KR101140659B1 - 화합물 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층과, 제1 도전성을 갖고 활성층의 일측에 위치하며 전자가 주입되는 제1 화합물 반도체층과, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 갖고 활성층의 타측에 위치하며 정공이 주입되는 제2 화합물 반도체층과, 활성층과 제2 화합물 반도체층의 사이에 위치하며, Type-II의 밴드 배치(band alignment)를 갖는 전자장벽층(electron blocking layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
Description
본 개시는(Disclosure)는 전체적으로 화합물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 전자의 구속효과 및 정공의 주입효과가 함께 향상되어 출력이 향상된 화합물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 발광소자는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물 반도체층을 포함하는 발광다이오드와 같은 3족 질화물 발광소자를 의미하며, 추가적으로 SiC, SiN, SiCN, CN와 같은 다른 족(group)의 원소들로 이루어진 물질이나 이들 물질로 된 반도체층을 포함하는 것을 배제하는 것은 아니다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
일반적으로, 반도체 발광소자의 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency; IQE)은 활성층에 인가되는 응력에 의한 피에조 전계와 자발 분극으로 인해 떨어지는 문제가 있으며, 이러한 문제는 청색 및 녹색 발광소자를 구성하는 3족 질화물 반도체에서 더욱 두드러진다[Park et al., Appl. Phys. Lett. 75, 1354(1999)].
3족 질화물 반도체에서 피에조 전계 및 자발 분극을 최소화하기 위해 다음과 같은 방법이 제시되고 있다.
1) Non-polar 또는 semi-polar 기판을 이용하여 자발 분극 및 피에조 효과를 최소화 시키는 방법 [Park et al., Phys Rev B 59, 4725 (1999) 및 Waltereit et al., Nature 406, 865 (2000)].
2) 클래드층을 4원막으로 하고 이중 Al의 조성비를 증가시켜 전송자의 구속효과를 높여 발광효율을 높이는 방법 [Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 77, 2668(2000), Lai et al., IEEE Photonics Technol Lett. 13, 559 (2001)].
그러나, 1)의 경우, 아직 이종결정 성장방향에 대한 성장기술의 성숙하지 않아 소자 제작시 결함(Defects)이 많아 이론적인 예상만큼 소자 특성이 나오지 않는 것으로 알려져 있고 제작과정이 매우 까다로운 문제가 있다 [K. Nishizuka et al., Appl. Phys. Lett. 87, 231901 (2005)].
2)의 경우, 자발분극 및 피에조 전계를 근본적으로 제거할 수 없기 때문에 근본적인 해결책이 될 수 없다.
다만, 4원막 클래드층을 갖는 InGaN/InGaAlN 양자우물 구조에서 양자우물내의 인듐 조성비가 정해지면 피에조 및 자발 분극에 의한 내부전계가 소멸되는 4원막의 조성비를 발견할 수 있다는 이론적 연구결과가 있다.[S. H Park, D. Ahn, J. W. Kim, Applied Physics Letters 92, 171115 (2008)].
그러나, 이 방법은 4원막 클래드층의 성장 조건이 극히 까다롭다는 단점을 갖고 있다.
한편, 전술된 내부양자효율을 향상시키기 위한 방법 외에도 II-VI족 또는 III-V족 질화물계 양자우물을 기반으로 하는 발광소자에서 전자의 구속효과 증대를 위해 전자장벽층(electron blocking layer; EBL)을 채택하는 경우가 많다.
그러나, 전자장벽층은 전자의 구속효과를 증대시키는 반면, 정공(hole)에 대한 포텐셜 장벽(potential barrier) 의 역할을 함과 동시에 내부전계에 의한 downward band bending 효과를 유발한다. 따라서 전자장벽층이 정공주입(hole injection) 효과를 낮추어 출력향상을 어렵게 하는 문제가 있다[ M. F. Schubert et al., Appl. Phys. Lett. 93, 041102 (2008)].
