KR101997020B1 - 근자외선 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

근자외선 발광 소자가 개시된다. 이 발광 소자는, 질화갈륨층을 포함하는 n형 콘택층; 질화갈륨층을 포함하는 p형 콘택층; 및 n형 콘택층과 p형 콘택층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성영역을 포함하고, 이 활성영역은 365 내지 390nm 범위 내의 근자외선을 방출한다.

Description

근자외선 발광 소자{NEAR UV LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 무기물 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히 근자외선 발광 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화갈륨계 반도체는 풀컬러 디스플레이, 교통 신호등, 일반조명 및 광통신 기기의 광원으로 자외선, 청/녹색 발광 다이오드(light emitting diode) 또는 레이저 다이오드(laser diode)에 널리 이용되고 있다. 특히, 질화인듐갈륨(InGaN) 화합물 반도체는 좁은 밴드 갭에 기인하여 많은 주목을 받고 있다.
이러한 질화갈륨 계열의 화합물 반도체를 이용한 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 백라이트 광원, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다. 특히, 근자외선을 방출하는 발광 소자는 위폐감식, 수지 경화 및 자외선 치료 등에 사용되고 있으며, 또한 형광체와 조합되어 다양한 색상의 가시광선을 구현할 수 있다.
근자외선은 일반적으로 약 320~390nm 파장 범위의 자외선을 지칭한다. GaN는 약 3.42eV의 밴드갭 에너지를 갖는데, 이 에너지는 약 365nm의 파장의 광 에너지에 대응한다. 따라서, InGaN을 웰층으로 사용한 발광 소자는 In의 함유량에 따라 365nm 이상의 광, 즉, 365~390nm 범위의 근자외선을 방출하는데 사용될 수 있다.
한편, 웰층에서 생성된 광은 장벽층 및 콘택층을 통해 외부로 방출되므로, 광이 진행하는 경로 상에 다수의 반도체층들이 위치하고, 이들 반도체층들에 의한 광 흡수가 발생된다. 특히, 웰층보다 좁은 밴드갭을 갖거나 밴드갭이 유사한 경우 상당히 많은 광 손실이 발생된다. 특히, 발광 소자의 대부분의 두께를 차지하는 n형 콘택층 및 p형 콘택층에 의한 광 흡수를 제어할 필요가 있다.
이 때문에, 종래 근자외선 발광 소자는 전자 블록층 뿐만 아니라, 장벽층, n형 콘택층 및 p형 콘택층을 InGaN에 비해 상대적으로 넓은 밴드갭을 갖는 AlGaN으로 형성하고 있다. 그러나 AlGaN을 양호한 결정성을 유지하면서 상대적으로 두껍게 성장시키는 것이 어려워 근자외선 발광 소자의 전기적 광학적 특성이 청색 발광 소자에 비해 상대적으로 낮으며, 청/녹색 발광 다이오드에 비해 상대적으로 고가로 판매되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 질화갈륨계 근자외선 발광 소자의 광 출력 또는 발광 효율을 개선하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 더 쉽게 제조할 수 있는 근자외선 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 질화갈륨층을 포함하는 n형 콘택층; 질화갈륨층을 포함하는 p형 콘택층; 및 상기 n형 콘택층과 상기 p형 콘택층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성영역을 포함하고, 상기 다중양자우물 구조의 활성영역은 365 내지 390nm 범위 내의 근자외선을 방출한다.
상기 다중양자우물 구조의 활성영역은 장벽층들 및 우물층들을 포함한다. 한편, 상기 장벽층들은 AlInGaN으로 형성될 수 있다. 장벽층이 In을 함유함으로써 우물층과 장벽층 사이의 격자 불일치를 완화할 수 있다.
