KR100850950B1

KR100850950B1 - 질화물계 발광 소자

Info

Publication number: KR100850950B1
Application number: KR1020060070214A
Authority: KR
Inventors: 김종욱
Original assignee: 엘지전자 주식회사; 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-08-08
Also published as: KR20080010136A; US8350250B2; TWI436495B; JP2008034848A; EP1883122A2; US20080023689A1; TW200816522A; JP5305277B2; EP1883122A3

Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 발광 소자에 있어서, n-형 반도체층과; p-형 반도체층과; 상기 n-형 반도체층과 p-형 반도체층 사이에 위치하며, 적어도 한쌍 이상의 우물층과 장벽층으로 이루어지는 활성층과; 상기 n-형 반도체층과 활성층 사이 및 상기 p-형 반도체층과 활성층 사이의 경계면 중 적어도 어느 하나의 경계면에 위치하며, 밴드갭 또는 두께가 변동하는 복수의 층으로 이루어지는 제1층과; 상기 복수의 제1층 사이에 위치하는 제2층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

질화물, 반도체, GaN, InGaN, 활성층.

Description

질화물계 발광 소자 {Nitride based light emitting diode}

도 1은 일반적인 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 2는 도 1의 밴드 다이어그램이다.

도 3은 본 발명의 제1실시예를 나타내는 단면도이다.

도 4는 도 3의 밴드 다이어그램이다.

도 5는 본 발명의 제2실시예를 나타내는 단면도이다.

도 6은 본 발명의 제3실시예를 나타내는 단면도이다.

도 7은 도 6의 밴드 다이어그램이다.

도 8은 본 발명의 제3실시예의 제3층과 제4층의 제1예를 나타내는 밴드 다이어그램이다.

도 9는 본 발명의 제3실시예의 제3층과 제4층의 제2예를 나타내는 밴드 다이어그램이다.

도 10은 본 발명의 제3실시예의 제3층과 제4층의 제3예를 나타내는 밴드 다이어그램이다.

도 11은 본 발명의 제3실시예의 제3층과 제4층의 제4예를 나타내는 밴드 다이어그램이다.

도 12는 본 발명의 제3실시예의 제3층과 제4층의 제5예를 나타내는 밴드 다 이어그램이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 : 제1층 20 : 제2층

30 : 활성층 40 : 기판

50 : 버퍼층 60 : n-형 반도체층

70 : p-형 반도체층 80 : 제3층

90 : 제4층

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.

이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.

한편, 이러한 GaN 계열 반도체 성장이 다른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체보다 어려운 이유 중에 하나는 고품질의 기판, 즉, GaN, InN, AlN 등의 물질의 웨이퍼가 존재하지 않기 때문이다.

따라서 사파이어와 같은 이종 기판 위에 LED 구조를 성장하게 되며, 이때 많은 결함이 발생하게 되고, 이러한 결함들은 LED 성능에 큰 영향을 미치게 된다.

이러한 GaN 계열 물질의 LED의 기본 구조는 도 1에서 도시하는 바와 같이, n-형 반도체층(1)이 위치하고, 이러한 n-형 반도체층(1)과 인접하여 양자우물구조를 가지는 활성층(2)이 위치하며, 이 활성층(2)과 인접하여 p-형 반도체층(3)이 위치한다. 도 2는 이와 같은 LED 구조의 에너지 밴드 구조를 나타내고 있다.

이러한 LED 구조는 기판(4) 위에 성장된 상태를 나타내며, 이러한 LED 구조는 기판(4)상의 버퍼층(5) 위에 형성된다.

이후에 이러한 LED 구조에는 전극(도시되지 않음)이 형성되어, 이러한 전극을 통한 전하의 주입에 의하여 발광이 가능하게 된다.

상기 활성층(2) 중에서 특히 우물층은 InGaN, AlGaN 등의 물질로 형성되며, 이러한 활성층(2)은 하측에 위치하는 n-형 반도체층(1)을 이루는 GaN 물질과는 큰 격자상수의 차이를 보인다.

따라서 얇은 두께를 이루는 활성층(2)의 우물층은 그 하측에 위치하는 두꺼운 n-형 반도체층(1)에 의하여 큰 스트레인(strain)을 받게 된다.

