KR101781436B1 - 질화물계 반도체 발광소자 - Google Patents

질화물계 반도체 발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로,
본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자는, AlxGa1 - xN(0.01≤x≤0.04)의 조성을 갖는 휨 방지층과, 상기 휨 방지층 상에 형성되며 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조물을 구비한다.

Description

질화물계 반도체 발광소자 {Nitride-Based Semiconductor Light Emitting Device}
본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 풀컬러 디스플레이, 이미지 스캐너, 각종 신호시스템 및 광 통신기기에 광원으로 제공되는 녹색 또는 청색 발광 다이오드(light emitting diode: LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode: LD)에 널리 사용되어 왔다. 이러한 질화물 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합원리를 이용하는 청색 및 녹색을 포함하는 다양한 광의 방출하는 활성층을 갖는 발광소자로서 제공될 수 있다.
이러한 질화물 발광소자가 개발된 후에, 많은 기술적 발전을 이루어져 그 활용 범위가 확대되어 일반 조명 및 전장용 광원으로 많은 연구가 되고 있다. 특히, 종래에는 질화물 발광소자는 주로 저 전류/저 출력의 모바일 제품에 적용되는 부품으로 사용되었으며, 최근에는 점차 그 활용범위가 고 전류/고 출력 분야로 확대되고 있다. 이에 따라, 반도체 발광소자의 발광 효율과 품질을 개선하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
본 발명의 목적 중 하나는, 휨(bowing) 발생이 억제되고 결정성이 우수한 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적 중 다른 하나는, 광 출력이 향상된 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은,
AlxGa1 - xN(0.01≤x≤0.04)의 조성을 갖는 휨 방지층과, 상기 휨 방지층 상에 형성되며 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조물을 구비하는 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 휨 방지층은 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 0.2 내지 4배의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 휨 방지층은 0.5㎛ 내지 4㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 AlyGa1 -yN(0.01≤x≤0.04, 0≤y<x)의 조성을 가질 수 있다.
이 경우, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 3×1018/㎤ 내지 2×1019/㎤ 농도로 Si 도프될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 휨 방지층은 제1 도전형으로 도프될 수 있다.
이 경우, 상기 휨 방지층은 상기 제1 도전형 질화물 반도체층과 동일한 농도로 도프될 수 있으며,
상기 휨 방지층과 상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 서로 동일한 조성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 휨 방지층은 1×1017/㎤ 이상의 농도로 Si 도프될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 반도체 성장용 기판을 더 포함하며, 상기 휨 방지층, 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층은 상기 반도체 성장용 기판 상에 순차적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반도체 성장용 기판과 상기 휨 방지층 사이에 형성된 언도프 GaN을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 반도체 성장용 기판과 상기 휨 방지층 사이에 형성되며, AlzGawIn1-z-wN(0≤z≤1, 0≤w≤1)으로 이루어진 핵생성층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 활성층 상에 형성되며, AlGaN, GaN, InGaN이 교대로 적층된 초격자 구조를 갖는 전자차단층을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 AlGaN층은 상기 제2 도전형 질화물 반도체층에 가까울수록 작은 두께를 갖고, 상기 GaN층 및 InGaN층은 상기 제2 도전형 질화물 반도체층에 가까울수록 큰 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 형성된 도전성 기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층과 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층은 각각 n형 및 p형 불순물로 도프될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 반도체가 적층된 기판의 휨(bowing) 발생이 억제되어 후속 공정의 진행이 용이하며, 전위 결함의 발생 및 전파가 감소되고 결정성이 우수한 질화물계 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 광 출력이 향상된 질화물계 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 절단 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 절단 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 절단 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 휨 방지층의 (002)면에서의 XRD 반치폭을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 휨 방지층의 두께에 따른 휨 발생 정도를 나타내기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 광출력을 비교하기 위한 그래프이다.
