KR100911775B1

KR100911775B1 - 질화물계 발광소자

Info

Publication number: KR100911775B1
Application number: KR20070107898A
Authority: KR
Inventors: 최재빈
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2009-08-11
Also published as: KR20090042032A

Abstract

본 발명은 제 1 도전형 질화물 반도체층, 제 2 도전형 반도체층 및 그 사이에 개재되는 활성층을 포함하여 이루어지는 질화물계 발광소자에 있어서, 상기 활성층은 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 가지며, 상기 양자장벽층은 Al으로 이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑됨을 특징으로 한다.

이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑, 압축 스트레인, 다중양자우물 구조, 양자장벽층, 질화물계

Description

질화물계 발광소자{A nitride based light emitting device}

본 발명은 질화물계 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양자우물층 및 양자장벽층으로 이루어진 활성층중 양자장벽층 성장시에 Al을 이소-일렉트로닉(iso- electronic) 도핑하여 양자장벽층 성장시에 발생하는 Ga의 빈자리를 Al 원자들로 채워줌으로써, 활성층의 결정성 개선을 꾀하고 이를 통하여 고휘도의 특성을 갖는 질화물계 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물계 반도체는 풀컬러 디스플레이, 교통 신호등, 일반조명 및 광통신기기의 광원으로 청/녹색 발광 다이오드(light emitting diode) 또는 레이져 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 많은 어려움을 가지고 있었다. GaN와 InN 사이에 11%의 격자부정합이 존재하기 때문에 InGaN 계열 다중양자우물구조에서는 양자우물과 양자장벽 계면(junction)에 강력한 스트레인이 발생하게 된다.

이러한 스트레인의 분포는 양자우물내의 스피노달 상분리 프로세스(spinodal decomposition process)와 밀접하게 연관되어 있다. 따라서 보통의 InGaN 계열의 다중양자우물구조의 경우, 양자우물내에 15% 이상의 인듐을 넣으면 강력한 합성 요동(composition fluctuation) 혹은 인듐이 다량으로 뭉쳐있는 나노 클러스터(indium-rich nano cluster)들을 유발하게 된다. 다시말해, GaN와 InN 사이의 격자불일치로 인하여 양자우물과 양자장벽 계면 근처에서 생성되는 강력한 양자 가둠 스타크 효과(Quantum confined stark effect, QCSE)로 인하여 주입되는 캐리어들의 진로를 차단함으로써 커다란 Blue shift가 발생하게 된다. 다른 한편으로는, 표면에 매달임 결합(dangling bonds)을 형성하여 이후 성장되는 양자장벽층 결정상에 Ga 빈자리에 의한 전위밀도(dislocation) 확률을 높이게 된다. 이러한 현상들은 곧바로 내부양자효율(internal quantum efficiency)의 저하를 초래하게 된다.

본 발명은, 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 양자우물층 및 양자장벽층으로 이루어진 활성층중 양자장벽층 성장시에 Al을 이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑하여 작은양의 Al 원자들이 양자장벽층내의 Ga 빈자리를 채워줌으로써 스크류 전위(screw dislocation)를 포함한 결함밀도(defect density)를 줄어들게 하는데 그 기술적 과제가 있다.

위와 같이 Al 원자들이 Ga 빈자리를 채움으로써, Ga 빈자리가 Al로 채워지지 않은 경우와 비교할 때, 상대적으로 압축 스트레인이 감소되게 하여, 고휘도의 특성을 갖는 질화물계 발광소자를 구현할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 제 1 도전형 질화물 반도체층, 제 2 도전형 반도체층 및 그 사이에 개재되는 활성층을 포함하여 이루어지는 질화물계 발광소자에 있어서, 상기 활성층은 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 가지며, 상기 양자장벽층은 Al으로 이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑됨을 특징으로 한다. 이때 상기 양자장벽층의 Al 이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑농도는 1×10¹⁷/㎤~5×10¹⁸/㎤ 범위인 것이 바람직하다.

또한, 상기 양자장벽층은 Al의 이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑과 동시에 n형 불순물을 도핑하는 것이 보다 바람직하며, 이때 상기 양자장벽층내 n형 불순물 도핑농도는 1×10¹⁷/㎤~5×10¹⁸/㎤ 범위인 것이 바람직하다.

또한, 보다 바람직하게는 상기 양자장벽층내 Al의 이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑농도와 n형 불순물의 도핑농도가 동일한 것이다.

본 발명은 제 1 도전형 질화물 반도체층, 제 2 도전형 질화물 반도체층 및 그 사이에 개재된 활성층을 포함하여 이루어진 질화물계 발광소자에 관한 것이다. 특히 본 발명에서는 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어진 활성층에서 양자장벽층내에 Al을 iso-electonic 도핑하는 것을 특징으로 하며, 이를 통해 양자장벽층 성장시 발생하는 Ga 빈자리를 Al이 대신하여 채워줌으로써 압축 스트레인( compressive strain) 개선을 통해 고휘도의 특성을 갖는 질화물계 발광소자를 구현할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 질화물 발광소자의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 질화물계 발광소자는 상기 기판(2-1) 상에 버퍼층(2-2)을 형성한 다음 순차적으로 형성된 제 1 도전형 질화물 반도체층(2-3), 활성층(2-4) 및 제 2 도전형 질화물 반도체층(2-5)을 포함한다. 이때, 상기 제 1 도전형 질화물 반도체층 및 제 2 도전형 질화물 반도체층은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형 질화물 반도체층일 수 있으며, 이후 실시예에서는 제 1 도전형 질화물 반도체층을 n형 질화물 반도체층으로, 그리고 제 2 도전형 질화물 반도체층을 p형 질화물 반도체층으로 하여 설명한다.

