KR100714553B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 형 및 n형 질화물 클래드층과 상기 p형 및 n형 질화물 클래드층 사이에 형성되며, 적어도 하나의 양자장벽층과 양자우물층을 갖는 활성층을 포함한 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 활성층과 상기 p형 질화물 클래드층 사이에 형성되며, 상기 활성층 중 상기 p형 질화물 클래드층에 인접한 양자장벽층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는, 언도프되거나 n형 불순물로 도프된 Al_xGa_1-xN(0≤x<1)으로 이루어진 전자차단층을 포함하며, 상기 전자차단층의 Al 조성비(x)는 0.01이상 0.1이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

질화물 반도체 발광소자(nitride based semiconductor light emitting device), GaN(gallium nitride), 전자차단층(electron blocking layer: EBL)

Description

질화물 반도체 발광소자{NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도1은 종래의 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도2는 도1에 도시된 질화물 반도체 발광소자의 밴드다이어그램이다.

도3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도4는 도3에 도시된 질화물 반도체 발광소자의 밴드다이어그램이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

11,31: 사파이어 기판 12,32: 버퍼층

14,34: n형 클래드층 15,35: 활성층

17,37: p형 클래드층 17a: p형 AlGaN층

17b: p형 GaN층 36: 언도프 또는 n형 AlGaN층

18,38: n측 전극 19,39: p측 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 전자의 오버플로잉을 방지하는 전자차단층의 전기적 특성을 개선한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

최근에 질화물 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 생성하여 풀컬러 구현을 가능하게 한 고출력 광소자로서, 관련 기술분야에서 크게 각광을 받고 있다.

일반적으로 질화물 반도체 발광소자는 크게 n형 클래드층, 언도프된 활성층 및 p형 클래드층으로 이루어진다. 또한, 질화물 반도체 소자에 채용되는 p형 클래드층 구조는 전자가 활성층에서 재결합되지 않고 p형 클래드층측으로 오버플로잉되는 것을 방지하기 위해서 높은 에너지밴드갭을 갖는 p형 AlGaN 전자차단층을 채용한다. 이러한 질화물 반도체 발광소자의 일예가 도1에 도시되어 있다.

도1을 참조하면, 종래의 질화물계 반도체 발광소자(10)는, 상면에 버퍼층(12)이 형성된 사파이어 기판(11)과 그 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 클래드층(14), 활성층(15) 및 p형 클래드층(17)을 포함한다. 또한, 상기 발광소자(10)는 상기 n형 클래드층(14)과 상기 p형 클래드층(17)에 각각 접속된 n측 및 p측 전극(18,19)을 포함한다. 상기 활성층(15)은 GaN인 양자장벽층과 InGaN인 양자우물층을 복수회 교대로 적층한 다중양자우물구조일 수 있다.

각 전극(18,19)에 소정의 전류가 인가되면, n형 GaN 클래드층(14)으로부터 제공되는 전자와 p형 클래드층(17)으로부터 제공되는 정공이 다중양자우물구조의 활성층(15)에서 재결합됨으로써 녹색 또는 청색에 해당하는 단파장광을 방출할 수 있다.

또한, 도1에 도시된 바와 같이, p형 클래드층(17)은 상기 활성층(15) 상에 형성된 p형 AlGaN 전자차단층(electron blocking layer, EBL; 17a)과 그 위에 형성된 p형 GaN 콘택층(17b)을 포함한 구조일 수 있다.

이러한 적층구조는 도2에 도시된 에너지밴드다이어그램을 나타낸다. 즉, InGaN/GaN 활성층과 p형 GaN층 사이에 상대적으로 높은 에너지밴드갭을 갖는 p형 AlGaN 전자차단층을 가지므로, n형 GaN층으로부터 주입된 전자가 상기 활성층을 지나 p형 GaN층에 도달하여 정공주입효율을 저하시키는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, EBL(15b)을 포함한 p형 클래드층(15)은 오버플로잉으로 인해 소모되는 전자를 감소시킴으로써 발광소자(10)의 광효율을 증대시킬 수 있다.

하지만, p형 AlGaN 전자차단층(17a)과 같이 Al 조성비가 높은 p형 질화물층은 정공이동도(hole mobility)가 다른 질화물 반도체층에 비해 낮을 뿐만 아니라, 비교적 낮은 정공농도(약 1 ×10¹⁷/㎤)를 가지므로, 높은 저항을 갖는 문제가 있다. 결과적으로, p형 AlGaN 전자차단층은 전자의 오버플로잉방지로서 발광효율의 향상을 기여함에도 불구하고, 층 자체의 높은 저항으로 인해 오히려 발광효율을 감소시 키는 불이익한 영향을 제공한다.

