 발광소자가 될 수 있다.
예를 들어, 질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이러한 종래기술에 의한 발광소자에서, 발광층인 활성층은 에너지 밴드갭이 작은 양자우물과 에너지 밴드갭이 큰 양자벽을 반복적층하여 이루어지며, n형 반도체층에서 주입된 전자와 p형 반도체층에서 주입된 정공이 양자우물에서 서로 만나 발광결합 하여 빛을 방출시킨다.
한편, 종래기술에 의한 발광소자는 주입전류량이 증가하면 발광효율이 저하되는 드룹(Droop) 문제점을 갖는데, 이는 발광층으로의 캐리어(정공 또는 전자)의 주입효율 등이 균일하지 못하여 발생하는 문제로, 이러한 문제를 해결하기 위해 발광층의 대부분의 양자우물들이 실질적으로 발광에 참여하도록 할 수 있는 기술개발이 요구된다.
최근 자외선 발광소자(UV LED)는 살균, 정화 등에 사용되거나, 노광기 또는 경화기 등에 사용되는 등 각광을 받고 있는데, 이러한 자외선 발광소자의 경우 종래 청색(Blue) 발광소자 등의 가시광선 영역의 발광소자에 비해 양자우물에서의 인듐(In)의 조성이 낮음 점을 고려하여 발광효율을 증대시킬 수 있는 기술이 요구된다.
실시예는 발광효율을 개선할 수 있는 자외선 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 자외선 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112); 양자벽(114B)과 양자우물(114W)을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 배치되는 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 반도체층(116);을 포함하며, 상기 양자벽(114B)은 언도프트 AlxGa1-xN층(0≤x≤1)(114BU)과 n형 AlyGa1-yN층(0≤y≤1)(114BN)을 포함할 수 있다.
또한 실시예에 따른 자외선 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112); 양자벽(114B)과 양자우물(114W)을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 배치되는 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 반도체층(116);을 포함하며, 상기 양자벽(114B)은, 언도프트 AlxGa1-xN층(0≤x≤1)(114BU)과 n형 AlyGa1-yN층(0≤y≤1)(114BN) 및 상기 제1 도전형 반도체층(112)에 가장 인접한 제1 양자벽(114B1)을 포함하고, 상기 양자벽(114B)에서 상기 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)은 상기 n형 AlyGa1-yN층(114BN)의 양측에 각각 배치되며, 상기 양자우물(114W)은, 상기 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자우물(114WL)과, 상기 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접하지 않은 양자우물 중 어느 하나인 제2 양자우물(114W)을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지는 상기 자외선 발광소자를 구비할 수 있다.
실시예는 발광효율이 개선된 자외선 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 밴드 다이어그램.
도 3은 제2 실시예에 따른 발광소자의 밴드 다이어그램.
도 4 및 도 5는 제2 실시예에 따른 발광소자의 전기적 특성 데이터.
도 6은 제3 실시예에 따른 발광소자의 밴드 다이어그램.
도 7은 제4 실시예에 따른 발광소자의 밴드 다이어그램.
도 8 내지 도 10은 실시예에 따른 발광소자의 제조방법 공정 단면도.
도 11은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 발광소자(100)의 단면도이다.
실시예에 따른 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(112)과, 양자벽(114B)과 양자우물(114W)을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 배치되는 활성층(114)과, 상기 활성층(114) 상에 배치된 제2 도전형 반도체층(116)을 포함할 수 있다.
실시예는 상기 활성층(114)과 상기 제2 도전형 반도체층(116) 사이에 AlpGaqIn1-p-qN층(단,0〈p≤1, 0≤q≤1)(122)을 구비하여 전자차단 기능을 통해 발광효율을 증대시킬 수 있다.
실시예는 제2 도전형 반도체층(116) 상에 투광성 전극(130)을 포함할 수 있고, 제2 도전형 반도체층(116), 제1 도전형 반도체층(112)과 각각 전기적으로 연결되는 제2 전극(152), 제1 전극(151)을 포함할 수 있다.
실시예는 도 1과 같이, 기판(105) 상에 발광구조물(110)이 배치되는 수평형 발광소자 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 수직형 발광소자 등에도 적용될 수 있다.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자(101)의 밴드 다이어그램이다.
종래기술에 의하면 블루(Blue) LED에서 발광효율 향상을 위해, 실제 발광영역(Active Area)을 넓히기 위해 양자우물(Qw)을 두껍게 성장하면 격자상수가 상대적으로 큰 인듐(In)에 의한 격자 상수차에 의해 피에조효과(Piezoelectric)이 발생하게 되고 그에 따라 QCSE(Quantum Confined Stark Effect)가 발생되어 오히려 광도가 저하 되는 문제가 있다.
반면, Blue LED와 달리 자외선(UV) LED에서는 양자우물에 인듐의 농도가 상대적으로 낮기 때문에, 격자상수 차에 의해 발생하는 피에조효과가 거의 발생하지 않기 때문에, 발광영역을 넓히기 위해 다소 두꺼운 활성층을 성장할 수 있다.
그런데 실질적으로 대부분의 발광은 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자우물(Last Well)에서 진행이 되는데, 자외선(UV) 발광소자의 경우 활성층에서의 양자우물의 두께가 두꺼워짐에 따라 전체 양자우물의 볼륨이 넓어지게 되어 라스트 양자우물에로의 캐리어 주입효율, 예를 들어 전자주입 효율이 저하되는 문제가 있다.
