KR101362666B1 - 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 계면 특성이 우수한 P타입 초격자 구조를 구비함으로써, P타입 불순물의 활성화를 극대화시켜, 높은 정공 농도 및 저저항 P타입 반도체층을 구현하여 고휘도, 고출력 및 저 전압으로 구동할 수 있는 장점이 있다.
이러한, P타입 초격자 구조는, 제 1 내지 3 반도체층으로 이루어진 단위층이 복수개 적층되어 형성된 초격자 P-반도체층을 포함하여 구성되며, 상기 제 3 반도체층은 P타입 불순물이 도핑되어 있고, 상기 제 2 반도체층은 상기 제 3 반도체층에서 확산되는 P타입 불순물이 상기 제 1 반도체층으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 반도체층인 것을 특징으로 한다.
초격자, P타입, 반도체층, 확산, 불순물, 계면

Description

반도체 발광 소자 { Semiconductor light emitting device }
본 발명은 계면 특성이 우수한 초격자 구조의 P타입 반도체층을 구비한 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드와 레이저 다이오드 등의 발광소자는 백라이트(Backlight), 신호, 광원과 풀 칼라 디스플레이(Full color display) 등과 같이 다양한 응용을 가지는 단일파장의 광원이다.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 단면도로서, 기판(10) 상부에 버퍼층(11), N-반도체층(12), 활성층(13)과 P-반도체층(14)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 P-반도체층(14)에서 N-반도체층(12)의 일부까지 메사(Mesa) 식각되어 있고; 상기 P-반도체층(14) 상부에 투명전극(15)과 P-전극(17)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 메사 식각되어 노출된 N-반도체층(12) 상부에 N-전극(16)이 형성되어 있다.
이렇게, 구성된 발광 다이오드는 N-반도체층(12)에서 P타입 반도체층(14)으 로 전류가 흐르면, 활성층(13)에서 광이 방출된다.
도 2는 종래의 일반적인 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 단면도로서, 기판(20) 상부에 버퍼층(21), N-반도체층(22), N-클래드층(23), N-웨이브 가이드층(24), 활성층(25), P-전자 차단층(26), P-웨이브 가이드층(27), P-클래드층(28), P-컨택층(29)이 순차적으로 적층되어 있고; 중앙 영역을 제외하고, 상기 P-컨택층(29)에서 상기 P-클래드층(28)의 일부까지 식각되어 리지 구조(30)가 형성되어 있고; 상기 P-클래드층(28)에서 상기 N-반도체층(22)의 일부까지 메사(Mesa) 식각되어 있고; 상기 리지 구조(30)의 상부를 제외하고, 상기 리지 구조(30)의 측벽 및 상기 P-클래드층(28) 상부에 보호막(35)이 형성되어 있고; 상기 리지 구조(30) 상부에 접촉되는 P-전극(36)이 형성되어 있고, 상기 메사 식각된 N-반도체층(22) 상부에 N-전극(37)이 형성되어 있다.
여기서, 상기 N-반도체층(22)과 P-캡층(29)에서 주입되는 전자와 정공은 상기 활성층(25)에 재결합되어 레이저광이 생성되고, 이 레이저광은 소자 외부로 방출된다.
최근, 질화물(Nitride) 반도체를 기반으로 하는 고성능 발광 소자에서 Al이 함유된 P-AlGaInN층의 사용이 증가하고 있다.
Al이 함유되면 반도체의 밴드갭 에너지(Band gap energy)가 높아져, 캐리어 오버플로우 같은 현상을 억제할 수 있고, 소자의 효율성을 향상시킬 수 있으며, 광 소자에 있어서는 발광 파장을 보다 짧은 대역까지 확장시킬 수 있어 새로운 응용분야를 창출할 수 있다.
하지만, 아직도 우수한 특성의 P-형 AlGaInN 구현에 기술적 장벽이 존재하고 있어 보다 개선된 소자를 현실화하기 위해서는 앞으로도 많은 기술 개발이 이루어져야 한다.
