KR100337197B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 발광소자의 활성층에 도우너와 억셉터 불순물을 순차적으로 도핑시켜 활성층의 내부에 전자 및 정공이 국소적으로 한정된 층을 형성하여 발광결합 효율을 증가시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 기판 상에 n형 접촉층, n형 클래드층, 활성층, p형 클래드층 및 p형 접촉층이 순차적으로 형성되어 이루어지는 질화물 반도체 단파장 발광소자에 있어서, 상기 활성층을 불순물 층별 주입방법을 도입하여 내부에 p형 및 n형 불순물층이 교대로 적층된 pn 다층구조를 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다.

따라서, 활성층에 pn 다층구조를 갖도록 도우너와 억셉터 불순물을 순차적으로 도핑하여 질화물 반도체 발광소자의 발광결합 효율을 증가시킬 수 있어, 동일한 인가전력의 조건하에서 보다 높은 휘도를 구현하는 소자를 제작할 수 있는 이점이 있다.

Description

질화물 반도체 발광소자{III-Nitride Semiconductor White Light Emitting Device}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 활성층의 내부에 도우너와 억셉터 불순물을 순차적으로 도핑시켜, 전자 및 정공이 국소적으로 한정된 pnpn구조를 갖는 InGaN 활성층을 형성하여 발광결합 효율을 증가시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

질화물 반도체 및 이에 관련된 화합물 반도체는 청색 발광 다이오드(Light Emitting Diode ; LED), 청색 레이저 다이오드(Laser Diode ; LD) 또는 태양전지 등의 재료로서 최근 크게 주목받고 있다. 특히, 적색, 녹색 및 청색 발광소자에 의한 총천연색 전광판영역 및 백색 발광소자에 의한 조명기구의 대체시장은 실로 방대하다고 하겠다.

그러나, 이러한 질화물 반도체 발광소자는 격자정합이 되는 기판이 부재하고, 격자 부정합 및 열팽창계수의 차이가 커서 양질의 질화물 반도체 박막성장이 매우 어렵다. 이러한 난점에도 불구하고 최근의 연구성과로 사파이어 및 SiC 기판 상에 버퍼층을 이용하여 청색 계열의 발광소자가 개발되고 사용화 되었다. 그러나, 현재까지는 양질의 박막 성장의 어려움과 소자구조의 단순성으로 인하여 고휘도의 발광소자를 개발하는 것은 많은 숙제로 남아있다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도이다.

종래의 질화물 반도체소자는 도 1과 같이 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(buffer layer)(110) 및 n형 접촉층(120)과, 상기 n형 접촉층(120) 상의 소정 부분에 형성된 n형 클래드층(clad layer)(130)과, 상기 n형 클래드층(130) 상에 순차적으로 형성된 활성층(140), p형 클래드층(150) 및 p형 접촉층(160)으로 구성되어 더블 헤테로 구조(double hetero structure)를 가지며, 상기 n형 클래드층(130)이 형성되지 않은 n형 접촉층(120) 상의 소정 부분 및 상기 p형 접촉층(160) 상의 소정 부분에 각각 형성된 n형 및 p형 전극(170)(180)을 포함하여 이루어진다.

이후에 도시하지 않았지만 상기 n형 및 p형 전극에 각각 와이어 본딩 방법으로 열 방출용 히트-신크(Heat-sink)를 접촉시켜, 상기 전극 부분에 전류를 흘려줌으로써 구동되는 질화물 반도체소자 칩을 제작한다.

상기에서 기판으로는 사파이어, GaN, SiC, ZnO, GaAs 또는 Si 등이, 상기 버퍼층으로는 GaN, AlN, AlGaN 또는 InGaN 등이 이용되나, 일반적으로는 사파이어 절연 기판 상에 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : 이하, MOCVD라 칭함) 방법을 이용한 GaN를 증착하여 버퍼층을 형성한다.