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure) 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층과, 제1 도전성을 갖고 활성층의 일측에 위치하며 전자가 주입되는 제1 화합물 반도체층과, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 갖고 활성층의 타측에 위치하며 정공이 주입되는 제2 화합물 반도체층과, 활성층과 제2 화합물 반도체층의 사이에 위치하며, Type-II의 밴드 배치(band alignment)를 갖는 전자장벽층(electron blocking layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자를 제공한다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 본 개시에 따른 화합물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 본 개시에 따른 화합물 반도체 발광소자의 양자우물구조의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 도 2에 도시된 양자우물구조가 내부전계에 의해 변형된 상태를 나타내는 도면,
도 4는 통상적인 전자장벽층을 갖는 양자우물구조의 일 예를 나타내는 도면.
도 2는 본 개시에 따른 화합물 반도체 발광소자의 양자우물구조의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 도 2에 도시된 양자우물구조가 내부전계에 의해 변형된 상태를 나타내는 도면,
도 4는 통상적인 전자장벽층을 갖는 양자우물구조의 일 예를 나타내는 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
본 개시에 따른 화합물 반도체 발광소자는 출력을 향상하기 위해 전자의 구속효과 및 정공의 주입효과를 함께 향상시키는 특징을 갖는다. 이를 위해 활성층과 제2 화합물 반도체층 사이에 전자장벽층(electron blocking layer; EBL)이 개재된다. 전자장벽층은 Type-II의 밴드 배치(band alignment)를 갖기 때문에 전자장벽층으로 기능하면서 동시에 정공에 대한 전위장벽(potential barrier) 및 내부전계 효과를 낮추어 정공의 주입효과를 향상시킨다.
도 1은 본 개시에 따른 화합물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 화합물 반도체 발광소자는 기판(10), 버퍼층(20), 제1 화합물 반도체층(30), 활성층(40), 전자장벽층(42), 제2 화합물 반도체층(50), 전류확산전극(60), 제1 전극(80) 및 제2 전극(70)을 포함한다.
사파이어 또는 SiC 등의 기판(10)위에 성장의 씨앗으로 역할 하는 버퍼층(20), 제1 화합물 반도체층(30), 활성층(40), 전자장벽층(42), 제2 화합물 반도체층(50)이 차례로 형성된다. 필요에 따라서 각 층들은 다시 세부 층들을 포함할 수 있다. 식각된 제1 화합물 반도체층(30) 위에 제1 전극(80)이 형성되고, 제2 화합물 반도체층(50) 위에 전류확산전극(60) 및 제2 전극(70)이 형성되고, 이들의 위에 보호막(도시되지 않음)이 형성될 수 있다. 제1 전극(80)과 제2 전극(70)에 전류가 인가되면 활성층(40)에서 빛이 나온다.
SiC 기판이 사용되는 경우 제1 전극(80)은 기판(10)의 아래에 형성될 수 있다. 기판(10)은 제1 화합물 반도체층(30), 활성층(40) 및 제2 화합물 반도체층(50)의 성장이 완료된 후 제거될 수 있다. 제1 화합물 반도체층(30), 활성층(40), 전자장벽층(42) 및 제2 화합물 반도체층(50)의 성장은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 이루어진다. 제1 화합물 반도체층(30) 위에 장벽층(43, 45) 및 양자우물층(41)이 교대로 형성되어 활성층(40)이 형성된다.
제1 화합물 반도체층(30), 양자우물층(41), 장벽층(43, 45) 및 제2 화합물 반도체층(50)은 Al(p)Ga(q)In(1-p-q)N (0≤p≤1, 0≤q≤1, 0≤p+q≤1)으로 정의된 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
제1 화합물 반도체층(30)과 제2 화합물 반도체층(50)은 서로 다른 도전성을 갖는다. 일 예로, 제1 화합물 반도체층(30)은 n형 GaN층과 같은 n형 화합물 반도체층(30), 제2 화합물 반도체층(50)은 p형 GaN층과 같은 p형 화합물 반도체층(50)일 수 있다. 이하, 제1 화합물 반도체층(30)은 n형 화합물 반도체층(30)으로, 제2 화합물 반도체층(50)은 p형 화합물 반도체층(50)으로 사용하며 동일한 도면부호를 사용하여 설명한다.
