KR100357118B1 - 질화물 발광소자 - Google Patents

Abstract

청색 및 녹색 파장의 대역을 갖는 고출력 질화물 발광소자에 관한 것으로서, 반도체 기판에 제 1도전형 클래딩층, 활성층, 제 2도전형 클래딩층이 형성되고, 제 1도전형 클래딩층, 제 2도전형 클래딩층 중 적어도 어느 한 클래딩층 내에 빔확산층이 삽입되어 구성된다. 이러한 구성으로 질화물 발광소자를 구성하면, 레이저 빔의 포커싱(focusing) 효율을 높일 수 있고, 빔 크기를 크게 하여 소자 신뢰성을 확보할 수 있으며, 고출력의 레이저를 구현할 수 있다.

Description

질화물 발광소자 {Nitride Light Emitting Device}

본 발명은 화합물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 청색 및 녹색 파장의 대역을 갖는 질화물 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 광소자 및 전자소자는 지금까지 많은 개발이 되어 왔다. 실제로 자외선 또는 가시광선 영역의 발광 다이오드/레이저 다이오드는 각종 전자 제품류, 자동차 계기판 등의 전자 표시판과 같은 여러분야에 응용되고 있으며 앞으로도 그 사용 용도가 더욱 넓혀질 것이다.

질화물 반도체는 그들의 조성에 따라 약 1.95∼6.0eV의 에너지 밴드갭(E_g)을 가질 수 있어서 발광 다이오드 및 레이저 다이오드와 같은 반도체 발광소자의 재료로서 주목받아 왔다. 최근에는 이러한 질화물 반도체 재료를 이용하여 고휘도의 청색 발광 다이오드, 녹색 발광 다이오드가 실제로 사용되고 있다.

이러한 발광 다이오드는 p-n접합을 가지는 이중 헤테로 구조를 가지는데, 일반적인 발광 다이오드 구조는 기본적으로 n형 AlGaN층과 p형 AlGaN 사이에 InGaN 활성층이 형성되어 있는 이중 헤테로 구조를 가진다.

그리고, 레이저 다이오드와 발광 다이오드는 유사한 구조를 가지지만, 일반적으로 레이저 다이오드는 광과 캐리어가 각각 제한되는 분리제한 구조를 가진다. 즉 InGaN 활성층은 도 1에 도시된 바와 같이 n형 GaN 광가이드층(Wave Guide Layer)과 p형 GaN 광가이드층 사이에 형성되어 있고 그 주변에는 n형 (Al)GaN 캐리어 제한층과 p형 (Al)GaN 캐리어 제한층이 존재한다.

그러나, 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 질화물 발광소자에는 다음과 같은 문제점이 있다.

우선, 소자에 전류를 주입해서 레이저 빔(laser beam)을 방출시키면, 방출되는 레이저 빔은 상하 방향의 빔 폭(beam size)이 좌우 방향의 빔 폭보다 작은 타원 형태가 된다. 즉, 레이저 빔이 타원 형태로 방출 되기 때문에 포커싱(focusing)하기가 어렵다. 그리고, 방출되는 레이저 빔의 크기가 작아서 소자 벽개에서의 단위 면적 당 레이저 밀도가 높아져서 소자의 신뢰성이 저하되고, 고출력 발광소자를 구현하기 어렵다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 방출되는 빔의 크기를 원형에 가깝도록 대칭화하여 소자의 신뢰성 및 출력을 높일 수 있는 질화물 발광소자를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화물 발광소자를 보여주는 구조 단면도와 에너지 밴드갭.

도 2는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 질화물 발광소자를 보여주는 구조 단면도와 에너지 밴드갭.

도 3은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 질화물 발광소자를 보여주는 구조 단면도와 에너지 밴드갭.

도 4는 본 발명의 제 3실시 예에 따른 질화물 발광소자를 보여주는 구조 단면도와 에너지 밴드갭.

본 발명에 따른 질화물 발광소자는 반도체 기판 상에 제 1도전형 클래딩층(cladding layer), 활성층, 제 2도전형 클래딩층을 포함하는데, 제 1도전형 클래딩층, 제 2도전형 클래딩층 중 적어도 어느 한 클래딩층 내에 빔확산층이 삽입되어 구성된다.

여기서, 빔확산층은 단일층이거나 다수 개의 조성비가 다른 얇은 층들이 교대로 적층된 구조이고, 빔확산층의 에너지 밴드갭은 활성층의 에너지 밴드갭보다 크고, 클래딩층의 에너지 밴드갭보다는 작다.

