KR100906972B1 - Nitride based light emitting device - Google Patents
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Abstract
질화물계 발광 소자가 개시된다. 이 발광 소자는, 기판, 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층 및 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 개재되며 양자우물층과 양자장벽층을 갖는 활성층을 포함한다. 한편, 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 서로 다른 In 함량을 가지는 InzGa1 - zN (0.1<z<1)으로 이루어지는 제 1 스트레인 감소층과, Inz'Ga1 - z'N (0<z'<0.5)으로 이루어지는 제 2 스트레인 감소층이 적어도 1회 반복하여 형성되며, 상기 제 1 스트레인 감소층의 In함량은 상기 양자우물층의 In함량 보다 작고, 상기 양자장벽층의 In함량 보다 큰 것을 특징으로 한다.A nitride based light emitting device is disclosed. The light emitting element is interposed between a substrate, an n-type nitride semiconductor layer formed on the substrate, a p-type nitride semiconductor layer formed on the n-type nitride semiconductor layer, and the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer. It includes an active layer having a quantum well layer and a quantum barrier layer. On the other hand, the first strain reducing layer consisting of In z Ga 1 - z N (0.1 <z <1) having a different In content between the n-type nitride semiconductor layer and the active layer, and In z ' Ga 1 - z' A second strain reducing layer made of N (0 <z '<0.5) is formed at least once and the In content of the first strain reducing layer is smaller than the In content of the quantum well layer, and It is characterized by being larger than the In content.
스트레인 감소층, 내부양자효율, 양자우물층, 양자장벽층, 질화물계 Strain Reduction Layer, Internal Quantum Efficiency, Quantum Well Layer, Quantum Barrier Layer, Nitride
Description
본 발명은 질화물계 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 활성층을 성장하기 전에 스트레인 감소층을 삽입함으로써, n형 질화물 반도체층과 활성층 사이에 발생하는 격자 불일치를 감소시키고, 인접하는 양자우물층에 스트레인 완화(strain relaxation) 효과를 가져오고, 이에 따라 인듐 혼성(indium incorporation)이 향상되어 내부양자효율(internal quantum efficiency)이 개선됨과 동시에 상기 활성층에서 압전필드를 발생시키는 스트레인이 감소되어 내정전압 특성이 개선된 고효율 질화물계 발광소자에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride-based light emitting device, and more particularly, by inserting a strain reducing layer before growing the active layer, to reduce the lattice mismatch generated between the n-type nitride semiconductor layer and the active layer, to the adjacent quantum well layer It has a strain relaxation effect, thereby improving indium incorporation, thereby improving internal quantum efficiency, and reducing strain that generates a piezoelectric field in the active layer, thereby improving the withstand voltage characteristics. An improved high efficiency nitride based light emitting device is disclosed.
일반적으로, 질화물계 반도체는 풀컬러 디스플레이, 교통 신호등, 일반조명 및 광통신 기기의 광원으로 청/녹색 발광 다이오드(light emitting diode) 또는 레이저 다이오드(laser diode)에 널리 이용되고 있다. 이러한 질화물계 발광 소자는 n형 및 p형 질화물반도체층 사이에 위치한 InGaN 계열의 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하며, 상기 활성층에서 전자와 정공이 재결합하는 원리로 빛을 생성시켜 방출시킨다. 질화물계를 이용한 청색 및 자외선영역의 발광 소자는 많은 발전을 가져온 반면, 녹색 및 적색등의 장파장 영역에 대한 발광 소자를 구현하는 데에는 많 은 어려움을 가지고 있었다. GaN와 InN 사이에 11%의 격자부정합이 존재하기 때문에 InGaN 계열 다중양자우물구조에서는 양자우물과 양자장벽 계면에 강력한 스트레인이 발생하게 된다. 이러한 스트레인의 분포는 양자우물내의 스피노달 상분리 프로세스(spinodal decomposition process)와 밀접하게 연관되어 있다. 따라서 보통의 InGaN 계열의 다중양자우물구조의 경우, 양자우물 내에 15% 이상의 인듐을 넣으면 강력한 조성 요동(composition fluctuation) 혹은 인듐이 다량으로 뭉쳐있는 나노 클러스터(indium-rich nano cluster)들을 유발하게 된다. 다시 말해, GaN와 InN 사이의 격자불일치로 인하여 양자우물과 양자장벽 계면 근처에서 생성되는 강력한 양자가둠 스타크 효과(Quantum confined stark effect; QCSE)로 인하여 주입되는 캐리어들의 진로를 차단함으로써 커다란 청색 편이(Blue shift)가 발생하게 된다. 다른 한편으로는, 표면에 댕글링 본드들(dangling bonds)을 형성하여 이후 성장되는 GaN 결정상에 전위(dislocation) 밀도를 증가시킨다. 이러한 현상들은 곧바로 내부양자효율(internal quantum efficiency)의 저하를 초래한다.In general, nitride-based semiconductors are widely used in blue / green light emitting diodes or laser diodes as light sources for full color displays, traffic lights, general lighting and optical communication devices. The nitride-based light emitting device includes an InGaN-based multi-quantum well structured active layer disposed between n-type and p-type nitride semiconductor layers, and generates and emits light based on the principle of recombination of electrons and holes in the active layer. While light emitting devices in the blue and ultraviolet regions using nitrides have brought a lot of development, there have been many difficulties in implementing