나아가, 상기 n형 콘택층에 가장 가까운 제1 장벽층은 다른 장벽층들에 비해 Al을 10~20% 더 함유할 수 있다. 상기 제1 장벽층을 다른 장벽층들에 비해 상대적으로 격자 상수가 작은 AlInGaN으로 형성함으로써 발광 소자의 광 출력을 향상시킬 수 있다. 본 명세서에 있어서 백분율로 표시된 금속 원소의 함량은 질화갈륨계 층의 금속 성분의 조성의 합에 대해 각 금속 성분의 조성을 백분율로 표시한 것이다. 즉, AlxInyGazN으로 표시되는 질화갈륨계층의 Al의 함량은 100×x/(x+y+z)로 계산하여 %로 표현된다.
상기 우물층들은 InGaN으로 형성되어 375~390nm의 근자외선을 방출할 수 있으며, 상기 제1 장벽층 이외의 다른 장벽층들은 15 내지 25%의 Al과 1% 이하의 In을 함유하는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. 덧붙여, 상기 제1 장벽층은 30 내지 40%의 Al과 1% 이하의 In을 함유하는 AlInGaN으로 형성될 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 p형 콘택층은 하부 고농도 도핑층, 상부 고농도 도핑층 및 상기 하부 고농도 도핑층과 상부 고농도 도핑층 사이에 위치하는 저농도 도핑층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 저농도 도핑층이 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층의 두께보다 더 두껍다. 상기 저농도 도핑층을 상대적으로 두껍게 형성함으로써 p형 콘택층에 의한 광 흡수를 방지할 수 있다.
또한, 상기 n형 콘택층은 하부 질화갈륨층, 상부 질화갈륨층 및 상기 하부 질화갈륨층과 상기 상부 질화갈륨층 사이에 위치하는 다층 구조의 중간층을 포함할 수 있다. 다층 구조의 중간층을 n형 콘택층 중간에 삽입함으로써 n형 콘택층 상에 형성되는 에피층들의 결정질을 개선할 수 있다. 특히, 상기 다층 구조의 중간층은 AlInN와 GaN를 교대로 적층한 구조를 가질 수 있다.
한편, 상기 발광 소자는, 상기 n형 콘택층과 상기 활성영역 사이에 위치하는 초격자층; 및 상기 초격자층과 상기 활성영역 사이에 위치하는 전자주입층을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전자 주입층은 상기 초격자층에 비해 더 높은 n형 불순물 도핑 농도를 갖는다. 상기 전자 주입층에 의해 활성영역 내로 전자가 잘 주입될 수 있어 발광 효율을 개선할 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 상기 초격자층은 InGaN/InGaN을 반복 적층한 구조를 가질 수 있으며, 상기 전자 주입층은 GaN 또는 InGaN으로 형성될 수 있다. 여기서, InGaN/InGaN은 초격자층을 구성하는 1주기 쌍 내의 각층이 InGaN으로 형성된 것을 나타내며, 이들 각층이 동일한 조성의 In을 함유할 필요는 없다.
한편, 언도프트 GaN층이 상기 n형 콘택층과 상기 초격자층 사이에 위치할 수 있다. 상기 언도프트 GaN층은 상기 n형 콘택층에 접할 수 있으며, 불순물 도핑에 따라 저하된 n형 콘택층의 결정품질을 회복시킨다.
또한, 상기 발광 소자는, 상기 언도프트 GaN층과 상기 초격자층 사이에 위치하고 상기 n형 콘택층보다 저농도로 n형 불순물이 도핑된 저농도 GaN층; 및 상기 저농도 GaN층과 상기 초격자층 사이에 위치하고, 상기 저농도 GaN층보다 고농도로 n형 불순물이 도핑된 고농도 GaN층을 더 포함할 수 있다.
종래 근자외선 발광 소자는 특히 n형 콘택층을 AlGaN으로 형성하고 있다. 기판을 제외한 대부분의 발광 소자의 두께를 차지하는 콘택층을 AlGaN으로 형성함에 따라, 광 흡수에 의한 광 손실을 방지할 수 있으나, 에피층의 결정품질이 나빠 광 출력이나 발광 효율을 개선하는 것이 곤란하다. 이에 반해, 본원발명은 n형 콘택층 및 p형 콘택층이 전부 또는 대부분 질화갈륨층으로 형성됨으로써 활성영역의 결정품질을 개선할 수 있다. 따라서, 광 흡수에 의한 광 손실을 방지하여 발광 소자의 광 출력을 향상시킬 수 있다.
