KR101903360B1 - Light Emitting Device - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면은, 제1 도전형 반도체층과, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되며 적어도 한 쌍의 양자우물층과 양자장벽층을 포함하는 활성층과, 상기 제2 도전형 반도체층 및 활성층 사이에 배치되며 상기 양자우물층보다 큰 밴드갭 에너지를 갖되 상기 양자우물층보다 작은 두께를 갖는 확산방지층을 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor light emitting device including: a first conductivity type semiconductor layer; a second conductivity type semiconductor layer disposed on the first conductivity type semiconductor layer; and a second conductivity type semiconductor layer disposed between the first and second conductivity type semiconductor layers, A diffusion barrier layer disposed between the second conductivity type semiconductor layer and the active layer and having a bandgap energy greater than that of the quantum well layer but smaller than that of the quantum well layer, the active layer including a quantum well layer and a quantum barrier layer, Emitting layer.
Description
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor light emitting device.
반도체 발광소자의 일종인 발광 다이오드(LED)는 전류가 가해지면 p, n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 반도체 발광소자는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 3족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.2. Description of the Related Art A light emitting diode (LED), which is a kind of semiconductor light emitting device, is a semiconductor device capable of generating light of various colors due to recombination of electrons and holes at a junction portion of p and n type semiconductors when an electric current is applied. Such a semiconductor light emitting device has many advantages such as a long lifetime, a low power supply, and an excellent initial driving characteristic as compared with a light emitting device based on a filament, and the demand thereof is continuously increasing. Particularly, in recent years, a group III nitride semiconductor capable of emitting light in a short wavelength range of a blue series has been spotlighted.
이러한 발광 다이오드의 경우, 일반적으로, n형 및 p형 반도체층 사이에 활성층이 배치된 구조가 이용되며, Ⅲ-Ⅴ족 반도체의 겨우 n형 반도체층을 형성하기 위해 4족 원소인 실리콘(Si) 원자를, p형 반도체층을 형성하기 위해 2족 원소인 마그네슘(Mg) 원자를 주된 도펀트로 사용한다. 하지만 마그네슘을 도펀트로 사용하는 경우, Ⅴ족 원소의 소스가스로 사용되는 암모니아(NH3)의 반응 후 남겨지는 수소(H) 원자와 반응하여 형성되는 Mg-H 복합체로 인해, p형 반도체층을 형성하는 데 문제가 발생할 수 있다.In the case of such a light emitting diode, a structure in which an active layer is disposed between n-type and p-type semiconductor layers is generally used, and silicon (Si) as a Group 4 element is used to form the n-type semiconductor layer of the III- And a magnesium (Mg) atom which is a
이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 방법이 적용되고 있으며, 그 중 p형 반도체층을 형성하기 위해 마그네슘의 도핑량을 증가시키는 방법이 대표적이다. 그러나, 마그네슘 도핑량의 증가는 공정 중 마그네슘이 활성층 내부로 확산되어 활성층에서의 발광에 악영향을 끼치는 문제가 있다.
In order to solve such problems, various methods have been applied. Among them, a method of increasing the doping amount of magnesium to form the p-type semiconductor layer is typical. However, an increase in the amount of magnesium doping has a problem that magnesium in the process diffuses into the active layer and adversely affects the light emission in the active layer.
본 발명의 목적 중 하나는, 결정 품질이 향상된 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.One of the objects of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having improved crystal quality.
본 발명의 목적 중 다른 하나는, 광 출력이 개선된 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having improved light output.
본 발명의 일 측면은,According to an aspect of the present invention,
제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되며 적어도 한 쌍의 양자우물층과 양자장벽층을 포함하는 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층 및 활성층 사이에 배치되며 상기 양자우물층보다 큰 밴드갭 에너지를 갖되 상기 양자우물층보다 작은 두께를 갖는 확산방지층을 포함하는 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.A second conductivity type semiconductor layer disposed on the first conductivity type semiconductor layer, at least a pair of quantum well layers and a quantum well layer disposed between the first and second conductivity type semiconductor layers, And a diffusion barrier layer disposed between the second conductive semiconductor layer and the active layer and having a bandgap energy greater than that of the quantum well layer but smaller than that of the quantum well layer, have.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 확산방지층은 InxGayN(0<x≤1, 0≤y<1, 0<x+y≤1)층을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the diffusion preventing layer may include In x Ga y N (0 <x? 1, 0? Y <1, 0 <x + y?