질화물 반도체 광소자에 있어서, 높은 정공 농도 및 저저항 P-AlGaInN층이 매우 중요한 역할을 한다.
발광 다이오드 및 레이저 다이오드는 P-전극 및 N-전극을 각각 통해 수직 방향으로 전달되는 정공과 전자가 활성층에서 결합하여 발광하게 된다.
이때, 상대적으로 가벼운 전자가 활성층을 통과하게 되면, 활성층에서 발광 재결합에 기여하지 못하는 문제점을 야기시킨다.
이것을 방지하기 위해 P-AlGaInN층을 도입하여 결합에 기여하지 않고, 통과하는 전자를 억제하여 소자의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 레이저 다이오드에서는 광을 활성층 중심으로 집광시키기 위해, P-AlGaInN 클래드층으로 사용되기도 한다.
그러나, 이때, P-AlGaInN층의 특성이 떨어지면 정공이 활성층에 주입되지 않아 광도 및 광효율이 떨어지고 저항이 높아 소자의 전압이 높아져 장단기 특성이 저하된다.
본 발명은 P타입 반도체층의 특성이 저하되는 문제점을 해결하는 것이다.
본 발명의 바람직한 제 1 양태(樣態)는,
N-반도체층, 활성층과, 제 1 내지 3 반도체층으로 이루어진 단위층이 복수개 적층되어 형성된 초격자 P-반도체층을 포함하여 구성되며,
상기 제 3 반도체층은 P타입 불순물이 도핑되어 있고, 상기 제 2 반도체층은 상기 제 3 반도체층에서 확산되는 P타입 불순물이 상기 제 1 반도체층으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 바람직한 제 2 양태(樣態)는,
N-클래드층과; 상기 N-클래드층 상부에 있으며, N-웨이브 가이드층과; 상기 N-웨이브 가이드층 상부에 있는 활성층과; 상기 활성층 상부에 있는 P-웨이브 가이드층과; 상기 P-웨이브 가이드층 상부에 있으며, 제 1 내지 3 반도체층으로 이루어진 단위층이 복수개 적층되어 형성된 초격자 P-클래드층으로 구성되며,
상기 제 3 반도체층은 P타입 불순물이 도핑되어 있고, 상기 제 2 반도체층은 상기 제 3 반도체층에서 확산되는 P타입 불순물이 상기 제 1 반도체층으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자가 제공 된다.
본 발명은 계면 특성이 우수한 P타입 초격자 구조를 구비함으로써, P타입 불순물의 활성화를 극대화시켜, 높은 정공 농도 및 저저항 P타입 반도체층을 구현하여 고휘도, 고출력 및 저 전압으로 구동할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자는 N-반도체층(100), 활성층(110)과, 제 1 내지 3 반도체층으로 이루어진 단위층이 복수개 적층되어 형성된 초격자 P-반도체층(120)을 포함하여 구성되며, 상기 제 3 반도체층은 P타입 불순물이 도핑되어 있고, 상기 제 2 반도체층은 상기 제 3 반도체층에서 확산되는 P타입 불순물이 상기 제 1 반도체층으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 반도체층인 것을 특징으로 한다.
즉, 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자는 발광 다이오드(Light emitting diode)와 같은 구조에 초격자 P-반도체층이 포함되어 있는 것이다.
그리고, 상기 제 1 내지 3 반도체층은 3-5족 질화물 반도체인 것이 바람직하 다.
또한, 제 1 내지 3 반도체층은 Ga, Al, In 중 적어도 하나의 3족 원소를 포함하고 있는 것이 바람직하다.
게다가, 초격자 구조를 위하여, 상기 제 1 내지 3 반도체층 각각의 두께는 1Å ~ 100Å인 것이 바람직하다.
한편, 상기 제 1 반도체층과 제 3 반도체층은 조성 성분을 다르게 설계하거나, 또는 다른 3족 원소를 포함하고 있는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제 1 내지 3 반도체층은 밴드갭 에너지(Band gap energy)를 다르게 설계할 수 있다.
