KR101248383B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 개시는, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층; 제1 도전성과 다른 제2 전도성을 가지는 제2 반도체층; 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되는 활성층;을 포함하며, 활성층은, TYPE II의 밴드 배치(band alignment)를 가지는 양자 우물층과, 양자 우물층이 사이에 개재되는 장벽층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
전기전자, 반도체, 발광소자, 활성층, 서브 장벽층, TYPE II, 내부전계.

Description

반도체 발광소자{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 내부 전계에 의해 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency; IQE)이 떨어지는 것이 방지될 수 있는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 광소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다. 3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.
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).
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) 클래드 층을 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 안나오는 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 클래드 층을 갖는 InGaN/InGaAlN 양자우물 구조에서 양자우물 내의 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 클래드 층의 성장 조건이 극히 까다롭다는 단점을 갖고 있다.
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), 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층; 제1 도전성과 다른 제2 전도성을 가지는 제2 반도체층; 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되는 활성층;을 포함하며, 활성층은, TYPE II의 밴드 배치(band alignment)를 가지는 양자 우물층과, 양자 우물층이 사이에 개재되는 장벽층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
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)).
도 1은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 보인 도면으로서, 제1 반도체층(111), 제2 반도체층(113), 활성층(112)을 포함하며, 활성층(112)은 양자 우물층(132)과 장벽층(122)을 포함한다.
제1 반도체층(111), 제2 반도체층(113) 및 활성층(112)은 III-V족 화합물 반도체로 구비될 수 있으며, 이하에서는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 표현되는 3족 질화물 반도체로 구비되는 경우를 예로 하여 설명한다.
한편, 제1 반도체층(111), 제2 반도체층(113) 및 활성층(112)의 적층을 위해 기판(120)이 구비된다.
기판(120)은, 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 3족 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다.
또한, 기판(120)은 제1 반도체층(111), 제2 반도체층(113) 및 활성층(112)의 성장이 완료된 후 제거될 수 있다.
여기서, 반도체층(110)은 제1 반도체층(111), 제2 반도체층(113) 및 활성층(112)을 의미한다.
반도체층(110)의 성장은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 이루어진다.
제1 반도체층(111)과 제2 반도체층(113)은 서로 다른 도전성을 갖도록 구비된다. 일 예로, 제1 반도체층(111)은 p형 반도체층, 제2 반도체층(113)은 n형 반도 체층으로 구비될 수 있다.
또한, 제1 반도체층(111)과 제2 반도체층(113)에 각각 제1 전극(111a), 제2 전극(113a)이 구비될 수 있으며, 제1 전극(111a)과 제2 전극(113a)에 인가되는 전압에 의해 활성층(112)에서 발광이 일어나게 된다.
활성층(112)은, 전자와 정공의 효율적인 재결합을 위해, 전자와 정공이 위치되는 양자 우물층(132)과, 전자와 정공의 이동을 방해하는 장벽층(122)을 포함한다.
활성층(112)은, 하나의 양자 우물층(132)을 포함하는 구조(단일양자우물구조) 또는 복수의 양자 우물층(132)을 포함하는 구조(다중양자우물구조)로 구비될 수 있다.
또한, 본 예에 따른 반도체 발광소자(100)에 있어서, 양자 우물층(132)은 서브 양자 우물층(132a)과 서브 장벽층(132b)을 포함하며, 서브 장벽층(132b)에 의해 양자 우물층(132)은 TYPE II의 밴드 배치(band alignment)를 가지게 된다.
이에 의해, 내부 전계에 의해 양자 우물층(132)에서 전자와 정공이 공간적으로 분리되는 문제가 서브 장벽층(132b)에 의해 개선될 수 있다.
여기서, 'TYPE II의 밴드 배치(band alignment)'라 함은, 전도대(conduction band)의 에너지가 주변에 비해 큰 경우, 가전자대(valence band)의 에너지도 주변에 비해 큰 구조를 가지는 밴드 배치를 의미한다.
이는, 전도대(conduction band)의 에너지가 주변에 비해 큰 경우, 가전자대(valence band)의 에너지는 주변에 비해 작은 구조를 가지는 밴드 배치를 의미하 는 'TYPE I의 밴드 배치(band alignment)'와 구별된다.
도 2는 TYPE II의 밴드 배치(band alignment)를 가진 양자우물구조를 개략적으로 보인 도면으로서, 활성층(112)의 구성하는 각 층의 전도대와 가전자대의 에너지 상태를 보이고 있다. a는 장벽층(122), b는 서브 양자 우물층(132a), c는 서브 장벽층(132b)에 대응된다.