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 양자우물층은 InzGawN(x<z≤1, 0≤w<1, 0<z+w≤1)의 조성식을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the quantum well layer may have a composition formula of In z Ga w N (x <z? 1, 0? W <1, 0 <z + w ?
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 확산방지층은 InxGayN(0.5z≤x<z)층을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the diffusion barrier layer may comprise an In x Ga y N (0.5 z & lt ; x < z) layer.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 확산방지층은 1㎚ 내지 5㎚의 두께를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the diffusion preventing layer may have a thickness of 1 nm to 5 nm.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 확산방지층은 상기 양자우물층보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 제1층과, 상기 제1층보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 제2층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the diffusion preventing layer has a structure in which a first layer having a larger band gap energy than the quantum well layer and a second layer having a band gap energy larger than that of the first layer are sequentially stacked .
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1층은 InGaN이고, 상기 제2층은 GaN일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first layer may be InGaN and the second layer may be GaN.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 InGaN 및 GaN은 교대로 2회 이상 반복 적층될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the InGaN and GaN may be alternately repeatedly laminated two or more times.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 양자우물층은 InGaN을 포함하고, 상기 양자장벽층은 GaN을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the quantum well layer comprises InGaN, and the quantum barrier layer may comprise GaN.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 활성층은 상기 양자우물층과 상기 양자장벽층이 교대로 2회 이상 반복 적층되는 다중양자우물구조이며, 상기 확산방지층은 상기 양자우물층의 평균 밴드갭 에너지보다 큰 밴드갭 에너지를 갖되, 상기 양자우물층의 평균 두께보다 작은 두께를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the active layer is a multiple quantum well structure in which the quantum well layer and the quantum barrier layer are alternately repeatedly laminated two or more times, and the diffusion preventing layer is larger than the average band gap energy of the quantum well layer Band gap energy, but may have a thickness less than the average thickness of the quantum well layer.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 확산방지층은 상기 제2 도전형 반도체층에 가까울수록 밴드갭 에너지가 증가할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the band gap energy may be increased as the diffusion preventing layer is closer to the second conductivity type semiconductor layer.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 확산방지층은 상기 제2 도전형 반도체층에 가까울수록 In 조성비율이 감소하는 InGaN층을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the diffusion barrier layer may include an InGaN layer having a smaller In composition ratio as the second conductivity type semiconductor layer is closer to the second conductivity type semiconductor layer.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 확산방지층은 상기 양자우물층보다 크고 상기 양자장벽층보다 작은 밴드갭 에너지를 갖는 반도체층을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the diffusion barrier layer may include a semiconductor layer having a band gap energy larger than the quantum well layer and smaller than the quantum well layer.
덧붙여, 상기한 과제의 해결 수단은 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
In addition, the solution of the above-mentioned problems does not list all the features of the present invention. The various features of the present invention and the advantages and effects thereof will be more fully understood by reference to the following specific embodiments.
본 발명의 일 측면에 따르면, 결정 품질이 향상된 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.According to an aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor light emitting device having improved crystal quality.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 광 출력이 개선된 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a semiconductor light emitting device having improved light output can be provided.
본 발명의 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술 적 효과는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and other technical effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 활성층 및 확산방지층 일부(A)를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 활성층과 확산방지층 주변에서 전도 대역 에너지 준위를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 반도체 발광소자의 활성층과 확산방지층 주변에서 전도 대역 에너지 준위를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자와, 비교 예에 따른 반도체 발광소자의 SIMS 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 동일한 두께의 확산방지층에 대하여 마그네슘 도핑 농도를 달리하여 광 출력을 측정한 그래프이다.
도 8은 확산방지층으로 2개의 층을 적용한 경우에 두께에 따른 광 출력을 측정한 그래프이다.1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a part (A) of the active layer and the diffusion preventing layer of the semiconductor light emitting device shown in FIG.
FIG. 3 schematically shows conduction band energy levels in the vicinity of the active layer and the diffusion preventing layer of the semiconductor light emitting device shown in FIG.
4 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 schematically shows conduction band energy levels in the vicinity of the active layer and the diffusion preventing layer of the semiconductor light emitting device shown in FIG.
6 is a graph showing SIMS measurement results of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention and a semiconductor light emitting device according to a comparative example.
FIG. 7 is a graph showing light output measured by varying the magnesium doping concentration for the diffusion preventing layer having the same thickness.