활성층(40)은, 하나의 양자우물층(41)을 포함하는 구조(단일양자우물구조) 또는 복수의 양자우물층(41)을 포함하는 구조(다중양자우물구조)로 구비될 수 있다. 예를 들어, 양자우물층(41)은 InGaN으로 이루어질 수 있고, 장벽층(43, 45)은 GaN, InGaN, AlInGaN 및 AlGaN으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
도 2는 본 개시에 따른 화합물 반도체 발광소자의 양자우물구조의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 3은 도 2에 도시된 양자우물구조가 내부전계에 의해 변형된 상태를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 활성층(40), 전자장벽층(42) 및 제2 화합물 반도체층(50)의 전도대(conduction band; Ec)와 가전자대(valence band; Ev)의 에너지 분포의 일 예를 보여준다. 전자장벽층(42)은 활성층(40)과 p형 화합물 반도체층(50) 사이에 위치한다. 전자장벽층(42)은 활성층(40)의 장벽층(43)과 접하거나, 활성층(40)의 양자우물층(41)과 접할 수 있다. 도 2에는 전자장벽층(42)이 활성층(40)의 장벽층(43)과 접하는 양자우물구조가 예시되어 있다.
전자장벽층(42)은 Type-II의 밴드 배치(band alignment)를 갖는다. 'Type-II의 밴드 배치(band alignment)'라 함은, 전도대(Ec)의 에너지가 주변에 비해 큰 경우, 가전자대(Ev)의 에너지도 주변에 비해 큰 구조를 가지는 밴드 배치를 의미한다.
이는, 전도대(Ec)의 에너지가 주변에 비해 큰 경우, 가전자대(Ev)의 에너지는 주변에 비해 작은 구조를 가지는 밴드 배치를 의미하는 'Type-I의 밴드 배치(band alignment)'와 구별된다.
도 4는 통상적인 전자장벽층을 갖는 양자우물구조의 일 예를 나타내는 도면이다. 본 개시에 따른 양자우물구조와 다르게 도 4에 도시된 양자우물구조에서 전자장벽층(142)은 Type-I의 밴드 배치를 갖는다.
반면, 도 2 및 도 3에 도시된 전자장벽층(42)은 전도대(Ec)의 에너지 레벨이 p형 화합물 반도체층(50)의 전도대(Ec)의 에너지 레벨보다 높고, 가전자대(Ev)의 에너지 레벨이 p형 화합물 반도체층(50)의 가전자대(Ev)의 에너지 레벨보다 높다. 또한, 전자장벽층(42)은 전도대(Ec)의 에너지 레벨이 전자장벽층(42)과 접하는 장벽층(43)의 전도대(Ec)의 에너지 레벨보다 높고, 가전자대(Ev)의 에너지 레벨이 장벽층(43)의 가전자대(Ev)의 에너지 레벨보다 높다.
이와 같이, Type-II의 밴드 배치를 갖기 위해 전자장벽층(42)은 특별한 물질을 포함한다. 전자장벽층(42)은 안티몬(Sb)을 함유하는 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전자장벽층(42)은 Al(x)Ga(y)In(1-x-y-z)NSb(z) (단 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1 0<x+y+z≤1)로 정의된 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
전자장벽층(42)에서Al의 조성비 x가 증가하면 전자의 구속효과는 증가하지만 정공에 대한 전위장벽도 높아질 수 있고, 결정성(crystallinity)이 저하될 수 있다. Sb의 조성비 z가 증가하면 정공에 대한 전위장벽이 낮아지지만 전자의 구속효과가 저하될 수 있으며, 스트레인(strain)이 크게 증가될 수 있다. 따라서, 조성비 x 및 z의 비율을 조절하여 전자의 구속효과 및 정공의 주입효과를 함께 향상시킬 수 있다.
전자는 n형 화합물 반도체층(30)으로 주입되며, p형 화합물 반도체층(50)을 향하여 확산된다. 전자와 정공의 재결합에 의해 나오는 빛을 증가시키기 위해 활성층(40)의 양자우물층(41)에 구속되는 전자가 많아야 하며, 활성층(40)의 장벽층(43, 45)은 전자를 구속한다. 전자장벽층(42)은 활성층(40)과 p형 화합물 반도체층(50) 사이에 개재되어 전자구속효과를 증가시킨다.