활성층 주위에서 활성층 내로 전류 및 광을 제한하기 위한 빔확산층을 도입함으로서, 레이저 빔을 원형에 가깝도록 하고, 포커싱 효율을 높일 수 있다. 그리하여, 소자 신뢰성을 확보하고, 고출력화 레이저를 구현할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 질화물 발광 소자 제조 방법의 바람직한 실시 예에 대하여첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2, 도 3, 도 4는 본 발명 제 1, 제 2, 제 3 실시 예에 따른 질화물 발광소자의 구조 단면도와 각 층에 따른 에너지 밴드갭을 보여주는 도면이다.

본 발명 제 1실시 예의 구조는 도 2에 도시된 바와 같이, 기판 위로 완충층(buffer layer), n형 질화갈륨 콘텍트층(GaN contact layer), 균열방지층, n형 제 2클레딩층, n형 빔확산층, n형 제 1클레딩층, n형 광가이드층, 활성층(단일 양자 우물 구조(SQW) 또는 다중 양자 우물 구조(MQW)), p형 광가이드층, p형 제1 클레딩층, p형 빔확산층, p형 제 2클레딩층, p형 질화갈륨 콘텍트층, 전류제한층으로 구성된다.

전류를 가하기 위한 전극 형성은 음전극은 n형 질화갈륨 콘텍트층의 노출면 위에 접촉하고, 양전극은 p형 질화갈륨 콘텍트층위에, 일부 노출된 전류제한층 위에 형성한다.

그리고, 기판은 사파이어, ZnS, ZnO, GaAs 및 질화갈륨을 포함하여 질화물 반도체를 성장시키기에 적합한 일반적인 재료로 제조된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 질화물 발광 소자의 동작 및 구조를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

발광소자를 동작시키기 위해서는 소자 전극에 전류를 주입해야 하고, 이 주입된 전류-정공, 전자가 각각 n, p층에 흘러 들어가서 활성층에서 정공, 전자가 재결합을 하게 되어 빛이 발생하게 된다.

종래의 구조에서는 전자, 정공의 재결합으로 활성층에서 생성된 빛이 클래딩층보다 굴절율이 큰 활성층으로 광이 제한되므로, 활성층을 기준으로 아래 위 방향으로는 광이 제한되었다. 그 결과 소자 벽개면에서 레이저 빔을 보면 좌우 방향으로는 1∼10㎛정도이지만, 아래 위 방향으로는 1㎛이하의 빔 폭을 가지게 된다.

그러나, 본 발명은 활성층에서 발생한 빛을 클래딩층에서 모두 반사시키지 못하도록 설계한 것이다.

즉, 활성층 주위에서 활성층 내로 전류 및 광을 제한하기 위한 클래딩층 사이에 활성층의 에너지 밴드갭보다 크고, 클래딩층의 에너지 밴드갭보다 작은 빔확산층을 삽입함으로서, 활성층에서 발생한 빛을 클래딩층을 투과하여 빔확산층으로 까지 빛이 나올 수 있도록 한다.

결국, 상하 방향으로의 빔 폭을 크게 하는 효과가 나타나게 된다. 이런 효과가 나타나기 위해서는 각 층의 조성비 및 두께를 잘 조절해야 하다.

제 1클레딩층, 빔확산층, 제 2클레딩층의 조성비는 Al_xGa_yIn_1-x-yN(여기서, 0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)로 할 수 있다. 제 1클래딩층, 제 2클래딩층은 기본적으로 서로 같은 조성비를 가지는 것을 원칙으로 한다.

각 층의 두께를 보면, 제 1클래딩층, 제 2클래딩층은 10Å∼5000Å의 두께를 가지며, 특히 제 1클래딩층은 활성층에서 발생한 빛이 활성층 내로만 반사되는 두께보다 얇은 두께로 한다. 빔확산층을 단일 층으로 할 경우에 그 두께는 100Å∼3000Å의 두께를 가진다.

위와 같이, 빔확산층은 단일 층으로 할 수도 있고, 얇은 층을 교대로 적층할수도 있다. 얇은 층을 교대로 적층하는 경우에는, 언도프드(undoped) Al_xGa_yIn₁-x-yN / 도프드(doped) Al_xGa_yIn₁-x-yN이거나, 도프드 Al_xGa_yIn₁-x-yN / 도프드 Al_xGa_yIn₁-x-yN (여기서, 0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)으로 구성된다. 물론 두 번째의 경우는 서로 다른 조성비를 가지는 것이다. 각각의 빔확산층의 두께는 10Å∼200Å으로 한다.

빔확산층의 단일 층 및 적층의 경우에는 각 층의 불순물로는 p 타입의 경우는 Mg, Zn, Cd, Be, Ca, Sr, Ba의 2족 원소를 사용하고, n 타입의 경우에는 Si, Ge 등으로 도핑(doping)할 수 있으며, 불순물 농도는 10¹⁷∼10²¹/㎤으로 한다.