FIG. 8 is a graph showing light output according to thickness when two layers are applied as a diffusion preventing layer.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
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.
However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Further, the embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art. Therefore, the shapes and sizes of the elements in the drawings and the like can be exaggerated for clarity, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 활성층 및 확산방지층 일부(A)를 확대하여 나타낸 도면이다. 또한, 도 3은 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 활성층과 확산방지층 주변에서 전도 대역 에너지 준위를 개략적으로 나타낸 것이다.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of a part (A) of an active layer and a diffusion preventing layer of the semiconductor light emitting device shown in FIG. FIG. 3 schematically shows conduction band energy levels in the vicinity of the active layer and the diffusion preventing layer of the semiconductor light emitting device shown in FIG.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(100)는, 제1 도전형 반도체층(20), 상기 제1 도전형 반도체층(20) 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층(30), 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(20, 30) 사이에 배치되는 활성층(40), 상기 활성층(40) 및 제2 도전형 반도체층(30) 사이에 배치되는 확산방지층(50)을 포함할 수 있다.1 to 3, a semiconductor
상기 활성층(40)은 적어도 한 쌍의 양자우물층(41)과 양자장벽층(42)을 포함할 수 있으며, 상기 확산방지층(50)은 상기 양자우물층(41)보다 큰 밴드갭 에너지를 갖되 상기 양자우물층(41)보다 작은 두께를 가질 수 있다.
The
본 실시형태에서, 제1 도전형 반도체층(20), 활성층(40), 확산방지층(50) 및 제2 도전형 반도체층(30)을 포함하는 발광구조물은, 기판(10) 상에 순차적으로 형성될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(20, 30) 상에는 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(20, 30) 각각과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(20a, 30a)이 형성될 수 있다.The light emitting structure including the first conductivity
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 전극(20a)은 제2 도전형 반도체층(30), 활성층(40) 및 제1 도전형 반도체층(20)의 일부가 식각되어 노출된 제1 도전형 반도체층(20) 상에 형성될 수 있으며, 상기 제2 전극(30a)은, 제2 도전형 반도체층(30) 상에 형성될 수 있다. 이 경우, 제2 도전형 반도체층(30)과 제2 전극(30a) 사이의 오믹 컨택 기능을 향상시키기 위하여 ITO, ZnO 등과 같은 투명 전극이 더 구비될 수 있다.
1, the
기판(10)은 반도체 성장용 기판으로 제공되며, 사파이어, Si, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등과 같이 절연성, 도전성, 반도체 물질을 이용할 수 있다. 이 경우, 가장 바람직하게 사용될 수 있는 것은 전기 절연성을 갖는 사파이어로서, 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 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. The
한편, 기판(10)으로 사용하기에 적합한 물질로는 Si 기판을 들 수 있으며, 대구경화에 보다 적합하고 상대적으로 가격이 낮은 Si 기판을 사용하여 양산성이 향상될 수 있다. Si 기판을 이용하는 경우, 기판(10) 상에 AlxGa1 - xN (0 ≤ x ≤ 1)과 같은 물질로 이루어진 핵생성층을 형성한 후 그 위에 원하는 구조의 질화물 반도체를 성장할 수 있을 것이다.
On the other hand, as a material suitable for use as the
제1 및 제2 도전형 반도체층(20, 30)은, 예컨대, 각각 n형 및 p형 반도체층일 수 있으며, 질화물 반도체, 예컨대, AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 각각의 층은 단일층으로 이루어질 수도 있지만, 도핑 농도, 조성 등의 특성이 서로 다른 복수의 층을 구비할 수도 있다. 다만, 제1 및 제2 도전형 반도체층(20, 30)은 질화물 반도체 외에도 AlInGaP나 AlInGaAs 계열의 반도체를 이용할 수도 있을 것이다.
First and second
제1 및 제2 도전형 반도체층(20, 30) 사이에 배치된 활성층(40)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 도 3에 도시된 바와 같이, 양자우물층(41)과 양자장벽층(42)이 서로 교대로 적층된 단일양자우물(SQW) 또는 다중양자우물(MQW) 구조일 수 있다. 예컨대, 질화물 반도체일 경우, 양자우물층(41)은 InGaN (In, Ga 함량은 변화될 수 있음)으로 이루어지고 양자장벽층(42)은 GaN, InGaN (In, Ga 함량은 변화될 수 있으며, 양자우물층보다 In 함량이 낮을 수 있음), AlInGaN (Al, In, Ga 함량은 변화될 수 있음) 등으로 이루어진 영역을 구비할 수 있다. 또한, 실시 형태에 따라 달라질 수는 있으나, 양자장벽층(42)은 양자우물층(41)보다 두껍게 형성될 수 있다.
