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KR20110131801A - 발광 소자 및 다중 파장의 광을 만드는 방법 - Google Patents

발광 소자 및 다중 파장의 광을 만드는 방법 Download PDF

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KR20110131801A
KR20110131801A KR1020100051432A KR20100051432A KR20110131801A KR 20110131801 A KR20110131801 A KR 20110131801A KR 1020100051432 A KR1020100051432 A KR 1020100051432A KR 20100051432 A KR20100051432 A KR 20100051432A KR 20110131801 A KR20110131801 A KR 20110131801A
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KR
South Korea
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light emitting
nano
nano light
nitride semiconductor
semiconductor layer
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KR1020100051432A
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Inventor
김택
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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Priority to US13/149,357 priority patent/US8399876B2/en
Priority to CN201110144449.1A priority patent/CN102263172B/zh
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Abstract

발광 소자 및 다중 파장의 광을 만드는 방법이 개시된다.
개시된 발광 소자는 제1 질화물 반도체층 상에 복수 개의 나노 발광부가 배열된 나노 발광 어레이를 포함하고, 나노 발광부에서 발광되는 광의 장파장 효율이 증대될 수 있다.

Description

발광 소자 및 다중 파장의 광을 만드는 방법{Light emitting device and method of making multiple wavelength light from the same}
단일 파장 또는 다중 파장의 광을 발광시키는 발광 소자 및 다중 파장의 광을 만드는 방법에 관한 것이다.
고효율, 친환경적인 광원으로서 디스플레이, 광통신, 자동차, 일반 조명 등 여러 분야에 사용되고 있으며, 특히, 백색 발광 다이오드에 대한 수요가 점점 증가하고 있다.
백색광을 구현하는 방법으로, 형광체를 사용할 수 있는데, 예를 들어, 자외선(UV) 발광 소자로부터 자외선 광을 발광시킨 후, 자외선 광에 의해 적색, 녹색 및 청색 형광체를 여기시켜 각각 적색광, 녹색광 청색광이 방출되도록 하여 백색광을 얻을 수 있다. 또한, 청색 발광 소자를 광원으로 하여 그와 보색 관계인 황색 형광체를 여기시켜 황색광을 방출시킴으로써 백색광을 얻을 수 있다.
형광체 없이 발광 소자만으로 백색을 구현하는 방법으로는, 적색, 녹색 및 청색의 가시광을 각각 발광하는 발광 소자를 조합하여 사용하는 것이다. 예를 들어, InGaN 층을 발광 재료로서 사용하는 발광 소자의 경우, InGaN 층 내에서 In의 몰분율(mole fraction) 변화에 따라 발광색이 변화한다는 점을 이용한다. In 함량이 높아질수록 발광색이 장파장으로 이동하게 된다. 그러나, In 함량이 높아질수록 격자상수가 증가하고 박막 형태의 InGaN 층과 기판 사이에 큰 격자상수 불일치(lattice mismatch)가 발생하여 장파장으로 이동할수록 발광 효율이 저하된다.
장파장 광의 발광 효율이 증가된 발광 소자를 제공한다.
형광체를 사용하지 않고 다중 파장의 광을 구현하는 발광 소자를 제공한다.
형광체를 사용하지 않고 다중 파장의 광을 만드는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 질화물 반도체층; 상기 제1 질화물 반도체층 상에 복수 개의 나노 발광부가 배열된 나노 발광 어레이;를 포함하고,
상기 나노 발광부가 나노 크기의 베이스부, 상기 베이스부 상에 적층된 제1활성층, 및 상기 제1활성층 상에 적층된 제2 질화물 반도체층을 포함하는 발광소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 나노 발광부는 다각뿔 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 복수 개의 나노 발광부 사이에 유전 패턴부가 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 유전 패턴부가 활성층과 제2 질화물 반도체층에 의해 덮히지 않고 노출될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 유전 패턴부가 활성층과 제2형 질화물 반도체층에 의해 덮힐 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 나노 발광부는 복수 개의 반극성(semi polar) 면을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 베이스부는 제1 질화물 반도체층과 같은 재질로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 복수 개의 나노 발광부 사이에 무극성 면을 가지는 멀티 층을 포함하고, 상기 복수 층은 제2활성층과 제3 질화물 반도체층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 나노 발광 어레이가, 복수 개의 나노 발광부가 연속적으로 배열된 제1그룹과, 무극성 면을 가지는 제2활성층과 제3 질화물 반도체층을 포함하는 멀티 층이 교대로 배열된 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1그룹으로부터 제1파장의 광이 발광되고, 상기 멀티층으로부터 제2파장의 광이 발광될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1파장이 상기 제2파장보다 길 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 나노 발광 어레이가, 복수 개의 나노 발광부가 제1간격으로 배열된 제1그룹과, 무극성 면을 가지는 제2활성층과 제3 질화물 반도체층을 포함하는 멀티층이 교대로 