KR100380536B1

KR100380536B1 - 터널접합 구조를 가지는 질화물반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100380536B1
Application number: KR20000053982A
Authority: KR
Inventors: 양계모; 전성란; 김기수
Original assignee: 주식회사 옵토웰
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2003-04-23
Also published as: KR20020021247A

Abstract

본 발명은, 기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며, 질화물반도체로 이루어지는 활성층과, 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체층 상에 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 n형 질화물반도체층이 적층된 터널접합층이 순차적으로 반복하여 적층된 구조를 갖는 발광부와; 상기 발광부 상에 형성되며 n형 질화물반도체층으로 이루어지는 상부오믹접촉층을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 터널접합층을 도입함으로써 상부오믹접촉층을 n+형 GaN로 만들 수 있게 되므로 전도성 및 전류퍼짐효과가 증가되어 소자의 발광효율이 증대되고, 구동전압이 낮아지게 된다. 특히, 터널접합층의 계면에 델타도핑층을 삽입함으로써 발광효율의 증가를 더 크게 할 수 있게 된다. 또한, 활성층을 복수개 형성시킬 수 있게 되므로, 서로 다른 파장의 광이 동시에 방출되도록 할 수 있으며, 백색광의 발광도 가능하게 된다. 그리고 활성층들이 모두 같은 파장의 빛을 방출할 경우에는 고휘도 및 고효율의 발광효과를 얻을 수 있다.

Description

터널접합 구조를 가지는 질화물반도체 발광소자{III-Nitride compound semiconductor light emitting device having a tunnel junction structure}

본 발명은 질화물반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 터널접합(tunnel junction) 구조를 가지는 질화물반도체 발광소자에 관한 것이다.

3-5족 화합물반도체 중 특히 질화물반도체를 이용하여 발광소자를 제조할 경우, 금속전극과 오믹접촉을 이루는 p형 GaN 오믹접촉층을 질좋게 형성시키기가 매우 어렵기 때문에 높은 접촉저항에 따른 소자의 높은 구동전압과 낮은 발광효율이 문제로 대두되고 있다.

소자의 구동전압을 낮추기 위해서는 p형 GaN 박막의 도핑증대를 통한 접촉저항의 감소 등에 관한 연구가 이루어져 왔으며, 발광효율을 증대시키기 위해서는 InGaN 양자우물의 활성층과 AlGaN 클래드층의 사용과 같은 구조적인 연구가 활발히 이루어져 왔다. 그러나, 전자의 경우, 도핑농도를 증가시키기 위하여 도펀트로 사용되는 Mg를 함유하는 소스원료의 공급유량을 증가시키면 GaN박막의 품질(quality)이 상당히 나빠지며 이에 의하여 표면 재결합(surface recombination) 문제가 대두된다. 따라서, p형 GaN박막 내의 도핑농도를 증가시키는 데는 한계가 있다. 그리고, 후자의 경우, 클래드층으로 사용되는 AlGaN 층에 대해 캐리어 가둠(confinement) 효율을 증대시키기 위하여 Al 조성비를 증가시키는 경우 박막의 깨짐(crack) 등이 발생하며, 이를 방지하기 위하여 Al조성비를 낮추고 두께를 증가시키는 경우에도 마찬가지로 깨짐 등이 발생한다. 이렇게 깨짐 등이 발생하게 되면 발광효율 및 재현성 등과 같은 소자의 특성이 나빠지게 된다.

이러한 문제들을 개선하기 위하여 많은 연구가 이루어져 왔으나 아직까지도 고농도 및 고품질의 p형 GaN박막 및 높은 Al 성분비를 가지는 고품질의 AlGaN 박막을 형성하는 데는 한계가 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고농도로 도핑된 얇은 p-n 터널접합층을 새로이 도입함으로써 낮은 구동전압과 높은 발광효율을 갖는 질화물반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.

