KR100891801B1

KR100891801B1 - 질화물 반도체 발광소자

Info

Publication number: KR100891801B1
Application number: KR1020070123776A
Authority: KR
Inventors: 이성남; 허인회; 백호선
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2009-04-07

Abstract

질화물 반도체 발광소자가 개시된다. 본 질화물 반도체 발광소자는, 기판 상에 형성된 제1 반도체층, 상기 제1 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층, 활성층 상에 형성되며 활성층의 격자 상수보다 큰 격자 상수를 갖는 물질을 포함하는 피에조(piezo) 전계 억제층, 및, 피에조 전계 억제층 상에 형성된 제2 반도체층을 포함한다. 이에 따라, 피에조 전계 억제층을 통해 피에조 전계를 상쇄시킴으로써, 활성층에서의 출력되는 광의 파장 변화를 감소시킬 수 있게 된다.

발광소자, LED, LD, 피에조(piezo) 전계, 파장 변화

Description

질화물 반도체 발광소자 {Nitride semiconductor Light Emitting Device}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 고효율의 청색광 및 녹색광을 구현하기 위한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 레이저 다이오드 또는 광 증폭기 등을 구성하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 활성층은 양자 우물층과 장벽층에서 발생하는 스트레인으로 인해 피에조 전계(piezo-electric field)가 발생한다. 이에 따라, 양자 우물 구조의 에너지 밴드갭이 변형되어, 실제보다 낮은 에너지 밴드갭에서 발광이 일어난다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자의 수직단면도이다. 도 1을 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(10)는 기판(11) 상에 제1 반도체층(11), 제1 클래드층(12), 제1 광도파층(13), 활성층(14), 스트레인 방지층(15), 전자 차단층(16), 제2 광도파층(17), 제2 클래드층(18) 및 제2 반도체층(19)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.

전자 차단층(16)은 제1 반도체층(12)에서 제공되는 캐리어가 오버 플로 우(overflow)되어 제2 반도체층(19)으로 이동하는 것을 방지하는 층으로, AlGaN계 물질로 형성될 수 있다. 또한, 스트레인 방지층(15)은 전자 차단층(16)에 의한 스트레인을 방지한다.

한편, 활성층(14)은 양자 우물층과 장벽층을 포함하고 있다. 이 경우, 양자 우물층과 장벽층의 격자 불일치로 인해 스트레인이 발생하며, 스트레인에 의해 피에조 전계가 발생하게 된다. 이 같은 피에조 전계를 상쇄시키기 위하여, 최근에는 비극성(non-polar) 질화물 반도체를 이용하려는 연구가 진행되고 있으나. 광학적 및 결정학적 특성 등의 문제점을 갖고 있다. 또한, 청색광 및 녹색광을 발광하는 InGaN계 활성층을 사용하는 경우에는 발광소자를 작동시키기 위해 전류를 주입하게 된다. 이 경우, 전류 주입 양을 증가시킴에 따라 활성층의 피에조 전계가 상쇄되어 광의 단파장화가 발생된다. 특히, 활성층의 발광 파장을 증가시키기 위해 InGaN계 활성층을 높은 In 조성을 갖도록 형성하거나, 양자 우물 구조의 두께를 증가시키는 경우, 피에조 전계가 더욱 증가되어 주입된 전류에 따른 발광 파장 변화가 더욱 심각하게 발생한다. 따라서, 발광소자를 통해 원하는 파장을 얻기 위해서는 장파장의 광을 발광하는 활성층을 형성하는 것이 요구된다.

도 2는 종래 질화물 반도체 발광소자의 주입 전류에 따른 광의 EL 파장 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 청색 발광소자의 경우, 주입 전류가 증가함에 따라 파장이 단파장화된다. 구체적으로, 1~10mA의 주입 전류에서는 약 445nm 파장을 나타내며, 150mA의 주입 전류에서는 약 438.3nm 파장을 나타내는 것으로, 약 6.7nm 정도 단파장화 되었다.

