KR100925704B1 - 화합물 반도체를 이용한 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 활성층에 인가되는 스트레인을 최적화함으로써 활성층 내의 압전계 및 자발분극을 최소화하여 발광 효율을 극대화시킬 수 있는 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자는 상부 클래드층, 활성층 및 하부 클래드층을 포함하여 구성되는 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 있어서, 상기 상부 클래드층은 제 1 클래드층과 제 2 클래드층으로 구성되고, 상기 하부 클래드층은 제 3 클래드층과 제 4 클래드층으로 구성되며 상기 제 2 클래드층, 제 3 클래드층은 각각 상기 활성층의 상부, 하부에 구비되며, 상기 제 1 클래드층과 제 2 클래드층 사이의 화학 조성 및 상기 제 3 클래드층과 제 4 클래드층 사이의 화학 조성은 서로 다른 것을 특징으로 한다.
발광소자, 스트레인, 자발분극, 양자우물
Description
본 발명은 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 활성층에 인가되는 스트레인을 최적화함으로써 활성층 내의 압전계 및 자발분극을 최소화하여 발광 효율을 극대화시킬 수 있는 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ 산화물 반도체를 이용한 발광소자는 청자색 및 청록색의 구현이 가능하여 평판표시장치, 광통신 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
이러한 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ 산화물 반도체를 이용한 발광소자는 활성층, 클래드층을 포함한 다층 박막으로 구성되는데, 이 중 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 발광소자의 경우, 상기 활성층과 클래드층의 격자상수가 상이하여 상기 활성층에 응력이 작용하게 되고 그에 따라, 압전계(piezo-electric field) 및 자발분극이 유발되어 발광 특성이 저하되는 단점이 있다. 압전계 및 자발분극을 최 소화하는 방법으로 무극성(non-polar) 또는 준극성(semi-polar) 기판을 사용하는 방법과, 클래드층을 4원막으로 구성하고 알루미늄(Al)의 조성비를 증가시켜 전송자의 구속효과를 높여 발광효율을 향상시키는 방법이 제시되고 있다. 전자의 방법은 이종결정성장 방향에 대한 성장 기술이 성숙하지 않아 소자 제작시 결함이 많이 발생되고 이에 따라, 이론적 예상치 보다 소자 특성이 뛰어나지 않는 문제점이 있다. 전자의 방법에 대해서는 Park et al., Phys Rev B 59, 4725 (1999), Waltereit et al., Nature 406, 865 (2000), Park & Ahn, Appl. Phys. Lett. 90, 013505 (2007) 등에 기재되어 있다.
한편, 후자의 방법은 압전계 및 자발분극을 근본적으로 제거할 수 없을 뿐만 아니라 클래드층의 알루미늄(Al) 조성비를 높이는 것이 현실적으로 어려운 문제점이 있다. 후자의 방법에 대해서는 Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 77, 2668 (2000), Lai et al., IEEE Photonics Technol Lett. 13, 559 (2001) 등에 기재되어 있다.
Ⅱ-Ⅵ 산화물 반도체를 이용한 발광소자는 그 정도에 있어서 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 발광소자에 대비하여 상대적으로 작긴 하나, 압전계 및 자발분극 현상을 감소시킬 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 활성층에 인가되는 스트레인을 최적화함으로써 활성층 내의 압전계 및 자발분극을 최소화하여 발광 효율을 극대화시킬 수 있는 화합물 반도체를 이용한 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자는 상부 클래드층, 활성층 및 하부 클래드층을 포함하여 구성되는 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 있어서, 상기 상부 클래드층은 제 1 클래드층과 제 2 클래드층으로 구성되고, 상기 하부 클래드층은 제 3 클래드층과 제 4 클래드층으로 구성되며 상기 제 2 클래드층, 제 3 클래드층은 각각 상기 활성층의 상부, 하부에 구비되며, 상기 제 1 클래드층과 제 2 클래드층 사이의 화학 조성 및 상기 제 3 클래드층과 제 4 클래드층 사이의 화학 조성은 서로 다른 것을 특징으로 한다.
상기 화합물 반도체를 이용한 발광소자는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 발광소자 또는 Ⅱ-Ⅵ 산화물 반도체를 이용한 발광소자일 수 있다.
상기 제 1 내지 제 4 클래드층은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성될 수 있으며, 상기 제 2 클래드층과 제 3 클래드층의 인 듐 함량은 상기 제 1 클래드층과 제 4 클래드층의 인듐 함량보다 크며, 제 2 클래드층과 제 3 클래드층의 인듐 함량은 0∼10% 인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 2 클래드층 및 제 3 클래드층 내의 인듐 함량은 클래드층의 두께 방향을 따라 선형 또는 비선형적으로 변할 수 있다.