도 9는 AlxGa1 - xN의 조성을 갖는 휨 방지층의 Al 조성범위에 따른 XRD 측정 결과와 휨 정도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 휨 방지층 상면에 형성된 제1 도전형 반도체층의 도핑 농도에 따른 광 출력을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 순방향 바이어스 전압과 광 출력을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 누설 전류를 비교하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자(100)는 AlxGa1-xN(0.01≤x≤0.04)의 조성을 갖는 휨 방지층(20)과, 상기 휨 방지층(20) 상에 형성되며 제1 도전형 질화물 반도체층(30), 활성층(40) 및 제2 도전형 반도체층(50)을 포함하는 발광구조물을 구비할 수 있다.이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 휨 방지층(20), 제1 도전형 질화물 반도체층(30), 활성층(40) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(50)은 기판(10) 상에 순차적으로 적층되는 구조를 가질 수 있으며, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(30, 50) 각각과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(30a, 50a)을 더 포함할 수 있다.
상기 기판(10)은 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등의 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 이 경우, 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a축 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 버퍼층(미도시)은 질화물 등으로 이루어진 언도프 반도체층으로 채용될 수 있으며, 그 위에 성장되는 반도체층의 격자 결함을 완화시킬 수 있다.
본 실시 형태에서, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(30, 50)은 각각 n형 및 p형 반도체층이 될 수 있으며, 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 따라서, 이에 제한되는 것은 아니지만, 본 실시 형태의 경우, 제1 및 제2 도전형은 각각 n형 및 p형을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(30, 50)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 가지며, 예컨대, GaN, AlGaN, InGaN 등의 물질이 이에 해당될 수 있다. 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(30, 50) 사이에 형성되는 활성층(40)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수 있다. 한편, 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(30, 50)과 활성층(40)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 등과 같은 반도체층 성장 공정을 이용하여 형성될 수 있을 것이다.
상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(30, 50) 상에는 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(30, 50) 각각과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(30a, 50a)이 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극(30a)은 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(50), 활성층(40) 및 제1 도전형 질화물 반도체층(30)의 일부가 식각되어 노출된 제1 도전형 질화물 반도체층(30) 상에 형성될 수 있으며, 상기 제2 전극(50a)은, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(50) 상에 형성될 수 있다. 이 경우, 제2 도전형 질화물 반도체층(50)과 제2 전극(50a) 사이의 오믹 컨택 기능을 향상시키기 위하여 ITO, ZnO 등과 같은 투명 전극이 더 구비될 수 있다.
도 1에 도시된 구조의 경우, 제1 및 제2 도전형 전극(30a, 50a)이 동일한 방향을 향하도록 형성되어 있으나, 상기 제1 및 제2 도전형 전극(30a, 50a)의 위치 및 연결 구조는 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있을 것이다. 또한, 본 실시형태에서는 상기 제1 전극(30a)이 제1 도전형 질화물 반도체층(30)의 노출된 영역에 형성되는 것으로 도시되었으나, 이와는 달리, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(50), 활성층(40) 제1 도전형 질화물 반도체층(30) 및 휨 방지층(20)의 일부가 제거되어 노출된 휨 방지층(20) 상에 제1 전극(30a)이 형성될 수도 있을 것이다.
상기 기판(10) 상에 형성된 휨 방지층(20)은 AlxGa1 - xN(0.01≤x≤0.04)의 조성을 가질 수 있다. 상기 휨 방지층(20)은 기판(10) 상에 질화물계 반도체층을 성장시키는 때에 상기 기판(10)과 질화물계 반도체층 사이의 격자상수 차이에 의한 휨(bowing) 발생을 억제하고 그 상면에 형성되는 반도체층의 결정성을 확보할 수 있게 한다. 구체적으로, GaN 박막의 성장을 위해 사용되는 사파이어와 같은 이종 기판은, GaN과의 사이에서 큰 격자 부정합도와 큰 열팽창계수 부정합도를 가지므로, 격자상수 및 열팽창계수 차이에 의한 격자 결함을 발생시키게 되며, 고온에서 이루어지는 반도체 성장 공정에서 열팽창계수 차이에 의해 기판이 휘어지게 되는 문제가 있다. 이종 기판 상에서 성장되는 GaN층에 발생된 격자 결함은 반도체 발광소자의 신뢰성에 큰 영향을 미치며, 기판의 휨으로 인해 후속 공정 진행에 어려움이 발생하게 된다.