The
한편, 발광구조물을 구성하는 제1 및 제2 도전형 반도체층(20, 30)과 활성층(40), 또한, 후술할 확산방지층(50) 등은 유기 금속 화학 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 수소화 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy, 'HVPE'), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 등과 같이 당 기술 분야에서 공지된 공정을 이용하여 성장될 수 있다.The first and second conductive semiconductor layers 20 and 30 and the
구체적으로 도시하지는 않았으나, 제1 도전형 반도체층(20)과 기판(10) 사이에 버퍼층이 개재되어 제1 도전형 반도체층(20)에 작용하는 응력을 완화하여 결정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 확산방지층(50)과 제2 도전형 반도체층(30) 사이에는 밴드갭 에너지이 상대적으로 높은 전자차단층(미도시)이 개재되어, 활성층(40)을 지나 전자가 오버플로우(overflow) 되는 것을 방지할 수 있다. 상기 전자차단층은 AlGaN 등으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
Although not shown in detail, a buffer layer is interposed between the first conductivity
확산방지층(50)은 상기 활성층(40) 및 제2 도전형 반도체층(30) 사이에 배치되며, 상기 양자우물층(41)보다 큰 밴드갭 에너지를 갖되 상기 양자우물층(41)보다 작은 두께를 가질 수 있으며, 이에 따라, 확산방지층(50)에 의한 발광 파장의 왜곡이나 변형 없이 활성층(40)으로의 불순물 확산, 유입을 방지할 수 있다.The
구체적으로, 상기 확산방지층(50)은 활성층(40) 상에 제2 도전형 반도체층(30) 성장 시, 제2 도전형 반도체층(30)의 도핑을 위해 주입되는 도펀트(예를 들면, Mg, Zn 등)가 활성층(40)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 상기 확산방지층(50)은 양자우물층(41)보다 작은 두께를 갖도록 형성되어 양자우물층(41) 및 양자장벽층(42)의 밴드갭 에너지와 두께에 의해 결정되는 발광 파장에 거의 영향을 주지 않으며, 양자우물층(41)과 제2 도전형 반도체층(30) 사이의 밴드갭 차이로 인한 분극(polarization) 현상을 완화할 수 있다.
Specifically, the
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 확산방지층(50)은 InxGayN(0<x≤1, 0≤y<1, 0<x+y≤1)층을 포함할 수 있다. 인듐(In) 원자는 갈륨(Ga)에 비하여 상대적으로 큰 크기를 가지므로, 활성층(40)에서 불순물로 작용하는 제2 도전형 도펀트, 예를 들어, 마그네슘(Mg)의 혼입을 효과적으로 차단할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
또한, 양자우물층(41)과 양자장벽층(42)이 InGaN/GaN으로 적용되는 경우, 확산방지층(50)이 InGaN 양자우물층(41)과 격자정합을 이룸으로써 격자부정합에 의한 반도체층의 결함을 최소화할 수 있다. 구체적으로, 상기 양자우물층(41)은 InzGawN(x<z≤1, 0≤w<1, 0<z+w≤1)의 조성식을 가질 수 있다. 즉, 상기 양자우물층(41)은 상기 확산방지층(50)보다 큰 인듐(In) 조성비율을 가질 수 있으며, 이에 따라, 상기 양자우물층(41)보다 크고 상기 양자장벽층(42)보다 작은 밴드갭 에너지를 가짐으로써 발광품질이 개선된 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.
When the
본 실시형태에서, 상기 활성층(40)이 양자우물층(41)과 양자장벽층(42)이 교대로 2회 이상 반복 적층되는 다중양자우물구조를 갖는 경우, 상기 확산방지층(50)은 상기 양자우물층(41)의 평균 밴드갭 에너지보다 큰 밴드갭 에너지를 갖되, 상기 양자우물층(41)의 평균 두께보다 작은 두께를 가질 수 있다.