더불어, 상기 제 1과 3 반도체층은 밴드갭 에너지 및 불순물 농도가 다른 것이 바람직하다.
게다가, 상기 제 1과 3 반도체층의 두께보다 상기 제 2 반도체층의 두께가 얇은 것이 바람직하다.
그러므로, 본 발명의 반도체 발광 소자는 P타입 초격자 구조를 구비하고 있으므로, 초격자 구조의 계면 특성을 향상됨으로써, P타입 불순물의 활성화를 극대화시켜, 높은 정공 농도 및 저저항 P타입 반도체층을 구현하여 고휘도, 고출력 및 저 전압으로 구동할 수 있게 된다.
결국, 반도체 발광 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 것이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도로서, N-클래드층(200)과; 상기 N-클래드층(200) 상부에 있으며, N-웨이브 가이드층(210)과; 상기 N-웨이브 가이드층(210) 상부에 있는 활성층(220)과; 상기 활성층(220) 상부에 있는 P-웨이브 가이드층(230)과; 상기 P-웨이브 가이드층(230) 상부에 있으며, 제 1 내지 3 반도체층으로 이루어진 단위층이 복수개 적층되어 형성된 초격자 P-클래드층(240)으로 구성되며, 상기 제 3 반도체층은 P타입 불순물이 도핑되어 있고, 상기 제 2 반도체층은 상기 제 3 반도체층에서 확산되는 P타입 불순물이 상기 제 1 반도체층으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 반도체층인 것을 특징으로 한다.
그러므로, 제 2 실시예에 따른 반도체 발광 소자는 레이저 다이오드(Laser diode)와 같은 구조에 초격자 P-반도체층이 포함되어 있는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층의 기능을 설명하는 개념도로서, 전술된 바와 같이, 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층은 제 1 내지 3 반도체층(310,320,330)으로 이루어진 단위층이 복수개 적층되어 형성된다.
이러한, 상기 제 3 반도체층(330)은 제 2 반도체층(320)보다 P타입 불순물이 도핑된 농도가 높다.
그러므로, 상기 제 3 반도체층(330)에 도핑된 P타입 불순물은 상기 제 2 반도체층(320)으로 확산된다.
이때, 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층은 제 2 반도체층(320)에서 제 1 반도체층(310)으로 P타입 불순물이 확산되지 않도록 설계하는 것이다.
결국, 제 1과 2 반도체층(310,320) 사이의 계면으로 P타입 불순물이 이동이 거의 없으므로, 상기 제 1과 2 반도체층(310,320) 사이의 계면은 뭉게지지 않고, 존속하게 되어 초격자 구조의 계면 특성을 향상시킬 수 있는 것이다.
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따라 반도체 발광 소자에 포함되어 있는 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층을 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도로서, 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층에 포함된 단위층인 제 1 내지 3 반도체층(310,320,330) 중, 제 3 반도체층(330)에는 필수적으로 P타입 불순물이 도핑되어 있다.
그리고, 상기 제 3 반도체층(330)에서 제 2 반도체층(320)으로 P타입 불순물이 확산될 수 있도록, 상기 제 3 반도체층(330)에 도핑된 P타입 불순물의 농도는 상기 제 2 반도체층(320)에 도핑된 P타입 불순물의 농도보다 높게 설계된다.
이때, 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 내지 3 반도체층(310,320,330)의 모두에 P타입 불순물이 도핑되어 있으며, 상기 제 3 반도체층(330)에서 제 1 반도체층(310)까지 P타입 불순물의 농도가 점점 낮아지게 설계하는 것이다.
그리고, 도 6b와 같이, 상기 제 2와 3 반도체층(320,330)에는 P타입 불순물이 도핑되어 있으며, 상기 제 1 반도체층(310)에는 P타입 불순물이 도핑되어 있지 않도록 설계하는 것이다.
