KR101497082B1 - 전자 저장 및 퍼짐층을 이용한 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

전자 저장 및 퍼짐층을 이용한 질화물 반도체 발광소자 Download PDF

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Abstract

전자 저장 및 퍼짐층을 이용하여 휘도 개선, 누설전류 특성 개선 효과가 있는 질화물 반도체 발광소자에 대하여 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 n형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되는 스트레인 완충층; 상기 스트레인 완충층 상에 형성되는 활성층; 및 상기 활성층 상에, p형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 p형 질화물 반도체층;을 포함하고, 상기 스트레인 완충층과 상기 활성층 사이에 전자 저장 및 퍼짐층이 형성되어 있고, 상기 전자 저장 및 퍼짐층은 n형 불순물이 도핑된 InxAlyGa1-x-yN (<0x<1, 0<y<1)을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

전자 저장 및 퍼짐층을 이용한 질화물 반도체 발광소자 {NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE USING ELECTRON RESERVOIR AND SPREADING LAYER}
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자 저장 및 퍼짐층을 이용한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체 발광소자는 자외선, 청색 및 녹색 영역을 포괄하는 발광 영역을 가진다. 특히, GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용 분야에 있어서 청색 또는 녹색 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)의 광소자 및 MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor), HEMT(Hetero junction Field Effect Transistors) 등의 고속 스위칭 소자, 고출력소자에 응용되고 있다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 질화물 반도체 발광소자는 하부로부터, 기판(110), 비도핑 질화물 반도체층(120), n형 질화물 반도체층(130), 활성층(140), p형 질화물 반도체층(150), p형 질화물 반도체층(150)에 접촉하는 제1 전극(161), n형 질화물 반도체층(130)에 접촉하는 제2 전극(162)을 포함한다.
상기와 같은 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자의 경우, n형 질화물 반도체층(130)을 통하여 공급되는 전자와 p형 질화물 반도체층(150)을 통하여 공급되는 정공이 활성층(140)에서 재결합하면서 광이 발생한다.
그런데, n형 질화물 반도체층(130)을 통하여 공급되는 전자의 경우, p형 질화물 반도체층(150)을 통하여 공급되는 정공에 비하여 속도가 빠르고, 공급되는 양도 많다. 또한, 전자와 정공은 최단 이동거리에서 재결합하려는 특성이 있어 별도의 전류 분산층을 도입하지 않고는 제2 전극(162) 근처에만 발광이 집중된다.
한편, 전류 분산층은 주로 AlGaN층으로 형성되는데, AlGaN층을 활성층 바로 아래에 형성할 경우, 발광소자의 직렬저항이 커지는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0060162 (2010.06.07. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 n형 GaN층 상에 보잉 완화층으로서 AlGa층이 형성될 수 있는 질화계 발광 다이오드 소자에 대하여 개시하고 있다.
본 발명의 목적은 활성층 하부에 전자 저장 및 퍼짐 기능을 수행할 수 있는 전자 저장 및 퍼짐층을 형성하여, 휘도 향상 및 누설전류 차단 효과를 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 n형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되는 스트레인 완충층; 상기 스트레인 완충층 상에 형성되는 활성층; 및 상기 활성층 상에, p형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 p형 질화물 반도체층;을 포함하고, 상기 스트레인 완충층과 상기 활성층 사이에 전자 저장 및 퍼짐층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 n형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되는 스트레인 완충층; 상기 스트레인 완충층 상에 형성되는 활성층; 및 상기 활성층 상에, p형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 p형 질화물 반도체층;을 포함하고, 상기 스트레인 완충층 내부에 중간층의 형태로 전자 저장 및 퍼짐층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 실시예들에서, 상기 전자 저장 및 퍼짐층은 n형 불순물이 도핑된 InxAlyGa1-x-yN (<0x<1, 0<y<1)을 포함하여 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 전자 저장 및 퍼짐층은 인듐의 몰비(x)가 활성층으로 향할수록 증가할 수 있다. 또한, 상기 전자 저장 및 퍼짐층은 인듐의 몰비(x)가 0.001~0.02일 수 있다. 또한, 상기 전자 저장 및 퍼짐층은 알루미늄의 몰비(y)가 0.12~0.18일 수 있다.
또한, 상기 실시예들에서, 전자 저장 및 퍼짐층은 50~500Å 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 실시예들에서, 전자 저장 및 퍼짐층에 도핑된 n형 불순물의 도핑 농도는 상기 n형 질화물 반도체층에 도핑된 n형 불술문의 도핑 농도의 1/15 ~ 1/2일 수 있다.