In the present embodiment, when the
일 실시형태에서, 상기 확산방지층(50)은 InxGayN(0.5z≤x<z)층을 포함할 수 있다. 즉, 상기 확산방지층(50)은 양자우물층(41)의 인듐(In) 조성비율(z)보다 작되, 양자우물층(41)의 인듐(In) 조성비율의 0.5배(0.5z)보다 큰 인듐 조성비율을 가질 수 있다. 확산방지층(50)의 인듐 조성비율(x)이 양자우물층(41)의 0.5배 이상인 경우, 확산방지층(50)이 활성층(40)의 양자우물층(41)으로 행동하여 발광에 참여함으로써 발광 품질이 저하될 수 있으나, 본 실시형태의 경우, 확산방지층(50)이 양자우물층(41)보다 작은 두께를 갖도록 형성되므로 확산방지층(50)이 발광에 참여하는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로, 상기 확산방지층(50)은 약 1㎚ 내지 5㎚의 두께를 가질 수 있다.
In one embodiment, the
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 반도체 발광소자의 활성층과 확산방지층 주변에서 전도 대역 에너지 준위를 개략적으로 나타낸 것이다.4 schematically shows a cross section of a semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 5 schematically shows a conduction band energy level around the active layer and the diffusion preventing layer of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 4 .
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(101)는, 제1 도전형 반도체층(20), 상기 제1 도전형 반도체층(20) 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층(30), 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(20, 30) 사이에 배치되는 활성층(40), 상기 활성층(40) 및 제2 도전형 반도체층(30) 사이에 배치되는 확산방지층(150)을 포함할 수 있다.4 and 5, the semiconductor
본 실시형태의 경우, 상기 도 1 내지 도 3에 도시된 실시형태와 확산방지층(150)의 구성만이 상이하며, 따라서, 이하에서는 달라진 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
In the case of this embodiment, only the configuration of the
상기 활성층(40)은 적어도 한 쌍의 양자우물층(41)과 양자장벽층(42)을 포함할 수 있으며, 상기 확산방지층(150)은 상기 양자우물층(41)보다 큰 밴드갭 에너지를 갖되 상기 양자우물층(41)보다 작은 두께를 가질 수 있다. The
또한, 본 실시형태의 경우, 상기 확산방지층(150)은 상기 양자우물층(41)보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 제1층(151)과 상기 제1층(151)보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 제2층(152)이 순차적으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1층(151)은 InGaN, 상기 제2층(152)은 GaN으로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 및 제2층(151, 152)은 교대로 2회 이상 반복 적층되어 구성될 수 있다.
In addition, in the case of this embodiment, the
본 실시형태에서, 상기 확산방지층(150)이 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 두 개의 층으로 구성되므로, 활성층(40)과 제2 도전형 반도체층(30) 사이에서 격자상수 차이에 의한 스트레스를 완화할 수 있으며, 이에 따라, 결정 품질이 향상되고 발광 효율이 개선된 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.
In the present embodiment, since the
또한, 구체적으로 도시하지는 않았으나, 상기 확산방지층(150)은 InGaN으로 구성되되, 하나의 층 내에서 제2 도전형 반도체층(30)에 가까울수록 인듐(In) 조성비율이 점차적으로 감소하는 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 확산방지층(150)은 제2 도전형 반도체층(30)은 상기 제2 도전형 반도체층(30)가 까가울수록 밴드갭 에너지가 증가하는 경사 구조를 가질 수 있으며, 이 경우, 도 5에 도시된 실시형태와 유사한 효과를 얻을 수 있다.
Although not shown in detail, the
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자와, 비교 예에 따른 반도체 발광소자의 SIMS 측정결과를 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing SIMS measurement results of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention and a semiconductor light emitting device according to a comparative example.
구체적으로, 활성층과 p형 GaN층 사이에 확산방지층으로 InGaN을 적용한 경우(실시 예)와 GaN을 적용한 경우(비교 예), 활성층으로의 마그네슘(Mg) 침투 프로파일을 나타낸다.
Specifically, Mg (Mg) penetration profile into the active layer is shown when InGaN is applied between the active layer and the p-type GaN layer (Example) and when GaN is applied (Comparative Example).
