KR101252556B1 - 질화물계 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 광 출력을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 발광 소자에 있어서, n-형 반도체층과; p-형 반도체층과; 상기 n-형 반도체층과 p-형 반도체층 사이에 위치하고, 적어도 한 쌍 이상의 제1장벽층과 우물층을 포함하며, 밴드갭이 상기 제1장벽층과 상기 우물층의 사이의 값을 가지는 제2장벽층을 포함하는 발광층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

질화물, 반도체, 발광층, 장벽층, 광출력.

Description

질화물계 발광 소자 {Nitride based light emitting diode}

도 1은 일반적인 질화물계 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 질화물계 발광 소자를 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제1실시예를 나타내는 밴드 다이어그램이다.

도 4는 본 발명의 제2실시예를 나타내는 밴드 다이어그램이다.

도 5는 본 발명의 제3실시예를 나타내는 밴드 다이어그램이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 : 기판 20 : 버퍼층

30 : n-형 반도체층 40 : 발광층

41 : 우물층 42 : 제1장벽층

43 : 제2장벽층 50 : p-형 반도체층

51 : p-형 AlGaN 층 52 : p-형 GaN 층

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 광 출력을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.

이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.

대부분의 LED에 있어서 광출력은 내부양자효율(internal efficiency)과 외부양자효율(extraction efficiency)에 의해서 결정되어진다.

내부양자효율은 LED 소자 내부에서 얼마나 많은 빛을 만들어 낼 수 있는 지에 대한 지표이고, 외부양자효율은 소자 내부에서 만들어진 빛을 실제 외부로 얼마나 추출할 수 있는가에 대한 지표를 나타내고 있다.

이 중에서, 내부양자효율은 LED를 구성하고 있는 박막의 각 층의 품질을 향상시키거나 각 층들의 성장 방법 및 구조를 변경하여 특성을 향상시키려고 시도하고 있다.

또한 외부양자효율은 기판과 LED 표면을 거칠게 구현하거나, LED 칩의 제작 공정에서 표면에 거칠기(roughness)와 광결정(photonic-band crystal: PBC) 구조를 적용하거나 혹은 칩 구조를 변경함으로써 개선을 도모하고 있다.

도 1은 질화물계 청색 LED의 기본 구조를 나타내고 있으며, 기판(1) 위에 버퍼층(2), n-형 반도체층(3), 다수의 장벽층(4)과 우물층(5)을 포함하는 발광층(6), 및 p-형 반도체층(7)을 포함하여 구성되고, 상기 발광층(6)과 p-형 반도체층(7) 사이에는 p-형 EBL층(8)이 구성되는 구조를 도시하고 있다.

이러한 구조에 있어서 p-AlGaN으로 이루어지는 EBL(electron blocking layer)층(8)은 LED의 구동시 전자가 발광층(6)에서 정공과 재결합하지 않고 p-형 반도체층(7)으로 넘어오는 것을 방지하는 역할을 한다.

즉, p-AlGaN 층을 EBL층(8)으로서 장벽으로 삽입하여 발광층(6)에 더 많은 전자가 머무를 수 있도록 함으로써 정공과의 재결합 기회를 더 많이 제공함으로써 내부양자효율을 증가시키는 것이다.

이와 같이 전자에 대한 장벽으로 p-AlGaN 층을 사용할 수 있는 이유는 발광층(6)의 최종 GaN 장벽층(4)과 EBL층(8)의 접합시 두 물질의 밴드갭 차이에 의해 계면(interface)에서 밴드갭 불연속(bandgap discontinuity)이 발생하여 이로 인하여 전도대(conduction band)에서 전자에 대한 장벽이 생기기 때문이다.

그러나, 상기 p-AlGaN 층에서 Al의 성분이 커질수록 박막의 품질이 저하되며, 이러한 EBL층의 효율은 제한되어 있어, 이러한 전자에 대한 장벽을 더욱 효율적으로 구현할 필요성이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광층에서 전자의 주입이 효율적으로 이루어질 수 있도록 구현하여 광출력을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은, 발광 소자에 있어서, n-형 반도체층과; p-형 반도체층과; 상기 n-형 반도체층과 p-형 반도체층 사이에 위치하고, 적어도 한 쌍 이상의 제1장벽층과 우물층을 포함하며, 밴드갭이 상기 제1장벽층과 상기 우물층의 사이의 값을 가지는 제2장벽층을 포함하는 발광층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제2장벽층은, 상기 p-형 반도체층과의 인접면에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 제2장벽층은 단일층일 수 있고, 복수의 층으로 구성될 수도 있으며, 초격자층이 될 수도 있다.