또한, 다른 장벽층들에 비해 제1 장벽층에 Al을 더 함유시킴으로써 광 출력을 더 개선할 수 있다. 나아가, n형 콘택층 및 p형 콘택층의 결정품질을 개선함으로써 광 흡수에 의한 광 손실을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 다중양자우물구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 다중양자우물 구조의 제1 장벽층의 Al 함유량에 따른 광 출력을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 다중양자우물 구조의 제1 장벽층의 두께에 따른 광 출력을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고, 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 상기 발광 소자의 다중양자우물구조를 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 발광 소자는 n형 콘택층(27), 활성영역(39) 및 p형 콘택층(43)을 포함한다. 나아가, 상기 발광 소자는 기판(21), 핵층(23), 버퍼층(25), 언도프트 GaN층(29), 저농도 GaN층(31), 고농도 GaN층(33), 초격자층(35), 전자 주입층(37), 전자 블록층(41) 또는 델타 도핑층(45)을 포함할 수 있다.
상기 기판(21)은 질화갈륨계 반도체층을 성장시키기 위한 기판으로, 사파이어, SiC, 스피넬 등 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 패터닝된 사파이어 기판(PSS)일 수 있다.
상기 핵층(23)은 기판(21) 상에 버퍼층(25)을 성장시키기 위해 400~600℃의 저온에서 (Al, Ga)N로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 GaN 또는 AlN로 형성된다. 상기 핵층은 약 25nm의 두께로 형성될 수 있다. 버퍼층(25)은 기판(21)과 n형 콘택층(27) 사이에서 전위와 같은 결함발생을 완화하기 위한 층으로, 상대적으로 고온에서 성장된다. 상기 버퍼층(25)은 예컨대, 언도프트 GaN으로 약 1.5㎛의 두께로 형성될 수 있다.
상기 n형 콘택층(27)은 n형 불순물, 예컨대 Si이 도핑된 질화갈륨계 반도체층으로 형성되며, 예컨대 약 3㎛의 두께로 형성될 수 있다. 상기 n형 콘택층(27)은 GaN층을 포함하며, 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 n형 콘택층(27)은 도시한 바와 같이, 하부 GaN층(27a), 중간층(27b) 및 상부 GaN층(27c)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 중간층(27b)은 AlInN로 형성되거나, 또는 AlInN와 GaN를 교대로 예컨대 약 10주기 적층한 다층 구조(초격자 구조 포함)로 형성될 수 있다. 상기 하부 GaN층(27a) 및 상부 GaN층(27c)은 서로 유사한 두께로 형성될 수 있으며 예컨대 각각 약 1.5㎛의 두께로 형성될 수 있다. 상기 중간층(27b)은 상기 하부 및 상부 GaN층들(27a, 27c)에 비해 상대적으로 작은 두께를 갖도록 형성되며, 약 80nm의 두께로 형성될 수 있다. 단일의 GaN층을 연속해서 약 3㎛의 두께로 상대적으로 두껍게 성장하는 것에 비해 중간층(27b)을 n형 콘택층(27) 중간에 삽입함으로써 n형 콘택층(27) 상에 형성되는 에피층, 특히 활성영역(39)의 결정품질을 개선할 수 있다. 한편, 상기 n형 콘택층(27)에 도핑되는 Si 도핑농도는 2×1018/㎤ ~2×1019/㎤ 범위 내일 수 있으며, 더 바람직하게는 1×1019/㎤ ~2×1019/㎤ 범위 내일 수 있다. 특히, 상기 하부 GaN층(27a)과 상부 GaN층(27c)에 Si 불순물이 고농도로 도핑되며, 상기 중간층(27b)에는 상기 상부 GaN층(27c)과 동일한 정도 또는 낮은 정도로 도핑될 수 있으며, 의도적으로 불순물이 도핑되지 않을 수도 있다. 상기 하부 GaN층(27a)과 상부 GaN층(27c)에 불순물이 고농도로 도핑되므로, n형 콘택층(27)의 저항성분을 낮출 수 있다. 상기 n형 콘택층(27)에 콘택하는 전극은 상부 GaN층(27c)에 접촉할 수도 있다.
