KR101636182B1 - 질화물 반도체 다중 양자 장벽을 갖는 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

질화물 반도체 다중 양자 장벽을 갖는 발광 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

Al0.95Ga0.05N : Mg(25㎚)의 전자에 대한 싱글 배리어는, 그 높이 이하의 에너지를 갖는 전자를 스톱할 수 있다. 한편, Al0.95Ga0.05N(4㎚)/Al0.77Ga0.23N(2㎚)을 5층씩 형성한 MQB에서는, 양자역학적인 효과에 의해, 배리어 높이 이상의 높은 에너지를 갖는 전자도 스톱시킨다. 따라서, MQB에 의한 전자의 다중 양자 효과에 의해, 배리어 높이보다도 높은 에너지를 갖는 전자도 블록할 수 있다. 발명자는, MQB를 이용함으로써 SQB를 이용한 경우에 비해, 높은 에너지의 전자도 블록할 수 있다고 생각하였다. 특히, InAlGaN계의 자외 소자에서는, AlN에 가까운 조성을 갖는 AlGaN을 이용하지만, 그 이상의 배리어 높이를 갖는 배리어를 실현하는 것은 곤란하기 때문에, MQB의 효과는 매우 중요하다. 이에 의해 발광층의 재료로서 AlGaInN계의 재료, 특히, AlGaN계의 재료를 이용하면서, 심자외광의 발광 강도를 더욱 높이기 위한 요소 기술을 제공하는 것이 가능하게 된다.

Description

질화물 반도체 다중 양자 장벽을 갖는 발광 소자 및 그 제조 방법{LIGHT-EMITTING ELEMENT HAVING NITRIDE SEMICONDUCTOR MULTIQUANTUM BARRIER, AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF}
본 발명은, 질화물 반도체 발광 소자 기술에 관한 것이며, 특히 다중 양자 장벽(MQB)을 이용한 AlGaN 심자외 발광 소자 등의 고효율화 기술에 관한 것이다.
최근, V족 원소에 질소를 포함하는 질화물 반도체가 pn 접합을 이용한 발광 다이오드(LED)나 레이저 다이오드(LD) 등의 반도체 발광 소자의 분야에서 각광을 받고 있어, 연구 개발이 행해지고 있다. AlN, GaN, InN을 비롯한 질화물 반도체는 직접 천이형의 반도체이며, 또한, 3원 혼정이나 4원 혼정에서는 조성을 적절히 설정하여 밴드 갭을 변화시킴으로써 적외로부터 심자외까지의 광을 방사할 수 있다고 하는 특징을 갖는다. 특히, 자외선 영역은 미개척 영역으로, 금후의 연구 개발이 기대되고 있다.
파장 220∼350㎚의 반도체 심자외 광원(LEDㆍLD)은, 금후, 살균ㆍ정수, 의료 분야ㆍ생화학 산업 등에의 폭넓은 응용이 생각되고, 그 실현이 기대되고 있다. 또한 그 밖에도, 고밀도 광 기록용 광원이나 백색 조명, 자외 경화 수지 등에의 산업 응용, 형광 분석 등의 각종 센싱, 산화티타늄과의 조합에 의한 환경 파괴 물질(다이옥신, 환경 호르몬, PCB 등)의 고속 분해 처리 등이 있어 응용 범위는 폭넓다. 살균 효과에서는, DNA의 흡수 파장과 겹치는 260-280㎚ 부근의 파장에서 가장 효과가 높은 것이 알려져 있다. 반도체 자외 광원은, 금후 고효율화가 진행됨에 따라서 시장 규모는 비약적으로 커져 갈 것으로 생각되어, 고효율ㆍ고출력의 자외 LEDㆍLD의 개발은 중요한 과제이다.
지금까지의 자외 광원으로서는, 엑시머 레이저나 아르곤 이온 SHG 레이저, 엑시머 램프 등의 가스 고체 자외 광원에 한정되어 있고, 그들은 대형이며 수명도 짧고 또한 고가이었기 때문에 일반에의 응용은 어려웠지만, 그들을 대체하는 반도체 자외 LED, LD가 실현되면, 가스 고체 광원에 비해 초소형, 고효율, 고출력, 장기 수명, 저코스트 자외 광원으로 되어, 폭넓은 응용 분야가 열린 것으로 생각된다. 응용 분야로부터 요구가 크기 때문에, 특히 질화물 AlGaN계 심자외 광원 개발은 금후의 중요성이 높다.
자외 발광 소자를 실현하는 재료의 선택에 있어서, AlGaN계 재료의 밴드 갭 에너지는 GaN의 3.4eV로부터 AlN의 6.2eV에 걸쳐서, 종래 이용되어 온 각종 가스 레이저의 자외 발광 영역을 커버하고 있다. 그 외에, 1) 전체 조성 영역에서 직접 천이형 반도체이고, 2) 양자 웰로부터의 자외 고효율 발광이 가능하며, 3) pㆍn형 반도체의 형성이 가능하고, 4) 재료가 단단하여 소자 수명이 길며, 5) 비소, 수은, 납 등의 유해한 재료를 포함하지 않아 환경에 안전한 것 등의 특징을 갖는다. 이들 이유에 의해, 실용 가능한 자외 발광 소자를 실현하기 위한 재료로서 AlGaN계 재료는 가장 유력하다.
지금까지의 15년 정도의 개발에 의해, AlGaN계 자외 발광 디바이스는 진전되어 왔지만, 현재, 아직 효율은 1％ 정도로, 청색 LED(80％ 이상) 등에 비해 낮은 것이 현상이다. AlN 기초층의 관통 전위 밀도의 저감이 자외 LED를 실현하는 요점이었지만, 최근, 종래에 비해 1/100 정도의 전위 밀도 저감이 실현되고, 그것에 의해 종래 220∼320㎚대 AlGaN에서 0.5％ 이하이었던 내부 양자 효율이 50％ 정도로 증강되었다. 또한 In을 AlGaN에 혼입함으로써 80％ 정도까지 더욱 개선되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
그러나, AlGaN의 p형 농도가 여전히 낮은 것에 기인하여, 전자의 발광층에의 주입 효율은 여전히 10∼30％ 정도로 낮다. 또한, 자외 LED의 광 취출 효율은 컨택트층ㆍ전극 부근의 자외광 흡수 등 때문에, 6-8％로 낮다. 이들의 곱셈에 의해 정해지는 자외 LED의 외부 양자 효율은 1％ 정도로 낮아, 금후의 연구에 의해 개선되어야 할 것이다.
특히, 전자 주입 효율에 관해서는, p형 AlGaN의 홀 농도를 개선할 수 없다고 하는 물성적인 한계 때문에, 오랫동안, 높은 전자 주입 효율을 실현하는 것이 불가능하다고 생각되어 왔다. 금회, 다중 양자 장벽 전자 블록층을 AlGaN, 혹은 InAlGaN계 자외 LED에 도입하여, 전자의 주입 효율을 10∼30％로부터 추정 80％ 이상으로 향상시키는 것에 실험적으로 성공하여, 「p형 AlGaN의 불가능」에 기인하는 전자 주입의 문제를 근본부터 해결하는 방법을 제안ㆍ실증하였다. 본 명세서의 내용은, 질화물 자외 발광 소자의 전자 주입 효율을 향상시키기 위한, 다중 양자 장벽 전자 블록층의 도입에 관한 것으로, 그 설계 지침과 실제의 도입의 효과 해석값 및 실제의 심자외 LED에의 실시와 세계 최고 출력값의 실현에 대하여 나타내는 것이다.
일본 특허 출원 공개 평 9-64477호 공보
220-360㎚대 AlGaN 혹은 InAlGaN계 심자외 LED의 외부 양자 효율은, 아직 청색 LED(80％ 이상)에 비해 낮다. 외부 양자 효율은, 현재, 340-350㎚에서 7％ 정도, 260-280㎚에서 1％ 정도, 230-250㎚에서 0.1-0.5％ 정도가 실현되어 있다. 자외 LED의 외부 양자 효율(EQE : External Quantum Efficiency)은, 이하의 식으로 표현된다.
ηext=ηint(내부 양자 효율)×ηlee(광 취출 효율)×ηinj(전자 주입 효율)
지금까지의 연구 개발에 의해 AlGaN계 양자 웰의 자외 발광의 내부 양자 효율(IQE : Internal Quantum Efficiency)은 현저하게 향상되어, 최근 80％ 이상의 IQE가 실현되고 있다. AlGaN은 청색 LED에서 이용되는 InGaN 재료와 달리, 관통 전위의 존재에 의해 발광 효율이 현저하게 감소하게 되기 때문에, 종래까지의 관통 전위 밀도가 높은 AlN 버퍼층을 이용한 경우에서는, 0.5％ 이하의 낮은 IQE밖에 얻어지지 않았다. 그러나, AlN 버퍼층의 관통 전위 밀도의 저감에 의해 AlGaN계 양자 웰의 자외 발광 IQE는 비약적으로 향상되어 50％ 정도가 실현되고, 또한 AlGaN에 0.3％ 정도의 In을 가함으로써 80％ 정도의 IQE가 얻어지고 있다. 이들의 개발에 의해, AlGaN계 자외 발광 소자의 내부 양자 효율의 문제는 이미 해결되어 왔다.
그러나, 여전히, 전자의 발광층에의 주입 효율(EIE : Electron Injection Efficiency)은 10-30％, 자외 LED의 광 취출 효율(LEE : Light Extraction Efficiency)은 6-8％로 낮다. 이들의 곱셈에 의해 정해지는 자외 LED의 외부 양자 효율은 1％ 정도로 낮아, 금후의 연구에 의해 개선될 필요가 있다.
낮은 광 취출 효율(LEE)은, 컨택트층 전극 부근의 자외광 흡수 및 p형 전극의 낮은 광 반사율에 기인하고 있으며, 금후, 전극 반사율의 향상, Al 반사판, 2차원 포토닉 결정 구조의 도입 등에 의해 개선되어 갈 것으로 생각된다.
한편, 낮은 전자 주입 효율(EIE)은 p형 AlGaN의 낮은 홀 농도에 기인하고 있으며, AlGaN의 Mg 억셉터의 레벨이 깊다고 하는 물성값에 의해 정해져 있기 때문에, 개선은 어렵다. AlGaN 중의 홀 농도는, Al 조성이 50-70％에서는 1016㎝-3 이하, Al 조성이 70-90％에서는 1014㎝-3 이하로, 통상의 pn 접합 소자에서 이용되는 5×1017cm-3 정도에 비해 현저하게 낮다. 그 때문에, AlGaN 자외 LED에서는, 전자는 발광 영역에 주입되지 않고, p측 층으로 누설되게 되어, 전자 주입 효율을 저하시킨다. 전자 블록층을 이용함으로써 전자 주입 효율은 어느 정도 개선되었다. 그러나, 전자 배리어를 가장 높게 하기 위해서, 밴드 갭이 큰 AlN 혹은 Al 조성 95％ 이상의 AlGaN을 전자 블록층의 재료로 선택하고 있지만, 아직 충분한 전자 주입 효율은 얻어지고 있지 않다. 전자 주입 효율(EIE)의 값은, 260-280㎚대 AlGaN 양자 웰 LED에서 추정 30％ 정도, 240-260㎚대 LED에서 추정 10-30％, 220-240㎚대 LED에서 10％ 이하로 생각된다.
