KR100961108B1 - 분극 현상을 방지한 질화물 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

양자우물 내에서 분극 현상을 방지하여 전자와 정공의 파동함수 중첩 영역을 증가시켜 발광 효율을 향상시키기 위한 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는 n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에서 다수의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조의 활성층을 포함한 질화물 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 양자우물층의 적어도 하나는 n-도펀트를 함유하여 에너지 밴드 준위가 상기 양자우물층의 다른 영역보다 낮아진 적어도 하나의 분극 완화영역을 포함한다.
본 발명에 따라 양자우물 구조에 n-도펀트가 함유된 적어도 하나의 분극 완화영역을 형성하여 양자우물 구조에서의 분극 현상을 완화하여 전자 및 정공이 분리되는　경향을 감소시킴으로써, 전자의 파동함수와 정공의 파동함수에 대한 중첩 영역을 증가시켜 질화물 반도체 발광 소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
질화물 반도체 발광 소자, 분극 현상, 중첩 영역

Description

분극 현상을 방지한 질화물 반도체 발광 소자{Nitride semiconductor light emitting device with reduced polarization effect}
본 발명은 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히 양자우물 내에서 분극 현상을 방지하여 전자와 정공의 파동함수 중첩 영역을 증가시켜 발광 효율을 향상시키기 위한 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
일반적으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 발광 소자에서 질화인듐갈륨(In1 - XGaXN, 0<x<1)은 인듐(In)의 함량에 따라 가시광선에서 UV 파장영역까지의 광을 생성할 수 있으며, 발광다이오드(light emitting diode: LED) 및 레이저 다이오드(laser diode: LD)의 양자우물(quantum well)로서 널리 사용된다.
도 1a는 종래의 다중양자우물구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11), n형 질화물층(12), 다중양자우물 구조인 활성층(15) 및, p형 질화물층(17)을 포함한다. 메사에칭된 p 질화물 반도체층(17) 상면에는 투명전극층(18)과 p측 전극(19b)이 순차적으로 형성되며, n형 질화물 반도체층(12)의 노출된 상면에는 n측 전극(19a)이 차례로 형성된다.
일반적으로, 활성층(15)은 도 1a와 도 1b에 도시된 바와 같이 GaN 양자장벽층(15a)과 InGaN 양자우물층(15b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조로 이루어지고, GaN 양자장벽층(15a)과 InGaN 양자우물층(15b)에는 도 1b에 도시된 바와 같이 전도대(conduction band)와 가전도대(valence band)의 높이가 InGaN 양자우물층(15b)의 전체 내에서 일정하다.
이러한 구조에서 분극(polarization)현상이 일어나게 되면, 전자의 분포를 나타내는 파동함수(wave function: A)의 최정점은 중심에서 p 질화물 반도체층(17)으로 치우쳐 나타나게 되고, 정공의 파동함수(B)는 n형 질화물층(12)으로 치우쳐 나타나게 된다. 이렇게 전자의 파동함수(A)와 정공의 파동함수(B)는 양자우물층(15b) 내에서 서로 반대쪽에 위치하게 됨에 따라, 전자와 정공의 발광재결합 효율이 두 파동함수가 겹치는 중첩 면적에 비례하는 특성에 의해, 전자와 정공의 발광 재결합 효율은 감소하게 되어 발광량 또한 감소하게 된다.
이와 같이 재결합을 하지 못한 전자와 정공은 양자장벽을 넘어 전자는 p측 전극(19b) 쪽으로, 정공은 n측 전극(19a) 쪽으로 누설되는데, 이러한 현상은 InGaN/GaN 발광소자의 전형적인 약점인, 전류밀도가 증가할수록 고전류에서 발광 효율이 감소하는 문제점 중의 하나이다. 그러므로, 분극 현상의 해소는 고출력 고효율 발광소자를 제조하기 위한 필수적인 요건이 된다.