상기 제 1 내지 제 4 클래드층은 Mgx(CdyZn1-y)O(0<x<0.4, 0<y<0.4)의 일반식에 포함되는 물질로 구성될 수 있으며, 상기 제 2 클래드층과 제 3 클래드층의 마그네슘 함량은 상기 제 1 클래드층과 제 4 클래드층의 마그네슘 함량보다 작으며, 제 2 클래드층과 제 3 클래드층의 마그네슘 함량은 0∼10% 인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 2 클래드층 및 제 3 클래드층 내의 마그네슘 함량은 클래드층의 두께 방향을 따라 선형 또는 비선형적으로 변할 수 있다.
상기 제 2 클래드층 또는 제 3 클래드층은 1∼5nm의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 상기 제 1 클래드층 또는 제 4 클래드층은 5∼30nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 발광소자에 있어서, 버퍼층이 더 구비되고 상기 버퍼층과 하부 클래드층 사이에 스트레인 분산층이 더 구비될 수 있으며, 상기 스트레인 분산층은 스트레인 제어층과 스트레인 유도층으로 구성되고, 상기 스트레인 제어층과 스트레인 유도층은 적어도 한 번 이상 교차 적층되는 구조를 갖는다. 또한, 상기 스트레인 제어층은 단일 또는 복수의 단위 스트레인 제어층으로 구성되며, 상기 스트레인 제어층은 1∼10개의 단위 스트레인 제어층으로 구성될 수 있다.
상기 단위 스트레인 제어층의 두께는 10∼30nm, 상기 스트레인 제어층의 두께는 10∼100nm인 것이 바람직하다. 또한, 상기 단위 스트레인 제어층은 동질막으로 구성되거나 초격자층이 복수개 적층된 구조로 구성될 수 있으며, 상기 초격자층의 두께는 1∼2nm인 것이 바람직하다.
상기 스트레인 제어층과 스트레인 유도층은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되거나, 스트레인 유도층은 MgxZn1-xO(0<x<0.4)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되며, 상기 스트레인 제어층은 MgyZn1-yO/MgzZn1-zO(0<y<0.4, 0<z<0.4)의 초격자층이 복수개 적층된 구조로 구성될 수 있다.
또한, 상기 버퍼층과 활성층은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되거나, Mgx(CdyZn1-y)O(0<x<0.4, 0<y<0.4)의 일반식에 포함되는 물질로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자는 다음과 같은 효과가 있다.
상부 클래드층 및 하부 클래드층이 각각 이중층 구조로 구성되고, 상부 클래드층과 하부 클래드층을 각각 구성하는 제 3 클래드층과 제 4 클래드층, 제 1 클래드층과 제 2 클래드층의 화학 조성을 서로 다르도록 설정함으로써 계단 형상의 에 너지밴드 갭을 구현할 수 있게 되며, 이를 통해 활성층에 인가되는 압축 스트레인을 최소화하여 궁극적으로 활성층 및 클래드층의 스트레인 및 자발분극 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 버퍼층과 하부 클래드층 사이에 스트레인 제어층이 구비됨에 따라, 활성층에 인가되는 압축 스트레인은 감소되고 상부 및 하부 클래드층에 인가되는 인장 스트레인은 증가되어 활성층에서의 압전계 및 자발분극을 최소화할 수 있게 된다. 또한, 이를 통해 발광소자의 자발발광 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
이에 부가하여, 스트레인 제어층은 발광소자를 구성하는 각 박막층의 유전율 차이에 의해 DBR (Distributed Bragg Reflector)의 역할을 수행할 수 있어, 활성층에서 생성된 빛을 전반사시켜 발광소자의 광효율 향상에도 기여할 수 있다.
본 발명은 n형 및 상부 클래드층의 조성 변화를 통해 에너지밴드 갭을 제어함으로써 발광소자의 활성층에 인가되는 스트레인을 최적화하여 궁극적으로 활성층에서의 압전계 및 자발분극을 최소화함에 특징이 있다.
또한, 본 발명은 스트레인 제어층 및 스트레인 유도층으로 구성되는 스트레인 분산층을 발광소자 내에 구비시킴으로써 발광소자의 활성층에 인가되는 스트레인을 최적화하여 활성층에서의 압전계 및 자발분극을 최소화함에 다른 특징이 있다.
이와 같은 본 발명의 특징을 구현하는 일 실시예를 설명하기에 앞서, 복수의 층이 적층된 구조에 있어서 각 층에 인가되는 스트레인과, 해당 스트레인에 의해 해당 층에 발생되는 압전계 및 자발분극을 수학적 방법을 통해 해석해 보기로 한다.