상기 언도프트 GaN층(29)은 의도적으로 불순물이 도핑되지 않은 GaN으로 형성되며, 상기 상부 GaN층(27c)에 비해 상대적으로 얇은, 예컨대 80nm~300nm의 두께로 형성될 수 있다. n형 콘택층(27)에 n형 불순물을 도핑함에 따라 상기 n형 콘택층(27)에 잔류 응력이 생성되고, 결정품질이 저하된다. 따라서, 상기 n형 콘택층(27) 상에 다른 에피층을 성장할 경우, 양호한 결정품질을 갖는 에피층을 성장하기 어렵다. 그러나 상기 언도프트 GaN층(29)은 불순물을 도핑하지 않기 때문에, n형 콘택층(27)의 결정품질 저하를 회복시키는 회복층으로서 작용한다. 따라서, 상기 언도프트 GaN층(29)은 상기 n형 콘택층(27) 상에 직접 형성되어 n형 콘택층(27)에 접하는 것이 좋다. 이에 더하여, 상기 언도프트 GaN층(29)은 n형 콘택층(27)에 비해 상대적으로 비저항이 높기 때문에, n형 콘택층(27)에서 활성층(39)으로 유입되는 전자가 언도프트 GaN층(29)을 통과하기 전에 n형 콘택층(27) 내에서 고르게 분산될 수 있다.
상기 저농도 GaN층(31)은 상기 언도프트 GaN층(29) 상에 위치하며 상기 n형 콘택층(27)보다 더 낮은 농도로 도핑된 n형 불순물 도핑 농도를 갖는다. 상기 저농도 GaN층(31)은 예컨대 5×1017/㎤ ~5×1018/㎤ 범위 내의 Si 도핑 농도를 가질 수 있으며, 상기 언도프트 GaN층(29)에 비해 상대적으로 얇은 두께로, 예컨대 50~150nm의 두께로 형성될 수 있다. 한편,aiphjhj 상기 고농도 GaN층(33)은 상기 저농도 GaN층(31) 상에 위치하며, 상기 저농도 GaN층(31)에 비해 더 높은 n형 불순물 도핑 농도를 갖는다. 상기 고농도 GaN층(33)은 상기 n형 콘택층(27)과 거의 유사한 정도의 Si 도핑 농도를 가질 수 있다. 상기 고농도 GaN층(33)은 상기 저농도 GaN층(31)에 비해 상대적으로 얇은 두께를 가질 수 있으며, 예컨대 약 30nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 n형 콘택층(27), 언도프트 GaN층(29), 저농도 GaN층(31) 및 고농도 GaN층(33)은 챔버 내로 금속 소스 가스를 공급하여 연속적으로 성장될 수 있다. 금속 소스 가스의 원료로는 Al, Ga, In의 유기물, 예컨대 TMA, TMG 및/또는 TMI 등이 사용된다. 한편, Si의 소스 가스로는 SiH4가 사용될 수 있다. 이들 층들은 제1 온도, 예컨대 1050℃~1150℃에서 성장될 수 있다.