그러나, 본 실시형태에 따르면, 질화물계 반도체 발광소자에서 GaN과 기판 사이의 격자상수 차이에 의한 응력을 완화하기 위해 그 사이에 AlGaN층을 도입함으로써 기판의 휨을 방지하고 그 상면에 적층되는 반도체층의 결함 발생을 억제함과 동시에, AlGaN에서의 Al의 비율을 0.01 내지 0.04로 제한함으로써 AlGaN층 성장 시 자유 반응(free reaction)에 의한 결정성 저하 문제를 해결할 수 있다. 이때, AlGaN의 조성을 갖는 휨 방지층(20)의 휨 방지 효과를 충분히 얻기 위하여, 상기 휨 방지층(20)의 두께를 제1 도전형 질화물 반도체층(30)의 0.2 내지 4배로 할 수 있으며, 그 결과, 휨 발생이 완화됨과 동시에 결정성이 확보된 질화물계 반도체 발광소자를 얻을 수 있다. 또한, AlGaN은 GaN보다 큰 에너지 밴드를 가지므로, 본 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자(100)는 UV 영역에서의 광 흡수가 감소되어 휘도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 휨 방지층(20) 상에 형성되는 제1 도전형 질화물 반도체층(30)은, AlxGa1 - xN(0.01≤x≤0.04)의 조성을 갖는 휨 방지층(20)보다 Al의 조성 비율이 낮은 AlyGa1 -yN(0≤y<x)으로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 우수한 결정성을 갖는 질화물계 반도체 발광소자를 제조할 수 있다.
상기 휨 방지층(20)은 제1 도전형 질화물 반도체층(30)의 0.2 내지 4배의 두께를 가질 수 있으며, 예를 들어, 0.5㎛ 내지 4㎛, 보다 구체적으로 1㎛ 내지 3㎛의 두께를 가질 수 있다. 본 실시형태의 경우, 상기 휨 방지층(20)은 언도프되거나 제1 도전형으로 도프될 수 있으며, 낮은 Al 조성 비율로 인해 높은 결정성을 가지므로 제1 도전형으로 도프된 경우에 그 자체로 제1 도전형 질화물 반도체층으로 기능할 수 있다. 즉, 결정성이 좋지 않은 상태에서 1×1017/㎤ 이상으로 고농도 Si 도핑 하는 경우 소자의 누설 전류 특성이 악화되는 문제가 있으나, 본 실시형태의 경우 Al 조성 비율을 낮게 하여 고 결정성을 확보할 수 있으므로, 1×1017/㎤ 이상으로 고농도 도핑함으로써 누설전류 특성 열화 없이 수평 방향으로의 전자 흐름을 극대화 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 절단 단면도이다. 본 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자(101)의 사시도는 도 1과 유사한 형태로 이해할 수 있으며, 도 2는 도 1의 AA'라인을 따라 자른 절단한 단면을 나타낸 것으로 볼 수 있다. 다만, 도 2에 도시된 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자(101)는, 도 1에 도시된 실시형태와는 달리 휨 방지층(21)과 제1 도전형 질화물 반도체층(31)이 서로 동일한 조성과 도핑 농도를 갖도록 형성된 것으로, 구체적으로, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(31)이 AlxGa1-xN(0.01≤x≤0.04)의 조성을 갖고, 상기 휨 방지층(21)은 제1 도전형으로 도프된 형태를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 상기 휨 방지층(21)은 그 자체로 제1 도전형 질화물 반도체층(31)으로 기능할 수 있으므로, 상기 휨 방지층(21)과 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(31)이 동일한 조성 및 동일한 불순물을 포함하도록 형성함으로써, 제조 공정 및 구조를 단순화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 절단 단면도이다. 본 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자(102)는 기판(10), 상기 기판(10) 상에 형성되며, AlxGa1 - xN(0.01≤x≤0.04)의 조성을 갖는 휨 방지층(22), 상기 휨 방지층(22) 상에 형성되는 제1 도전형 질화물 반도체층(32), 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(32) 상에 형성되는 활성층(42) 및 상기 활성층(42) 상에 형성되는 제2 도전형 질화물 반도체층(52)과, 상기 기판(10)과 상기 휨 방지층(22) 사이에 형성되는 언도프 GaN층(60) 및 핵생성층(70)을 더 포함할 수 있다.