먼저, i개의 박막층으로 구성되는 구조에 있어서 각 층에 인가되는 스트레인(strain) 및 스트레스(stress)를 수학적으로 살펴보면 다음과 같다. 참고로, 각 층에 인가되는 스트레인 및 스트레스에 대한 수학적 해석방법은 나카지마(Nakajima)가 제시한 방법(Nakajima, J. Appl. Phys. 72, 5213 (1992))을 따른다.
i번째 층에 인가되는 스트레스를 Fi, i번째 층의 모멘트를 Mi, i번째 층의 두께를 di, i번째 층의 격자상수를 ai, i번째 층의 영율(Young's modulus)을 Ei, 상기 i개의 박막층으로 구성되는 구조의 곡률을 R이라고 정의하면 i번째 층에 인가되는 스트레스는 아래의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
한편, i번째 층과 (i+1)번째 층이 평형상태를 유지하기 위한 조건은 다음의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
(여기서, li는 열팽창을 고려한 i번째 층의 유효격자상수, T는 격자의 온도, ei는 i번째 층에 인가되는 스트레인)
상기 수학식 1 및 수학식 2를 조합하여 i번째 층에 인가되는 스트레스 및 스트레인을 구하면 다음의 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
(여기서, εxxi는 I번째 층에 인가되는 유효 스트레인)
한편, i개의 박막층으로 구성되는 구조의 곡률(R)은 다음의 수학식 4와 같이 주어진다.
[수학식 4]
이상의 수학식에 있어서, 상기 수학식 1에 나타낸 바와 같이 복수의 박막층으로 구성되는 구조에 작용하는 스트레스의 합은 0이며, 수학식 2 내지 수학식 4를 이용하면 각 박막층에 스트레인이 적절히 분배됨을 알 수 있다. 이와 같은 원리를 본 발명에 적용하면, 특정 박막층(스트레인 제어층)에 압축 스트레인이 작용하도록 유도하는 경우, 여타의 박막층(활성층)에 작용하는 압축 스트레인은 상대적으로 감소시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 수학식 1 내지 수학식 4를 통해 산출된 스트레인을 이용하여 각 층에 인가되는 압전계 및 자발분극을 계산할 수 있다. 스트레인을 이용한 압전계 및 자발분극의 해석은 버날디니(Bernardini)가 제시한 방법(Phys. Stat. Sol. (b) 216,392 (1999))을 따르며, 다음의 수학식 5와 같이 계산된다.
[수학식 5]
(여기서, Ei는 i번째 층에 인가되는 압전계 및 자발분극에 의한 유효 전계)
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자의 구성도이다. 여기서, 상기 본 발명의 제 1 실 시예는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 발광소자에 대한 것이고, 상기 본 발명의 제 2 실시예는 Ⅱ-Ⅵ 산화물 반도체를 이용한 발광소자에 대한 것이다.
먼저, 본 발명의 제 1 실시예를 살펴보면 도 1에 도시한 바와 같이 버퍼층 상에 스트레인 분산층, 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 발광소자를 제시하고 있다. 참고로, 상기 활성층이 복수의 층으로 구성될 수 있고, 그에 따라 상부 클래드층 및 하부 클래드층 역시 복수개 구비될 수 있으며, 이러한 경우 상부 클래드층 하부에 하부 클래드층이 존재할 수 있다. 그러나, 이러한 경우에도 하부 클래드층-활성층-상부 클래드층의 구조가 반복되거나 경우에 따라 서는 하부 클래드층-활성층-하부(또는 상부) 클래드층-활성층-상부 클래드층의 형태로 구성될 수도 있다. 다만, 이와 같이 복수의 활성층이 구비되는 경우 최상위 활성층의 상부에 구비되는 클래드층은 상부 클래드층, 최하위 활성층의 하부에 구비되는 클래드층은 하부 클래드층이라는 것을 밝혀두기로 한다. 이하의 설명에 있어서, 도 3 내지 도 6 그리고 도 8 내지 도 11은 활성층이 하나인 경우 즉, 하부 클래드층-활성층-상부 클래드층으로 구성되는 경우를 일 실시예로 나타낸 것이다.
상기 버퍼층, 스트레인 분산층, 상부 클래드층 및 하부 클래드층은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체로 구성되며 바람직하게는 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성된다.
상기 스트레인 분산층은 스트레인 제어층와 스트레인 유도층으로 구성되며, 상기 스트레인 제어층과 스트레인 유도층이 교차 적층된 구조를 갖는데, 상기 스트레인 분산층에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
한편, 상기 상부 클래드층과 하부 클래드층은 각각 2개의 층으로 구성되어 상기 활성층에 인가되는 압축 스트레인(compressive strain)을 감소시키는 역할을 하는데, 구체적으로 상기 하부 클래드층은 제 3 클래드층과 제 4 클래드층으로 구성되며 상기 상부 클래드층은 제 1 클래드층과 제 2 클래드층으로 구성된다. 여기서, 설명의 편의상 도 1에 도시한 바와 같이 상기 활성층에 인접하는 클래드층을 제 2 및 제 3 클래드층으로 명명하였고, 상기 활성층에 인접하지 않는 클래드층을 제 1 및 제 4 클래드층으로 명명하였다.