상기 초격자층(35)은 상기 고농도 GaN층(33) 상에 위치한다. 초격자층(35)은 조성이 서로 다른 제1 InGaN층과 제2 InGaN층을, 예컨대 각각 20Å의 두께로 약 30주기 교대로 적층하여 형성될 수 있다. 상기 제1 InGaN층 및 제2 InGaN층에 함유되는 In 조성비는 활성영역(39) 내의 우물층들(39w)에 함유되는 In 조성비보다 작다. 상기 초격자층(35)은 의도적으로 불순물을 도핑하지 않고 언도프트층으로 형성될 수 있다. 초격자층(35)이 언도프트 층으로 형성되기 때문에 발광 소자의 누설전류를 감소시킬 수 있다.
전자 주입층(37)은 상기 초격자층(35)에 비해 상대적으로 높은 n형 불순물 도핑 농도를 갖는다. 나아가, 상기 전자 주입층(37)은 n형 콘택층(27)과 거의 동일한 정도의 n형 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 n형 불순물 도핑 농도는 1×1019/㎤ ~5×1019/㎤ 범위 내일 수 있으며, 더 바람직하게는 1×1019/㎤ ~3×1019/㎤ 범위 내일 수 있다. 상기 전자 주입층(37)이 고농도로 도핑됨에 따라 활성 영역(39) 내로 전자의 주입이 원활하게 된다. 상기 전자 주입층(37)은 상기 고농도 도핑층(33)과 유사하거나 그보다 상대적으로 작은 두께를 갖도록, 예컨대 약 20nm의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전자 주입층(37)은 약 300torr의 압력에서 약 820~850℃의 온도에서 성장될 수 있다.
상기 전자 주입층(37) 상에 활성영역(39)이 위치한다. 도 2는 활성영역(39)을 확대 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 활성영역(39)은 서로 교대로 적층된 장벽층들(39b)과 우물층들(39w)을 포함하는 다중양자우물 구조를 갖는다. 상기 우물층들(39w)은 365nm 내지 390nm 범위의 근자외선을 방출하는 조성을 갖는다. 예컨대, 상기 우물층들(39w)은 InGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있으며, 특히 InGaN으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 우물층(39w)에 함유되는 In의 함량은 요구되는 근자외선 파장에 따라 결정된다. 예컨대, 상기 우물층(39w)에 함유되는 In 함량은 약 2% 내지 5%(따라서, Ga은 약 95~98%) 범위 내일 수 있다. 상기 우물층들(39w)은 약 20~30Å의 두께로 형성될 수 있다. 상기 우물층들(39w)은 일반 청색 발광 다이오드의 우물층들의 성장온도보다 상대적으로 높은 온도, 예컨대 약 300 torr에서 800~820℃에서 성장될 수 있으며, 이에 따라 우물층의 결정 품질을 향상시킬 수 있다.
상기 장벽층들(39b)은 우물층에 비해 밴드갭이 넓은 질화갈륨계 반도체층, 예컨대, GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlInGaN로 형성될 수 있다. 특히, 상기 장벽층들(39b)은 AlInGaN로 형성될 수 있는데, In을 포함함으로써 우물층(39w)과 장벽층(39b) 사이의 격자 불일치를 완화할 수 있다.
또한, 상기 장벽층들(39b)은 우물층의 성장 온도(예컨대, 약 800~820℃)보다 약간 높은 성장 온도, 예컨대 약 300torr에서 약 820~850℃에서 성장될 수 있다.
한편, 상기 장벽층들(39b1, 39b, 39bn) 중 전자 주입층(37) 혹은 n형 콘택층(27)에 가장 가까운 제1 장벽층(39b1)은 다른 장벽층들에 비해 Al 함량이 더 높을 수 있다. 예컨대, 제1 장벽층(39b1)의 Al 함량은 다른 장벽층들(39b)에 비해 10% 내지 20% 더 높을 수 있다. 예를 들어, 다른 장벽층들(39b, 39bn)에 약 20%의 Al이 함유될 경우, 상기 제1 장벽층(39b1)에 약 30 내지 40%의 Al이 함유될 수 있다. 이들 장벽층들(39b1, 39b, 39bn)에 함유되는 In 함량은 약 1% 이하이다. 특히, 상기 우물층들(39w)이 InGaN으로 형성되어 375~390nm의 근자외선을 방출할 경우, 상기 제1 장벽층(39b1) 이외의 다른 장벽층들(39b, 39bn)은 15 내지 25%의 Al과 1% 이하의 In을 함유하는 AlInGaN으로 형성될 수 있으며, 상기 제1 장벽층(39b1)은 30 내지 40%의 Al과 1% 이하의 In을 함유하는 AlInGaN으로 형성될 수 있다.