도 6을 참조하면, 확산방지층으로 GaN을 적용한 경우 활성층 내에서 인듐의 분포((1)In)는 확산방지층으로 InGaN을 적용한 경우((2)In)와 유사한 형태를 보인다. 한편, 확산방지층으로 GaN을 적용한 경우((1)Mg), p형 GaN의 도펀트로 적용된 마그네슘(Mg)이 활성층이 시작되는 깊이인 약 0.15㎛에서 약 3×1018/㎤의 농도를 나타내나, 확산방지층으로 InGaN을 적용한 경우((2)Mg), 동일한 깊이에서 약 1.8×1017/㎤의 농도를 나타내며, 활성층 내에서도 더 낮은 마그네슘(Mg) 농도를 나타냄을 알 수 있다. 즉, 확산방지층으로 양자우물층보다 크고 양자장벽층보다 작은 밴드갭 에너지를 갖는 InGaN을 적용하는 경우, 활성층 내에서 불순물로 기능하여 발광 품질을 저하시키는 p형 불순물의 유입 및 확산을 효과적으로 방지할 수 있다.
Referring to FIG. 6, the distribution of indium ((1) In) in the active layer is similar to that of InGaN ((2) In) when GaN is used as the diffusion preventing layer. On the other hand, when GaN is applied as the diffusion preventing layer ((1) Mg), magnesium (Mg) applied as a dopant of p-type GaN exhibits a concentration of about 3 × 10 18 / cm 3 at a depth of about 0.15 μm (Mg) concentration in the active layer, and a concentration of about 1.8 × 10 17 / cm 3 at the same depth when InGaN is applied to the diffusion barrier layer (Mg). That is, when InGaN having a bandgap energy larger than the quantum well layer and smaller than the quantum well layer is used as the diffusion preventing layer, it can effectively prevent the influx and diffusion of the p-type impurity which functions as an impurity in the active layer, have.
도 7은 동일한 두께의 확산방지층에 대하여 마그네슘(Mg) 도핑 농도를 달리하여 광 출력을 측정한 그래프이다.FIG. 7 is a graph of light output measured by varying the doping concentration of magnesium (Mg) for the diffusion preventing layer having the same thickness.
도 7을 참조하면, 확산방지층으로 GaN을 적용하고 p형 반도체층 성장 시 도펀트로 약 500cc의 마그네슘(Mg)을 흘려줬을 때 광 출력은 약 144㎽로 나타났으나, 확산방지층으로 InGaN을 적용하고 동일한 양의 마그네슘(Mg)을 흘려준 경우 광 출력이 약 148㎽로 현저히 증가하였음을 알 수 있다. 또한, 마그네슘(Mg) 주입량에 따른 광 출력의 변화를 확인하기 위해, 마그네슘 주입량을 700cc와 900cc로 증가시킨 결과, 마그네슘 주입량의 증가에 따라 광 출력이 감소함을 확인하였다. 즉, 도 7에 따르면, 마그네슘은 발광소자의 광 출력을 저하시키며 InGaN 확산방지층은 마그네슘의 확산을 방지하여 광 출력을 개선하는 효과가 있음을 알 수 있다.
Referring to FIG. 7, when the GaN is applied as the diffusion preventing layer and magnesium (Mg) is flowed as a dopant in the growth of the p-type semiconductor layer, the light output is about 144 mW. However, the InGaN is applied as the diffusion preventing layer It can be seen that when the same amount of magnesium (Mg) is flowed, the light output remarkably increases to about 148 mW. In addition, in order to confirm the change of the light output according to the amount of magnesium (Mg) injection, the amount of magnesium injected was increased to 700 cc and 900 cc, and it was confirmed that the light output decreased with an increase in the magnesium injection amount. In other words, according to FIG. 7, magnesium has an effect of lowering the light output of the light emitting device, and the InGaN diffusion preventing layer has an effect of preventing diffusion of magnesium and improving light output.
도 8은 도 4에 도시된 실시형태에서와 같이 확산방지층으로 2개의 층(InGaN/GaN)을 적용한 경우에 두께에 따른 광 출력을 측정한 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing light output according to thickness when two layers (InGaN / GaN) are applied as a diffusion preventing layer as in the embodiment shown in FIG.
도 8을 참조하면, 확산방지층을 16nm로 적용한 경우, 광 출력은 약 136㎽로 나타났으나, 그 두께를 20%와 40% 감소시킨 후 광 출력을 측정한 결과, 각각 약 138㎽, 약 141㎽로 증가하였음을 알 수 있다. 즉, 확산방지층의 두께를 양자우물층 두께 이하로 감소시킴으로써, 활성층과 p형 반도체층 사이의 거리를 최소화하여 전자-정공 결합 효율을 증가시켜 광 출력을 향상시킬 수 있다.