도 2 및 도 3에서 설명된 본 개시에 따른 전자장벽층(42)과 도 4에서 설명된 통상적인 전자장벽층(142)은 모두 전도대(Ec)의 에너지 레벨이 장벽층 및 p형 화합물 반도체층(50)보다 높아서 전자를 구속하는 효과를 증가시킨다.
정공은 p형 화합물 반도체층(50)으로 주입되며 n형 화합물 반도체층(30)을 향하여 확산된다. 정공은 전자에 비하여 이동도가 현저히 작아서 정공의 확산효과를 향상시키는 것은 활성층(40)에서 전자와 정공의 재결합에 의한 빛의 생성효율을 향상시키는 데에 결정적으로 중요하다.
도 4에 도시된 통상적인 전자장벽층(142)은 가전자대(Ev)의 에너지 레벨이 장벽층(143) 및 p형 화합물 반도체층(150)보다 낮아서 정공이 활성층으로 확산되는 데에 있어서 전위장벽(potential barrier)로 작용한다. 따라서 통상적인 전자장벽층(142)은 전자의 구속효과를 향상시키지만 정공의 주입효과 향상에 장애를 초래한다.
반면, 도 2 및 도 3에서 설명된 본 개시에 따른 전자장벽층(42)은 가전자대(Ev)의 에너지 레벨이 장벽층 및 p형 화합물 반도체층(50)보다 높아서 정공이 활성층(40)으로 확산되는 데에 있어서 전위장벽(potential barrier)이 현저히 낮아진다. 따라서 정공의 주입효율이 많이 향상되어 화합물 반도체 발광소자의 출력이 향상된다.
이러한 출력향상효과는 반복된 수치해석 결과 전자장벽층(42)의 조성에 따라 달라진 것을 알 수 있었다. 특히 전자장벽층(42)이 Al(x)Ga(y)In(1-x-y-z)NSb(z) (단 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1 0<x+y+z≤1)로 정의되는 화합물 반도체로 이루어지는 경우, Al과 Sb의 함유량에 따라 출력향상효과가 크게 차이가 났다.
본 개시에 따라 Type-II의 밴드 배치를 갖는 전자장벽층(42)에서 Al의 조성비가 0≤x≤0.3 인 것이 바람직하다. 전도대(Ec)가 전자장벽층(42)으로 기능하도록 충분한 에너지를 갖기 위해서는 전자장벽층(42)에 Al이 함유되는 것이 바람직하며, Al의 함유량 x가 0.3보다 크면 Type-II의 밴드 배치를 이루기가 어렵고 통상적인 전자장벽층(142)에 근접한다.
한편, 본 개시에 따라 Type-II의 밴드 배치를 갖는 전자장벽층(42)에서 Sb의 조성비가 0.005≤z≤0.1 인 것이 바람직하다. 전자장벽층(42)은 안티몬(Sb)을 함유함으로써 Type-II의 밴드 배치를 가질 수 있으며, 안티몬의 함유량 z가 z<0.005 이면 가전자대(Ev)의 에너지가 주변보다 충분히 높아지지 않아서 정공에 대한 전위장벽을 낮추는 효과가 미약하다. 따라서 전위장벽을 낮추어 정공의 주입효율을 향상시키기 위해 0.005≤z인 것이 바람직하다. 또한, 0.1<z이면 스트레인이 크게 증가하기 때문에 z≤0.1인 것이 바람직하다.
