KR100946034B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

압전 효과에 의한 전자의 누설을 방지하고 높은 정공 농도를 가진 고효율 고출력의 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 p형 및 n형 질화물 반도체층 사이에 다중양자우물구조로 형성된 활성층; 및 상기 활성층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 전자차단층을 포함하고, 상기 전자차단층은 상기 활성층의 상부면으로 Al을 포함한 제 1 p형 질화물층; 상기 제 1 p형 질화물층의 상부에 형성된 제 2 p형 질화물층; 상기 제 2 p형 질화물층의 상부에 Al을 포함한 p형 질화물로 이루어지는 분극상쇄영역의 제 3 p형 질화물층; 및 상기 제 3 p형 질화물층의 상부에 형성된 제 4 p형 질화물층을 순차적으로 포함하여, 전자의 누설을 방지하고 정공의 주입효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.

전자차단층, 전자의 누설, 질화물 반도체 발광소자

Description

질화물 반도체 발광소자{Nitride semiconductor light emitting device}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 압전 효과에 의한 전자의 누설을 방지하고 높은 정공 농도를 가진 고효율 고출력의 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

종래의 질화물 반도체 발광소자에는 예를 들어, GaN계 질화물 반도체 발광소자를 들 수 있고, 이 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용분야에 있어서 청색/녹색 LED의 발광소자, MESFET과 HEMT 등의 고속 스위칭과 고출력 소자 등에 응용되고 있다. 특히, 청색/녹색 LED 발광소자는 이미 양산화가 진행된 상태이며 전 세계적인 매출은 지수함수적으로 증가하고 있는 상황이다.

특히, GaN계 질화물 반도체의 적용 분야중 발광다이오드 및 반도체 레이저 다이오드 등의 발광 소자의 분야에서 마그네슘 등이 GaN계 질화물 반도체의 Ga 위치에 도핑된 결정층을 가진 반도체 발광소자는 청색 발광하는 소자로서 주목받고 있다.

이와 같은 종래의 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 도 1에 도시된 바와 같이 다중 양자우물구조를 가진 발광 소자를 예로 들 수 있고, 이 발광 소자는 주로 사 파이어 또는 SiC로 이루어진 기판(1) 위에 형성된다. 그리고, 저온의 성장 온도에서 사파이어 또는 SiC의 기판(1) 위에 예를 들어, Al_yGa_{1 - y}N층의 다결정 박막을 버퍼층(2)으로 성장시킨 후, 고온에서 상기 버퍼층(2) 위에 GaN 하지층(3)이 순차 적층되어 있다. GaN 하지층(3) 상에는 발광을 위한 활성층(4)이 배치되어 있고, 활성층(4) 상에는 열 어닐링 처리에 의해 p형으로 변환되는 각각의 마그네슘이 도핑된 AlGaN 전자 배리어층(5), 마그네슘이 도핑된 InGaN 층(6), 및 마그네슘이 도핑된 GaN 층(7)이 순차 적층되어 있다.

또한, 마그네슘이 도핑된 GaN 층(7) 및 GaN 하지층(3) 상에는 절연막이 형성되고 각각 대응하는 P-전극(9)과 N-전극(10)이 형성되어 발광소자를 형성한다.

그러나, 이러한 질화물 반도체 발광소자는 활성층(4)에 전자와 정공을 주입하고 이 전자와 정공들의 결합으로 빛을 방출하게 되는데, 전자는 정공에 비하여 이동 속도가 매우 빨라 활성층을 통과하여 p-형 반도체 층으로 누설될 확률이 높다. 이를 방지하기 위하여, 도 1에 도시한 바와 같이 활성층(4) 위에 활성층보다 밴드갭이 큰 마그네슘이 도핑된 AlGaN 전자 배리어층(5)을 형성하여 전자의 차단층으로 활용하지만, 이러한 효과를 증가시키기 위해서는 Al 조성을 증가시켜 장벽을 높게 하거나, 또는 압전 효과(piezoelectric effect)에 따른 정공 농도를 증가시키기 위해 상대적으로 각 층의 두께가 두꺼워야 한다.