light emitting devices in the long wavelength region such as green and red. Due to the 11% lattice mismatch between GaN and InN, strong strain occurs at the interface between the quantum well and the quantum barrier in the InGaN series multi-quantum well structure. This strain distribution is closely related to the spinodal decomposition process in the quantum wells. Therefore, in the case of the ordinary InGaN-based multi-quantum well structure, injecting more than 15% of indium into the quantum well causes strong composition fluctuation or indium-rich nano clusters in which a large amount of indium is aggregated. In other words, large blue shifts are blocked by blocking the paths of carriers injected due to the strong quantum confined stark effect (QCSE) generated near the interface between the quantum well and the quantum barrier due to lattice mismatch between GaN and InN. shift) occurs. On the other hand, dangling bonds are formed on the surface to increase dislocation density on subsequently grown GaN crystals. These phenomena immediately lead to a decrease in internal quantum efficiency.
도 1은 종래의 질화물계 발광 소자의 에너지밴드 다이어그램이다. 종래에는 n형 질화물반도체층과 활성층이 연속되어 성장되었음을 볼 수 있다. 이러한 연속 성장은 격자상수의 차이로 인한 스트레인으로 인하여 활성층의 결정성을 크게 악화시킬 뿐 아니라, 활성층에 미치는 압전필드의 영향으로 파동함수간 거리가 증가되어 전자와 정공의 재결합 확률이 감소 되는 동시에 내정전압 특성의 저하를 가져온다. 이는 소자의 발광효율을 감소시키는 주요변수로 작용하게 된다. 또한, 장파장영역의 발광을 구현하기 위해서는 양자우물의 성장온도를 청색을 구현하기 위한 양 자우물의 성장온도에 대비하여 과도하게 내려야 하는데, 이때 발생하는 인듐 뭉침(Indium segregation)으로 고품위의 소자 제작이 어려워진다. 따라서 인듐 혼성(Indium incorporation)을 증가시키는 기술이 질화물계를 이용한 녹색-노랑-오렌지영역의 발광 소자를 구성하는 중요한 변수임에 틀림없다.1 is an energy band diagram of a conventional nitride based light emitting device. Conventionally, it can be seen that the n-type nitride semiconductor layer and the active layer are continuously grown. This continuous growth not only greatly deteriorates the crystallinity of the active layer due to the strain due to the difference in lattice constant, but also increases the distance between the wave functions due to the influence of the piezoelectric field on the active layer, reducing the probability of recombination of electrons and holes. This results in deterioration of the constant voltage characteristics. This acts as a major variable to reduce the luminous efficiency of the device. In addition, in order to realize light emission in the long wavelength region, the growth temperature of the quantum well should be excessively lowered in preparation for the growth temperature of both wells for implementing blue color, and the indium segregation generated at this time makes it possible to manufacture high quality devices. Becomes difficult. Therefore, the technique of increasing indium incorporation must be an important variable constituting the light emitting device of the green-yellow-orange region using the nitride system.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스트레인 감소층을 이용하여 인접한 양자우물내의 인듐 혼성(Indium incorporation)을 향상시켜 질화물계 발광소자의 내부양자효율(internal quantum efficiency)을 개선할 뿐만 아니라 활성층에서 압전필드를 발생시키는 스트레인 문제를 감소시켜 내정전압 특성의 향상을 꾀할 수 있는 고효율 질화물계 발광소자를 제공하는데, 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, by using an strain reducing layer to improve the indium incorporation (indium incorporation) in the adjacent quantum wells to improve the internal quantum efficiency (quantum efficiency) of the nitride-based light emitting device In addition, to provide a high-efficiency nitride-based light emitting device that can improve the withstand voltage characteristics by reducing the strain problem that generates the piezoelectric field in the active layer, an object thereof.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above object,
기판;Board;
상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;An n-type nitride semiconductor layer formed on the substrate;
상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 및A p-type nitride semiconductor layer formed on the n-type nitride semiconductor layer; And
상기 n형 질화물 반도체층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 개재되며 양자우물층과 양자장벽층을 갖는 활성층;을 포함하는 질화물계 발광소자에 있어서,A nitride-based light emitting device comprising: an active layer interposed between the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer and having a quantum well layer and a quantum barrier layer.