이에 제1 실시예는 두꺼운 양자우물에 의해 발광영역을 넓혀서 광도를 향상시킴과 아울러 캐리어 주입효율을 개선하여 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공할 수 있다.
이를 위해, 제1 실시예에 따른 발광소자의 양자벽(114B)은 언도프트 AlxGa1-xN층(0≤x≤1)(114BU)과 n형 AlyGa1-yN층(0≤y≤1)(114BN)을 포함할 수 있다.
상기 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)은 상기 n형 AlyGa1-yN층(114BN)의 양측에 각각 배치될 수 있다.
예를 들어, 제1 실시예에서 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자벽(114BL) 외의 양자벽(114B)의 구조는 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)/n형 AlyGa1-yN층(114BN)/언도프트 AlxGa1-xN층(114BU) 구조를 구비할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 이하 제1 실시예를 좀 더 상술하기로 한다.
상기 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)에서 알루미늄의 농도(x)는, 0.1≤x≤0.2 범위일 수 있다. 상기 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)에서 알루미늄의 농도(x)가 0.1 미만의 경우 캐리어 오버플로우(Overflow)에 의해 배리어(Barrier)로서의 기능을 하기 어려울 수 있으며, 0.2 초과의 경우 캐리어(전자나 홀)의 주입(Injection)효율이 저하될 수 있다.
상기 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)의 두께는 약 1nm 이상 내지 5nm 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)의 두께가 1nm 미만의 경우 인접한 n형 AlyGa1-yN층(114BU)에 도핑되는 n형 도핑원소, 예를 들어 Si에 의하여 양자우물/양자벽 사이의 계면 품질(Quality)이 나빠져 비발광 재결합(Non-recombination)에 의해 광 손실이 발생할 수 있다. 상기 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)의 두께가 5nm 초과의 경우 양자우물로의 전자 주입(Electron Injection) 효율이 저하될 수 있다.
다음으로, 상기 n형 AlyGa1-yN층(0≤y≤1)(114BN)에서의 알루미늄의 농도(y)는 0.05≤y≤0.2 범위일 수 있다. 상기 n형 AlyGa1-yN층(114BN)에서의 알루미늄의 농도(y)가 0.05 미만의 경우 배리어(Barrier)로서의 기능이 저하될 수 있으며, 0.2 초과의 경우 캐리어(홀 또는 전자)의 주입효율이 저하될 수 있다.
실시예에서 상기 n형 AlyGa1-yN층(114BN)은 n형 도펀트가 모듈레이션(modulation) 형태로 도핑될 수 있다. 이에 따라, 상기 n형 AlyGa1-yN층(114BN)은 반복적 구조의 u-AlaGa1-aN층(0≤a≤1)(미도시)/n-AlbGa1-bN층(0≤b≤1)(미도시)을 포함할 수 있다.
상기 u-AlaGa1-aN층(0≤a≤1)/n-AlbGa1-bN층(0≤b≤1)은 각각 약 1nm~2nm두께일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 n-AlbGa1-bN층(0≤b≤1)에서의 n형 도핑원소의 도핑(doping) 수준은 약 2x1018 내지 약 6x1018 일 수 있으며, 도핑농도가 최저값 미만시 광도(Po) 및 동작전압(VF3)이 저하될 수 있으며, 도핑농도가 최고값 초과시 양자우물 품질(Quality) 저하에 의하여 광도(Po) 손실이 발생할 수 있다.
상기 n형 AlyGa1-yN층(114BN)의 두께는 약 2nm 내지 약 15nm일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 n형 AlyGa1-yN층(114BN)의 두께가 2nm 미만의 경우 전자 오버플로우(Electron Overflow)에 의해 광 손실이 발생하여 배리어(Barrier)로서의 역할에 영향이 있을 수 있고, 그 두께가 15nm 초과의 경우 캐리어의 주입효율이 저하될 수 있다.
제1 실시예에서 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)/n형 AlyGa1-yN층(114BN)/언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)을 포함하는 양자벽(114B)의 두께는 약 4nm 내지 약 20nm의 두께를 구비할 수 있다. 그 두께가 3nm 미만의 경우 캐리어 오버플로우(Overflow)에 의해 배리어(Barrier) 역할에 지장을 줄 수 있으며, 그 두께가 20nm를 초과하는 경우 캐리어 주입(Injection) 효율이 저하될 수 있다.
표 1
광도(Po,mW) 동작전압(VF3, V)
비교예 428 4.15
제1 실시예 537 3.51
표 1은 비교예와 제1 실시예의 광도 및 동작전압 비교표이다.
비교예는 약 9nm의 양자우물, 약 7nm의 Si 도핑없는 양자벽을 구비하는 자외선 발광소자이며, 제1 실시예는 약 9nm의 양자우물, 약 14nm의 Si 도핑된 양자벽을 구비하는 자외선 발광소자인 예이다.
제1 실시예에 의하면 양자벽(1114B)이 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)/n형 AlyGa1-yN층(114BN)/언도프트 AlxGa1-xN층(114BU) 구조를 구비함으로써, 대부분의 발광이 발생하는 라스트 양자우물에로의 캐리어 주입(Carrier Injection) 효율을 개선 시켜줌에 따라, 광도(Po) 및 동작전압(VF3)을 개선 할 수 있다.