따라서, 고품질의 높은 정공 농도를 가지는 AlGaN 전자 배리어층(5)을 성장시키기는 쉽지 않아, 높은 정공 농도를 가진 고효율 고출력의 질화물 반도체 발광 소자를 제조할 수 없고, 압전 효과에 의해 AlGaN 전자 배리어층(5)의 전자 배리어층으로서의 기능이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 압전 효과에 의한 전자의 누설을 방지하고 높은 정공 농도를 가진 고효율 고출력의 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는 p형 및 n형 질화물 반도체층 사이에 다중양자우물구조로 형성된 활성층; 및 상기 활성층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 전자차단층을 포함하고, 상기 전자차단층은 상기 활성층의 상부면으로 Al을 포함한 제 1 p형 질화물층; 상기 제 1 p형 질화물층의 상부에 형성된 제 2 p형 질화물층; 상기 제 2 p형 질화물층의 상부에 Al을 포함한 p형 질화물로 이루어지는 분극상쇄영역의 제 3 p형 질화물층; 및 상기 제 3 p형 질화물층의 상부에 형성된 제 4 p형 질화물층을 순차적으로 포함하여, 전자의 누설을 방지하고 정공의 주입효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에서 상기 제 1 p형 질화물층은 p-AlGaN으로 이루어지고, 상기 제 2 p형 질화물층과 제 4 p형 질화물층은 p-GaN으로 이루어지며, 상기 제 3 p형 질화물층은 p-AlGaN으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서 상기 제 1 p형 질화물층은 20Å ~ 50Å의 두께로 이루어지고, 상기 제 3 p형 질화물층은 5Å ~ 15Å의 두께로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서 상기 제 3 p형 질화물층은 상기 제 1 p형 질화물층과 동일한 에너지 밴드를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서 상기 전자차단층은 상기 제 4 p형 질화물층의 상부면으로 상기 제 1 p형 질화물층 내지 상기 제 4 p형 질화물층을 반복적으로 형성한 적층 구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서 상기 활성층은 Al_XIn_YGa_(1-X-Y)N(0≤x<1,0≤Y<1)의 양자장벽층과 In_XGa_{1 -X}N(a<x≤1)의 양자우물층이 교대로 적층된 구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서 상기 p형 질화물 반도체층의 상면으로 p측　전극이 형성되며, 상기 n형 질화물 반도체층의 노출 영역에 n측 전극이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명은 전자의 차단을 위한 제 1 층과 분극완화영역인 제 3 층을 포함한 전자차단층을 통해 전자의 누설을 방지하고, 정공 함량이 주변의 p형 질화물층에 함유된 정공 함량보다 높음에 따라 활성층으로 주입되는 정공의 주입효율을 증가시켜 고효율, 고출력의 발광 소자를 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 질화물 반도체 발광소자의 단면도 이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 질화물 반도체 발광소자의 일부에 대한 에너지밴드 다이어그램이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 형성된 질화물 반도체 발광소자(100)는 기판(110), n형 질화물층(120), 다중양자우물구조인 활성층(150), 전자 차단층(160) 및 p형 질화물층(170)을 포함한다. 메사 에칭된 p형 질화물 반도체층(170) 상면에는 투명 전극층(180)과 p측　전극(190b)이 형성되며, 노출된 n형 질화물 반도체층(120) 상면에는 n측 전극(190a)이 차례로 형성된다.　

기판(110)은 발광소자를 제조하기 위한 일반적인 기판으로, 예를 들어 Al₂O₃, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl₂O₃, BN, AIN 및 GaN 중 어느 하나의 재질로 이루어지고 투명하고 평탄한 면을 가지도록 랩핑(Lapping)과 폴리싱(polishing)을 거쳐 마련된 기판, 또는 GaN, InGaN, AlGaN, AlGaInN 등의 GaN 계열의 재질 중 어느 하나의 재질층을 상부면에 가지는 템플레이트(template) 기판을 이용할 수 있다.

활성층(150)은 n형 Al_X1In_y1Ga_{(1- X1 - y1 )}N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)으로 이루어진 n형 질화물층(120)의 상부면으로 예컨대, Al_XIn_YGa_(1-X-Y)N(0≤x<1,0≤Y<1)의 양자장벽층(150a)과 In_XGa_{1 -X}N(a<x≤1)의 양자우물층(150b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조로　이루어지고, 소정의 밴드 갭을 가지며 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결합되어 발광한다.

전자 차단층(160)은 전자의 오버플로잉으로 인한 전류손실을 방지하면서 p형 질화물층(170)으로부터 정공주입효율을 향상시키기 위해, 활성층(150)의 상부면으로 제 1 층(161), 제 2 층(162), 제 3 층(163) 및 제 4 층(164)이 하나의 구조로 다수 적층되어 형성될 수 있다.

구체적으로, 도 2b에 도시된 바와 같이 전자 차단층(160)의 제 1 층(161)은 활성층(150)의 양자우물층(150b) 상부면으로 전자의 차단을 위해 Al을 포함한 p-AlGaN과 같은 p형 질화물로 20Å ~ 50Å의 두께로 이루어진 층이고, 제 2 층(162)과 제 4 층(164)은 정공주입효율을 개선하기 위해 p-GaN과 같은 p형 질화물로 이루어진 층이며, 제 3 층(163)은 제 2 층(162)과 제 4 층(164) 사이에서 발생한 분극을 상쇄시키고 전자의 누설을 더욱 방지하기 위한 분극상쇄영역으로 제 1 층(161)과 동일한 에너지 밴드를 갖도록 제 1 층(161)과 동일하게 Al을 포함한 p-AlGaN과 같은 p형 질화물로 5Å ~ 15Å의 두께로 형성될 수 있다. 여기서, 제 3 층(163)이 제 2 층(162)과 제 4 층(164) 사이에 모두 형성되지 않고, 일부 제 2 층(162)과 제 4 층(164) 사이에만 형성될 수 있다.