일반적으로 발광 소자에서 장벽층들은 서로 동일한 조성을 갖도록 형성된다. 그러나 본 실시예에 있어서, 제1 장벽층(39b1)은 다른 장벽층들(39b)에 비해 10 내지 20% 높은 Al 함량을 갖는다. 본 발명에 있어서, 전자 주입층(37)이나 n형 콘택층(27) 등은 GaN으로 형성된다. 근자외선을 방출하는 우물층(39w)과 GaN은 밴드갭 차이가 상대적으로 크지 않다. 따라서, 상기 제1 장벽층(39b1)이 다른 장벽층들(39b)에 비해 상대적으로 높은 밴드갭을 갖도록 형성됨으로써 상기 제1 장벽층(39b1)이 활성 영역(39) 내에 캐리어를 가두는 기능을 수행할 수 있다. 특히, AlInGaN 장벽층을 사용하는 경우, 홀의 이동 속도가 크게 줄어들어 전자의 오버플로우 확률이 증가될 수 있다. 이 경우, 전자 블록층(41)의 두께를 증가시켜 전자의 오버플로우를 방지하는 것을 고려할 수 있으나, 활성 영역으로의 홀의 주입을 원활하게 하기 위해 전자 블록층(41)의 두께 증가는 제한적이다. 따라서, 상기 제1 장벽층(39b1)을 다른 장벽층들보다 (약 0.5eV 이상) 더 넓은 밴드갭을 갖도록 형성함으로써 전자의 이동 속도를 감소시켜 전자의 오버플로우를 효과적으로 방지할 수 있다. 다만, 제1 장벽층(39b1)에 함유되는 Al 함량이 약 20% 이상으로 과도하게 증가할 경우, 제1 장벽층(39b1)과 전자 주입층(37) 사이 및 제1 장벽층(39b1)과 우물층(39w) 사이의 격자 불일치가 커져 활성영역(39)의 결정품질을 떨어뜨릴 수 있다.
한편, 제1 장벽층의 두께는 전자 블록층(41) 혹은 p형 콘택층(43)에 가장 가까운 마지막 장벽층을 제외한 나머지 장벽층들(예컨대, 약 40Å)과 거의 동등한 두께 또는 더 두꺼운 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 제1 장벽층은 예컨대 40 내지 60Å의 두께를 가질 수 있으며, 특히 약 45Å의 두께를 가질 수 있다.
상기 활성영역(39)은 전자 주입층(37)에 접할 수 있다. 상기 활성 영역(39)의 장벽층 및 양자우물층은 활성 영역의 결정 품질을 향상시키기 위해 불순물이 도핑되지 않은 언도프트층으로 형성될 수 있으나, 순방향 전압을 낮추기 위해 일부 또는 전체 활성 영역 내에 불순물이 도핑될 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 활성 영역(39) 상에 p형 콘택층(43)이 위치하고, 상기 활성 영역(39)과 p형 콘택층(43) 사이에 전자 블록층(41)이 위치할 수 있다. 상기 전자 블록층(41)은 AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있으며, 특히 활성영역(39)과의 격자 불일치를 완화하기 위해 AlINGaN으로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 전자 블록층(41)은 예컨대 약 36%의 Al과 3%의 In을 함유할 수 있다. 상기 전자 블록층(41)은 p형 불순물, 예컨대 Mg으로 5×1019~5×1020/㎤의 도핑 농도로 도핑될 수 있다.
