KR101403918B1 - 비도핑 알루미늄인듐인 정공방지층을 가진 알루미늄갈륨인듐인계 발광다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 AlGaInP계 발광다이오드에 관한 것으로서, 상기 AlGaInP계 발광다이오드에서 내부 양자 효율 증가시키기 위해 활성층과 n형 AlGaInP 제한층 사이에 도핑이 되지 않은 AlInP 정공방지층을 포함한다. 상기 비도핑 AlInP 정공방지층은 p형 제한층에서 활성층으로 주입되는 정공을 방해하는 정도보다 활성층으로부터 p형 제한층으로 역류하는 정공을 방해하는데 크게 기여하므로 AlGaInP계 발광다이오드 내부 양자 효율을 크게 증가시킨다.
Description
본 발명은 AlGaInP계 발광다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 AlGaInP계 발광다이오드에서 내부 양자 효율 증가시키기 위해 활성층과 n형 AlGaInP 제한층 사이에 도핑이 되지 않은 AlInP 정공방지층을 형성하는 것과 관련된다.
AlGaInP계 발광다이오드는 주입되는 전기에너지를 약 570nm 내지 약 630nm 범위 내의 특정 파장을 가진 광으로 변환시키는 반도체 소자이다. 특정 파장의 변화는 AlGaInP계 발광다이오드가 가지는 밴드갭(band-gap)의 크기에 의해 좌우되는데, 밴드갭 크기는 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)의 조성비를 변화시킴으로써 쉽게 조절할 수 있고, 예컨대 알루미늄의 조성비를 증가시킬수록 파장이 짧아진다.
일반적으로 AlGaInP계 발광다이오드는 고품질의 박막 성장을 가능하게 하는 금속유기화학기상증착(MOCVD) 기술을 이용하여 발광다이오드 물질을 GaAs 기판 상에 성장시킴으로써 제조된다. AlGaInP계 발광다이오드는 기본적으로 n형 AlGaInP 물질로 이루어진 층인 하부 제한층과 p형 AlGaInP 물질로 이루어진 층인 상부 제한층 사이에 특정 파장을 갖는 도핑이 되지 않은 AlGaInP 물질로 이루어진 고효율 활성층을 가진 구조를 갖는다. 활성층, n형 제한층 그리고 p형 제한층은 상대적으로 높은 저항을 가지므로, 범용으로 사용되는 발광다이오드의 경우 각각의 층은 대부분 1μm 이하의 두께로 성장된다. (총 두께 <3μm).
이러한 AlGaInP계 발광다이오드는 그 내부 양자 효율 증대를 위해 활성층이 다중 양자 우물(MQW) 구조로 제작되고 있다. 외부에서 주입된 전자와 정공은 이러한 다중 양자 우물 구조를 가진 활성층에서 상호 결합하여 빛을 방출한다. 그런데 다중 양자 우물 구조에 주입된 전자와 정공 중 일부는 결합을 하지 못하고 제한층으로 다시 돌아가게 된다. 특히, 정공의 경우 전자에 비해 이동도가 상대적으로 낮아, 전극으로부터 전자와 정공이 동시 주입 시 활성층에 실제 도달하는 양에 있어서 정공이 전자보다 적다. 그러므로 실제로 빛을 방출하는 정공과 전자의 결합률은 정공의 개수에 크게 좌우되며, 이러한 정공이 전자와의 결합 전에 제한층으로 다시 돌아가게 되면 발광다이오드 내부 양자 효율이 더욱 감소하게 된다. 따라서 이러한 정공의 역류(back-flow) 현상을 제어할 수 있는 기술이 요망된다.