상기 제2장벽층이 초격자층인 경우, 이러한 초격자층은, 밴드갭이 상기 제1장벽층과 우물층의 중간값보다 큰 제1층과; 밴드갭이 상기 제1장벽층과 우물층의 중간값보다 작은 제2층이 번갈아 구성되어, 평균 밴드갭이 상기 제1장벽층과 상기 우물층의 사이의 값을 가지도록 할 수 있다.

한편, 상기 p-형 반도체층은, 상기 활성층과 인접하는 p-형 AlGaN 층과; 상기 p-형 AlGaN 층에 접촉하는 p-형 GaN 층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 p-형 AlGaN 층의 조성은, Al_xGa_1-xN로 표현되는 경우에 x는 0.2 이하(x ≤ 0.2)로서 조절될 수 있다.

또한, 상기 제2장벽층의 두께는 0.1 내지 50nm인 것이 바람직하며, InGaN 또는 InAlGaN으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 제2장벽층이 InGaN으로 이루어진 경우, In_xGa_1-xN의 In 조성 x는, 0.05와 0.1 사이(0.05 ≤ x ≤ 0.1)인 것이 바람직하다.

한편, 상기 발광층은, InGaN을 포함하여 이루어질 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다 음과 같다.

도 2에서 도시하는 바와 같이, 본 발명은, 기판(10) 위에 버퍼층(20)이 위치하고, 이러한 버퍼층(20) 위에는 n-형 반도체층(30)과, 발광층(40), 및 p-형 반도체층(50)으로 이루어지는 발광 소자의 구조가 위치한다.

상기 발광층(40)은 적어도 한 쌍 이상의 우물층(41)과 제1장벽층(42)으로 이루어지며, 우물층(41)은 InGaN으로 이루어질 수 있고, 제1장벽층(42)은 InGaN, InAlGaN, GaN 등의 물질로 이루어질 수 있다.

상기 p-형 반도체층(50)은, 발광층(40)과 인접하여 전자장벽층(electron blocking layer: EBL) 역할을 수행하는 p-형 AlGaN 층(51)과, 이 p-형 AlGaN 층(51)에 인접한 p-형 GaN 층(52)로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 발광층(40)의 p-형 반도체층(50)과 인접한 제2장벽층(43)은 다른 장벽층(42)보다 밴드갭(band gap)이 낮은 물질로 구성할 수 있다.

이와 같이, 발광층(40)의 제2장벽층(43)의 밴드갭을 다른 장벽층(42)보다 낮게 형성하면, 도 3에서와 같이, 발광층(40)의 제2장벽층(43)과 p-형 반도체층(50)의 p-형 AlGaN 층(51) 사이의 밴드갭 차이(a)를 더 크게 할 수 있다.

따라서, 이러한 제2장벽층(43)과 p-형 반도체층(50)의 p-형 AlGaN 층(51) 사이의 계면의 전도대 불연속(conduction band discontinuity)을 더 크게 하여 전자에 대한 장벽을 더욱 효율적으로 구현할 수 있다.

도 3에서는 상기 제2장벽층(43)이 단일 층으로 이루어진 상태를 도시하고 있으나, 이러한 제2장벽층(43)은 도 4에서와 같이 복수의 층으로 이루어질 수 있으 며, 도 5에서와 같이, 초격자층으로 이루어질 수도 있다.

이와 같이, 제2장벽층(43)이 초격자층으로 이루어지는 경우에는 이 초격자층을 이루는 제1층(44)과 제2층(45)의 밴드갭이 평균을 이루어, 평균값(b)을 갖는 상기 제2장벽층(43)의 밴드갭을 이룬다.

즉, 이러한 제1층(44)은 상기 제1장벽층(42)과 우물층(41)의 중간값보다 큰 값을 가지고, 상기 제2층(45)은 상기 제1장벽층(42)과 우물층(41)의 중간값보다 작은 값을 이루도록 하여, 제1층(44)과 제2층(450이 얇은 두께로 번갈이 형성되어 초격자층을 이루는 것이다.