본 발명은 양자우물 내에서 분극 현상을 방지하여 전자와 정공의 파동함수 중첩 영역을 증가시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는데 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는 n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에서 다수의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조의 활성층을 포함한 질화물 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 다수의 양자우물층 중 적어도 하나의 양자우물층은 언도프 영역과, n-도펀트를 함유하여 에너지 밴드 준위가 상기 언도프 영역보다 낮아진 적어도 하나의 분극 완화영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에서 상기 분극 완화영역은 상기 양자우물층 두께의 10% 내지 60%의 두께를 가지고 상기 n형 질화물층의 방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서 상기 분극 완화영역의 n-도펀트는 Si, Ge, Sn 중 선택된 어느 하나로서 1×1018 cm-3 이상 1×1020 cm-3 이하의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서 상기 분극 완화영역의 n-도펀트 함량은 5×1018 cm-3 이상 5×1019 cm-3 이하로 상기 n형 질화물층의 방향에 형성된 양자장벽층으로 점진적으로 높아지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서 상기 분극 완화영역은 상기 n-도펀트가 1×1018 cm-3 이상 5×1018 cm-3 이하의 함량을 갖는 제 1 분극 완화영역; 및 상기 제 1 분극 완화영역에 접하여 상기 n-도펀트가 5×1018 cm-3 이상 1×1020 cm-3 이하의 함량을 갖는 제 2 분극 완화영역을 포함하고, 상기 제 1 분극 완화영역과 제 2 분극 완화영역은 상기 양자우물층의 다른 영역의 밴드갭과 동일하며, 상기 n형 질화물층 방향의 양자장벽층으로 단계적으로 낮아지는 경사진 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서 상기 분극 완화영역은 상기 n-도펀트가 1×1018 cm-3 이상 1×1020 cm-3 이하의 함량을 갖는 제 1 분극 완화영역; 및 상기 제 1 분극 완화영역에 접하여 상기 n-도펀트의 함량이 상기 제 1 분극 완화영역의 n-도펀트의 함량 보다 많은 제 2 분극 완화영역을 포함하고, 상기 제 1 분극 완화영역과 제 2 분극 완화영역은 상기 양자우물층의 다른 영역의 밴드갭과 동일하며, 상기 n형 질화물층 방향의 양자장벽층으로 단계적으로 낮아지는 경사진 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서 상기 양자장벽층은 AlXInYGa(1-X-Y)N(0≤x<1,0≤Y<1)층이고, 상기 양자우물층은 InXGa1 -XN(a<x≤1)인 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명은 양자우물 구조에 n-도펀트가 함유된 적어도 하나의 분극 완화영역을 형성하여 양자우물 구조에서의 분극 현상을 완화하여 전자 및 정공이 분리되는　경향을 감소시킴으로써, 전자의 파동함수와 정공의 파동함수에 대한 중첩 영역을 증가시켜 질화물 반도체 발광 소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 질화물 반도체 발광 소자의 활성층 일부에 대한 에너지밴드 다이어그램이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자(100)는 사파이어 기판(110), n형 질화물층(120), 다중양자우물구조인 활성층(150) 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.　
본 발명의 제 1 실시예에 따라 채용된 활성층(150)은 양자장벽층(150a)과 양자우물층(150b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조로　이루어지고, 양자우물층(150b)의 내부에는 자발적인 분극을 억제하기 위해서 양자우물층(150b)의 밴드갭을 유지한 상태에서 에너지 밴드 준위가 낮아진 분극 완화영역(150b-2)이　형성된 다.
