KR100495824B1

KR100495824B1 - 반도체 엘이디 소자

Info

Publication number: KR100495824B1
Application number: KR10-2002-0070550A
Authority: KR
Inventors: 유태경
Original assignee: 삼성전기주식회사; 에피밸리 주식회사
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2005-06-16
Also published as: KR20040042311A

Abstract

본 발명은 GaN를 기본으로 하는 Ⅲ족 - N 화합물 반도체 LED 소자에 관한 것으로서, 기존 LED 소자의 상층을 구성하는 p-GaN층 위에 활성층보다 큰 밴드갭을 가지는 고전자 농도의 n⁺⁺형 III 족 - N 화합물 반도체층이나 그 물질로 이루어진 초격자 구조(superlattice)층을 성장하고, 선택적으로 활성층보다 밴드갭이 큰 III족 - N 화합물 반도체층을 재성장시켜서 요철을 가지는 n+-p-n형 LED 소자를 형성하여, LED 소자 상층부로 탈출하는 빛의 임계각을 조절하여 외부양자효율을 최대화하고, 요철이 형성되지 않은 영역에만 전류 확산용 투명전극을 사용하여 투명전극에 의한 외부양자효율의 감소를 최소화 한다.

Description

반도체 엘이디 소자{Semiconductor LED device}

본 발명은 반도체 엘이디(light emitting diode; 이하 LED라 칭함) 소자에 관한 것으로서, 특히 GaN를 기본으로 하는 III족 - N 계열 LED 소자에 있어서 기존의 LED 소자의 상층을 구성하는 p-GaN층 위에 활성층보다 큰 밴드갭을 가지는, 고전자 농도의 n⁺⁺- III족 - N 계열 화합물 반도체층이나 그 물질로 이루어진 초격자구조(superlattice)를 형성하고, 그 상부에 선택적으로 활성층보다 밴드갭이 큰 III족 - N 계열 화합물 반도체층을 재성장시켜서 LED 소자의 상측에 요철을 형성하여, LED 소자 상층부로 입시되는 빛의 임계각을 조절하여 외부양자효율을 최대화하고, 투명전극 면적을 감소시켜 투명전극에 의한 빛의 손실을 최소화한 n⁺ - p - n 형 반도체 LED 소자에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 LED 소자의 단면도로서, 일반적인 III족 - N 계열 LED 소자의 예이다.

먼저, 절연성 투광 재질의 기판(10) 상에 버퍼층(12), n-GaN층(14), GaN(또는 InGaN) 활성층(16), p-GaN층(18) 및 전면 투명전극(20)이 순차적으로 적층되어 있으며, 상기 투명전극(20)의 일측 상부에는 금속재질의 p형 전극(22)이 형성되어 있고, 상기 기판(10) 타측의 투명전극(20)과 p-GaN층(18), GaN 활성층(16) 및 n-GaN층(14)의 일부 두께가 제거되고 노출된 n-GaN층(14)의 상부에 금속재질의 n형 전극(24)이 형성되어 있다.

상기와 같은 일반적인 화합물 반도체 광소자의 원리는 p형 금속전극을 통해 들어오는 정공과 n형 금속전극을 통해 들어오는 전자가 단층 또는 다층의 활성층에서 결합하여 활성층 물질 조성의 밴드갭(bandgap)에 해당하는 빛을 방출하는 구조이다. 이렇게 활성층에서 방출된 빛은 활성층의 윗면과 아랫면으로 대부분 방출되게 되는데, Ⅲ족 - N 계열 LED 소자의 경우 활성층의 상층부는 투명전극을, 하층부는 기판이 빛에 대하여 투명하기 때문에 이러한 동작이 가능하다.

일반적으로 LED 소자의 출력과 파장등 중요한 특성은 활성층에서 결정되며 그만큼 활성층의 결정질 구조 조성이 매우 중요하게 된다.