상기 p형 콘택층(43)은 하부 고농도 도핑층(43a), 저농도 도핑층(43b) 및 상부 고농도 도핑층(43c)을 포함할 수 있다. 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층(43a, 43c)은 p형 불순물, 예컨대 Mg으로 5×1019~2×1020/㎤ 의 도핑 농도로 도핑될 수 있다. 상기 저농도 도핑층(43b)은 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층(43a, 43c)에 비해 상대적으로 낮은 도핑 농도를 가지며, 상기 하부 고농도 도핑층(43a)과 상부 고농도 도핑층(43c) 사이에 위치한다. 상기 저농도 도핑층(43b)은 성장하는 동안 Mg의 소스 가스(예컨대 Cp2Mg)의 공급을 차단하고 성장될 수 있다. 나아가, 상기 저농도 도핑층(43b)을 성장하는 동안 H2 가스를 제외하고 N2 가스를 캐리어 가스로서 이용하여 불순물 함유량을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 저농도 도핑층(43b)은 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층들(43a, 43c)에 비해 상대적으로 두껍게 형성된다. 예컨대, 상기 저농도 도핑층(43b)은 약 60nm의 두께로 형성되고, 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층들(43a, 43c)은 각각 10nm의 두께로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 p형 콘택층(43)의 결정품질을 향상시키고 또한 불순물 농도를 감소시킴으로써 p형 콘택층(43)에 의한 근자외선의 손실을 방지 또는 완화할 수 있다.
한편, 상기 p형 콘택층(43) 상에 오믹 콘택 저항을 낮추기 위한 델타 도핑층(45)이 위치할 수 있다. 상기 델타 도핑층(45)은 n형 또는 p형으로 고농도로 도핑되어 그 위에 형성되는 전극과 p형 콘택층(43) 사이의 오믹 저항을 낮춘다. 델타 도핑층(45)은 약 2 내지 5Å의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 기판(21) 상에 성장된 에피층들을 패터닝하여 수평형 구조의 발광 소자 또는 플립칩 구조의 발광소자가 제조될 수 있으며, 또는 상기 기판(21)을 제거하여 수직 구조의 발광 소자가 제조될 수도 있다.
(실험예 1)
n형 콘택층(27)에 가장 가까운 제1 장벽층(39b)의 Al 조성에 따른 광 출력 변화를 알아보기 위해, MOCVD 장비를 사용하여 다른 조건은 모두 동일하게 하여 에피층들을 성장시켰으며, 제1 장벽층의 Al 조성만을 달리하여 Al 조성에 따른 광 출력을 측정하였다. 도 3은 제1 장벽층의 Al 조성에 따른 광 출력을 나타내는 그래프이다. 제1 장벽층 이외의 다른 장벽층들의 Al 조성은 모두 동일하게 하였다. 각 장벽층의 Al 조성은 아토믹 프로브(Atomic Probe)를 이용하여 측정하였으며, 다른 장벽층들의 Al 조성은 약 20%이었다.
도 3을 참조하면, 제1 장벽층에 함유되는 Al 조성이 다른 장벽층들에 비해 14% 더 큰 경우 광 출력이 상대적으로 높게 나타났다. 한편, 제1 장벽층에 Al을 함유하지 않은 경우 광출력이 상대적으로 낮게 나타났다. 또한, 제1 장벽층에 함유되는 Al 조성이 약 47%로서 다른 장벽층들에 비해 27% 더 높은 시료는 다른 장벽층들과 동일한 조성의 시료보다 광출력이 더 낮게 나타났다.
