KR100691445B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서로 다른 파장광을 갖는 복수의 활성층을 포함한 질화물 발광소자에 관한 것으로서, p형 및 n형 질화물층과 그 사이에 순차적으로 형성되며 서로 다른 파장광을 방출하는 복수의 활성층을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 복수의 활성층은 각각 적어도 하나의 양자우물층과 양자장벽층을 포함하며, 인접한 활성층 사이에 위치한 적어도 하나의 양자장벽층은 다른 양자장벽층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

백색 발광소자(white light emitting device), 주입길이(injection length), 모놀리식 소자(monolithic device)

Description

질화물 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도1은 통상적인 질화물 발광소자를 나타내는 단면도이다.

도2는 본 발명에 따른 질화물 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.

도3a 내지 도3d는 각각 도 2의 질화물 반도체 발광소자에서 인접한 활성층 사이의 양자장벽층의 두께에 따른 전기발광(EL)스펙트럼을 나타내는 그래프이다.

도4는 도 2의 질화물 반도체 발광소자에서 인접한 활성층 사이의 양자장벽층의 두께에 따른 녹색/청색(G/B)비를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10: 질화물 반도체 발광소자 12: n형 질화물 반도체층

14,24: 제1 활성층 25: 활성층간 양자장벽층

16,26: 제2 활성층 27: p형 질화물 반도체층

19a,19b: 제1 및 제2 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게 서로 다른 파장광을 발광하는 적어도 2개의 활성층을 단일 소자형태로 구현한 모놀리식 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, LED를 이용한 백색 발광소자는 탁월한 고휘도 및 고효율이 가능하므로, 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트로 널리 사용된다.

이러한 백색 발광 소자의 구현방안은 개별 LED로 제조된 청색, 적색 및 녹색 LED를 단순 조합하는 방식과 형광체를 이용하는 방식이 널리 알려져 있다. 다색의 개별 LED를 동일한 인쇄회로기판에 조합하는 방식은 이를 위한 복잡한 구동회로가 요구되며, 이로 인해 소형화가 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 형광체를 이용한 백색 발광소자 제조방법이 보편적으로 사용된다.

종래의 형광체를 이용한 백색 발광소자 제조방법으로는, 청색 발광소자를 이용하는 방법과 자외선 발광소자를 이용하는 방법이 있다. 예를 들어, 청색 발광소자를 이용하는 경우에는 YAG 형광체를 이용하여 청색광을 백색광으로 파장 변환한다. 즉, 청색 LED로부터 발생된 청색파장이 YAG(Yittrium Aluminum Garnet)형광체를 여기시켜 최종으로 백색광을 얻을 수 있다. 하지만, 형광체분말에 의한 소자특성의 불이익한 영향이 발생되거나, 형광체 여기시 광효율이 감소하고 색보정지수가 저하되어 우수한 색감을 얻을 수 없다는 한계가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 방안으로, 형광체 없이 다른 파장광을 발광하는 복수의 활성층을 구비한 모놀리식 발광소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 적색, 청색, 녹색을 위한 활성층 또는 청색, 오렌지색을 위한 활성층을 단일한 발광소자에 구현하거나, 그 중 일부인 청색 및 녹색을 위한 활성층을 단일 발광소자로 구현하고, 다른 적색 발광소자를 결합하는 방식으로 구현될 수 있다. 복수의 활성층을 갖는 모놀리식 발광소자의 일예로서 도1에는 서로 다른 파장광을 방출하는 2개의 활성층을 구비한 질화물 반도체 발광소자가 도시되어 있다.

도1에 도시된 바와 같이, 상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물층(12), 제1 및 제2 활성층(14,16) 및, 제2 도전형 질화물층(17)을 포함한다. 또한, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물층(12,17)에는 각각 제1 및 제2 전극(19a,19b)이 제공된다.

도1에 도시된 구조에서, 상기 제1 및 제2 활성층(14,16)은 예를 들어 각각 청색, 오렌지색 또는 청색, 녹색의 광을 생성하도록 서로 다른 조성을 갖는 In_xGa_1-xN(0<x≤1)으로 이루어진다.