본 발명은, 발광층의 재료로서 AlGaInN계의 재료, 특히, AlGaN계의 재료를 이용하면서, 심자외광의 발광 강도를 더욱 높이기 위한 요소 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같이, 전자 주입 효율은, p형 AlGaN, AlN 등의 물성값과 벌크 구조의 한계로부터 고효율화가 곤란하다고 생각되어 왔다. 본 발명에서는, 전자 블록층에 다중 양자 장벽을 이용함으로써 그 물성 한계를 초과하는 효과를 발현시켜, 질화물 자외 발광 소자의 효율을 비약적으로 향상시키는 방법을 제안한다.
양자역학적인 전자의 다중 반사 효과를 이용하면, 벌크 결정 시의 밴드 갭에 의해 정해지는 전자 배리어 높이보다도, 수배 더 높은 배리어 높이를 실현할 수 있다. 이 효과를 사용하면, 지금까지 10-30％이었던 전자 주입 효율은, 80-100％로 향상시키는 것이 가능하고, 이 방법을 사용하여, 종래, p형 반도체의 낮은 홀 농도에 기인하여 해결이 어려웠던 전자 주입 효율의 문제를 근본부터 해결할 수 있다.
본 방법을 이용하면, AlGaN, InAlGaN계 자외 LED의 효율을 비약적으로 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 금후 개발이 예정되어 있는, AlGaN계 자외 LD의 실현에 있어서 큰 효과를 발휘한다고 생각된다. 상기의 전자 주입 효율은 주입 전류 밀도가 높아짐에 따라서, 그 저하가 심해진다. 특히 LD에서는 동작 시에, LED에 비해 10-100배 정도의 주입 전류 밀도를 이용하기 때문에, 전자 주입 효율(EIE)은 1/10 정도로 더욱 저감된다고 예측된다. 따라서, 홀 농도가 낮고, 또한 전자 배리어 높이가 충분하지 않아, 250-330㎚대 자외 LD의 실현은 매우 곤란하다고 생각된다. 파장 250-330㎚대 자외 LD는 상기의 곤란 때문에 아직 실현되어 있지 않다.
그러나, 본 발명의 질화물 반도체 다중 양자 장벽을 이용하면, 자외 LD에서 예측되는 10％ 이하의 전자 주입 효율은 50-100％로 향상되어, 파장 250-330㎚대 자외 LD의 실현이 처음으로 가능해진다고 생각된다.
상기한 바와 같이, 질화물 반도체 다중 양자 장벽의 자외 발광 소자 효율 개선에의 영향은 헤아릴 수 없이 크다. 또한, 질화물 반도체 다중 양자 장벽을 이용하여 고효율 동작을 실현한 220-390㎚대 자외 고효율 LED, 및 자외 LD의 출현에 의해, 자외 반도체 발광 소자의 응용 분야는 비약적으로 확대된다고 생각된다.
마찬가지의 MQB의 효과는, 파장 390-550㎚의 근자외, 자(紫), 청(菁), 녹(綠) 발광 LD, LED에도 응용 가능하여, 큰 효과를 기대할 수 있다. 특히 청색 LED 등에서 문제로 되고 있는 고출력 동작 시의 효율의 저하(드룹)를 크게 개선하는 방법으로서 중요성이 높다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 기판에 형성된 AlxGa1-xN(0<x<1) 버퍼층과, 상기 AlxGa1-xN 버퍼층 상에 형성된 n형 InxAlyGa1-x-yN(0<x<0.1, 0<y<1)층과, 상기 n형 InAlGaN층 상에 형성된 Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0<x1<0.5, 0<y1<1) 양자 웰층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0<x2<0.3, 0<y2<1, x1>x2, y1<y2) 배리어층으로 이루어지는 양자 웰 발광층과, 상기 InAlGaN 양자 웰 발광층 상에 형성된 p형 InxAlyGa1-x-yN(0<x<0.1, 0<y<1)층과, 상기 p형 InAlGaN층 상에 형성된 다중 양자 장벽 전자 블록층을 구비한 파장 220∼390㎚에서 발광하는 질화물 반도체 자외 발광 소자가 제공된다.
또한, p형 InAlGaN층 상에 형성된 다중 양자 장벽 전자 블록층은, Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0<x1<0.1, 0<y1<1) 배리어층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0<x2<0.3, 0<y2<1, x1<x2, y1>y2) 밸리층의 쌍이 복수 형성되고, 제1 쌍의 층과 제2 쌍의 층은 각각 떨어져 있고, 상기 제1 쌍의 층의 층 두께쪽이 상기 제2 쌍의 층의 층 두께보다 두껍거나, 혹은, 상기 제1 쌍의 층의 층 두께쪽이 상기 제2 쌍의 층의 층 두께보다 얇고, 또한, 상기 양자 웰 발광층측의 측으로부터 상기 기판과 반대측쪽을 향하여, 상기 제1 쌍의 층과 상기 제2 쌍의 층이 그 순서로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기의 기재를 예를 들면 도 11을 참조하여 설명하면 「Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0<x1<0.1, 0<y1<1) 배리어층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0<x2<0.3, 0<y2<1, x1<x2, y1>y2) 밸리층의 쌍」이란, MQB에서, 예를 들면, 2ML과 2ML의 배리어층과 밸리층의 각각의 1쌍을 의미하고 있다. 즉, 이 경우는, 쌍이 8주기만큼 형성되어 있는 것을 의미하고 있다.
또한, 제2 쌍의 층이란, 제1 쌍의 층과는 층 두께가 상이한, 예를 들면 제1 쌍의 층을 도 11의 2ML/2ML의 것, 제2 쌍의 층을 도 11의 3ML/3ML의 것으로 하면, 그 양자는 공간적으로 떨어져 형성되어 있는 것을 의미한다.
이 MQB에서는, 도 11의 (a)에서는, 제1 쌍의 층 두께쪽이 상기 제2 쌍의 층의 층 두께보다 얇고, 또한, 상기 양자 웰 발광층측의 측으로부터 상기 기판과 반대측쪽을 향하여, 상기 제1 쌍의 층과 상기 제2 쌍의 층이 그 순서로 형성되어 있고, 한편, 도 11의 (b)에서는, 상기 제1 쌍의 층의 층 두께쪽이 상기 제2 쌍의 층의 층 두께보다 두껍고, 상기 양자 웰 발광층측의 측으로부터 상기 기판과 반대측쪽을 향하여, 상기 제1 쌍의 층과 상기 제2 쌍의 층이 그 순서로 형성되어 있는 것을 나타내고 있다.
또한, p형 InAlGaN층 상에 형성된 다중 양자 장벽 전자 블록층은, Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0<x1<0.1, 0<y1<1) 배리어층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0<x2<0.3, 0<y2<1, x1<x2, y1>y2) 밸리층의 쌍이 복수 형성되고, 제1 쌍의 층, 제2 쌍의 층 및 제3 쌍의 층은 각각 떨어져 있고, 상기 제1 쌍의 층의 층 두께쪽이 상기 제2 쌍의 층의 층 두께보다 두껍고, 상기 제2 층의 쌍의 층 두께가 상기 제3 쌍의 층보다 두껍거나, 혹은, 상기 제1 쌍의 층의 층 두께쪽이 상기 제2 쌍의 층의 층 두께보다 얇고, 상기 제2 층의 쌍의 층 두께가 상기 제3 쌍의 층보다 얇고, 또한, 상기 양자 웰 발광층측의 측으로부터 상기 기판과 반대측쪽을 향하여, 상기 제1, 제2 및 제3 층의 쌍이 그 순서로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기의 기재에 대해서는, 기본적으로, 상기 제1 쌍의 층과 제2 쌍의 층 외에, 예를 들면 4ML/4ML의 제3 쌍의 층이 형성되어 있는 것을 의미하고 있다.
여기서, 3ML/3ML의 제2 쌍과 4ML/4ML의 제3 쌍은, 인접하고 있는 경우도 있지만, 떨어져 있는 경우도 있다. 여기서 말하는 「떨어져 있고」란, 이 중의 떨어져 있는 경우를 설명하고 있다.
또한, 도 11에서는, 두께가 상이한 쌍의 층이 제1부터 제4까지의 예를 기재하고 있기 때문에, 제1 쌍의 층과 제2 쌍의 층과 제3 쌍의 층이 각각 떨어져 형성되어 있다고 할 수 없는 경우도 있을 수 있다. 실제로는, 도 11에서 도시한 예보다도 보다 많은 종류의 쌍의 층, 예를 들면 5종류 이상의 상이한 두께의 쌍의 층이 형성되어 있는 경우도 본 발명의 실시예의 범주에 들어간다. 그와 같은 경우에는, 제1 쌍의 층과 제2 쌍의 층과 제3 쌍의 층이 각각 떨어져 있다고 할 수 있다.
상기 쌍의 층에서의 상기 배리어층과 상기 밸리층이 동일한 분자층수이어도 된다. 이 기재는, 도 11에 도시한 바와 같이, 예를 들면 2ML과 2ML의 층이 8주기 형성되어 있다고 하는 바와 같이, 동일한 분자층수의 층이도록 해도 되는 것을 나타내고 있다.
또한, 상기 질화물 반도체 자외 발광 소자는, 발광 다이오드인 것이 바람직하다.
상기 다중 양자 장벽 전자 블록층으로서, Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0<x1<0.1, 0<y1<1) 배리어층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0<x2<0.3, 0<y2<1, x1<x2, y1>y2) 밸리층을, 동일 주기, 또는, 제1 주기 및 상기 제1 주기와는 상이한 제2 주기의 층으로 다층 적층한 다중 양자 장벽 전자 블록층을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, MQB를 이용한 근자외, 자, 청, 녹색 발광 소자로서, 기판에 형성된 AlxGa1-xN(0<x<1) 버퍼층과, 상기 AlxGa1-xN 버퍼층 상에 형성된 n형 InxAlyGa1-x-yN(0<x<0.1, 0<y<1)층과, 상기 n형 InAlGaN층 상에 형성된 Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0<x1<0.5, 0<y1<1) 양자 웰층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0<x2<0.3, 0<y2<1, x1>x2, y1<y2) 배리어층으로 이루어지는 양자 웰 발광층과, 상기 InAlGaN 양자 웰 발광층 상에 형성된 p형 InxAlyGa1-x-yN(0<x<0.1, 0<y<1)층과, 상기 p형 InAlGaN층 상에 형성된 다중 양자 장벽 전자 블록층을 구비하고, 상기 다중 양자 장벽 전자 블록층으로서, Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0<x1<0.1, 0<y1<1) 배리어층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0<x2<0.3, 0<y2<1, x1<x2, y1>y2) 밸리층을, 동일 주기, 또는, 상이한 주기로 다층 적층한 다중 양자 장벽 전자 블록층을 갖는 것을 특징으로 하는 파장 390∼550㎚에서 발광하는, 근자외, 자, 청, 녹색 질화물 반도체 발광 소자이어도 된다.