상기 언도프 GaN층(60) 및 핵생성층(70)은 전위와 같은 결함의 생성을 최소화하고 결함의 전파를 억제하기 위한 버퍼층으로, 상기 기판(10)과 반도체층 사이에 개재될 수 있다. 상기 핵생성층(70)의 경우, 500℃ 부근의 저온에서 약 20 내지 30nm의 두께를 갖는 AlzGawIn1 -z- wN(0≤z≤1, 0≤w≤1)으로 이루어질 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 상기 기판(10)과 휨 방지층(20) 사이에 언도프 GaN층(60) 및 핵생성층(70)이 순차적으로 형성되는 것으로 도시되었으나, 이와는 달리, 상기 언도프 GaN층(60) 및 핵생성층(70) 중 하나만이 개재되거나, 언도프 GaN층(60) 상에 핵생성층(70)이 형성되는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 절단 단면도이다. 본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(103)는 기판(10), 상기 기판(10) 상에 형성되며, AlxGa1 - xN(0.01≤x≤0.04)의 조성을 갖는 휨 방지층(23), 상기 휨 방지층(23) 상에 형성되는 제1 도전형 질화물 반도체층(33), 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(33) 상에 형성되는 활성층(43) 및 상기 활성층(43) 상에 형성되는 제2 도전형 질화물 반도체층(53)과, 상기 활성층(43) 상부에 형성되는 전자차단층(80)을 더 포함할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 도 1에 도시된 실시형태와는 달리, 상기 활성층(43)상에 형성된 전자차단층(80)을 더 포함하며, 상기 전자차단층(80)은 상기 활성층(43)을 통과한 전자를 차단할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(33, 53)을 각각 n형 및 p형 반도체층이라 할 때, 상기 활성층(43)에서는 n형 반도체층(33)에서 생성된 전자(electron)와 p형 반도체층(53)에서 생성된 정공(hole)의 재결합에 의해 빛을 방출하며, 따라서, 활성층(43) 내에서 전자와 정공의 재결합 효율이 높을수록 발광 효율이 증가한다. 본 실시형태의 경우, 상기 전자차단층(80)이 상기 활성층(43) 상부에 배치되어 상기 n형 반도체층(33)으로부터 활성층(43)을 통과하는 전자의 흐름을 차단하므로, 활성층(43)에서의 전자와 정공의 재결합 효율을 증가시킬 수 있다.
상기 전자차단층(80)은 AlGaN, GaN, InGaN이 교대로 적층된 초격자 구조를 가질 수 있으며, 상기 전자차단층(80)을 구성하는 AlGaN, GaN, InGaN은 서로 다른 두께로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전자차단층(80)은 AlGan/GaN/InGaN이 반복 적층된 구조로 이루어질 수 있으며, AlGaN층은 활성층(43)에서 p형 반도체층(53)에 가까울수록 그 두께가 감소하고, GaN층 및 InGaN층은 활성층(43)에서 p형 반도체층(53)에 가까울수록 그 두께가 증가할 수 있다. 이 경우, AlGaN은 큰 밴드갭 에너지를 가지므로 n형 반도체층(33)에서 활성층(43)으로 주입되는 전자가 활성층(43)을 지나 p형 반도체층(53)까지 넘어오는 것을 방지함과 동시에, p형 반도체층(53)에 가까울수록 그 두께가 감소함으로써 정공의 활성층 주입 효율을 저하시키지 않는다. 또한, GaN, InGaN층은 AlGaN층보다 밴드갭 에너지가 작아서, 전자가 활성층(43)을 지나 p형 반도체층(53)까지 넘어올 수 있으나, p형 반도체층(53)쪽에 가까울수록 두께가 증가하므로 전자가 넘어오는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(104)는 도전성 기판(90) 상에 순차적으로 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층(54), 활성층(44), 제1 도전형 질화물 반도체층(34) 및 휨 방지층(24)을 포함할 수 있다. 상기 휨 방지층(24)은 앞선 실시형태와 마찬가지로, AlxGa1 - xN(0.01≤x≤0.04)의 조성을 가질 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 실시형태와는 달리, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(140) 상면에 도전성 기판(150)이 형성될 수 있으며, 상기 휨 방지층(24) 상면에 배치된 반도체 성장용 기판이 제거될 수 있다.
