KR100676060B1 - 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, P타입 반도체층과 P전극 사이에 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층이 포함된 다층으로 이루어진 컨택 구조물을 형성함으로써, P타입 반도체층과 P전극 사이의 베리어 높이를 낮출 수 있어, 전류 주입이 용이하고 컨택 저항(Contact resistance)을 감소시켜 소자를 저전력으로 구동시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.
컨택층, 에너지, 밴드갭, 전류

Description

발광 다이오드 { Light emitting diode }
도 1은 일반적인 발광 다이오드의 단면도
도 2는 도 1의 발광 다이오드의 에너지 밴드 다이어그램
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 단면도
도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 에너지 밴드 다이어그램
도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 컨택 구조물을 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 110 : N타입 반도체층
120 : 활성층 130 : P타입 반도체층
150 : P전극 160 : N전극
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 P타입 반도체층과 P전극 사이에 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층이 포함된 다층으로 이루어진 컨택 구조물을 형성함으로써, P타입 반도체층과 P전극 사이의 베리어 높이를 낮출 수 있어, 전류 주입이 용이하고 컨택 저항(Contact resistance)을 감소시켜 소자를 저전력으로 구동시킬 수 있는 발광 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로, 질화갈륨(GaN)의 에피(Epi) 성장 기술과 프로세스의 비약적 발전으로 인해 높은 광출력을 가진 발광 다이오드는 현재 많은 관심을 받고 있다.
발광 다이오드는 높은 휘도와 신뢰도, 저 전력 소모, 그리고 장수명과 같은 많은 이점을 가지고 있다고 알려져 있다.
특히, 저전력 소모를 위한 다양한 방식의 발광 다이오드 구현이 이루어지고 있다.
도 1은 일반적인 발광 다이오드의 단면도로서, 사파이어 기판(10) 상부에 N-GaN층(20), 활성층(30)과 P-GaN층(40)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 P-GaN층(40)에서 N-GaN층(20)까지 메사(Mesa)식각되어 있고; 상기 메사 식각된 N-GaN층(20) 상부에 N전극(60)이 형성되어 있고; 상기 P-GaN층(40) 상부에 P전극(50)이 형성되어 있다.
도 2는 도 1의 발광 다이오드의 에너지 밴드 다이어그램으로서, P-GaN층에 P-전극이 컨택되면, 배리어(Barrier)가 높아 P전극에서 정공이 P-GaN층으로 원활하게 주입되기 어렵다.
즉, 일반적인 발광 다이오드에서는 P-GaN층 상부에 P-전극이 형성되는데, P-전극과 P-GaN층은 컨택 저항이 높아서, 전력 소모가 큰 단점이 있다.
이렇게, P타입 반도체층과 P전극 사이에 형성되는 오믹 컨택(Ohmic contact)으로 배리어 높이(Barrier height)가 결정되고, 이에 따라 컨택 저항(Contact resistance)이 결정되고, 이 컨택 저항은 소자의 전력 소모와 관련되어 진다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, P타입 반도체층과 P전극 사이에 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층이 포함된 다층으로 이루어진 컨택 구조물을 형성함으로써, P타입 반도체층과 P전극 사이의 베리어 높이를 낮출 수 있어, 전류 주입이 용이하고 컨택 저항(Contact resistance)을 감소시켜 소자를 저전력으로 구동시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 기판 상부에 N타입 반도체층, 활성층과 P타입 반도체층이 순차적으로 형성되어 있고;
상기 P타입 반도체층에서 N타입 반도체층까지 메사(Mesa)식각되어 있고;
상기 메사 식각된 P타입 반도체층 상부에 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층이 포함된 다층으로 이루어진 컨택 구조물이 형성되어 있고;
상기 컨택 구조물 상부에 P전극이 형성되어 있고;
상기 메사 식각된 N타입 반도체층 상부에 N전극이 형성되어 이루어지는 발광 다이오드가 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 단면도로서, 기판(100) 상부에 N타입 반도체층(110), 활성층(120)과 P타입 반도체층(130)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 P타입 반도체층(130)에서 N타입 반도체층(110)까지 메사(Mesa)식각되어 있고; 상기 메사 식각된 P타입 반도체층(130) 상부에 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층이 포함된 다층으로 이루어진 컨택 구조물(140)이 형성되어 있고, 상기 컨택 구조물(140) 상부에 P전극(150)이 형성되어 있고, 상기 메사 식각된 N타입 반도체층(110) 상부에 N전극(160)이 형성되어 구성된다.
여기서, 상기 컨택 구조물(140)은 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층 및 상기 P타입 반도체층이 교대로 적층된 구조를 포함하고 있는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 P전극과 P타입 반도체층에 접촉되는 컨택 구조물(140)은 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층인 것이 바람직하다.
이렇게 구성된 본 발명의 발광 다이오드는 P전극과 P타입 반도체층 사이에 컨택 구조물이 형성되어 있어 컨택 저항(Contact resistance)를 줄여 전력 소모를 감소할 수 있는 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 에너지 밴드 다이어그램으로서, 본 발명에서는 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층 및 상기 P타입 반도체층이 교대로 적층되어 이루어진 컨택 구조물을 P전극과 P타입 반도체층 사이에 개재시켜 컨택 베리어를 낮춤으로써, P전극에서 P타입 반도체층으로 전류 주입을 원활하게 할 수 있는 것이다.
여기서, 상기 반도체층이 GaN층이면, 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층은 P타입 InxGa(1-x)N층이 바람직하다.
여기서, 상기 P타입 InxGa(1-x)N층은 X가 '0'인 경우 P-GaN층이 되고, X값이 점차 증가할수록 에너지 밴드갭은 감소한다.
즉, X가 '1'인 InN은 에너지 밴드 갭이 1.9eV이고, P-GaN층의 에너지 밴드 갭은 3.5eV이므로, P타입 InxGa(1-x)N은 1.9eV보다 크고, 3.5eV보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는다.
그러므로, 상기 P-GaN층 상부에, 상기 P-GaN층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층으로 P타입 InxGa(1-x)N층을 형성하고, 그 상부에 P-GaN층을 형성하는 공정을 적어도 둘 이상 수행하고, 다시 P타입 InxGa(1-x)N층을 적층하여 컨택 구 조물을 형성하고, 그 컨택 구조물 상부에 P전극을 형성하면, 도 4에 도시된 바와 같은 에너지 밴드 다이어그램을 얻을 수 있게된다.
이 때, 상기 P전극과 P타입 InxGa(1-x)N층 컨택되므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 베이어 높이(h2)는 종래 기술인 도 2의 베리어 높이(h1)보다 낮아지게 된다.
그러므로, P-전극으로부터 주입되는 정공이 원활하게 P-GaN으로 이동할 수 있게된다.
그리고, 상기 컨택 구조물은, P타입 InxGa(1-x)N층, P-GaN층, P타입 InxGa (1-x)N층, P-GaN층, ...,P타입 InxGa(1-x)N층, P-GaN층과 P타입 InxGa(1-x) N층으로 적층되므로, 컨택 구조물의 에너지 밴드는 P전극과 P-GaN층 사이에 미세한 기어(Gear)형상을 가지며 전체적으로는 완만한 경사로 형성된다.
전술된 상기 P타입 InxGa(1-x)N층의 X값은, 0〈 X〈 1인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 P타입 InxGa(1-x)N층의 P타입 도펀트(Dopant)로는 Mg 또는 Zn 등이 사용된다.
이와 같이, 본 발명은 P타입 반도체층과 P전극 사이에 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층이 포함된 다층으로 이루어진 컨택 구조물을 형성하여, 캐리어의 이동을 원활하게 함으로써, 소자의 전력 소모를 줄일 수 있게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 컨택 구조물을 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도로서, P타입 반도체층(130)과 P전극(150) 사이에 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층이 포함된 다층으로 이루어진 컨택 구조물(140)이 형성되어 있다.
이 컨택 구조물(140)은 상기 P타입 반도체층(130)이 P-GaN층이고, 상기 P-GaN층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층은 P타입 InxGa(1-x)N층이다.
그러므로, 상기 컨택 구조물(140)은 도 5와 같이, P-GaN층 상부에 P타입 InxGa(1-x)N층(141), P-GaN층(142), P타입 InxGa(1-x)N층(143), P-GaN층(144), P타입 InxGa(1-x)N층(145), P-GaN층(146), P타입 InxGa(1-x)N층(147)으로 적층하여 구성하고, 최상위층인 P타입 InxGa(1-x)N층(147) 상부에 P전극(150)을 형성하는 것이다.
이와 같이, 상기 P전극과 P타입 반도체층에 접촉되는 컨택 구조물(140)은 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 InxGa(1-x)N층이다.
그리고, 상기 컨택 구조물(140) 각각의 층은 P전극에서 P타입 반도체층으로 가까워질수록 두께가 얇은 것이 바람직하다.
이 때, 상기 컨택 구조물(140) 각각의 층의 두께 'T'는 0〈 T〈 50㎚를 만족하면, 캐리어들의 양자 계단(Quantum stair)가 제공된다.
또한, 상기 컨택 구조물(140) 각각의 층 중, 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층은 P전극에서 P타입 반도체층으로 가까워질 수록 에너지 밴드갭이 큰 것이 바람직하다.
즉, 상기 반도체층이 GaN이고, 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층이 P타입 InxGa(1-x)N층인 경우, P타입 InxGa(1-x) N층은 P전극에서 P-GaN층으로 가까워질수록 X값이 감소되도록 구성한다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 P타입 반도체층과 P전극 사이에 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층이 포함된 다층으로 이루어진 컨택 구조물을 형성함으로써, P타입 반도체층과 P전극 사이의 베리어 높이를 낮출 수 있어, 전류 주입이 용이하고 컨택 저항(Contact resistance)을 감소시켜 소자를 저전력으로 구동시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (8)