상기 질화물 반도체 발광 소자는, 상기 활성층측으로부터 상기 다중 양자 장벽 전자 블록층측을 향하여, 상기 주기가, 순차적으로 커지거나 혹은 순차적으로 작아지는 것을 특징으로 한다.
또한, 무극성의 경우, 즉, 상기 다중 양자 장벽 전자 블록층은, A면, M면 상에 형성된 극성이 없는 층, 혹은 반극성면에 형성된 층인 것을 특징으로 한다. 질화물 반도체에서는, A면, M면은 잘 알려진 극성면이다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, Ⅲ족 질화물 단결정 상에 형성하는 발광 소자 구조의 성장 방법에 있어서, 기판 상에 AlxGa1-xN(0<x<1) 버퍼층을 성장하는 스텝과, 상기 AlxGa1-xN 버퍼층 상에 n형 InxAlyGa1-x-yN(0<x<0.1, 0<y<1)층을 성장하는 스텝과, 상기 n형 InAlGaN층 상에 Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0<x1<0.5, 0<y1<1) 양자 웰층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0<x2<0.3, 0<y2<1, x1>x2, y1<y2) 배리어층으로 이루어지는 양자 웰 발광층을 성장하는 스텝과, 상기 InAlGaN 발광층 상에 p형 InxAlyGa1-x-yN(0<x<0.1, 0<y<1)층을 성장하는 스텝과, 상기 p형 InAlGaN층 상에 Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0<x1<0.1, 0<y1<1) 배리어층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0<x2<0.1, 0<y2<1, x1<x2, y1>y2) 밸리층을 다층 적층한 다중 양자 장벽 전자 블록층을 성장하는 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자 구조의 성장 방법이 제공된다.
본 명세서는 본원의 우선권의 기초인 일본 특허 출원 2010-038912호의 명세서 및/또는 도면에 기재되는 내용을 포함한다.
MQB를 이용하면, 단일 배리어의 경우에 비해, 전자의 블록 효과가 높아진다. 또한, A면에 성장한 경우에서도, C면 상에 성장한 극성이 있는 결정의 경우에서도, 배리어 높이가 높을수록, MQB의 주기가 길수록, 전자의 블록 효과가 좋아진다.
또한, MQB를 이용하여, 그 주기를 순서대로 변화시킴으로써, 넓은 에너지 범위에 걸쳐, 전자를 블록할 수 있어, 동일한 주기의 MQB에 비해 보다 전자 블록 효과가 현저하다.
도 1a는 본 발명의 실시 형태에 의한 다중 양자 웰 장벽을 이용한 AlGaN 및 InAlGaN 자외 LED(250㎚대)의 일 구성예를 도시하는 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 실시 형태에 의한 다중 양자 웰 장벽을 이용한 AlGaN 및 InAlGaN 자외 LED(280㎚대)의 일 구성예를 도시하는 사시도이다.
도 2는 AlGaN/AlN 버퍼층의 구조를 구비한 LED 구조의 일례를 도시하는 도면이다.
도 3은 다중 양자 장벽에 대하여 일반적인 단일 전자 블록층과 비교한 이점을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 4는 다중 양자 장벽을 이용한 AlGaN 자외 LED(파장 250-262㎚)의 실온 동작 발광 특성을 도시하는 도면이다.
도 5는 다중 양자 장벽에 의한 AlGaN 자외 LED의 효율 향상을 파장 250㎚에서 도시한 것이다.
도 6은 다중 양자 장벽을 이용한 262㎚ AlGaN 자외 LED의 동작 특성을 도시하는 도면이다.
도 7은 다중 양자 장벽에 의한 외부 양자 효과 향상의 효과(파장 의존성)를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 MQB를 이용한 MQW형 LED의 일 구성예를 도시하는 에너지 밴드 구조이며, A면 상에 성장한 극성이 없는 LED의 전도대의 단(端)을 도시하는 도면이다.
도 9는 C면 상에 성장시키는(극성 있음) 경우의 예이다.
도 10a는 도 8의 (a)에 대응하는 약간 높은 배리어의 A면 상에 성장한 극성이 없는 LED에서, 2ML부터 15ML까지의 웰 두께/배리어 두께의 경우와, 20㎚의 싱글 배리어의 경우의 전자의 투과율의 에너지 의존성을 도시하는 도면이다.
도 10b는 도 8의 (a)에 대응하는 약간 높은 배리어의 A면 상에 성장한 극성이 없는 LED에서, 2ML부터 15ML까지의 웰 두께/배리어 두께의 경우와, 20㎚의 싱글 배리어의 경우의 전자의 투과율의 에너지 의존성을 도시하는 도면이다.
도 11은 도 10의 결과에 기초하여, 단일 배리어와 MQB를 이용한 경우의, 전자의 투과율의 에너지 의존성을 도시하는 도면이다.
도 12는 A면 상에 성장한 극성이 없는 MQB의 경우에서의, 전자의 투과율의 에너지 의존에 관한, 주기를 상이하게 한 MQB층의 총 두께 의존성을 도시하는 도면이다.
도 13a는 도 8의 (a)에 대응하는 약간 낮은 배리어의 A면 상에 성장한 극성이 없는 MQB의 경우에서의, 전자의 투과율의 에너지 의존성을 도시하는 도면이다.
도 13b는 도 8의 (a)에 대응하는 약간 낮은 배리어의 A면 상에 성장한 극성이 없는 MQB의 경우에서의, 전자의 투과율의 에너지 의존성을 도시하는 도면이다.
도 14는 A면 상에 성장한 극성이 없는 MQB(낮은 배리어; 도 13)의 경우에서의, 전자의 투과율의 에너지 의존에 관한, 주기를 상이하게 한 MQB층의 총 두께 의존성을 도시하는 도면이다.
도 15는 배리어가 높을 때와 배리어가 낮을 때에서의, A면 상에 성장(극성 없음)한 경우에서의, 주기별의 에너지의 전자 투과율 의존성을 도시하는 도면이다.
도 16은 본 실시예에 의한 배리어 높이를 파라미터로 한 MQB의 주기와 전자의 투과율의 관계를 도시하는 도면이다.
도 17a는 상기 제1 실시 형태와 거의 동일하지만, A면이 아니라 C면에 성장한 MQB의 경우의 특성을 도시하는 도면이다.
도 17b는 상기 제1 실시 형태와 거의 동일하지만, A면이 아니라 C면에 성장한 MQB의 경우의 특성을 도시하는 도면이다.
도 18은 상기 제1 실시 형태와 거의 동일하지만, A면이 아니라 C면에 성장한 MQB의 경우의 특성을 도시하는 도면이다.
도 19a는 상기 제1 실시 형태와 거의 동일하지만, A면이 아니라 C면에 성장한 MQB의 경우의 특성을 도시하는 도면이다.
도 19b는 상기 제1 실시 형태와 거의 동일하지만, A면이 아니라 C면에 성장한 MQB의 경우의 특성을 도시하는 도면이다.
도 20은 상기 제1 실시 형태와 거의 동일하지만, A면이 아니라 C면에 성장한 MQB의 경우의 특성을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 의한 심자외 발광 소자(LED)에 대하여, 도면을 참조하면서 설명을 행한다. 도 1a는 본 발명의 실시 형태에 의한 다중 양자 웰 장벽을 이용한 AlGaN 자외 LED의 일 구성예를 도시하는 사시도이다. 도 1a에 도시한 바와 같이, 250㎚ 자외 LED(A)는, 사파이어 기판(1) 상에 형성되고, 관통 전위를 저감한 다중 AlN 버퍼층(3)과, n-Al0.77Ga0.23N; Si 버퍼층(5)과, Al0.62Ga0.38N(1.5㎚)/Al0.77Ga0.23N(6㎚)의 각각 3층으로 이루어지는 다중 양자 웰 발광층(7)(MQW)과, Mg 도프의 p-Al0.77Ga0.23N층(11)(25㎚)과, Al0.95Ga0.05N(4㎚)/Al0.77Ga0.23N(2㎚)의 각각 5층으로 이루어지는 다중 양자 장벽 전자 블록층(15)(MQB)과, p-Al0.77Ga0.23N층(17)(25㎚)과, Mg 도프의 p-GaN 컨택트층(21)과, Ni/Au의 n형 전극(23)과, Ni/Au의 p형 전극(25)이 형성되고, 전극간에 소정의 전압을 인가하면, 사파이어 기판면측으로부터 UV 출력(27)이 얻어진다.
도 1b는 본 발명의 실시 형태에 의한 다중 양자 웰 장벽을 이용한 InAlGaN 자외 LED의 일 구성예를 도시하는 사시도이다. 도 1b에 도시한 바와 같이, 280㎚ 자외 LED는, 사파이어 기판(1) 상에 형성되고, i-AlN 재성장층(0.2㎛)(3a)과, 관통 전위를 저감한 다중 Al0.7Ga0.3N 버퍼층(5a)과, n-In0.002Al0.76Ga0.24N 중간층(5b)(2㎚)과, In0.002Ga0.76Ga0.24N(20㎚) 버퍼층(5c)과, i-In0.01Al0.61Ga0.38N(1.7㎚)/In0.002Al0.76Ga0.24N; Si 배리어층(7㎚)(7a)의 2층으로 이루어지는 다중 양자 웰 발광층(7)(MQW)과, Mg 도프의 p-In0.002Al0.76Ga0.24N층(11a)(2㎚)과, In0.002Al0.95Ga0.05N; Mg(3㎚)/In0.002Al0.76Ga0.24N(0.75㎚)의 각각 5층으로 이루어지는 다중 양자 장벽 전자 블록층(15a)(MQB)과, p-In0.002Al0.76Ga0.24N층(17a)(20㎚)과, Mg 도프의 p-In0.04Ga0.96N; Mg 컨택트층(21a)과, Ni/Au의 n형 전극(23)과, Ni/Au의 p형 전극(25)이 형성되고, 전극간에 소정의 전압을 인가하면, 사파이어 기판면측으로부터 UV 출력(27)이 얻어진다.
고효율 자외 LED를 실현하는 데 있어서 AlGaN에의 In의 약간의 혼입이 매우 중요한 효과를 가져온다. AlGaN 발광층에 In을 0.3％ 정도 혼입함으로써, 280㎚에서 발광하는 양자 웰의 내부 양자 효율(IQE)은 증강되어, In 혼입 없음의 경우 30％ 정도이었던 내부 양자 효율은 최대 80％ 이상이 관측되고 있다. 이것은 AlGaN 중의 In 조성 변조에 의해, 주입된 캐리어가 로컬라이즈되어, 캐리어가 결정 결함 영역으로 트랩되어 비발광 재결합하기 전에 발광 재결합하기 때문에, 발광 효율이 향상되는 효과에 의한다고 생각된다. 이와 같은 효과는 340㎚ 발광 양자 웰에서는 AlGaN에의 2-5％ 정도의 In 혼입에 의해 실현되고 있다. 220-390㎚대 AlGaN 양자 웰에서는 0.1-10％의 영역에서 In을 혼입시키면 In 혼입에 의한 높은 IQE의 실현을 기대할 수 있다. 또한, p형 AlGaN에 비해 p형 InAlGaN쪽이 높은 홀 농도가 얻어지고 있고, 그 결과 280-350㎚대 자외 LED의 고효율 동작이 얻어지고 있다. 따라서, AlGaN만으로 구성되는 자외 LED 외에, InAlGaN계 자외 LED는 고효율 동작 실현에 있어서 중요성이 높다.