또한, 녹색 발광소자 역시, 주입 전류가 증가함에 따라 파장이 단파장화된다. 즉, 1~10mA의 주입 전류에서는 약 526nm 파장을 나타내며, 150mA의 주입 전류가 인가되는 경우에는 약 513nm 파장을 나타내는 것으로, 약 13nm 정도가 단파장화 되었다. 이와 같이, 주입 전류의 증가에 따라 광이 단파장화되어 원하는 색상의 광을 얻을 수 없게 된다. 특히, 녹색 레이저 다이오드의 경우, 주입 전류를 증가시킴에 따라 발광 파장이 수십㎚ 단위로 변화되어, 발광 파장의 단파장화가 심각해진다. 이로 인해, 500㎚ 이상의 파장을 갖는 녹색 레이저 다이오드를 제조하는 것이 어렵다는 문제점이 있었다. 따라서, 활성층 내에서 발생하는 피에조 전계를 감소시키고, 광의 파장 변화를 감소시켜 고효율의 청색광 및 녹색광을 구현하기 위한 발광소자의 개발이 요구된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 피에조 전계 억제층을 형성하여 피에조 전계를 상쇄시킴으로써, 광의 파장 변화를 감소시켜 고효율의 광의 구현하기 위한 질화물 반도체 발광소자를 제공함에 있다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 기판 상에 형성된 제1 반도체층, 상기 제1 질화물 반도체층 상에 형성된 InGaN계 활성층, 상기 활성층에 형성되며, 상기 활성층의 격자 상수보다 큰 격자 상수를 갖는 물질을 포함하는 피에조(piezo) 전계 억제층, 및, 상기 활성층 상에 형성된 제2 반도체층을 포함한다.

이 경우, 상기 활성층은, In_xGa_(1-x)N(0＜x＜1)을 포함하는 양자 우물층, 및, In_yGa_(1-y)N(0＜y＜1, x＞y)를 포함하는 장벽층을 포함할 수 있다.

한편, 상기 피에조 전계 억제층은, In_zGa_(1-z)N(0＜z＜1, x≤z)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 피에조 전계 억제층은, 상기 활성층의 제1 두께와 동일한 두께를 가질 수 있다. 또는, 상기 피에조 전계 억제층은, 상기 활성층의 제1 두께보다 작은 제2 두께를 가질 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판 상에 형성된 제1 반도체층, 상기 제1 질화물 반도체층 상에 형성된 AlGaN계 활성층, 상기 활성층에 형성되며, 상기 활성 층의 격자 상수보다 작은 격자 상수를 갖는 물질을 포함하는 피에조 전계 억제층, 및, 상기 활성층 상에 형성된 제2 반도체층을 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 활성층은, Al_xGa_(1-x)N(0＜x＜1)을 포함하는 양자 우물층, 및, Al_yGa_(1-y)N(0＜y＜1, x＜y)를 포함하는 장벽층을 포함할 수 있다.

한편, 상기 피에조 전계 억제층은, Al_zGa_(1-z)N(0＜z＜1, x＞z)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 피에조 전계 억제층은, 상기 활성층의 제1 두께와 동일한 두께를 가질 수 있다. 또는, 상기 피에조 전계 억제층은, 상기 활성층의 제1 두께보다 작은 제2 두께를 가질 수도 있다.

본 발명에 따르면, 활성층보다 큰 격자 상수를 가지며, 작은 두께를 가지는 피에조 전계 억제층을 형성함으로써, 피에조 전계 억제층에서 피에조 전계를 흡수하도록 한다. 이에 따라, 활성층에 피에조 전계가 발생하는 것을 방지할 수 있게 되며, 광이 단파장화되는 것을 방지하여 고효율의 청색광 및 녹색광의 출력이 가능하게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 수직 단면도이다. 도 3을 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(100)는 제1 반도체층(110), 제1 클래드층(120), 제1 광도파층(130), 활성층(140), 피에조(piezo) 전계 억제층(150), 스트레인 방지층(160), 전자 차단층(170), 제2 광도파층(180), 제2 클래드층(190) 및 제2 반도체층(200)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.