도 1에서 보이듯이 기존의 LED 소자에서의 주요한 특징으로는 p-GaN층의 두께가 얇으며, 고농도 도핑이 어려워 p-GaN층의 저항이 매우 높기 때문에, 전류 확산을 용이하게 하기 위해서 Ni/Au 등과 같은 다양한 종류의 투명 오믹 전극을 채용하고 있다. 이러한 투명전극은 일반적으로 수 nm에서 수십 nm 두께를 가지는데 두께를 늘리면 p-GaN층의 횡 방향 직렬 저항이 줄어드나, 투명전극의 광투과율이 낮아져서 상측으로 방출되는 빛이 줄어들게 되어 외부양자효율이 감소하게 된다. 투명전극의 투과율은 두께 및 공정의 영향으로 보통 60 ~ 80% 정도를 가진다. 이 경우 상측으로 방출되어야 할 빛의 20% ~ 40%는 방출되지 못하여 광효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

도 2는 GaN층에서의 광 탈출 임계각을 설명하기 위한 개략도로서, 이를 참조하여 LED 소자의 광 방출 원리를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, LED 소자의 광효율은 내부양자효율과 외부양자효율로 나누어지며 내부양자효율은 활성층의 설계나 품질에 따라서 결정되며, 외부양자효율은 활성층에서 발생된 빛이 LED 소자의 외부로 나오는 정도에 따라서 결정된다.

따라서 일정한 굴절율을 가진 GaN 물질이나 기판으로 사용되는 사파이어의 경우 굴절율이 1인 공기중으로 빛이 나오기 위해서는 임계각을 넘어야 한다. 도 2에서와 같이 굴절율(n1, n2)이 서로 다른 두물질, GaN과 공기 또는 수지 사이에서 각 물질의 굴절율에 따른 굴절각을 보인다. 즉 광이 내부로 반사되기 시작하는 광 탈출각 θ2 = 90도인 임계각은 sin^-1(n_low/n_high)로 표시되고, GaN에서 LED 소자의 상측 공기중으로 빛이 진행할 때 임계각은 약 23.6도가 된다.

그 이상의 각도로 경계면에 입사되는 빛은 LED 칩의 내부로 반사되어 칩 내부에 가두어져, 에피층이나 기판에 흡수되어 소멸되므로 칩의 광효율에 기여하지 못하므로 외부양자효율은 급격히 떨어지게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 투명전극의 두께에 의한 투명도 저하와 광탈출 임계각에 의한 외부양자효율 감소를 방지하여 활성층에서 발생된 빛을 효과적으로 외부로 방사시켜 광방출 효율이 높고, 구동전압이 낮은 반도체 LED 소자를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 LED 소자의 특징은, 반도체 LED 소자에 있어서, 투광기판과, 상기 투광기판 상에 순차적으로 형성되어 있는 버퍼층 및 n-GaN층과, 상기 n-GaN층의 일측 상부에 순차적으로 형성되어 있는 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 활성층 및 p-GaN층과, 상기 p-GaN층 상에 형성되어 있는 고전자 농도 n-Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층 또는 그 물질들로 이루어진 초격자구조층과, 상기 고전자 농도 n-Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층 또는 그 물질들로 이루어진 초격자구조층 상의 일부에 형성되어 있는 투명전극과, 상기 투명전극이 형성되지 않은 상기 고전자 농도 n-Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층 또는 그 물질들로 이루어진 초격자구조층 상에 LED 소자의 표면에 요철을 형성하며, 밴드갭이 활성층보다 크고, LED 소자 상부로 탈출하는 빛의 임계각을 조절하여 외부양자효율을 증가시키는, 재성장된 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층과, 상기 투명전극의 일측 상부에 형성되어 있는 p형 금속전극과, 상기 n-GaN층 상에 형성되어 있는 n형 금속전극을 구비함에 있다.

또한 본 발명은 다른 특징은, 상기 재성장된 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층이 1.0 ~ 10,000 nm의 두께로 형성되거나, 상기 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층과 그 물질들로 이루어진 초격자구조층이 10¹⁷~ 10²³/cm³ 의 도핑농도를 갖는 것에 있다.

이하, 본 발명에 따른 반도체 LED 소자를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 LED 소자의 단면도로서, 기존의 p-n형 구조와는 달리 n⁺-p-n 다이오드 구조의 GaN계 반도체 광소자이다.