또한 제1 실시예에 의하면 모듈레이션 실리콘 도핑(modulation Si doping)을 통해 전자의 이동도(Electron mobility)가 증가되어 캐리어 주입(Carrier Injection) 효율을 더욱 개선 시켜줌에 따라 광도(Po) 및 동작전압(VF3)을 크게 개선 할 수 있다.
도 3은 제2 실시예에 따른 발광소자(102)의 밴드 다이어그램이다.
제2 실시예는 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
제2 실시예는 제1 도전형 반도체층(112)과 가장 인접한 제1 양자벽(114B1)의 구조를 개선하여 전류확산(Current spreading)을 개선하고, 고 전류(high current) 영역에서의 전자냉각(electron cooling) 효과를 통해 전기 특성을 개선할 수 있다.
제2 실시예에 의하면, 상기 양자벽(114B) 중에 상기 제1 도전형 반도체층(112)에 가장 인접한 제1 양자벽(114B1)은 n형 AlpGa1-pN층(0≤p≤1)(114BA)과 언도프트 AlqGa1-qN층(0≤q≤1)(114BC)을 포함할 수 있다.
상기 n형 AlpGa1-pN층(114BA)은 상기 언도프트 AlqGa1-qN층(114BC)에 비해 상기 제1 도전형 반도체층(112)에 인접하여 배치될 수 있다.
상기 언도프트 AlqGa1-qN층(114BC)은 상기 n형 AlpGa1-pN층(114BA)에 비해 양자우물(114W)에 인접하여 배치될 수 있다.
상기 n형 AlpGa1-pN층(0≤p≤1)(114BA)에서의 알루미늄농도(p)는 상기 언도프트 AlqGa1-qN층(0≤q≤1)(114BC)에서의 알루미늄농도(q) 이상일 수 있다.
예를 들어, 상기 n형 AlpGa1-pN층(0≤p≤1)(114BA)에서의 알루미늄의 농도(p)는 상기 언도프트 AlqGa1-qN층(0≤q≤1)(114BC)에서의 알루미늄의 농도(q)보다 클 수 있으며, 양자의 알루미늄의 농도는 0.07≤q<p≤0.2로 제어될 수 있으며, 보다 상세하게 0.1≤q<p≤0.18 일 때 좀 더 좋은 효과를 얻을 수 있으나, 농도범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 n형 AlpGa1-pN층(114BA)에서의 알루미늄의 농도(p)가 상기 언도프트 AlqGa1-qN층(114BC)에서의 알루미늄의 농도(q) 미만의 경우 전류확산(Current spreading) 효과가 저하될 수 있다.
상기 언도프트 AlqGa1-qN층(114BC)에서의 알루미늄의 농도(q)가 0.07 미만의 경우 전류확산(Current spreading) 효과가 저하될 수 있으며, n형 AlpGa1-pN층에서의 알루미늄의 농도(p)가 0.2 초과일 경우 캐리어 주입(Carrier injection) 효율저하에 의한 동작전압(VF3) 상승 및 광 손실이 발생할 수 있다.
상기 n형 AlpGa1-pN층(114BA)은 n형 도펀트, 예를 들어 Si이 도핑될 수 있다. 반면, 상기 언도프트 AlqGa1-qN층(114BC)은 Si 등이 도핑되는 경우 저 전류 수율 저하 및 전류확산(Current spreading) 효과가 저하 될 수 있다. 한편, 상기 언도프트 AlqGa1-qN층(114BC)에는 의도적인 n형 도핑을 진행하지 않는 것을 의미하며, n형 AlpGa1-pN층(114BA) 등 다른층에서 확산된 n형 원소까지 배제하는 의미는 아니다.
상기 n형 AlpGa1-pN층(114BA)은 n형 도펀트, 예를 들어 Si의 도핑(doping) 범위는 약 1x1018내지 약 2x1019이며, 좀 더 상세하게 약 2x1018 내지 약 7x1018 일 때 보다 효과적일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 n형 AlpGa1-pN층(114BA)은 n형 도펀트의 농도가 1x1018 미만이면 캐리어 주입(carrier injection)이 원활하지 못할 수 있고, 2x1019 초과일 경우 과잉 도핑(doping)에 의한 수율 저하 및 전기적 특성 저하의 문제가 발생할 수 있다.
상기 n형 AlpGa1-pN층(114BA)의 두께는 약 5nm 내지 약20nm일 수 있고, 좀 더 상세하게는 약 10nm 내지 약 15nm 일 때 더 효과적일 수 있다. 상기 n형 AlpGa1-pN층(114BA)의 두께가 5nm 미만의 경우 전류확산(current spreading) 효과가 저하될 수 있고, 20nm 초과의 경우 캐리어 주입(Carrier Injection)이 잘 안되어 광 손실 또는 동작전압(VF3)이 상승하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 언도프트 AlqGa1-qN층(114BC)의 두께는 약 2nm 내지 약 7nm 일 수 있고, 좀더 상세하게는 약 3nm 내지 약 5nm 일 때 더 효과적일 수 있다. 상기 언도프트 AlqGa1-qN층(114BC)의 두께가 2nm 미만의 경우 전류확산 효과가 저하될 수 있고, 7nm 초과의 경우 캐리어 주입에 문제가 발생할 수 있다.