또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 터널접합층의 도입으로 인하여 활성층을 복수개 형성시킬 수 있게 되어 하나의 소자에서 서로 다른 파장의 빛이 동시에 방출되도록 할 수 있음은 물론, 발광파장이 같은 활성층을 복수개 적층하여 고휘도 및 고효율의 발광효과를 갖는 질화물반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도;

도 2 및 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도;

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도; 및

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >

10: 기판 20: 버퍼층

30: n+형 하부오믹접촉층 40: 활성층

50: p-형 클래드층 60: p++형 GaN층

65: 델타도핑층 67: 터널접합층

70: n++형 GaN층 80: n-형 클래드층

90: n+형 상부오믹접촉층 91: p+형 상부오믹접촉층

95a, 95b: n형 오믹접촉 금속전극 95a': p형 오믹접촉 금속전극

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 예에 따른 질화물반도체 발광소자는, 기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며 질화물반도체로 이루어지는 활성층과; 상기 활성층 상에 형성되며 각각 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체층 및 n형 질화물반도체층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 터널접합층과; 상기 터널접합층 상에 형성되며 n형 질화물반도체층으로 이루어지는 상부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 및 상부오믹접촉층에 각각 오믹접촉되는 두 개의 n형 오믹접촉 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 활성층과 상기 터널접합층 사이에 게재되며 p형 질화물반도체로 이루어지는 p형 클래드층과, 상기 터널접합층과 상기 상부오믹접촉층 사이에 게재되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 n형 클래드층을 더 구비할 수도 있다. 그리고, 상기 터널접합층의 n형 질화물반도체층은 델타도핑방법으로 형성된 것일 수도 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제2 예에 따른 질화물반도체 발광소자는, 기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며, 질화물반도체로 이루어지는 활성층과, 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체층 상에 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 n형 질화물반도체층이 적층된 터널접합층이 순차적으로 반복하여 적층된 구조를 갖는 발광부와; 상기 발광부 상에 형성되며 n형 질화물반도체층으로 이루어지는 상부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 및 상부오믹접촉층에 각각 오믹접촉되는 두 개의 n형 오믹접촉 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 터널접합층과 인접하여 상기 터널접합층 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 n형 클래드층과, 상기 터널접합층과 인접하여 상기 터널접합층 아래에 형성되며 p형 질화물반도체로 이루어지는 p형 클래드층을 더 구비할 수도 있다. 경우에 따라서는, 상기 발광부와 상기 상부오믹접촉층 사이에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 n형 클래드층 만을 더 구비할 수도 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제3 예에 따른 질화물반도체 발광소자는, 기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체층으로 이루어지는 하부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며 각각 질화물반도체로 이루어지는 복수개의 활성층과; 상기 활성층 사이에 개재되며 각각 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체층 및 n형 질화물반도체층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 터널접합층과; 상기 활성층 중에 최상부에 위치하는 활성층 상에 형성되며 p형 질화물반도체로 이루어지는 상부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 및 상부오믹접촉층에 각각 오믹접촉되는 n형 오믹접촉 금속전극 및 p형 오믹접촉 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1 내지 제3 예에 따른 질화물반도체 발광소자는 상기 하부오믹접촉층과 상기 하부오믹접촉층 상에 형성되는 활성층 사이에 게재되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 n형 클래드층을 더 구비할 수도 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제4 예에 따른 질화물반도체 발광소자는, 기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며 각각 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 n형 질화물반도체층 및 p형 질화물반도체층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 터널접합층과; 상기 터널접합층 상에 형성되며 질화물반도체로 이루어지는 활성층과; 상기 활성층 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 상부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 및 상부오믹접촉층에 각각 오믹접촉되는 두 개의 n형 오믹접촉 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제5 예에 따른 질화물반도체 발광소자는, 기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며, 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 n형 질화물반도체층 상에 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체층이 적층된 터널접합층과, 질화물반도체로 이루어지는 활성층이 순차적으로 반복하여 적층된 구조를 갖는 발광부와; 상기 발광부 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 상부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 및 상부오믹접촉층에 각각 오믹접촉되는 두 개의 n형 오믹접촉 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제6 예에 따른 질화물반도체 발광소자는, 기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며 각각 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 n형 질화물반도체층 및 p형 질화물반도체층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 적어도 세개의 터널접합층과; 상기 터널접합층 사이에 각각 개재되며 질화물반도체로 이루어지는 활성층과; 상기 터널접합층 중에 최상부에 위치하는 터널접합층 상에 형성되며 p형 질화물반도체로 이루어지는 상부오믹접촉층과; 상기 하부오믹접촉층 및 상부오믹접촉층에 각각 오믹접촉되는 n형 오믹접촉 금속전극 및 p형 오믹접촉 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1 내지 제6 예에서, 상기 질화물반도체는 In_xAl_yGa_1-x-yN (여기서 0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤1, 그리고 x + y ≤1)으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 터널접합층의 p형 질화물반도체층 및 n형 질화물반도체층의 도핑농도는 각각 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3인 것이 바람직하며, 그 각각의 두께는 10~1000Å인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 제1 내지 제6 예에 따른 질화물반도체 발광소자는, 상기 터널접합층의 p형 질화물반도체층 및 n형 질화물반도체층 사이에 게재되는 델타도핑층을 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 때, 도펀트는 O, Ge, Sn 및 Si로 이루어진 n형 도펀트 군으로부터 선택된 어느 하나 이거나, Zn, Cd, Mg 및 Be 으로 이루어진p형 도펀트 군으로부터 선택된 어느 하나 일 수가 있다.