본 발명은 발광다이오드의 내부 양자 효율의 증대를 위해 활성층으로부터 제한층으로 정공의 역류 현상을 제어할 수 있는 AlGaInP계 발광다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 AlGaInP계 발광다이오드에서 제한층으로부터 활성층으로 정공이 주입되는 것을 방해하지 않으면서 활성층으로부터 제한층으로 역류하는 정공을 최소화할 수 있는 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 AlGaInP계 발광다이오드는 활성층과 p형 제한층 사이에 비도핑(undoped) AlInP로 이루어진 정공방지층(hole blocking layer)이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 비도핑 AlInP로 이루어진 정공방지층(이하 “비도핑 AlInP 정공방지층”이라고 함)은 활성층 내로 주입된 정공이 p형 제한층으로 역류하는 것을 방해하여 상기 정공을 활성층 내에 가두는 역할을 하는 층을 의미하고, 따라서 용어 “방지”는 정공의 역류를 완전히 막는 것으로 그 의미가 제한되지 않으며 역류 현상을 줄이는 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
상기 비도핑 AlInP 정공방지층은 p형 제한층보다 정공 주입 영역에 대해 상대적으로 높은 밴드갭을 갖는다. 따라서 활성층으로부터 p형 제한층으로 정공이 빠져나가는 역류를 방해하면서도 동시에 p형 제한층으로부터 활성층으로 정공이 주입되는 것을 방해할 수 있다. 후자의 경우 비도핑 AlInP 정공방지층은 AlGaInP계 발광다이오드에 불리하게 작용할 수 있으나, p형 제한층으로 주입되는 정공의 에너지가 상당히 높고 비도핑 AlInP 정공방지층의 두께가 일정 수준, 예컨대 200nm 이하일 때 정공 주입을 그다지 방해하지 않는다. 반면, 전자의 경우 활성활성층부터 p형 제한층으로 역류하는 정공 에너지가 주입되는 정공 에너지보다 상대적으로 낮고, 활성층과 p형 제한층 밴드갭 높이에 비도핑 AlInP 정공방지층의 밴드갭이 추가된 상당히 높은 밴드갭을 형성하기 때문에 이러한 비도핑 AlInP 정공방지층의 삽입은 활성층으로부터의 정공 역류 현상을 효과적으로 억제할 수 있다. 이러한 활성층으로부터의 정공 역류 방지 효과는 활성층 내의 전자-정공 결합률을 증가하여 AlGaInP계 발광다이오드의 내부 양자 효율을 증대시킨다.
상기 정공방지층은, 선택적으로, 비도핑 AlXGa1-XInP(0.8≤X≤1)로 구성될 수 있다. 갈륨(Ga)의 첨가로 인해 정공방지층의 밴드갭 크기가 줄어들더라도 그 양이 적을 경우 여전히 높은 밴드갭을 형성하기 때문에 정공방지층으로 기능할 수 있다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 정공방지층은 그 두께가 마이크론 단위이고, 약 200nm 이하인 것이 바람직하고, 약 50~150nm인 것이 보다 바람직하고, 약 100nm인 것이 가장 바람직하다. 상기 정공방지층은 정공 역류 방지와 정공 주입 방지에 동시에 작용하므로, 이들 두 가지 작용 간의 조화를 위한 정공방지층의 두께가 중요하게 인식된다. 예컨대, 일정 수준의 두께까지는 두께가 증가함에 따라 내부 양자 효율이 점점 증가하다가, 그 이상에서는 두께가 증가함에 따라 내부 양자 효율이 점점 감소하지만, 두께가 0인 경우(즉, 비도핑 정공방지층이 존재하지 않는 경우)보다는 높은 양자 효율을 나타낸다. 상기 일정 수준의 두께는 AlGaInP계 발광다이오드의 에피택셜 층들의 구성에 따라서 달라질 수 있다.
상기 정공방지층은 AlGaInP계 발광다이오드 물질과 거의 동종 물질이므로, 에피택셜 층들을 성장 시 동일 프로세스에서 성장될 수 있다. 따라서 상기 정공방지층의 형성을 위한 별도의 시스템을 요하지 않는다.
본 발명의 실시에 있어서, AlGaInP계 발광다이오드는, 비도핑 AlGaInP로 이루어진 활성층과, 상기 활성층 위에 비도핑 AlInP로 이루어진 정공방지층과, 상기 정공방지층 위에 p형 AlGaInP로 이루어진 상부 제한층과, 상기 상부 제한층 위에 p형 GaP로 이루어진 윈도우층과, 상기 활성층 아래에 n형 AlGaInP로 이루어진 하부 제한층과, 상기 하부 제한층 아래에 n형 AlAs/AlGaAs로 이루어진 DBR층과, 상기 DBR층 아래에 n형 GaAs로 이루어진 기판을 포함한다. 전술한 정공방지층에 대한 설명은 본 실시에 있어서도 동일하게 적용된다. 상기 정공방지층은 비도핑 AlXGa1-XInP(0.8≤X≤1) 물질로 구성될 수 있고, 상기 상부 및 하부 제한층은 AlInP 물질로 구성될 수 있다.
본 발명에 의해서 활성층과 p형 제한층 사이에 비도핑 AlInP 정공방지층을 가지는 AlGaInP 계 발광다이오드가 제공되고, 상기 비도핑 AlInP 정공방지층은 AlGaInP계 발광다이오드의 활성층으로부터 p형 제한층으로 역류하는 정공의 벗어남을 방지하여 활성층 내의 효율을 증가시킨다.
