KR102246648B1 - 자외선 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부 양자 효율이 향상된 자외선 발광 다이오드에 대한 것이다. 본 발명에 따른 발광 다이오드는 AlGaN층 또는 AlInGaN층을 포함하는 n형 콘택층; AlGaN층 또는 AlInGaN층을 포함하는 p형 콘택층; 및 n형 콘택층과 p형 콘택층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성영역을 포함하고, 다중양자우물구조의 활성영역은 교번 적층된 장벽층들 및 확률 분포 함수에 따라 존재하는 전자와 정공을 포함하는 우물층들을 포함하되, 장벽층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성되고, 장벽층들의 Al 함량은 10 내지 30%이고, 장벽층들 중에서, 우물층들 사이에 배치된 장벽층들 중 적어도 하나는 우물층들 중 어느 하나보다 얇은 두께를 가지고, 우물층들 사이에 배치된 장벽층들 중 적어도 하나는, 인접한 우물층에 주입되어 갖힌(Confine) 전자와 정공이 이웃한 우물층으로 전이될 수 없는 두께와 에너지 밴드갭을 가진다.

Description

자외선 발광 다이오드{ULTRA VIOLET LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 자외선 발광 다이오드에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 내부 양자 효율이 향상된 자외선 발광 다이오드에 대한 것이다. 보다 자세하게는 활성영역에서 전자와 정공의 재결합 효율이 향상된 자외선 발광 다이오드에 대한 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. 이러한 질화갈륨계 발광 다이오드는 n형 및 p형 질화갈륨계 반도체층 사이에 위치한 InGaN 계열의 다중양자우물 구조의 활성층을 포함한다.
도 1은 종래의 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 도 1의 활성 영역을 확대 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 발광 다이오드는 기판(11), 3차원 성장층(13), n형 콘택층(15), 활성영역(17), p형 콘택층(19), n-전극(10) 및 p-전극(20)을 포함한다. 이러한 구조를 가지는 종래의 발광 다이오드는 n형 콘택층(15)과 p형 콘택층(19) 사이에 다중양자우물 구조의 활성영역(17)을 포함하여 발광 효율을 개선하고 있으며, 다중양자우물 구조 내의 InGaN 우물층의 In 함량을 조절하여 원하는 파장의 광을 방출할 수 있다.
한편, GaN는 약 3.42eV의 밴드갭 에너지를 갖는데, 이 에너지는 약 365nm의 파장의 광 에너지에 대응한다. 따라서, 우물층과 장벽층의 밴드갭 차이로 인한 효율을 고려하여 GaN 또는 InGaN을 우물층으로 사용하는 발광 다이오드는, 대체로 400nm 이상의 자외선 또는 청색광을 방출하는데 사용되고 있다. 400nm 이하의 자외선을 방출하는 발광 다이오드를 제공하기 위해서는 우물층과 장벽층의 밴드갭을 증가시킬 필요가 있고, 따라서, GaN 또는 InGaN에 Al을 첨가한 우물층이 사용된다(대한민국 공개특허공보 제10-2012-0129449참조).
InGaN을 포함하는 우물층을 포함하고 400nm 이상의 광을 방출하는 활성영역의 에너지 밴드갭은, GaN 또는 InGaN 장벽층과 우물층의 밴드갭 차이가 크므로, 우물층 내에서 높은 양자 효율을 가질 수 있다. 그러나, 상술한 GaN 또는 InGaN에 Al을 첨가해 파장이 400nm 이하의 광을 방출할 수 있는 밴드갭을 가진 우물층을 가지는 활성영역에서 양자 효율을 높이기 위해서는, 에너지 밴드갭에서 장벽층이 보다 높은 에너지 밴드갭을 가져야 한다.