즉, 활성층(2)을 이루는 InGaN의 격자상수는 그 하측에 위치하는 GaN보다 커서 InGaN 성장시 압축 응력(compressive strain)을 받으며 성장된다.

이러한 활성층(2)에 작용하는 스트레인은 박막 품질을 저하시키고 LED의 발광 효율을 감소시킬 수 있어, 이러한 스트레인을 감소시키기 위한 효과적인 대안이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자의 스트레인 및 결정 결 함을 조절 또는 억제하고, 전자와 정공이 활성층으로 효율적으로 구속되도록 함으로써 신뢰성 특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 발광 소자에 있어서, n-형 반도체층과; p-형 반도체층과; 상기 n-형 반도체층과 p-형 반도체층 사이에 위치하며, 적어도 한쌍 이상의 우물층과 장벽층으로 이루어지는 활성층과; 상기 n-형 반도체층과 활성층 사이 및 상기 p-형 반도체층과 활성층 사이의 경계면 중 적어도 어느 하나의 경계면에 위치하며, 밴드갭 또는 두께가 변동하는 복수의 층으로 이루어지는 제1층과; 상기 복수의 제1층 사이에 위치하는 제2층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 제1층은, 밴드갭이 상기 활성층에 가까와질수록 감소하도록 형성될 수 있고, 이러한 제1층의 밴드갭은, 상기 n-형 반도체층 또는 p-형 반도체층과 상기 우물층 사이의 값을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1층은, InGaN 또는 AlInGaN 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 제1층이 InGaN로 이루어지는 경우, In_xGa_1-xN의 In 조성 x는, 0.1과 0.15 사이(0.1 ≤ x ≤ 0.15)인 것이 바람직하다.

상기 활성층은 GaN, InGaN, AlInGaN 물질 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있고, 상기 제2층은, GaN 물질로 이루어질 수 있다.

상기 제1층 및 제2층은, 상기 활성층과, 상기 n-형 반도체층 및 p-형 반도체 층 중에서 상기 활성층 이전에 성장되는 층 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 제1층의 두께는 50 내지 1000Å이고, 상기 제2층의 두께는 5 내지 500Å인 것이 바람직하다.

한편, 상기 제1층은, 두께가 상기 활성층에 가까와질수록 두꺼워지도록 형성될 수 있으며, 이때, 상기 제1층의 밴드갭은 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.

상기 제1층 및 제2층은, 3개 이상 구성될 수 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 제1전극과 연결되는 n-형 반도체층과; 제2전극과 연결되는 p-형 반도체층과; 상기 n-형 반도체층과 p-형 반도체층 사이에 위치하는 활성층과; 상기 n-형 반도체층과 p-형 반도체층 및 활성층과의 경계면 중 적어도 하나의 경계면에 위치하며, 상기 n-형 반도체층 또는 p-형 반도체층보다 큰 밴드갭을 가지는 복수의 제3층과; 상기 복수의 제3층 사이에 위치하는 제4층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 제3층은, AlGaN 또는 AlInGaN 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 AlGaN 물질의 조성은, Al_xIn_yGa_1-x-yN로 표현되는 경우에 x는 0.2 이상(x ≥ 0.2)인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제4층은, GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, 및 AlInN 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 제4층이 AlInGaN 물질로 이루어지는 경우, Al_xIn_yGa_1-x-yN로 표현되는 경우에 x는 0.2 이하(x ≤ 0.2)인 것이 바람직하다.

한편, 상기 제3층은, 경사진 에너지 밴드 구조를 가질 수 있다.

이러한 경사진 에너지 밴드 구조는, 톱니 형상, 삼각형, 사다리꼴 형상, 및 M자형 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

<제1실시예>

도 3은 본 발명의 제1실시예로서 서로 다른 In 조성을 갖는 InGaN으로 이루어지는 제1층(10)들과 이들 각각의 제1층(10)을 이루는 각각의 층(11, 12, 13) 사이에 위치하는 GaN으로 이루어지는 제2층(20)이 활성층(30) 하측에 삽입한 구조를 도시하고 있다.

이러한 구조는 기판(40) 위에 버퍼층(50)이 형성되고, 이러한 버퍼층(50) 위에 n-형 반도체층(60)이 위치하며, 이 n-형 반도체층(60) 위에는 상기 제1층(10)과 제2층(20)이 번갈아 형성된다.