하지만, 2개 이상의 활성층을 갖는 질화물 발광소자에서는, 정공의 주입길이(injection length)가 전자의 주입길이보다 매우 낮으므로, p형 질화물층에 인접한 하나의 활성층에서만 재결합이 발생되는 문제가 있다. 이와 같이, 각 활성층의 고유한 색의 광이 적절하게 분포되지 않으므로, 적절한 색온도를 갖는 백색광을 방출 하는 모놀리식 발광 소자로서 구현되는데 한계가 있어 왔다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 서로 다른 파장광을 갖는 복수의 활성층의 고유한 발광이 원하는 수준의 분포를 가질 수 있도록, 인접한 활성층 사이의 양자장벽층 구조를 개선한 새로운 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은

p형 및 n형 질화물층과 그 사이에 순차적으로 형성되며 서로 다른 파장광을 방출하는 복수의 활성층을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 복수의 활성층은 각각 적어도 하나의 양자우물층과 양자장벽층을 포함하며, 인접한 활성층 사이에 위치한 적어도 하나의 양자장벽층은 다른 양자장벽층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

상기 인접한 활성층 사이에 위치한 적어도 하나의 양자장벽층(이하, "활성층간 양자장벽층"이라고도 함)의 두께는 바람직하게는 약 10 ∼ 약 100 Å, 보다 바람직하게는 약 20 ∼ 약 80 Å일 수 있다. 이러한 활성층간 양자장벽층의 두께를 통상적인 양자장벽층의 두께(120Å∼)보다 얇게 설계함으로써 재결합효율이 낮은 활성층의 발광특성을 보다 향상시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 상기 복수의 활성층은 제1 파장광을 방출하는 제1 활성층과 상기 제1 파장광보다 장파장인 제2 파장광을 방출하는 제2 활성층을 포함한다. 또한, 장파장광을 방출하는 제2 활성층에서 정공이 구속되는 경향이 강하므로, 제1 활성층의 발광효율을 충분히 보장하기 위해서 제2 활성층보다 제1 활성층을 p형 질화물층에 인접하도록 배치하는 것이 바람직하다.

이 경우에, 상기 제2 활성층으로의 충분한 정공주입을 보장하기 위해서, 상기 제1 활성층의 양자우물층의 수는 상기 제2 활성층의 양자우물층의 수보다 적은 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 및 제2 활성층의 양자우물층은 각각 In_1-x1Ga_x1N 및 In_1-x2Ga_x2N로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 활성층의 양자장벽층은 In_1-yGa_yN로 이루어지며, 여기서 x₂<1, 0<x₁<x₂, 0≤y<x₁일 수 있다.

구체적인 실시형태에서는, 상기 제1 활성층은 약 450∼ 약 475㎚의 파장광을 방출하며, 상기 제2 활성층은 약 550∼600㎚의 파장광을 방출하도록 설계될 수 있다.

이와 달리, 상기 제1 활성층은 약 450∼ 약 475㎚의 파장광을 방출하며, 상기 제2 활성층은 약 510∼ 약 535㎚의 파장광을 방출할 수 있다. 상기 제1 및 제2 활성층 사이의 양자장벽층은 약 20 ∼ 약 80 Å의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 정공의 주입길이를 고려하여, 상기 복수개의 활성층 중 상기 제1 활성층을 제외한 다른 활성층의 전체두께는 200㎚이하인 것이 바람직하며, 상기 복수개의 활성층 중 상기 제1 활성층을 제외한 다른 활성층의 양자우물층 수는 5개 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 주요한 특징은, 서로 다른 파장광을 방출하는 복수의 활성층 사이에 위치한 양자장벽층의 두께를 조정함으로써 각 파장광의 비율을 원하는 색온도를 갖도록 최적화할 수 있다는 방안을 제공하는데 있다.

통상적으로, 활성층간의 양자장벽층은 다른 양자장벽층과 구분없이 거의 동일한 두께(예, 120Å∼)로 형성되어 왔다. 하지만, 본 발명자는 활성층간의 양자장벽층을 다른 양자장벽층의 두께보다 작은 두께로 형성함으로써 다른 활성층으로의 캐리어 터널링 현상이 발생되며, 그 결과 상대적으로 약한 발광효율을 갖는 활성층의 파장광을 강화시킬 수 있다는 사실을 확인하였다.

이하, 첨부된 도면과 함께 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명의 작용과 효과를 보다 상세히 설명한다.

( 실시예 )

본 실시예에서는, 활성층간 양자장벽층의 조건을 달리하여 청색 및 녹색 활성층을 포함한 4개 발광소자를 아래와 같은 공정을 통해 제조하였다. 이러한 활성층구조는 도2에 도시된 에너지밴드 다이어그램이 참조될 수 있다.

우선, 사파이어기판 상에 1.2㎛두께의 n형 GaN층을 형성하였다. 이어, 상기 n형 GaN층 상에 5쌍의 In_{0 .28}Ga_{0 .72}N 양자우물층(24a)과 GaN 양자장벽층(24b)으로 구성된 녹색 활성층(24)과 1쌍의 In_{0 .18}Ga_{0 .82}N 양자우물층(26a)과 GaN 양자장벽층(26b)으로 구성된 청색 활성층(26)으로 구성된 다중양자우물구조의 활성층을 형성하였다

상기 청색 활성층(26) 상에 0.5㎛의 두께의 p형 AlGaN층과 약 1.5㎛의 두께를 갖는 p형 GaN층을 순차적으로 형성하였다. 이어, n형 GaN층의 일부영역이 노출되도록 메사에칭한 후에 p측 및 n측 전극을 형성하였다(도1의 발광소자구조 참조).