도 4와 도 5는 제2 실시예에 따른 발광소자와 비교예의 전기적 특성 데이터이다.
도 4A 및 도 4B와 같이, 제2 실시예(SMPL#1, SMPL#3)는 비교예(SMPL#2)에 비해 광도(Po)가 증대되었다. 제2 실시예의 SMPL#3는 제2 실시예를 다시 재현한 재현 데이터이며, 도 4B에서 재현 데이터인 SMPL#3(실선)이 SMPL#1(실선)의 데이터와 거의 일치하였다.
또한, 도 5A 및 도 5B와 같이, 제2 실시예(SMPL#1, SMPL#3)는 비교예(SMPL#2)에 비해 내부양자효율(EQE) 및 두룹(Droop)이 현저히 개선되었다.
도 6은 제3 실시예에 따른 발광소자(103)의 밴드 다이어그램이다.
제3 실시예는 제1 실시예 또는 제2 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
제3 실시예에 따른 발광소자(103)에서 양자우물(114W)은 상기 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자우물(114WL)과, 상기 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접하지 않은 양자우물 중 어느 하나인 제2 양자우물(114W)을 포함할 수 있다.
제3 실시예에 따른 발광소자(103)에서는 라스트 양자우물(114WL)에서 발광된 빛이 다른 양자우물에 흡수되지 않도록 밴드갭 에너지를 제어하고자 한다.
예를 들어, 제3 실시예에서 라스트 양자우물(114WL)은 InrGa1-rN층(0≤r≤1)의 조성을 구비하며, 상기 제2 양자우물(114W)은 InsGa1-sN층(0≤s≤1)의 조성을 구비하고, 상기 라스트 양자우물(114WL)의 인듐(In)의 농도(r)가 상기 제2 양자우물(114W)의 인듐의 농도(s)보다 클 수 있다.
상기 라스트 양자우물(114WL)과 제2 양자우물(114W)에서의 인듐(In)의 조성은 0≤r<s≤0.015일 수 있으며, 상세하게는 상기 라스트 양자우물(114WL)에서의 인듐의 조성(r)은, 0.005≤r≤0.007일 수 있고, 상기 제2 양자우물(114W)에서의 인듐의 조성(s)은, 0.01≤s≤0.015일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 양자우물(114W)에서의 인듐의 조성(s)이 0.015를 초과하면 이중 피크(Dual peak) 발생하거나 파장이 370nm 보다 길어질 수 있다.
상기 라스트 양자우물(114WL)에서의 인듐조성(r)과 제2 양자우물(114W)에서의 인듐조성(s)가 같을 경우 라스트 양자우물(114WL)에서 발광된 빛이 다른 양자우물에 흡수되어 광 손실이 발생할 수 있다.
이를 통해, 제3 실시예에 따른 발광소자(103)에서는 라스트 양자우물(114WL)에서 발광된 빛이 다른 양자우물에 흡수되지 않도록 밴드갭 에너지를 제어할 수 있다.
제3 실시예에 따른 발광소자(103)에서는 대부분의 발광이 일어나는 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자우물(114WL)에서의 실질적인 발광면적을 더 넓히고자 한다.
예를 들어 제3 실시예에서, 상기 라스트 양자우물(114WL)의 두께(T1)가 상기 제2 양자우물(114W)의 두께(T2)보다 두꺼울 수 있다.
상기 라스트 양자우물(114WL)의 두께(T1)과 제2 양자우물(114W)의 두께(T2)d의 관계는, 3nm≤T2<T1<15nm일 수 있으며, 상세하게는 7nm≤T2<T1<12nm 일 때 더 효과적일 수 있다.
상기 제2 양자우물(114W)의 두께(T2)가 3nm 미만 일 때는 발광 면적이 작아서 광 손실이 발생할 수 있고, 라스트 양자우물(114WL)의 두께(T1)가 15nm 이상 일 때는 품질(Quality) 저하에 의한 광 손실이 발생할 수 있다.
이에 따라, 제3 실시예에 따른 발광소자(103)에서는 라스트 양자우물(114WL)의 두께(T1)가 제2 양자우물(114W)의 두께(T2)보다 두껍게 제어하여, 대부분의 발광이 일어나는 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자우물(114WL)에서의 실질적인 발광면적을 더 넓힐 수 있다.
제3 실시예는 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자벽(114BL)에로의 홀 주입(Hole Injection)을 극대화할 수 있다.
이를 위해, 제3 실시예에 따른 발광소자(103)에서 상기 라스트 양자벽(114BL)의 두께(B1)가 상기 제2 양자벽(114B)의 두께(B2)보다 얇을 수 있다.
상기 라스트 양자벽(114BL)의 두께(B1)는 제2 양자벽(114B)의 두께(B2)의 약 30% 내지 약 70% 정도의 두께 범위를 구비할 수 있으며, 30% 미만일 때는 Mg 확산(diffusion), 전자차단(Electron blocking) 등에 영향을 미칠 수 있으며, 70% 초과일 때는 홀 주입(Hole injection)이 저하될 수 있다.