한편, 도 2를 다시 참조하면, 종래 기술에 따른 활성영역(17)이 포함하는 장벽층(17b)의 두께는 우물층(17w)의 두께보다 두껍다. 이는, 우물층(17w)에서 전자와 정공의 결합을 극대화시켜 광 효율을 증가시키기 위함이다. 더 자세히 설명하면, 우물층들과 장벽층들은 적어도 하나 이상의 주기를 가지고 교번 적층된다. 전자와 정공이 우물층으로 주입되어 갖히면(confine), 전자와 정공 각각은 하나의 입자라고 볼 수 없다. 즉, 우물층에 갖힌 전자와 정공은 양자우물 구조 내에서 분포 함수에 의해 확률적으로 존재한다. 이를 확률 분포 함수라 하며, 불확정성의 원리에 따라 전자와 정공을 존재 확률에 의한 산포 그래프로 표시할 수 있다. 따라서, 전자와 정공은 활성영역 내의 우물층 내에 주입되지만, 상술한 확률 분포 함수에 따라 장벽층 내에도 전자와 정공이 존재할 확률은 존재한다.
또한, 장벽층을 사이에 두고 인접한 우물층들 각각에 주입된 전자와 정공 역시 확률 분포 함수에 따라 분포되고, 불확정성의 원리에 따라 전자와 정공은 자신이 주입된 우물층 외에, 인접한 우물층으로 전이될 확률이 존재한다. 인접한 우물층들의 확률 분포 함수는 확률적으로 서로 겹칠 수 있으며, 장벽층의 두께가 얇아질수록 인접한 우물층들 간의 확률 분포 함수가 겹치는 정도는 증가된다. 인접한 우물층들이 포함하는 전자와 정공의 확률 분포 함수가 겹치는 현상을 확률 분포 함수의 오버랩이라고 한다.
확률 분포 함수의 오버랩의 정도가 커질수록 이웃하는 우물층으로의 전자나 정공의 전이확률이 높아지며, 이에 따라, 전자와 정공의 재결합 확률이 낮아지므로 내부 양자 효율이 낮아진다. 따라서, 내부 양자 효율을 향상시키기 위해서는, 전자 및/또는 정공의 전이를 차단하기 위하여, 장벽층은 충분히 두꺼운 두께를 가지거나, 높은 에너지 밴드갭을 가져야 한다.
따라서, 종래 기술에서는, 전자 및 정공의 전이를 차단하기 위하여 장벽층의 두께를 일정하게 확보하였다. 즉, 장벽층의 두께를 이웃하는 우물층들의 전자와 정공의 확률 분포 함수가 서로 오버랩(overlap) 되지 않는 두께이상이 되도록 한다. 인접한 우물층들의 전자와 정공의 확률 분포 함수가 오버랩되지 않는 장벽층의 두께를 장벽층 침투 깊이라고 할 수 있으며, 상기 장벽층 침투 깊이는 우물층과 장벽층의 밴드갭 크기의 차이가 클수록, 우물층의 두께가 넓을수록 얕아진다. 예를 들어, In이 15% 이고 두께가 2~3nm인 InGaN 우물층에 GaN 장벽층을 형성하여 약 460~440nm의 파장을 방출하는 활성영역 구조인 경우에, 우물층과 장벽층간 전자대(Conduction band) 에너지 차이가 370meV 일 때 침투 깊이는 5nm 정도 이므로 우물층의 두께는 10~15nm 일 수 있다.
상술한 바와 같이, 종래 기술의 경우에는 장벽층의 두께는 장벽층 침투 깊이 이상이 되어야 하므로, 장벽층(17b)의 두께가 두껍다. 따라서, 전자와 정공이 각 우물층(17w)으로 전달되는데(Carrier transfer) 장벽층이 장애 요인으로 작용한다. 이에 따라 발광 다이오드의 구동 전압이 증가되고, 우물층에 전자와 정공이 고르게 주입되지 않기 때문에 내부 양자 효율이 감소되는 문제점이 생길 수 있다.
