KR100809228B1

KR100809228B1 - 질화물 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100809228B1
Application number: KR20060114674A
Authority: KR
Inventors: 강상원; 김동준; 한상헌; 심현욱
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2008-03-05

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이며, 본 발명은, p형 및 n형 질화물 반도체층과 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 하나 이상의 양자우물층 및 하나 이상의 양자장벽층이 서로 교대로 적층 된 구조를 갖는 활성층을 포함하며, 상기 n형 질화물 반도체층은, 상기 활성층 방향으로 갈수록 n형 불순물 농도가 점차 감소하는 복수의 그레이딩(grading)막이 적층된 전류분산층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다. 본 발명에 따르면, 높은 발광효율을 얻을 수 있는 동시에 동작 전압이 낮으며, 별도의 소자를 구비할 필요없이 ESD 내성이 높은 질화물 반도체 발광소자를 얻을 수 있다.

질화물, 발광소자, 전자분산층, 정전기, ESD(Electrostatic Discharge)

Description

질화물 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도1은 본 발명의 일 측면에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.

도2는 도1에서 A로 표시한 부분의 n형 불순물 농도를 도시한 것이다.

도3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 질화물 반도체 발광소자에서 전류분산층 주변의 전류흐름을 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

11: 사파이어 기판 12a: n형 클래드층

12b: n형 컨택층 13: 전류분산층

14: 그레이딩막 15: 활성층

16: p형 질화물 반도체층 17: n측 전극

18: p측 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 높은 발광효율을 얻을 수 있는 동시에 동작 전압이 낮고 정전기 방전(Electrostatic Discharge; ESD) 내성이 높은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

최근, GaN 등의 III족 질화물 반도체는 우수한 물리적, 화학적 특성 및 가시광 전체영역뿐만 아니라 자외선 영역에 이르는 넓은 범위의 빛을 발할 수 있다는 특성으로 인해, 발광다이오드(LED) 또는 레이저다이오드(LD) 형태의 가시광 및 자외선 LED와 청록색 광소자를 제조하는 물질로 각광을 받고 있다.

이러한 질화물 반도체를 사용한 LED를 조명용이나 디스플레이용으로 활용하기 위해서는 광출력을 더 향상시키고 동작전압(Vf)을 더 낮추어 발열량을 줄이고 소자의 신뢰성과 수명을 더 개선할 필요가 있다. 또한, LD 소자에서도 광픽업 또는 DVD 등의 안정적인 광원으로 실용화되기 위해서는 LD 소자에 대한 더 많은 개량이 필요하며, 동작 전압의 감소에 의한 소자 수명의 연장이 필요하다.

동작 전압의 문제와 더불어, LED 또는 LD 소자의 취급 또는 사용시 사람이나 기계에 의해 발생 되는 ESD(정전기 방전) 현상이 문제되고 있으며, ESD로 인한 발광소자의 파손을 억제하기 위해, 최근 발광소자의 ESD 내성을 향상시키고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다.

예를 들어, LED 또는 LD 등의 발광소자를 별도의 제너(Zener) 다이오드와 병렬 연결하여 사용하는 방안이나, 발광소자 제작시 ESD 보호용 다이오드를 단일 기 판 상에 집적하는 방안(미국 특허 제6,593,597호 참조)이 있다.

그러나, 이러한 방안들은, 발광소자 이외에 별도의 보호 소자를 구입하여 조립하거나 쇼트키(Schottky) 접합을 형성시켜야 하는 번거러움을 초래하고, 발광소자 제조 비용을 증가시키는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 높은 발광효율을 얻을 수 있는 동시에 동작 전압이 낮으며, 별도의 소자를 구비할 필요없이 ESD 내성이 높은 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은,

p형 및 n형 질화물 반도체층과 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 하나 이상의 양자우물층 및 하나 이상의 양자장벽층이 서로 교대로 적층 된 구조를 갖는 활성층을 포함하며, 상기 n형 질화물 반도체층은, 상기 활성층 방향으로 갈수록 n형 불순물 농도가 점차 감소하는 복수의 그레이딩(grading)막이 적층된 전류분산층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명에서 채용된 상기 전류분산층은 캐리어(carrier)의 이동도가 다른 복수의 층을 적층된 구조로서 전류의 수평방향흐름을 개선하는 기능을 한다.

구체적으로, 상기 전류분산층은, n형 불순물 농도가 점차 감소하는 복수의 그레이딩막이 적층된 구조를 갖으며, 이에 의해, 전체적으로 n형 반도체의 특성을 유지하게 된다. 따라서, 도프(dope)층과 언도프(undope)층을 반복 적층시키는 경우에 비하여 발광소자의 동작전압(Vf)이 증가 되는 것을 억제할 수 있다.