상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이에 서로 다른 In 함량을 가지는 InzGa1-zN (0.1<z<1)으로 이루어지는 제 1 스트레인 감소층과, Inz'Ga1 - z'N (0<z'<0.5)으로 이루어지는 제 2 스트레인 감소층이 적어도 1회 반복하여 형성되며, 상기 제 1 스트레인 감소층의 In함량은 상기 양자우물층의 In함량 보다 작고, 상기 양자장벽층의 In함량 보다 큰 것을 특징으로 한다.A first strain reducing layer made of In z Ga 1-z N (0.1 <z <1) having a different In content between the n-type nitride semiconductor layer and the active layer, and In z ' Ga 1 - z' N ( A second strain reduction layer made of 0 <z '<0.5) is formed at least once, and the In content of the first strain reduction layer is smaller than the In content of the quantum well layer, and the In content of the quantum barrier layer. It is characterized by being larger.
이때, 상기 제 1 스트레인 감소층의 In함량이 제 2 스트레인 감소층의 In함량 보다 큰 것이 바람직하며, 상기 제 1 스트레인 감소층은 인접하는 양자우물층 두께의 1/4 내지 1/2에 해당하는 두께를 갖는 것이 바람직하다.In this case, the In content of the first strain reduction layer is preferably larger than the In content of the second strain reduction layer, wherein the first strain reduction layer corresponds to 1/4 to 1/2 of the thickness of the adjacent quantum well layer. It is desirable to have a thickness.
또한, 상기 제 2 스트레인 감소층의 에너지 밴드갭은 상기 양자장벽층의 에너지 밴드갭과 동일한 것이 바람직하며, 상기 제 2 스트레인 감소층은 인접하는 양자장벽층 두께의 1/2 내지 3/4에 해당하는 두께를 갖는 것이 바람직하다.In addition, the energy band gap of the second strain reducing layer is preferably the same as the energy band gap of the quantum barrier layer, and the second strain reducing layer corresponds to 1/2 to 3/4 of the thickness of the adjacent quantum barrier layer. It is desirable to have a thickness to be.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제 1 스트레인 감소층 및 제 2 스트레인 감소층 중 적어도 하나의 층은 n형 불순물로 도핑될 수 있으며, 이때 상기 제 1 스트레인 감소층 및 제 2 스트레인 감소층의 n형 불순물 농도는 상기 활성층에 가까워질수록 증가하거나 감소할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, at least one of the first strain reducing layer and the second strain reducing layer may be doped with n-type impurities, wherein the first strain reducing layer and the second strain reducing layer The n-type impurity concentration may increase or decrease as it approaches the active layer.
또한, 상기 제 1 스트레인 감소층 및 제 2 스트레인 감소층은 1회 또는 2회 반복하여 형성되는 것이 보다 바람직하다.Further, the first strain reducing layer and the second strain reducing layer are more preferably formed once or twice.
또한, 상기 활성층은 양자우물층과 양자장벽층이 적어도 2회 반복하여 형성된 다중양자우물 구조일 수 있다.In addition, the active layer may be a multi-quantum well structure formed by repeating the quantum well layer and the quantum barrier layer at least twice.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 스트레인 감소층은 강한 스트레인 완화(strain relaxation)를 통해서 인접한 양자우물 내의 인듐 혼성(Indium incorporation)을 향상시키고, 이에 따라 고품위의 청색 영역의 질화물계 발광 소자뿐 아니라 녹색-적색등의 장파장 영역의 발광 소자를 구현하는 동시에 활성층에 서 압전필드를 발생시키는 스트레인 문제를 감소시켜 내정전압 특성을 크게 개선할 수 있다.As described above, according to the present invention, the strain reducing layer improves indium incorporation in adjacent quantum wells through strong strain relaxation, and thus not only high quality blue region nitride based light emitting devices By implementing a light emitting device having a long wavelength region such as green-red light, it is possible to greatly improve the constant voltage characteristic by reducing the strain problem of generating a piezoelectric field in the active layer.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention in more detail.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 질화물계 발광소자의 단면도이며, 도 3은 도 2의 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층 사이를 확대하여 도시한 부분 상세도이다.2 is a cross-sectional view of a nitride based light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an enlarged partial view of the n-type nitride semiconductor layer and the active layer of FIG. 2.