상기 도전성 기판(90)은, 반도체 성장용 기판(미도시) 상에 순차적으로 형성된 휨 방지층(24), 제1 도전형 질화물 반도체층(34), 활성층(44) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(54)으로부터 반도체 성장용 기판(미도시)을 제거하기 위한 레이저 리프트 오프 등의 공정에서 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층(34, 54), 활성층(44) 및 휨 방지층(24)을 포함하는 발광구조물을 지지하는 지지체의 역할을 수행하며, Au, Ni, Al, Cu, W, Si, Se, GaAs 중 어느 하나를 포함하는 물질, 예컨대, Si 기판에 Al이 도핑된 물질로 이루어질 수 있다. 본 실시 형태의 경우, 상기 도전성 기판(90)은 도전성 접착층(미도시)을 매개로 발광구조물과 접합될 수 있다. 도전성 접착층은 예컨대, AuSn와 같은 공융 금속 물질을 이용할 수 있을 것이다.
상기 도전성 기판(90)은 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(54)으로 전기 신호를 인가하는 제2 전극으로 기능할 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 전극이 수직 방향으로 형성되는 경우, 전류 흐름 영역이 확대되어 전류 분산 기능이 향상될 수 있다. 한편, 상기 휨 방지층(24) 상에는 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(34)과 전기적으로 연결되는 제1 전극(24a)이 형성될 수 있으며, 구체적으로 도시하지는 않았으나 이와 달리 상기 휨 방지층(24) 및 제1 도전형 질화물 반도체층(34)의 일부가 식각되어 노출된 제1 도전형 질화물 반도체층(34) 상에 제1 전극이 형성될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 휨 방지층의 (002)면에서의 XRD의 반치폭을 나타내는 그래프이다. 도 6을 참조하면, AlxGa1 - xN(0.01≤x≤0.04)의 조성을 갖는 휨 방지층의 두께를 증가시킴에 따라, XRD(X-Ray Diffraction)의 반치폭(full width at half maximum: FWHM, 단위: arcsec)이 감소함을 알 수 있다. XRD 분석은 결정성을 갖는 박막소재나 분말형태의 촉매소재 등의 결정구조를 해석하는 데 활용 가능한 방법으로, 반치폭이 작을수록 높은 결정성을 나타낸다. XRD를 이용하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 휨 방지층 상면에 형성된 GaN층의 반치폭을 측정한 결과, 도 6의 그래프에 도시된 바와 같이, 그 두께가 증가할수록 반치폭이 감소하며, 따라서, 상대적으로 두꺼운 두께를 갖는 휨 방지층을 개재시키는 경우, 반도체층의 결정성이 향상되는 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 휨 방지층의 두께에 따른 휨 발생 정도를 나타내기 위한 그래프이다. 도 7에 도시된 그래프의 가로축은 휨 방지층의 두께를 나타내며, 세로축은 반도체 발광소자의 휨 정도를 나타낸다. 반도체 성장용 기판 상에 질화물계 반도체층을 성장시키는 경우, 기판과 GaN 반도체층 사이의 격자상수 및 열팽창계수 차이에 의해 기판이 휘어지는 현상(bowing)이 발생한다. 이때, 기판의 가장 높은 부분과 가장 낮은 부분 사이의 높이 차이를 측정하여 기판의 휨 정도를 수치화할 수 있으며, 도 7의 세로축은 이와 같은 방법으로 측정된 값을 표시한 것이다. 도 7의 그래프에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 휨 방지층의 두께가 증가하는 경우, 기판의 휨 정도가 감소함을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 광출력을 비교하기 위한 그래프이다. 도 8에서 가로축은 제1 도전형 질화물 반도체층에 대한 휨 방지층의 상대적인 두께(휨 방지층/제1 도전형 질화물 반도체층)를 나타내며, 세로축은 반도체 발광소자의 광 출력(Optical Power)을 나타낸다. 