상기한 전자장벽층(42)에 대한 Al 및 Sb의 조성비에 대한 수치범위를 전제로 밴드갭의 정량값을 참고문헌 [S. Sakai et al., Jpn. J. Appl. Phys. 32, 4413 (1993)]에 제시된 방법으로 계산할 수 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 전자장벽층은 안티몬(Sb)을 함유하는 화합물 반도체로 이루어지며, 전도대(conduction band)의 에너지 레벨(energy level)이 제2 화합물 반도체층의 전도대의 에너지 레벨보다 높고, 가전자대(valance band)의 에너지 레벨이 제2 화합물 반도체층의 가전자대의 에너지 레벨보다 높은 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
(2) 전자장벽층은 Al(x)Ga(y)In(1-x-y-z)NSb(z) (단 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1 0<x+y+z≤1)로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
(3) 0.005≤z≤0.1 인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
(4) 0≤x≤0.3인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
(5) 전자장벽층은 AlGaNSb로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
(6) 활성층은 전자와 정공이 재결합이 일어나는 양자우물층; 그리고
양자우물층 양측에 위치하는 장벽층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
(7) 전자장벽층은 제2 화합물 반도체층 및 장벽층 사이에 위치하며, 제2 화합물 반도체층 및 장벽층에 각각 접하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
(8) 제1 화합물 반도체층, 양자우물층, 장벽층 및 제2 화합물 반도체층은 Al(p)Ga(q)In(1-p-q)N (0≤p≤1, 0≤q≤1, 0≤p+q≤1)으로 정의된 화합물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
(9) 전자장벽층은 Al(x)Ga(y)In(1-x-y-z)NSb(z) (단 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1 0<x+y+z≤1)로 이루어지고, 0.005≤z≤0.1 및 0≤x≤0.3인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
본 개시에 따른 화합물 반도체 발광소자에 의하면, Type-II의 밴드 배치를 갖는 전자장벽층에 의해 전자의 구속효과가 향상되면서 함께 정공의 주입효과가 향상된다. 따라서 화합물 반도체 발광소자의 출력이 향상된다.
30 : n형 화합물 반도체층 40 : 활성층
41 : 양자우물층 43, 45 : 장벽층
42 : 전자장벽층 50 : p형 화합물 반도체층
41 : 양자우물층 43, 45 : 장벽층
42 : 전자장벽층 50 : p형 화합물 반도체층
Claims (10)
- 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층;
제1 도전성을 갖고 활성층의 일측에 위치하며, 전자가 주입되는 제1 화합물 반도체층;
제1 도전성과 다른 제2 도전성을 갖고 활성층의 타측에 위치하며, 정공이 주입되는 제2 화합물 반도체층; 그리고
활성층과 제2 화합물 반도체층의 사이에 위치하며, Type-II의 밴드 배치(band alignment)를 갖는 전자장벽층(electron blocking layer);을 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
전자장벽층은 안티몬(Sb)을 함유하는 화합물 반도체로 이루어지며, 전도대(conduction band)의 에너지 레벨(energy level)이 제2 화합물 반도체층의 전도대의 에너지 레벨보다 높고, 가전자대(valance band)의 에너지 레벨이 제2 화합물 반도체층의 가전자대의 에너지 레벨보다 높은 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자. - 청구항 2에 있어서,
전자장벽층은 Al(x)Ga(y)In(1-x-y-z)NSb(z) (단 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1 0<x+y+z≤1)로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자. - 청구항 3에 있어서,
0.005≤z≤0.1 인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자. - 청구항 3에 있어서,
0≤x≤0.3인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자. - 청구항 3에 있어서,
전자장벽층은 AlGaNSb로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
활성층은
전자와 정공이 재결합이 일어나는 양자우물층; 그리고
양자우물층 양측에 위치하는 장벽층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자. - 청구항 7에 있어서,
전자장벽층은 제2 화합물 반도체층 및 장벽층 사이에 위치하며, 제2 화합물 반도체층 및 장벽층에 각각 접하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자. - 청구항 7에 있어서,
제1 화합물 반도체층, 양자우물층, 장벽층 및 제2 화합물 반도체층은 Al(p)Ga(q)In(1-p-q)N (0≤p≤1, 0≤q≤1, 0≤p+q≤1)으로 정의된 화합물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자. - 청구항 9에 있어서,
전자장벽층은 Al(x)Ga(y)In(1-x-y-z)NSb(z) (단 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1 0<x+y+z≤1)로 이루어지고, 0.005≤z≤0.1 및 0≤x≤0.3인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
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| JPH09510831A (ja) * | 1994-03-25 | 1997-10-28 | フラウンホッファー ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー．ファオ． | 量子層の構造 |
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