이러한 분극 완화영역(150b-2)은 양자우물층(150b)의 내부에서 n형 질화물층(120) 쪽에 근접하여 양자우물층(150b)의 다른 영역(150b-1)의 밴드갭과 동일하고 에너지 밴드 준위가 낮은 상태로 형성되되, 분극 완화영역(150b-2)의 두께(t2)는 양자우물층(150b) 두께의 10% 내지 60% 정도로 형성되어 발광 파장을 크게 변화시키지 않고 전자 농도가 증가하여 분극 현상을 완화하는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 예를 들어 양자장벽층(150a)이 AlXInYGa(1-X-Y)N(0≤x<1,0≤Y<1)층이고, 양자우물층(150b)이 InXGa1 -XN(a<x≤1)으로 구현되는 경우, 분극 완화영역(150b-2)은 예를 들어, Si, Ge, Sn 등과 같은 n-도펀트를 함유하되, 이러한 n-도펀트의 함량이 1×1018 cm-3 이상 1×1020 cm-3 이하, 바람직하게 5×1018 cm-3 이상 5×1019 cm-3 이하로 함유되어 양자우물층(150b)의 다른 영역(150b-1)의 밴드갭과 동일하고 에너지 밴드 준위가 낮아지게 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따라 분극 완화영역(150b-2)에 의해 자발적인 분극 현상을 완화함으로써 전자 및 정공이 분리되는　경향을 감소시켜, 즉 전자는 보다 에너지 밴드 준위가 낮은 방향으로 이동하여 전체 에너지 수준을 감소시키려는 경향을 가지게 되므로, 전자의 파동함수(A')는 더욱 낮은 에너지를 가질 수 있는 분극 완화영역(150b-2) 쪽으로 이동하고, 정공은 에너지 밴드에서 보다 높은 곳으로 이동하는 것이 전체 에너지를 낮추는 방향이 되므로, n-도펀트가 도 핑(doping)되지 않은 다른 영역(150b-1) 쪽으로 파동함수(B')가 이동하게 되며, 결과적으로 전자의 파동함수(A')와 정공의 파동함수(B')에 대해 두 파동함수(A',B')의 겹치는 중첩 영역이 증가하여 발광효율이 증가하고 발광량 또한 증가할 수 있다.
이하, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자에 대해 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 활성층 일부에 대한 에너지밴드 다이어그램으로서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자와 유사하고 활성층의 분극 완화영역(150b'-2)에서만 차이를 가진다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 활성층은 양자장벽층(150a')과 양자우물층(150b')이 교대로 적층된 다중양자우물구조로　이루어지고, 양자우물층(150b')의 내부에는 자발적인 분극을 억제하기 위해서 양자우물층(150b')의 밴드갭을 유지한 상태에서 에너지 밴드 준위가 낮아진 분극 완화영역(150b'-2)이　형성된다.
이러한 분극 완화영역(150b'-2)은 양자우물층(150b')의 내부에서 n형 질화물층(도시하지 않음) 쪽의 양자장벽층(150a')에 접하여 양자우물층(150b')의 다른 영역(150b'-1)의 밴드갭과 동일하고 에너지 준위가 낮은 상태로 경사지게 형성되되, 분극 완화영역(150b'-2)의 두께는 양자우물층(150b) 두께의 10% 내지 60% 정도로 형성되어 발광 파장을 크게 변화시키지 않고 증가된 전자를 함유하여 분극 현상을 완화하는 역할을 한다.
구체적으로, 예를 들어 양자장벽층(150a')이 AlXInYGa(1-X-Y)N(0≤x<1,0≤Y<1)층이고, 양자우물층(150b')이 InXGa1 -XN(a<x≤1)으로 구현되는 경우, 분극 완화영역(150b'-2)은 예를 들어, Si, Ge, Sn 등과 같은 n-도펀트를 함유하되, 이러한 n-도펀트의 함량이 1×1018 cm-3 이상 1×1020 cm-3 이하, 바람직하게 5×1018 cm-3 이상 5×1019 cm-3 이하로 양자장벽층(150a')으로 점진적으로 높아지도록 경사진 형태로 함유되어 양자우물층(150b')의 다른 영역(150b'-1)의 밴드갭과 동일하고 에너지 준위가 점진적으로 낮아지게 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따라 n-도펀트의 함량이 점진적으로 함유된 분극 완화영역(150b'-2)에 의해 자발적인 분극 현상을 완화함으로써 전자 및 정공이 분리되는　경향을 감소시켜, 본 발명의 제 1 실시예에서와 마찬가지로 전자의 파동함수(A')와 정공의 파동함수(B')에 대해 두 파동함수(A',B')의 겹치는 중첩 영역이 증가하여 발광효율이 증가하고 발광량 또한 증가할 수 있다.
