KR100691444B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서로 다른 파장광을 방출하는 복수의 활성층을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, p형 및 n형 질화물층과 그 사이에 순차적으로 형성된 서로 다른 파장광을 발광하는 복수의 활성층을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 복수의 활성층은 적어도 제1 파장광을 방출하는 제1 활성층과 상기 제1 파장광보다 장파장인 제2 파장광을 방출하는 제2 활성층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 활성층은 각각 교대로 형성된 적어도 하나의 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어지며, 상기 제1 활성층은 상기 제2 활성층보다 p형 질화물층에 인접하도록 배치되며, 상기 제1 활성층의 양자우물층의 수는 상기 제2 활성층의 양자우물층의 수보다 적은 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}

도 1은 통상적인 질화물 발광소자를 나타내는 단면도이다.

도 2a 내지 도2 c는 각각 활성층들의 위치와 각 양자우물층 수를 달리하여 구현한 질화물 반도체 발광소자의 에너지밴드 다이어그램이다.

도 3a 내지 도 3c는 각각 도 2a 내지 도c에 기초한 질화물 반도체 발광소자의 전기발광(EL)스펙트럼을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10: 질화물 반도체 발광소자 12: n형 질화물 반도체층

14,24: 제1 활성층 16,26: 제2 활성층

17: 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 질화 물 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 도 1에는 서로 다른 파장광을 방출하는 2개의 활성층을 구비한 질화물 반도체 발광소자가 도시되어 있다.

도 1에 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.

도 1에 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 -x}N(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 색분포를 통한 백색광을 얻기 위한 모놀리식 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, 상기 활성층의 배치와 수를 파장에 따라 달리 구현한 새로운 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은

p형 및 n형 질화물층과 그 사이에 순차적으로 형성된 서로 다른 파장광을 발광하는 복수의 활성층을 갖는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 복수의 활성층은 적어도 제1 파장광을 방출하는 제1 활성층과 상기 제1 파장광보다 장파장인 제2 파장광을 방출하는 제2 활성층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 활성층은 각각 교대로 형성된 적어도 하나의 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어지며, 상기 제1 활성층은 상기 제2 활성층보다 p형 질화물층에 인접하도록 배치되며, 상기 제1 활성층의 양자우물층의 수는 상기 제2 활성층의 양자우물층의 수보다 적은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

바람직하게, 상기 제2 활성층의 양자우물층의 수는 상기 제1 활성층의 양자우물층의 수의 적어도 2배일 수 있다.

본 발명의 구체적인 실시형태에서는, 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<x₁이다.

본 발명의 제1 및 제2 활성층은 백색 발광에 필요한 특정 파장을 갖도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 활성층은 약 450∼ 약 475㎚의 발광파장을 가지며, 상기 제2 활성층은 약 550∼600㎚의 발광파장을 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 활성층은 약 450∼ 약 475㎚의 발광파장을 가지며, 상기 제2 활성층은 약 510∼ 약 535㎚의 발광파장을 갖는 형태일 수 있다. 이러한 형태는 별도의 적색( 600∼635㎚)광을 갖는 발광소자와 결합하여 반모놀리식으로 백색발광소자로 구현될 수 있으나, 추가적으로 약 600∼ 약 635㎚의 파장광을 방출하는 제3 활성층을 더 포함한 완전한 모놀리식으로 구현될 수도 있다. 이 경우에, 상기 제3 활성층은 상기 제2 활성층보다 상기 n형 질화물 반도체층에 인접하도록 배치되는 것이 바람직하다.

상기 제1 활성층이 약 450∼ 약 475㎚의 발광파장을 가지며, 상기 제2 활성층이 약 510∼ 약 535㎚의 발광파장을 갖는 발광소자의 경우에, 상기 제2 활성층의 양자우물층의 수는 상기 제1 활성층의 양자우물층의 수의 적어도 5배인 것이 바람직하며, 상기 제1 활성층은 양자우물층은 1개이며, 상기 제2 활성층의 양자우물층은 5개 또는 그 이상인 것이 보다 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.