이와 같은 제1층(10)과 제2층(20) 위에는 활성층(30)이 위치하고, 이 활성층(30) 위에는 p-형 반도체층(70)이 형성된다.

이때, 상기 제1층(10)은 상기 n-형 반도체층(60)으로부터 첫번째 InGaN 층(11)의 In 조성을 기준으로 두번째 InGaN 층(12)은 첫번째 In 조성보다 많은 In 조성을 가지며, 세번째 InGaN 층(13)의 In 조성은 두번째 InGaN 층(12)의 In 조성보다 많은 양을 가진다.

따라서, 이들 InGaN으로 이루어지는 제1층(10)의 In 조성은 활성층(30)으로 가까와질수록 활성층(30)의 In 조성에 근접한 In 조성을 갖게 되며, 이러한 In 조 성은 활성층(30)의 In 조성보다는 작을 수 있다.

이때, 이러한 제1층(10)의 In 조성이 점점 많아짐에 따라, 도 4에서와 같이, 밴드갭 에너지는 점차 활성층(30)에 가까와지며 점점 낮아진다.

이러한 구조를 통하여 활성층(30)의 InGaN 물질의 성장시 n-형 반도체층(60) 위에 직접 성장될 때보다 더 작은 스트레인 또는 스트레스를 받게되어, 활성층(30)에서 고품질의 InGaN 우물층을 성장할 수 있다.

이와 함께, 도 4에서 도시하는 바와 같이, 제1층(10)의 밴드갭은 점차 활성층(30)에 가깝게 되므로, 활성층(30) 아래에 삽입된 제1층(10)의 3 개의 InGaN 층(11, 12, 13)들에 전하(carrier)가 포획되어 효율적으로 활성층(30)의 InGaN 우물층으로 주입(injection) 될 수 있다.

또한, 이들 InGaN 층(11, 12, 13)의 사이에 위치하는 제2층(20)은 이러한 InGaN 층(11, 12, 13)보다 얇게 형성될 수 있다.

이와 같이, 얇은 두께의 제2층(20)은 전하의 흐름에 방해를 주지 않도록 할 수 있다.

이와 같이, 활성층(30)과 제1층(10)이 InGaN으로 이루어지는 경우, 이러한 제1층(10)에서 In의 조성은, In_xGa_1-xN에서 x는, 0.1과 0.15 사이(0.1 ≤ x ≤ 0.15)인 것이 바람직하다.

한편, 활성층(30)이 InGaN으로 이루어진 경우, Al과 In의 조성을 조절하여 제1층(10)을 AlInGaN으로 형성할 수도 있다.

또한, 이러한 제1층(10)의 두께는 50 내지 1000Å이고, 상기 제2층(20)의 두께는 5 내지 500Å인 것이 바람직하다.

본 실시예에서는 제1층(10)과 제2층(20)이 n-형 반도체층(60)과 활성층(30) 사이에 위치하는 경우를 설명하고 있으나, 이러한 제1층(10)과 제2층(20)은 성장 단계에서 활성층(30)의 하측에 위치하는 경우에 모두 적용될 수 있다.

따라서, 만일 활성층(30)의 하측에 p-형 반도체층(70)이 위치한다면, 상기 제1층(10)과 제2층(20)은 이러한 활성층(30)과 p-형 반도체층(70) 사이에 위치할 수도 있다.

또한, 본 실시예에서는 상기 활성층(30)이 InGaN으로 이루어진 경우를 예로 설명하였으나, GaN, AlGaN, AlInGaN 등으로 이루어진 경우에도 적용될 수 있음은 물론이다.

상기 제2층(20)도 또한 GaN 이외에 InGaN, AlGaN, AlInGaN 등의 물질로 형성이 가능하다.

또한, 본 실시예에서는 상기 제1층(10)을 이루는 각 층과 제2층(20)이 각각 3 개의 층(제1층의 각층과 제2층이 3개의 쌍)으로 이루어지는 실시예를 설명하고 있으나, 2 개(2개의 쌍) 이상의 층으로 이루어지면 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다.

<제2실시예>

도 5는 본 발명의 제2실시예로서 동일한 In 조성을 가지며 두께가 서로 다른 3 개의 InGaN으로 이루어지는 제1층(10)들과 이들 제1층(10)을 이루는 각각의 층(11, 12, 13)들 사이에 위치하는 GaN으로 이루어지는 제2층(20)이 활성층(30) 하측에 삽입한 구조를 나타내고 있다.