한편, 활성층이 복수개 형성될 경우에는 활성층 각각이 모두 동일한 파장의 빛을 방출할 수도 있으며, 활성층 중의 하나 또는 일부분이 나머지 활성층과 다른 파장의 빛을 방출할 수도 있다. 활성층이 서로 다른 파장의 빛을 방출할 경우에는 상대적으로 아래에 위치하는 활성층이 더 긴 파장의 광을 방출하도록 하는 것이 바람직하다. 예컨대, 하부에 위치하는 활성층은 노란색광을 방출하고, 상부에 위치하는 활성층은 청색광을 방출하도록 함으로써 전체적으로 백색광이 방출되도록 할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에 있어서, 동일한 참조번호는 동일 기능을 수행하는 구성요소를 나타내며, 반복적인 설명은 생략한다.

[실시예 1]

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기금속화학기상증착방법 (Metalorganic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)에 의하여 성장된 질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도이다. 여기서, p형에 붙은 윗 첨자 ++, +, -는 상대적인 도핑농도를 나타내며 ++, +, -로 갈수록 도핑농도가 더 낮은 것이다. n형인 경우에도 마찬가지이다.

도 1을 참조하면, 기판(10) 상에는 GaN으로 이루어진 버퍼층(20)이 형성된다. 기판(10)으로는 (0001)c면을 자신의 표면으로 가지는 사파이어(Al₂O₃)기판을 사용할 수도 있으며, 이 것 외에 SiC, GaAs, ZnO 또는 MgO로 만들어진 기판을 사용할 수도 있다. 버퍼층(20)은 560℃의 온도와 300torr의 압력에서 250~300Å의 두께로 형성하며, 이 때 사용되는 TMGa, 수소 및 암모니아의 공급유량은 각각 70 μmol/min, 5.5 ℓ/min 및 4 ℓ/min 이었다. 수소는 운반기체로써 사용된 것이며, 이하에서는 그 사용의 예를 생략하여 설명한다. 그리고, 본 실시예에서는 버퍼층(20)을 GaN로 형성하였지만 AlN, AlGaN 또는 InGaN를 버퍼층(20)으로 사용하여도 무방하다.

버퍼층(20) 상에는 Si가 도핑된 GaN로 이루어진 n+형 하부오믹접촉층(30)이 형성된다. 버퍼층(20)은 n+형 하부오믹접촉층(30)과 기판(10) 사이의 격자상수 및 열팽창계수 등의 차이에 의해 n+형 하부오믹접촉층(30) 및 그 위에 형성된 층들에게 미세균열이 생기는 것을 완충시켜주는 역할을 한다. n+형 하부오믹접촉층(30)은 버퍼층(20)을 형성한 후에 기판(10)의 온도를 1130℃로 상승시켜 3㎛의 두께로 형성하며, 이 때 사용되는 TMGa, 암모니아 및 SiH₄의 유량은 각각 150μmol/min, 4 ℓ/min 및 3.57 nmol/min 이었다.