우선, 도 2를 참조하면, 상기 질화물계 발광소자는 상기 기판(2-1)상에 버퍼층(2-2)을 형성한 다음 순차적으로 형성된 n형 질화물반도체층(2-3), 활성층(2-4) 및 p형 질화물 반도체층(2-5)을 포함한다. 상기 n형 질화물반도체층(2-3)의 노출된 상면에는 n층 전극(2-6)이 상기 p형 질화물반도체층(2-5)의 노출된 상면에는 p층 전극(2-7)이 각각 제공된다.First, referring to FIG. 2, in the nitride-based light emitting device, an n-type nitride semiconductor layer 2-3 and an
본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 상기 n형 질화물반도체층(2-3)과 상기 활성층(2-4) 사이에 서로 다른 조성을 갖는 제 1 스트레인 감소층(2-b)과 제 2 스트레인 감소층(2-c)이 적어도 1회 반복하여 형성된 스트레인 감소층(2-a)을 포함한다. 이때, 바람직하게는 상기 제 1 스트레인 감소층과 제 2 스트레인 감소층이 1회 또는 2회 반복하여 형성되는 것이다.In the nitride-based light emitting device according to the present invention, the first strain reducing layer 2-b and the second strain reducing layer having different compositions between the n-type nitride semiconductor layer 2-3 and the active layer 2-4. (2-c) includes a strain reducing layer (2-a) formed at least once. In this case, preferably, the first strain reducing layer and the second strain reducing layer are repeatedly formed one or two times.
본 실시형태에서 채용되어진 스트레인 감소층((2-a)은 제 1 스트레인 감소층과 제 2 스트레인 감소층으로 인한 인듐 혼성(Indium incorporation)을 향상시켜 측방향 스트레인(lateral strain)을 완화하기 위해 적절한 에너지 밴드갭을 갖도록 구성될 수 있다.The strain reducing layer (2-a) employed in this embodiment is suitable for improving indium incorporation due to the first strain reducing layer and the second strain reducing layer to mitigate lateral strain. It can be configured to have an energy band gap.
보다 구체적으로, 도 3을 참조하여 설명하면, 상기 제 1 스트레인 감소층(2-b)의 에너지 밴드갭은 인접하는 양자우물층(3-1)의 에너지밴드갭보다 큰 값을 가지며 상기 양자장벽층(3-2)의 에너지밴드갭 보다 작은 값을 가지며, 이에 따라 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 상기 제 1 스트레인 감소층의 두께는 인접하는 양자우물층(3-1)의 1/4 내지 1/2에 해당하는 두께를 갖는 것이 바람직하다.More specifically, referring to FIG. 3, the energy band gap of the first strain reducing layer 2-b has a larger value than the energy band gap of the adjacent quantum well layer 3-1 and the quantum barrier. It has a smaller value than the energy bandgap of layer 3-2, thereby achieving the object of the present invention. Preferably, the thickness of the first strain reducing layer has a thickness corresponding to 1/4 to 1/2 of the adjacent quantum well layer 3-1.
상기 제 2 스트레인 감소층(2-c)의 에너지밴드갭은 인접하는 양자장벽층(3-2)의 에너지밴드갭과 거의 동일한 것이 바람직하며, 완전히 동일한 것이 보다 바람직하다. 상기 제 2 스트레인 감소층의 두께는 인접하는 양자장벽층(3-2)의 1/2 내지 3/4에 해당하는 두께를 갖는 것이 바람직하다.The energy band gap of the second strain reducing layer 2-c is preferably about the same as the energy band gap of the adjacent quantum barrier layer 3-2, and more preferably completely the same. The thickness of the second strain reducing layer preferably has a thickness corresponding to 1/2 to 3/4 of the adjacent quantum barrier layer 3-2.
따라서, 상기 n형 질화물 반도체층(2-3)과 활성층(2-4) 사이에 위치한 스트레인 감소층(2-a)은 큰 사이즈를 갖는 InGaN 원자들이 n형 질화물 반도체층(2-3)에 보다 쉽게 안착할 수 있도록 양자장벽층에 텐사일 스트레인(tensile strain)을 발생시키고 이에 따라 인접한 양자우물층(3-1)의 인듐 혼성(Indium incorporation)을 향상시킴으로써 내부양자효율(internal quantum efficiency)을 개선함과 동시에 압전필드 효과에 의한 영향을 저감시켜 전자와 정공의 파동함수거리의 증가를 억제하고 그에 따라 작동 전류(operation current) 증가에 따른 파장변화의 폭을 감소시킬 수 있다.Therefore, the strain reducing layer 2-a disposed between the n-type nitride semiconductor layer 2-3 and the active layer 2-4 has a large size of InGaN atoms in the n-type nitride semiconductor layer 2-3. The internal quantum efficiency is improved by generating a tensile strain in the quantum barrier layer so that it can be more easily settled, thereby improving the indium incorporation of adjacent quantum well layers 3-1. At the same time, the effect of the piezoelectric field effect can be reduced to suppress the increase in the wave function distance between the electron and the hole, and thus the width of the wavelength change due to the increase of the operation current can be reduced.