이와 같이, 본 발명은 2개이상의 활성층을 채용한 모노리식 질화물 발광소자에서 발생되는 색분포의 심각한 불균일문제를 활성층의 배치와 수로 해결하는 방안을 제공한다.

본 발명자는 색분포의 심각한 불균일 문제가 원천적으로 홀 주입길이가 전자의 주입길이보다 크게 낮다는 사실뿐만 아니라, 다른 파장을 갖는 활성층의 고유한 에너지밴드갭에 의해 그 영향이 크다는 사실에 주목하였다. 즉, 서로 다른 파장을 갖기 위해 선택된 다른 조성으로 형성된 활성층은 그 에너지 밴드갭 차이에 의해 다른 활성층에서의 재결합효율을 저하시키는 경향이 있다.

본 발명자는 이를 해결하기 위해서 반복된 실험과정을 통해 다른 파장광을 방출하기 위한 2개 이상의 활성층의 배열과 각 양자우물층의 수를 적절하게 설계하는 방안을 모색하였다.

이하, 첨부된 도면와 함께 본 발명의 실시예를 참조하여, 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

적절한 활성층구조를 안출하기 위해서, 청색 및 녹색의 활성층을 갖는 모놀리식 질화물 발광소자에서 각 활성층의 순서 및 양자우물층 수를 달리하여 전기발광(EL)특성을 측정하는 방식으로 실험을 실시하였다.

( 실시예 )

아래와 같이, 다른 2개의 파장광을 방출하는 활성층의 조건을 갖는 발광다이오드(A,B,C)를 제조하여 각각의 발광특성을 측정하였다.

A. 청색활성층(×3)과 녹색활성층(×3)

우선, 사파이어기판 상에 1.2㎛두께의 n형 GaN층을 형성하였다. 이어, 상기 n형 GaN층 상에 3쌍의 In_{0 .1}Ga_{0 .9}N 양자우물층(24a)과 GaN 양자장벽층(24b)으로 구성된 청색 활성층(24)과 3쌍의 In_{0 .15}Ga_{0 .85}N 양자우물층(26a)과 GaN 양자장벽층(26b)으로 구성된 녹색 활성층(26)으로 구성된 다중양자우물구조의 활성층을 형성하였다(도2a 참조).

상기 녹색 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.

B. 녹색활성층(×5)과 청색활성층(×3)

앞선 예와 유사하게, 질화물 발광소자를 제조하되, 다중양자우물구조의 활성층만을 달리 형성하였다. 즉, 본 실시예의 활성층으로는, 도2b에 도시된 바와 같이, 상기 n형 GaN층 상에 5쌍의 In_0.15Ga_0.85N 양자우물층(26a)과 GaN 양자장벽층(26b)으로 구성된 녹색 활성층(26)을 형성하고, 이어 3쌍의 In_0.1Ga_0.9N 양자우물층(24a)과 GaN 양자장벽층(24b)으로 구성된 청색 활성층(24)을 형성하였다.

C. 녹색활성층(×5)과 청색활성층(×1)

앞선 두 예와 거의 동일한 조건으로 질화물 발광소자를 제조하되, 다중양자우물구조의 활성층만을 달리 형성하였다. 즉, 본 예의 활성층으로는, 도2c에 도시된 바와 같이, 상기 n형 GaN층 상에 5쌍의 In_0.15Ga_0.85N 양자우물층(26a)과 GaN 양자장벽층(26b)으로 구성된 녹색 활성층(26)을 형성하고, 이어 1쌍의 In_0.1Ga_0.9N 양자우물층(24a)과 GaN 양자장벽층(24b)으로 구성된 청색 활성층(24)을 형성하였다.

이와 같이 3개의 샘플로 제조된 각 질화물 발광소자의 활성층은 각각 도2a 내지 도2c에 도시된 에너지 밴드다이어그램을 갖는 것으로 이해될 수 있다.

각 질화물 발광소자(A,B,C)에 대해서 5㎃, 20㎃, 100㎃로 구동전류를 변화시키면서 전기발광(EL)스펙트럼을 측정하였다. 그 측정된 결과는 도3a 내지 도3c에 도시되어 있다.