  1. 기판 상부에 N타입 반도체층, 활성층과 P타입 반도체층이 순차적으로 형성되어 있고;
    상기 P타입 반도체층에서 N타입 반도체층까지 메사(Mesa)식각되어 있고;
    상기 메사 식각된 P타입 반도체층 상부에 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층이 포함된 다층으로 이루어진 컨택 구조물이 형성되어 있고;
    상기 컨택 구조물 상부에 P전극이 형성되어 있고;
    상기 메사 식각된 N타입 반도체층 상부에 N전극이 형성되어 이루어지며,
    상기 컨택 구조물은, 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층 및 상기 P타입 반도체층이 교대로 적층된 구조를 포함하고 있고,
    상기 컨택 구조물 각각의 층 중, 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층들은, P전극에서 P타입 반도체층으로 가까워질수록 에너지 밴드갭이 큰 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 P전극과 P타입 반도체층에 접촉되는 컨택 구조물은,
    상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 컨택 구조물 각각의 층은,
    P전극에서 P타입 반도체층으로 가까워질수록 두께가 얇은 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 컨택 구조물 각각의 층 두께 'T'는 0〈 T〈 50㎚를 만족하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  6. 삭제
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 반도체층이 GaN층이면, 상기 P타입 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 P타입 반도체 물질층은 P타입 InxGa(1-x)N층인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 P타입 InxGa(1-x)N층은,
    상기 P전극에서 P-GaN층으로 가까워질수록 X값이 감소하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
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