먼저, 알루미나, 사파이어 또는 석영 등의 투광 절연 재질의 기판(30) 상부에 버퍼층(32)과 n-GaN층(34)이 순차적으로 형성되어 있으며, 상기 n-GaN층(34)의 일측 상부에는 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 물질로 된 활성층(36), p-GaN층(38), 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조층이 순차적으로 성장되어 있다. 상기 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조층의 n형 불순물 도핑 농도는 10¹⁷/cm³ < n < 10²³/cm³정도의 고농도이며, 상기 활성층(36)의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 가진다. 따라서, 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조층은 고전자 농도 n-Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조층이라 하여도 좋다.

또한 상기 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)의 일부분 상에 투명전극(42)이 형성되어 있으며, 나머지 부분상에는 일정한 두께의 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(44)이 성장되어 있어 LED 소자의 상부에 요철이 형성되고, 상기 투명전극(42)의 일측 상부에는 p형 금속전극(46)이 형성되어 있으며, 상기 n-GaN층(34) 상에는 n형 금속전극(48)이 형성되어 있다.

상기와 같은 구조의 LED 소자는 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조(Superlattice)층의 일부 상에 투명전극(42)이 형성되므로, 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조(Superlattice)층에 비해 저항이 상대적으로 큰 p-GaN층(38) 상에 투명전극이 형성되는 것보다는 작은 면적으로도 그 이상의 전류확산이득을 가질 수 있어 외부양자효율을 증가시킨다.

또한 재성장된 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(44)은 1.0∼10000nm 정도의 두께로서 밴드갭이 활성층보다 크게 형성되며, 공기나 수지와의 경계에서 일어나는 임계각 조건을 변화시켜 보다 높은 외부양자효율을 얻을 수 있다. 여기서 재성장된 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(44)의 경사각을 30-60도 정도로 형성하여 표면에 요철이 지도록하면 외부양자효율이 증가된다.

상기에서 각층들은 금속유기 화학기상증착(MOCVD)이나 기상에피(VPE) 또는 분자빔에피(MBE) 등의 다양한 방법으로 성장될 수 있으며, 요철을 갖는 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층 형성 공정은 일차로 p-GaN층(38) 상에 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조(Superlattice)층을 형성하고, 그 상부에 산화규소나 질화규소막을 형성하고 이를 선택적으로 사진식각하여 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조(Superlattice)층을 노출시키고 노출된 부분 상에 선택 성장 공정을 진행하여 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층을 형성한 후 다시 남아있는 산화규소나 질화규소막을 제거한 후, 노출되는 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조(Superlattice)층 상에 투명전극(42)을 형성하면 된다.

도 4는 도 3에서의 재성장된 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(44) 부분을 확대한 부분 확대도이며, 도 5는 도 4에서의 B-B 선에 따른 단면 부분의 에너지 밴드 다이어그램으로서, LED 소자 내부의 활성층에서 일정한 입사각을 가지고 입사된 광(50)이 경계면에서 내부로 반사되지 않고, 외부로 굴절되어 방사되므로, 빛의 광 탈출 유효각도를 증가시켜 외부양자효율이 개선된다는 것을 보여준다.

도 5는 도 4에 도시된 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40; 예를 들어, 고전자 농도 InGaN으로 구성됨)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조(Superlattice)층과 투명전극(42) 그리고 p형 GaN층(38)이 구성하는 터널 접합의 원리를 설명하고 있다. 즉, 투명전극(42)에 (+)전압을 공급할 경우 홀(hole)이 터널 현상에 의해 p형 GaN층(38)으로 진행하게 된다. 따라서 금속과의 접촉 저항이 감소되고, 홀의 터널링이 원활하여 같은 전류를 공급하기 위한 전압을 낮출수 있다.

또한 투명전극(42)은 60 ~ 80% 정도의 투명도를 가지므로, 투명전극(42)의 면적을 최소화하여 여기서 반사되는 광(52)을 감소시킬 수 있고, 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조(Superlattice)층의 일부 상에 투명도가 크고, 빛의 광 탈출 유효각도를 증가시킬 수 있는 재성장된 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층에 의해 광경로가 변경되어 외부양자효율이 개선된다.