이 경우, 상기 전류분산층을 구성하는 상기 그레이딩막은, n형 불순물 농도의 최소값이 n형 불순물을 고의적으로 도핑하지 않을 시의 농도와 같은 것이 바람직하다. 본 명세서에서 사용되는 "고의적으로 도프하지 않을 시의 농도"의 의미는, 특정 불순물을 주입하는 공정 없이 형성된 언도프층을 의미하는 것으로서, 도핑농도가 실질적으로 0인 이상적인 경우뿐만 아니라, 증착 장비 또는 인접한 층에 의해 불가피하게 갖게 되는 소량(예, 5 × 10¹⁶/㎤ 이하)의 도핑농도 조건도 포함하는 의미이다.

또한, 더욱 바람직하게는, 상기 그레이딩막은, n형 불순물 농도의 최대값이 상기 n형 질화물 반도체층의 n형 불순물 농도와 동일할 수 있다. 이 경우, 상기 n형 컨택층은, n형 불순물 농도가 3×10¹⁸∼ 5×10²¹/㎤ 인 것이 바람직하다.

추가적으로, 상기 그레이딩막은, n형 불순물 농도의 최대값이 1×10¹⁸∼1× 10¹⁹/㎤ 인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 그레이딩막 중 적어도 일부는, 상기 활성층 방향으로 갈수록 n형 불순물의 농도가 선형적으로 감소하는 것일 수 있다. 다만, 감소하는 형태는 이에 제한되지 않으며, 계단형, 지수형 등으로도 감소할 수 있다.

바람직하게는, 상기 전류분산층은, 그레이딩막이 5 ~ 20회 적층된 구조인 것일 수 있다. 이는, 본 발명의 주요한 효과인 전류의 측방향 분산을 통한 ESD 내성을 얻기 위해서는 5회 이상 그레이딩막을 적층하는 것이 바람직하기 때문이다. 다만, 20회 이상 적층하는 경우에는 발광구조물의 평탄도에 악영향을 미칠 수 있다.

한편, 효율적인 전류분산효과를 고려하였을 때, 상기 그레이딩막의 두께는 10 ~ 20㎚인 것이 바람직하다.

상기 n형 질화물 반도체층에 배치되는 상기 전류분산층의 바람직한 위치와 관련하여, 상기 전류분산층은, 상기 활성층과 접하도록 형성될 수 있다.

마지막으로, 상기 복수의 그레이딩막 중 적어도 2개의 그레이딩막의 두께는 서로 동일한 것일 수 있다. 마찬가지로, 상기 복수의 그레이딩막 중 적어도 2개의 그레이딩막의 n형 불순물 농도는 서로 동일한 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 보다 상세하게 설명한다.

도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(10)는, 사파이어 기판(11)과 상기 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 클래드층(12a), n형 컨택층(12b), 전류분산층(13), 활성층(15) 및 p형 질화물 반도체층(16)을 포함한다. 또한, 상기 n형 컨택층(12b)과 상기 p형 질화물 반도체층(16) 상에 각각 형성된 n측 및 p측 전극(17,18)을 포함하는 구조를 갖는다. 본 실시 형태에서와 같이, n형 질화물 반도체층은, n형 클래드층(12a), n형 컨택층(12b), 전류분산층(13)이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.

본 실시 형태에서 채용된 상기 전류분산층(13)은 상기 활성층(15) 및 상기 n형 컨택층(12b) 사이에 형성되며, 상기 활성층(15) 방향으로 갈수록 n형 불순물 농도가 점차 감소하는 복수의 그레이딩막(14)이 적층된 구조를 갖는다.

상술한 바와 같이, 상기 전류분산층(13)은 캐리어의 이동도가 다른 복수의 층을 적층 시켜 전류의 수평방향흐름을 개선하는 기능을 하며, 캐리어의 이동도는 상기 그레이딩막(14)에 함유된 n형 불순물 농도에 의해 조절이 가능하다.

즉, 상기 질화물 반도체 발광소자(10)에서 전자가 이동하는 방향으로 그레이딩막(14)에 포함된 n형 불순물 농도가 감소할수록 캐리어의 이동도는 증가하므로, 복수의 상기 그레이딩막(14)을 적층함으로써, 전류가 수평방향으로 분산되는 효과가 생기는 것이다.

또한, 전자가 이동하는 방향으로 n형 불순물 농도를 점차적으로 감소시킴으로써, 상기 질화물 반도체 발광소자(10)의 동작전압이 증가하는 것을 억제할 수 있다. 그레이딩막(14)의 n형 불순물 농도 및 전류분산효과와 관련된 상세한 사항은 도2 및 도3에서 설명하기로 한다.

한편, 상기 질화물 반도체 발광소자(10)에서 상기 전류분산층(13)은, 도1에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(15)과 상기 n형 컨택층(12b) 사이에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 질화물 반도체 발광소자(10)에서 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성시키는 활성층(15)은 정전기 방전으로부터 보호할 필요성이 매우 높다. 따라서, 상기 활성층(15)과 상기 n형 컨택층(12b) 사이에 형성되는 것이, 정전기 방전으로부터 상기 활성층(15)을 보호하여 상기 질화물 반도체 발광소자(10)의 광학적 특성을 향상시키는데 유리하다.