이때, 상기 초격자층의 제1층(44)은 제1장벽층(42)과 동일한 물질로 형성하고 제2층(45)은 우물층(41)과 동일한 물질로 형성할 수도 있다.

이와 같이, 제2장벽층(43)이 발광층(40)과 p-형 반도체층(50)의 p-형 AlGaN 층(51) 사이의 계면의 전도대 불연속을 크게 하므로, 상기 p-형 AlGaN 층(51)의 Al 성분을 보다 적게 하여 낮은 밴드갭을 이룰지라도 전자 주입을 효율적으로 이룰 수 있다.

이는, Al 성분이 많이 함유될수록 박막의 품질이 저하될 수 있기 때문에, 전도대 불연속이 충분히 유지되는 한에서 p-형 AlGaN 층(51)의 Al 성분의 함유량을 감소시킬 수 있다.

즉, 상기 p-형 AlGaN 층(51)의 조성은, Al_xGa_1-xN로 표현되는 경우에 x는 0.2 이하(x ≤ 0.2)로 할 수 있다.

상기 제2장벽층(43)의 두께는 0.1 내지 50nm로 형성하는 것이 바람직하며, 초격자층으로 형성하는 경우에는 전체 두께가 상기 두께 범위를 이루도록 한다.

이러한 제2장벽층(43)은 InGaN 또는 InAlGaN 물질로 형성이 가능하며, InGaN으로 형성하는 경우에는, In_xGa_1-xN라 표현될 경우, In 조성 x는, 0.05와 0.1 사이(0.05 ≤ x ≤ 0.1)로 할 수 있다.

이상과 같이, 상기 제2장벽층(43)은 EBL 역할을 하는 p-형 AlGaN 층(51)과의 밴드갭 차이로부터 더 효과적으로 EBL 역할을 수행할 수 있어, 발광층(40)에서 전자와 정공이 재결합하는 확률을 증가시켜 발광 소자의 내부양자효율을 향상시킬 수 있고, 결국 광출력을 향상시킬 수 있다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

첫째, 발광층과 p-형 반도체층 사이의 계면의 전도대 불연속(conduction band discontinuity)을 더 크게 하여 전자에 대한 장벽을 더욱 효율적으로 구현할 수 있다.

둘째, EBL 역할을 수행하는 p-형 반도체층의 품질을 향상시킬 수 있다.

셋째, 발광층에서 전자와 정공이 재결합하는 확률을 증가시켜 발광 소자의 내부양자효율을 향상시킬 수 있고, 결국 광출력을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 발광 소자에 있어서,

   n-형 반도체층과;

   p-형 반도체층과;

   상기 n-형 반도체층과 p-형 반도체층 사이에 위치하고, 적어도 한 쌍 이상의 제1장벽층과 우물층을 포함하며, 초격자층으로 이루어진 제2 장벽층을 포함하는 발광층을 포함하고,

   상기 제2 장벽층은 밴드갭이 상기 제1 장벽층과 우물층 밴드갭의 중간값보다 큰 제1층과 밴드갭이 상기 제1 장벽층과 우물층 밴드갭의 중간값보다 작은 제2층을 번갈아 포함하고, 상기 제1층의 밴드갭은 상기 제1 장벽층의 밴드갭보다 작은 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제2장벽층은, 상기 p-형 반도체층과의 인접면에 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제2장벽층은 단일층인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 p-형 반도체층은,

   상기 발광층과 인접하는 p-형 AlGaN 층과;

   상기 p-형 AlGaN 층에 접촉하는 p-형 GaN 층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
7. 제 6항에 있어서, 상기 p-형 AlGaN 층의 조성은, Al_xGa_1-xN로 표현되는 경우에 x는 0.2 이하(x ≤ 0.2)인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
8. 제 1항에 있어서, 상기 제2장벽층의 두께는 0.1 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
9. 제 1항에 있어서, 상기 제2장벽층은, InGaN 또는 InAlGaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
10. 제 9항에 있어서, 상기 제2장벽층이 InGaN으로 이루어진 경우, In_xGa_1-xN의 In 조성 x는, 0.05와 0.1 사이(0.05 ≤ x ≤ 0.1)인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
11. 제 1항에 있어서, 상기 발광층은, InGaN을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.

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