배열된 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 나노 발광 어레이가, 상기 나노 발광부가 제1간격으로 이격되게 배열된 제1그룹과, 상기 나노 발광부가 제2간격으로 이격되게 배열된 제2그룹을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1그룹으로부터 제1파장의 광이 발광되고, 제2그룹으로부터 제2파장의 광이 발광될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 나노 발광 어레이가, 상기 나노 발광부가 제1간격으로 이격되게 배열된 제1그룹과, 상기 나노 발광부가 제2간격으로 이격되게 배열된 제2그룹과, 상기 나노 발광부가 제3간격으로 이격되게 배열된 제3그룹을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1활성층은 양자 우물층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 발광 소자로부터 다중 파장의 광을 만드는 방법에 있어서,
제1 질화물 반도체층에 베이스부, 제1활성층, 및 제2 질화물 반도체층을 포함하는 나노 크기의 나노 발광부들을 배열하는 단계;
상기 나노 발광부에 반극성면을 형성하는 단계; 및
상기 나노 발광부 사이의 간격을 조절하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 나노 발광부 사이의 간격을 조절하는 단계는,
복수 개의 나노 발광부가 연속적으로 배열된 제1그룹들을 배열하는 단계와, 상기 제1그룹 사이에 무극성 면을 가지는 제2활성층과 제3 질화물 반도체층을 포함하는 멀티 층을 배열하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 멀티층의 면적을 조절하여 파장을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 나노 발광부 사이의 간격을 조절하는 단계는,
상기 나노 발광부를 제1간격으로 이격되게 배열하여 제1파장의 광을 발광시키는 단계와, 상기 나노 발광부를 제2간격으로 배열하여 제2파장의 광을 발광시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 나노 발광부 사이의 간격을 조절하는 단계는,
상기 나노 발광부를 제1간격으로 이격되게 배열하여 제1파장의 광을 발광시키는 단계와, 상기 나노 발광부를 제2간격으로 이격되게 배열하여 제2파장의 광을 발광시키는 단계와, 상기 나노 발광부를 제3간격으로 이격되게 배열하여 제3파장의 광을 발광시키는 단계를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자에 구비되는 나노 발광부의 일예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자에 구비되는 나노 발광부의 배열 구조의 일 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 InGnN 발광 소자의 피크 파장에 따른 외부 양자 효율의 변화와 시감도를 나타낸 것이다.
도 11a 내지 도 11d는 도 1에 도시된 발광 소자의 제조 공정을 나타낸 것이다.
도 12a 내지 도 12d는 도 5에 도시된 발광 소자의 제조 공정을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 및 다중 파장의 광을 만드는 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 소자는 나노 발광 어레이를 이용하여 장파장 광의 발광 효율을 높이고, 다장 파장의 광을 만들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 발광 소자는 제1 질화물 반도체층(13)과, 상기 제1 질화물 반도체층(13) 위에 구비된 나노 발광 어레이(14)를 포함할 수 있다. 상기 나노 발광 어레이(14)에는 복수 개의 나노 발광부(18)가 배열되어 있다. 상기 제1 질화물 반도체층(13)은 기판(10) 위에 적층될 수 있다. 상기 기판(10)으로는 예를 들어, 사파이어 기판, 실리콘 기판, 실리콘 카바이드 기판, GaN 기판 또는 Ga2O3 기판이 사용될 수 있다. 상기 기판(10)은 발광 소자의 제작 완료 후 제거될 수 있다. 따라서, 상기 기판(10)은 선택적일 수 있다.
상기 나노 발광부(18)는 베이스부(20)와, 상기 베이스부(20) 위의 제1활성층(25) 및 상기 제1활성층(25) 위의 제2 질화물 반도체층(30)을 포함할 수 있다.
상기 제1 질화물 반도체층(13)은 제1형으로 도핑된 반도체층으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, n-GaN으로 형성될 수 있다. 제1형 도펀트(dopant)는 n형이고 Si이 사용될 수 있다. 기판(10)과 상기 제1 질화물 반도체층(13) 사이에는 에피텍시 성장에 필요한 버퍼층(미도시)이 더 구비될 수 있다. 버퍼층은 이미 널리 공지된 것이므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
제1활성층(25)은 전자-정공 재결합에 의해 빛을 발광하는 층으로, 예를 들어, InGaN 기반의 질화물 반도체층으로 이루어지며, 밴드갭 에너지를 제어함으로써 그 발광 파장 대역이 조절될 수 있다. 예를 들어, 제1활성층(25)은 양자우물층과 장벽층을 포함하며, 예를 들어 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, InGaN/AlGaN 또는 InGaN/InAlGaN로 이루어진 양자우물층과 장벽층을 포함할 수 있다. 양자우물층은 단일양자우물층(single quantum well) 또는 I다중양자우물층(multi quantum well)으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 질화물 반도체층(30)은 제2형으로 도핑된 반도체층으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, p-GaN으로 형성될 수 있다. 제2형 도펀트(dopant)는 p형이고 Mg, Ca, Zn, Cd, Hg 등이 사용될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니며, 제1 질화물 반도체층(13)이 p형 반도체층으로 형성되고, 제2 질화물 반도체층(30)이 n형 반도체층으로 형성되는 것도 가능하다. 제1질화물 반도체층(130)과 제1활성층(150) 사이 그리고/또는 제1활성층(13)과 제2질화물 반도체층(30) 사이에는, 도시되지는 않았으나, 내부 양자효율 향상을 위한 광가둠층(Carrier confinement layers)들이 더 구비될 수 있다. 또한, 제2질화물 반도체층(30) 상에, 도시되지는 않았으나, 전극층이 구비될 수 있다.