(실험예 2)
n형 콘택층(27)에 가장 가까운 제1 장벽층(39b)의 두께에 따른 광 출력 변화를 알아보기 위해, MOCVD 장비를 사용하여 다른 조건은 모두 동일하게 하여 에피층들을 성장시켰으며, 제1 장벽층의 두께만을 달리하여 제1 장벽층 두께에 따른 광 출력을 측정하였다. 도 4는 제1 장벽층의 두께에 따른 광 출력을 나타내는 그래프이다. 제1 장벽층 이외의 다른 장벽층들의 두께는 p형 콘택층(43)에 가장 가까운 마지막 장벽층을 제외하고는 모두 약 45Å으로 형성하였으며, 마지막 장벽층은 약 75Å으로 상대적으로 두껍게 형성하였다. 또한, 제1 장벽층의 Al 조성은 모두 동일하게 약 34%로 하고, 다른 장벽층들의 Al 조성은 모두 약 20%로 하였다.
도 4를 참조하면, 제1 장벽층의 두께를 다른 장벽층들의 두께와 동일하게 45Å으로 한 경우, 광 출력이 상대적으로 높았다. 한편, 제1 장벽층의 두께를 25Å으로 형성한 경우, 광출력이 낮았으며, 75Å으로 두껍게 형성한 경에도 상대적으로 낮게 나타났다.

Claims (12)

  1. 질화갈륨층을 포함하는 n형 콘택층;
    질화갈륨층을 포함하는 p형 콘택층;
    상기 n형 콘택층과 상기 p형 콘택층 사이에 위치하며, 장벽층들 및 우물층들을 포함하는 다중양자우물 구조의 활성영역;
    상기 n형 콘택층과 상기 활성영역 사이에 위치하는 초격자층; 및
    상기 초격자층과 상기 활성영역 사이에 위치하며, 상기 초격자층에 비해 더 높은 n형 불순물 도핑 농도를 갖는 전자주입층을 포함하고,
    상기 장벽층들은 Al을 함유하며,
    상기 다중양자우물 구조의 활성영역은 365 내지 390nm 범위 내의 근자외선을 방출하고,
    상기 장벽층들 중 상기 n형 콘택층에 가장 가까운 제1 장벽층은 다른 장벽층들에 비해 Al을 10% 내지 20% 더 포함하며, 다른 장벽층들보다 0.5 eV 이상 더 넓은 밴드갭을 갖고,
    상기 활성 영역은 상기 전자 주입층에 접하는 발광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 장벽층들은 AlInGaN으로 형성되는 발광 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 우물층들은 InGaN으로 형성되어 375~390nm의 근자외선을 방출하고,
    상기 제1 장벽층 이외의 다른 장벽층들은 15 내지 25%의 Al과 1% 이하의 In을 함유하는 AlInGaN으로 형성된 발광 소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 장벽층은 30 내지 40%의 Al과 1% 이하의 In을 함유하는 AlInGaN으로 형성된 발광 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 p형 콘택층은 하부 고농도 도핑층, 상부 고농도 도핑층 및 상기 하부 고농도 도핑층과 상부 고농도 도핑층 사이에 위치하는 저농도 도핑층을 포함하는 발광 소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 저농도 도핑층이 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층의 두께보다 더 두꺼운 발광 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 콘택층은 하부 질화갈륨층, 상부 질화갈륨층 및 상기 하부 질화갈륨층과 상기 상부 질화갈륨층 사이에 위치하는 다층 구조의 중간층을 포함하는 발광 소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 다층 구조의 중간층은 AlInN와 GaN를 교대로 적층한 구조를 갖는 발광 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 초격자층은 InGaN/InGaN을 반복 적층한 구조를 갖고,
    상기 전자 주입층은 GaN 또는 InGaN으로 형성된 발광 소자.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 콘택층과 상기 초격자층 사이에 위치하는 언도프트 GaN층을 더 포함하는 발광 소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 언도프트 GaN층과 상기 초격자층 사이에 위치하고 상기 n형 콘택층보다 저농도로 n형 불순물이 도핑된 저농도 GaN층; 및
    상기 저농도 GaN층과 상기 초격자층 사이에 위치하고, 상기 저농도 GaN층보다 고농도로 n형 불순물이 도핑된 고농도 GaN층을 더 포함하는 발광 소자.
  12. 삭제
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