본 발명에 따른 비도핑 AlInP 정공방지층은 p형 제한층에서 활성층으로 주입되는 정공을 방해하는 정도보다 활성층으로부터 p형 제한층으로 역류하는 정공을 방해하는데 크게 기여하므로, AlGaInP계 발광다이오드 내부 양자 효율을 크게 증가시킨다.
도 1은 MOCVD 시스템에 의해 제조된, 통상적인 AlGaInP 계 발광다이오드(a)와 본 발명의 일 실시예에 따른 비도핑 AlInP 정공방지층을 가진 AlGaInP계 발광다이오드(b)의 적층 구조를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비도핑 AlInP 정공방지층을 가진 AlGaInP계 발광다이오드의 밴드갭 구조를 간략하게 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 두께의 비도핑 AlInP 정공방지층을 가지는 여러 AlGaInP 계 발광다이오드 칩의 전기적 광 방출 효율(electric luminescence) 결과를 보여준다.
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본 발명의 부가적인 양태, 특징 및 이점은 대표적인 실시예의 하기 설명을 포함하고, 그 설명은 수반하는 도면들과 함께 이해되어야 한다. 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위해, 각 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수 있다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 통상적인 AlGaInP계 발광다이오드(a)와 본 발명의 일 실시예에 따른 비도핑 AlInP 정공방지층을 가진 AlGaInP계 발광다이오드(b)의 층 구조를 간략하게 나타낸다. 통상적인 AlGaInP 발광다이오드(a)와 본 발명의 일 실시예에 따른 비도핑 AlInP 정공방지층을 가진 AlGaInP 발광다이오드(a)는 모두, 예컨대, n형 GaAs로 이루어진 기판(6) 위에 n형 AlAs/AlGaAs로 이루어진 분산 브래그 반사층(5), n형 AlGaInP로 이루어진 하부 제한층(4), 도핑되지 않은 AlGaInP로 이루어진 활성층(3), p형 AlGaInP로 이루어진 상부 제한층(2) 및 p형 GaP로 이루어진 윈도우층(1)이 순차적으로 성장되어 적층된 층 구조를 가지며, 기판(6)의 하면에 AuGe로 이루어진 하부 전극(9)이 형성되고 윈도우층(1)의 상면에 AuBe로 이루어진 상부 전극(1)이 형성되어 있다. 상기 활성층(3)은 n형 필요에 따라 단일층, 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조 등이 적용될 수 있지만, 바람직하게는 복수의 층으로 이루어지고 알루미늄과 갈륨의 조성비를 변화시키면서 층을 형성함에 따라 활성층 전체에 걸쳐 다중 양자 우물이 형성된 것이다.
통상적인 발광다이오드(a)와 달리, 본 발명의 발광다이오드(b)는 비도핑 AlInP 정공방지층(7)이 활성층(3)과 상부 제한층(2) 사이에 성장되어 활성층(3)으로부터 상부 제한층(2)으로 정공이 역류하는 것을 방지한다. AlGaInP 발광다이오드의 이들 각 층의 구체적인 형성은 금속유기화학기상증착(MOCVD), 분자선 에픽택시(MBE) 등 당해 기술분야에서 알려진 AlGaInP 발광다이오드의 제조 공정에 따라 수행될 수 있다. 또한 일부 층의 경우 필요에 따라 구성성분이 달라지거나 생략될 수 있다. 예컨대 상기 상부 및 하부 제한층(2, 4)의 구성물질은 AlInP일 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 비도핑 AlInP 정공방지층을 가진 AlGaInP계 발광다이오드의 밴드갭 구조를 보여준다. 비도핑 상에서의 AlGaInP계 발광다이오드의 밴드갭 구조(a)의 경우, 비도핑 AlInP 정공방지층(7)의 밴드갭은 활성층(3)보다 높지만 제한층들과 동일한 높이의 밴드갭을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 도핑 상에서의 AlGaInP 계 발광다이오드의 밴드갭 구조(b)의 경우, 비도핑 AlInP 정공방지층(7)의 밴드갭과 활성층(3)은 동일한 장소에 위치하나 도핑에 의한 p형 제한층(2)의 밴드갭이 페르미 준위(EF)에 의해 변화됨에 따라, p형 제한층(2)과 비도핑 AlInP 정공방지층(7)간의 밴드갭 차이가 생긴다. 도핑에 의한 밴드갭 차이로 비도핑 AlInP 정공방지층(7)은 활성층(3)으로부터 p형 제한층(2)으로 정공이 역류하는 것을 방지하는 장벽 역할을 하여, 활성층 내의 정공-전자의 결합 가능성을 높여 내부 양자 효율 증대에 기여하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 비도핑 AlInP 정공방지층(7)은 도 2의 블록 삽입도에 도시된 바와 같이 p제한층(2)으로부터 활성층(3)으로 주입되는 정공을 방해하는 역할도 하게 하므로, 일반적으로 정공 주입에 영향을 주지 않는 두께를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 최적화된 두께는 주입되는 정공이 유기적으로 활성층(3)으로 이동할 수 있는지에 관한 것으로, 주입된 정공이 정공방지층(7)을 효율적으로 터널링하도록 설계되는 것이 또한 바람직하다. 