제1 질화물 반도체층(13), 나노 발광 어레이(14)의 제조에 있어서, 일반적으로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 성장방법으로 알려진 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 금속 유기 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition;MOCVD), 혼성 기상 결정 성장법(hydride vapor phase epitaxy;HVPE), 분자선 결정 성장법(molecular beam epitaxy;MBE), 유기 금속 기상 결정 성장법(metal organic vapor phase epitaxy;MOVPE), HCVD 법(halide chemical vapour deposition) 등이 사용될 수 있다. 나노 발광 어레이(14)는 전류 구동에 의해 발광하는 것으로, 복수 개의 나노 발광부(18)가 배열되어 이루어질 수 있다.
도 1에서는 나노 발광부(18) 들이 제1간격으로 이격되게 배열된 예를 도시한 것이다. 이웃하는 나노 발광부(18) 사이에 유전 패턴부(15)가 구비될 수 있다. 상기 유전 패턴부(15)는 예를 들어 SiO2, 레진(resin) 등으로 형성되어 유전 패턴부(15) 위쪽으로는 질화물이 성장되지 않도록 할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 상기 유전 패턴부(15)는 상기 나노 발광부(18)에 의해 덮히지 않고 노출될 수 있다. 또는, 도 2에 도시된 바와 같이 나노 발광부(18)가 서로 이격되지 않도록 형성되는 것도 가능하다. 여기서, 유전 패턴부(15')는 상기 나노 발광부(18)에 의해 덮혀 외부로 노출되지 않을 수 있다. 상기 나노 발광부(18) 사이의 간격에 따라 발광되는 광의 파장이 달라질 수 있다.
상기 나노 발광부(18)는 복수 개의 반극성면(semi polar surface)(18a)을 포함할 수 있다. 상기 반극성면(18a)은 상기 기판(10)에 대해 경사진 면을 포함할 수 있다. 또한, 상기 나노 발광부(18)는 나노 사이즈를 가질 수 있다. 나노 사이즈는 1㎛ 이하의 크기를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 나노 발광부(18)는 200-300nm 범위를 사이즈를 가질 수 있다. 상기 나노 발광부(18)의 사이즈는 나노 발광부(18)의 밑 면의 가장 큰 직경에 대응될 수 있다. 상기 나노 발광부(18)는 다각뿔 형상을 가질 수 있다. 도 3은 나노 발광부(18)가 육각뿔 형상을 가지는 예를 도시한 것이다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 도 3에서는 베이스부(20)를 도시하고 있으나, 베이스부(20)와 나노 발광부(18)의 형상은 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 베이스부(20)는 복수 개의 반극성면(20a)과 밑면(20b)을 포함할 수 있다. 상기 베이스부(20)는 제1 질화물 반도체층(13)과 같은 물질로 형성될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니며 다른 물질로 형성되는 것도 가능하다.
도 4는 상기 베이스부(20)의 배열 구조를 도시한 것이다. 상기 베이스부(20)의 밑면(20b)이 소정 간격으로 배열될 수 있다. 베이스부(20)가 열이 바뀔 때 지그재그 형태로 배열될 수 있다. 이 경우, 베이스부(20)가 벌집 형태로 배열될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니고, 일렬로 배열되는 것도 가능하다.
상기 나노 발광부(18)는 예를 들어 InGaN 활성층에서 In의 함량을 자유롭게 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 격자 부정합에 의한 결정 결함이 감소되어 내부 양자 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 나노 발광부(18)의 크기가 빛의 파장에 비해 작은 경우 빛의 추출 효율이 증가되어 외부 양자 효율도 증가될 수 있다. 또한, 상기 나노 발광부(18)는 활성층의 응력에 의한 변형을 신축이완시킴으로써, 응력으로 인한 피에조일렉트릭 편광(piezoelectric polarization)을 감소시킬 수 있다. 피에조일렉트릭 편광의 생성을 억제하여 장파장, 예를 들어 500nm 이상의 파장의 광효율을 증가시키고, 고전류 동작에서의 효율을 높일 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것으로, 기판(110) 위에 제1 질화물 반도체층(113)이 구비되고, 상기 제1 질화물 반도체층(113) 위에 복수 개의 나노 발광부(118)가 이격되게 배열된 나노 발광 어레이(114)가 구비될 수 있다. 상기 나노 발광부(118)는 베이스부(120)와, 제1활성층(125)과 제2 질화물 반도체층(113)을 포함할 수 있다. 상기 나노 발광부(118)는 나노 사이즈를 가지며, 복수 개의 반극성면(118a)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 발광부(118)은 다각뿔 형상을 가질 수 있다.