이하, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자에 대해 도 5를 참조하여 설명한다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자는 도 5에 도시된 바와 같이 활성층 일부에 대해 다수의 분극 완화영역을 포함할 수 있어서, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 활성층(도시하지 않음)은 양자장벽 층(250a)과 양자우물층(250b)이 교대로 적층된 다중양자우물구조로　이루어지고, 양자우물층(250b)의 내부에는 자발적인 분극을 억제하기 위해서 양자우물층(250b)의 밴드갭을 유지한 상태에서 에너지 밴드 준위가 차등적으로 낮아진 제 1 분극 완화영역(250b-2)와 제 2 분극 완화영역(250b-3)이　형성될 수 있다.
이러한 제 1 분극 완화영역(250b-2)와 제 2 분극 완화영역(250b-3)은 양자우물층(250b)의 내부에서 n형 질화물층(도시하지 않음) 쪽의 양자장벽층(250a)에 접하여 양자우물층(250b)의 다른 영역(250b-1)의 밴드갭과 동일하고 에너지 준위가 낮은 상태로 양자우물층(250b) 두께의 10% 내지 60% 정도로 형성되되, 제 1 분극 완화영역(250b-2)은 양자우물층(250b)의 다른 영역(250b-1)의 에너지 준위보다 낮은 형태로 형성되고, 제 2 분극 완화영역(250b-3)은 제 1 분극 완화영역(250b-2)보다 더 낮은 형태로 형성됨으로써, 제 1 분극 완화영역(250b-2)과 제 2 분극 완화영역(250b-3)이 발광 파장을 크게 변화시키지 않고 전자 농도가 증가한 형태로 구현되어 분극 현상을 완화하는 역할을 한다.
구체적으로, 예를 들어 양자장벽층(250a)이 AlXInYGa(1-X-Y)N(0≤x<1,0≤Y<1)층이고, 양자우물층(250b)이 InXGa1 -XN(a<x≤1)으로 구현되는 경우, 제 1 분극 완화영역(250b-2)과 제 2 분극 완화영역(250b-3)은 예를 들어, Si, Ge, Sn 등과 같은 n-도펀트를 함유하되, 이러한 n-도펀트의 함량이 제 1 분극 완화영역(250b-2)에서는 1×1018 cm-3 이상 5×1018 cm-3 이하이고, 제 2 분극 완화영역(250b-3)에서는 n-도펀트의 함량이 제 1 분극 완화영역(250b-2)에서의 n-도펀트의 함량보다 많게, 예를 들어 5×1018 cm-3 이상 1×1020 cm-3 이하의 n-도펀트의 함량을 포함하여, 양자우물층(250b)의 다른 영역(250b-1)의 밴드갭과 동일하고 에너지 준위가 n형 질화물층(도시하지 않음) 쪽의 양자장벽층(250a)으로 단계적으로 낮아져 경사진 형태로 형성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 활성층에서 제 1 분극 완화영역(250b-2)과 제 2 분극 완화영역(250b-3)이 완만하게 경사진 형태로 n-도펀트의 함량이 변하는 것으로 설명하지만, 이에 한정되지 않고 제 1 분극 완화영역(250b-2)과 제 2 분극 완화영역(250b-3)으로 변하는 구간의 n-도펀트의 함량이 수직 구조로 급격하게 변하는 다수의 분극 완화영역을 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 3 실시예에 따라 제 1 분극 완화영역(250b-2)과 제 2 분극 완화영역(250b-3)에 의해 자발적인 분극 현상을 완화하여 전자 및 정공이 분리되는　경향을 감소시켜, 즉 전자는 보다 에너지 밴드 준위가 낮은 방향으로 이동하여 전체 에너지 수준을 감소시키려는 경향을 가지게 되므로, 전자의 파동함수는 더욱 낮은 에너지를 가질 수 있는 제 2 분극 완화영역(250b-3) 쪽으로 이동하고, 정공은 에너지 밴드에서보다 높은 곳으로 이동하는 것이 전체 에너지를 낮추는 방향이 되므로 n-도펀트가 도핑되지 않은 다른 영역(250b-1) 쪽으로 파동함수가 이동하게 되어, 결과적으로 전자의 파동함수와 정공의 파동함수에 대해 두 파동함수의 겹치는 중첩 영역이 더욱 증가하여 발광효율이 증가하고 발광량 또한 증가할 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 1a는 종래의 질화물 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도.