일반적으로 양자역학상에서 정공 단위의 입자는 특정 에너지를 가진 박막을 지날 때, 박막의 고유 흡수 에너지가 이러한 특정 에너지보다 작으면 입자가 그 박막을 통과하게 된다. 언급된 박막의 고유 흡수 에너지는 일반적으로 그 박막의 두께가 증가함에 따라 증가한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비도핑 AlInP 정공방지층의 두께에 따라 AlGaInP계 발광다이오드 칩의 전기적 광 방출 효율이 달라지는 것을 나타내는 그래프이다. 도 1(a)에 도시된 적층 구조를 갖는 AlGaInP계 발광다이오드 칩과, 도 1(b)에 도시된 적층 구조를 가지며 비도핑 AlInP 정공방지층의 두께(50, 100, 150 및 200nm)를 달리하여 AlGaInP계 발광다이오드 칩을 제작하였다. 각각의 발광다이오드 칩에 약 0~40mA 의 전류를 인가하면서 상기 칩으로부터 방출되는 광 방출 양과 전압 특성을 (주) 광정밀의 "LEOS(LED Electrical ＆ Optical Test System) OPI-100를 이용하여 적분구 타입으로 측정하였다.
그래프에서 확인되는 바와 같이, AlGaInP계 발광다이오드의 전압 특성이 본 발명에 따른 비도핑 AlInP 정공방지층에 의해 실질적으로 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 하지만 광 방출량은 비도핑 AlInP 정공층의 형성에 의해 크게 증가하였고, 특히 그 두께에 따라 광 효율이 달라졌다.
결과로부터 비도핑 AlInP 정공방지층의 두께가 100nm로 증가할 때까지 광 효율 값이 점점 증가하다가, 그 두께가 100nm를 넘어서면 두께가 증가함에 따라 광 효율 값이 점점 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 AlGaInP계 발광다이오드의 비도핑 AlInP 정공방지층 두께의 최적 값은 약 100nm라 할 수 있다.
전술한 실시예는 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자가 본 발명을 이해하고 용이하게 실시하기 위해 본 발명의 바람직한 실시 형태를 예시하기 위한 것이지, 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 통상의 기술자는 본 발명의 사상과 목적 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함을 인식할 것이고, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 청구항의 모든 범위에서 보호받을 권리가 있음이 이해되어야 할 것이다.
1: 윈도우층 2: 상부 제한층 3: 활성층
4: 하부 제한층 5: 반사층 6: 기판
7: 정공방지층 8: 상부 전극 9: 하부 전극
4: 하부 제한층 5: 반사층 6: 기판
7: 정공방지층 8: 상부 전극 9: 하부 전극
Claims (5)
- 활성층과 p형 제한층 사이에 비도핑 AlInP로 이루어진 정공방지층이 형성되고, 여기서 상기 정공방지층은 p형 제한층보다 큰 밴드갭을 가지며, 200nm 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드.
- 청구항 1에 있어서, 상기 정공방지층은 비도핑 AlXGa1-XInP(0.8≤X≤1)로 이루어진 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드.
- 삭제
- 비도핑 AlGaInP로 이루어진 활성층;
상기 활성층 위에 비도핑 AlInP로 이루어진 정공방지층, 여기서 상기 정공방지층은 p형 제한층보다 큰 밴드갭을 가지며, 200 nm 이하의 두께를 가지며;
상기 정공방지층 위에 p형 AlGaInP로 이루어진 상부 제한층;
상기 상부 제한층 위에 p형 GaP로 이루어진 윈도우층;
상기 활성층 아래에 n형 AlGaInP로 이루어진 하부 제한층;
상기 하부 제한층 아래에 n형 AlAs/AlGaAs로 이루어진 DBR층; 및
상기 DBR층 아래에 n형 GaAs로 이루어진 기판;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드. - 청구항 4에 있어서, 상기 정공방지층은 그 두께가 50~150nm 범위 내인 것을 특징으로 하는 AlGaInP계 발광다이오드.
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| KR100237804B1 (ko) | 1995-05-26 | 2000-01-15 | 마찌다 가쯔히꼬 | 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 |
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Patent Citations (4)
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