상기 복수 개의 나노 발광부(118) 사이에는 멀티층(142)이 구비될 수 있다. 상기 멀티층(142)은 제2활성층(125')과 제3 질화물 반도체층(130')을 포함할 수 있다. 상기 멀티층(142)은 상기 기판(110)에 평행한 무극성면(non polar surface)(242a), 예를 들어 (0001)면을 포함할 수 있다. 상기 제2활성층(125')은 제1활성층(125)과 같은 물질로 동시에 성장될 수 있으며, 상기 제3 질화물 반도체층(130')은 제2 질화물 반도체층(130)과 같은 물질로 동시에 성장될 수 있다. 상기 기판(110), 제1 질화물 반도체층(113), 나노 발광부(118)는 도 1에서 설명한 바와 같으므로 여기서는 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 도 1과 도 5를 참조하여 설명한 부재들과 동일한 이름의 부재들은 실질적으로 동일한 기능과 작용을 하므로 이하에서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
상기 나노 발광부(118)는 반극성면(118a), 예를 들어 (11-11) 또는 (11-22) 면에 제1활성층이 성장되어 자발 편광(spontaneous polarization)을 감소시키고, 변형(strain)을 완화(relaxation)시켜 피에조일렉트릭 편광(piezoelectric polarization)을 감소시킴으로써 양자 가둠 스타크 효과(quantum confined stark effect)를 억제할 수 있다. 다시 말하면, 나노 발광부의 반극성면에 예를 들어, InGaN 활성층이 형성될 때, 변형이 완화되어 In 함량이 많아져도 결정 결함 발생률이 감소되고, 균일한 조성의 InGaN 활성층이 형성되어 피에조일렉트릭 필드가 억제됨으로써 장파장의 발광 효율이 증가될 수 있다.
상기 멀티층(142)은 무극성면(142a)을 포함하며, 상기 제2활성층(125')은 양자 우물층을 포함할 수 있다. 상기 나노 발광부(118)의 반극성면(118a)과 멀티층(142)의 무극성면(142a)은 결정학적 특성에 따라 같은 조건으로 성장한다 하더라도 서로 다른 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, InGaN을 성장시 상기 반극성면(118a)에는 상기 무극성면(142a)에 비해 In 함량이 더 커지고, 상기 무극성면(142a)에는 In 함량이 상대적으로 더 작을 수 있다. 따라서, 상기 반극성면(118a)에서 발광되는 제1광(L1)이 무극성면(142a)에서 발광되는 제2광(L2)보다 긴 파장을 가질 수 있다. 그럼으로써, 도 5에 도시된 발광 소자는 다중 파장의 광을 발광시킬 수 있다. 한편, 상기 나노 발광부(118) 사이의 간격(d1)을 조절함으로써 나노 발광부(118)에서 발광되는 제1광(L1)의 파장을 조절할 수 있다. 나노 발광부(118) 사이의 간격을 조절하는 것은 다시 말하면 상기 멀티층(142)의 폭 또는 멀티층(142)의 면적을 조절하는 것과 같을 수 있다. 제1광(L1)의 파장과 제2광(L2)의 파장을 조절하여 동시에 발광시킴으로써 형광체를 사용하지 않고 하나의 칩에서 백색광을 구현할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 발광 소자는 기판(210), 상기 기판(210) 위에 구비된 제1 질화물 반도체층(213) 및 상기 제1 질화물 반도체층(213) 위에 구비된 나노 발광 어레이(214)를 포함할 수 있다. 상기 나노 발광 어레이(214)에는 복수 개의 나노 발광부(218)가 소정 패턴으로 배열되어 있다. 상기 나노 발광 어레이(214)는 복수 개의 나노 발광부(218)가 연속적으로 배열된 제1그룹들(240)을 포함하고, 상기 제1그룹들(240)이 제1간격(d1)으로 배열될 수 있다. 상기 제1그룹(240)은 나노 발광부(218)가 서로 이격되지 않게 배열된 구조를 가질 수 있다. 상기 나노 발광부(218)는 베이스부(220)와, 제1활성층(225)과, 제2 질화물 반도체층(230)을 포함할 수 있다.
상기 제1그룹들(240) 사이에는 멀티층(242)이 배열될 수 있다. 상기 멀티층(242)은 제2활성층(225')과 제3 질화물 반도체층(230')을 포함할 수 있다. 상기 제1활성층(225)과 제2활성층(225')은 같은 물지로 일체형으로 형성될 수 있으며, 상기 제2 질화물 반도체층(230)과 제3 질화물 반도체층(230')은 같은 물질로 일체형으로 형성될 수 있다.