따라서, 얇은 두께를 가지는 장벽층을 가짐과 동시에, 높은 에너지 밴드갭을 가지는 장벽층을 포함하는 활성영역을 가지는 발광 다이오드의 개발이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 높은 에너지 밴드갭을 가지면서도 전자와 정공이 각 우물층에 효과적으로 고르게 전달되어 내부 양자 효율이 증대되는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 장벽층이 전자 및 정공의 주입을 방해하지 않아 낮은 구동 전압을 가지는 자외선 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 우물층에 비해 상대적으로 얇은 두께를 가지면서, 우물층들 각각의 전자와 정공의 확률 분포 함수가 장벽층에 침투하여 서로 오버랩(overlap) 되지 않는 장벽층을 포함하는 자외선 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 우물층의 두께보다 얇은 두께를 가지면서도, 우물층에 주입된 전자 또는 정공이 인접한 우물층으로 전이될 수 있는 우물층의 밴드갭과 두께 비율 보다 높은 밴드갭과 두께를 가지 최소 두께의 장벽층을 포함하는 자외선 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 우물층보다 얇은 장벽층을 제공하면서 상기 전자 전이 문제를 해결할 수 있는 최적화된 장벽층과 우물층의 함량 및 두께를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 자외선 발광 다이오드는 AlGaN층 또는 AlInGaN층을 포함하는 n형 콘택층; AlGaN층 또는 AlInGaN층을 포함하는 p형 콘택층; 및 상기 n형 콘택층과 상기 p형 콘택층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성영역을 포함하고, 상기 다중양자우물구조의 활성영역은 교번 적층된 장벽층들 및 확률 분포 함수에 따라 존재하는 전자와 정공을 포함하는 우물층들을 포함하되, 상기 장벽층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성되고, 상기 장벽층들의 Al 함량은 10 내지 30%이고, 상기 장벽층들 중에서, 상기 우물층들 사이에 배치된 장벽층들 중 적어도 하나는 상기 우물층들 중 어느 하나보다 얇은 두께를 가지고, 상기 우물층들 사이에 배치된 장벽층들 중 적어도 하나는, 인접한 우물층에 주입되어 갖힌(Confine) 전자와 정공이 이웃한 우물층으로 전이될 수 없는 두께와 밴드갭을 가질 수 있다.
또한, 상기 장벽층들의 Al 함량은 10 내지 30%이고, In 함량은 0~5%, 우물층의 Al 함량은 1% 미만이고 In 함량은 0~10% 일 수 있다. 상기 우물층 사이에 있는 장벽층들 중 적어도 하나는 상기 우물층들 중 어느 하나보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
한편, 상기 장벽층들 중 적어도 하나의 두께는 상기 우물층들 중 어느 하나의 두께의 50% 이상 및 100% 미만일 수 있다.
상기 장벽층들중 적어도 하나의 두께는 2nm 이상 및 3nm 이하이고, 상기 우물층들 중 어느 하나는 3nm 초과 및 4nm 이하일 수 있다.
또한 상기 장벽층들 중 n형 콘택층과 p형 콘택층에 인접한 두 장벽층은 우물층보다 두꺼울 수 있다. 이로 인해 다중양자우물 구조의 활성영역 내부에서 전자와 정공의 전이가 용이해지고 활성영역 밖으로 이탈되는 전자와 정공의 수는 줄어든다.
또한, 상기 n형 콘택층과 상기 활성영역 사이에 위치하는 적어도 하나의 전자 제어층을 더 포함하고, 상기 전자 제어층은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성되고, 이웃하는 층들에 비해 더 많은 Al을 함유할 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.
상기 저농도 도핑층이 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층의 두께보다 더 두꺼울 수 있다.
나아가, 상기 n형 콘택층은 하부 질화갈륨층, 상부 질화알루미늄갈륨층 및 상기 하부 질화갈륨층과 상기 상부 질화알루미늄갈륨층 사이에 위치하는 다층 구조의 중간층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 다층 구조의 중간층은 AlGaN와 GaN를 교대로 적층한 구조를 가질 수 있다.
한편, 상기 n형 콘택층과 상기 활성영역 사이에 위치하는 초격자층; 및 상기 초격자층과 상기 활성영역 사이에 위치하는 전자 주입층을 더 포함하되, 상기 전자 주입층은 상기 초격자층에 비해 더 높은 n형 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다.
상기 초격자층은 제1 AlInGaN층과 제2 AlInGaN층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
나아가, 상기 전자 주입층은 AlGaN으로 형성될 수 있다.