본 발명에서 사용하는 상기 스트레인 감소층의 제 1 스트레인 감소층 또는 제 2 스트레인 감소층 중 적어도 하나의 층은 n형 불순물로 도핑될 수 있다. 또한, 상기 제 1 스트레인 감소층 또는 제 2 스트레인 감소층의 n형 불순물 농도는 점차적으로 변경될 수 있도록 구성할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 스트레인 감소층 또는 제 2 스트레인 감소층의 n형 불순물 농도는 활성층에 가까워질수록 증가하거나 감소할 수 있다. 이 경우에, 상기 n형 질화물 반도체층의 불순물 농도는 그것에 인접한 저인듐 함유층(low indium content layer)의 불순물 농도보다 높거나 낮을 수 있다.At least one of the first strain reducing layer and the second strain reducing layer of the strain reducing layer used in the present invention may be doped with n-type impurities. In addition, the n-type impurity concentration of the first strain reducing layer or the second strain reducing layer may be configured to be gradually changed. For example, the n-type impurity concentration of the first strain reducing layer or the second strain reducing layer may increase or decrease as it approaches the active layer. In this case, the impurity concentration of the n-type nitride semiconductor layer may be higher or lower than the impurity concentration of the low indium content layer adjacent thereto.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 스트레인 감소층의 In함량은 제 2 스트레인 감소층의 In함량보다 큰 것이 보다 바람직하다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the In content of the first strain reducing layer is more preferably greater than the In content of the second strain reducing layer.
본 발명의 구체적인 실시형태에서, 활성층은 InxGa1 -xN(0.1<x<1)인 양자우물층과 InyGa1 -yN(0<y<0.5)인 양자장벽층이 적어도 2회 반복하여 형성된 다중양자우물구조일 수 있다. 여기서 양자우물층의 In 함량 x는 양자장벽층의 In 함량 y보다 큰 값을 가진다.In a specific embodiment of the invention, the active layer comprises at least two quantum well layers of In x Ga 1- x N (0.1 <x <1) and a quantum barrier layer of In y Ga 1- y N (0 <y <0.5). It may be a multi-quantum well structure formed repeatedly. The In content x of the quantum well layer has a larger value than the In content y of the quantum barrier layer.
도 4는 InGaN 계열의 다중양자 우물구조를 갖는 질화물계 발광소자에서 스트레인 감소층과 활성층 부분의 에너지밴드 다이어그램을 나타낸다.4 shows an energy band diagram of a strain reducing layer and an active layer in a nitride based light emitting device having an InGaN series multi-quantum well structure.
상기 제 1 스트레인 감소층의 에너지밴드갭(Eg)은 상기 인접하는 양자우물층의 에너지밴드갭(Eg1) 보다는 크지만 상기 양자장벽층의 에너지밴드갭(Eg1') 보다는 작게 설계되어 있다. 두께는 인접하는 양자우물층의 1/4 내지 1/2에 해당하는 두께를 가진다.The energy band gap Eg of the first strain reducing layer is designed to be larger than the energy band gap Eg1 of the adjacent quantum well layer but smaller than the energy band gap Eg1 'of the quantum barrier layer. The thickness has a thickness corresponding to 1/4 to 1/2 of the adjacent quantum well layer.
상기 제 2 스트레인 감소층의 에너지밴드갭(Eg')은 인접하는 양자장벽층의 에너지밴드갭(Eg1')과 거의 동일하며, 두께는 인접하는 양자장벽층의 1/2 내지 3/4에 해당하는 두께를 가진다.The energy band gap Eg 'of the second strain reducing layer is substantially the same as the energy band gap Eg1' of the adjacent quantum barrier layer, and the thickness corresponds to 1/2 to 3/4 of the adjacent quantum barrier layer. Has a thickness.
본 발명에 따른 질화물계 발광 소자의 제 1 실시예는 다음과 같다.A first embodiment of the nitride based light emitting device according to the present invention is as follows.
질화물계 발광소자의 성장 방법으로는 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy) 및 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 포함한 다양한 방법을 사용할 수 있으며, 본 실시예에서는 유기금속 화학 증착법(MOCVD)을 사용한다.Growth methods of nitride-based light emitting devices include metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam growth (MBE; Molecular Beam Epitaxy), and hydride vapor phase growth (HVPE). Various methods can be used, and the present embodiment uses organometallic chemical vapor deposition (MOCVD).
도 2를 참조하면, 기판(2-1)상에 버퍼층(2-2), n형 질화물반도체층(2-3), 스트레인 감소층(2-a), 활성층(2-4), p형 질화물반도체층(2-5)을 순차적으로 형성한다.2, a buffer layer 2-2, an n-type nitride semiconductor layer 2-3, a strain reducing layer 2-a, an active layer 2-4, and a p-type on the substrate 2-1. The nitride semiconductor layer 2-5 is formed sequentially.