이와 같이 제 1 층(161) 내지 제 4 층(164)이 다수 적층 구성된 전자 차단층(160)이 약 100 ~ 200nm의 전체 두께로 형성되어, 전자의 차단을 위한 제 1 층(161)과 전자누설방지영역인 제 3 층(163)을 통해 전자의 누설을 방지하고, 제 2 층(162)과 제 4 층(164)은 Al을 포함한 p형 질화물의 제 1 층(161)의 정공 이동도(약 5 ~ 10 ㎠/Vs)에 비해 높은 정공 이동도(약 15 ~ 20 ㎠/Vs)를 가질 뿐만 아니라, 정공 농도의 측면에서도 제 1 층(161)의 정공 농도에 비해 높은 정공 농도를 가져 활성층(150)으로 정공주입효율을 향상시킬 수 있다.

그러므로, 본 발명의 실시예에 따라 제 1 층(161) 내지 제 4 층(164)이 다수 적층 구성된 전자 차단층(160)을 포함한 질화물 반도체 발광소자는 도 3에 도시된 바와 같이 종래에 질화물 반도체 발광소자의 출력전류(A1) 보다 향상된 출력전류(B1)의 그래프를 나타내고 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따라 제 1 층(161) 내지 제 4 층(164)이 다수 적층 구성된 전자 차단층(160)을 포함한 질화물 반도체 발광소자는 도 4에 도시된 광효율을 비교한 그래프에서 종래에 질화물 반도체 발광소자의 광효율(A2)을 나타낸 그래프에 대해 그보다 향상된 광효율(B2)을 나타내는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따라 전자의 차단을 위한 제 1 층(161)과 전자누설방지영역인 제 3 층(163)을 통해 전자의 누설을 방지하고, 정공 함량이 주변의 p형 질화물층에 함유된 정공 함량보다 높음에 따라 활성층(150)으로 주입되는 정공의 주입효율을 증가시켜 고효율, 고출력의 발광 소자를 제조할 수 있다.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.

또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 일례를 도시한 단면도.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 질화물 반도체 발광소자의 단면도.

도 2b는 도 2a에 도시된 질화물 반도체 발광소자의 일부에 대한 에너지밴드 다이어그램.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 형성된 질화물 반도체 발광소자의 광출력을 설명하기 위한 그래프.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 질화물 반도체 발광소자의 광효율을 설명하기 위한 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 질화물 반도체 발광 소자 110: 기판

120: n형 질화물층 150: 활성층

150a: 양자장벽층 150b: 양자우물층

160: 전자차단층 161: 제 1 층

162: 제 2 층 163: 제 3 층

164: 제 4 층 170: p형 질화물층

180: 투명 전극층 190a: n측　전극

190b: p측 전극

Claims (7)

1. p형 및 n형 질화물 반도체층 사이에 다중양자우물구조로 형성된 활성층; 및

   상기 활성층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 전자차단층을 포함하고,

   상기 전자차단층은

   상기 활성층의 상부면으로 Al을 포함한 제 1 p형 질화물층;

   상기 제 1 p형 질화물층의 상부에 형성된 제 2 p형 질화물층;

   상기 제 2 p형 질화물층의 상부에 Al을 포함한 p형 질화물로 이루어지며, 상기 제 1 p형 질화물층과 동일한 에너지 밴드를 갖는 분극상쇄영역의 제 3 p형 질화물층; 및

   상기 제 3 p형 질화물층의 상부에 형성된 제 4 p형 질화물층을 순차적으로 포함하여, 전자의 누설을 방지하고 정공의 주입효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 p형 질화물층은 p-AlGaN으로 이루어지고, 상기 제 2 p형 질화물층과 제 4 p형 질화물층은 p-GaN으로 이루어지며, 상기 제 3 p형 질화물층은 p-AlGaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 p형 질화물층은 20Å ~ 50Å의 두께로 이루어지고, 상기 제 3 p형 질화물층은 5Å ~ 15Å의 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 전자차단층은 상기 제 4 p형 질화물층의 상부면으로 상기 제 1 p형 질화물층 내지 상기 제 4 p형 질화물층을 반복적으로 형성한 적층 구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 활성층은

   Al_XIn_YGa_(1-X-Y)N(0≤x<1,0≤Y<1)의 양자장벽층과 In_XGa_{1 -X}N(a<x≤1)의 양자우물층이 교대로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 p형 질화물 반도체층의 상면으로 p측　전극이 형성되며, 상기 n형 질화물 반도체층의 노출 영역에 n측 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.

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