본 발명은 상술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 전자차단층을 전자의 오버플로잉을 방지할 수 있는 동시에 낮은 비저항을 나타내는 물질로 형성함으로써 낮은 구동전압을 가질 수 있는 고효율 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은,

p형 및 n형 질화물 클래드층과 상기 p형 및 n형 질화물 클래드층 사이에 형성되며, 적어도 하나의 양자장벽층과 양자우물층을 갖는 활성층을 포함한 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 활성층과 상기 p형 질화물 클래드층 사이에 형성되며, 상기 활성층 중 상기 p형 질화물 클래드층에 인접한 양자장벽층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는, 언도프되거나 n형 불순물로 도프된 Al_xGa_1-xN(0≤x<1)으로 이루어진 전자차단층을 포함하며, 상기 전자차단층의 Al 조성비(x)는 0.01이상 0.1이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

이 경우, 충분히 낮은 비저항을 갖도록 Al 조성비(x)는 0.04 이하가 되는 것이 바람직하다. 또한, 보다 낮은 비저항을 얻기 위해서, 상기 전자차단층은 n형 불순물로 도프된 층인 것이 바람직하다, 이 경우에, 상기 전자차단층의 n형 불순물 농도는 약 2×10¹⁶ ∼ 약 5×10¹⁷/㎤ 범위인 것이 바람직하다.

이러한 조건을 통해 본 발명에 채용되는 전자차단층의 비저항은, 상대적으로 낮은 약 1Ωㆍ㎝이하 수준일 수 있다. 바람직하게는, 상기 전자차단층의 두께는 약 200Å ∼ 약 600Å인 것이 바람직하다.

본 발명의 구체적인 실시형태에서, 상기 p형에 인접한 양자장벽층은 GaN층일 수 있으며, 이 경우에, 상기 전자차단층은 상기 GaN층보다 큰 에너지밴드갭을 갖는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이며, 도4는 도3에 도시된 질화물 반도체 발광소자의 밴드다이어그램이다.

도3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자(30)는, 도1에 도시된 종래의 발광소자와 유사하게, 상면에 버퍼층(32)이 형성된 사파이어 기판(31)과 그 사파이어 기판(31) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 클래드층(34), 활성층(35) 및 p형 질화물 클래드층(37)을 포함한다. 또한, 상기 질화물 반도체 발광소자(30)는 상기 n형 클래드층(34)과 상기 p형 클래드층(37)에 각각 접속된 n측 및 p측 전극(38,39)을 포함한다.

상기 활성층(35)은 도4의 밴드다이어그램에 도시된 바와 같이, GaN인 양자장벽층과 InGaN인 양자우물층을 교대로 적층된 다중양자우물구조일 수 있다.

본 실시형태에 채용되는 전자차단층(36)은 상기 활성층(35)과 p형 클래드층(37) 사이에 형성되며, 언도프되거나 n형 불순물로 도프된 Al_xGa_{1 -x}N(0≤x<1)으로 이루어진다. 상기 전자차단층은 도4에 도시된 바와 같이, p형 클래드층에 가장 인접한 양자장벽층의 에너지밴드갭을 갖는다. 예를 들어, 본 실시형태와 같이, GaN 양자장벽층인 경우에는 상기 Al 조성비(x) 범위를 통해 충분히 큰 밴드갭을 가지며, 이로써 전자차단기능을 실현할 수 있다.

전자차단기능을 갖기 위해서, 상기 전자차단층(36)의 Al 조성비(x)는 0.01 이상을 갖는 것이 바람직하지만, Al 조성이 증가하면 질화물층 내에서의 정공이동도가 감소하고 저항이 증가하므로, Al 조성비(x)는 0.1을 초과하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 측면에서, Al 조성비(x)는 0.04 이하인 것이 보다 바람직하다.

본 발명에 채용되는 전자차단층(36)은 종래의 p형 질화물형태보다 상대적으로 낮은 비저항을 갖는 언도프 또는 n형 불순물로 도프된 질화물층으로 채용될 수 있으며, 바람직하게는 보다 높은 캐리어이동도를 보장할 수 있는 n형 질화물층을 사용하는 것이 바람직하다, 이 경우에, 상기 전자차단층(36)의 n형 불순물 농도는 약 2×10¹⁶ ∼ 약 5×10¹⁷/㎤ 범위인 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에서 제시하는 조건과 같이, n형 불순물로 도프하면서 적절한 Al 조성범위를 제한한 전자차단층은 종래의 p형 AlGaN 전자차단층의 비저항(약 10 Ωㆍ㎝)보다 훨씬 낮은 약 1Ωㆍ㎝이하까지 얻을 수 있다.

종래의 구성물질과 다르므로, 본 발명에 따른 전자차단층(36)의 두께(t)조건도 다소 달리한다. 즉, 상기 전자차단층(36)의 두께(t)는 약 200Å ∼ 약 600Å의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 전자차단층(36)의 두께(t)가 약 200Å미만인 경우에는 충분한 EBL기능을 얻기 어려우며, 600Å 초과하는 경우에는 상기 활성층(35)으로 주입되는 정공을 감소시키기 때문이다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 참조하여, 본 발명의 작용과 효과를 보다 상세히 설명한다.