이러한 구조는 기판(40) 위에 버퍼층(50)이 형성되고, 이러한 버퍼층(50) 위에 n-형 반도체층(60)이 위치하며, 이 n-형 반도체층(60) 위에는 상기 제1층(10)과 제2층(20)이 형성된다.

이때, 상기 제1층(10)은 상기 n-형 반도체층(60)으로부터 첫번째 InGaN 층(11)보다는 두번째 InGaN 층(12)이 두껍게 형성되고, 이 두번째 InGaN층(12)보다는 세번째 InGaN 층(13)이 두껍게 형성된다.

또한, 이들 제1층(10)을 이루는 각각의 층(11, 12, 13)의 In 조성은 동일하며, 따라서 동일한 밴드갭 에너지를 가지게 된다.

따라서, 활성층(30)의 InGaN 성장시 n-형 반도체층(60) 위에 직접 성장할 때보다 더 작은 스트레인 또는 스트레스를 받게되어, 활성층(30)에서 고품질의 InGaN 우물층을 성장할 수 있다.

이와 함께 활성층(30) 아래에 삽입된 3 개의 InGaN 층(11, 12, 13) 들에 의하여 전하(carrier)가 포획되어 효율적으로 활성층(30)의 InGaN 우물층으로 주입(injection)될 수 있다.

이러한 서로 다른 두께를 가지는 층(11, 12, 13)으로 이루어지는 제1층(10)을 가지는 구조로부터, 제1층(10)을 이루는 InGaN 층의 두께가 두꺼워질수록 GaN에 의한 활성층의 압축 응력(compressive strain)이 약해지는 경향이 있으므로, 활성층(30)의 품질이 향상될 수 있다.

또한, 이들 InGaN 층(11, 12, 13)의 사이에 위치하는 제2층(20)은 이러한 InGaN 층(11, 12, 13)보다 얇게 형성되어, 이와 같이, 얇은 두께의 제2층(20)은 전하의 흐름에 방해를 주지 않도록 할 수 있다.

또한, 이러한 제1층(10)의 두께는 50 내지 1000Å으로서, 제1층(10)을 이루는 각각의 층(11, 12, 13)은 상기 두께 범위에서 변경될 수 있고, 상기 제2층(20)의 두께는 5 내지 500Å인 것이 바람직하다.

본 실시예에서는 제1층(10)과 제2층(20)이 n-형 반도체층(60)과 활성층(30) 사이에 위치하는 경우를 설명하고 있으나, 상기 제1실시예에서 설명한 바와 같이, 이러한 제1층(10)과 제2층(20)은 성장 단계에서 활성층(30)의 하측에 위치하는 경우에 모두 적용될 수 있다.

즉, 만일 활성층(30)의 하측에 p-형 반도체층(70)이 위치한다면, 상기 제1층(10)과 제2층(20)은 이러한 활성층(30)과 p-형 반도체층(70) 사이에 위치할 수도 있다.

상기 제2층(20)도 또한 GaN 이외에 InGaN, AlGaN, AlInGaN 등의 물질로 형성이 가능하고, 상기 제1층(10)을 이루는 각 층과 제2층(20)이 2 개(2개의 쌍) 이상의 층으로 이루어지면 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다.

<제3실시예>

도 6에서는 본 발명의 제3실시예로서, 활성층(30)과 n-형 반도체층(60) 사이와, 활성층(30)과 p-형 반도체층(70) 사이에 제3층(80)과 제4층(90)이 교대로 삽입되어 위치한 구조를 도시하고 있다.

이러한 구조는 기판(40) 위에 버퍼층(50)이 형성되고, 이러한 버퍼층(50) 위에 n-형 반도체층(60)이 위치하며, 이 n-형 반도체층(60) 위에는 상기 제3층(80)과 제4층(90)이 형성된다.

이와 같은 제3층(80)과 제4층(90) 위에는 활성층(30)이 위치하고, 이 활성층(30) 위에는 다시 제3층(80)과 제4층(90)이 형성되고, 그 위에 p-형 반도체층(70)이 형성된다.

