KR100903103B1 - 화합물 반도체를 이용한 발광소자 - Google Patents

화합물 반도체를 이용한 발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 활성층 내에서의 전자, 정공의 결합률을 극대화하여 전기적 특성 및 내부 양자 효율을 향상시킬 수 있는 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자는 기판과, 상기 기판 상에 구비되어 활성층을 포함하여 구성되는 화합물 반도체층 및 상기 활성층의 상부, 하부 중 적어도 어느 한 곳 이상에 구비되는 상기 활성층에 전자 또는 정공을 균일하게 공급하는 역할을 하는 전류확산층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
내부양자효율, 전류확산, 화합물반도체

Description

화합물 반도체를 이용한 발광소자{Compound semiconductor light emitting device}
본 발명은 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 활성층 내에서의 전자, 정공의 결합률을 극대화하여 전기적 특성 및 내부 양자 효율을 향상시킬 수 있는 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 LED라 칭함)는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED 등이 정보통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 광원으로 이용되고 있다.
최근에는 질화물계 화합물 반도체를 이용한 발광소자가 주목받고 있다. 그 이유 중 하나는, GaN을 In, Al 등의 원소와 조합하여 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체층들을 제조할 수 있기 때문이다. 이러한 질화물계 발광소자는 평판표시장치, 신호등, 실내 조명, 고해상도 출력 시스템, 광통신 등 다양한 분야에 널리 이용되고 있다.
질화물계 발광소자의 구조를 살펴보면 일반적으로 도 1에 도시한 바와 같이 n-전극(110), 기판(101), 질화물계 반도체층 및 p-전극(120)으로 구성된다. 상기 질화물계 반도체층은 n형 반도체층(102), 활성층(103) 및 p형 반도체층(104)이 순차적으로 적층되어 구성되며, 상기 n-전극(110)과 p-전극(120)은 각각 n형 반도체층(102)의 상부와 p형 반도체층(104)의 상부에 구비된다.
이와 같은 질화물계 발광소자에 있어서, n-전극(110)과 p-전극(120) 사이에 전압이 인가되면 n형 반도체층(102)과 p형 반도체층(104)으로부터 각각 전자(electrons)와 정공(holes)이 발생되어 활성층(103)으로 유입되며, 전자와 정공이 결합함으로써 활성층(103)으로부터 광이 발생된다.
한편, 활성층(103)의 광추출 효율(light extraction efficiency)을 향상시키기 위해서는 n형 반도체층(102)에서 발생되는 전자의 농도와 p형 반도체층(104)에서 발생되는 정공의 농도가 유사해야 한다.
그러나, 종래의 질화물계 발광소자의 경우, 통상 n형 반도체층(102)은 1.0 x 1019 cm-3의 전자 농도를 발생시키는 반면, p형 반도체층(104)은 정공을 제공하는 효율이 좋지 않아 일반적으로 5.0 x 1017 cm-3의 정공 농도를 발생시킨다. 상기 p형 반도체층(104) 내에 보다 많은 p형 불순물을 도핑할 수는 있으나, 전술한 바와 같이 정공 제공 효율이 떨어져 p형 불순물의 도핑 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이에 따라, 상기 p형 반도체층(104)에 비해 상기 n형 반도체층(102)의 저항이 상대적으로 작게 되어 상기 p-전극(120)과 가까운 활성층(103)의 영역에 전자와 정공의 몰리게 되며, 이로 인해 전류 인가시 활성층(103) 전체에 균일하게 전류가 확산되지 못하여 질화물계 발광소자의 전기적 특성 및 내부 양자 효율(internal quantum efficiency)이 감소되는 문제가 야기된다.
이를 방지하기 위해, 종래의 다른 기술은 상기 p-전극(120)과 p형 반도체층(104) 사이에 투명전극(105)을 사용하고 이를 상기 p형 반도체층(104)의 전면 상에 증착하는 기술을 제시하고 있으나 근본적인 해결에 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 활성층 내에서의 전자, 정공의 결합률을 극대화하여 전기적 특성 및 내부 양자 효율을 향상시킬 수 있는 화합물 반도체를 이용한 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자는 기판과, 상기 기판 상에 구비되어 활성층을 포함하여 구성되는 화합물 반도체층 및 상기 활성층의 상부, 하부 중 적어도 어느 한 곳 이상에 구비되는 상기 활성층에 전자 또는 정공을 균일하게 공급하는 역할을 하는 전류확산층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전류확산층은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ 산화물 반도체로 구성되며, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되고, 상기 Ⅱ-Ⅵ 산화물 반도체는 MgxZn1-xO(0≤x≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성될 수 있다.