상기 n형 콘택층과 상기 초격자층 사이에 위치하는 언도프트 AlGaN층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 언도프트 AlGaN층과 상기 초격자층 사이에 위치하고 상기 n형 콘택층보다 저농도로 n형 불순물이 도핑된 저농도 AlGaN층; 및 상기 저농도 AlGaN층과 상기 초격자층 사이에 위치하고, 상기 저농도 AlGaN층보다 고농도로 n형 불순물이 도핑된 고농도 AlGaN층을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 n형 콘택층은 모듈레이션 도핑된 AlGaN층을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 다중양자우물구조의 활성영역은 360 내지 405nm 범위 내의 자외선을 방출할 수 있다.
본 발명에 따른 자외선 발광 다이오드는 우물층보다 얇은 두께를 가지면서도, 우물층들 내에 갖힌 전자와 정공이 인접한 우물층으로 전이되지 않는 에너지 밴드갭을 가지는 장벽층을 포함하므로 상기 자외선 발광 다이오드의 구동 전압을 낮출 수 있으며, 내부 양자 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 발광 다이오드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 활성 영역을 확대 도시한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드의 다중양자우물 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극들을 갖는 자외선 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드가 포함하는 다중양자우물 구조의 TEM 사진이다
도 7은 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드가 방출하는 광의 파워를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에 있어서 백분율로 표시된 금속 원소(Al 또는 In)의 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. 한편, 본 명세서에 있어서 백분율로 표시된 금속 원소(Al 또는 In)의 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.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이고, 도 4는 상기 자외선 발광 다이오드의 다중양자우물구조를 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 자외선 발광 다이오드는 n형 콘택층(27), 활성영역(39) 및 p형 콘택층(43)을 포함한다. 나아가, 상기 자외선 발광 다이오드는 기판(21), 버퍼층(23), 3차원 성장층(25), 전자 주입층(37), 전자 블록층(41) 또는 델타 도핑층(45)을 포함할 수 있다.
기판(21)은 질화갈륨계 반도체층을 성장시키지 위한 기판으로, 사파이어, SiC, 스피넬 등 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 패터닝된 사파이어 기판(PSS)일 수 있다.
버퍼층(23)은 기판(21) 상에 3차원 성장층(25)을 성장시키기 위해 400 내지 600℃의 저온에서 (Al, Ga)N로 형성될 수 있으며, 예컨대, GaN 또는 AlGaN으로 형성된다. 버퍼층(23)은 약 25nm의 두께로 형성될 수 있다. 3차원 성장층(25)은 기판(21)과 n형 콘택층(27) 사이에서 전위와 같은 결함발생을 완화하기 위한 층으로, 700~900℃의 상대적으로 고온에서 성장된다. 3차원 성장층(25)은 예컨대, 언도프트 GaN으로 1~2㎛의 두께로 형성될 수 있다.
n형 콘택층(27)은 n형 불순물, 예컨대 Si이 도핑된 질화갈륨계 반도체층으로 형성되며, 예컨대 약 1~3㎛의 두께로 형성될 수 있다. 상기 n형 콘택층(27)은 Al 2~10%의 AlGaN으로 구성되고 Al 함량이 이웃하는 층보다 더 높고 두께는 5~30nm인 AlGaN층 또는 AlInGaN이 중간 삽입되며, 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 n형 콘택층(27)은 도시한 바와 같이, 하부 AlGaN층(27a), 중간층(27b) 및 상부 AlGaN층(27c)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 중간층(27b)은 AlInN 또는 AlN으로 형성되거나, AlInN 또는 AlGaN과 GaN를 교대로 예컨대 약 4~10주기 적층한 다층 구조(초격자 구조 포함)로 형성될 수 있다. 상기 하부 AlGaN층(27a)은 약 1.5㎛의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 상부 AlGaN층(27c)은 약 1㎛의 두께로 형성될 수 있다. 상기 상부 AlGaN층(27c)은 10% 미만, 예컨대 약 2~9%의 Al 함량을 가질 수 있다. 한편 하부 AlGaN층의 Al 함량은 상부 AlGaN층보다 낮을 수 있다.