본 실시예에서는 상기 제3층(80)과 제4층(90)이 활성층(30)과 n-형 반도체층(60) 사이와, 활성층(30)과 p-형 반도체층(70) 사이 모두에 위치한 상태를 설명하고 있으나, 둘 중 어느 한 곳에만 구성될 수도 있다.

즉, 상기 제3층(80)과 제4층(90)이 활성층(30)과 n-형 반도체층(60) 사이에만 위치하거나, 활성층(30)과 p-형 반도체층(70) 사이에만 위치할 수도 있다.

상기 제3층(80)은 상기 n-형 반도체층(60) 또는 p-형 반도체층(70)을 이루는 GaN 보다 밴드갭이 큰 물질을 이용할 수 있으며, AlGaN, AlInGaN 등의 물질을 이용할 수 있다.

또한, 상기 제4층(90)은 GaN을 이용하는 것이 바람직하나, In과 Al의 성분이 적절히 조절된다면 InGaN, AlGaN, AlInGaN 등이 모두 이용될 수 있다.

즉, 상기 제3층은, AlGaN 또는 AlInGaN 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 AlGaN 물질의 조성은, Al_xIn_yGa_1-x-yN로 표현되는 경우에 x는 0.2 이상(x ≥ 0.2)으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 제4층은, GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, 및 AlInN 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 제4층이 AlInGaN 물질로 이루어지는 경우, Al_xIn_yGa_1-x-yN로 표현되는 경우에 x는 0.2 이하(x ≤ 0.2)로 이루어질 수 있다.

도 6에서는 제3층(80)과 제4층(90)이 두 개씩(2 쌍) 구성된 상태를 도시하고 있으나, 그 이상의 제3층(80)과 제4층(90)을 쌍으로 구성할 수 있다.

도 7에서는 도 6과 같은 구조의 밴드 다이어그램을 도시하고 있다.

또한, 상기 AlGaN을 제3층(80)으로, 그리고 GaN을 제4층(90)으로 얇은 두께로 순차적으로 성장시킴으로써 응력을 받는 초격자층(strained layer superlattice: SLS)을 이용할 수도 있다.

이러한 제3층(80)과 제4층(90)은 Mg와 같은 도펀트 물질로 도핑(doping)되어, 전도성 반도체층으로 형성될 수 있고, 특히, p-형 반도체 특성을 가질 수 있다.

이때, 이러한 도핑은 제3층(80)과 제4층(90) 전체에 대하여 이루어질 수도 있고, 제3층(80)과 제4층(90) 각각을 델타 도핑(delta-doping) 함으로써 전도성을 띠게 할 수도 있다.

즉, 각각의 제3층(80)과 제4층(90)을 성장시에 도펀트 물질을 일차례씩 주입함으로써, 거의 단일층이 전도성을 가지도록 형성할 수 있다. 그러나 제3층(80)과 제4층(90) 전체를 도핑하는 것에 비하여 전도성은 저하되지 않는다.

이러한 델타 도핑은 제3층(80)과 제4층(90)의 전도성은 저하시키지 않으면서, 도펀트 주입에 의한 박막 품질의 저하를 최소화할 수 있다.

또한, 이러한 델타 도핑은 제3층(80)과 제4층(90) 각각의 중간부분, 활성층에 가까운 부분, 또는 활성층에서 먼 부분에 도펀트를 주입하여 전도성 반도체로 성장시킬 수 있다.

상기 활성층(30)의 양자우물구조를 이루는 우물층과 장벽층에 사용되는 GaN과 InGaN, AlGaN 등의 물질은 격자 상수가 크게 다르므로, 이와 같은 격자 상수의 차이에 의하여 큰 스트레인(strain)이 발생하게 되는데, 이러한 스트레인은 전위(dislocation)와 같은 결정 결함의 요소로 작용하게 된다.

더욱이, 국부적으로 발생되는 스트레인은 광을 발생하기 위한 전자와 정공의 효율적 결합을 저해시키기 때문에 이러한 스트레인의 조절이 필요하다.

종래의 GaN 계열 물질을 이용한 발광 소자의 개발에 있어서 고출력, 고효율의 발광 소자를 제작하기 위하여, n-형 반도체 층에서 형성된 전자가 활성층을 지나 p-형 반도체층까지 넘어오는 것을 방지하기 위한 electron blocking layer(EBL)로 p-형의 AlGaN 층을 이용한다.