다만, 4개의 질화물 반도체 발광소자에서, 녹색 및 청색 활성층(24,26) 사이에 채용되는 양자장벽층(25)의 두께는 서로 달리하여 제조하였다.

제1 샘플의 경우에, 상기 활성층간 양자장벽층(25)의 두께(d1)를 다른 양자장벽층(24b,26b)의 두께(d2)와 동일하도록 140Å의 두께로 설계하였으며, 제2 및 제3 샘플의 경우에는 활성층간 양자장벽층(25)의 두께(d1)는 각각 다른 양자장벽층(24b,26b)보다 얇은 두께인 50Å, 30Å으로 하였다. 끝으로, 제4 샘플에서는, 활성 층간 양자장벽층(25)을 채용하지 않고, 녹색 및 청색 활성층(24,26)의 양자우물층(24a,26b)을 연속적으로 형성하였다.

이와 같이 제조된 4개의 질화물 발광소자에 대해서 5㎃, 20㎃, 100㎃에서의 전기발광(EL)스펙트럼을 측정하였다. 그 결과는 도3a 내지 도3d에 도시하였다.

우선, 종래와 유사하게 활성층간 양자장벽층(25)의 두께(d1)를 다른 양자장벽층(24b,26b)과 동일한 두께(d2)로 제조한 경우에는, 도3a에 도시된 바와 같이 녹색 발광강도가 청색 발광강도에 비해 매우 낮게 나타난 것을 확인할 수 있다.

이와 달리, 본 발명에서 제안한 바와 같이, 활성층간 양자장벽층(25)을 감소시킨 경우에는, 도3b 및 도3c와 같이 청색 파장광에 해당하는 약 450∼ 약 475㎚ 피크강도가 상대적으로 감소하면서 녹색 파장광에 해당하는 약 510∼ 약 535㎚의 피크강도가 증가한 것으로 나타났다. 이는 얇아진 활성층간 양자장벽층(25)을 통해 다른 활성층으로 캐리어가 터널링되기 때문이다. 이러한 터널링현상을 통해 상대적으로 약한 발광세기를 나타내는 활성층(주로, p형 AlGaN층으로부터 멀리 위치한 활성층)로 캐리어(예, 정공)의 공급을 증가시킬 수 있다.

하지만, 활성층간 양자장벽층을 형성하지 않은 제4 샘플에서는, 청색 활성층의 양자우물층(26a)과 녹색활성층의 양자우물층(24a)이 직접 접하게 되며, p형 AlGaN층으로부터 제공되는 정공이 청색 활성층의 양자우물층(26a)에 제한(confine)되지 못하므로, 오히려 청색 발광이 전혀 관찰되지 못할 뿐만 아니라, 녹색 파장광도 피크강도가 낮아지는 현상이 나타났다.

이와 같이, 활성층간 양자장벽층의 두께는 다른 양자장벽층의 두께보다 얇게 형성함으로써 상대적으로 발광효율이 낮은 활성층의 발광피크강도를 증가시킬 수 있다. 또한, 이러한 원리를 이용하여 각 활성층의 색비율이 조절되도록 활성층간 양자장벽층의 두께를 조절함으로써 원하는 색온도를 설계하는데 활용될 수 있다.

도4는 상기한 실시예를 참조하여 작성된 활성층간 양자장벽층의 두께에 따른 청색/녹색(B/G)비를 나타내는 그래프이다.

도4를 참조하면, 활성층간 양자장벽층의 두께가 증가함에 따라 B/G의 비가 증가하는 경향을 갖는 것을 알 수 있다. 즉 청색 발광피크강도에 대한 녹색 발광피크강도가 증가하는 것으로 나타난다. 이와 같이, 활성층간 양자장벽층의 두께를 다른 활성층의 양자장벽층 두께보다 감소시킴으로써 종래의 특정파장광에 대한 편향문제를 크게 해소할 수 있다는 사실을 확인할 수 있다.

도4에 도시된 바와 같이, 녹색 및 청색 활성층의 색비율을 고려할 때에 활성층간 양자장벽층의 두께가 바람직하게는 약 10 ∼ 약 100 Å의 범위, 보다 바람직하게 약 20 ∼ 약 80 Å범위를 갖는 것이 바람직하다.