상기 중간층(27b)은 상기 상부 AlGaN층들(27c)에 비해 상대적으로 작은 두께를 갖도록 형성되며, 전체 두께의 합이 약 80nm의 두께로 형성될 수 있다. 하부 AlGaN층(27a) 상에 중간층(27b)을 형성하고, 그 위에 상부 AlGaN층(27c)을 형성함으로써, 상부 AlGaN층(27c)의 결정성을 향상시킬 수 있다. 중간층이 형성됨으로써 n형 콘택층(27)이 하부 3차원 성장층(25)와의 격자상수 차이로 인한 크랙(Crack) 발생을 저지한다.
특히, 상기 하부 AlGaN층(27a)과 상부 AlGaN(27c)에 Si 불순물이 1E18/㎤ 이상의 고농도로 도핑된다. 상기 중간층(27b)에는 상기 상부 AlGaN층(27c)과 동일한 정도 또는 더 높은 정도로 도핑될 수 있으며, 의도적으로 Si 불순물이 1E18/㎤ 이상으로 고농도 도핑 될 수 있다. 나아가, 상기 상부 AlGaN층(27c)은 도핑 및 언도핑을 반복하여 모듈레이션 도핑층으로 형성된 구간을 포함할 수 있다. 상기 중간층과 모듈레이션 층을 통해 전자의 수평 분산력이 증대된다. 상기 n형 콘택층(27)에 콘택하는 n-전극(도 7의 49a)은 상부 AlGaN층(27c)에 접촉할 수 있다. 특히, 기판(21)을 제거하여 수직 구조의 발광 다이오드를 형성할 경우, 3차원 성장층(25)에 레이저를 조사해 기판을 제거하며 (Laser lift off) p형 콘택층 상부에 지지기판을 형성하고 하부 AlGaN층(27a) 및 중간층(27b)은 KOH 또는 NaOH 용매를 이용한 습식 에칭을 통해 제거될 수도 있다.
전자 제어층(28)은 n형 콘택층(27)에 비해 더 많은 Al을 함유함으로써 n형 콘택층(27)으로부터 활성 영역(39)으로 이동하는 전자의 흐름을 방해한다. 전자의 이동도는 홀의 이동도 보다 10~100 배 높으므로 이를 제어하여, 활성 영역(39) 내에서의 전자와 정공의 전이도의 균형을 맞춤으로써 재결합율을 향상시킨다.
정전방전 방지층(30)은 도핑층 사이에 언도프트 층을 삽입하여 콘덴서(Capacitor) 구조를 구현함으로써 정전 방전 충격을 완화하기 위해 형성한다. 정전방전 방지층(30)은 언도프트 AlGaN층(29), 저농도 AlGaN층(31) 및 고농도 AlGaN층(33)을 포함할 수 있다. 언도프트 AlGaN(29)은 의도적으로 불순물이 도핑되지 않는 AlGaN으로 형성되며, 상부 AlGaN(27c)에 비해 상대적으로 얇은, 예컨대 80nm 내지 300nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 언도프트 AlGaN층(29)은 n형 콘택층(27)에 비해 상대적으로 비저항이 높기 때문에, n형 콘택층(27)과 고농도 AlGaN층(33) 사이에서 캐패시턴스(Capacitance)를 형성한다 이에 따라 외부에서 발생하는 정전기에 따른 역 전압으로 발생되는 충격을 완화 시켜 활성층의 파손을 막아준다. 상기 저농도 층(31)은 언도프층(29)으로 인해 전자가 주입되는 저항도를 낮추어 동작전압을 조절하는 역할을 한다.