이와 같이 이중층 구조로 갖는 상기 하부 클래드층 또는 상부 클래드층에 있어서, 제 3 클래드층과 제 4 클래드층은 화학 조성이 서로 다르고, 제 1 클래드층과 제 2 클래드층도 화학 조성이 서로 다르다. 구체적으로, Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 화학 조성을 갖는 제 1 내지 제 4 클래드층에 있어서 제 1 클래드층과 제 2 클래드층 사이 그리고 제 3 클래드층과 제 4 클래드층 사이의 인듐(In) 함량은 서로 다르다.
제 1 클래드층과 제 2 클래드층, 그리고 제 3 클래드층과 제 4 클래드층의 인듐 함량을 서로 다르게 함으로써 도 3에 도시한 바와 같이 상기 상부 클래드층 및 하부 클래드층으로 계단 형태의 에너지밴드 갭을 형성할 수 있고, 이를 통해 상기 활성층에 인가되는 압축 스트레인 및 자발분극을 감소시킬 수 있게 된다.
계단 형태의 에너지밴드 갭을 형성하기 위해 상기 제 2 및 제 3 클래드층은 상기 제 1 및 제 4 클래드층보다 인듐 함량이 커야 하며, 일 실시예로 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤0.1, 0≤y≤1)의 인듐 함량을 갖는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상부 및 하부 클래드층 내에서의 인듐 함량 조절을 통해 계단 형태의 에너지밴드 갭을 형성하고 이를 통해 활성층 내에서의 압축 스트레인 및 자발분극 특성을 향상시킬 수 있게 되는데, 이에 대한 상세한 실시예를 후술하기로 한다. 또한, 인듐 함량 조절 방법 이외에 제 2 및 제 3 클래드층의 두께 조절을 통해 활성층 내에서의 압축 스트레인 및 자발분극 특성을 제어할 수 있는데 이에 대한 상세한 실시예 역시 후술하기로 한다.
한편, 상술한 바와 같은 인듐 함량의 제어를 통해 이중층 구조의 상부 또는 하부 클래드층을 구현함에 있어서, 상기 도 3의 계단 모양의 에너지밴드 갭 이외에 상기 제 2 및 제 3 클래드층 내의 인듐 함량을 클래드층의 두께 방향을 따라 선형 또는 비선형적으로 변화시켜 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같은 에너지밴드 갭을 구현할 수도 있다. 도 4는 제 2 및 제 3 클래드층 내의 인듐 함량이 선형적으로 변화되는 경우의 에너지밴드 갭 형태를 나타낸 것이고, 도 5는 제 2 및 제 3 클래드층 내의 인듐 함량이 비선형적으로 변화되는 경우의 에너지밴드 갭 형태를 나타낸 것이다.
또한, 인듐 함량을 제어하여 이중층 구조의 상부 또는 하부 클래드층을 구현하는 방법 이외에 도 6에 도시한 바와 같이 상기 제 1 클래드층 및 제 4 클래드층 을 초격자 구조로 형성하여 이중층 구조의 상부 또는 하부 클래드층을 구현하고 이를 통해 활성층에 인가되는 압축 스트레인을 최소화할 수도 있다.
구체적으로, 상기 제 2 및 제 3 클래드층은 동일 조성의 물질 예를 들어, InxGa1-xN/GaN(0<x<1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성하고, 상기 제 1 및 제 4 클래드층은 하나 또는 복수개의 초격자층으로 구성할 수 있다. 상기 초격자층은 InyGa1-yN/GaN(0<y<1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성된다. 이 때, 상기 각 초격자층의 두께는 1∼2nm로 설계하는 것이 바람직하다.
일 실시예에 의해 상기 활성층을 30Å 두께의 InxGa1-xN(x=0.2)으로 구성하고, 상기 제 2 및 제 3 클래드층을 30Å 두께의 GaN으로 구성하고, 상기 제 1 및 제 4 클래드층을 InyGa1-yN/GaN(y=0.3)의 초격자층이 복수개 적층된 구조로 구성되는 경우, 제 1 및 제 4 클래드층이 GaN의 단일 조성 물질로 구성되는 경우에 대비하여 활성층에 인가되는 스트레인이 -2.08% 에서 -1.084% 로 감소되고 활성층 내의 자발분극(polarization field)이 2.98 MV/cm 에서 1.73 MV/cm 로 줄어듦을 확인할 수 있다.