또한, 상기 실시예들에서, 상기 스트레인 완충층은 InGaN층, GaN층 또는 GaN/InGaN 초격자층으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 활성층 하부에 전자 저장 및 퍼짐층, 특히 4성분계 InAlGaN으로 형성되는 전자 저장 및 퍼짐층을 포함한다. 이러한 InAlGaN 기반의 전자 저장 및 퍼짐층은 AlGaN과 달리 전기전도도에 문제가 없으면서, n형 질화물 반도체층 쪽에서 전자가 전면에 걸쳐 퍼지도록 할 수 있다. 또한, 상기의 InAlGaN 기반의 전자 저장 및 퍼짐층은 활성층으로 주입되는 전자의 속도를 늦춰줌과 동시에 활성층에 주입되는 전자 양이 적게 만들어주는 역할을 한다.
그 결과, 본 발명에 따른 전자 저장 및 퍼짐층을 이용한 질화물 반도체 발광소자는 휘도 향상에 기여할 수 있으며, 또한 관통 전위(Threading Dislocation) 차단 효과를 제공할 수 있어 누설 전류를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 경우, 활성층 상부에 형성되는 전자차단층과 동일한 굴절률을 갖는 전자 저장 및 퍼짐층을 활성층 하부에 형성함으로써 활성층에서 발광된 포톤이 전자차단층과 전자 저장 및 퍼짐층을 따라 커플링되는 효과를 나타낼 수 있다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자 저장 및 퍼짐층을 이용한 질화물 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 저장 및 퍼짐층을 이용한 질화물 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 4는 비교예 및 실시예 1에 따른 질화물 반도체 발광소자의 발광 면적을 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전자 저장 및 퍼짐층을 이용한 질화물 반도체 발광소자에 관하여 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도시된 질화물 반도체 발광소자는 Si와 같은 n형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 n형 질화물 반도체층(130), 양자장벽층/양자우물층이 교대 반복 적층되어 형성되는 활성층(140), 그리고 Mg와 같은 n형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 p형 질화물 반도체층(150)을 포함한다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시된 질화물 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층(130) 상에 형성되는 스트레인 완충층(Strain Relaxation Layer; SRL)(도 2의 210, 도 3의 210a, 210b)을 포함한다.
InGaN 우물층/GaN 장벽층을 한 주기(pair)로 하는 다중 양자우물 구조를 가지는 활성층(140)의 경우 InGaN와 GaN의 격자상수의 차이로 인하여 InGaN 우물층과 GaN 장벽층 간에 큰 스트레인(strain)이 형성된다. 이 스트레인은 활성층(140)에 큰 압전 필드(piezoelectic field)를 발생시켜 활성층(140)의 내부 양자 효율을 저하시킨다.
따라서, 질화물 반도체 발광소자의 발광효율 향상을 위해 활성층(140) 내의 스트레인을 완화시킬 필요가 있는 바, 도 2 및 도 3에 도시된 예에서는 활성층 하부에 스트레인 완충층(도 2의 210, 도 3의 210a, 210b)을 형성하였다. 이러한 스트레인 완충층은 활성층(140)의 스트레인 완화를 위한 것으로, 활성층(140)의 평균 인듐 조성비 미만의 인듐을 포함하는 InGaN 혹은 GaN/InGaN 초격자층 으로 형성될 수 있다.
활성층(140)의 스트레인 최소화는 스트레인 완충층 및 활성층 간의 각 층의 두께와 인듐의 조성을 조절하여 달성할 수 있다. 예를 들어, 양자장벽층의 두께를 작으면 스트레인 완충층에서의 인듐의 평균 몰비를 높일 수 있다. 반대로, 양자장벽층의 두께가 크면 스트레인 완충층에서의 인듐의 평균 몰비를 낮출 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시된 질화물 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층(130)과 활성층(140) 사이에 형성되는 전자 저장 및 퍼짐층(Electron Reservoir and Spreading Layer)를 포함한다.
전자 저장 및 퍼짐층(220)은 n형 질화물 반도체층(130)으로부터 공급되는 전자를 전면으로 스프레딩(spreading)하고, 또한 전자의 이동 속도를 늦추면서 활성층으로 공급되는 전자의 양을 감소시키는 역할을 한다.
이를 위하여, 상기 전자 저장 및 퍼짐층(220)은 n형 불순물이 도핑된 InxAlyGa1-x-yN (<0x<1, 0<y<1)을 포함하여 형성될 수 있다.
이러한 전자 저장 및 퍼짐층(220)은 도 2에 도시된 예와 같이, 스트레인 완충층(210)과 활성층(140) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 전자 저장 및 퍼짐층(220)은 도 3에 도시된 예와 같이, 스트레인 완충층(210a, 210b) 내부에 중간층의 형태로 형성되어 있을 수 있다.