제1 반도체층(110)은 기판(미도시) 상에 형성된 층으로, GaN 반도체 물질에 Si, In, Sn과 같은 n형 도펀트를 도핑시킨 n-형 GaN 반도체층이다. 또한, 제2 반도체층(200)은 GaN 반도체 물질에 Zn, Cd, Mg 등과 같은 p형 도펀트를 도핑시킨 p-형 GaN 반도체층이다.

제1 클래드층(120)은 n형 AlGaN계 물질로 형성될 수 있으며, 제2 클래드층(190)은 p형 AlGaN 물질로 형성될 수 있다. 또한, 제1 광도파층(130) 및 제2 광도파층(180)은 광의 굴절을 위한 층으로, 각각 n-형 GaN계 물질 및 p-형 GaN계 물질로 형성될 수 있다.

전자 차단층(170)은 제1 반도체층(110)에서 제공되는 캐리어가 오버 플로우(overflow)되어 제2 반도체층(190)으로 이동하는 것을 방지하는 층으로, AlGaN계 물질로 형성될 수 있다. 또한, 스트레인 방지층(160)은 전자 차단층(170)에 의한 스트레인을 방지한다.

한편, 활성층(140)은 양자 우물층 및 장벽층를 포함한다. 이 경우, 양자 우물층은 In_xGa_(1-x)N(0＜x＜1)로 이루어질 수 있으며, 제1 두께로 형성될 수 있다. 또 한, 장벽층은 In_yGa_(1-y)N(0＜y＜1, x＞y)로 이루어질 수 있다.

피에조 전계 억제층(150)은 활성층(140)보다 격자 상수가 큰 In_zGa_(1-z)N(0＜z＜1, x＜z)로 이루어질 수 있다. 이 경우, 피에조 전계 억제층(150)의 격자 상수가 활성층(140)보다 크므로, 활성층(140)과 피에조 전계 억제층(150) 사이의 격자 불일치로 인해 발생하는 피에조 전계가 피에조 전계 억제층(150)에만 걸리게 된다. 이에 따라, 활성층(140)을 통해 발광하는 광의 파장 변화를 감소시킬 수 있게 된다.

한편, 피에조 전계 억제층(150)은 양자 우물층의 제1 두께와 동일하게 형성될 수 있다. 이 경우, 피에조 전계 억제층(150)은 피에조 전계를 상쇄시켜 양자 우물층에 피에조 전계의 영향이 미치는 것을 방지할 수 있게 된다. 이에 따라, 양자 우물층에서 발광되는 청색광의 파장 변화를 감소시킬 수 있게 된다. 또한, 피에조 전계 억제층(150)의 두께가 양자 우물층의 두께와 동일하게 형성되며, In 물질의 함량이 비교적 크므로, 높은 세기의 녹색광을 동시에 발광할 수 있게 된다.

또는, 피에조 전계 억제층(150)은 양자 우물층의 제1 두께보다 작은 제2 두께로 형성될 수 있다. 즉, 피에조 전계 억제층(150)은 양자 우물층보다 작은 두께를 가지며, 양자 우물층에 비해 높은 In 물질 함량을 갖는 InGaN계 물질로 형성될 수 있다. 이 경우, 피에조 전계 억제층(150)은 높은 In 물질의 함량에도 불구하고, 양자 우물층의 제1 두께보다 작은 제2 두께에 의해 양자 효과가 발생하여 양자 우물층에서 출력되는 청색광과 동일한 파장 영역의 광을 출력하게 된다.

이와 같은 본 질화물 반도체 발광소자(100)는 피에조 전계 억제층(150)을 통해 피에조 전계를 상쇄시킴으로써, 활성층(140)에서 출력되는 광의 파장 변화를 감소시킬 수 있게 된다. 또한, 피에조 전계 억제층(150)을 통해 녹색광 또는 청색광을 출력할 수 있게 되어, 고효율의 광을 출력할 수 있게 된다.