또한, 도 6c와 같이, 상기 제 3 반도체층(330)에만 P타입 불순물이 도핑되어 있으며, 상기 제 1과 2 반도체층(310,320)에는 P타입 불순물이 도핑되어 있지 않도록 설계하는 것이다.
전술된 P타입 불순물은 Mg, Zn, C 중 하나인 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명에 따라 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층을 구체적으로 설명하기 위한 도면으로서, 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층의 각각의 층은 Alx1Gay1In1 -x1- y1N으로 구성된다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이, Mg가 도핑된 Alx1Gay1In1 -x1- y1N층, Alx2Gay2In1 -x2-y2N층과 Alx3Gay3In1 -x3- y3N층으로 이루어진 단위층이 복수개 적층되어 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층을 형성한다.
그러므로, 전술된 바와 같이, 제 3 반도체층은 Mg가 도핑된 Alx1Gay1In1 -x1- y1N층이고, 제 2 반도체층은 Alx2Gay2In1 -x2- y2N층이고, 제 1 반도체층은 Alx3Gay3In1 -x3- y3N층이다.
먼저, 본 발명의 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층은 제 1과 3 반도체층의 조성 성분이 다른 것이 바람직하다.
이 경우, x1과 x3가 다르거나, 또는 y1과 y3가 다른 것이다.
그리고, 본 발명의 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층은 제 2 반도 체층은 제 1 반도체층 또는 제 3 반도체층과 조성 성분이 동일하고, 도핑된 P타입 불순물의 농도를 다르게 설계할 수도 있다.
또한, 본 발명의 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층은 제 2 반도체층의 Al 조성 성분이 제 1 반도체층의 Al 조성 성분보다 높고, 제 3 반도체층의 Al 조성 성분보다 낮거나, 또는 제 2 반도체층의 Ga 조성 성분이 제 1 반도체층의 Ga 조성 성분보다 높고, 제 3 반도체층의 Ga 조성 성분보다 낮게 설계할 수 있다.
즉, 조성 성분 크기로 나열할 때, x1 ＞ x2 ＞ x3이거나, 또는 y1 ＞ y2 ＞ y3가 되도록 설계하는 것이다.
더불어, 본 발명의 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층은 제 2 반도체층의 Al 조성 성분이 제 1 반도체층의 Al 조성 성분보다 낮고, 제 3 반도체층의 Al 조성 성분보다 높거나, 또는 제 2 반도체층의 Ga 조성 성분이 제 1 반도체층의 Ga 조성 성분보다 낮고, 제 3 반도체층의 Ga 조성 성분보다 높게 설계할 수 있다.
이 경우는, 조성 성분 크기로 나열할 때, x1 ＜ x2 ＜ x3이거나, 또는 y1 ＜ y2 ＜ y3가 되도록 설계하는 것이다.
한편, 상기 제 1 반도체층 또는 제 3 반도체층을 활성층에 근접시켜 설계한다.
도 8은 본 발명에 따라 P-AlGaInN으로 이루어진 초격자 구조의 계면 특성을 분석한 XRD 분석 그래프로서, 전술된 제 1 내지 3 반도체층이 P-AlGaInN으로 이루어지고, 도 8의 XRD 분석 그래프에서 'A'피크(Peak)는 P-AlGaInN의 물질 특성에 대 한 피크이고, 'B'피크와 'C'피크는 제 1 내지 3 반도체층의 계면 특성에 대한 피크이다.
그러므로, P-AlGaInN으로 이루어진 초격자 구조는 'B'피크와 'C'피크가 강하고 선명하게 나타나 있으므로, 계면 특성이 우수함을 알 수 있다.
도 9는 본 발명에 따라 초격자 구조를 촬영한 TEM 사진도로서, 제 1 반도체층은 Mg 불순물이 도핑된 GaN층, 제 2 반도체층은 Mg의 확산에 대한 완충 역할을 수행하는 GaN층과 제 3 반도체층은 AlGaN층으로 구성하였다.