도 2는 AlGaN/AlN 버퍼층의 구조를 구비한 LED 구조의 버퍼부의 일례를 도시하는 도면이다. 종래까지의 높은 관통 전위 밀도(칼날 전위 밀도 : 2×1010㎝-2 정도의 AlGaN계 버퍼를 이용한 경우, AlGaN계 양자 웰의 자외 발광 내부 양자 효율(IQE)은 0.5％ 이하로 낮아지기 때문에, 질화물 반도체 자외 발광 소자를 실현하기 위해서는, 특히, 관통 전위 밀도가 낮은 AlGaN계 버퍼를 이용하는 것이 요구된다. 관통 전위 밀도가 1×109㎝-2 정도의 경우 AlGaN 양자 웰의 IQE는 30％ 정도가 얻어진다. AlGaN계 자외 LED의 고효율 동작을 위해서는 3×108㎝-2 이하의 칼날 전위 밀도를 실현하는 것이 바람직하다. 사파이어 기판 상에 낮은 관통 전위 밀도의 AlN 결정을 제작하는 것은, 결정 격자 간격이 크게 상이하기 때문에 어렵다. AlGaN계 전자ㆍ광 디바이스에 유용한 AlN/AlGaN 버퍼를 공급하기 위해서는, 1) 관통 전위의 저감, 2) 크랙의 방지, 3) 원자층 평탄성, 4) 안정된 Ⅲ족 극성 모두가 얻어지는 제조 방법이 필요 불가결하다. 도 2에 제시한 방법은 「암모니아 펄스 공급 다단 성장법」을 이용한 사파이어 기판 상 AlN 버퍼의 제조 방법이며, 상기의 1) 내지 4) 모두를 만족시키는 방법으로서 발안된 방법이다.
우선, 사파이어 기판(1)에, 암모니아의 펄스 공급법에 의해 AlN 핵 형성(3a)을 행하고(좌측 도면), 다음으로, 가로 방향 인핸스먼트 성장에 의한 핵의 매립(3b)(펄스 공급)을 행하고, 다음으로, 세로 방향 고속 성장에 의한 평탄화와 크랙 방지(연속 공급)(3c)를 행하고, 또한, 반복에 의한 관통 전위 방지를 위한 평탄화(펄스 공급/연속 공급 : 우측 도면) 성장(3d)을 행하고 있다. 이와 같이, NH3 펄스 공급 다단 성장법에 의해 AlN 고품질 버퍼층을 실현할 수 있어, 관통 전위를 저감하고, 크랙 프리ㆍ표면 평탄화가 가능하다. 좌측 위의 차트도 (a)는, TMAl과 NH3의 암모니아 펄스 플로우를 도시하는 도면이다. 예를 들면 MOCVD법(유기 금속 CVD법)에 의해, TMAl과 NH3를 공급하여 AlN계의 재료를 성장한다. TMAl을 연속 공급하고, NH3를 펄스식으로 공급함으로써, 재료 마이그레이션 인핸스 성장의 보다 고품질 AlN 성장이 가능함과 동시에 Ⅲ족이 풍부한 성장을 행할 수 있어, 안정된 Ⅲ족 극성을 동시에 얻을 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, AlN 핵 형성층 및 4단으로 이루어지는 다중 AlN 버퍼층을 형성함으로써, 3×108㎝-2의 칼날 전위 밀도를 실현하고 있고, 또한 AlGaN 양자 웰 LED를 제작함으로써, 30％ 이상의 자외 발광 내부 양자 효율을 실현하고 있다.
[표 1]
Figure 112014038369468-pat00001
표 1은, MQB를 갖는 250㎚대 AlGaN 구조의 각 층의 MOCVD 성장에서의 결정 성장 조건의 예를 나타내는 것이다. 성장층 AlN1은 핵 형성층, AlN2는 매립층, AlN3은 연속 성장층, AlGaN1은 배리어층, AlGaN2는 MQB 배리어층이다.
표 1에 이용한 MOCVD의 성장 조건의 예를, 「암모니아 펄스 공급 다단 성장법」 형성 AlN 버퍼의 핵 형성층(3a)(암모니아 펄스 성장 : 성장 조건 AlN1), 펄스 성장 매립층(3b)(암모니아 펄스 성장 : 성장 조건 AlN2), 연속 성장 AlN(3c)(성장 조건 AlN3)에 대하여, 또한 250㎚대 AlGaN 양자 웰 LED의, 배리어층(성장 조건 AlGaN1), MQB 배리어층(성장 조건 AlGaN2)에 대하여 나타낸다.
다음으로, 자외(심자외) 발광 소자의 특성에 대하여 설명한다.
[표 2]
Figure 112014038369468-pat00002
표 2는 249㎚대, 250㎚대, 262㎚대에서의 AlGaN 각 층의 Al 조성과 LED의 외부 양자 효율(EQE 자외), 자외광 출력의 값을 나타내는 도면이다.
파장 249㎚에서는, EQE의 최대값이 1.50％, 최고 출력이 8.7㎽로 되어 있다. 또한, 파장 250㎚에서는, EQE의 최대값이 1.15％, 최고 출력이 15.0㎽로 되어 있다. 파장 262㎚에서는, EQE의 최대값이 1.54％, 최고 출력이 10.4㎽로 되어 있어, 이와 같은 높은 값이 얻어지고 있다.
상기의 표 1에 이용한 MOCVD의 성장 조건의 예를, 「암모니아 펄스 공급 다단 성장법」 형성 AlN 버퍼의 핵 형성층(3a)(암모니아 펄스 성장 : 성장 조건 AlN1), 펄스 성장 매립층(3b)(암모니아 펄스 성장 : 성장 조건 AlN2), 연속 성장AlN(3c)(성장 조건 AlN3)에 대하여, 또한 250㎚대 AlGaN 양자 웰 LED의, 배리어층(성장 조건 AlGaN1), MQB 배리어층(성장 조건 AlGaN2)에 대하여 나타낸다. AlN 버퍼를 성장하는 조건으로서는, AlN 결정의 퀄리티를 높이기 위해서, 일반적으로GaN 혹은 AlGaN에서 이용하고 있는 성장 온도(1000-1120℃)보다 높은 온도(1200-1300℃)를 이용하고 있고, 또한, Ⅴ/Ⅲ비(Ⅴ족 원소의 공급량과 Ⅲ족 원소의 공급량의 몰비)도, 일반적으로 GaN 혹은 AlGaN에서 이용되는 값(2000 이상)에 비해 낮은 값을 이용하고 있다. 또한, MQB의 배리어층의 성장 조건으로서는, 일반적인 AlGaN의 성장 조건을 이용하고 있고, 감압 횡형 MOCVD 장치에 의해, 성장 온도를 1120℃, 성장 압력을 76Torr(133.32㎩=1Torr)로 하고, 공급량을, TMG가 1sccm, TMA가 50sccm(1sccm=1.667×10-5l/s), NH3가 2000sccm 등을 이용하여 성장을 행하고 있다.
또한, 이용한 MOCVD 장치의 상세에 관해서는, 예를 들면 발명자들의 특허문헌인, 일본 특허 출원 공개 제2004-228489호의 도 2, 도 7 내지 도 9 및 그 기재를 참조함으로써 실시 가능하기 때문에, 여기서는 설명을 생략한다.
도 3은 다중 양자 장벽에 대하여 일반적인 단일 전자 블록층과 비교한 이점을 모식적으로 도시한 도면이다. 도면은 250㎚대 AlGaN 양자 웰 LED의 Al 조성의 프로파일을 도시한 것이지만, 동시에, 무극성 결정의 경우의 LED 동작 시의 밴드 프로파일과 경향은 거의 일치한다고 생각된다. 따라서 MQB의 효과를 일반적으로 설명하는 데 있어서 유용한 도면이다. C면 상에 성장한 극성이 강한 결정에 있어서의 밴드 프로파일은, 후술하는 도 9와 같이 밴드의 기울기를 고려할 필요가 있어, 약간 이해가 복잡하다. 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 Al0.95Ga0.05N : Mg(25㎚)의 전자에 대한 싱글 배리어의 경우에는, 그 높이 이하의 에너지를 갖는 전자를 거의 완전히 반사할 수 있지만, 배리어 이상의 높이의 전자에 대해서는 거의 반사할 수 없다. 따라서 전자 배리어 높이는, 전도대의 밴드 불연속값에 의해 리미트되게 된다. 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, Al0.95Ga0.05N(4㎚)/Al0.77Ga0.23N(2㎚)을 5층씩 형성한 MQB에서는, 양자역학적인 전자의 반사 효과에 의해, 배리어 높이 이상의 높은 에너지를 갖는 전자도 반사할 수 있다.
따라서, 싱글 배리어(SQB)의 경우에는, 전자 블록 높이는 SQB를 구성하는 재료에 따라서 그 한계가 결정되는 것에 대하여, MQB에서는 재료 리미트 외에, 양자역학적인 다층 반사 효과에 의해 배리어 높이를 더욱 증가시키는 것이 가능하다. 후술하는 바와 같이, 실효적인 배리어 높이는, 각 층의 배리어 높이와 두께를 최적화함으로써, 최대 3.5배 정도로 향상시키는 것이 가능하다.
지금까지의 발명자들의 연구에서, 전자 블록층에 가장 배리어 높이가 높은 AlN 혹은 Al 조성 95％의 AlGaN을 이용한 경우라도, AlGaN 자외 LED의 전자 주입 효율은 10-30％(240-280㎚대 LED에 대하여)로 낮아, 자외 LED 고효율화의 큰 방해로 되고 있었다. 또한, 이 낮은 전자 주입 효율은, p형 AlGaN의 낮은 홀 농도에 기인하는 것이기 때문에, 해결할 수 없는 것으로 여겨져 왔다. 본 발명 제안의 설계 지침에 의해 형성된 MQB를 이용하면, 상기 문제는 근본적으로 해결된다고 생각되어, MQB 효과는, AlGaN계 고효율 자외 LED를 실현하는 데 있어서 매우 중요하다.
또한, p측 층으로의 전자 누설은, 주입 전류 밀도의 증가에 수반하여 발생하는, 발광층 영역에서의 캐리어 밀도의 증대에 의해, 박차를 가하여 증가한다. 자외 LD의 주입 전류 밀도는 자외 LED의 경우의 10-100배 정도로 되기 때문에, 전자 주입 효율은 더욱 낮아져, 전류 밀도가 발진 임계값에 도달하지 않은 사이에 과열에 의해 파괴된다고 생각된다. 또한 발진하였다고 해도, 고출력을 얻는 것이 불가능하다. MQB는 상술한 바와 같이, 높은 전자 블록 높이를 실현하는 것이 특징이기 때문에, 캐리어 밀도의 증대에 의한 높은 에너지의 전자를 반사하는 것에 큰 효과를 발휘하여, 자외 LD의 발진과 고효율화에 크게 기여할 수 있다고 생각된다. 또한, 고주입 전류 시에 높은 전자 주입 효율이 얻어지기 때문에, 자외 LED에서 드룹이 적은 동작이 가능하여, 고출력 시에도 효율이 감소하지 않는 안정된 자외 LED를 제공할 수 있다.