상기 전류확산층은 적어도 하나 이상의 단위 전류확산층으로 구성되며, 각각의 단위 전류확산층은 복수의 전류유도층으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 전류유도층 내에 n형 불순물 이온 또는 p형 불순물 이온이 도핑될 수 있으며, 상기 전류 유도층 내에 n형 불순물 이온이 도핑된 경우, 상기 전류유도층 내의 n형 불순물 이온의 도핑 농도는 5 x 1019 cm-3 보다 작으며, 상기 전류유도층 내에 p형 불순물 이온이 도핑된 경우, 상기 전류유도층 내의 p형 불순물 이온의 도핑 농도는 1 x 1020 cm-3 보다 작다. 여기서, 상기 전류유도층은 1∼300nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 단위 전류확산층을 구성하는 복수의 전류유도층에 있어서, 최대 농도의 전류유도층과 최소농도의 전류유도층 사이의 도핑 농도비는 1 : 0.00001∼0.5이며, 상기 단위 전류확산층을 구성하는 복수의 전류유도층 중에 n형 불순물 이온 또는 p형 불순물 이온이 도핑되지 않은 전류유도층이 구비될 수도 있다.
또한, 상기 단위 전류확산층을 구성하는 복수의 전류유도층에 있어서, 각각의 전류유도층은 불순물이 도핑되지 않거나 상대적으로 낮은 불순물 농도를 갖거나 또는 상대적으로 높은 불순물 농도를 갖는 층으로 구성될 수 있으며, 이러한 전류유도층이 적어도 하나 이상 조합되어 단위 전류확산층을 구성하며, 상기 단위 전류확산층 내의 각 전류유도층 사이의 저항 차이에 의해 전류가 전류확산층의 수평 방향으로 균일하게 확산되어 활성층에 균일하게 공급될 수 있다.
상기 n형 불순물 이온으로 실리콘(Si) 이온이 이용되고, 상기 p형 불순물 이온으로 마그네슘(Mg) 이온이 이용될 수 있다.
또한, 상기 기판은 실리콘(Si) 기판, GaAs 기판, MgO 기판, 사파이어(Al2O3) 기판 중 어느 하나 또는 이들 기판 중 어느 하나 상에 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중 어느 하나가 적층된 템플릿 기판을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
활성층 상부, 하부 중 적어도 어느 한 곳에 일정 농도의 n형 불순물 이온 또는 p형 불순물 이온이 도핑된 전류확산층이 구비됨에 따라, 전계 인가시 활성층 내에서의 전자와 정공의 결합률을 극대화시켜 활성층 내에 균일하게 전류를 확산시킬 수 있게 되며, 궁극적으로 누설전류, 항복전압 등의 전기적 특성 및 발광소자의 내부 양자 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 발광소자의 정전기 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자의 단면 구성도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류확산층의 구성을 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 n형 전류확산층의 단면 구성도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 p형 전류확산층의 단면 구성도이다.
도 2a에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자는 기판(201)과, 상기 기판(201) 상에 구비되는 화합물 반도체층으로 구성된다. 상기 화합물 반도체층은 상기 n형 반도체층(202), 활성층(203), p형 반도체층(204) 및 전류확산층을 포함하여 구성된다. 상기 전류확산층은 상기 활성층(203)의 상부, 하부 또는 상하부 모두에 구비될 수 있으며, 예를 들어 상기 n형 반도체층(202)과 활성층(203) 사이 또는 상기 활성층(203)과 p형 반도체층(204) 사이에 구비되거나 상기 n형 반도체층(202)과 활성층(203) 사이 및 상기 활성층(203)과 p형 반도체층(204) 사이 모두에 구비될 수 있다. 또한, 도면에 도시하지 않았지만 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자의 일측에는 발광소자에 전계를 인가하기 위한 n-전극, p-전극이 구비된다. 참고로, 발광소자는 그 형태에 따라 수평형과 수직형으로 구분되는데, 본 발명의 발광소자는 수평형 및 수직형 발광소자에 모두 적용 가능하다.
상기 기판(201)은 실리콘(Si) 기판(201), GaAs 기판(201), MgO 기판(201), 사파이어(Al2O3) 기판(201) 중 어느 하나 또는 이들 기판(201) 중 어느 하나 상에 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중 어느 하나가 적층된 템플릿 기판(201)을 이용할 수 있다.
상기 화합물 반도체층을 구성하는 상기 n형 반도체층(202), 활성층(203), p형 반도체층(204) 및 전류확산층은 모두 화합물 반도체로 구성되며, 일 실시예로 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ 산화물 반도체로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체로는 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질을 이용할 수 있으며, 상기 Ⅱ-Ⅵ 산화물 반도체로는 MgxZn1-xO(0≤x≤1)의 일반식에 포함되는 물질을 이용할 수 있다.
상기 n형 반도체층(202)과 p형 반도체층(204)은, 상기 n-전극과 p-전극에 전계가 인가되면 각각 전자와 정공을 발생시켜 상기 활성층(203)에 공급하여 궁극적으로 상기 활성층(203) 내에서 전자와 정공의 결합을 유도하는 역할을 수행한다.