한편, 도 3을 설명함에 있어서, 활성층 및 피에조 전계 억제층이 InGaN계 물질을 포함하는 것으로 설명하였으나, 활성층 및 피에조 전계 억제층은 AlGaN계 물질을 포함하는 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 피에조 전계 억제층은 활성층의 격자 상수보다 작은 격자 상수를 갖는 물질을 포함하는 형태로 형성할 수 있다. 구제적으로, 활성층을 구성하는 양자 우물층은 Al_xGa_(1-x)N(0＜x＜1)을 포함할 수 있으며, 장벽층은 Al_yGa_(1-y)N(0＜y＜1, x＜y)을 포함할 수 있다. 또한, 피에조 전계 억제층은 Al_zGa_(1-z)N(0＜z＜1, x＞z)을 포함할 수 있다. 이 경우, 피에조 전계 억제층은 활성층과 동일한 두께로 형성되거나, 활성층보다 작은 두께로 형성될 수도 있다.

또한, 도 3에서는 피에조 전계 억제층이 활성층의 상부면에 형성된 것으로 도시하고 있으나, 활성층의 하부면에 형성될 수도 있다.

도 4는 주입 전류에 따른 질화물 반도체 발광소자의 EL 강도를 나타낸 그래프이다. 이 경우, 질화물 반도체 발광소자를 구성하는 양자 우물층 및 피에조 전계 억제층(150)은 2.5nm의 동일한 두께를 갖는다.

도 4의 그래프를 참조하면, 주입 전류가 증가함에 따라 캐리어 이동량이 증가하여 녹색광 및 청색광의 피크가 증가되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 활성층(140)을 통해 약 400~450nm 파장 영역의 청색광이 발광되는 것을 알 수 있으며, 피에조 전계 억제층(150)을 통해 약 450~600nm 파장 영역의 녹색광이 발광되는 것을 알 수 있다.

도 5는 주입 전류에 따른 질화물 반도체 발광소자의 EL 파장 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 주입 전류가 증가함에 따라 2.5㎚ 두께의 In(0.5)Ga(0.85)N 활성층에서의 청색광(기호 "○")은 장파장화 되었고, 2.5㎚ 두께의 In(0.25)Ga(0.75)N 피에조 전계 억제층에서의 녹색광(기호 "□")은 단파장화 되었다. 구체적으로, 청색광은 1~10mA의 주입 전류에서 약 430nm의 파장을 나타내며, 150mA의 주입 전류에서는 약 432nm의 파장을 나타내는 것으로, 2nm 정도 장파장화 되었다.

또한, 녹색광은 1~10mA의 주입 전류에서 약 513nm의 파장을 나타내며, 150mA의 주입 전류에서는 약 500nm의 파장을 나타내는 것으로, 13nm 정도 장파장화 되었다. 이는 녹색광을 발광하는 피에조 전계 억제층(150)에만 피에조 전계가 걸리게 되어, 파장 변화가 큰 폭으로 발생하게 되는 것이다. 이는, In 물질의 조성이 높은 피에조 전계 억체층이 양자 우물 구조층에서 발광되는 청색광의 단파장화를 억제시켜 장파장화를 구현하는 것을 나타낸다.

도 6은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 EL 파장 변화를 나타낸 그래프이다. 이 경우, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자를 구성하는 청색 In_(0.20)Ga_(0.80)N 양자 우물층은 제1 두께를 가지며, In_(0.25)Ga_(0.75)N 피에조 전계 억제층(150)은 제1 두께보다 작은 제2 두께를 갖는다. 제1 두께는 2.5nm가 될 수 있으며, 제2 두께는 1.5nm가 될 수 있다. 이는, 피에조 전계층(150)의 두께를 감소시킴으로써 양자 효과에 의해 In 물질의 조성이 높은 피에조 전계 억제층(150)의 발광 파장을 감소시켜 활성층(140)과 동일한 파장의 광을 발광시키기 위한 것이다.