또한, 최근 상품화가 진행되고 있는 백색 램프용의 청색 LED에서는, 저전류 동작 시에는 매우 높은 외부 양자 효율(EQE)이 얻어지는 것, 고출력 동작 시의 EQE가 저하되는 드룹이 큰 문제로 되고 있다. 드룹의 발생에 관해서는, 자외 LED의 경우와 마찬가지로, 고전류 주입 시의 전자의 누설에 의한 전자 주입 효율의 저하가 하나의 요인이라고 생각된다. 드룹을 개선하기 위해서는 충분히 전자 배리어 높이가 높은 전자 블록층을 도입하는 것이 중요하다. 따라서, 높은 Al 조성(20-50％)의 AlGaN 전자 블록층을 삽입하는 것이 해결책으로서 생각된다. 그러나, 저저항의 p형층 전도와 왜곡의 매니지먼트를 고려하면, 그와 같은 높은 Al 조성의 AlGaN 전자 블록층을 청색 LED에 이용한 경우, 오히려 디바이스 효율을 저하시켜 바람직하지 않다. 한편, MQB를 이용하면, 10％ 이하의 낮은 Al 조성의 배리어층을 이용해도 그 수배의 실효적 전자 블록 높이를 실현할 수 있어, 저Al 조성으로 최대한의 효과를 끌어낼 수 있다. 따라서, 저저항의 p형층 전도와 각 층의 저왜곡을 실현하면서 드룹을 개선할 수 있다. 이와 같이 MQB의 이용에 의해, 고전류 주입 시의 효율을 개선하여, 청색 LED의 안정된 고출력 동작이 가능하게 되어, 중요성이 높다. MQB의 효과는, 마찬가지로, 근자외, 녹색 발광 소자에서도 매우 유용하다고 생각되어, 파장 220-550㎚의 넓은 파장 범위의 질화물 발광 소자의 고효율화에 있어서 대단히 중요성이 높다.
도 4는 다중 양자 장벽을 이용한 AlGaN 양자 웰 자외 LED(파장 250-262㎚)의 실온 동작 발광 특성을 도시하는 도면이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 250㎚와 262㎚에서, 모두, 깨끗한 싱글 피크가 나타나고 있어, 불순물 등에 기인하는 그 밖의 발광은 1/100 정도로 작은 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태에 의한 심자외 발광 소자에서는, 발광 소자로서 뛰어난 특성이 얻어지는 것을 알 수 있다.
도 5는 다중 양자 장벽을 이용한 전자 블록층에 의한 AlGaN 양자 웰 자외 LED의 효율 향상을 파장 250㎚에서 나타낸 예이다. 비교로서, 단일 전자 블록층(EBL)을 이용한 것의 특성을 나타낸다. 종축은, 도 5의 (a)가 자외광 출력, 도 5의 (b)가 EQE(외부 양자 효율)이다. 이와 같이, 이 도면에서는, 250㎚ AlGaN형 LED에서, 약 4배의 외부 양자 효율의 향상을 실현할 수 있다.
도 6은 다중 양자 장벽을 이용한 262㎚ AlGaN 자외 LED의 동작 특성을 도시하는 도면이다. 도 6에 도시한 바와 같이, EQE로서 1.54％, 출력 전력으로서 10.4㎽의 양호한 특성을 얻을 수 있었다.
표 2는 현단계에서 얻어지고 있는 250-260㎚ 부근 파장 AlGaN 양자 웰 자외 LED의 EQE와 출력에 대하여 정리한 것이다. AlGaN 각 층의 Al 조성도 동시에 나타냈다.
파장 249㎚에서는, EQE의 최대값이 1.5％, 최고 출력이 8.7㎽ 얻어지고 있다. 또한, 파장 262㎚에서는, EQE의 최대값이 1.54％, 최고 출력이 10.4㎽ 얻어지고 있다. 또한, 250㎚에서 15.0㎽ 연속 출력이 얻어지고 있다. 이들 값은, 모두 현시점에서의 톱 데이터이다.
살균 용도로서 자외 LED를 이용한 경우, 연속 10㎽ 출력은, 20㎝ 떨어진 거리로부터 조사한 경우, 약 1분에 박테리아를 99％ 이상 살균할 수 있는 강도이다. 따라서, 가정용 등의 살균 용도로서 이용하는 경우의 실용화에의 하나의 출력의 기준으로 되는 출력이다. MQB를 이용한 AlGaN계 자외 LED에서는 상기와 같이 그것을 크게 상회하여, 실용 레벨 출력을 달성하고 있다.
도 7은 다중 양자 장벽(MQB) 전자 블록층을 이용한 것에 의한, 외부 양자 효과 향상의 효과(파장 의존성)를 도시하는 도면이다. 단일 장벽에 의한 전자 블록층을 이용한 경우에 비해, 다중 양자 장벽에 의한 전자 블록층을 이용하면, 큰 외부 양자 효율이 얻어지는 것을 알 수 있다. 실온에서도 큰 값이 얻어진다. 여기서는, 250㎚ 내지 260㎚대에서 현저한 효과가 얻어지고 있다. MQB를 이용한 AlGaN 양자 웰 LED의 EQE의 최고치(249㎚에서 1.5％)는, 종래의 SQB를 이용한 0.4％에 대하여 약 4배의 개선이 보였다. 또한 최고 출력(250㎚에서 15.0㎽)은, 250㎚에서는 종래의 SQB를 이용한 경우의 2.2㎽에 대하여, 약 7배의 출력이 얻어졌다. MQB 구조의 최적화에 의해, 한층 더한 효율ㆍ출력 향상이 가능하다. 또한, 220㎚ 내지 390㎚의 넓은 자외 영역에서 마찬가지의 효과가 얻어진다.
얻어진 자외 AlGaN 양자 웰 LED의 외부 양자 효율에 관하여 그 내역을 논의한다.
[수학식 1]
Figure 112014038369468-pat00003
여기서, ηext는 외부 양자 효율(EQE), ηint는 내부 양자 효율(IQE), ηext는 광 취출 효율(LEE), ηinj는 전자 주입 효율(EIE)이다.
MQB를 갖는 250㎚대의 AlGaN 양자 웰 LED(최고 EQE : 1.5％)에 대하여 그 내역을 추측한다. IQE는 동일 구조의 샘플의 포토루미네센스(PL) 발광의 온도 의존성으로부터, 30％ 정도로 어림된다. 또한, LEE는 소자의 구조로부터 계산하여 6％ 정도로 어림된다. 외부 양자 효율을 IQE, LEE로 나눔으로써, 전자 주입 효율(EIE)은 83％로 추측된다. 한편, 싱글 전자 블록층을 갖는 동일 LED에서는 EQE가 0.4％이고, IQE, LEE는 거의 동일 레벨이기 때문에, EIE는 22％로 추측된다. 따라서, MQB 도입에 의해 전자 주입 효율은 22％로부터 83％ 정도로 증가하고 있고, 그 효과는 지대하다. 본 결과로부터, p형 AlGaN의 낮은 홀 농도에 기인하는 전자 주입 효율 저하의 문제는, MQB 도입에 의해 거의 해결되는 것을 알 수 있다.
실시예
이하에, MQB의 구조에 의존하는 전자의 반사율(1-전자의 투과율), 즉 전자 블록층에 의해 전자 블록 효과의, MQB의 구조 의존성에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 MQB를 이용한 MQW형 LED의 일 구성예를 도시하는 에너지 밴드 구조이며, A면 상에 성장한 극성이 없는 LED의 전도대의 단을 도시하는 도면이다. 도 8의 (a)에 도시한 구조에서는, Al 조성이, 웰/장벽/MQB에서 각각, 50％/70％/95％의 경우이고(배리어 높이가 높은 경우), 도 8의 (b)에 도시한 구조에서는, Al 조성이, 웰/장벽/MQB에서 각각, 75％/85％/95％의(배리어 높이가 낮은 경우) 경우의 예이다. 도 8, 도 9 모두, 전극간에 전압을 인가한 동작 상태에서의 에너지 밴드도를 도시하는 것이다. MQB에서 반사된 전자는, MQW 안에 떨어져 발광 효율을 향상시킨다.
극성이 없는 경우의 LED의 동작 시의 밴드 프로파일은, 전자ㆍ홀을 수송하기 위해서 약간 기울기는 있지만, 도 8의 (a) 등에 도시한 바와 같이 거의 평평한 밴드 구조로 치환하여 생각해도, MQB의 효과를 일반적으로 설명하는 데 있어서 지장이 없다. 도 8의 (a)는 270㎚대 AlGaN 양자 웰 LED를 상정한 것이며, MQB의 배리어 높이가 0.6eV 정도로 큰 경우를 가정하고 있다. 한편, 도 8의 (b)는 230㎚대AlGaN 양자 웰 LED를 상정하고 있고, MQB의 배리어 높이가 0.3eV 정도로 비교적 작은 경우를 가정하고 있다.
도 9의 (c) 및 (d)는 도 8의 (a) 및 (b)와 마찬가지의 LED층 구조나, C면 상에 결정 성장한 강한 극성이 있는 경우의 예이다. 질화물 반도체에서는, 우르트 광 구조(육방정)의 결정 구조가 일반적으로 이용되고, 결정 성장에 있어서 고품질 결정이 얻어지기 쉬운 C면 상에의 성장이 자주 이용된다. 특히 AlGaN의 결정 성장에서, 비극성면(A면, 혹은 M면)의 성장은, 평탄성을 얻는 것이 매우 어렵기 때문에, 비극성면에서는 양질의 AlGaN 양자 웰은 아직 실현되어 있지 않아, 고효율 자외 발광은 얻어져 있지 않다. 따라서, C면 상에 성장한 경우의 검토가 중요하다. 또한, 질화물 반도체에서는, A면, M면은 잘 알려진 극성면이다.
도 9의 (c), (d)에 도시한 바와 같이, AlGaN계 헤테로 구조에서는 매우 큰 자연 분극, 피에조 전극이 자동으로 인가되어, 밴드 구조의 해석은 대단히 복잡하다. 도 9의 (c) 및 (d)의 각 층의 기울기는, 각 층의 결정이 n형 AlGaN 버퍼층에 격자 매칭되어 있다고 가정하고, 각 층의 Al 조성에서의 자연 분극과 피에조 분극의 크기를, 보고되어 있는 값으로부터 구하고, 또한, LED 동작 시의 전자, 홀의 페르미 준위의 기울기를 고려하여 그린 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, AlGaN 배리어와 웰의 Al 조성의 차가 클수록, 피에조 분극이 커서 각 층의 밴드 기울기가 커지는 것을 알 수 있다. 270㎚ AlGaN 양자 웰 LED를 상정한 경우에서는, MQB 전자 블록층의 배리어 및 밸리 영역에서 큰 피에조 분극이 발생하고, 또한 그것에 의해 각 배리어층의 에너지 위치가 어긋나서 배치되기 때문에, MQB의 전자 반사 효과를 예측하기 어렵다. 또한, 양자 웰의 밴드 기울기가 특히 커서, 전자 가둠이 약해지는 것에 의한 전자의 누설, 발광 준위의 전자ㆍ홀 파동 함수의 겹침 적분값의 저하에 의한 발광 효율의 저감 등도 예측된다. 이와 같이, 극성의 영향이 밴드 구조에 미치는 영향은 큰 것을 알 수 있다. 도 9의 (d)는 230㎚대 LED를 동정하고, MQB를 구성하는 AlGaN의 배리어 조성과 밸리 조성차가 10％로 작은 경우의 밴드 프로파일이다. 도 9의 (c)에 비해 분극에 의한 밴드 기울기가 절반 정도로 작지만, 아직 MQB 효과나 양자 웰 가둠에 대한 영향은 크다.