이러한, 제 1 내지 3 반도체층으로 이루어진 단위층을 복수번 적층하여 초격자 구조를 형성하고, TEM 사진을 촬영한 결과, 도 9에 도시된 바와 같이, 각 층의 계면이 뭉게지지 않고, 비교적 깨끗하고 선명하게 나타나 계면이 살아있음을 알 수 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 단면도
도 2는 종래의 일반적인 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 단면도
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도
도 5는 본 발명에 따른 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층의 기능을 설명하는 개념도
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따라 반도체 발광 소자에 포함되어 있는 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층을 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도
도 7은 본 발명에 따라 초격자 P-반도체층 또는 초격자 P-클래드층을 구체적으로 설명하기 위한 도면
도 8은 본 발명에 따라 P-AlGaInN으로 이루어진 초격자 구조의 계면 특성을 분석한 XRD 분석 그래프
도 9는 본 발명에 따라 초격자 구조를 촬영한 TEM 사진도

Claims (16)

  1. N-반도체층, 활성층 및 P-반도체층으로 구성되는 반도체 발광소자에 있어서,
    상기 P-반도체층은 제1 내지 제3반도체층으로 이루어진 단위층이 복수개 적층되고,
    상기 제3반도체층은 P타입 불순물이 소정 농도로 도핑되고,
    상기 제2반도체층은 상기 제1반도체층 또는 상기 제3반도체층과 조성성분이 동일하고, P타입 불순물의 농도가 다르게 도핑되는 반도체 발광소자.
  2. N-클래드층, 상기 N-클래드층 상부의 N-웨이브가이드층, 상기 N-웨이브 가이드층 상부의 활성층, 상기 활성층 상부의 P-웨이브가이드층, 및 상기 P-웨이브 가이드층 상부의 P-클래드 층으로 구성되는 반도체 발광소자에 있어서,
    상기 P-클래드층은 제1 내지 제3반도체층으로 이루어진 단위층이 복수개 적층되고,
    상기 제3반도체층은 P타입 불순물이 소정 농도로 도핑되고,
    상기 제2반도체층은 상기 제1반도체층 또는 상기 제3반도체층과 조성성분이 동일하고, P타입 불순물의 농도가 다르게 도핑되는 반도체 발광소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 내지 제3반도체층은, 3-5족 질화물 반도체인 반도체 발광소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 내지 제3반도체층은, Ga, Al, In 중 적어도 하나의 3족 원소를 포함하는 반도체 발광소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 내지 제3반도체층 각각의 두께는 1Å ~ 100Å인 반도체 발광소자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1반도체층과 및 제3반도체층은, 조성성분이 다르거나 또는 다른 3족 원소를 포함하는 반도체 발광소자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 내지 제3반도체층은, 밴드갭 에너지가 다른 반도체 발광소자.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1반도체층과 제3반도체층은, 밴드갭 에너지 및 불순물 농도가 다른 반도체 발광소자.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 제3반도체층의 두께보다 상기 제2반도체층의 두께가 얇은 반도체 발광소자.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 내지 제3반도체층에 P타입 불순물이 도핑되고, 상기 제3반도체층에서 상기 제1반도체층까지 P타입 불순물의 농도가 점점 낮아지는 반도체 발광소자.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 및 제3반도체층은 P타입 불순물이 도핑되고, 상기 제1반도체층은 P타입 불순물이 도핑되지 않은 반도체 발광소자.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2반도체층은 P타입 불순물이 도핑되지 않은 반도체 발광소자.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 P타입 불순물은, Mg, Zn, C 중 하나인 반도체 발광소자.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제3반도체층은 Mg가 도핑된 Alx1Gay1In1-x1-y1N층이고, 상기 제2반도체층은 Alx2Gay2In1-x2-y2N층이고, 상기 제1반도체층은 Alx3Gay3In1-x3-y3N층인 반도체 발광소자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 및 제3반도체층의 조성성분이 다른 반도체 발광소자.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1반도체층 또는 상기 제3반도체층이 상기 활성층에 근접하는 반도체 발광소자.
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