먼저, 서브 양자 우물층(132a)의 경우, 전도대의 에너지가 장벽층(122)의 전도대 에너지보다 작으며, 가전자대의 에너지가 장벽층(122)의 가전자대 에너지보다 크게 형성됨을 알 수 있다.
반면, 서브 장벽층(132b)의 경우, 전도대의 에너지와 가전자대의 에너지가 각각 서브 양자 우물층(132a)의 전도대 에너지보다 크고, 서브 양자 우물층(132a)의 가전자대 에너지보다 크게 형성됨을 알 수 있다.
도 3은 내부 전계에 의해 변형된 양자우물구조를 보인 도면으로서, (a)는 TYPE I의 밴드 배치를 가진 경우, (b)는 TYPE II의 밴드 배치를 가진 경우에 대해 수치해석 결과를 보인 것이다.
(a)와(b)에서 C1은 전자의 밀도를, HH1은 정공의 밀도를 나타낸다. 그리고 (a)에서 장벽층은 GaN, 양자 우물층은 In의 조성비가 0.106인 InGaN으로 구비되었으며, 양자 우물층의 두께는 3 nm이다. 또한, (b)에서 서브 양자 우물층(132a)은 In의 조성비가 0.11인 InGaN, 서브 장벽층(132b)은 Sb의 조성비가 0.03인 GaNSb으로 구비되었으며, 서브 장벽층(132b)의 두께는 1 nm이고, 서브 장벽층(132b)과 서브 양자 우물층(132a)의 총 두께는 3 nm이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 내부 전계에 의해 전자는 양자우물의 오른쪽 끝으로 몰리며, 정공은 양자우물의 왼쪽 끝으로 몰리게 됨을 알 수 있다.
그러나, (b)를 참조하면, 내부 전계에 의해 전자는 양자우물의 오른쪽 끝으로 몰리는 것은 유사하나, 정공이 양자우물의 중앙부, 즉 서브 장벽층(132b)에 몰리게 되므로 전자와 정공의 거리가 감소되어 내부 전계에 의해 내부 양자 효율이 저하되는 문제가 개선될 수 있다.
여기서, 정공이 서브 장벽층(132b)으로 몰리는 것은, 정공이 에너지가 큰 상태로 유지되려는 경향을 가지기 때문이다.
도 4는 TYPE I과 TYPE II의 밴드 배치를 가진 양자우물구조에서의 발진 파장을 비교한 도면으로서, 가로축은 전자의 밀도를, 세로축은 발진 파장을 나타낸다.
또한, 점선은 TYPE I의 밴드 배치를 가진 양자우물구조에서의 발진 파장을, 실선은 TYPE II의 밴드 배치를 가진 양자우물구조에서의 발진 파장을 보인 것이다.
도 4를 참조하면, TYPE II의 밴드 배치를 가진 양자우물구조에서 발진 파장이 증가됨을 알 수 있다.
이는, 서브 장벽층(132b)에 의해 정공의 구속 포텐셜이 변화되었기 때문이다.
또한, 도 5는 TYPE I과 TYPE II의 밴드 배치를 가진 양자우물구조에서의 파장에 대한 자발광계수(spontaneous emission coefficient)를 비교한 도면으로서, 가로축이 파장이며, 세로축은 자발광계수이다. 여기서, 전자 밀도는 10×1012 cm-2이 다.
도 5를 참조하면, TYPE II의 밴드 배치를 가진 양자우물구조에서 자발광계수가 증가됨을 확인할 수 있다.
한편, 도 6은 TYPE I과 TYPE II의 밴드 배치를 가진 양자우물구조에서의 전자 밀도에 대한 자발광계수(spontaneous emission coefficient)를 비교한 도면으로서, 가로축이 전자 밀도이며, 세로축은 자발광계수이다.
도 6에서도, 앞선 보인 도 4,5의 결과와 마찬가지로 TYPE II의 밴드 배치를 가진 양자우물구조에서 자발광계수가 증가됨을 확인할 수 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 제1 전도대(conduction band) 에너지와, 제1 전도대 에너지보다 작은 제1 가전자대(valence band) 에너지를 가지는 서브 양자 우물층; 및 제1 전도대 에너지보다 큰 제2 전도대 에너지와, 제1 가전자대 에너지보다 큰 제2 가전자대 에너지를 가지는 서브 장벽층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
이에 의해, 활성층에 형성되는 내부 전계로 인해 전자와 정공의 거리가 멀어지게 되는 문제가 서브 장벽층에 의해 방지될 수 있다. 즉, 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency; IQE)이 향상될 수 있다.