상기 저농도 AlGaN층(31)은 상기 언도프트 AlGaN층(29) 상에 위치하며 상기 n형 콘택층(27)보다 더 낮은 농도로 도핑된 n형 불순물 도핑 농도를 갖는다. 상기 저농도 AlGaN층(31)은 예컨대 5×1017/㎤ ~5×1018/㎤ 범위 내의 Si 도핑 농도를 가질 수 있으며, 상기 언도프트 AlGaN층(29)에 비해 상대적으로 얇은 두께로, 예컨대 50~120nm의 두께로 형성될 수 있다. 한편, 상기 고농도 AlGaN층(33)은 상기 저농도 AlGaN층(31) 상에 위치하며, 상기 저농도 AlGaN층(31)에 비해 더 높은 n형 불순물 도핑 농도를 갖는다. 상기 고농도 AlGaN층(33)은 상기 n형 콘택층(27)과 거의 유사한 정도의 Si 도핑 농도를 가질 수 있다. 상기 고농도 AlGaN층(33)은 상기 저농도 AlGaN층(31)에 비해 상대적으로 얇은 두께를 가질 수 있으며, 예컨대 약 20~40nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 n형 콘택층(27), 전자 제어층(28), 언도프트 AlGaN층(29), 저농도 AlGaN층(31) 및 고농도 AlGaN층(33)은 챔버 내로 금속 소스 가스를 공급하여 연속적으로 성장될 수 있다. 금속 소스 가스의 원료로는 Al, Ga, In의 유기물, 예컨대 TMAl, TMGa, TEGa 및/또는 TMIn 등이 사용된다. 한편, Si의 소스 가스로는 SiH4가 사용될 수 있다. 이들 층들은 제1 온도, 예컨대 1050℃~1150℃에서 성장될 수 있다.
전자 제어층(34)은 정전방전 방지층(30) 상에 위치한다. 특히, 전자 제어층(34)은 고농도 AlGaN층(33)에 접하여 위치한다. 전자 제어층(34)은 정전방전 방지층(30)의 Al 함유량보다 더 많은 Al을 함유하며, AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. 예컨대, 전자 제어층(34)의 Al 함유량은 10 내지 30% 범위 내, In은 0~5% 범위 내일 수 있다. 전자 제어층(34)은 약 1 내지 10nm의 두께로 형성될 수 있다.
전자 제어층(34)은 정전 방전 방지층(30)에 비해 더 많은 Al을 함유함으로써 n형 콘택층(27)으로부터 활성 영역(39)으로 이동하는 전자의 흐름을 방해한다. 이에 따라, 전자 제어층(34)은 전자의 이동도를 제어하여 활성 영역(39) 내에서의 전자와 정공의 재결합율을 향상시킨다.
상기 초격자층(35)은 전자 제어층(34) 상에 위치한다. 초격자층(35)은 조성이 서로 다른 제1 AlInGaN층과 제2 AlInGaN층을, 예컨대 각각 20Å의 두께로 약 30주기 교대로 적층하여 형성될 수 있다. 상기 제1 AlInGaN층 및 제2 AlInGaN층은 활성영역(39) 내의 우물층들(도 2의 39w)에 비해 상대적으로 넓은 밴드갭을 갖는다. 상기 제1 AlInGaN층 및 제2 AlInGaN층에 함유되는 In 함량은 우물층들(39w)에 함유되는 In 함량보다 작을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 AlInGaN층 및 제2 AlInGaN층 중 적어도 하나의 층은 우물층(39w)보다 높은 In 함량을 가질 수도 있다. 예컨대, 상기 제1 AlInGaN층 및 제2 AlInGaN층 중 In을 더 많이 함유하는 층의 In 함량은 약 1%이고, Al은 약 8%일 수 있다. 상기 초격자층(35)은 의도적으로 불순물을 도핑하지 않고 언도프트층으로 형성될 수 있다. 초격자층(35)이 언도프트 층으로 형성되기 때문에 발광 다이오드의 누설전류를 감소시킬 수 있다.
상기 초격자층(35)은 전체 격자상수의 평균치가 활성영역의 우물층의 중간 값을 갖기 때문에 그 위에 형성되는 활성영역에 대해 격자상수 차이 완화층으로 작용할 수 있으며, 따라서 활성영역의 격자 상수 차이로 인한 피에조 효과를 줄여 내부 양자 효율을 개선한다.
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 동일하거나 더 높은 n형 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 n형 불순물 도핑 농도는 2×1018/㎤ ~2×1019/㎤ 범위 내일 수 있으며, 더 바람직하게는 1×1019/㎤ ~2×1019/㎤ 범위 내일 수 있다. 상기 전자 주입층(37)은 상기 고농도 도핑층(33)과 유사하거나 그보다 상대적으로 작은 두께를 갖도록, 예컨대 약 20~100nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 전자 주입층(37)은 예컨대 AlInGaN으로 형성될 수 있으며 전자의 이동도를 향상시키기 위해 In이 0~5% 주입될 수 있다.