이를 통해, 제3 실시예에 따른 발광소자(103)에서는 라스트 양자벽(114BL)의 두께를 다른 제2 양자벽(114B)에 비해 얇게 형성하여, 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자벽(114BL)에로의 홀 주입(Hole Injection)을 극대화하여 발광효율을 증대시킬 수 있다.
표 2
광도(Po,mW) 동작전압(VF3, V)
비교예 498.0 3.61
제3 실시예 518.8 3.60
제3 실시예에 의하면, 비교예에 비해 동작전압이 유지되면서 광도가 현저히 향상되었다.
제3 실시예에 따른 발광소자(103)에서는 대부분의 발광이 일어나는 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자우물(114WL)에서의 실질적인 발광면적을 더 넓힘과 함께, 라스트 양자우물(114WL)에서 발광된 빛이 다른 양자우물에 흡수되지 않도록 밴드갭 에너지를 제어함과 아울러, 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자벽(114BL)에로의 홀 주입(Hole Injection)을 극대화 하기 위하여 라스트 양자벽(114BL)의 두께를 다른 양자벽에 비해 얇게 형성할 수 있다.
도 7은 제4 실시예에 따른 발광소자(104)의 에너지 밴드 다이어 그램이다.
제4 실시예는 제1 실시예, 제2 실시예 또는 제3 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
예를 들어, 제4 실시예에 따른 발광소자(104)는 제1 도전형 반도체층(112)과, 양자벽(114B)과 양자우물(114W)을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 배치되는 활성층(114)과, 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 반도체층(116)을 포함하며, 상기 양자벽(114B)은 언도프트 AlxGa1-xN층(0≤x≤1)(114BU)과 n형 AlyGa1-yN층(0≤y≤1)(114BN) 및 상기 제1 도전형 반도체층(112)에 가장 인접한 제1 양자벽(114B1)을 포함할 수 있다.
상기 양자벽(114B)에서 상기 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)은 상기 n형 AlyGa1-yN층(114BN)의 양측에 각각 배치되며, 상기 양자우물(114W)은 상기 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자우물(114WL)과, 상기 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접하지 않은 양자우물 중 어느 하나인 제2 양자우물(114W)을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면 양자벽(1114B)은 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)/n형 AlyGa1-yN층(114BN)/언도프트 AlxGa1-xN층(114BU) 구조를 구비할 수 있으며, 대부분의 발광이 발생하는 라스트 양자우물에로의 캐리어 주입(Carrier Injection) 효율을 개선 시켜줌에 따라, 광도(Po) 및 동작전압(VF3)을 개선 할 수 있다.
상기 제1 양자벽(114B1)은 n형 AlpGa1-pN층(0≤p≤1)(114BA)과 언도프트 AlqGa1-qN층(0≤q≤1)(114BC)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 n형 AlpGa1-pN층(114BA)에서의 알루미늄의 농도(p)는 상기 언도프트 AlqGa1-qN층(114BC)에서의 알루미늄의 농도(q) 이상일 수 있다.
예를 들어, 상기 n형 AlpGa1-pN층(0≤p≤1)(114BA)에서의 알루미늄의 농도(p)는 상기 언도프트 AlqGa1-qN층(0≤q≤1)(114BC)에서의 알루미늄의 농도(q)보다 클 수 있으며, 양자의 알루미늄의 농도는 0.07≤q<p≤0.2로 제어될 수 있으며, 보다 상세하게는 0.1≤q<p≤0.18 일 때 좀 더 좋은 효과를 얻을 수 있으나, 농도범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 n형 AlpGa1-pN층(114BA)에서의 알루미늄의 농도(p)가 상기 언도프트 AlqGa1-qN층(114BC)에서의 알루미늄의 농도(q) 미만의 경우 전류확산(Current spreading) 효과가 저하될 수 있다. 상기 언도프트 AlqGa1-qN층(114BC)에서의 알루미늄의 농도(q)가 0.07 미만의 경우 전류확산(Current spreading) 효과가 저하될 수 있으며, n형 AlpGa1-pN층에서의 알루미늄의 농도(p)가 0.2 초과일 경우 캐리어 주입(Carrier injection) 효율저하에 의한 동작전압(VF3) 상승 및 광 손실이 발생할 수 있다.
상기 라스트 양자우물(114WL)의 두께(T1)가 상기 제2 양자우물(114W)의 두께(T2)보다 두꺼울 수 있다. 상기 라스트 양자우물(114WL)의 두께(T1)과 제2 양자우물(114W)의 두께(T2)d의 관계는, 3nm≤T2<T1<15nm일 수 있으며, 상세하게는 7nm≤T2<T1<12nm 일 때 더 효과적일 수 있다.
상기 제2 양자우물(114W)의 두께(T2)가 3nm 미만 일 때는 발광 면적이 작아서 광 손실이 발생할 수 있고, 라스트 양자우물(114WL)의 두께(T1)가 15nm 이상 일 때는 품질(Quality) 저하에 의한 광 손실이 발생할 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 발광소자(103)에서는 라스트 양자우물(114WL)의 두께(T1)가 제2 양자우물(114W)의 두께(T2)보다 두껍게 제어하여, 대부분의 발광이 일어나는 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자우물(114WL)에서의 실질적인 발광면적을 더 넓힐 수 있다.