n+형 하부오믹접촉층(30) 상에는 370~600nm 의 파장을 갖는 광을 방출할 수 있는 활성층(40)이 형성된다. 상기 활성층(40)은 750℃에서 형성하며, 이 때 사용되는 TMGa의 유량은 3.74μmol/min이다. 활성층(40)은 InGaN＼GaN로 이루어진 이중접합구조를 갖거나, GaN＼InGaN＼GaN로 이루어진 단일양자우물구조를 갖거나, 또는GaN＼InGaN＼GaN＼....＼GaN＼InGaN＼GaN로 이루어진 다중양자우물구조를 갖을 수 있다. 본 실시예에서는 80~85Å 두께의 GaN층과 15~20Å 두께의 InGaN층이 6주기만큼 번갈아 적층된 다중양자우물구조의 활성층(40)을 형성하였으나, 경우에 따라서는 2~20 주기로 형성하여도 무방하다. 여기서, GaN층은 장벽층의 역할을 하며, InGaN층은 우물층의 역할을 한다.

활성층(40) 상에는 Mg가 도핑된 GaN로 이루어진 p-형 클래드층(50)이 형성된다. p-형 클래드층(50)은 약 1130℃의 온도에서 형성되며, 이 때 사용되는 TMGa, 암모니아 및 Cp₂Mg 의 공급유량은 각각 112 μmol/min, 4 ℓ/min 및 1.07μmol/mim 이었다. p-형 클래드층(50)은 10~10000Å의 두께를 갖을 수 있으며, 본 실시예에서는 1500Å 두께로 형성시켰다. p-형 클래드층(50)은 상기와 같이 GaN 외에 Al_xGa_1-xN으로 형성하여도 무방하다. 단, 여기서 x는 0 ≤x ≤0.5이다.

p-형 클래드층(50) 상에는 터널접합층(67)이 형성된다. 터널접합층(67)은 p++형 GaN층(60) 및 n++형 GaN층(70)이 순차적으로 적층되고 그 사이에 델타도핑층(65)이 게재된 구조를 갖는다.

p++형 GaN층(60)은 p-형 클래드층(50)을 성장시킨 후 약간의 성장멈춤시간을 가진 다음에 TMGa, 암모니아 및 Cp₂Mg를 112 μmol/min, 4ℓ/min 및 2.14μmol/mim의 유속으로 각각 공급하여 Mg의 도핑농도가 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3가 되도록 형성한다. 이 때의 p++형 GaN층(60)은 10~1000Å의 두께를 갖을 수 있으며, 본 실시예에서는 약 150Å의 두께를 갖도록 형성하였다. 그리고, p-형 클래드층(50)을 성장시킨 후의 성장멈춤시간은 5~60초 범위이면 되고, 본 실시예에서는 약 20초 동안 성장멈춤시간을 가졌다.

델타도핑층(65)은 p++형 GaN층(60)을 성장시킨 후 약간의 성장멈춤시간을 가진 다음에 60초 동안 암모니아를 4.0ℓ/mol의 유속으로, 그리고 SiH₄를 50.22 nmol/min의 유속으로 흘려주어 Si이 1 ×10¹¹~ 1 ×10¹⁴cm^-2의 면도핑농도로 델타도핑된 GaN층을 형성함으로써 구현된다. 이 때의 p++형 GaN층(60)을 성장시킨 후의 성장멈춤시간은 1~300초 범위이면 되고, 본 실시예에서는 60초 동안 성장멈춤시간을 가졌다. 그리고, Si 델타도핑 시간은 10~300초 범위 내라면 조절이 가능하다.