상기 전자 주입층(37) 상에 활성영역(39)이 위치한다. 도 4는 활성영역(39)을 확대 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 활성영역(39)은 서로 교대로 적층된 장벽층들(39b)과 우물층들(39w)을 포함하는 다중양자우물 구조를 갖는다. 우물층들(39w)은 400nm 이하의 자외선을 방출하는 조성을 가질 수 있다. 예컨대, 우물층들(39w)은 GaN, InGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. 우물층(39w)이 InGaN으로 형성된 경우에는, 함유되는 In의 함량은 요구되는 자외선 파장에 따라 결정된다. 예컨대, 우물층(39w)에 함유되는 In 함량은 약 5% 이하일 수 있다. 우물층들(39w) 각각의 두께는 약 3 내지 4nm 일 수 있다. 우물층들(39w) 각각에는 전자와 정공이 주입될 수 있으며, 주입된 전자와 정공이 우물층(39w)에 갖히면(confine), 상기 전자와 정공은 하나의 입자로 볼 수 없고, 다중양자우물 구조에서 확률 분포 함수에 따라 확률적으로 존재한다.
장벽층들(39b)은 우물층에 비해 밴드갭이 큰 질화갈륨계 반도체층, 예컨대, AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있으며, AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1)식으로 표현될 수 있다. 특히, 장벽층(39b)는 In을 1% 이하로 포함할 수 있는데, 이를 통해 우물층(39w)과 장벽층(39b) 사이의 격자 불일치를 완화하고 Al조성이 높아짐으로 인해 장벽층의 결정 품질이 저하되는 것을 보상한다. 한편 장벽층의 In 함량은 우물층의 In 함량보다 낮을 수 있다. 본 실시예에 있어서, 장벽층들(39b)는 Al을 포함하는 AlGaN 또는 AlInGaN일 수 있다. 이때, 장벽층들(39b)는 10 내지 30%의 Al을 포함할 수 있다. 또한, 장벽층들(39b) 각각의 두께는 2 내지 3nm일 수 있다. 또한, 장벽층(39b) 하나의 두께는 우물층(39w) 하나의 두께의 50% 이상 및 100% 미만일 수 있다. 장벽층(39b)의 두께는 Al 함량과 반비례이다. 즉 Al 이 30% 일 때는, 장벽층(39b)의 두께가 2nm이어도, 상기 장벽층(39b)와 인접하게 배치된, 우물층들 각각의 전자와 정공의 확률 분포 함수가 서로 오버랩되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 장벽층들(39b) 중 적어도 하나의 장벽층은 그 두께가 나머지 장벽층과 다를 수 있으며, 복수의 장벽층들(39b) 중 어느 하나가 다른 어느 하나의 장벽층에 비해 Al 함량은 더 높으면서 두께는 더 얇을 수 있다. 즉, 장벽층들(39b) 각각은 서로 다른 두께와 밴드갭 에너지 크기를 가질 수 있다.
장벽층들(39b)의 Al 함량은 10 내지 30% 이고, 이에 따라 장벽층들(39b)은 우물층(39w)에 비해 큰 밴드갭을 가질 수 있으므로, 본 실시예에 있어서, 장벽층들(39b)는 우물층(39w)보다 얇은 두께를 가짐에도 불구하고, 인접하는 우물층들(39w)의 확률 분포 함수가 서로 오버랩되지 않는 충분한 장벽층 침투 깊이를 확보할 수 있다., 따라서, 본 발명에 따른 자외선 발광 다이오드는 내부 양자 효율을 향상시키고, 구동 전압을 낮출 수 있다.