도 10a의 (a)부터 (d), 도 10b의 (e)부터 (h)까지는, 도 8의 (a)에 대응하는 약간 높은 배리어의 A면 상에 성장한 극성이 없는 LED에서, 2ML(모노레이어)로부터 15ML까지의 웰 두께/배리어 두께의 경우와, 20㎚의 싱글 배리어의 경우의 전자의 투과율의 에너지 의존성을 도시하는 도면이다.
싱글 배리어를 도시하는 도 10b의 (h)를 보면 알 수 있는 바와 같이, 싱글 배리어의 경우에는 밴드 엣지보다 높은 영역에는 거의 반사 에너지대가 형성되어 있지 않다. 싱글 배리어의 두께를 좀더 두껍게 한 경우(예를 들면 50㎚)라도, 그 특정은 변하지 않고, 양자역학적인 반사율은, 밴드 엣지 이상의 에너지에서 개선되지 않는다. 현재 이용되고 있는 싱글 전자 블록층의 도입에서, 그 두께를 증가시키면 전자 블록 효과가 커지는 현상은, 전자의 확산과 드리프트가 두꺼운 전자 블록층에서 감소하고, 그것에 의해 p측 층으로의 누설을 억제하는 효과이며, 양자역학적인 효과가 아니다. MQB에서는 양자역학적인 전자의 다중 반사 효과를 이용하는 것을 특징으로 하고 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 장벽과 웰의 주기가 짧아지면 짧아질수록, 양자역학적인 효과에 의해, 높은 에너지대에 전자의 반사 영역이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 약간 두꺼운 배리어(예를 들면 7ML 이상의 경우)를 이용한 경우는, 복수의 반사 밴드대가 발생한다. 그 결과 반사 에너지대는, 예를 들면 2ML, 3ML, 4ML, 5ML, 7ML, 10ML, 15ML의 배리어/밸리 MQB에서, 1.7-2.2eV, 0.8-1.2eV, 0.55-0.9eV, 0.35-0.75eV, 0.65eV 이하와 0.8-1.0eV, 0.75eV 이하, 0.7eV 이하로 된다. 장벽층과 웰의 주기가 짧은 경우는, 반사 밴드보다도 낮은 에너지대에 투과율이 높은 투과 밴드대가 형성된다. 투과 밴드대는, 예를 들면 3ML, 4ML, 5ML, 7ML의 배리어/밸리 MQB에서는, 0.3-1.7eV, 0.3-0.85eV, 0.25-0.55eV, 0.25-0.35eV, 0.65-0.8eV로 형성된다. 따라서 이 상태 그대로의 구조에서는 사용하기 어려운 것을 알 수 있다. 실제로 이용하는 구조에서는, 전자의 투과대를 발생시키지 않도록 하는 것이 중요하여, 복수의 주기의 장벽/웰을 조합하여 구성할 필요가 있다.
질화물 반도체의 MQB의 큰 특징은, 효과가 기대되는 배리어의 두께가 2ML∼10ML 등으로 매우 얇은 것이다. 이것은 InP계나 GaAs계 등 종래의 반도체와의 큰 차이이고, 그 막 두께는 5배 정도 얇다. 이것은 전자의 유효 질량이 InP계 반도체 등에 비해 1/5 정도로 작은 것에 기인하고 있다(전자의 유효 질량 : 0.04(InP), 0.2(GaN)).
얇은 배리어 주기에서 높은 반사 효과가 얻어지기 때문에, 매질에서의 전자의 코히어런스 길이 이내의 영역에서 MQB 효과를 충분히 얻는 것이 가능하다. 이것은 AlN-GaN계 재료를 이용하는 하나의 큰 메리트이다. 이것은, 코히어런스가 얻어지지 않는 영역에서는 양자역학적인 전자의 반사 효과가 반감되게 되기 때문에 중요한 사항이다.
한편, 질화물 반도체 MQB에서는 수모노레이어 주기의 구조를 만들 필요가 있어, 원자층 1층의 제도에서 행해지는 매우 치밀한 결정 성장법이 필요하다. MOCVD를 이용한 AlGaN 성장에서, 발명자들은 이미 5ML(1.3㎚ 막 두께)의 다중 양자 웰을 이용하고 있고, TEM(투과 전자 현미경)을 이용한 평가에 의해, 원자 1층의 정밀도로 헤테로 계면의 조성의 절환이 되어 있는 것을 확인하고 있다. 또한, 3ML 두께 양자 웰에서의 발광도 관측하고 있다. 따라서, 2ML∼10ML의 MQB 배리어층의 막 두께의 제어는, 현상 기술을 이용하여 가능하다고 생각된다.
[실시예 1]
도 11의 (a), (b)는 도 10의 결과에 기초하여, 단일 배리어와 MQB를 이용한 경우의, 전자의 투과율의 에너지 의존성을 도시하는 도면이다. 배리어의 밴드단의 에너지보다도 가능한 한 높은 에너지에 걸쳐 높은 전자 반사가 얻어지도록, 몇 개의 배리어 주기를 조합하여 이용하고 있다. 도 11의 (a)는 MQW측으로부터 순서대로, 배리어의 주기가 순서대로 커져 가는 구조예를 나타내는 MQB를 도시하는 도면이고, 도 11의 (b)는 주기의 순서가 그 반대인 예를 도시하는 도면이다. 어느 경우에서도, 도 10에 도시한 예에 비해 전자의 투과율의 에너지 의존은 넓은 범위에 걸쳐 낮게 되어 있어, 전자 블록층으로서의 유용성이 높은 것을 알 수 있다. 실효적인 배리어 높이는, 싱글 배리어 시에 비해 약 3.5배 높게 되어 있다.
또한, 도 11의 (a), (b)를 비교하면, 양자역학적 해석에서, 주기의 순번에 관한 의존성은 없는 것을 알 수 있다. 그러나 실제의 동작에서는, 전자의 코히어런스 길이 이상의 거리의 구조에서는 전자 반사 효과가 감소하여, 효과에 차가 생길 가능성이 있다. 반도체 중의 코히어런스 길이를 고려하면, MQB 영역의 토탈 막 두께(총 두께)가 ∼40㎚ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 보다 낮은 에너지 영역에서 전자 농도가 높기 때문에, 낮은 에너지의 전자를 우선 블록하고, 그 후 높은 에너지의 전자를 블록하는 방식이 합리적이다. 따라서, 도 11의 (b)에 도시한 바와 같이, 양자 웰에 인접하여 주기가 큰 것으로부터 작은 것으로 변화시킨 MQB쪽이 일반적으로는 효과가 얻어지기 쉽다고 생각된다.
도 12는, A면 상에 성장한 극성이 없는 MQB의 경우에서의, 전자의 투과율의 에너지 의존에 관한, 주기를 상이하게 한 MQB층의 총 두께 의존성을 도시하는 도면이다. 총 두께가 클수록, 전자는 높은 에너지값까지 반사되는 것을 알 수 있다. 이것은, 많은 종류의 MQB를 가질수록, 전자의 반사가 많은 에너지 범위에서 생기기 때문에, 전자의 반사의 효과가 높아지는 것을 알 수 있다. 도면으로부터, MQB의 총 두께를 20㎚로 작게 한 경우라도, MQB에 의한 실효적 배리어 높이는, 싱글 배리어의 2배 정도 얻어지고 있어, 얇은 총 두께의 MQB에서도 큰 반사 효과가 얻어지는 것을 알 수 있다.
도 13a의 (a)부터 도 13b의 (h)까지는, 도 8의 (a)에 대응하는 약간 낮은 배리어의 A면 상에 성장한 극성이 없는 MQB의 경우에서의, 전자의 투과율의 에너지 의존성을 도시하는 도면이다. 이 경우에는, 약간 높은 배리어(도 11)를 이용하였을 때, 주기와 반사 에너지대의 관계는 거의 마찬가지이지만, 반사 에너지대가 좁아진다. 또한, 전자의 반사율은 낮아진다. 따라서, 낮은 배리어의 MQB를 이용한 경우, 배리어의 주기수를 증가시키는 등의 설계가 필요로 된다.
도 14는 A면 상에 성장한 극성이 없는 MQB(낮은 배리어; 도 13)의 경우에서의, 전자의 투과율의 에너지 의존에 관한, 주기를 상이하게 한 MQB층의 총 두께 의존성을 도시하는 도면이다. 총 두께가 클수록, 전자는 높은 에너지값까지 반사되는 것을 알 수 있다. 단, 도 12의 경우와 비교하면, 낮은 에너지까지밖에 전자를 반사시킬 수 없다. 도 14의 (b), 도 14의 (c)에 도시한 바와 같이, 층의 총 두께가 클수록, 높은 에너지까지 전자를 반사시킬 수 있고, 예를 들면 총 두께 60㎚ 정도의 경우는 실효적 배리어 높이는 3배, 총 두께 25㎚ 정도의 경우는 약 2배가 얻어지고 있다. 25㎚의 총 두께에서도 충분한 실효적 높이가 얻어지기 때문에, Al 조성차에서 10％ 정도의 낮은 배리어 높이를 이용한 경우라도 큰 MQB 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다.
실제의 MQB 설계에서, 넓은 에너지대에서 투과대를 형성하지 않고, 높은 반사율을 실현하는 설계는 약간 복잡하다. 따라서, 어느 주기의 배리어를 몇 층씩 조합하면 되는지, 그 지침을 나타낼 필요가 있다.
도 15의 (a), (b)는 배리어가 높을 때와 배리어가 낮을 때에 있어서의, A면 상에 성장(극성 없음)한 경우에서의, 주기별의 에너지의 전자 투과율 의존성을 도시하는 도면이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 배리어가 높을수록, 넓은 에너지 범위에서 전자를 반사할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 주기가 짧을수록 전자의 투과율이 높아지고, 즉, 주기가 길수록 전자를 블록할 수 있는 것을 알 수 있다. 컬러 도면을 참조하면, 보다 잘 특성을 이해할 수 있다.