구체적으로, 본 실시형태에서 제1 도전형 질화물 반도체층은 n형 불순물로 도핑된 GaN을 적용하였으며, 제1 도전형 질화물 반도체층과 휨 방지층의 총 두께를 4.5㎛로 유지한 상태에서, 각 층의 상대적인 두께를 변화시키며 광 출력(Optical Power)을 측정하였다. 도 8을 참조하면, GaN층으로 이루어진 제1 도전형 질화물 반도체층의 두께를 3.5㎛로 하고, 휨 방지층의 두께를 1㎛로 한 경우(1/3.5)와 비교할 때, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층과 휨 방지층의 두께가 같거나(2/2), 휨 방지층의 두께를 더 두껍게 한 경우(2.5/2, 3/1.5)에 광 출력이 현저히 향상됨을 알 수 있다.
다만, 도 6 내지 도 8에 도시된 실험 결과는 본 발명을 휨 방지층이 제1 도전형 질화물 반도체층보다 두꺼운 경우로 한정하고자 함은 아니며, 제1 질화물 반도체층의 두께에 따라 이에 따른 휨 방지층의 상대적인 두께 범위는 달라질 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 휨 방지층은 상기 제1 도전형 질화물 반도체층에 대하여 0.2 내지 4배의 두께를 가질 수 있다.
도 9는 AlxGa1 - xN의 조성을 갖는 휨 방지층의 Al 조성범위에 따른 XRD 측정 결과와 휨 정도를 나타내는 그래프이다. 도 9의 가로축은 AlxGa1 - xN의 조성을 갖는 휨 방지층에서 x의 상대적인 비율을 나타내고, 세로축은 XRD의 반치폭과 휨 정도를 나타낸다. 구체적으로, 상부에 도시된 2개의 그래프는 각각 휨 방지층 상면에서 성장된 GaN층의 (102)면과 (002)면에서의 반치폭을 나타내고, 아래쪽에 도시된 1개의 그래프는 휨 방지층을 포함하는 반도체 발광소자의 휨 정도(가장 높은 부분과 가장 낮은 부분 사이의 높이 차이, 단위: ㎛)를 나타낸다.
도 9를 참조하면, AlxGa1 - xN의 조성을 갖는 휨 방지층의 Al 조성 비율(x)이 0.06에서 0.027까지 증가함에 따라 반치폭이 함께 감소하고, 그 이후에는 반치폭이 증가하는 경향을 보인다. 한편, 기판의 휨 정도는 Al 조성 비율(x)이 0.06에서 0.04까지는 감소하다 그 이후로 다시 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 따른 휨 방지층을 포함하는 질화물계 반도체 발광소자의 경우, Al의 조성 비율(x)이 0.01 내지 0.04 범위 내에 있으므로, 결정성과 휨 방지 특성을 모두 만족함을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 휨 방지층 상면에 형성된 제1 도전형 반도체층의 도핑 농도에 따른 광 출력을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 본 실시형태에서 제1 도전형 질화물 반도체층은 n-GaN을, n-GaN에 도프되는 n형 불순물은 Si를 적용하였다. 도 10을 참조하면, 휨 방지층 상부에 형성되는 제1 도전형 질화물 반도체층이 고농도(약 1×1019/㎤)로 도프되는 경우, 광 출력이 현저히 향상됨을 알 수 있다. 즉, 휨 방지층 상부에 배치되는 n-GaN을 고농도 도핑하여 직렬 저항을 감소시키고 전류 퍼짐을 개선함으로써 광 출력을 향상시킬 수 있다. 이때, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 도핑 농도는 약 3×1018/㎤ 내지 2×1019/㎤일 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 순방향 바이어스 전압과 광 출력을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 11(a)는 비교 예와 실시 예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 순방향 바이어스 전압을 비교한 그래프이고, 도 11(b)는 비교 예와 실시 예에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 광 출력을 비교한 그래프이다. 비교 예는 제1 도전형 질화물 반도체층(n-GaN)과 활성층 사이에 휨 방지층이 개재되지 않는 구조이며, 실시 예는 제1 도전형 질화물 반도체층(n-GaN)과 활성층 사이에 1×1017/㎤ 이상의 농도로 Si 도프된 AlGaN층이 삽입된 구조이다.