그리고, 상기 n형 및 p형 접촉층으로는 각각 n형 및 p형 도핑에 의한 GaN를, 상기 n형 및 p형 클래드층은 각각 n형 및 p형 도핑에 의한 AlGaN를, 상기 n형 전극으로는 Ti/Al을, p형 전극으로는 Ni/Au를 이용하여 형성하고, 상기에서 p형층을 형성하기 위해 주로 Mg를 도핑한다.

상술한 바와 같이 종래에는 에너지 밴드갭이 큰 n형 및 p형 GaN 물질 사이에 빛을 방출하는 에너지 밴드갭이 작은 InGaN 활성층을 형성하는 구조로 이루어져 있다. 그러나 InGaN 박막 증착 후 고온 공정에서 상기 InGaN 박막의 In 탈착증발현상이 심하여 높은 In 조성비의 박막을 성장시키는 것이 매우 어려운 문제가 있다.

또한, 가시광영역의 청색발광을 구현하기 위해서 작은 In조성비로는 불가능하기 때문에 Si과 같은 도우너 불순물 및 억셉터 불순물인 Zn를 도핑하여 불순물준위 상호간의 발광성 재결합에 의한 광방출을 유도하게 된다. 그러나, 활성층내의 불순물 준위를 형성하기 위한 불순물 주입은 반도체 결정의 질을 저하시키고, 전자나 정공의 이온화된 불순물과의 산란에 의하여 발광효율이 감소하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 발광소자의 활성층 내부에 불순물 층별 주입방법을 도입하여 활성층 내부에서의 광 방출 효율을 극대화시켜 고효율의 질화물 반도체 발광소자를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 기판 상에 n형 접촉층, n형 클래드층, 활성층, p형 클래드층 및 p형 접촉층이 순차적으로 형성되어 이루어지는 질화물 반도체 단파장 발광소자에 있어서, 상기 활성층을 불순물 층별 주입방법을 도입하여 내부에 p형 및 n형 불순물층이 교대로 적층된 pn 다층구조를 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 에너지 밴드구조 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200 : 기판 210 : 버퍼층

220 : n형 접촉층 230 : n형 클래드층

240 : pn 다층구조를 갖는 활성층 250 : p형 클래드층

260 : p형 접촉층 270 : n형 전극

280 : p형 전극

기존의 이종접합구조의 발광소자는 InGaN 활성층에 Si, Zn 불순물을 동시에 도핑하는 방법을 사용하였으나 이러한 도핑방법은 결정성 저하에 위해 발광효율을 높이지 못하고, 또한 전자와 정공을 활성층 내부에 효율적으로 가두지 못했다.

따라서, 본 발명에서는 InGaN 활성층에 Si 도핑층과 Zn 도핑층을 교대로 형성하여 발광층내부에서의 부분적 전기장 발생에 의한 에너지 밴드갭을 톱날모양으로 형성시켜 국소적으로 낮은 에너지준위를 형성하여 전자와 전공의 농도를 크게 한정시키는 구조를 만들어 전자와 정공의 재결합에 의한 발광효율을 증가시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 형성한다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 개략적인 단면도이고, 도 3은 이러한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자의 pn 다층구조를 갖는 활성층 에너지 밴드 구조이다.

도 2와 같이 본 발명은 기판(200) 상에 버퍼층(210), n형 접촉층(220), n형 클래드층(230), InGaN 활성층(240), p형 클래드층(250), p형 접촉층(260)으로 구성된 단파장 발광소자 구조에 있어서, 상기 활성층(240) 내부에 불순물 층별 주입방법을 도입하여 Si과 Zn의 교대 도핑으로 인해 톱날모양의 국소적인 포텐셜을 갖는 InGaN 활성층(240)을 형성한다.