상기 기판은 질화물계 발광소자를 제작하기 위한 웨이퍼를 지칭하는 것으로 사파이어(Al2O3), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘(Si), 갈륨아세나이드(GaAs) 등의 이종기판을 사용하거나, GaN와 같은 동종기판 중 적어도 하나의 기판을 사용한다. 본 실시 예에서는 사파이어로 구성된 결정 성장 기판을 사용한다.The substrate refers to a wafer for fabricating a nitride-based light emitting device, and uses a heterogeneous substrate such as sapphire (Al 2 O 3), silicon carbide (SiC), silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), or the like. At least one of the substrates is used. In this embodiment, a crystal growth substrate made of sapphire is used.
상기 버퍼층(2-2)은 상기 기판 상에 결정 성장시 기판과 후속층들간의 격자 부정합을 줄이기 위한 것으로, InAlGaN 계열이나 SiC 또는 ZnO을 포함하여 형성할 수 있다. 본 실시 예에서는 InAlGaN 계열로 구성된 버퍼층을 사용한다.The buffer layer 2-2 is to reduce lattice mismatch between the substrate and subsequent layers during crystal growth on the substrate, and may include InAlGaN series, SiC, or ZnO. In this embodiment, a buffer layer composed of InAlGaN series is used.
상기 n형 질화물계반도체층(2-3)은 전자가 생성되어지는 층으로, Si이 도핑된 n형 질화물계 반도체층을 사용한다. 본 실시예는 상기 n형 질화물반도체층으로 SiH4 이나 Si2H4 등의 불활성 기체를 사용하거나, 혹은 DTBSi와 같은 MO 소스(source)를 이용하여 1×1017/㎤~5×1019/㎤의 불순물농도를 가지는 n형 질화물 반도체층을 1.0~5.0㎛의 두께로 형성할 수 있다.The n-type nitride semiconductor layer 2-3 is a layer in which electrons are generated, and an n-type nitride semiconductor layer doped with Si is used. In this embodiment, an impurity concentration of 1 × 10 17 / cm 3 to 5 × 10 19 / cm 3 is used as an n-type nitride semiconductor layer by using an inert gas such as SiH 4 or Si 2 H 4, or by using an MO source such as DTBSi. It is possible to form an n-type nitride semiconductor layer having a thickness of 1.0 ~ 5.0㎛.
이어, 본 발명에서 제시한 바와 같이, InzGa1 -zN(0.1<z<1)으로 이루어지는 제 1 스트레인 감소층(2-b)과 제 2 스트레인 감소층(2-c)으로 이루어진 스트레인 감소층(2-a)을 1회 이상, 바람직하게는 1회 또는 2회 반복하여 형성할 수 있다. 이때에, 제 1 스트레인 감소층의 In 함량은 상기 인접하는 양자우물층(3-1)의 성장온도 대비 약 30℃(청색발광 이하 영역)~100℃(녹색발광 이상 영역) 상승시켜 In 함량을 줄이는 방법을 이용하게 되며, 이러한 방법을 사용하면 상기 인접하는 양자우물층(3-1)의 밴드갭(Eg1)보다는 크지만 상기 양자장벽층(3-2)의 밴드갭(Eg1') 보다는 작게 설계되어진다. 이때 상기 제 1 스트레인 감소층의 두께는 인접하는 양자우물층(3-1) 두께의 1/4 내지 1/2에 해당하는 두께를 가지게 되며, 예를 들면 1~3nm의 두께를 가질 수 있다. 이로써 제 1 스트레인 감소층(2-b)은 UV 영역의 발광이 이루어지도록 설계된다. 상기 제 2 스트레인 감소층(2-c)의 에너지밴드갭(Eg')은 인접하는 양자장벽층(3-2)의 밴드갭(Eg1')과 거의 동일하며, 바람직하게는 동일하게 된다. 또한, 상기 제 2 스트레인 감소층의 두께는 인접하는 양자장벽층(3-2)의 1/2 내지 3/4에 해당하는 두께를 가지도록 형성될 수 있으며, 예를 들면 5~20nm의 두께를 가질 수 있다.Then, as shown in the present invention, the strain consisting of the first strain reducing layer (2-b) and the second strain reducing layer (2-c) consisting of In z Ga 1 -z N (0.1 <z <1) The reduction layer 2-a may be formed by repeating one or more times, preferably one or two times. In this case, the In content of the first strain reducing layer is increased by about 30 ° C. (blue luminescent region) to 100 ° C. (green luminescent region or more) relative to the growth temperature of the adjacent quantum well layer 3-1. In this method, the method is larger than the band gap Eg1 of the adjacent quantum well layer 3-1 but smaller than the band gap Eg1 'of the quantum barrier layer 3-2. It is designed. In this case, the thickness of the first strain reducing layer may have a thickness