도3a를 참조하면, A형태의 질화물 발광소자는 약 510∼ 약 535㎚의 파장인 녹색광만이 나타나며, 청색 발광은 거의 나타나지 않았다. 이에 반해, 도3b 및 도3c(도3c의 경우, 실선 참조)에 도시된 바와 같이, B 와 C 형태의 질화물 발광소자의 경우에는 약 450 ∼ 약 475㎚의 파장인 청색광이 우세하지만, 약 510∼ 약 535㎚의 파장인 녹색광도 다소 확인되었다.

이는 장파장의 활성층과 단파장의 활성층의 적층순서에 따른 영향으로 이해될 수 있다. 보다 구체적으로, 이러한 현상은, 정공의 이동도가 전자의 이동도에 비해 현저히 낮으므로, p형 질화물층에 인접한 활성층이 상대적으로 큰 밴드갭을 가질 경우에 n형 질화물층에 인접한 활성층으로 주입되는 정공이 증가되기 때문이다.

예를 들어, A형태의 질화물 발광소자의 경우에는, 청색 발광을 위한 양자우물층(24a)의 밴드갭(Eg1)보다 낮은 밴드갭(Eg2)을 갖는 녹색 발광을 위한 양자우물층(26a)이 p형 질화물층에 인접하여 배치되므로, B 또는 C형태의 질화물 발광소자에서보다 p형 질화물층으로부터 주입되는 정공이 느끼는 높은 배리어로 인해 거의 녹색 활성층에서만 재결합이 발생된다.

이러한 실험결과를 통해, 상대적으로 단파장 활성층은 장파장 활성층보다 p형 질화물층에 인접하여 배치하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 본 실험에서는, 발광파장에 따른 활성층의 적층순서에 추가하여, B와 C형태의 대비를 통해, 각 활성층의 양자우물층의 수도 발광파장에 따라 적절히 설계하는 것이 요구되는 것을 확인할 수 있었다.

도3c를 참조하면, 동일한 20㎃조건에서 B형태의 질화물 발광소자(점선으로 표시됨)에 비해 C형태의 질화물 발광소자(실선으로 표시됨)에서 녹색발광효율이 보다 향상되었음을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 각 활성층의 양자우물층의 수를 달리 선택하여 비롯된 것으로 이해할 수 있다.

즉, C형태의 질화물 발광소자는 B형태의 질화물 발광소자보다 청색 발광을 위한 양자우물층(24a)을 적게 형성함으로써, 녹색 발광을 위한 양자우물층(26a)에 의한 정공의 구속현상을 증가시켜 재결합효율을 향상시킬 수 있었다.

이와 같이, p형 질화물층에 인접한 단파장 활성층의 양자우물층 수를 감소시키고 이를 통해 전체적인 활성층 두께를 감소시킴으로써, n형 질화물층에 인접한 장파장 활성층으로의 정공주입확률을 높일 수 있다.

이와 같은 실험결과를 통해서, 정공주입길이를 고려하는 바람직한 조건은 상기 녹색 활성층의 양자우물층의 수가 상기 청색 활성층의 양자우물층의 수의 적어도 5배정도 요구되지만, p형 질화물층에 인접한 청색 활성층을 감소시키는 것이 중요하므로, 청색 활성층의 양자우물층은 1개이며, 상기 녹색 활성층의 양자우물층은 5개 또는 그 이상인 것이 보다 바람직하다.

특히, 일반적인 정공의 주입길이를 고려해야 하므로, 본 실시예에서 p형 질화물층에 인접하여 배치된 청색 활성층의 두께는 200㎚이하인 것이 바람직하다.