종래 질화물 반도체 발광소자의 발광 파장(기호 "○")은 주입 전류를 5~150mA로 증가시킴에 따라 약 9.5nm 정도가 단파장화 되었다. 반면, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 발광 파장(기호 "□")은 주입 전류를 5~150mA로 증가시킴에 따라 약 4.4nm 정도가 단파장화 되었다. 이는, 피에조 전계 억제층(150)의 두께 감소로 인해 피에조 전계의 상쇄량이 감소되어 도 5에 도시된 청색광에 비해 파장 변화가 크게 나타난다. 하지만, 종래와 비교해 볼 때, 전반적으로 파장 변화가 50% 이상 감소된 것으로, 파장 변화가 적은 발광소자를 제조할 수 있게 된다.

또한, 그래프를 통해 도시되고 있지 않지만, 피에조 전계 억제층(150)의 두께 감소로 양자 효과에 의해 높은 In 물질의 조성을 갖는 피에조 전계 억제층(150)의 발광 파장이 청색광과 동일한 파장 범위를 갖게 되어 고효율의 청색광을 발광하는 것이 가능해 진다. 이와 마찬가지로, 고효율의 녹색 InGaN 활성층과 녹색 InGaN 활성층보다 높은 In 물질의 조성을 가지며, 작은 두께를 갖는 피에조 전계 억체층을 이용함으로써, 파장 변화가 적은 녹색 발광소자를 구현할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자의 수직단면도,

도 2는 종래 질화물 반도체 발광소자의 주입 전류에 따른 EL 파장 변화를 나타낸 그래프,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 수직 단면도

도 4는 주입 전류에 따른 질화물 반도체 발광소자의 EL 강도를 나타낸 그래프,

도 5는 주입 전류에 따른 질화물 반도체 발광소자의 EL 파장 변화를 나타낸 그래프, 그리고,

도 6은 종래 기술에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 EL 파장 변화를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

100 : 질화물 반도체 발광소자 110 : 제1 반도체층

120 : 제1 클래드층 130 : 제1 광도파층

140 : 활성층 150 : 피에조 전계 억제층

160 : 스트레인 방지층 170 : 전자 차단층

180 : 제2 광도파층 190 : 제2 클래드층

200 : 제2 반도체층

Claims

기판 상에 형성된 제1 질화물 반도체층;

상기 제1 질화물 반도체층 상에 형성된 InGaN계 활성층;

상기 활성층에 형성되며, 상기 활성층의 격자 상수보다 큰 격자 상수를 갖는 물질을 포함하는 피에조(piezo) 전계 억제층; 및,

상기 활성층 상에 형성된 제2 질화물 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 활성층은,

In_xGa_(1-x)N(0＜x＜1)을 포함하는 양자 우물층; 및,

In_yGa_(1-y)N(0＜y＜1, x＞y)를 포함하는 장벽층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,

상기 피에조 전계 억제층은,

In_zGa_(1-z)N(0＜z＜1, x≤z)을 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,

상기 피에조 전계 억제층은,

상기 양자 우물층의 제1 두께와 동일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제2항에 있어서,

상기 피에조 전계 억제층은,

상기 양자 우물층의 제1 두께보다 작은 제2 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
기판 상에 형성된 제1 질화물 반도체층;

상기 제1 질화물 반도체층 상에 형성된 AlGaN계 활성층;

상기 활성층에 형성되며, 상기 활성층의 격자 상수보다 작은 격자 상수를 갖는 물질을 포함하는 피에조(piezo) 전계 억제층; 및,

상기 활성층 상에 형성된 제2 질화물 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제6항에 있어서,

상기 활성층은,

Al_xGa_(1-x)N(0＜x＜1)을 포함하는 양자 우물층; 및,

Al_yGa_(1-y)N(0＜y＜1, x＜y)를 포함하는 장벽층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제7항에 있어서,

상기 피에조 전계 억제층은,

Al_zGa_(1-z)N(0＜z＜1, x＞z)을 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제7항에 있어서,

상기 피에조 전계 억제층은,

상기 양자 우물층의 제1 두께와 동일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제7항에 있어서,

상기 피에조 전계 억제층은,

상기 양자 우물층의 제1 두께보다 작은 제2 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.