상기 제1그룹들(240)의 나노 발광부(218)는 반극성면(218a)을 포함하고, 상기 멀티층(242)은 무극성면(242a)을 포함할 수 있다. 상기 반극성면(218a)에서 발광되는 제1광(L1)이 무극성면(242a)에서 발광되는 제2광(L2)보다 긴 파장을 가질 수 있다. 그럼으로써, 도 6에 도시된 발광 소자는 다중 파장의 광을 발광시킬 수 있다. 한편, 상기 제1그룹들(240) 사이의 간격(d1)을 조절함으로써 나노 발광부(218)에서 발광되는 제1광(L1)의 파장을 조절할 수 있다. 제1광(L1)의 파장과 제2광(L2)의 파장을 조절하여 동시에 발광시킴으로써 형광체를 사용하지 않고 하나의 칩에서 백색광을 구현할 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 발광 소자는 기판(310)과, 상기 기판(310) 위에 구비된 제1 질화물 반도체층(313)과, 상기 제1 질화물 반도체층(313) 위에 구비된 나노 발광 어레이(314)를 포함할 수 있다. 상기 나노 발광 어레이(314)는 복수 개의 나노 발광부(318)가 제1간격(d1)으로 이격되게 배열된 제1그룹들(340)을 포함할 수 있다. 상기 나노 발광부(318)는 베이스부(320)와, 제1활성층(325)과, 제2 질화물 반도체층(330)을 포함할 수 있다. 상기 제1그룹들(340)은 제2 간격(d2)으로 이격되게 배열될 수 있다. 상기 제1그룹들(340) 사이에는 멀티층(342)이 배열될 수 있다. 상기 멀티층(342)은 제2활성층(325')과 제3 질화물 반도체층(330')을 포함할 수 있다. 상기 제1 활성층(325)과 제2 활성층(325')은 동일한 물질로 일체로 형성될 수 있으며, 상기 제2 질화물 반도체층(330)과 제3 질화물 반도체층(330')은 동일한 물질로 일체로 형성될 수 있다.
상기 나노 발광부(318)는 반극성면(318a)을 포함할 수 있으며, 상기 멀티층(342)은 무극성면(342a)을 포함할 수 있다. 상기 제1그룹(340)에는 나노 발광부(318)가 제1간격(d1)으로 이격되게 배열되고, 나노 발광부(318) 사이에는 유전 패턴부(315)가 배열될 수 있다. 상기 유전 패턴부(315)는 유전체로 형성되어 그 위에는 활성층이 성장되지 않는다.
상기 반극성면(318a)에서 발광되는 제1광(L1)이 무극성면(342a)에서 발광되는 제2광(L2)보다 긴 파장을 가질 수 있다. 그럼으로써, 도 7에 도시된 발광 소자는 다중 파장의 광을 발광시킬 수 있다. 한편, 상기 나노 발광부(318) 사이의 간격(d1)을 조절하거나, 상기 제1그룹들(340) 사이의 간격(d2)을 조절함으로써 나노 발광부(318)에서 발광되는 제1광(L1)의 파장을 조절할 수 있다. 제1광(L1)의 파장과 제2광(L2)의 파장을 조절하여 동시에 발광시킴으로써 형광체를 사용하지 않고 하나의 칩에서 백색광을 구현할 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예의 발광 소자를 도시한 것이다. 도 8에 도시된 발광 소자는 기판(410)과, 상기 기판(410) 위에 구비된 제1 질화물 반도체층(413), 상기 질화물 반도체층(413) 위에 구비된 나노 발광 어레이(414)를 포함할 수 있다. 상기 나노 발광 어레이(414)는 나노 발광부(418)가 제1간격(d1)으로 이격되게 배열된 제1그룹(440)과, 나노 발광부(418)가 제2간격(d2)으로 이격되게 배열된 제2그룹(442)을 포함할 수 있다. 상기 나노 발광부(418)는 베이스부(420), 상기 베이스부(420) 위에 구비된 제1활성층(425) 및 상기 제1활성층(425) 위에 구비된 제2 질화물 반도체층(430)을 포함할 수 있다. 상기 나노 발광부(418)는 복수 개의 반극성면(418a)을 포함할 수 있다. 상기 나노 발광부(418) 사이에는 유전 패턴부(415)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1그룹(440)에는 나노 발광부(418) 사이에 제1 유전 패턴부(415a)가 구비되고, 제2그룹(442)에는 나노 발광부(418) 사이에 제2 유전 패턴부(415b)가 구비될 수 있다.
상기 나노 발광부(418) 사이의 간격을 조절하여 나노 발광부(418)에서 발광되는 광의 파장을 조절할 수 있다. 예를 들어, 나노 발광부(418)가 제1간격(d1)으로 이격되어 배열된 제1그룹(440)에서 제1파장의 제1광(L1)이 발광되고, 나노 발광부(418)가 제2간격(d2)으로 이격되어 배열된 제2그룹(442)에서 제1파장과 다른 제2파장의 제2광(L2)이 발광될 수 있다.