상기한 실시예와 달리, 서로 다른 발광파장을 갖는 3개의 활성층을 채용한 발광소자형태도 고려될 수 있다. 이 경우에도, 적어도 n형 질화물층에 인접한 장파장 활성층을 제외한 다른 활성층의 전체두께는 200㎚이하인 것이 바람직하며, 상기 복수의 활성층 중 상기 장파장 활성층을 제외한 다른 활성층의 양자우물층 수는 5개 이하로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명이 적용가능한 질화물 발광소자에서, 활성층의 발광파장은 일반적으로 양자우물층에 함유된 인듐함량에 따라 결정될 수 있다. 이 경우에, 단파장 활성층과 장파장 활성층의 양자우물층은 각각 In_1-x1Ga_x1N 및 In_1-x2Ga_x2N로 이루어질 수 있고, 각 양자장벽층은 In_1-yGa_yN로 이루어지며, 여기서 x₂<1, 0<x₁<x₂, 0≤y<x₁일 수 있다.

보다 구체적으로는, 본 발명의 단파장 및 장파장 활성층은 백색 발광에 필요한 적절한 파장을 갖도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 단파장 활성층은 약 450∼ 약 475㎚의 발광파장을 가지며, 장파장 활성층은 약 550∼600㎚의 발광파장을 가질 수 있다.

이와 달리, 상기한 실시예와 유사하게 단파장 활성층은 약 450∼ 약 475㎚의 발광파장을 가지며, 장파장 활성층은 약 510∼ 약 535㎚의 발광파장을 갖는 형태일 수 있다. 이 경우에는, 별도의 적색( 600∼635㎚)광을 갖는 발광소자에 접합시킴으로써 백색 발광소자로 구현될 수 있으나, 추가적으로 약 600∼ 약 635㎚의 파장광을 방출하는 적색 활성층을 더 포함한 완전한 모놀리식으로 구현될 수도 있다. 이 경우에, 상기 적색 활성층은 p형 질화물층과 에너지밴드갭의 차이가 가장 크므로, 다른 활성층보다 상기 n형 질화물 반도체층에 인접하도록 배치되는 것이 바람직하다.

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, 복수의 활성층 중 단파장인 활성층을 p형 질화물층측에 인접하도록 배치하는 동시에, 그 양자우물층 수를 장파장인 활성층 수보다 적게 함으로써, 서로 다른 파장광을 갖는 복수의 활성층의 고유한 발광 이 원하는 수준의 분포를 가질 수 있다. 이러한 기술은 모노리식 백색 발광소자를 제조하는데 매우 유용하게 채용될 수 있다.

Claims (10)

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

   상기 복수의 활성층은 적어도 제1 파장광을 방출하는 제1 활성층과 상기 제1 파장광보다 장파장인 제2 파장광을 방출하는 제2 활성층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 활성층은 각각 교대로 형성된 적어도 하나의 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어지며,

   상기 제1 활성층은 상기 제2 활성층보다 p형 질화물층에 인접하도록 배치되며, 상기 제1 활성층의 양자우물층의 수는 상기 제2 활성층의 양자우물층의 수보다 적은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 활성층의 양자우물층의 수는 상기 제1 활성층의 양자우물층의 수의 적어도 2배인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제1항에 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.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1 활성층은 450 ∼ 475㎚의 파장광을 생성하며, 상기 제2 활성층은 550∼600㎚의 파장광을 생성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
5. 제3항에 있어서,

   상기 제1 활성층은 450 ∼ 475㎚의 파장광을 생성하며, 상기 제2 활성층은 510∼ 535㎚의 파장광을 생성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 제5항에 있어서,

   상기 복수개의 활성층은 600 ∼ 635㎚의 파장광을 생성하며 교대로 형성된 적어도 하나의 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어진 제3 활성층을 더 포함하며, 상기 제3 활성층은 상기 제2 활성층보다 상기 n형 질화물 반도체층에 인접하도록 배치된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
7. 제5항에 있어서,

   상기 제2 활성층의 양자우물층의 수는 상기 제1 활성층의 양자우물층의 수의 적어도 5배인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
8. 제5항에 있어서,

   상기 제1 활성층은 양자우물층은 1개이며, 상기 제2 활성층의 양자우물층은 5개이상인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
9. 제1항에 있어서,

   상기 복수개의 활성층 중 상기 제1 활성층을 제외한 다른 활성층의 전체두께는 200㎚이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
10. 제1항에 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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