이상, 이중층 구조의 상부 클래드층과 하부 클래드층의 구성 및 역할을 설명하였다. 한편, 전술한 바와 같이 상기 버퍼층과 하부 클래드층 사이에는 스트레인 제어층과 스트레인 유도층으로 구성되는 스트레인 분산층이 구비되는데, 상기 스트 레인 분산층의 구성 및 역할에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 스트레인 제어층과 스트레인 유도층은 적어도 한 번 이상 교차되어 적층되는 구조를 가지며, 상기 스트레인 제어층이 복수개 구비되는 경우 상기 스트레인 유도층이 상기 스트레인 제어층 사이에 개재되는 것이 바람직하다.
이와 같은 스트레인 분산층의 구조에 있어서, 상기 스트레인 유도층은 상기 활성층에 인가될 압축 스트레인을 상기 스트레인 제어층에 분산, 인가하는 역할을 한다. 상기 스트레인 제어층에 일정 부분의 작용함에 따라, 상기 활성층에 인가되는 압축 스트레인은 감소되고 이와 함께, 감소된 압축 스트레인의 양만큼 상기 상부 및 하부 클래드층에 인가되는 인장 스트레인(tensile strain)이 증가된다.
이에 따라, 상기 하부 클래드층과 활성층 사이의 경계면 그리고 상기 상부 클래드층과 활성층 사이의 경계면 각각에서의 압전계 및 자발분극이 서로 반대 부호를 갖게 되어 궁극적으로, 상기 활성층에 인가되는 압전계 및 자발분극이 최소화된다.
상기 스트레인 제어층과 스트레인 유도층은 전술한 바와 같이 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성된다. 또한, 상기 스트레인 제어층은 단일 또는 복수의 층으로 구성될 수 있으며, 단일 또는 복수의 층을 구성하는 단위 스트레인 제어층의 두께는 10∼30nm가 바람직하며, 전체 스트레인 제어층의 두께는 10∼100nm가 바람직하다. 여기서, 복수의 층으로 구성되는 경우 2∼10개의 단위 스트레인 제어층으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 스트레인 제어층이 복수개의 초격자층이 적층된 구조를 갖는 경우, 각 초격자층의 두께는 1∼2nm가 바람직하다.
이상, 이중층 구조의 상부 클래드층과 하부 클래드층의 구성 및 역할 그리고 스트레인 분산층의 구성 및 역할에 대해 설명하였다. 이하에서는, 제 2 및 제 3 클래드층의 인듐 함량 조절에 따른 스트레인 및 자발분극 특성과, 제 2 및 제 3 클래드층의 두께 조절에 따른 스트레인 및 자발분극 특성을 각각 살펴보기로 한다.
인듐 함량 조절에 따른 스트레인 및 자발분극 특성
제 2 및 제 3 클래드층의 인듐 함량 조절에 따른 스트레인 및 자발분극 특성을 살펴보면 다음과 같다. 아래의 <표 1>은 활성층을 3nm 두께의 InxGa1-xN(x=0.2)으로 구성하고, 상기 제 1 및 제 4 클래드층을 11nm 두께의 GaN으로 구성하고, 상기 제 2 및 제 3 클래드층을 4nm 두께의 InyGa1-yN으로 구성한 경우에 있어서, 상기 제 2 및 제 3 클래드층의 인듐 함량(y)을 각각 0, 2.5%, 5% 로 적용했을 때의 활성층 및 클래드층에 인가되는 스트레인, 자발분극 등의 특성을 나타낸 것이다.
[표 1] 인듐 함량 조절에 따른 스트레인 및 자발분극 특성
| 인듐 함량 - 0 % | 인듐 함량 - 2.5% | 인듐 함량 - 5% | |
| 활성층 스트레인(%) | -2.09 | -2.035 | -1.984 |
| 클래드층 스트레인(%) | 0.14 | -0.09 | -0.321 |
| 활성층 자발분극(MV/cm) | 3.01 | 2.909 | 2.83 |
| 클래드층 자발분극(MV/cm) | -0.22 | 0.19 | 0.58 |
| 발광 피크(A.U) | 4.607 | 7.64 | 10.756 |
이와 같이 구성된 발광소자의 스트레인 및 자발분극 특성을 살펴보면 <표 1>에 나타낸 바와 같이, 제 2 및 제 3 클래드층의 인듐 함량이 증가할수록 활성층에 인가되는 스트레인 즉, 압축 스트레인은 감소되고 상부 및 하부 클래드층에 인가되는 스트레인 즉, 인장 스트레인은 증가함을 알 수 있다. 또한, 인듐 함량이 증가할수록 활성층 내의 자발분극은 감소하고 상부 및 하부 클래드층의 자발분극은 증가하여 하부 클래드층과 활성층 사이의 경계면 그리고 상부 클래드층과 활성층 사이의 경계면 각각에서의 자발분극이 감소됨을 알 수 있다.