( 실시예 )

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 특성향상을 확인하기 위해서, 도3에 도시된 구조와 같이 질화물 반도체 발광소자를 제조하였다.

우선, 사파이어기판 상에 버퍼층으로서 GaN 저온핵성장층을 형성한 후에, 1×10¹⁸/㎤의 불순물농도를 갖도록 n형 GaN클래드층을 형성하였다. 이어, 상기 n형 클래드층 상에 5개의 In_{0 .3}Ga_{0 .7}N 양자우물층과 5개의 GaN 양자장벽층을 각각 30Å, 60Å의 두께를 갖도록 교대로 적층함으로써 다중양자우물구조의 활성층을 형성하였다.

또한, 상기 활성층 상에는 본 발명의 조건에 따라 n형 불순물(Si)농도가 2×10¹⁷/㎤인 Al_{0 .02}Ga_{0 .98}N로 이루어진 전자차단층(EBL)을 300Å으로 형성하고, 이어 p형 GaN(p형 불순물(Mg)농도: 2.5×10¹⁷/㎤)으로 이루어진 p형 클래드층을 약 1000Å의 두께로 형성하였다.

최종적으로, p형 클래드층 상부에 Ni을 포함한 투명전극층을 형성한 후에, n형 클래드층 및 p형 클래드층 상면에 각각 n 및 p측 전극을 형성함으로써 질화물계 반도체 발광소자를 제조하였다.

( 비교예 )

본 비교예에서는, 앞선 실시예와 유사하게 질화물 반도체 발광소자를 제조하되, 종래(도1의 구조)와 동일하게 전자차단층을 p형 AlGaN층으로 형성하였다. 즉, 활성층을 형성한 후에, 상기 전자차단층으로는 p형 불순물(Mg)농도가 2 ×10¹⁷/㎤인 p형 Al_{0 .18}Ga_{0 .82}N을 약 200Å의 두께로 형성하였다.

상기 실시예 및 비교예에 각각 채용된 전자차단층의 비저항을 측정한 결과, 실시예에 채용된 n형 AlGaN 전자차단층은 약 0.08 Ωㆍ㎝로 낮은 비저항을 나타내는 반면에, 비교예에 채용된 p형 AlGaN 전자차단층은 10 Ωㆍ㎝으로 높은 비저항을 나타낸다.

이러한 전자차단층의 차이에 따른 질화물 반도체 발광소자의 전기적 특성을 관찰하기 위해서, 실시예과 비교예에 대한 순방향 전압특성(@ 300㎃)을 측정하였다. 그 결과, 비교예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 경우에는 약 3.4V로 나타난 반면에, 본 발명에 따른 n형 AlGaN 전자차단층을 채용한 실시예의 경우에는, 약 3.2V로 나타났다. 이를 통해서, 본 발명에 채용된 언도프 또는 n형 전자차단층에 의해 약 0.2V정도 저감되어 순방향전압특성이 약 6% 정도 향상된 것을 확인할 수 있었다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 종래의 p형 AlGaN 전자차단층을 적절한 밴드갭 조건과 두께를 갖도록 비저항이 낮은 언도프 또는 n형 AlGaN 전자차단층으로 대체함으로써, 전자차단기능을 유지하는 동시에 순방향 전압(구동전압)을 낮춤으로써 발광효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

1. p형 및 n형 질화물 클래드층과 상기 p형 및 n형 질화물 클래드층 사이에 형성되며, 적어도 하나의 양자장벽층과 양자우물층을 갖는 활성층을 포함한 질화물 반도체 발광소자에 있어서,

   상기 활성층과 상기 p형 클래드층 사이에 형성되며, 상기 활성층 중 상기 p형 질화물 클래드층에 인접한 양자장벽층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는, 언도프되거나 n형 불순물로 도프된 Al_xGa_1-xN(0≤x<1)으로 이루어진 전자차단층을 포함하며, 상기 전자차단층의 Al 조성비(x)는 0.01이상 0.1이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 전자차단층의 Al 조성비(x)는 0.04 이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전자차단층은 n형 불순물로 도프된 층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
5. 제4항에 있어서,

   상기 전자차단층의 n형 불순물 농도는 약 2×10¹⁶ ∼ 약 5×10¹⁷/㎤ 범위인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 전자차단층의 비저항은 약 1Ωㆍ㎝이하인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
7. 제1항에 있어서,

   상기 전자차단층의 두께는 약 200Å ∼ 약 600Å인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
8. 제1항에 있어서,

   상기 p형 질화물 클래드층에 인접한 양자장벽층은 GaN층이며, 상기 전자차단층은 상기 GaN층보다 큰 에너지밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.

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