상기 라스트 양자우물(114WL)은 InrGa1-rN층(0≤r≤1)의 조성을 구비하며, 상기 제2 양자우물(114W)은 InsGa1-sN층(0≤s≤1)의 조성을 구비하고, 상기 라스트 양자우물(114WL)의 인듐(In)의 농도(r)가 상기 제2 양자우물(114W)의 인듐의 농도(s)보다 클 수 있다.
상기 라스트 양자우물(114WL)과 제2 양자우물(114W)에서의 인듐(In)의 조성은 0≤r<s≤0.015일 수 있으며, 상세하게는 상기 라스트 양자우물(114WL)에서의 인듐의 조성(r)은, 0.005≤r≤0.007일 수 있고, 상기 제2 양자우물(114W)에서의 인듐의 조성(s)은, 0.01≤s≤0.015일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 양자우물(114W)에서의 인듐의 조성(s)이 0.015를 초과하면 이중 피크(Dual peak) 발생하거나 파장이 370nm 보다 길어질 수 있다. 상기 라스트 양자우물(114WL)에서의 인듐조성(r)과 제2 양자우물(114W)에서의 인듐조성(s)가 같을 경우 라스트 양자우물(114WL)에서 발광된 빛이 다른 양자우물에 흡수되어 광 손실이 발생할 수 있다.
이를 통해, 실시예에 따른 발광소자(103)에서는 라스트 양자우물(114WL)에서 발광된 빛이 다른 양자우물에 흡수되지 않도록 밴드갭 에너지를 제어할 수 있다.
이하, 도 8 내지 도 10을 참조하여, 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, 도 8과 같이 기판(105)을 준비한다. 상기 기판(105)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다.
예를 들어, 상기 기판(105)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 기판(105) 위에는 요철 구조가 형성될 수 있고, 상기 요철 구조의 단면은 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이때, 상기 기판(105) 위에는 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층은 이후 형성되는 발광구조물(110)의 재료와 기판(105)의 격자 부정합을 완화시켜 줄 수 있으며, 버퍼층의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 제1 기판(105) 상에 제1 도전형 반도체층(112), 활성층(114) 및 제2 도전형 반도체층(116)을 포함하는 발광구조물(110)이 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 반도체 화합물로 형성될 수 있고, 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 활성층(114)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(114)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성층(114)은 양자우물(114W)/양자벽(114B) 구조일 수 있으며, 예를 들어 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InGaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs/AlGaAs, InGaAs/AlGaAs, GaP/AlGaP, InGaP/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 활성층(114)은 앞서 기술한 제1 실시예 내지 제4 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
예를 들어, 상기 활성층(114)에서의 양자벽(114B)은 언도프트 AlxGa1-xN층(0≤x≤1)(114BU)과 n형 AlyGa1-yN층(0≤y≤1)(114BN) 및 상기 제1 도전형 반도체층(112)에 가장 인접한 제1 양자벽(114B1)을 포함할 수 있다.
상기 양자벽(114B)에서 상기 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)은 상기 n형 AlyGa1-yN층(114BN)의 양측에 각각 배치되며, 상기 양자우물(114W)은 상기 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자우물(114WL)과, 상기 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접하지 않은 양자우물 중 어느 하나인 제2 양자우물(114W)을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면 양자벽(1114B)은 언도프트 AlxGa1-xN층(114BU)/n형 AlyGa1-yN층(114BN)/언도프트 AlxGa1-xN층(114BU) 구조를 구비할 수 있으며, 대부분의 발광이 발생하는 라스트 양자우물에로의 캐리어 주입(Carrier Injection) 효율을 개선 시켜줌에 따라, 광도(Po) 및 동작전압(VF3)을 개선 할 수 있다.
상기 제1 양자벽(114B1)은 n형 AlpGa1-pN층(0≤p≤1)(114BA)과 언도프트 AlqGa1-qN층(0≤q≤1)(114BC)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 n형 AlpGa1-pN층(114BA)에서의 알루미늄의 농도(p)는 상기 언도프트 AlqGa1-qN층(114BC)에서의 알루미늄의 농도(q) 이상일 수 있다.
상기 라스트 양자우물(114WL)의 두께(T1)가 상기 제2 양자우물(114W)의 두께(T2)보다 두꺼울 수 있다. 상기 라스트 양자우물(114WL)의 두께(T1)과 제2 양자우물(114W)의 두께(T2)d의 관계는, 3nm≤T2<T1<15nm일 수 있으며, 상세하게는 7nm≤T2<T1<12nm 일 때 더 효과적일 수 있다.
실시예에 따른 발광소자(103)에서는 라스트 양자우물(114WL)의 두께(T1)가 제2 양자우물(114W)의 두께(T2)보다 두껍게 제어하여, 대부분의 발광이 일어나는 제2 도전형 반도체층(116)에 가장 인접한 라스트 양자우물(114WL)에서의 실질적인 발광면적을 더 넓힐 수 있다.
상기 라스트 양자우물(114WL)은 InrGa1-rN층(0≤r≤1)의 조성을 구비하며, 상기 제2 양자우물(114W)은 InsGa1-sN층(0≤s≤1)의 조성을 구비하고, 상기 라스트 양자우물(114WL)의 인듐(In)의 농도(r)가 상기 제2 양자우물(114W)의 인듐의 농도(s)보다 클 수 있다. 이를 통해, 실시예에 따른 발광소자(103)에서는 라스트 양자우물(114WL)에서 발광된 빛이 다른 양자우물에 흡수되지 않도록 밴드갭 에너지를 제어할 수 있다.