도 16은 본 실시예에 의한 배리어 높이를 파라미터로 한 MQB의 주기와 전자의 투과율의 관계를 도시하는 도면이다. 도 16에 도시한 바와 같이, 높은 배리어와 낮은 배리어로, 3ML/3ML의 주기로 MQB를 작성한 경우에서의, 투과율의 MQB의 주기의 의존성을 도시하는 도면이다. 도면에 도시한 바와 같이, MQB의 주기수가 많을수록, 전자의 투과율이 낮아진다. 또한, 배리어 높이가 높을수록, 동일한 주기수라도 전자의 투과율이 낮아지는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 배리어 높이가 높을수록, MQB의 주기가 길수록, 전자의 블록 효과가 향상되는 것을 알 수 있다.
실제의 MQB에서는 주기가 상이한 배리어층을 복수 조합하여 구성한다. MQB 전체의 반사율은, 각 부분의 배리어의 반사율의 서로 더함에 의해 거의 정해지는 것이 해석으로부터 명확하다. 따라서, 각 주기의 배리어에서, 고반사가 얻어지는 반사 에너지대와 기준으로 되는 주기수를 알고 있으면 설계를 간략하게 행할 수 있다. 표 3에 반사가 얻어지는 반사 에너지대와 기준으로 되는 배리어 주기수의 수치를 정리한다.
[표 3a]
Figure 112014038369468-pat00004
[표 3b]
Figure 112014038369468-pat00005
고반사가 얻어지는 주기의 기준으로서, 반사율 90-99％가 얻어지는 주기수를 나타냈다. 또한, 표 3a는 배리어 높이가 0.6eV 정도로 높을 때(배리어/밸리의 AlGaN의 Al 조성이 95％/70％일 때), 표 3b는 배리어 높이가 0.3eV 정도로 낮을 때(배리어/밸리의 AlGaN의 Al 조성이 95％/85％일 때)를 가정하였다. 실제의 설계에서는 표 3a, b에 나타낸 주기수의 배리어를 반사 에너지대에 구멍이 뚫리지 않도록 복수 조합하여, 총 두께 30-50㎚ 정도로 되도록 설계하면 된다고 생각된다.
[실시예 2]
이하에서는, C면 상에 성장한 극성이 있는 결정의 경우의 특성에 대하여 설명한다. 도 17a부터 도 20까지는, 상기 제1 실시 형태와 거의 동일하지만, A면이 아니라 C면에 성장한 MQB의 경우의 특성을 도시하는 도면이다. 극성이 있는 경우의 MQB 효과의 경향은, 극성이 없는 경우의 효과와 기본적으로 마찬가지이지만, 밴드의 기울기의 영향에 의해 반사율에 변동이 발생하는 등 약간 복잡하다. 극성이 있는 경우의 특징에 대하여 이하에 기술한다.
극성이 있는 경우에는, 싱글 배리어의 경우라도 배리어의 에너지가 톱날 형상으로 되기 때문에, 극성이 없을 때에 비해 원래 높은 전자 배리어를 형성하고 있다. 따라서, MQB에 의한 실효적 배리어 높이의 증가분은, 극성이 없을 때와 비교하면 작아진다.
MQB 배리어의 형상을 톱날 형상으로 융기시켜, 가능한 한 높이가 있는 배리어로 하기 위해서, 배리어/밸리의 막 두께의 비를 크게 취하는 것이 바람직하다. 즉 배리어/밸리 두께를 동일하게 하는 것이 아니라, 3/2ML, 5/2ML, 10/2ML, 15/2ML 등으로 함으로써, 배리어의 정점부를 높게 형성할 수 있다. 마찬가지로, MQB 배리어의 형상을 톱날 형상으로 융기시키기 위해서는, 두꺼운 배리어부터 순서대로 배열하는 것이 중요하다.
도 17에 도시한 바와 같이, 단일 배리어의 경우와 비교하여, MQB를 이용한 경우에는, 동일한 높이ㆍ두께이어도, 전자를 블록하는 효과가 높은 것을 알 수 있다. 극성에 의해 각 배리어층의 에너지 높이가 상이하기 때문에, 무극성일 때와 비교하면, 반사대의 에너지 분포가 브로드하고 반사율도 약간 낮다.
도 18에서는 배리어가 높을 때에 관하여 MQB 효과의 MQB 총 두께 의존성을 도시하였다. MQB 총 두께 45㎚에서 실효적 배리어 높이는 단일 배리어에 비해 약 2배, MQB 총 두께 30㎚일 때에는 약 1.5배가 얻어져, 통상의 C면 상에서 극성 있음의 경우라도 큰 실효적 배리어 높이를 확보할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 19는 마찬가지로 배리어가 낮을 때의 반사율의 해석예이다. 분극의 영향은, Al 조성비가 큰 경우에 비해 감소하고 있지만, 분극에 의한 반사율의 브로드닝 효과는 여전히 무시할 수 없다. 도 20에서는 배리어가 낮을 때에 관하여 MQB 효과의 MQB 총 두께 의존성을 나타냈다. MQB 총 두께 40㎚일 때 실효적 배리어 높이는 단일 배리어에 비해 약 1.3배, MQB 총 두께 55㎚일 때에는 약 1.5배가 얻어져, MQB의 전체의 두께가 작을 때라도, 클 때라도, 전자의 블록 효과는 단일 배리어의 경우에 비해 양호한 것을 알 수 있다.
이들 결과로부터, C면 상에 성장한 극성이 있는 결정의 경우라도, 극성이 없는 경우와 마찬가지의 실효적 배리어 높이의 큰 증가가 얻어지는 것을 알 수 있다.
또한, 상기에서는, 자외 발광 소자를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명에 의한 다중 양자 장벽 구조는, 그 밖의 발광 파장을 갖는 질화물 반도체 발광 소자에도 이용 가능하다.
(근자외, 자, 청, 녹의 드룹 개선, LD 효율 개선)
즉, 최근 상품화가 진행되고 있는 백색 램프용의 청색 LED에서는, 저전류 동작 시에는 매우 높은 외부 양자 효율(EQE)이 얻어지는 것, 고출력 동작 시의 EQE가 저하되는 드룹이 큰 문제로 되고 있다. 드룹의 발생에 관해서는, 자외 LED의 경우와 마찬가지로, 고전류 주입 시의 전자의 누설에 의한 전자 주입 효율의 저하가 하나의 요인이라고 생각된다. 드룹을 개선하기 위해서는 충분히 전자 배리어 높이가 높은 전자 블록층을 도입하는 것이 중요하다. 따라서, 높은 Al 조성(20-50％)의 AlGaN 전자 블록층을 삽입하는 것이 해결책으로서 생각된다. 그러나, 저저항의 p형층 전도와 왜곡의 매니지먼트를 고려하면, 그와 같은 높은 Al 조성의 AlGaN 전자 블록층을 청색 LED에 이용한 경우, 오히려 디바이스 효율을 저하시켜 바람직하지 않다. 한편, MQB를 이용하면, 10％ 이하의 낮은 Al 조성의 배리어층을 이용해도 그 수배의 실효적 전자 블록 높이를 실현할 수 있어, 저Al 조성으로 최대한의 효과를 끌어낼 수 있다. 따라서, 저저항의 p형층 전도와 각 층의 저왜곡을 실현하면서 드룹을 개선할 수 있다. 이와 같이 MQB의 이용에 의해, 고전류 주입 시의 효율을 개선하여, 청색 LED의 안정된 고출력 동작이 가능하게 되어, 중요성이 높다. MQB의 효과는, 마찬가지로, 근자외, 녹색 발광 소자에서도 대단히 유용하다고 생각되며, 파장 220-550㎚의 넓은 파장 범위의 질화물 발광 소자의 고효율화에 있어서 대단히 중요하다.
(정리)
MQB를 이용하면, 단일 배리어의 경우에 비해, 전자의 블록 효과가 높아지는 것을 알 수 있다.
또한, A면에 성장한 경우에서도, C면 상에 성장한 극성이 있는 결정의 경우에서도, 배리어 높이가 높을수록, MQB의 주기가 길수록, 전자의 블록 효과가 좋아지는 것을 알 수 있다.
또한, MQB를 이용하고, 그 주기를 순서대로 변화시킴으로써, 넓은 에너지 범위에 걸쳐, 전자를 블록할 수 있어, 동일한 주기의 MQB에 비해 보다 전자 블록 효과가 현저한 것을 알 수 있다.
(발명의 효과)
본 실시 형태에서는, 이하의 효과가 얻어진다.
1) 자외 LED의 전자 주입 효율 향상
2) 자외 LED의 드룹 개선
3) 자외 LD 발진
4) 근자외, 자, 청, 녹의 드룹 개선, LD 효율 개선
보다 상세하게는, 이하와 같다.
(자외 LED의 전자 주입 효율 향상)
지금까지의 발명자들의 연구에서, 전자 블록층에 가장 배리어 높이가 높은 AlN 혹은 Al 조성 95％의 AlGaN을 이용한 경우라도, AlGaN 자외 LED의 전자 주입 효율은 10-30％(240-280㎚대 LED에 대하여)로 낮아, 자외 LED 고효율화의 큰 방해로 되었다. 또한, 이 낮은 전자 주입 효율은, p형 AlGaN의 낮은 홀 농도에 기인하는 것이기 때문에, 해결할 수 없는 것으로 여겨져 왔다. 본 특허 제안의 설계 지침에 의해 형성된 MQB를 이용하면, 상기 문제는 근본적으로 해결된다고 생각되며, MQB 효과는, AlGaN계 고효율 자외 LED를 실현하는 데 있어서 매우 중요하다.
(자외 LD 실현)
또한, p측 층으로의 전자 누설은, 주입 전류 밀도의 증가에 수반하여 일어나는, 발광층 영역에서의 캐리어 밀도의 증대에 의해, 박차를 가하여 증가한다. 자외 LD의 주입 전류 밀도는 자외 LED의 경우의 10-100배 정도로 되기 때문에, 전자 주입 효율은 더욱 낮아져, 전류 밀도가 발진 임계값에 도달하지 않은 사이에 과열에 의해 파괴된다고 생각된다. 또한 발진하였다고 해도, 고출력을 얻는 것이 불가능하다. MQB는 상술한 바와 같이, 높은 전자 블록 높이를 실현하는 것이 특징이기 때문에, 캐리어 밀도의 증대에 의한 높은 에너지의 전자를 반사하는 것에 큰 효과를 발휘하여, 자외 LD의 발진과 고효율화에 크게 기여할 수 있다고 생각된다.
(자외 LED의 드룹 개선)
또한, 고주입 전류 시에 높은 전자 주입 효율이 얻어지기 때문에, 자외 LED에서 드룹이 적은 동작이 가능하여, 고출력 시에도 효율이 감소하지 않는 안정된 자외 LED를 제공할 수 있다.