도 11(a) 및 도 11(b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 경우 수평방향으로의 전류 퍼짐이 개선되어 직렬 저항을 낮춤으로써 소자의 순방향 바이어스 전압이 감소되고, 소자의 광 출력이 증가하는 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 누설 전류를 비교하기 위한 그래프이다. 비교 예1의 경우, 도 11의 비교 예에서와 동일하게 제1 도전형 질화물 반도체층과 활성층 사이에 휨 방지층이 개재되지 않은 구조이고, 비교 예2는 제1 도전형 질화물 반도체층(n-GaN)과 활성층 사이에 1×1017/㎤ 이상의 농도로 Si 도프된 AlxGa1 - xN층이 삽입된 구조이나, AlxGa1 - xN층의 Al 조성 범위가 0.04를 초과(x>0.4)하여 (002)XRD 반치폭이 300arcsec보다 큰 값을 갖는다. 한편, 실시 예의 경우, 제1 도전형 질화물 반도체층(n-GaN)과 활성층 사이에 1×1017/㎤ 이상의 농도로 Si 도프된 AlxGa1 - xN층(0.01≤x≤0.04)이 삽입된 구조로, (002)XRD 반치폭이 300 arsec 보다 작은 값을 갖는다.
도 12를 참조하면, Al 조성이 0.04를 초과하는 경우에는 결정성이 저하되어 Si 도핑 농도를 증가시킴에 따라 누설 전류가 증가하는 문제가 발생한다. (비교 예 2) 그러나, 실시 예에서와 같이 Al 조성 범위를 0.01 내지 0.04로 유지하고 Si 도핑 농도를 증가시키는 경우, 누설 전류 특성 열화 없이 광 출력이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
100, 101, 102, 103, 104: 반도체 발광소자 10: 기판
20~24: 휨 방지층 30~34: 제1 도전형 질화물 반도체층
30a~34a: 제1 전극 40~44: 활성층
50~54: 제2 도전형 질화물 반도체층 50a: 제2 전극
60: 언도프 GaN층 70: 핵생성층
80: 전자 차단층 90: 도전성 기판

Claims (17)

  1. AlxGa1-xN(0.01≤x≤0.04)의 조성을 갖는 휨 방지층; 및
    상기 휨 방지층 상에 형성되는 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조물;
    을 구비하고,
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 AlyGa1-yN(0≤y<x)의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 휨 방지층은 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 0.2배 내지 4배의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 휨 방지층은 0.5㎛ 내지 4㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 3×1018/㎤ 내지 2×1019/㎤ 농도로 Si 도프된 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 휨 방지층은 제1 도전형으로 도프된 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 휨 방지층은 1×1017/㎤ 이상의 농도로 Si 도프된 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    반도체 성장용 기판을 더 포함하며, 상기 휨 방지층, 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층은 상기 반도체 성장용 기판 상에 순차적으로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반도체 성장용 기판과 상기 휨 방지층 사이에 형성되며, AlzGawIn1-z-wN(0≤z≤1, 0≤w≤1)으로 이루어진 핵생성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 활성층 상에 형성되며, AlGaN, GaN, InGaN이 교대로 적층된 초격자 구조를 갖는 전자차단층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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  16. 삭제
  17. 삭제
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