다음으로 도 8과 같이, 상기 활성층(114) 상에 AlpGaqIn1-p-qN층(단,0〈p≤1, 0≤q≤1)(122)이 활성층(114)의 에너지 밴드 갭보다는 높은 에너지 밴드 갭을 가지도록 형성되어 전자 차단(electron blocking) 및 활성층의 클래딩(MQW cladding) 역할을 해줌으로써 발광효율을 개선될 수 있다.
다음으로, 상기 AlpGaqIn1-p-qN층(122) 상에 제2 도전형 반도체층(116)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(116)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
실시예에서 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 n형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층(116)이 p형 반도체층으로 형성되는 것으로 설명하였으나 이와 달리 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 p형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 n형 반도체층으로 구현할 수도 있으며, 이에 한정되지 않는다.
또한 상기 제2 도전형 반도체층(116) 위에는 상기 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체 예컨대 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광구조물(110)은 n-p 접합 구조, p-n 접합 구조, n-p-n 접합 구조, p-n-p 접합 구조 중 어느 한 구조로 구현할 수 있다.
이후, 상기 제2 도전형 반도체층(116) 상에 투광성 전극(130)이 형성된다.
예를 들어, 상기 투광성 전극(130)은 오믹층을 포함할 수 있으며, 정공주입을 효율적으로 할 수 있도록 단일 금속 혹은 금속합금, 금속산화물 등을 단층 또는 다층으로 적층하여 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 투광성 전극(130)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
다음으로 도 9와 같이, 제1 도전형 반도체층(112)이 노출되도록 투광성 전극(130), 제2 도전형 반도체층(116), AlpGaqIn1-p-qN층(122), 및 활성층(114)의 일부가 제거되는 영역(H) 형성될 수 있다.
다음으로 도 10과 같이, 상기 투광성 전극(130) 상에 제2 전극(152), 노출된 제1 도전형 반도체층(112) 상에 제1 전극(151)을 각각 형성하여 실시예에 따른 발광소자를 형성할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 패키지 형태로 복수개가 기판 상에 어레이될 수 있으며, 발광소자 패키지에서 방출되는 광의 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트, 형광 시트 등이 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 11은 실시예들에 따른 발광소자가 설치된 발광소자 패키지를 설명하는 도면이다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체부(205)와, 상기 패키지 몸체부(205)에 설치된 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)과, 상기 패키지 몸체부(205)에 설치되어 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)과 전기적으로 연결되는 발광 소자(100)와, 상기 발광 소자(100)를 포위하는 몰딩부재(230)가 포함된다. 상기 몰딩부재(230)에는 형광체가(232)가 포함될 수 있다. 상기 몰딩부재(230)은 상면이 플랫(flat)하거나 볼록 또는 오목하여 형성될 수 있으며 이에 한정하지 않는다.
상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(100)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 상기 발광 소자(100)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 할 수 있으며, 상기 발광 소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 제3 전극층(213) 및/또는 제4 전극층(214)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
실시예에 따른 자외선 발광소자(UV LED)는 살균, 정화 등에 사용되거나, 노광기 또는 경화기 등에 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 실시예에 따른 자외선 발광소자는 백라이트 유닛, 조명 유닛, 디스플레이 장치, 지시 장치, 차량용 표시장치, 차량용 조명 장치, 스마트 시계 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    양자벽과 양자우벽을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층;
    상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며,
    상기 양자벽은
    언도프트 AlxGa1-xN층(0≤x≤1)과 n형 AlyGa1-yN층(0≤y≤1)을 포함하는 자외선 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 양자벽에서 상기 언도프트 AlxGa1-xN층은
    상기 n형 AlyGa1-yN층의 양측에 각각 배치된 자외선 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 n형 AlyGa1-yN층은
    반복적 구조의 u-AlaGa1-aN층(0≤a≤1)/n-AlbGa1-bN층(0≤b≤1)을 포함하는 자외선 발광소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 언도프트 AlxGa1-xN층에서 알루미늄의 농도(x)(atoms/cm3)는
    0.1≤x≤0.2인 자외선 발광소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 언도프트 AlxGa1-xN층의 두께는 1nm 이상 내지 5nm인 자외선 발광소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 n형 AlyGa1-yN층에서의 알루미늄의 농도(y)는
    0.05≤y≤0.2인 자외선 발광소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 n형 AlyGa1-yN층의 두께는
    1nm 내지 15nm인 자외선 발광소자.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 양자벽은 상기 제1 도전형 반도체층에 가장 인접한 제1 양자벽을 포함하고,
    상기 제1 양자벽은
    n형 AlpGa1-pN층(0≤p≤1)과 언도프트 AlqGa1-qN층(0≤q≤1)을 포함하는 자외선 발광소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 n형 AlpGa1-pN층은
    상기 언도프트 AlqGa1-qN층에 비해 상기 제1 도전형 반도체층에 인접하여 배치되는 자외선 발광소자.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 n형 AlpGa1-pN층에서의 알루미늄의 농도(p)는
    상기 언도프트 AlqGa1-qN층에서의 알루미늄의 농도(q) 이상인 자외선 발광소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 n형 AlpGa1-pN층에서의 알루미늄의 농도(p)와 상기 언도프트 AlqGa1-qN층에서의 알루미늄의 농도(q)와의 관계는,
    0.07≤q<p≤0.2인 자외선 발광소자.