이러한 전자 저장 및 퍼짐층은 인듐의 몰비(x)가 전반적으로 활성층으로 향할수록 증가하는 것이 바람직하다. 이 경우, n형 질화물 반도체층(130)으로부터 공급되는 전자가 전자 저장 및 퍼짐층에서 이동 속도가 감소하여 전면으로 스프레딩되고, 스프레딩된 후에는 활성층으로 적절한 농도의 전자가 고르게 공급될 수 있다.
전자 저장 및 퍼짐층(220) 전체에서 인듐의 몰비(x)는 0.001~0.02인 것이 보다 바람직하다. 인듐의 몰비(x)가 0.001 미만인 부분이 존재할 경우, 다이오드의 직렬저항이 커지는 문제점이 발생할 수 있다. 반대로, 인듐의 몰비(x)가 0.02를 초과하는 부분이 있는 경우, 박막 내의 인듐 뭉침 현상 발생으로 누설에 대한 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 전자 저장 및 퍼짐층(220) 전체에서 알루미늄의 몰비(y)는 0.12~0.18인 것이 바람직하다. 알루미늄의 몰비(y)가 0.12 미만일 경우 전자 저장 효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 알루미늄이 몰비(y)가 0.18을 초과하는 경우, 과도한 저항상승으로 인하여 전기적 특성이 저하될 수 있다.
이러한 전자 저장 및 퍼짐층(220)의 인듐 및 알루미늄 함량을 한정하는 이유는 4성분계 물질이 되는 InGaN의 특성과 AlGaN의 전기적 특성이 상반되기 때문이다. InGaN은 전기전도도가 좋은 물질이며 AlGaN은 전도도가 떨어지는 물질이기 때문에 활성층으로 주입되는 전자를 저장하고 퍼지게 하기 위해서 상기와 같은 InxAlyGa1-x-yN층의 Al 조성 및 In 조성으로 한정하였다.
또한, 전자 저장 및 퍼짐층(220)은 50~500Å 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 전자 저장 및 퍼짐층(220)의 두께가 50Å 미만일 경우, 전자 저장 효과, 스프레딩 효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 전자 저장 및 퍼짐층(220)의 두께가 500Å을 초과하는 경우, 누설 전류 특성이 발생될 수 있다.
또한, 전자 저장 및 퍼짐층(220)은 전자 저장 및 퍼짐층에 도핑된 n형 불순물의 도핑 농도는 n형 질화물 반도체층(130)에 도핑된 n형 불술문의 도핑 농도의 1/15 ~ 1/2인 것이 바람직하다. n형 질화물 반도체층(130)에 도핑된 n형 불술문의 도핑 농도는 3x1018 ~ 1x1019 /cm3 정도가 될 수 있으며, 이 수준은 n형 질화물 반도체(130)층의 두께에 따라 달라 질 수 있다. 전자 저장 및 퍼짐층에 도핑된 n형 불순물의 도핑 농도가 n형 질화물 반도체층(130)에 도핑된 n형 불술문의 도핑 농도의 1/2를 초과하는 경우, 과도한 n형 불순물(Si) 도핑 에 의한 전류 스프레딩 효과가 사라질 수 있고 전류 누설이 발생할 수 있다. 반대로, 전자 저장 및 퍼짐층에 도핑된 n형 불순물의 도핑 농도가 n형 질화물 반도체층(130)에 도핑된 n형 불술문의 도핑 농도의 1/15 미만인 경우 다이오드 직렬저항이 과도하게 상승할 수 있다.
한편, 도 2 내지 도 4에 도시된 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 p형 질화물 반도체층(150)에 전기적으로 연결되는 제1 전극(161) 및 n형 질화물 반도체층(130) 에 전기적으로 연결되는 제2 전극(162)을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는 n형 질화물 반도체층(120) 아래에 사파이어 성장기판 등과 같은 기판(110)을 더 포함할 수 있다. 또한, 기판(110)과 n형 질화물 반도체층(130) 사이에는 비도핑 질화물층(120), AlN, 저온성장 GaN과 같은 버퍼층(미도시) 등이 더 형성되어 있을 수 있다.
표 1은 도 1에 도시된 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자(비교예)와, 도 2에 도시된 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자(실시예 1)의 전기적 특성을 평가한 결과를 나타낸 것이다. 표 1에서는 도 1에 도시된 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자의 특성을 100%로 하여, 상대적인 값으로 전기적 특성을 나타내었다.
실시예 1은 도 2에 도시된 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자로서, 500Å 두께의 InGaN 스트레인 완충층 상에 전자 저장 및 퍼짐층이 In0.01Al0.15Ga0.84N 조성을 가지며, Si 도핑 농도가 1x1018/cm3이었으며, 100Å 두께로 형성하였다.