corresponding to 1/4 to 1/2 of the thickness of the adjacent quantum well layer 3-1, and may have a thickness of, for example, 1 to 3 nm. As a result, the first strain reducing layer 2-b is designed to emit light in the UV region. The energy band gap Eg 'of the second strain reducing layer 2-c is substantially the same as the band gap Eg1' of the adjacent quantum barrier layer 3-2, and preferably becomes the same. In addition, the thickness of the second strain reducing layer may be formed to have a thickness corresponding to 1/2 to 3/4 of the adjacent quantum barrier layer (3-2), for example, a thickness of 5 ~ 20nm Can have
다음으로, 상기 활성층(2-4)을 형성하게 된다. 상기 활성층(2-4)은 InxGa11- xN(0.1<x<1) 양자우물층(3-1)과 InyGa1 -yN(0<y<0.5) 양자장벽층(3-2)이 2회 이상 10회 이하의 반복으로 이루어진 다중양자우물구조를 형성하였다. 좀 더 바람직하게 각 양자우물층(3-1)은 1~4nm 두께 및 In 함량(0.1<x<0.4)로 형성하였으며, 각 양자장벽층(3-2)은 5~20nm 두께 및 In 함량 (0<y<0.2)로 형성하였다.Next, the active layer 2-4 is formed. The active layer 2-4 includes an In x Ga1 1-x N (0.1 <x <1) quantum well layer 3-1 and an In y Ga 1- y N (0 <y <0.5) quantum barrier layer (3). -2) formed a multi-quantum well structure consisting of two or more and ten or fewer repetitions. More preferably, each quantum well layer 3-1 is formed with a thickness of 1-4 nm and In (0.1 <x <0.4), and each quantum barrier layer 3-2 has a thickness of 5-20 nm and an In content ( 0 <y <0.2).
다음으로, 상기 활성층(2-4) 위에 Mg이 도핑된 p형 질화물반도체층(2-5)을 형성한다. 여기서, Ga를 위한 소스 가스로는 트리메틸갈륨(TMGa) 또는 트리에틸갈륨(TEGa)을 사용할 수 있고, N을 위한 소스 가스로는 암모니아(NH3), 디메틸히드라진(DMHy)을 사용할 수 있고, Mg을 위한 소스 가스로는 CP2Mg 혹은 DMZn을 사용할 수 있다. 이를 이용하여 3~8×1017/㎤의 Mg 도핑농도와, 1~3㎛의 두께를 갖는 p형 질화물 반도체층(2-5)을 형성한다. 이후 적절하게 메사 에칭한 후에 상기 n형 질화물 반도체층(2-3)의 노출된 상면에는 n층 전극(2-6)이 상기 p형 질화물반도체층(2-5)의 노출된 상면에는 p층 전극(2-7)을 각각 형성한다.Next, a p-type nitride semiconductor layer 2-5 doped with Mg is formed on the active layer 2-4. Here, trimethylgallium (TMGa) or triethylgallium (TEGa) may be used as a source gas for Ga, and ammonia (NH 3), dimethylhydrazine (DMHy) may be used as a source gas for N, and a source for Mg. The gas may be CP2Mg or DMZn. Using this, a p-type nitride semiconductor layer 2-5 having an Mg doping concentration of 3 to 8 x 10 17 / cm 3 and a thickness of 1 to 3 mu m is formed. After proper mesa etching, the n-layer electrode 2-6 is exposed on the exposed upper surface of the n-type nitride semiconductor layer 2-3, and the p-layer is disposed on the exposed upper surface of the p-type nitride semiconductor layer 2-5. The electrodes 2-7 are formed, respectively.
(비교예)(Comparative Example)
상기한 실시예와 동일한 조건으로 질화물 발광소자를 제조하되, 본 발명에서 채용한 스트레인 감소층을 제외하였다. A nitride light emitting device was manufactured under the same condition as the above-described embodiment, except for the strain reducing layer employed in the present invention.
상기한 실시예와 비교예에서 얻어진 질화물 발광소자를 전류를 0에서 50㎃까지 단계적으로 증가시키면서 방출광의 파장변화를 확인하여 그 결과를 도 5의 그래프로 도시하였다.The nitride light emitting devices obtained in the above-mentioned Examples and Comparative Examples were confirmed by changing the wavelength of emitted light while gradually increasing the current from 0 to 50 mA and the results are shown in the graph of FIG. 5.