이와 같이 제1파장의 제1광과 제2파장의 제2광에 의해 하나의 칩에서 형광체를 사용하지 않고 백색광을 구현할 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것이다. 도 9에 도시된 발광 소자는 기판(510)과, 상기 기판(510) 상에 구비된 제1 질화물 반도체층(513)과, 상기 제1 질화물 반도체층(513) 상의 나노 발광 어레이(514)를 포함할 수 있다. 상기 나노 발광 어레이(514)는 나노 발광부(518)가 소정 패턴으로 배열될 수 있다. 상기 나노 발광부(518)는 베이스부(520)와, 제1활성층(525)과, 제2 질화물 반도체층(53)을 포함할 수 있다. 상기 나노 발광부(518)는 복수 개의 반극성면(518a)을 포함할 수 있고, 다각뿔 형상을 가질 수 있다.
상기 나노 발광 어레이(514)는 나노 발광부(518)가 제1간격(d1)으로 배열된 제1그룹(540), 나노 발광부(518)가 제2간격(d2)으로 배열된 제2그룹(542), 나노 발광부(518)가 제3간격(d3)으로 배열된 제3그룹(544)을 포함할 수 있다. 상기 나노 발광부(518) 사이에는 유전 패턴부(515)가 배열될 수 있다. 상기 유전 패턴부(515)에 의해 유전 패턴부(515) 위에는 활성층이 성장되지 않는다. 상기 나노 발광부 사이의 간격에 따라 상기 제1, 제2, 제3 그룹(540)(542)(544)에서는 각각 다른 파장의 광이 발광될 수 있다. 예를 들어, 나노 발광부(418)가 제1간격(d1)으로 이격되어 배열된 제1그룹(540)에서 제1파장의 제1광(L1)이 발광되고, 나노 발광부(518)가 제2간격(d2)으로 이격되어 배열된 제2그룹(542)에서 제2파장의 제2광(L2)이 발광되고, 나노 발광부(518)가 제3간격(d3)으로 이격되어 배열된 제3그룹(544)에서 제3파장의 제3광(L3)이 발광될 수 있다. 상기 제1파장, 제2파장, 제3파장은 서로 다를 수 있다. 이와 같이 나노 발광부(515)의 간격을 조절하여 세 개 이상의 파장의 광을 발광시킬 수 있다. 그럼으로써, 단일 칩에서 형광체를 사용하지 않고 백색광을 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자에서는 장파장의 발광 효율이 증가될 수 있다. 도 10은 InGaN 활성층을 포함한 발광 소자의 피크 파장(peak wavelength)에 따른 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency)의 변화와, 파장에 따른 시감도(eye sensitivity)를 도시한 것이다. InGaN 발광 소자의 외부 양자 효율은 파장이 길어질수록 감소되는 경향을 보인다. 그런데, 시감도는 예를 들어 520-580nm 범위의 파장에서 상대적으로 높다. 시감도는 예를 들어 조명광에서 크게 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 발광 소자를 이용한 조명등에서는 시감도가 높은 파장 대역의 광이 발광되는 것이 중요하다. 이러한 이유 때문에 장파장, 예를 들어 500nm 이상의 파장을 가지는 광의 외부 양자 효율을 증가시킬 필요가 있다. 파장을 증가시키기 위해 InGaN의 In 몰비율(mole fraction)을 증가시킬 수 있다. 하지만, In 몰비율을 증가시키면 피에조일렉트릭 필드가 증가되고, 질화물 반도체층과의 격자 부정합이 심해지며, In 국소화(In localization)로 인해 위상 분리(phase separation)가 발생되고, 저온 성장으로 인해 불순물 함유가 증가되기 때문에 장파장의 광효율이 저하될 수 있다. 그런데, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자는 나노 사이즈를 가지고, 복수 개의 반극성면을 가지는 나노 발광부를 포함하여 장파장의 발광 효율을 증가시킬 수 있다. 반극성면에 활성층이 성장되어 자발 편광(spontaneous polarization)을 감소시키고, 변형(strain)을 완화(relaxation)시켜 피에조일렉트릭 편광(piezoelectric polarization)을 감소시킬 수 있다. 또한, 나노 발광부의 반극성면에 예를 들어, InGaN 활성층이 형성될 때, 변형이 완화되어 In 함량이 많아져도 결정 결함 발생률이 감소되고, 균일한 조성의 InGaN 활성층이 형성되어 피에조일렉트릭 필드가 억제됨으로써 장파장의 발광 효율이 증가될 수 있다. 그럼으로써, 시감도가 높은 장파장 대역의 광의 발광 효율을 증가시켜 발광 소자가 조명광에 적합하게 적용될 수 있도록 할 수 있다. 또한, 피에조일렉트릭 필드의 생성을 억제하여 서로 다른 파장을 내는 복수의 양자 우물층을 하나의 p-n 접합에 구비하여도 서로 다른 파장을 내는 빛의 상대적인 감도가 전류 밀도 변화에 따라 크게 변하지 않기 때문에 색온도의 균일도가 증가될 수 있다. 따라서, 조명등의 용도에 적합하게 사용될 수 있다.