본 실시예에서는 Si을 사용하여 델타도핑한 것만을 예로 들었지만, Si 외에 O, Ge 또는 Sn과 같은 n형 도펀트를 델타도핑할 수도 있으며, Zn, Cd, Mg 또는 Be와 같은 p형 도펀트를 델타도핑할 수도 있다. 또한, 경우에 따라서는 델타도핑층(65)은 Mg가 델타도핑되어 형성되는 Mg 델타도핑층과 Si이 델타도핑되어 형성되는 Si 델타도핑층이 순차적으로 적층된 구조를 갖을 수도 있다.

n++형 GaN층(70)은 Si 델타도핑층(65)을 형성한 다음에, TMGa, 암모니아 및 SiH₄를 112 μmol/min, 4 ℓ/min 및 50.22nmol/mim 의 유속으로 각각 공급하여 Si의 도핑농도가 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3가 되도록 하여 형성한다. 이 때의 n++형 GaN층(70)은 10~1000Å의 두께를 갖을 수 있으며, 본 실시예에서는 약 150Å의 두께를 갖도록 형성하였다.

한편, 본 실시예에서는 터널접합층(67)이 p++형 GaN층(60) 및 n++형 GaN층(70)이 순차적으로 적층되고 그 사이에 델타도핑층(65)이 게재된 구조를 갖는 경우만을 예로 들었지만, n++형 GaN층(70)이 없이 p++형 GaN층(60) 상에 n++형 델타도핑층 만을 형성함으로써도 구현될 수 있다.

터널접합층(67) 상에는 약 500Å 두께의 n-형 클래드층(80)이 형성된다. 여기서, n-형 클래드층(80)은 Si이 도핑된 GaN로 이루어지며, TMGa, 암모니아 및 SiH₄를 112 μmol/min, 4 ℓ/min, 및 1.72nmol/mim의 유속으로 각각 공급함으로써 형성하였다. n-형 클래드층(80)의 두께는 10~10000Å 범위 내라면 조절이 가능하다.

n-형 클래드층(80) 상에는 Si가 도핑된 GaN로 이루어진 약 1500Å 두께의 n+형 상부오믹접촉층(90)이 형성된다. 이 때, 사용되는 TMGa, 암모니아 및 SiH₄의 공급유량은 각각 112μmol/min, 4 ℓ/min 및 3.74 nmol/min 이었다. n+형 상부오믹접촉층(90)의 두께는 100~5000Å 범위 내라면 조절이 가능하다.

n+형 상부오믹접촉층(90) 및 n+형 하부오믹접촉층(30)은 두 개의 n형 오믹접촉 금속전극(95a, 95b)과 각각 오믹접촉된다.

도 1의 구조는 종래와 달리 터널접합층(67)을 더 구비하기 때문에 이로 인해서 p+형 상부오믹접촉층이 아닌 n+형 상부오믹접촉층(90)을 사용할 수 있게 된다. 따라서, n형 오믹접촉 금속전극(95a)과의 오믹접촉특성이 좋으며 이로 인해 소자의 구동전압이 낮아지게 된다.

도 1의 질화물반도체 발광소자의 발광원리를 간단히 설명하면 다음과 같다.n형 오믹접촉 금속전극(95a, 95b)을 통하여 터널접합층(67)에 역방향 바이어스가 인가되면, p++형 GaN층(60)의 가전자대(valence band)에 있던 전자가 n++형 GaN층(70)으로 터널링하게 된다. 따라서, p++형 GaN층(60)에는 전자가 빈자리 즉, 정공(hole)이 생기게 되고, 이 정공은 역방향 바이어스에 의해서 p-형 클래드층(50)을 거쳐 활성층(40)으로 주입되게 된다. 이렇게 활성층(40)으로 주입된 정공은 n+형 하부오믹접촉층(30)을 통하여 활성층(40)으로 공급되는 전자와 재결합하게 되어 활성층(40)에서 광이 방출되게 된다.

한편, 도시되지는 않았지만, n+형 하부오믹접촉층(30)과 활성층(40) 사이에 n-형 클래드층을 더 형성할 수도 있다. 그러나, 이러한 n-형 클래드층과, 버퍼층(20), p-형 클래드층(50) 및 n-형 클래드층(80)은 반드시 있어야 하는 것은 아니며, 이들 층이 없더라도 본 발명의 구현에는 영향을 미치지 않는다.

[실시예 2]

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도이다. 도 1에서는 활성층(40), p-형 클래드층(50), 터널접합층(67) 및 n-형 클래드층(80)이 발광부를 구성하지만, 도 2에서는 이들이 순차적으로 반복하여 적층된 구조가 발광부를 구성한다는 것이 차이점이다.