즉 본 발명의 AlGaInN계 반도체 LED 소자는 p형 GaN층 상에 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조(Superlattice)층을 성장시켜, 역전압이 가해진 낮은 저항률을 가지는 n⁺-p 터널링 접촉을 이용하게 되므로, 낮은 동작 전압 동작을 가능케 하고, 전면에 투명전극을 형성하지 않고, 부분적으로 형성하여도 고르게 전류를 확산시킬 수 있어, 투명전극에 의한 외부양자효율의 감소를 줄일 수 있다. 또한, 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조(Superlattice)층 상에 추가의 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층을 재성장시켜서 요철을 형성하여, LED 소자 상부로 탈출하는 빛의 임계각을 조절하여 외부양자효율을 최대화한 n⁺ - p - n 형 LED 구조다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 AlInGaN계 반도체 LED 소자는 n⁺ - p - n 접합 다이오드 구조로서, 기존 반도체 LED 소자의 맨 위층인 p형 GaN층 상측에 고전자 농도 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층(40)이나 그 물질들로 이루어진 초격자구조(Superlattice)층을 형성하고, 그 상부에 밴드갭이 활성층보다 큰 재성장된 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층과 투명전극을 형성하여 LED 소자 표면에 요철이 지도록 하였으므로, 투명전극의 면적을 최소화하여 투명전극에 의한 빛의 손실을 줄이고, 터널링 현상에 의해 n- 금속전극에서 n 층을 통해서 p-GaN층으로 홀(hole)이 터널링하여 공급되도록 하여 p-GaN층에 직접 오옴 접촉을 형성하는 것에 비해 낮은 동작 전압으로 구동되게 하여 소모 전력을 줄일 수 있고, 선택적 재성장을 통해서 형성된 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 구성된 요철은 빛의 탈출 임계각을 변형시켜 활성층에서 LED 소자의 상부로 방출되는 빛의 양을 극대화하여 외부양자효율을 획기적으로 개선할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 일반적인 GaN계 반도체 광 소자의 구조를 도시한 단면도.

도 2는 GaN층에서 빛의 탈출 임계각을 설명하는 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 AlGaInN 반도체 LED 소자의 단면도.

도 4는 도 3에서의 재성장된 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층 부분을 확대한 부분 확대도.

도 5는 도 4에서의 B-B 선에 따른 단면 부분의 에너지 밴드 다이어그램.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10, 30 : 기판 12, 32 : 버퍼층

14, 34 : n형 GaN층 16, 36 : 활성층

18, 38 : p형 GaN층 20, 42 : 투명전극

22, 46 : p형 전극 24, 48 : n형 전극

40 : n형 In_xGa_1-xN 층 44 : AlInGaN층

Claims

반도체 엘이디 소자에 있어서,

투광기판과,

상기 투광기판 상에 순차적으로 형성되어 있는 버퍼층 및 n-GaN층과,

상기 n-GaN층의 일측 상부에 순차적으로 형성되어 있는 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 활성층 및 p-GaN층과,

상기 p-GaN층 상에 형성되어 있는 고전자 농도 n-Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층 또는 그 물질들로 이루어진 초격자구조층과,

상기 고전자 농도 n-Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층 또는 그 물질들로 이루어진 초격자구조층 상의 일부에 형성되어 있는 투명전극과,

상기 투명전극이 형성되지 않은 상기 고전자 농도 n-Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층 또는 그 물질들로 이루어진 초격자구조층 상에 LED 소자의 표면에 요철을 형성하며, 밴드갭이 활성층보다 크고, LED 소자 상부로 탈출하는 빛의 임계각을 조절하여 외부양자효율을 증가시키는, 재성장된 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층과,

상기 투명전극의 일측 상부에 형성되어 있는 p형 금속전극과,

상기 n-GaN층 상에 형성되어 있는 n형 금속전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 엘이디 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 재성장된 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층은 1.0 ~ 10,000 nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 엘이디 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 고전자 농도 n-Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층 또는 그 물질들로 이루어진 초격자구조층은 10¹⁷~ 10²³/cm³ 의 도핑농도로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 엘이디 소자.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 p-GaN층 상측에 있는 상기 고전자 농도 n-Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층 또는 그 물질들로 이루어진 초격자구조층을 성장하여 터널링 접합을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 엘이디 소자.