도 11a 내지 도 11d는 도 1에 도시된 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 11a에 도시된 바와 같이 기판(610) 위에 제1 질화물 반도체층(613)을 적층하고, 상기 제1 질화물 반도체층(613) 위에 유전층(615)을 적층할 수 있다. 상기 유전층(615)을 패터닝하여 상기 제1 질화물 반도체층(613)이 노출되는 노출부(616)를 형성한다. 도 11b에 도시된 바와 같이 상기 노출부(616) 상에 질화물 반도체로 베이스부(620)를 성장한다. 상기 베이스부(620)는 상기 기판(610)에 대해 기울어진 면인 반극성면을 가지도록 성장될 수 있다. 상기 유전층(615)에는 질화물 반도체가 성장되지 않으므로 선택적 성장이 가능하다. 도 11c와 도 11에 도시된 바와 같이 상기 베이스부(620) 위에 활성층(625)과 제2 질화물 반도체층(630)을 성장한다. 상기 베이스부(620), 활성층(625), 제2 질화물 반도체층(630)이 나노 발광부(618)을 구성하고, 상기 나노 발광부(618)가 소정 간격으로 배열되어 나노 발광 어레이(614)가 형성될 수 있다. 상기 나노 발광부(618)에서 제1광(L1)이 발광되며, 상기 제1광(L1)의 장파장의 광효율이 증가될 수 있다. 도 11d에서는 나노 발광부(618)가 이격되게 배열된 예를 도시하였지만, 나노 발광부(618)가 간격 없이 배열되도록 하는 것도 가능하다. 또한, 상기 유전층(615)의 패턴을 조절하여 나노 발광부(618)의 간격을 조절함으로써 발광되는 광의 파장을 조절할 수 있다. 나노 발광부(618) 사이의 간격을 2개 이상의 종류로 조절함으로써 서로 다른 파장의 다중 파장의 광을 발광하도록 할 수 있다.
도 12a 내지 도 12d는 도 5에 도시된 발광 소자의 제조 방법을 도시한 것이다. 도 12a에 도시된 바와 같이 기판(710) 상에 제1 질화물 반도체층(713)이 적층되고, 상기 제1 질화물 반도체층(713)에 유전층(715)을 적층하고, 상기 유전층(715)을 패터닝하여 상기 제1 질화물 반도체층(713)이 노출되는 노출부(716)를 형성할 수 있다. 도 12b에 도시된 바와 같이 상기 노출부(716)에 베이스부(720)를 성장한다. 그리고, 도 12c에 도시된 바와 같이 상기 유전체층(715)을 제거한다. 그런다음, 도 12d에 도시된 바와 같이 상기 제1 질화물 반도체층(713)과 베이스부(720) 위에 제1활성층(725)과 제2활성층(725')을 성장한다. 상기 제1활성층(725)과 제2활성층(725')은 동시에 성장될 수 있다. 상기 제1활성층(725)과 제2활성층(725') 위에 제2 질화물 반도체층(730)과 제3 질화물 반도체층(730')을 성장한다. 상기 제2 질화물 반도체층(730)과 제3 질화물 반도체층(730')은 동시에 성장될 수 있다. 상기 베이스부(729), 제1활성층(725), 제2 질화물 반도체층(730)이 나노 발광부(718)를 이루고, 상기 제2 활성층(725')과 제3 질화물 반도체층(730')이 멀티층(742)을 이룰 수 있다. 상기 나노 발광부(718)는 상기 기판(710)에 대해 경사진 면인 반극성면을 포함하고, 상기 멀티층(742)은 상기 기판(710)에 대해 평행한 면인 무극성면을 포함할 수 있다. 상기 나노 발광부(718)가 이격되어 배열된 나노 발광 어레이(714)에서 제1파장의 제1광(L1)이 발광되고, 상기 멀티층(742)에서 제2파장의 제2광(L2)이 발광될 수 있다. 여기서, 상기 제1파장이 제2파장보다 클 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자로부터 다중 파장의 광을 만드는 방법은 제1 질화물 반도체층에 나노 크기의 나노 발광부들을 배열하고, 상기 나노 발광부 사이의 간격을 조절한다. 상기 나노 발광부에 반극성면을 형성할 수 있다. 상기 나노 발광부는 사이의 간격을 조절할 때, 나노 발광부 사이에 유전 패턴이 구비될 수도 있고, 멀티층이 구비될 수도 있다. 그럼으로써 단일 칩에서 다중 파장의 광을 발광시켜 백색광을 구현할 수 있으며, 장파장의 발광 효율을 증가시켜 시감도에 적합한 조명광을 만들 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 소자는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10,110,210,310,410,510,610,710...기판
13,113,213,313,413,513,613,713...제1 질화물 반도체층
14,114,214,314,414,514,614,714...나노 발광 어레이
15,15',315,415,515...유전 패턴부
18,118,218,318,418,518,618,718...나노 발광부
20,120,220,320,420,520,620,720...베이스부
25,125,225,325,425,525,626,725...활성층
30,130,230,330,430,530,630,730...제2 질화물 반도체층
142,242,342...멀티층, 240,340,440,540...제1그룹
442,542...제2그룹, 544...제3그룹

Claims (22)

  1. 제1 질화물 반도체층;
    상기 제1 질화물 반도체층 상에 복수 개의 나노 발광부가 배열된 나노 발광 어레이;를 포함하고,