도2를 참조하면, 상기 전류분산층(13)을 구성하는 상기 그레이딩막(14)은, n형 불순물 농도의 최소값이 n형 불순물을 고의적으로 도핑하지 않을 시의 농도와 같은 것이 바람직하며, "고의적으로 도핑하지 않을 시의 농도"의 의미는 상술한 바와 같아. 구체적인 예를 들면, n형 불순물이 Si인 경우에는 농도가 5×10¹⁶/㎤ 이하인 것이 일반적이다.

또한, 상기 그레이딩막(14)은, n형 불순물 농도의 최대값이 상기 n형 질화물 반도체층의 n형 불순물 농도와 동일한 것이 바람직하다. 다만, 본 실시 형태와 같이 n형 클래드층(12a)과 n형 콘택층(12b)가 적층된 구조인 경우에는, 상기 그레이딩막(14)의 n형 불순물 농도의 최대값은 상기 n형 컨택층(12b)의 n형 불순물 농도와 동일할 수 있고, 이 경우, 상기 n형 컨택층(12b)은, n형 불순물 농도가 3×10¹⁸∼ 5×10²¹/㎤ 인 것이 바람직하다. 도2에서는, n형 불순물 농도가 1×10¹⁹/㎤ 인 경우를 도시하였다.

계속하여 도2를 참조하면, 본 실시 형태에서, 상기 그레이딩막(14)은 상기 활성층(15) 방향으로 갈수록 n형 불순물의 농도가 선형적으로 감소하며, 5회 이상 적층되어 상기 전류분산층(13)을 형성할 수 있다.

이와 같이, 상기 전류분산층(13)이 도3에 n형 불순물 농도 분포를 갖는 경우에는, 상기 그레이딩막(14) 간의 계면은, 전류의 주입방향으로 이동도가 급격하게 낮아진다. 이에 따라, 전류의 측방향 분산효과가 커지게 되며, 본 실시 형태에 따 른 상기 전류분산층(13) 주변에서 전류가 분산되는 모습을 도3에 도시하였다.

다만, 본 발명은 본 실시 형태에 제한되지 않으며, 상기 그레이딩막(14) 중 적어도 일부만이 상기 활성층(15) 방향으로 갈수록 n형 불순물의 농도가 선형적으로 감소하는 것일 수 있다. 또한, 도시하지는 않았으나, n형 불순물 농도가 감소 되는 형태 역시, 선형 외에도 계단형, 지수형 등으로 감소할 수도 있다.

한편, 효율적인 전류분산효과를 고려하였을 때, 상기 그레이딩막(14)의 두께(t)는 10 ~ 20㎚인 것이 바람직하다.

도2에 도시된 본 실시 형태에서는, 상기 복수의 그레이딩막(14)이 모두 동일한 두께와 농도를 갖지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 복수의 그레이딩막(14) 중 적어도 2개의 그레이딩막의 두께는 서로 동일한 것일 수 있으며, 상기 복수의 그레이딩막(14) 중 적어도 2개의 그레이딩막의 n형 불순물 농도는 서로 동일한 것일 수 있다. 따라서, 상기 전류분산층(13)은 농도분포 또는 두께가 서로 다른 그레이딩막(14)을 포함할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위 에 속한다고 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 높은 발광효율을 얻을 수 있는 동시에 동작 전압이 낮으며, 별도의 소자를 구비할 필요없이 ESD 내성이 높은 질화물 반도체 발광소자를 얻을 수 있다.

Claims

p형 및 n형 질화물 반도체층;

상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되며, 하나 이상의 양자우물층 및 하나 이상의 양자장벽층이 서로 교대로 적층 된 구조를 갖는 활성층을 포함하며,

상기 n형 질화물 반도체층은, 상기 활성층 방향으로 갈수록 n형 불순물 농도가 점차 감소하는 복수의 그레이딩막이 적층된 전류분산층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 그레이딩막은, n형 불순물 농도의 최소값이 n형 불순물을 고의적으로 도핑하지 않을 시의 농도와 같은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,

상기 그레이딩막은, n형 불순물 농도의 최대값이 상기 n형 질화물 반도체층의 n형 불순물 농도와 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제3항에 있어서,

상기 n형 컨택층은, n형 불순물 농도가 3×10¹⁸∼ 5×10²¹/㎤ 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 그레이딩막은, n형 불순물 농도의 최대값이 1×10¹⁸∼1×10¹⁹/㎤ 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 그레이딩막 중 적어도 일부는, 상기 활성층 방향으로 갈수록 n형 불순물의 양이 선형적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 그레이딩막 중 적어도 일부는, 상기 활성층 방향으로 갈수록 n형 불순물의 양이 계단형으로 감소하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 전류분산층은, 그레이딩막이 5 ~ 20회 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 그레이딩막의 두께는 10 ~ 20㎚인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 전류분산층은, 상기 활성층과 접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 복수의 그레이딩막 중 적어도 2개의 그레이딩막의 두께는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 복수의 그레이딩막 중 적어도 2개의 그레이딩막의 n형 불순물 농도는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.