상기 전류확산층은 일정 농도의 전자 또는 정공을 구비하여 전계 인가시 해당 전자 또는 정공을 상기 활성층(203)에 공급함으로써 활성층(203) 전체에 전류가 균일하게 확산하도록 하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 상기 전류확산층에는 n형 불순물 이온 또는 p형 불순물 이온이 도핑되어 있으며, p형 불순물 이온이 도핑된 전류확산층은 활성층(203)과 p형 반도체층(204) 사이에 구비되고, n형 불순물 이온이 도핑된 전류확산층은 n형 반도체층(202)과 활성층(203) 사이에 구비된다. 이하에서, 설명의 편의상 n형 반도체층(202)과 활성층(203) 사이에 구비되는 전류확산층은 n형 전류확산층, 활성층(203)과 p형 반도체층(204) 사이에 구비되는 전류확산층은 p형 전류확산층으로 명명하기로 한다. 여기서, 상기 전류확산층이 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체로 이루어질 경우, 상기 n형 불순물 이온으로는 실리콘(Si) 이온, 상기 p형 불순물 이온으로는 마그네슘(Mg) 이온이 사용될 수 있다.
한편, 상기 전류확산층은 도 2b에 도시한 바와 같이 적어도 하나 이상의 단위 전류확산층으로 구성되며, 각각의 단위 전류확산층은 복수의 전류유도층으로 구성된다. 상기 단위 전류확산층을 구성하는 전류유도층은 전류확산층을 구성하는 최 소 단위의 층으로서 상기 전류유도층 내에 실질적으로 n형 불순물 이온 또는 p형 불순물 이온이 도핑된다. 또한, 상기 전류유도층은 1∼300nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
하나의 단위 전류확산층을 구성하는 복수의 전류유도층은 서로 다른 도핑 농도로 구성되는 것이 바람직하나, 동일한 도핑 농도를 가질 수도 있다. n형 전류확산층을 구성하는 경우 상기 전류유도층은 5 x 1019 cm-3 농도 이하의 n형 불순물 이온으로 도핑되는 것이 바람직하며, p형 전류확산층을 구성하는 경우 상기 전류유도층은 1 x 1020 cm-3 농도 이하의 p형 불순물 이온으로 도핑되는 것이 바람직하다. 여기서, 단위 전류확산층을 구성하는 복수의 전류유도층에 있어서, 최대 농도의 전류유도층과 최소농도의 전류유도층 사이의 도핑 농도비는 1 : 0.00001∼0.5로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 상기와 같은 도핑 농도로 불순물 이온이 도핑되는 전류유도층 이외에 상기 단위 전류확산층을 구성하는 복수의 전류유도층 중 불순물 이온이 도핑되지 않은 전류유도층이 구비될 수도 있다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 n형 전류확산층, p형 전류확산층을 나타낸 것으로서, 도 3은 단위 전류확산층(310)이 저농도(1 x cm-3)의 전류유도층(301)과 고농도(1 x 1019cm-3)의 전류유도층(301)으로 구성되고, 이와 같은 단위 전류확산층(310)이 5번 반복 적층되어 n형 전류확산층(300)을 구성한 것을 나타낸 것이고, 도 4는 단위 전류확산층(410)이 저농도(1 x 1016cm-3)의 전류유도 층(401)과 고농도(5 x 1017cm-3)의 전류유도층(401)으로 구성되고, 이와 같은 단위 전류확산층(410)이 5번 반복 적층되어 p형 전류확산층(400)을 구성한 것을 나타낸 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자의 단면 구성도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자의 단면 구성도.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류확산층의 구성을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 n형 전류확산층의 단면 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 p형 전류확산층의 단면 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
201 : 기판 202 : n형 반도체층
203 : 활성층 204 : p형 반도체층
301, 401 : 전류유도층
310, 410 : 단위 전류확산층
300, 400 : 전류확산층

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 구비되어 활성층을 포함하여 구성되는 화합물 반도체층; 및
    상기 활성층의 상부 및 하부에 구비되어 상기 활성층에 전자 또는 정공을 균일하게 공급하는 역할을 하는 전류확산층을 포함하여 구성되며,
    상기 전류확산층은 적어도 하나 이상의 단위 전류확산층으로 구성되고, 각각의 단위 전류확산층은 복수의 전류유도층으로 구성되며,
    상기 복수의 전류유도층은 n형 불순물 이온 또는 p형 불순물 이온이 도핑된 전류유도층과, n형 불순물 이온 또는 p형 불순물 이온이 도핑되지 않은 전류유도층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류확산층은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ 산화물 반도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 Ⅱ-Ⅵ 산화물 반도체는 MgxZn1-xO(0≤x≤1)의 일반식 에 포함되는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전류유도층 내에 n형 불순물 이온이 도핑된 경우, 상기 전류유도층 내의 n형 불순물 이온의 도핑 농도는 5 x 1019 cm-3 보다 작은 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전류유도층 내에 p형 불순물 이온이 도핑된 경우, 상기 전류유도층 내의 p형 불순물 이온의 도핑 농도는 1 x 1020 cm-3 보다 작은 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 전류확산층을 구성하는 복수의 전류유도층에 있어서, 최대 농도의 전류유도층과 최소농도의 전류유도층 사이의 도핑 농도비는 1 : 0.00001∼0.5인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전류유도층은 1∼300nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘(Si) 기판, GaAs 기판, MgO 기판, 사파이어(Al2O3) 기판 중 어느 하나 또는 이들 기판 중 어느 하나 상에 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중 어느 하나가 적층된 템플릿 기판인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
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