    상기 나노 발광부가 나노 크기의 베이스부, 상기 베이스부 상에 적층된 제1활성층, 및 상기 제1활성층 상에 적층된 제2 질화물 반도체층을 포함하는 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노 발광부는 다각뿔 형상을 가지는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 나노 발광부 사이에 유전 패턴부가 구비된 발광 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유전 패턴부가 활성층과 제2 질화물 반도체층에 의해 덮히지 않고 노출되는 발광 소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 유전 패턴부가 활성층과 제2형 질화물 반도체층에 의해 덮히는 발광 소자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 발광부는 복수 개의 반극성(semi polar) 면을 포함하는 발광 소자.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스부는 제1 질화물 반도체층과 같은 재질로 형성된 발광 소자.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 나노 발광부 사이에 무극성 면을 가지는 멀티 층을 포함하고, 상기 복수 층은 제2활성층과 제3 질화물 반도체층을 포함하는 발광 소자.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 나노 발광 어레이가, 복수 개의 나노 발광부가 연속적으로 배열된 제1그룹과, 무극성 면을 가지는 제2활성층과 제3 질화물 반도체층을 포함하는 멀티 층이 교대로 배열된 구조를 가지는 발광 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1그룹으로부터 제1파장의 광이 발광되고, 상기 멀티층으로부터 제2파장의 광이 발광되는 발광 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1파장이 상기 제2파장보다 긴 발광 소자.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 나노 발광 어레이가, 복수 개의 나노 발광부가 제1간격으로 배열된 제1그룹과, 무극성 면을 가지는 제2활성층과 제3 질화물 반도체층을 포함하는 멀티층이 교대로 배열된 구조를 가지는 발광 소자.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 나노 발광 어레이가, 상기 나노 발광부가 제1간격으로 이격되게 배열된 제1그룹과, 상기 나노 발광부가 제2간격으로 이격되게 배열된 제2그룹을 포함하는 발광 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1그룹으로부터 제1파장의 광이 발광되고, 제2그룹으로부터 제2파장의 광이 발광되는 발광 소자.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 나노 발광 어레이가, 상기 나노 발광부가 제1간격으로 이격되게 배열된 제1그룹과, 상기 나노 발광부가 제2간격으로 이격되게 배열된 제2그룹과, 상기 나노 발광부가 제3간격으로 이격되게 배열된 제3그룹을 포함하는 발광 소자.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1활성층은 양자 우물층을 포함하는 발광 소자.
  17. 발광 소자로부터 다중 파장의 광을 만드는 방법에 있어서,
    제1 질화물 반도체층에 베이스부, 제1활성층, 및 제2 질화물 반도체층을 포함하는 나노 크기의 나노 발광부들을 배열하는 단계;
    상기 나노 발광부에 반극성면을 형성하는 단계; 및
    상기 나노 발광부 사이의 간격을 조절하는 단계;를 포함하는 다중 파장의 광을 만드는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 나노 발광부 사이의 간격을 조절하는 단계는,
    복수 개의 나노 발광부가 연속적으로 배열된 제1그룹들을 배열하는 단계와, 상기 제1그룹 사이에 무극성 면을 가지는 제2활성층과 제3 질화물 반도체층을 포함하는 멀티 층을 배열하는 단계를 포함하는 다중 파장의 광을 만드는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 멀티층의 면적을 조절하여 파장을 조절하는 단계를 포함하는 다중 파장의 광을 만드는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 나노 발광부 사이의 간격을 조절하는 단계는,
    상기 나노 발광부를 제1간격으로 이격되게 배열하여 제1파장의 광을 발광시키는 단계와, 상기 나노 발광부를 제2간격으로 배열하여 제2파장의 광을 발광시키는 단계를 포함하는 다중 파장의 광을 만드는 방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기 나노 발광부 사이의 간격을 조절하는 단계는,
    상기 나노 발광부를 제1간격으로 이격되게 배열하여 제1파장의 광을 발광시키는 단계와, 상기 나노 발광부를 제2간격으로 이격되게 배열하여 제2파장의 광을 발광시키는 단계와, 상기 나노 발광부를 제3간격으로 이격되게 배열하여 제3파장의 광을 발광시키는 단계를 포함하는 다중 파장의 광을 만드는 방법.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1활성층은 양자 우물층을 포함하는 다중 파장의 광을 만드는 방법.
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