본 발명의 구체적인 실시형태에서, 활성층은 In_xGa₁ _-xN(0.1<x<1)인 양자우물층과 In_yGa₁ _-yN(0<y<0.5)인 양자장벽층이 적어도 2회 반복하여 형성된 다중양자우물 구조일 수 있다. 여기서 양자우물층의 In 함량 x는 양자장벽층의 In 함량 y보다 큰 값을 가진다.

본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 일 실시예는 다음과 같다.

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.

도 1을 참조하면, 기판(2-1)상에 버퍼층(2-2), n형 질화물반도체층(2-3), 활성층(2-4) 및 p형 질화물반도체층(2-5)을 순차적으로 형성한다. 여기서 활성층은 양자우물층(2-a), 양자장벽층(2-b)의 순으로 구성되어 있으나, 이는 예시일뿐 양자장벽층(2-b)가 먼저 형성될 수도 있다.

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 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 사파이어로 구성된 결정 성장 기판을 사용한다.

상기 버퍼층(2-2)은 상기 기판 상에 결정 성장시 기판과 후속층들 간의 격자 부정합을 줄이기 위한 것으로, InAlGaN 계열이나 SiC 또는 ZnO을 포함하여 형성할 수 있다. 본 실시 예에서는 InAlGaN 계열로 구성된 버퍼층을 사용한다.

상기 n형 질화물계반도체층(2-3)은 전자가 생성되는 층으로, Si이 도핑된 n형 질화물계 반도체층을 사용한다. 본 실시예에서는 SiH4 이나 Si2H4등의 불활성 기체를 사용하거나, 혹은 DTBSi와 같은 MO source를 이용하여 1×10¹⁷/㎤~5×10¹⁹/㎤의 불순물농도를 갖는 n형 질화물반도체층을 1.0~5.0㎛의 두께로 형성할 수 있다.

다음으로, 상기 활성층(2-4)을 형성하였다. 상기 활성층(2-4)은 인듐 혼성(incorporation)의 향상을 위해서 질소분위기에서 In_xGa1₁ _-xN(0.1<x<1) 양자우물층(2-a)과 In_yGa₁ _-yN(0<y<0.5) 양자장벽층(2-b)이 적어도 2회 이상 10회 이하의 반복으로 이루어진 다중양자우물구조를 형성하였다. 좀 더 바람직하게 양자우물층(2-a)은 1-4nm 두께 및 성장온도 700-800도 사이에서 성장하게 된다.

다음으로 성장온도를 양자우물층 대비 50-200℃ 높은 온도로 일정한 가열비율(heating-rate)을 가지고 올려준 다음에 양자장벽층(2-b)을 5-20nm 두께 및 인듐 함량 (0<y<0.5) 사이로 형성하였다. 이때에 스트레인(strain)을 감소시키기 위해서 Al을 이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑하여 준다. 이때에 Al 도핑 수준(doping level)은 질화물계 발광 소자의 작동전압을 낮추는 동시에 막질(crystal quality)을 개선하기 위한 n형 불순물 도핑 농도와 동일한 수준의 1×10¹⁷/㎤~5×10¹⁸/㎤ 범위를 가질 수 있으며, 보다 바람직하게는 두 값이 동일한 값일 수도 있다.

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 1~3㎛의 두께를 가지는 p형 질화물반도체층 (2-5)을 형성한다. 이후 적절하게 메사에칭한 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.

본 발명에 따른 양자장벽층내에 Al을 이소-일렉트로닉(iso-electonic) 도핑하는 것은 양자장벽층 성장시 발생하는 Ga의 빈자리를 Al이 대신하여 채워줌으로써 압축 스트레인(compressive strain) 개선을 통해 고휘도의 특성을 갖는 질화물계 발광소자를 구현하기 위한 것이다.

상기한 실시예에서는 질화물계 발광소자를 중심으로 예시하여 설명하였으나, 본 발명이 반도체 레이저소자와 같이 유사한 구조를 갖는 다른 질화물계 광소자에 도 유익하게 채용될 수 있다는 것은 당업자에게 자명한 사실이다.

이상으로, 본 발명에 대해서 바람직한 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 발광소자의 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

2-1: 기판 2-2: 버퍼층

2-3: n형 질화물 반도체층 2-4: 활성층

2-a: 양자우물층 2-b: 양자장벽층

2-5: p형 질화물 반도체층 2-6: n층 전극

2-7: p층 전극

Claims

삭제
제 1 도전형 질화물 반도체층, 제 2 도전형 반도체층 및 그 사이에 개재되는 활성층을 포함하여 이루어지는 질화물계 발광소자에 있어서,

상기 활성층은 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 가지며, 상기 양자장벽층은 Al으로 이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑되며,

상기 양자장벽층의 Al의 이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑농도는 1×10¹⁷/㎤~5×10¹⁸/㎤ 범위인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제 1 도전형 질화물 반도체층, 제 2 도전형 반도체층 및 그 사이에 개재되는 활성층을 포함하여 이루어지는 질화물계 발광소자에 있어서,

상기 활성층은 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 가지며, 상기 양자장벽층은 Al으로 이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑되며,

상기 양자장벽층은 Al의 이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑과 동시에 n형 불순물을 도핑하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제 3항에 있어서, 상기 양자장벽층내 n형 불순물 도핑농도는 1×10¹⁷/㎤~5×10¹⁸/㎤ 범위인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 양자장벽층내 Al의 이소-일렉트로닉(iso-electronic) 도핑농도와 n형 불순물의 도핑농도가 동일한 것을 특징으로 하 는 질화물계 발광소자.