상기한 실시예에서는, 상기 복수의 활성층은 제1 파장광을 방출하는 제1 활성층과 상기 제1 파장광보다 장파장인 제2 파장광을 방출하는 제2 활성층을 포함한 형태를 예시하였으나, 활성층간의 양자장벽층의 두께에 따른 색비율 조정원리를 3 개 이상의 활성층을 채용한 경우에도 유사하게 채용될 수 있다.

다만, 복수의 활성층을 배열함에 있어서, 단파장측 활성층은 장파장측 활성층보다 p형 질화물층에 인접하도록 배치되는 것이 각 활성층의 균형 있는 발광강도를 얻는데 유리하다. 이 경우에, 장파장측 활성층으로의 충분한 정공주입이 보장되도록, 상기 단파장측 활성층의 양자우물층의 수는 장파장측 양자우물층의 수보다 적게 형성하는 것이 바람직하다.

나아가, 정공주입길이를 고려하여, 상기 복수개의 활성층 중 n형 질화물층에 접한 활성층을 제외한 다른 활성층의 전체두께는 200㎚이하인 것이 바람직하다.이를 위해서, 상기 n형 질화물층에 접한 활성층을 제외한 다른 활성층의 양자우물층 수는 5개 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기한 실시예에서는, 약 450∼ 약 475㎚의 파장광을 생성하는 청색 활성층과, 약 510∼ 약 535㎚의 파장광을 생성하는 녹색 활성층을 포함한 질화물 반도체 발광소자를 예시하였으나, 장파장측 활성층이 약 550∼600㎚의 발광파장을 갖는 질화물 반도체 발광소자에도 유사하게 적용될 수 있다.

이러한 활성층의 구현방법은 In의 조성비의 적절한 조정으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 단파장 및 장파장측 활성층의 양자우물층은 각각 In_1-x1Ga_x1N 및 In_1-x2Ga_x2N로 이루어지며, 상기 단파장 및 장파장측 활성층의 양자장벽층은 In_1-yGa_yN로 이루어지며, 여기서 x₂<1, 0<x₁<x₂, 0≤y<x₁일 수 있다.

상술한 실시형태 및 첨부된 도면은 바람직한 실시형태의 예시에 불과하며, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 서로 다른 파장광을 갖는 복수의 활성층의 고유한 발광이 원하는 수준의 분포를 가질 수 있도록, 인접한 활성층 사이의 양자장벽층의 두께를 다른 활성층의 양자장벽층의 두께보다 작게 설정하는 방안을 제공한다. 이로써, 원하는 색온도에 적합한 색비율을 갖는 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.

Claims (11)

1. p형 및 n형 질화물층과 그 사이에 순차적으로 형성되며 서로 다른 파장광을 방출하는 복수의 활성층을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,

   상기 복수의 활성층은 각각 적어도 하나의 양자우물층과 양자장벽층을 포함하며, 인접한 활성층 사이에 위치한 적어도 하나의 양자장벽층은 다른 양자장벽층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 인접한 활성층 사이에 위치한 적어도 하나의 양자장벽층의 두께는 10 ∼ 100 Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 인접한 활성층 사이에 위치한 적어도 하나의 양자장벽층의 두께는 20 ∼ 80 Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 복수의 활성층은 제1 파장광을 방출하는 제1 활성층과 상기 제1 파장광보다 장파장인 제2 파장광을 방출하는 제2 활성층을 포함하며, 상기 제1 활성층은 상기 제2 활성층보다 p형 질화물층에 인접하도록 배치된 것을 특징으로 하는 질화 물 반도체 발광소자.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 활성층의 양자우물층의 수는 상기 제2 활성층의 양자우물층의 수보다 적은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 활성층의 양자우물층은 각각 In_1-x1Ga_x1N 및 In_1-x2Ga_x2N로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 활성층의 양자장벽층은 In_1-yGa_yN로 이루어지며, 여기서 x₂<1, 0<x₁<x₂, 0≤y<x₁인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제1 활성층은 450∼475㎚의 파장광을 생성하며, 상기 제2 활성층은 550∼600㎚의 파장광을 생성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
8. 제6항에 있어서,

   상기 제1 활성층은 450∼475㎚의 파장광을 생성하며, 상기 제2 활성층은 510∼ 535㎚의 파장광을 생성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 활성층 사이의 양자장벽층의 두께는 20∼80 Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
10. 제5항에 있어서,

    상기 복수개의 활성층 중 상기 제1 활성층을 제외한 다른 활성층의 전체두께는 200㎚이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
11. 제5항에 있어서,

    상기 복수개의 활성층 중 상기 제1 활성층을 제외한 다른 활성층의 양자우물층 수는 5개 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.

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