도 5에 도시된 바와 같이, 10㎃에서 50㎃로 전류가 증가할 때에, 비교예의 경우에는 방출광 파장이 517㎚에서 498㎚까지 약 20㎚정도 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 본 발명에 따른 실시예의 경우에는 동일한 전류증가범위에서 526㎚에서 518㎚정도로 약 8㎚정도에 불과한 파장변화만이 관찰되었다. 이러한 전류증가에 따른 파장변화정도로 다음의 두가지를 생각할 수 있다. 한가지는 동일한 양자우물 성장온도에서 비교예의 경우 517nm의 방출광 파장을 얻은 반면, 실시예에서는 약 10nm 길어진 526nm의 방출광 파장을 얻었다. 이는 스트레인 감소층이 인접한 양자우물내의 인듐 혼성(Indium incorporation)을 향상시켜 장파장쪽으로 발출광의 파장이 변화한 것이다. 다음으로는 압전필드에 의한 전자 및 전공의 파동함수의 거리차로 인해 발생된 것으로서 비교예에서는 파동함수의 거리차가 크게 존재하지만, 본 발명에서는 매우 크게 감소되어 압전필드에 의한 영향이 매우 미약한 것으로 이해될 수 있다.As shown in FIG. 5, when the current increases from 10 mA to 50 mA, in the case of the comparative example, it can be seen that the emission light wavelength is lowered by about 20 nm from 517 nm to 498 nm. In contrast, in the case of the embodiment according to the present invention, only a wavelength change of about 8 nm was observed in the same current increase range from 526 nm to 518 nm. The following two things can be considered as the degree of change of wavelength according to the increase of the current. One obtained emission wavelengths of 517 nm in the comparative example at the same quantum well growth temperature, while the emission wavelength of 526 nm was increased by about 10 nm in the example. This is because the strain reducing layer improves indium incorporation in adjacent quantum wells, and thus the wavelength of emitted light changes toward the longer wavelength. Next, due to the distance difference between the wave function of the electron and the electromagnet by the piezoelectric field, the distance difference of the wave function is large in the comparative example, but in the present invention is greatly reduced and the influence by the piezoelectric field is very weak. Can be.
이와 같이, 본 발명에 따른 스트레인 감소층은 인접하는 양자우물층의 인듐 혼성(indium corporation)을 향상시켜 내부양자효율(internal quantum efficiency)이 개선된 고품위의 청색 발광소자뿐 아니라 장파장영역의 발광소자를 구현할 수 있는 동시에 활성층에서 압전필드를 발생시키는 스트레인 문제를 감소시켜 내정전압의 향상 등의 특성을 크게 향상시킬 수 있다.As described above, the strain reducing layer according to the present invention improves the indium corporation of the adjacent quantum well layers, thereby improving not only high-quality blue light emitting devices having improved internal quantum efficiency, but also light emitting devices having long wavelength regions. At the same time, it is possible to reduce the strain problem of generating the piezoelectric field in the active layer, thereby greatly improving characteristics such as improvement of the constant voltage.
상기한 실시예에서는 질화물계 발광소자를 중심으로 예시하여 설명하였으나, 본 발명이 반도체 레이저소자와 같이 유사한 구조를 갖는 다른 질화물계 광소자에도 유익하게 채용될 수 있다는 것은 당업자에게 자명한 사실이다.In the above embodiment, a nitride-based light emitting device has been described as an example, but it is apparent to those skilled in the art that the present invention can be advantageously employed in other nitride-based optical devices having a similar structure, such as semiconductor laser devices.
이상으로, 본 발명에 대해서 바람직한 실시예를 통하여 상세히 설명하였으 나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.As described above, the present invention has been described in detail through preferred embodiments, but the scope of the present invention is not limited to the specific embodiments, and should be interpreted by the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.
도1은 종래의 질화물계 발광 소자의 에너지밴드 다이어그램이다.1 is an energy band diagram of a conventional nitride based light emitting device.
도2는 본 발명에 따른 질화물계 발광 소자의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a nitride-based light emitting device according to the present invention.
도3은 본 발명에 따른 질화물계 발광 소자의 부분 상세도이다.3 is a partial detailed view of a nitride-based light emitting device according to the present invention.
도4은 본 발명에 따른 질화물계 발광 소자의 에너지밴드 다이어그램이다.4 is an energy band diagram of a nitride-based light emitting device according to the present invention.
도5은 본 발명에 따른 질화물계 발광 소자와 종래의 질화물계 발광 소자의 전류증가에 대한 방출광의 파장변화를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the wavelength change of the emitted light with respect to the current increase of the nitride-based light emitting device and the conventional nitride-based light emitting device according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>
2-1: 기판, 2-2: 버퍼층2-1: substrate, 2-2: buffer layer
2-3: n형 질화물 반도체층 2-3: n-type nitride semiconductor layer
2-4: 활성층2-4: active layer
2-5: p형 질화물 반도체층 2-5: p-type nitride semiconductor layer
2-6: n층 전극, 2-7: p층 전극2-6: n-layer electrode, 2-7: p-layer electrode
2-a: 스트레인 감소층2-a: strain reducing layer
2-b: 제1 스트레인 감소층2-b: first strain reducing layer
2-c: 제2 스트레인 감소층2-c: second strain reducing layer
3-1: 양자우물층, 3-2: 양자장벽층3-1: quantum well layer, 3-2: quantum barrier layer
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