그러나, 이러한 p-형의 AlGaN을 단일층으로 이용할 경우 AlGaN의 p-형 특성이 좋지 않기 때문에 EBL 역할은 수행할 수 있으나 정공(hole)이 활성층으로 주입되는 것을 오히려 방해할 수 있다.

따라서, 이러한 p-형 AlGaN 층을 이용하지 않고, 제3층(80)과 제4층(90)을 반복하여 적층함으로써, 스트레인의 문제를 해결하면서 EBL층으로 이용될 수 있다.

한편, 상기 제3층(80)은 형성시에 소스 성분의 양을 선형적으로 변화시켜(composition grading), 에너지 밴드 구조에 경사를 이루도록 구성할 수 있다.

도 8 내지 도 12는 이와 같이 composition grading을 준 제3층(80)이 제4층과 SLS를 이루는 경우의 에너지 밴드의 형상을 나타내고 있다.

도 8 및 도 9는 에너지 밴드가 큰 물질(AlGaN의 경우 Al)의 성분을 선형적으로 변화시켜 밴드 구조에서 제3층(80)이 톱니 형상의 경사(grading)를 이룬 경우에 해당한다.

이러한 구조는, 에너지 밴드가 큰 물질이 Al과 In이 포함된 ternary (AlGaN 계열) 또는 quarternary(AlInGaN 계열)로 구성되어 있으면, 반응할 수 있는 Al 소스(source)의 양을 점차 감소시켜 Al의 성분(composition)을 감소시킨다.

또는 In 소스의 양을 점차 증가시키거나 성장 온도를 감소시키면서 성장함으 로써 In 성분을 증가시켜 도 8과 같은 밴드 구조를 갖는 composition grading SLS를 성장시킬 수 있다.

도 9의 에너지 밴드 구조를 갖는 SLS의 성장은 도 8의 경우와 반대로 성장시킬 수 있다.

또한, Al, In의 양과 온도를 함께 변화시키는 경우에도 도 8 및 도 9의 에너지 밴드 구조를 갖는 SLS를 성장시킬 수 있다.

이러한 SLS의 성장은 활성층(30)의 양측에 다른 형태의 밴드 구조를 갖도록 형성할 수 있다. 예를 들면, 활성층(30)의 일측에는 도 8의 밴드 구조를 갖도록 하고, 활성층(30)의 타측에는 도 9의 밴드 구조를 갖도록 형성할 수 있다.

보다 구체적인 예로서, 활성층(30)과 n-형 반도체층(60) 사이의 부분에는 도 9의 밴드 구조를 갖는 SLS 구조를 삽입하고, 활성층(30)과 p-형 반도체층(70) 사이에는 도 8의 밴드 구조를 갖는 SLS 구조를 삽입할 수 있다.

이와 같이, 대칭적인 구조를 갖는 SLS 구조를 삽입하면, 활성층(30)과 n-형 반도체층(60) 사이에서는 전자가 주입되는 경우에 상기 제3층(80)과 제4층(90)이 저항으로서 작용하지 않도록 하고, 활성층(30)과 p-형 반도체층(60) 사이에서는 EBL(electron blocking layer)층으로 작용할 수 있도록 함으로써, 활성층(30)에 전하가 용이하게 구속될 수 있도록 할 수 있는 것이다.

도 10 및 도 11은 각각 제3층(80)이 사다리꼴 및 삼각형의 밴드 구조를 이루도록 성장시킨 구조를 나타낸다.

이러한 밴드 구조의 성장법은, 상기 도 8 및 도 9의 성장 방법을 동일하게 이용할 수 있다.

즉, 우선 도 9의 형상의 밴드 구조를 갖는 층을 성장시킨 후 에너지 밴드가 가장 큰 성분의 상태를 일정 시간 동안 유지시키고, 이후 도 8과 같은 구조를 갖는 층을 성장시키면 도 10과 같이 에너지 밴드가 큰 물질이 등변사다리꼴 또는 부등변 사다리꼴 형상의 에너지 밴드 구조를 갖는 SLS가 성장되게 된다.

또한, 도 11의 경우는 도 10의 구조를 성장시키는 방법에서 에너지 밴드가 가장 큰 성분 상태를 일정 시간 동안 유지하는 과정을 제외시키면 된다.