(2) 서브 장벽층은, 양자 우물층의 중앙에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
이에 의해, 서브 장벽층에 의한 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency; IQE)의 개선 효과를 보다 향상될 수 있다.
(3) 서브 양자 우물층은, In(x)Ga(1-x)N (0＜x＜1)로 정의되는 물질로 구비되며, 서브 장벽층은, GaN(1-y)Sb(y) (0＜y＜1)로 정의되는 물질로 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
이에 의해, 3족 질화물 반도체 발광소자의 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency; IQE)을 개선시킬 수 있다.
(4) x는 0.11이며, y는 0.03인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(5) 양자 우물층의 두께는 30 nm이고, 서브 장벽층은 10 nm이며, 서브 장벽층은 양자 우물층의 중앙에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(6) 서브 양자 우물층의 전도대에 상대적으로 많은 양의 전자가 위치되며, 서브 장벽층의 가전자대에 상대적으로 많은 양의 정공이 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
본 개시에 따른 하나의 반도체 발광소자에 의하면, 서브 장벽층에 의해 내부 전계로 인해 양자 우물층에서 전자와 정공의 거리가 멀어지는 문제가 방지되므로, 내부 전계로 인해 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency; IQE)이 떨어지는 문제가 개선될 수 있다.
또한 본 개시에 따른 다른 반도체 발광소자에 의하면, 3족 질화물 반도체로 구비되는 서브 양자 우물층에 적절한 서브 장벽층이 구비되므로, 내부 전계로 인한 3족 질화물 반도체 발광소자의 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency; IQE)의 감소가 개선될 수 있다.
도 1은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 보인 도면,
도 2는 TYPE II의 밴드 배치(band alignment)를 가진 양자우물구조를 개략적으로 보인 도면,
도 3은 내부 전계에 의해 변형된 양자우물구조를 보인 도면,
도 4는 TYPE I과 TYPE II의 밴드 배치를 가진 양자우물구조에서의 발진 파장을 비교한 도면,
도 5는 TYPE I과 TYPE II의 밴드 배치를 가진 양자우물구조에서의 파장에 대한 자발광계수(spontaneous emission coefficient)를 비교한 도면,
도 6은 TYPE I과 TYPE II의 밴드 배치를 가진 양자우물구조에서의 전자 밀도에 대한 자발광계수(spontaneous emission coefficient)를 비교한 도면.

Claims (9)

  1. 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층;
    제1 도전성과 다른 제2 전도성을 가지는 제2 반도체층; 및
    제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되는 활성층;을 포함하며,
    활성층은 양자 우물층과, 양자 우물층의 양측에 위치하는 장벽층을 포함하며, 양자 우물층은 두 개의 서브 양자 우물층과, 두 개의 서브 양자 우물층 사이에 개재된 서브 장벽층을 구비하며, 양자 우물층은 서브 장벽층으로 인해 TYPE II의 밴드 배치(band alignment)를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    서브 양자 우물층은 제1 전도대(conduction band) 에너지와, 제1 전도대 에너지보다 작은 제1 가전자대(valence band) 에너지를 가지며,
    서브 장벽층은 제1 전도대 에너지보다 큰 제2 전도대 에너지와, 제1 가전자대 에너지보다 큰 제2 가전자대 에너지를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서,
    서브 장벽층은 양자 우물층의 중앙에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 청구항 2에 있어서,
    서브 양자 우물층은 In(x)Ga(1-x)N (0＜x＜1)로 정의되는 물질로 구비되며,
    서브 장벽층은 GaN(1-y)Sb(y) (0＜y＜1)로 정의되는 물질로 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    x는 0.11이며, y는 0.03인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 청구항 5에 있어서,
    양자 우물층의 두께는 30 nm이고, 서브 장벽층은 10 nm이며,
    서브 장벽층은 양자 우물층의 중앙에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 삭제
  9. 청구항 2에 있어서,
    제1 반도체층, 제2 반도체층 및 활성층은 3족 질화물 반도체로 구비되며,
    서브 양자 우물층은, In(x)Ga(1-x)N (0＜x＜1)로 정의되는 물질로 구비되고,
    서브 장벽층은, GaN(1-y)Sb(y) (0＜y＜1)로 정의되는 물질로 구비되며,
    x는 0.11이고, y는 0.03이며, 양자 우물층의 두께는 30 nm이고, 서브 장벽층은 10 nm인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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