도 2에서는 2회 반복하여 적층된 구조가 도시되었다. 즉 발광부는 제1활성층(40'), 제1 p-형 클래드층(50'), 제1터널접합층(67'), 제1 n-형 클래드층(80'), 제2활성층(40"), 제2 p-형 클래드층(50"), 제2터널접합층(67"), 및제2 n-형 클래드층(80")이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.

여기서, 제1활성층(40')과 제2활성층(40")은 서로 다른 파장의 광을 방출할 수도 있으며, 같은 파장의 광을 방출할 수도 있다. 제1활성층(40')과 제2활성층(40")이 서로 다른 파장의 광을 방출할 경우에는 위쪽에 있는 제2활성층(40")보다 아래쪽에 있는 제1활성층(40')에서 더 긴 파장의 빛이 방출되도록 함으로써 제1활성층(40')에서 발광되는 빛이 제2활성층(40")을 통과할 때 흡수를 최소로 하여 서로 다른 파장의 빛이 모두 발광될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 특히, 제1활성층(40')에서 노란색광이 방출되고 제2활성층(40")에서 청색광이 방출되는 경우에는 전체적으로 백색광이 출력된다.

제1활성층(40') 및 제2활성층(40")이 동일한 파장의 광을 방출할 경우에는 빛이 이중으로 나오기 때문에 발광효율이 증가하게 된다. 이러한 발광효율의 증대는 공핍층의 영역이 작고 장벽높이가 낮아서 터널링이 쉽게 발생하도록 제1터널접합층(67') 및 제2 터널접합층(67") 각각의 계면을 급준하게 (abruptly) 형성할수록 더 커진다. 이는 터널접합층(67', 67")의 계면이 급준할수록 활성층(40', 40")에서 발생하는 빛이 터널접합층(67', 67")에서 더 작게 손실되기 때문이다. 이러한 발광효율의 증대는 델타도핑층(65', 65")의 존재에 의해 더욱 크게 나타난다.

이렇게 활성층의 수를 2개 이상으로 형성할 경우에는 단일 전력의 입력으로 2가지 이상의 색을 조합시킬 수도 있으며, 또한 단일 전력의 입력으로 단일파장을 갖는 고휘도 발광을 얻을 수 있는 장점이 있다. 종래와 같은 구조로는 이렇게 복수개의 활성층을 갖는 발광소자를 구현하기가 불가능하다.

한편, 도 2의 경우에도 도 1의 경우와 마찬가지로, 버퍼층(20), 제1 p-형 클래드층(50'), 제1 n-형 클래드층(80'), 제2 p-형 클래드층(50"), 및 제2 n-형 클래드층(80")이 없더라도 본 발명의 구현에는 영향을 미치지 않는다. 이러한 층이 없는 경우가 도 3에 도시되었으며, 도 3은 활성층과 터널접합층이 3회 반복된 경우를 나타낸 것이다.

[실시예 3]

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도로서, 복수개의 활성층 사이에 p형 GaN층 및 n형 GaN층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 터널접합층이 게재되어 설치되는 것이 특징이다. 그리고, 상기의 다른 실시예들과 달리 n형 오믹접촉 금속전극(95a) 대신에 p형 오믹접촉 금속전극(95a')이 사용된다는 것이 또 다른 특징이다.

도 4에서는 활성층이 두 개인 경우가 도시되었다. 즉, 발광부는 제1활성층(40'), p-형 클래드층(50), 터널접합층(67), 및 제2활성층(40")이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 여기서, p-형 클래드층(50)이 없더라도 본 발명의 구현에는 영향을 미치지 않는다.

그러나, 실시예 1 및 2의 경우와 달리 제2활성층(40") 상에 n+형 상부오믹접촉층 대신에 p+형 상부오믹접촉층(91)이 형성되어야 하기 때문에 오믹접촉특성은 향상이 되지 않는다. 그러나, 종래와 달리 터널접합층(67)을 도입함으로써 활성층을 복수개 형성시킬 수 있기 때문에 실시예 2에서 상술한 바와 같이 단일 전력의 입력으로 2가지 이상의 색을 조합시킬 수도 있으며, 또한 단일 전력의 입력으로 단일파장을 갖는 고휘도 발광을 얻을 수 있는 장점이 있다.