  12. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 양자우벽은
    상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접한 라스트 양자우물과,
    상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접하지 않은 양자우물 중 어느 하나인 제2 양자우벽을 포함하고,
    상기 라스트 양자우물의 두께가 상기 제2 양자우벽의 두께보다 두꺼운 자외선 발광소자.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 라스트 양자우물은 InrGa1-rN층(0≤r≤1)의 조성을 구비하며, 상기 제2 양자우벽은 InsGa1-sN층(0≤s≤1)의 조성을 구비하고,
    상기 라스트 양자우물의 인듐(In)의 농도(r)가 상기 제2 양자우벽의 인듐의 농도(s)보다 큰 자외선 발광소자.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 라스트 양자벽의 두께가 상기 제2 양자벽의 두께보다 얇은 자외선 발광소자.
  15. 제1 도전형 반도체층;
    양자벽과 양자우벽을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층;
    상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며,
    상기 양자벽은,
    언도프트 AlxGa1-xN층(0≤x≤1)과 n형 AlyGa1-yN층(0≤y≤1) 및 상기 제1 도전형 반도체층에 가장 인접한 제1 양자벽을 포함하고,
    상기 양자벽에서 상기 언도프트 AlxGa1-xN층은 상기 n형 AlyGa1-yN층의 양측에 각각 배치되며,
    상기 양자벽은,
    상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접한 라스트 양자우물과,
    상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접하지 않은 양자우물 중 어느 하나인 제2 양자우벽을 포함하는 자외선 발광소자.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 양자벽은
    n형 AlpGa1-pN층(0≤p≤1)과 언도프트 AlqGa1-qN층(0≤q≤1)을 포함하는 자외선 발광소자.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 n형 AlpGa1-pN층에서의 알루미늄의 농도(p)는
    상기 언도프트 AlqGa1-qN층에서의 알루미늄의 농도(q) 이상인 자외선 발광소자.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 라스트 양자우물의 두께가 상기 제2 양자우벽의 두께보다 두꺼운 자외선 발광소자.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 라스트 양자우물은 InrGa1-rN층(0≤r≤1)의 조성을 구비하며, 상기 제2 양자우벽은 InsGa1-sN층(0≤s≤1)의 조성을 구비하고,
    상기 라스트 양자우물의 인듐(In)의 농도(r)가 상기 제2 양자우벽의 인듐의 농도(s)보다 큰 자외선 발광소자.
  20. 제1 항 내지 7항 및 15항 내지 19항 중 어느 하나에 기재된 자외선 발광소자를 구비하는 발명소자 패키지.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7194720B2 (ja) * 2020-10-30 2022-12-22 日機装株式会社 窒化物半導体発光素子
WO2022120236A1 (en) * 2020-12-03 2022-06-09 Avicenatech Corp. P-type doping in gan leds for high speed operation at low current densities
JP7260807B2 (ja) * 2020-12-24 2023-04-19 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体発光素子およびその製造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100875444B1 (ko) * 2007-06-25 2008-12-23 서울옵토디바이스주식회사 발광 다이오드 및 그 제조방법
JP2009253164A (ja) * 2008-04-09 2009-10-29 Sumitomo Electric Ind Ltd 量子井戸構造の形成方法および半導体発光素子の製造方法
JP2012234891A (ja) * 2011-04-28 2012-11-29 Sharp Corp 窒化物半導体発光ダイオード素子
KR20130103070A (ko) * 2012-03-09 2013-09-23 삼성전자주식회사 반도체 발광소자
KR20140013249A (ko) * 2012-07-23 2014-02-05 엘지이노텍 주식회사 자외선 발광 소자 및 발광 소자 패키지

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100476567B1 (ko) * 2003-09-26 2005-03-17 삼성전기주식회사 질화물 반도체 소자
JP5272308B2 (ja) * 2004-09-21 2013-08-28 日本電気株式会社 電流狭窄構造および半導体レーザ
US7649195B2 (en) 2007-06-12 2010-01-19 Seoul Opto Device Co., Ltd. Light emitting diode having active region of multi quantum well structure
KR20140041225A (ko) 2012-09-27 2014-04-04 엘지이노텍 주식회사 발광소자
KR101983777B1 (ko) * 2012-12-20 2019-05-29 엘지이노텍 주식회사 발광소자
KR20140092092A (ko) * 2013-01-15 2014-07-23 엘지이노텍 주식회사 발광소자

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100875444B1 (ko) * 2007-06-25 2008-12-23 서울옵토디바이스주식회사 발광 다이오드 및 그 제조방법
JP2009253164A (ja) * 2008-04-09 2009-10-29 Sumitomo Electric Ind Ltd 量子井戸構造の形成方法および半導体発光素子の製造方法
JP2012234891A (ja) * 2011-04-28 2012-11-29 Sharp Corp 窒化物半導体発光ダイオード素子
KR20130103070A (ko) * 2012-03-09 2013-09-23 삼성전자주식회사 반도체 발광소자
KR20140013249A (ko) * 2012-07-23 2014-02-05 엘지이노텍 주식회사 자외선 발광 소자 및 발광 소자 패키지

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