Referring to FIG. 8, when the diffusion preventing layer is applied to a thickness of 16 nm, the light output is about 136 mW. After measuring the light output after reducing the thickness by 20% and 40%, the light output is about 138 mW, MW. ≪ / RTI > That is, the distance between the active layer and the p-type semiconductor layer is minimized by reducing the thickness of the diffusion prevention layer to a thickness of the quantum well layer or less, thereby increasing the electron-hole coupling efficiency and improving the light output.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
The present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited only by the appended claims. It will be apparent to those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. something to do.
100, 101: 반도체 발광소자 10: 기판
20: 제1 도전형 반도체층 30: 제2 도전형 반도체층
40: 활성층 41: 양자우물층
42: 양자장벽층 50, 150: 확산방지층
151: 제1층 152: 제2층
20a: 제1 전극 30a: 제2 전극 100, 101: Semiconductor light emitting device 10: Substrate
20: first conductivity type semiconductor layer 30: second conductivity type semiconductor layer
40: active layer 41: quantum well layer
42:
151: first layer 152: second layer
20a:
Claims (13)
상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층;
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되며 적어도 한 쌍의 양자우물층과 양자장벽층을 포함하는 활성층; 및
상기 제2 도전형 반도체층 및 활성층 사이에 배치되며 상기 양자우물층보다 큰 밴드갭 에너지를 갖되 상기 양자우물층보다 작은 두께를 갖는 확산방지층;
을 포함하고,
상기 확산방지층은 상기 양자우물층보다 크고 상기 양자장벽층보다 작은 밴드갭 에너지를 갖는 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
A first conductive semiconductor layer;
A second conductive semiconductor layer disposed on the first conductive semiconductor layer;
An active layer disposed between the first and second conductive type semiconductor layers and including at least a pair of quantum well layers and a quantum barrier layer; And
A diffusion barrier layer disposed between the second conductivity type semiconductor layer and the active layer and having a band gap energy greater than that of the quantum well layer but smaller than the quantum well layer;
/ RTI >
Wherein the diffusion barrier layer includes a semiconductor layer having a band gap energy larger than that of the quantum well layer and smaller than that of the quantum well layer.
상기 확산방지층은 InxGayN(0<x≤1, 0≤y<1, 0<x+y≤1)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method according to claim 1,
Wherein the diffusion preventing layer comprises In x Ga y N (0 <x? 1, 0? Y <1, 0 <x + y? 1) layer.
상기 양자우물층은 InzGawN(x<z≤1, 0≤w<1, 0<z+w≤1)의 조성식을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
3. The method of claim 2,
Wherein the quantum well layer has a composition formula of In z Ga w N (x <z? 1, 0? W <1, 0 <z + w ? 1).
상기 확산방지층은 InxGayN(0.5z≤x<z)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method of claim 3,
Wherein the diffusion preventing layer comprises In x Ga y N (0.5z x < z) layer.
상기 확산방지층은 상기 양자우물층보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 제1층과, 상기 제1층보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 제2층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method according to claim 1,
Wherein the diffusion preventing layer has a structure in which a first layer having a larger band gap energy than the quantum well layer and a second layer having a band gap energy larger than that of the first layer are sequentially stacked.
상기 제1층은 InGaN이고, 상기 제2층은 GaN인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
6. The method of claim 5,
Wherein the first layer is InGaN and the second layer is GaN.
상기 InGaN 및 GaN은 교대로 2회 이상 반복 적층되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method according to claim 6,
Wherein the InGaN and GaN are repeatedly laminated two or more times alternately.
상기 활성층은 상기 양자우물층과 상기 양자장벽층이 교대로 2회 이상 반복 적층되는 다중양자우물구조이며,
상기 확산방지층은 상기 양자우물층의 평균 밴드갭 에너지보다 큰 밴드갭 에너지를 갖되, 상기 양자우물층의 평균 두께보다 작은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method according to claim 1,
Wherein the active layer is a multiple quantum well structure in which the quantum well layer and the quantum barrier layer are alternately repeatedly laminated two or more times,
Wherein the diffusion barrier layer has a band gap energy greater than an average band gap energy of the quantum well layer and a thickness smaller than an average thickness of the quantum well layer.
상기 확산방지층은 상기 제2 도전형 반도체층에 가까울수록 밴드갭 에너지가 증가하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
The method according to claim 1,
And the band gap energy increases as the diffusion preventing layer is closer to the second conductivity type semiconductor layer.
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