[실시예 4]

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도이다. 도 1과 근본적으로 동일하며 도 1과의 차이점은 활성층(40)이 터널접합층(67) 상부에 위치한다는 것이다. 또 다른 차이점은, 터널접합층(67)이 n++형 GaN층(70)과 p++형 GaN(60)이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 그 사이에 델타도핑층(65)이 게재된다는 것이다.

도 5에서는 하나의 활성층(40)에 의해 구현되는 질화물반도체 발광소자를 도시하였지만, 실시예 2와 실시예 3에서 상술한 바와같이 복수개의 활성층에 의해 구현되는 발광소자를 제조할 수도 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 질화물반도체 발광소자에 의하면, 터널접합층을 도입함으로써 상부오믹접촉층을 n+형 GaN로 만들 수 있게 된다. 따라서, 상부오믹접촉층이 p+형 GaN로 형성된 경우보다 금속전극과의 오믹접촉특성이 좋아지게 된다. 즉, 상부오믹접촉층으로 n+형 GaN층을 사용함으로써 전도성 및 전류퍼짐효과를 증가시켜 소자의 발광효율이 증대되고, 구동전압이 낮아지게 된다.

또한, 본 발명에 의하면 터널접합층의 도입으로 인하여 활성층을 복수개 형성시킬 수 있게 된다. 따라서, 활성층들이 서로 다른 파장의 광을 방출할 경우에는 하나의 구동전압을 사용하여 서로 다른 파장의 광을 동시에 방출할 수 있게 되고,백색광의 발광도 가능하게 된다. 그리고, 활성층들이 모두 같은 파장의 광을 방출할 경우에는 하나의 구동전압에 의해서도 고휘도의 발광효과를 얻을 수 있다. 발광효율의 증대는 델타도핑층의 존재에 의해 더욱 크게 나타난다.

본 발명은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims

질화물반도체로 이루어지며 빛을 방출하는 활성층과, 각각 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체와 n형 질화물반도체의 접합에 의해 형성되는 터널접합층을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부오믹접촉층과;

상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며 질화물반도체로 이루어지는 활성층과;

상기 활성층 상에 형성되며 각각 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체층 및 n형 질화물반도체층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 터널접합층과;

상기 터널접합층 상에 형성되며 n형 질화물반도체층으로 이루어지는 상부오믹접촉층과;

상기 하부오믹접촉층 및 상부오믹접촉층에 각각 오믹접촉되는 두 개의 n형 오믹접촉 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부오믹접촉층과;

상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며, 질화물반도체로 이루어지는 활성층과,1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체층 상에 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 n형 질화물반도체층이 적층된 터널접합층이 순차적으로 반복하여 적층된 구조를 갖는 발광부와;

상기 발광부 상에 형성되며 n형 질화물반도체층으로 이루어지는 상부오믹접촉층과;

상기 하부오믹접촉층 및 상부오믹접촉층에 각각 오믹접촉되는 두 개의 n형 오믹접촉 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체층으로 이루어지는 하부오믹접촉층과;

상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며 각각 질화물반도체로 이루어지는 복수개의 활성층과;

상기 활성층 사이에 개재되며 각각 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체층 및 n형 질화물반도체층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 터널접합층과;

상기 활성층 중에 최상부에 위치하는 활성층 상에 형성되며 p형 질화물반도체로 이루어지는 상부오믹접촉층과;

상기 하부오믹접촉층 및 상부오믹접촉층에 각각 오믹접촉되는 n형 오믹접촉 금속전극 및 p형 오믹접촉 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부오믹접촉층과;

상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며 각각 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 n형 질화물반도체층 및 p형 질화물반도체층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 터널접합층과;

상기 터널접합층 상에 형성되며 질화물반도체로 이루어지는 활성층과;

상기 활성층 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 상부오믹접촉층과;