상기에서 활성층(240)을 형성하는 방법의 일 예를 들면 상기 n형 클래드층(230) 상에 사일렌(SiH₄)가스를 주입하여 Si이 도핑된 1 ∼ 50 ㎚ 두께의 p형 InGaN 제 1 활성층(240a)을 형성한 후, 다이에칠징크(DEZn)를 주입하여 Zn가 도핑된 1 ∼ 50 ㎚ 두께의 n형 InGaN 제 2 활성층(240b)을 형성하는 공정을 반복 진행하여 pn구조를 갖는 활성층(240)을 형성한다. 상기 활성층(240)의 In 조성비는 성장온도의 조절 및 [TMIn 유량]/[TMGa 유량]의 혼합비율의 조절에 의하여 제어가 가능하고, 각각의 p 형 및 n형 도핑 영역층도 도핑가스의 유량을 변화시켜 불순물의 농도를 제어하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시 예에서는 상기 pnpn구조의 층을 Si을 2×10¹⁷∼5×10¹⁷/㎤ 정도로, Zn을 1×10¹⁷∼3×10¹⁷/㎤ 정도의 농도로 도핑하여 형성하였다.

상기에서 p형과 n형이 각각 도핑된 제 1 및 제 2 활성층(240a)(240b) 사이에 p형 및 n형 도핑시 발생하는 결함을 감소시켜 결정성을 향상시키기 위한 목적으로 도핑하지 않은 1 ∼ 30 ㎚ 두께의 GaN층이 추가로 삽입된 구조의 활성층을 형성할 수도 있다.

상기에서 n형 및 p형 클래딩층이 전자 및 정공을 활성층 내에 한정시키고 외부에서 운반자를 펌핑할 수 있는 구조를 형성하여 발광효율을 향상시키고 이득을 증가시키는 층구조를 형성하고, 상기 n형 및 p형 접촉층은 금속 접합시 접촉저항을 감소시키는 역할을 한다.

도 3은 이러한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자의 pn 다층구조를 갖는 활성층 에너지 밴드 구조이다.

GaN p형 및 n형 접촉층 사이에 밴드갭이 큰 AlGaN p형 및 n형 클래딩층을 형성하고, 상기 p형 및 n형 클래딩층 사이에 캐리어를 효과적으로 한정시키고 펌핑하여 큰 발광이득을 얻기 위한 구조로 형성되어 있다. 실제 발광이 되는 InGaN 활성층에는 pnpn구조에 의한 톱날모양의 국소화된 에너지 상태가 존재하고, 이 활성층에서는 이종접합구조에 기인한 InGaN 활성층에서의 전자와 정공의 재결합에 의한 청색파장의 고효율 고휘도의 발광을 구현할 수 있다.

즉, 활성층의 내부에 pnpn 구조를 형성한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 기존의 동일영역에 동시에 도우너와 억셉터를 도핑하는 발광소자에 비하여 발광소자 활성층 내부에서 전자와 정공의 운반자가 국소화 되어 발광효율을 극대화시켜 고효율, 고출력의 질화물 반도체 발광소자를 구현할 수 있는 구조이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 활성층에 불순물 층별 주입방법을 이용한 도우너와 억셉터 불순물을 순차적으로 도핑하여 상기 활성층의 내부에서 전자 및 정공이 국소적으로 한정되는 pnpn 다층 구조의 활성층을 형성하므로서, 질화물 반도체 발광소자의 발광결합 효율을 증가시킬 수 있다.

따라서, 동일한 인가전력의 조건하에서 보다 높은 휘도를 구현하는 소자를 제작할 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 기판 상에 n형 접촉층, n형 클래드층, 활성층, p형 클래드층 및 p형 접촉층이 순차적으로 형성되어 이루어지는 질화물 반도체 단파장 발광소자에 있어서,

   상기 활성층을 불순물 층별 주입방법을 도입하여 내부에 p형 및 n형 불순물층이 교대로 적층된 pnpn 다층구조를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 활성층 내의 n형 불순물층을 형성하기 위해 Si 또는 Sn으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 불순물을 도핑하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 활성층 내의 p형 불순물층을 형성하기 위해 Zn, Mg, Ca 또는 Be으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 불순물을 도핑하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 p형 및 n형 불순물층을 1 ∼ 50 ㎚ 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 pn 다층구조를 갖는 활성층 내부의 상기 p층과 n층의 사이에 불순물을 도핑하지 않은 GaN 층을 추가로 삽입하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 불순물을 도핑하지 않은 GaN층을 1 ∼ 30 ㎚ 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.