(근자외, 자, 청, 녹의 드룹 개선, LD 효율 개선)
또한, 최근 상품화가 진행되고 있는 백색 램프용의 청색 LED에서는, 저전류 동작 시에는 매우 높은 외부 양자 효율(EQE)이 얻어지는 것, 고출력 동작 시의 EQE가 저하되는 드룹이 큰 문제가 되고 있다. 드룹의 발생에 관해서는, 자외 LED의 경우와 마찬가지로, 고전류 주입 시의 전자의 누설에 의한 전자 주입 효율의 저하가 하나의 요인이라고 생각된다. 드룹을 개선하기 위해서는 충분히 전자 배리어 높이가 높은 전자 블록층을 도입하는 것이 중요하다. 따라서, 높은 Al 조성(20-50％)의 AlGaN 전자 블록층을 삽입하는 것이 해결책으로서 생각된다. 그러나, 저저항의 p형층 전도와 왜곡의 매니지먼트를 고려하면, 그와 같은 높은 Al 조성의 AlGaN 전자 블록층을 청색 LED에 이용한 경우, 오히려 디바이스 효율을 저하시켜 바람직하지 않다. 한편, MQB를 이용하면, 10％ 이하의 낮은 Al 조성의 배리어층을 이용해도 그 수배의 실효적 전자 블록 높이를 실현할 수 있어, 저Al 조성으로 최대한의 효과를 끌어낼 수 있다. 따라서, 저저항의 p형층 전도와 각 층의 저왜곡을 실현하면서 드룹을 개선할 수 있다. 이와 같이 MQB의 이용에 의해, 고전류 주입 시의 효율을 개선하여, 청색 LED의 안정된 고출력 동작이 가능하게 되어, 중요성이 높다. MQB의 효과는, 마찬가지로, 근자외, 녹색 발광 소자에서도 대단히 유용하다고 생각되어, 파장 220-550㎚의 넓은 파장 범위의 질화물 발광 소자의 고효율화에 있어서 대단히 중요성이 높다.
본 발명은, 질화물 반도체로 구성되는, 자외 LEDㆍLD 및, 근자외, 자, 청, 녹 LEDㆍLD에 이용 가능하다.
본 명세서에서 인용한 모든 간행물, 특허 및 특허 출원을 그대로 참고로서 본 명세서에 포함하는 것으로 한다.
A : 250㎚ 자외 LED
1 : 사파이어 기판
3 : 다중 AlN 버퍼층
5 : n-Al0.77Ga0.23N; Si 버퍼층
7 : Al0.62Ga0.38N(1.5㎚)/Al0.77Ga0.23N(6㎚)의 각각 3층으로 이루어지는 다중 양자 웰 발광층(MQW)
11 : Mg 도프의 p-Al0.77Ga0.23N층
15 : Al0.95Ga0.05N(4㎚)/Al0.77Ga0.23N(2㎚)의 각각 5층으로 이루어지는 다중 양자 장벽 전자 블록층(MQB)
17 : p-Al0.77Ga0.23N층
21 : Mg 도프의 p-GaN 컨택트층
23 : Ni/Au의 n형 전극
25 : Ni/Au의 p형 전극
27 : UV 출력

Claims (10)

  1. 기판에 형성된 AlyGa1-yN(0＜y≤1) 버퍼층과,
    상기 AlyGa1-yN 버퍼층 상에 형성된 n형 Inx0Aly0Ga1-x0-y0N(0≤x0＜0.1, 0＜y0≤1)층과,
    상기 n형 InAlGaN층 상에 형성된 Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1＜0.5, 0＜y1＜1) 양자 웰층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0≤x2＜0.3, y1＜y2≤1) 배리어층을 포함하는 양자 웰 발광층과,
    상기 InAlGaN 양자 웰 발광층 상에 형성된 p형 Inx3Aly3Ga1-x3-y3N(0≤x3＜0.1, 0＜y3≤1)층과,
    상기 p형 InAlGaN층 상에 형성된 다중 양자 장벽 전자 블록층
    을 구비한 질화물 반도체 발광 소자로서,
    상기 다중 양자 장벽 전자 블록층으로서,
    Inx4Aly4Ga1-x4-y4N(0≤x4＜0.1, 0＜y4≤1) 배리어층과 Inx5Aly5Ga1-x5-y5N(0≤x5＜0.3, 0＜y5＜y4) 밸리층의 쌍의 층을, 동일 주기 또는, 제1 주기 및 상기 제1 주기와는 상이한 제2 주기로 반복 적층한 다중 양자 장벽 전자 블록층을 가지고,
    상기 다중 양자 장벽 전자 블록층은 기초가 되는 결정의 극성면인 C면 상에 설치되고, 전자에 대한 포텐셜 에너지가 두께 방향으로 요철을 가지면서 경사져 있고,
    파장 220 내지 280nm 중 하나의 파장에서 발광하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양자 웰 발광층측으로부터 상기 다중 양자 장벽 전자 블록층측을 향하여, 상기 주기가 순차적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다중 양자 장벽 전자 블록층에서 반복 적층되는 상기 쌍의 층의 각각에 있어서의 상기 InAlGaN 배리어 층의 모노레이어를 단위로 하는 두께가, 동일한 쌍에 속하는 상기 InAlGaN 밸리 층보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  4. Ⅲ족 질화물 단결정 상에 형성하는 발광 소자 구조의 성장 방법에 있어서,
    기판 상에 AlyGa1-yN(0＜y≤1) 버퍼층을 성장하는 스텝과,
    상기 AlyGa1-yN 버퍼층 상에 n형 Inx0Aly0Ga1-x0-y0N(0≤x0＜0.1, 0＜y0≤1)층을 성장하는 스텝과,
    상기 n형 InAlGaN층 상에 Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1＜0.5, 0＜y1＜1) 양자 웰층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0≤x2＜0.3, y1＜y2≤1) 배리어층을 포함하는 양자 웰 발광층을 성장하는 스텝과,
    상기 양자 웰 발광층 상에 p형 Inx3Aly3Ga1-x3-y3N(0≤x3＜0.1, 0＜y3≤1)층을 성장하는 스텝과,
    상기 p형 InAlGaN층 상에 Inx4Aly4Ga1-x4-y4N(0≤x4＜0.1, 0＜y4≤1) 배리어층과 Inx5Aly5Ga1-x5-y5N(0≤x5＜0.1, 0＜y5＜y4) 밸리층의 쌍을 반복 적층한 다중 양자 장벽 전자 블록층을 성장하는 스텝을 가지고,
    상기 다중 양자 장벽 전자 블록층은 기초가 되는 결정의 극성면인 C면 상에 설치되고, 전자에 대한 포텐셜 에너지가 두께 방향으로 요철을 가지면서 경사져 있는 것을 특징으로하고,
    파장 220 내지 280nm 중 하나의 파장에서 발광하는 질화물 반도체 발광 소자 구조의 성장 방법.
  5. 기판에 형성된 AlyGa1-yN(0＜y≤1) 버퍼층과,
    상기 AlyGa1-yN 버퍼층 상에 형성된 n형 Inx0Aly0Ga1-x0-y0N(0≤x0＜0.1, 0＜y0≤1)층과,
    상기 n형 InAlGaN층 상에 형성된 Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1＜0.5, 0＜y1＜1) 양자 웰층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0≤x2＜0.3, y1＜y2≤1) 배리어층을 포함하는 양자 웰 발광층과,
    상기 InAlGaN 양자 웰 발광층 상에 형성된 p형 Inx3Aly3Ga1-x3-y3N(0≤x3＜0.1, 0＜y3≤1)층과,
    상기 p형 InAlGaN층 상에 형성된 다중 양자 장벽 전자 블록층
    을 구비한 질화물 반도체 발광 소자로서,
    상기 p형 InAlGaN층 상에 형성된 다중 양자 장벽 전자 블록층은, Inx4Aly4Ga1-x4-y4N(0≤x4＜0.1, 0＜y4≤1) 배리어층과 Inx5Aly5Ga1-x5-y5N(0≤x5＜0.3, 0＜y5＜y4) 밸리층의 쌍의 층이 반복 형성된 것이고,
    제1 쌍의 층과 제2 쌍의 층이, 상기 양자 웰 발광층측의 측으로부터 상기 기판과 반대측을 향해서 이 순서대로 설치되어 있고, 상기 제1 쌍의 층과 상기 제2 쌍의 층 사이에 다른 층 또는 다른 한 쌍인 층이 놓여 있고,
    상기 제1 쌍의 층의 층 두께가 상기 제2 쌍의 층의 층 두께보다 두껍게 되어 있고,
    상기 다중 양자 장벽 전자 블록층은 기초가 되는 결정의 극성면인 C면 상에 설치되고, 전자에 대한 포텐셜 에너지가 두께 방향으로 요철을 가지면서 경사져 있고,
    파장 220 내지 280nm 중 하나의 파장에서 발광하는 질화물 반도체 발광 소자.
  6. 기판에 형성된 AlyGa1-yN(0＜y≤1) 버퍼층과,
    상기 AlyGa1-yN 버퍼층 상에 형성된 n형 Inx0Aly0Ga1-x0-y0N(0≤x0＜0.1, 0＜y0≤1)층과,
    상기 n형 InAlGaN층 상에 형성된 Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1＜0.5, 0＜y1＜1) 양자 웰층과 Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0≤x2＜0.3, y1＜y2≤1) 배리어층을 포함하는 양자 웰 발광층과,
    상기 InAlGaN 양자 웰 발광층 상에 형성된 p형 Inx3Aly3Ga1-x3-y3N(0≤x3＜0.1, 0＜y3≤1)층과,
    상기 p형 InAlGaN층 상에 형성된 다중 양자 장벽 전자 블록층
    을 구비한 질화물 반도체 발광 소자로서,
    상기 p형 InAlGaN층 상에 형성된 다중 양자 장벽 전자 블록층은, Inx4Aly4Ga1-x4-y4N(0≤x4＜0.1, 0＜y4≤1) 배리어층과 Inx5Aly5Ga1-x5-y5N(0≤x5＜0.3, 0＜y5＜y4) 밸리층의 쌍의 층이 반복 형성되고,
    제1 쌍의 층, 제2 쌍의 층 및 제3 쌍의 층이, 상기 양자 웰 발광층측의 측으로부터 상기 기판과 반대측을 향해서 이 순서대로 설치되어 있고,
    상기 제1 쌍의 층, 상기 제2 쌍의 층 및 상기 제3 쌍의 층의 서로간에, 다른 층 또는 다른 쌍의 층이 놓여 있고,
    상기 제1 쌍의 층의 층 두께가 상기 제2 쌍의 층의 층 두께보다 두껍고 상기 제2 쌍의 층의 층 두께가 상기 제3 쌍의 층의 층 두께보다 두껍게 되어 있고,
    상기 다중 양자 장벽 전자 블록층은 기초가 되는 결정의 극성면인 C면 상에 설치되고, 전자에 대한 포텐셜 에너지가 두께 방향으로 요철을 가지면서 경사져 있고,
    파장 220 내지 280nm 중 하나의 파장에서 발광하는 질화물 반도체 발광 소자.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 다중 양자 장벽 전자 블록층에서 반복 적층되는 상기 쌍의 층 각각에 있어서의 상기 InAlGaN 배리어층과 상기 InAlGaN 밸리층이 모노레이어를 단위로 하는 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 다중 양자 장벽 전자 블록층에서 반복 적층되는 상기 쌍의 층의 각각에 있어서의 상기 InAlGaN 배리어 층의 모노레이어를 단위로 하는 두께가, 동일한 쌍에 속하는 상기 InAlGaN 밸리 층보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  10. 제1항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재된 질화물 반도체 발광 소자를 광원으로서 구비하는 전기 기기.
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