한편, 도 7에 도시한 바와 같이 제 2 및 제 3 클래드층의 인듐 함량이 증가할수록 자발발광(spontaneous emission) 특성이 향상됨을 알 수 있다. 이는 제 2 및 제 3 클래드층에 의해 활성층 및 n형, 상부 클래드층에 인가되는 스트레인이 변화되고 그에 따라 압전계 및 자발분극의 유효전계가 감쇄되고 이를 통해 광특성 개선의 폭이 넓어짐을 반증한다. 참고로, <표 1>과 도 7의 광특성 분석은 안(Ahn)이 제시한 모델(Ahn, IEEE J. Quantum Electron. 34, 344 (1998) & Ahn et al., IEEE J. Quantum Electron. 41, 1253 (2005))을 이용한 것이다.
두께 조절에 따른 스트레인 및 자발분극 특성
다음으로, 제 2 및 제 3 클래드층의 두께 조절에 따른 스트레인 및 자발분극 특성을 살펴보면 다음과 같다. 아래의 <표 2>는 활성층을 3nm 두께의 InxGa1-xN(x=0.2)으로 구성하고, 상기 제 1 및 제 4 클래드층을 GaN으로 구성하고, 상기 제 2 및 제 3 클래드층을 InyGa1-yN(y=0.025)으로 구성한 경우(하부 클래드층, 상부 클래드층의 두께는 각각 15nm)에 있어서, 상기 제 2 및 제 3 클래드층의 두께(D)를 각각 2nm, 4nm, 6nm 로 적용했을 때의 활성층 및 클래드층에 인가되는 스트레인, 자발분극 등의 특성을 나타낸 것이다.
[표 2] 두께 조절에 따른 스트레인 및 자발분극 특성
| D = 2nm | D = 4nm | D = 6nm | |
| 활성층 스트레인(%) | -2.069 | -2.035 | -2.001 |
| 클래드층 스트레인(%) | -0.117 | -0.09 | -0.06 |
| 활성층 자발분극(MV/cm) | 2.946 | 2.909 | 2.87 |
| 클래드층 자발분극(MV/cm) | 0.237 | 0.190 | 0.142 |
이와 같이 구성된 발광소자의 스트레인 및 자발분극 특성을 살펴보면 <표 2>에 나타낸 바와 같이, 제 2 및 제 3 클래드층의 두께가 증가할수록 활성층에 인가되는 압축 스트레인은 감소되고 n형 및 상부 클래드층에 인가되는 인장 스트레인은 증가함을 알 수 있다. 또한, 두께가 증가할수록 활성층 내의 자발분극은 감소됨을 알 수 있다. 반면, 제 2 및 제 3 클래드층의 두께가 증가할수록 상부 및 하부 클래드층 내에서의 자발분극은 감소함을 알 수 있는데, 이는 상부 및 하부 클래드층 내에서의 전자, 정공의 구속이 약해짐을 의미하며 이에 따라, 제 2 및 제 3 클래드층의 두께는 1∼5nm로 설계하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 제 1 클래드층 또는 제 4 클래드층은 5∼30nm의 두께로 설계할 수 있다.
이상, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자를 설명하였다. 이하에서는, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발 광소자를 설명하기로 한다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 Ⅱ-Ⅵ 산화물 반도체를 이용한 발광소자이며, 그 구조는 본 발명의 제 1 실시예와 마찬가지로 버퍼층 상에 스트레인 분산층, 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
상기 하부 클래드층은 제 3 클래드층 및 제 4 클래드층의 이중층 구조를 갖고, 상기 상부 클래드층은 제 2 클래드층 및 제 1 클래드층의 이중층 구조를 갖는다. 또한, 상기 스트레인 분산층은 스트레인 제어층과 스트레인 유도층으로 구성되며, 상기 스트레인 제어층과 스트레인 유도층이 교차 적층된 구조를 갖는다.
상기 활성층, 상기 버퍼층, 상부 및 하부 클래드층(제 1 내지 제 4 클래드층)은 Mgx(CdyZn1-y)O(0<x<0.4, 0<y<0.4)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되고, 스트레인 유도층은 MgxZn1-xO(0<x<1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되며, 상기 스트레인 제어층은 MgyZn1-yO/MgzZn1-zO(0<y<0.4, 0<z<0.4)의 초격자층이 복수개 적층된 구조로 구성된다. 여기서, 상기 x 및 y값은 상기 z보다 크다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예와 마찬가지로 제 1 클래드층과 제 2 클래드층, 그리고 제 3 클래드층과 제 4 클래드층은 화학 조성이 서로 다르다. 구체적으로, Mgx(CdyZn1-y)O(0<x<0.4)의 화학 조성을 갖는 제 1 내지 제 4 클래드층에 있어서 상기 제 1 클래드층과 제 2 클래드층, 그리고 제 3 클래드층과 제 4 클래드층은 마그네슘(Mg) 함량이 서로 다르다.