비교예 1의 경우, 실시예 1과 동일한 조건으로 질화물 반도체 발광소자를 제조하되, 전자 저장 퍼짐층을 스트레인 완충층 아래에 형성하였다. 비교예 2의 경우, 실시예 1과 동일한 조건으로 질화물 반도체 발광소자를 제조하되, 전자 저장 퍼짐층의 두께를 550Å으로 형성하였다.
[표 1]
Figure 112013075451572-pat00001
VF1 : 정격전류에 의한 전압강하
VR : 역방향(-10uA) 전압강하
IR 수율 : 역방향전압(-5V)에 의한 전류값 수율(역방향 전압에 의한 전류값이 일정 수준 이하 인 칩들의 개수 / 전체 칩 개수 의 비율)
PO : 적분구 발광출력
표 1을 참조하면 실시예 1의 경우, 레퍼런스에 비하여 휘도가 약 3% 정도 상승한 결과를 볼 수 있다.
이에 반하여, 비교예 1의 경우, n-GaN 과 스트레인 완충층 사이에 비교적 저항이 큰 전자 저장 및 퍼짐층이 위치함으로써 스트레인 완충층으로의 전자 전달이 어려워지고, 결국 활성층으로 주입되는 전자의 개수가 저하되고, 이에 의하여 VF 증가하였다.　
또한, 비교예 2의 경우, 전자 저장 및 퍼짐층이 500Å을 초과하여 두껍게 형성된 결과, In 뭉침현상 증가 현상으로 defect 증가에 따른 역방향 전압강하 특성이 좋지 못하였다. 즉, 전자 저장 및 퍼짐층이 적정 두께에서는 관통 전위를 막아 역방향 전압강하 특성이 향상되나, 두께가 500Å을 초과하여 너무 두꺼우면 전자 저장 및 퍼짐층 자체의 결함 때문에 역방향 전압강하 특성이 감소하는 현상이 발생한다고 볼 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자(레퍼런스)와, 도 2에 도시된 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자(실시예 1) 의 발광 면적을 나타낸 것이다.
도 4의 범례에서 파란색에서 붉은색으로 갈수록 더 높은 휘도의 발광이 이루어지는 것이다. 도 4를 참조하면, 실시예 1에 따른 질화물 반도체 발광소자의 경우, 레퍼런스에 따른 질화물 반도체 발광소자에 비하여 높은 휘도를 내는 발광면적이 상대적으로 넓은 것을 볼 수 있고, 이러한 발광면적 향상이 휘도 개선의 효과를 제공한다고 볼 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110 : 기판 120 : 비도핑 질화물 반도체층
130 : n형 질화물 반도체층 140 : 활성층
150 : p형 질화물 반도체층 161 : 제1전극
162 : 제2전극 210, 210a, 210b : 스트레인 완충층
220 : 전자 저장 및 퍼짐층

Claims (9)

  1. n형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되는 스트레인 완충층;
    상기 스트레인 완충층 상에 형성되는 활성층; 및
    상기 활성층 상에, p형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 p형 질화물 반도체층;을 포함하고,
    상기 스트레인 완충층과 상기 활성층 사이에 전자 저장 및 퍼짐층이 형성되어 있고, 상기 전자 저장 및 퍼짐층에 도핑된 n형 불순물의 도핑 농도는 상기 n형 질화물 반도체층에 도핑된 n형 불술문의 도핑 농도의 1/15 ~ 1/2인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  2. n형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성되는 스트레인 완충층;
    상기 스트레인 완충층 상에 형성되는 활성층; 및
    상기 활성층 상에, p형 불순물이 도핑된 질화물로 형성되는 p형 질화물 반도체층;을 포함하고,
    상기 스트레인 완충층 내부에 중간층의 형태로 전자 저장 및 퍼짐층이 형성되어 있고, 상기 전자 저장 및 퍼짐층에 도핑된 n형 불순물의 도핑 농도는 상기 n형 질화물 반도체층에 도핑된 n형 불술문의 도핑 농도의 1/15 ~ 1/2인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전자 저장 및 퍼짐층은 n형 불순물이 도핑된 InxAlyGa1-x-yN (<0x<1, 0<y<1)을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전자 저장 및 퍼짐층은 인듐의 몰비(x)가 활성층으로 향할수록 증가하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전자 저장 및 퍼짐층은
    인듐의 몰비(x)가 0.001~0.02인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전자 저장 및 퍼짐층은
    알루미늄의 몰비(y)가 0.12~0.18인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전자 저장 및 퍼짐층은 50~500Å 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스트레인 완충층은 InGaN층, GaN층 또는 GaN/InGaN 초격자층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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