도 2에서, 제 1클래딩층과 활성층 사이와 제 2클래딩층과 활성층 사이에 형성된 광가이드층의 에너지 밴드갭은 활성층보다 같거나 크고, 클래딩층의 에너지 밴드갭보다 작다.

n-사이드를 종래의 구조로 하는 경우에는 균열방지층, n형 클래딩층이 생략될 수도 있다. 또한 p-사이드를 종래의 구조로 하는 경우에는 p형 클래딩층이 생략될 수도 있다.

본 발명 제 2실시 예에 따른 질화물 발광소자는 위에서 언급한 제 1실시 예와 같은 원리로 동작한다. 그러나, 제 1실시 예와 다른 점은 도 3에 도시된 바와 같이, 전술한 도 2와 비교하여 광가이드층이 배리어 가이드층(Barrier Guide Layer)이라는 구조라는 것이다.

제 1클래딩층과 활성층 사이, 제 2클래딩층과 활성층 사이에 형성된 배리어가이드층은 양자 우물 구조 활성층에서 p-사이드(p-side) 및 n-사이드(n-side)에 가장 가까운 배리어층의 두께를 10Å∼3000Å로 늘려서 마치 기존의 광가이드층의 역할을 할 수 있게 하는 것으로, 재질은 활성층의 배리어의 재질과 같다.

이렇게 두꺼운 배리어 가이드층을 형성하게 되면, 별도의 광가이드층을 형성할 필요가 없고, 기존의 활성층과 광가이드층 사이의 성분이 다른 물질을 성장함으로서 발생하는 표면 결함을 최소화 할 수 있다. 따라서 결정질 향상을 도모할 수 있게 된다.

본 발명 제 3실시 예에 따른 질화물 발광소자는 위에서 언급한 제 1실시 예와 같은 원리로 동작한다. 그러나, 제 1실시 예와 다른 점은 도 4에 도시된 바와 같이, 전술한 도 2와 도 3과 비교하여 광가이드층이나 배리어 가이드층이 없이 구성된 구조라는 것이다.

도 1, 2, 3, 4에 해당하는 기본 구조는 n, p 사이드에 위치할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 화합물 반도체중, 특히 질화물 발광소자는 빔확산층을 클래딩층 사이에 삽입해서, 상하 방향 빔 폭을 크게 하여 활성층에서 발광되는 레이저 빔을 원형에 가깝도록 한다. 이로 인해, 레이저 빔의 포커싱 효율을 높일 수 있는 효과가 있다. 또한, 빔 크기를 크게 하여 소자 신뢰성을 확보할 수 있고, 고출력의 레이저를 구현할 수 있다.

또 다른 효과로는 제 2실시 예에서와 같이 배리어 가이드층을 형성함으로서, 표면 결함에 의한 결정질 저하를 줄일 수 있는 점이 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (9)

1. 기판 상에 제 1도전형 클래딩층, 활성층, 제 2도전형 클래딩층을 포함하는 질화물 발광소자에 있어서, 상기 제 1도전형 클래딩층, 상기 제 2도전형 클래딩층 중 적어도 어느 한 클래딩층 내에 빔확산층이 삽입되는 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 빔확산층의 에너지 밴드갭은 활성층의 에너지 밴드갭보다 크고, 상기 클래딩층의 에너지 밴드갭보다 작은 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 빔확산층은 단일층이거나 다수 개의 조성비가 다른 얇은 층들이 교대로 적층된 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자.
4. 제 3항에 있어서, 상기 단일층 두께는 약 100Å∼3000Å이고, 상기 교대로 적층된 층의 두께는 약 10Å∼200Å인 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자.
5. 제 3항에 있어서, 상기 교대로 적층된 층은 언도프드 Al_xGa_yIn₁-x-yN/도프드 Al_xGa_yIn₁-x-yN, 도프드 Al_xGa_yIn₁-x-yN/도프드 Al_xGa_yIn₁-x-yN (여기서, 0<x<1,0<y<1, 0<x+y<1)중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자.
6. 제 3항에 있어서, 상기 교대로 적층된 층들 중 홀수 층과 짝수 층은 에너지 밴드갭이 서로 다른 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자.
7. 제 1항에 있어서, 상기 제 1도전형 클래딩층과 활성층 사이, 상기 제 2도전형 클래딩층과 활성층 사이 중 적어도 어느 한 곳에 광가이드층 또는 배리어 가이드 층이 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자.
8. 제 7항에 있어서, 상기 광가이드층의 에너지 밴드갭은 상기 활성층의 에너지 밴드갭보다 같거나 크고, 상기 클래딩층의 에너지 밴드갭보다 작은 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자.
9. 제 1항에 있어서, 상기 기판과 제 1도전형 클래딩층 사이에는 완충층, 제 1도전형 콘텍트층, 균열방지층이 순차적으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자.