제 1 클래드층과 제 2 클래드층, 그리고 제 3 클래드층과 제 4 클래드층의 마그네슘(Mg) 함량을 서로 다르게 함으로써 도 8에 도시한 바와 같이 상기 상부 클래드층 및 하부 클래드층으로 계단 형태의 에너지밴드 갭을 형성할 수 있고, 이를 통해 상기 활성층에 인가되는 압축 스트레인 및 자발분극을 감소시킬 수 있게 된다.
계단 형태의 에너지밴드 갭을 형성하기 위해 상기 제 2 및 제 3 클래드층은 상기 제 1 및 제 4 클래드층보다 마그네슘 함량이 작아야 하며, 일 실시예로 Mgx(CdyZn1-y)O(0<x<0.1, 0<y<0.4)의 마그네슘 함량을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 2 및 제 3 클래드층은 1∼5nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 상술한 바와 같은 인듐 함량의 제어를 통해 이중층 구조의 n형 또는 상부 클래드층을 구현함에 있어서, 상기 도 8의 계단 모양의 에너지밴드 갭 이외에 상기 제 2 및 제 3 클래드층 내의 마그네슘 함량을 클래드층의 두께 방향을 따라 선형 또는 비선형적으로 변화시켜 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같은 에너지밴드 갭을 구현할 수도 있다. 도 9는 제 2 및 제 3 클래드층 내의 마그네슘 함량이 선형적으로 변화되는 경우의 에너지밴드 갭 형태를 나타낸 것이고, 도 10은 제 2 및 제 3 클래드층 내의 마그네슘 함량이 비선형적으로 변화되는 경우의 에너지밴드 갭 형태를 나타낸 것이다.
또한, 마그네슘 함량을 제어하여 이중층 구조의 상부 또는 하부 클래드층을 구현하는 방법 이외에 도 11에 도시한 바와 같이 상기 제 1 클래드층 및 제 4 클래 드층을 초격자 구조로 형성하여 이중층 구조의 상부 또는 하부 클래드층을 구현하고 이를 통해 활성층에 인가되는 압축 스트레인을 최소화할 수도 있다.
구체적으로, 상기 제 2 및 제 3 클래드층은 MgxZn1-xO (0<x<0.4)의 일반식의 물질로 구성하고, 상기 제 1 및 제 4 클래드층은 하나 또는 복수개의 초격자층으로 구성할 수 있다. 상기 초격자층은 MgyZn1-yO/MgzZn1-zO(0<y<0.4, 0<z<0.4)의 일반식에 포함되는 물질로 구성된다. 이 때, 상기 각 초격자층의 두께는 1∼2nm로 설계하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자의 구성도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자의 구성도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 있어서 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층 사이의 계단 형태의 에너지밴드 갭을 나타낸 에너지밴드 다이어그램.
도 4는 제 2 클래드층 및 제 3 클래드층의 인듐 함량이 선형적으로 변하는 경우의 에너지밴드 갭을 나타낸 에너지밴드 다이어그램.
도 5는 제 2 클래드층 및 제 3 클래드층의 인듐 함량이 비선형적으로 변하는 경우의 에너지밴드 갭을 나타낸 에너지밴드 다이어그램.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 있어서 제 1 클래드층 및 제 4 클래드층을 초격자 구조로 구성한 경우의 에너지밴드 갭을 나타낸 에너지밴드 다이어그램.
도 7은 제 2 및 제 3 클래드층의 인듐 함량에 따른 자발발광(spontaneous emission) 특성을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 있어서 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층 사이의 계단 형태의 에너지밴드 갭을 나타낸 에너지밴드 다이어그램.
도 9는 제 2 클래드층 및 제 3 클래드층의 마그네슘 함량이 선형적으로 변하는 경우의 에너지밴드 갭을 나타낸 에너지밴드 다이어그램.
도 10은 제 2 클래드층 및 제 3 클래드층의 마그네슘 함량이 비선형적으로 변하는 경우의 에너지밴드 갭을 나타낸 에너지밴드 다이어그램.
도 11은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 있어서 제 1 클래드층 및 제 4 클래드층을 초격자 구조로 구성한 경우의 에너지밴드 갭을 나타낸 에너지밴드 다이어그램.