이와 같은 과정에서 에너지 밴드가 큰 물질이 양쪽으로 composition grading을 갖는 삼각형 형상을 갖는 SLS를 성장시킬 수 있다.

한편, 도 12의 경우는 도 10의 경우와 순서를 반대로 하여, 도 9의 밴드 구조를 갖는 층을 성장시킨 후 바로 도 9의 형상의 에너지 밴드를 갖는 물질을 성장시키면 된다.

이와 같은 도 12의 밴드 구조의 전도대(conduction band)는 영문 대문자 M자와 같은 구조를 이루게 된다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

첫째, 발광 소자의 스트레인을 완화시킴으로써 고품질의 박막을 형성할 수 있고, 따라서 발광 소자의 신뢰성이 향상된다.

둘째, 활성층과의 경계면에서 캐리어의 흐름을 원활히 함으로서, 구동 전압을 낮추고 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

셋째, 활성층에 캐리어가 효율적으로 구속되도록 함으로써, 발광 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims

발광 소자에 있어서,

n-형 반도체층과;

p-형 반도체층과;

상기 n-형 반도체층과 p-형 반도체층 사이에 위치하며, 적어도 한쌍 이상의 우물층과 장벽층으로 이루어지는 활성층과;

상기 n-형 반도체층과 활성층 사이 및 상기 p-형 반도체층과 활성층 사이의 경계면 중 적어도 어느 하나의 경계면에 위치하며, 밴드갭 또는 두께가 변동하는 복수의 층으로 이루어지는 제1층과;

상기 제1층을 이루는 각각의 층과 교번하여 위치하는 복수의 제2층을 포함하여 구성되며,

상기 제1층의 밴드갭은, 상기 n-형 반도체층 또는 p-형 반도체층과 상기 우물층 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 제1층은, 밴드갭이 상기 활성층에 가까와질수록 감소하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 활성층은 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 물질 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 제1층은, InGaN 또는 AlInGaN 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 5항에 있어서, 상기 제1층이 InGaN로 이루어지는 경우, In_xGa_1-xN의 In 조성 x는, 0.1과 0.15 사이(0.1 ≤ x ≤ 0.15)인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 제2층은, GaN 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 제1층 및 제2층은,

상기 활성층과, 상기 n-형 반도체층 및 p-형 반도체층 중에서 상기 활성층 이전에 성장되는 층 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 제1층의 두께는 50 내지 1000Å이고, 상기 제2층의 두께는 5 내지 500Å인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 제1층은, 두께가 상기 활성층에 가까와질수록 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 10항에 있어서, 상기 제1층의 밴드갭은 일정한 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 제1층 및 제2층은, 3개 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
발광 소자에 있어서,

제1전극과 연결되는 n-형 반도체층과;

제2전극과 연결되는 p-형 반도체층과;

상기 n-형 반도체층과 p-형 반도체층 사이에 위치하는 활성층과;

상기 n-형 반도체층과 p-형 반도체층 및 활성층과의 경계면 중 적어도 하나의 경계면에 위치하며, 상기 n-형 반도체층 또는 p-형 반도체층보다 큰 밴드갭을 가지는 복수의 제3층과;

상기 제3층을 이루는 각각의 층과 교번하여 위치하는 복수의 제4층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 13항에 있어서, 상기 제3층은, AlGaN 또는 AlInGaN 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 14항에 있어서, 상기 AlInGaN 물질의 조성은, Al_xIn_yGa_1-x-yN로 표현되는 경우에 x는 0.2 이상 1 이하(0.2 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ (x, y) ≤1)인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 13항에 있어서, 상기 제4층은, GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, 및 AlInN 중 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 16항에 있어서, 상기 제4층이 AlInGaN 물질로 이루어지는 경우, Al_xIn_yGa_1-x-yN로 표현되는 경우에 x는 0 이상 0.2 이하(0 ≤ x ≤ 0.2, 0 ≤ (x, y) ≤1)인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 13항에 있어서, 상기 제3층은, 경사진 에너지 밴드 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
제 18항에 있어서, 상기 경사진 에너지 밴드 구조는, 톱니 형상, 삼각형, 사다리꼴 형상, 및 M자형 중 어느 하나의 밴드 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.