상기 하부오믹접촉층 및 상부오믹접촉층에 각각 오믹접촉되는 두 개의 n형 오믹접촉 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부오믹접촉층과;

상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며, 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 n형 질화물반도체층 상에 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 p형 질화물반도체층이 적층된 터널접합층과, 질화물반도체로 이루어지는 활성층이 순차적으로 반복하여 적층된 구조를 갖는 발광부와;

상기 발광부 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 상부오믹접촉층과;

상기 하부오믹접촉층 및 상부오믹접촉층에 각각 오믹접촉되는 두 개의 n형오믹접촉 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
기판 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 하부오믹접촉층과;

상기 하부오믹접촉층 상에 형성되며 각각 1 ×10¹⁸~ 1 ×10²¹cm^-3의 농도로 도펀트가 도핑된 n형 질화물반도체층 및 p형 질화물반도체층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 적어도 세개의 터널접합층과;

상기 터널접합층 사이에 각각 개재되며 질화물반도체로 이루어지는 활성층과;

상기 터널접합층 중에 최상부에 위치하는 터널접합층 상에 형성되며 p형 질화물반도체로 이루어지는 상부오믹접촉층과;

상기 하부오믹접촉층 및 상부오믹접촉층에 각각 오믹접촉되는 n형 오믹접촉 금속전극 및 p형 오믹접촉 금속전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제2항에 있어서, 상기 활성층과 상기 터널접합층 사이에 게재되며 p형 질화물반도체로 이루어지는 p형 클래드층과, 상기 터널접합층과 상기 상부오믹접촉층 사이에 게재되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 n형 클래드층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 터널접합층과 인접하여 상기 터널접합층 상에 형성되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 n형 클래드층과, 상기 터널접합층과 인접하여 상기 터널접합층 아래에 형성되며 p형 질화물반도체로 이루어지는 p형 클래드층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제2항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 하부오믹접촉층과 상기 하부오믹접촉층 상에 형성되는 활성층 사이에 게재되며 n형 질화물반도체로 이루어지는 n형 클래드층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 터널접합층의 n형 질화물반도체층이 델타도핑방법에 의해 형성되는 n형 델타도핑층인 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 질화물반도체가 In_xAl_yGa_1-x-yN인 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자, 여기서, 0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤1, 그리고 x + y ≤1 임.
제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 터널접합층의 p형 질화물반도체층 및 n형 질화물반도체층의 두께가 각각 10~1000Å인 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 터널접합층의 p형 질화물반도체층 및 n형 질화물반도체층 사이에 게재되는 델타도핑층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제14항에 있어서, 상기 델타도핑층이 O, Ge, Sn 및 Si로 이루어진 n형 도펀트 군으로부터 선택된 어느 하나가 델타도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제14항에 있어서, 상기 델타도핑층이 Zn, Cd, Mg 및 Be 으로 이루어진 p형 도펀트 군으로부터 선택된 어느 하나가 델타도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제14항에 있어서, 상기 델타도핑층이 1 ×10¹¹~ 1 ×10¹⁴cm^-2의 면도핑농도로 Si이 델타도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제2항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 터널접합층의 p형 질화물반도체층 및 n형 질화물반도체층 사이에 게재되며, Mg가 델타도핑되어 형성되는 Mg 델타도핑층과 Si이 델타도핑되어 형성되는 Si 델타도핑층이 순차적으로 적층되어 이루어지는 델타도핑층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제5항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 터널접합층의 n형 질화물반도체층 및 p형 질화물반도체층 사이에 게재되며, Si이 델타도핑되어 형성되는 Si 델타도핑층과 Mg가 델타도핑되어 형성되는 Mg 델타도핑층이 순차적으로 적층되어 이루어지는 델타도핑층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제3항, 제4항, 제6항, 또는 제7항에 있어서, 상기 활성층 각각이 모두 동일한 파장의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제3항, 제4항, 제6항, 또는 제7항에 있어서, 상기 활성층 중의 적어도 하나가 나머지와는 다른 파장의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.
제3항, 제4항, 제6항, 또는 제7항에 있어서, 상기 활성층들에서 방출되는 빛이 서로 조합되어 전체적으로 백색광을 출력하는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광소자.