Claims (34)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 상부 클래드층, 활성층 및 하부 클래드층을 포함하여 구성되는 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 있어서,상기 상부 클래드층은 제 1 클래드층과 제 2 클래드층으로 구성되고, 상기 하부 클래드층은 제 3 클래드층과 제 4 클래드층으로 구성되며, 상기 제 2 클래드층, 제 3 클래드층은 각각 상기 활성층의 상부, 하부에 구비되며,상기 제 3 클래드층과 제 4 클래드층 사이의 화학 조성 및 상기 제 1 클래드층과 제 2 클래드층 사이의 화학 조성은 서로 다르며,상기 제 1 내지 제 4 클래드층은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되며,상기 제 2 클래드층과 제 3 클래드층의 인듐 함량은 상기 제 1 클래드층과 제 4 클래드층의 인듐 함량보다 큰 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 삭제
- 제 4 항에 있어서, 제 2 클래드층과 제 3 클래드층의 인듐 함량은 0∼10% 인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 클래드층 및 제 3 클래드층 내의 인듐 함량이 클래드층의 두께 방향을 따라 선형적으로 변하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 클래드층 및 제 3 클래드층 내의 인듐 함량이 클래드층의 두께 방향을 따라 비선형적으로 변하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 상부 클래드층, 활성층 및 하부 클래드층을 포함하여 구성되는 화합물 반도체를 이용한 발광소자에 있어서,상기 상부 클래드층은 제 1 클래드층과 제 2 클래드층으로 구성되고, 상기 하부 클래드층은 제 3 클래드층과 제 4 클래드층으로 구성되며, 상기 제 2 클래드층, 제 3 클래드층은 각각 상기 활성층의 상부, 하부에 구비되며,상기 제 3 클래드층과 제 4 클래드층 사이의 화학 조성 및 상기 제 1 클래드층과 제 2 클래드층 사이의 화학 조성은 서로 다르며,상기 제 1 내지 제 4 클래드층은 Mgx(CdyZn1-y)O(0<x<0.4, 0<y<0.4)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되며,상기 제 2 클래드층과 제 3 클래드층의 마그네슘 함량은 상기 제 1 클래드층과 제 4 클래드층의 마그네슘 함량보다 작은 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 삭제
- 제 9 항에 있어서, 제 2 클래드층과 제 3 클래드층의 마그네슘 함량은 0∼10% 인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 클래드층 및 제 3 클래드층 내의 마그네슘 함량이 클래드층의 두께 방향을 따라 선형적으로 변하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 클래드층 및 제 3 클래드층 내의 마그네슘 함량이 클래드층의 두께 방향을 따라 비선형적으로 변하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 4 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 클래드층 또는 제 3 클래드층은 1∼5nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 4 항 또는 제 9 항에 있어서, 버퍼층이 더 구비되고 상기 버퍼층과 하부 클래드층 사이에 스트레인 분산층이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 15 항에 있어서, 상기 스트레인 분산층은 스트레인 제어층과 스트레인 유도층으로 구성되며, 상기 스트레인 제어층과 스트레인 유도층은 적어도 한 번 이상 교차 적층되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 16 항에 있어서, 상기 스트레인 제어층은 단일 또는 복수의 단위 스트레인 제어층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 17 항에 있어서, 상기 스트레인 제어층은 1∼10개의 단위 스트레인 제어층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 17 항에 있어서, 상기 단위 스트레인 제어층의 두께는 10∼30nm인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 16 항에 있어서, 상기 스트레인 제어층의 두께는 10∼100nm인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 17 항에 있어서, 상기 단위 스트레인 제어층은 동질막으로 구성되거나 초격자층이 복수개 적층된 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 21 항에 있어서, 상기 초격자층의 두께는 1∼2nm인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 16 항에 있어서, 상기 스트레인 제어층과 스트레인 유도층은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 16 항에 있어서, 스트레인 유도층은 MgxZn1-xO(0<x<0.4)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되며, 상기 스트레인 제어층은 MgyZn1-yO/MgzZn1-zO(0<y<0.4, 0<z<0.4)의 초격자층이 복수개 적층된 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 15 항에 있어서, 상기 버퍼층과 활성층은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 15 항에 있어서, 상기 버퍼층과 활성층은 Mgx(CdyZn1-y)O(0<x<0.4, 0<y<0.4)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 4 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 클래드층 또는 제 4 클래드층은 5∼30nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 4 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 활성층은 적어도 하나 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 4 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 클래드층과 제 4 클래드층은 하나 또는 복수개의 초격자층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 29 항에 있어서, 상기 제 1 클래드층과 제 4 클래드층은 Inx(AlyGa1 -y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 29 항에 있어서, 상기 제 2 클래드층 및 제 3 클래드층은 동일한 화학 조성을 갖는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 29 항에 있어서, 상기 초격자층은 InyGa1-yN/GaN(0<y<1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 29 항에 있어서, 상기 초격자층은 MgyZn1-yO/MgzZn1-zO(0<y<0.4, 0<z<0.4)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
- 제 29 항에 있어서, 상기 초격자층은 1∼2nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체를 이용한 발광소자.
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