도 1b는 도 1a에 도시된 질화물 반도체 발광 소자의 활성층 일부에 대한 에너지밴드 다이어그램.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 질화물 반도체 발광 소자의 활성층 일부에 대한 에너지밴드 다이어그램.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 활성층 일부에 대한 에너지밴드 다이어그램.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 활성층 일부에 대한 에너지밴드 다이어그램.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 질화물 반도체 발광 소자 110: 기판
120: n형 질화물층 150: 활성층
150a,150a': 양자장벽층 150b,150b': 양자우물층
150b-2,150b'-2: 분극 완화 영역 170: p형 질화물층
180: 투명 전극층 190a: n측　전극
190b: p측 전극

Claims (7)

  1. n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에서 다수의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조의 활성층을 포함한 질화물 반도체 발광 소자에 있어서,
    상기 다수의 양자우물층 중 적어도 하나의 양자우물층은 언도프 영역과, n-도펀트를 함유하여 에너지 밴드 준위가 상기 언도프 영역보다 낮아진 적어도 하나의 분극 완화영역을 포함하며, 상기 분극 완화영역은 상기 n형 질화물층의 방향으로 형성되고, 상기 양자우물층 두께의 10% 내지 60%의 두께를 가지며, 상기 분극 완화영역의 n-도펀트는 1×1018 cm-3 이상 1×1020 cm-3 이하의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분극 완화영역의 n-도펀트는 Si, Ge, Sn 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분극 완화영역의 n-도펀트 함량은 5×1018 cm-3 이상 5×1019 cm-3 이하로 상기 n형 질화물층의 방향에 형성된 양자장벽층으로 점진적으로 높아지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 분극 완화영역은
    상기 n-도펀트가 1×1018 cm-3 이상 5×1018 cm-3 이하의 함량을 갖는 제 1 분극 완화영역; 및
    상기 제 1 분극 완화영역에 접하여 상기 n-도펀트가 5×1018 cm-3 이상 1×1020 cm-3 이하의 함량을 갖는 제 2 분극 완화영역
    을 포함하고,
    상기 제 1 분극 완화영역과 제 2 분극 완화영역은 상기 양자우물층의 다른 영역의 밴드갭과 동일하며, 상기 n형 질화물층 방향의 양자장벽층으로 단계적으로 낮아지는 경사진 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분극 완화영역은
    상기 n-도펀트가 1×1018 cm-3 이상 1×1020 cm-3 이하의 함량을 갖는 제 1 분극 완화영역; 및
    상기 제 1 분극 완화영역에 접하여 상기 n-도펀트의 함량이 상기 제 1 분극 완화영역의 n-도펀트의 함량 보다 많은 제 2 분극 완화영역
    을 포함하고,
    상기 제 1 분극 완화영역과 제 2 분극 완화영역은 상기 양자우물층의 다른 영역의 밴드갭과 동일하며, 상기 n형 질화물층 방향의 양자장벽층으로 단계적으로 낮아지는 경사진 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 양자장벽층은 AlXInYGa(1-X-Y)N(0≤x<1,0≤Y<1)층이고, 상기 양자우물층은 InXGa1-XN(a<x≤1)인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
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