다시 도 3을 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 형성되거나 상기 층들을 복수로 적층할 수 있다. 전자 블록층(41)이 활성영역(39)과 p형 콘택층(43) 사이에 AlInGaN으로 형성될 경우, 활성영역(39)과의 격자 불일치를 더욱 완화할 수 있다. 이때, 상기 전자 블록층(41)은 예컨대 약 40%의 Al을 함유할 수 있다. 상기 전자 블록층(41)은 p형 불순물, 예컨대 Mg으로 도핑될 수 있으나 불순물을 의도적으로 도핑하지 않을 수도 있다. 상기 전자 블록층(41)은 약 15nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 p형 콘택층(43)은 Mg이 도핑된 AlGaN층 또는 AlInGaN층으로 형성될 수 있으며, 예컨대 Al의 함량은 약 8%, 두께는 50~100nm일 수 있다. 상기 p형 콘택층(43)은 단일층으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도시한 바와 같이, 하부 고농도 도핑층(43a), 저농도 도핑층(43b) 및 상부 고농도 도핑층(43c)을 포함할 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 Mg 불순물 함유량을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 저농도 도핑층(43b)은 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층들(43a, 43c)에 비해 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 저농도 도핑층(43b)은 약 60nm의 두께로 형성되고, 상기 하부 및 상부 고농도 도핑층들(43a, 43c)은 각각 10nm의 두게로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 p형 콘택층(43)의 결정품질을 향상시키고 또한 불순물 농도를 감소시킴으로써 p형 콘택층(43)에 의한 자외선의 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.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극들을 갖는 자외선 발광 다이오드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 5는 기판(21) 상에 성장된 에피층들을 패터닝하여 제조된 수평형 구조의 발광 다이오드를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 발광 다이오드는 도 3을 참조하여 설명한 기판(21) 및 에피층들에 더하여 투명 전극(47), n-전극(49a) 및 p-전극(49b)을 포함한다.
투명 전극(47)은 예컨대 인디움틴산화물(ITO)로 형성될 수 있다. p-전극(49b)은 투명 전극(47) 상에 형성된다. 한편, n-전극(49a)은 에피층들을 식각하여 노출된 n형 콘택층(27), 특히 상부 AlGaN층(27c) 상에 접촉한다. 전자 제어층(28)은 n-전극(49a)이 접촉하는 n형 콘택층(27) 상에 위치하여 n형 콘택층(27)에서 활성 영역(39)으로 진행하는 전자의 흐름을 방해한다.
본 실시예에 있어서, 수평형 구조의 발광 다이오드를 도시 및 설명하였지만, 본 발명은 수평형 구조의 발광 다이오드에 한정되는 것은 아니다. 기판(21) 상에 성장된 에피층들을 패터닝하여 플립칩 구조의 발광 다이오드가 제조될 수 있으며, 또는 상기 기판(21)을 제거하여 수직 구조의 발광 다이오드가 제조될 수도 있다.
도 6은 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드가 포함하는 다중양자우물 구조의 TEM 사진이다. 도 6의 (a)는 종래 기술에 따른 발광 다이오드가 포함하는 다중양자우물구조의 TEM 사진이고, 도 6의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드가 포함하는 다중양자우물 구조의 TEM 사진이다.
도 6을 참조하면, 종래 기술에 따른 다중양자우물 구조에서, 우물층(17w)은 대략 3.2nm의 두께이고, 장벽층(17b)은 대략 4.9nm의 두께이다. 이와 비교하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중양자우물 구조의 우물층(39w)은 대략 3.7nm의 두께이고, 장벽층(39b)은 대략 2.9nm의 두께인 것을 확인할 수 있다.
도 7은 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드가 방출하는 광의 파워를 나타내는 그래프이다. 도 7에서 a선은 종래 기술을, b선은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드가 방출하는 광의 파워를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 동일한 칩 구조에서 동일한 구동 전류를 각각 인가했을 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드가 방출하는 광의 파워가 우수함을 확인할 수 있다. 칩의 구조가 동일하므로 광 추출 효율이 동등하다고 가정했을 때 내부 양자 효율이 증대되었음을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. AlGaN층 또는 AlInGaN층을 포함하는 n형 콘택층;
    AlGaN층 또는 AlInGaN층을 포함하는 p형 콘택층; 및
    상기 n형 콘택층과 상기 p형 콘택층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성영역을 포함하고,
    상기 다중양자우물 구조의 활성영역은 교번 적층된 장벽층들 및 확률 분포 함수에 따라 존재하는 전자와 정공을 포함하는 우물층들을 포함하되,
    상기 장벽층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성되고,
    상기 장벽층들의 Al 함량은 10 내지 30%이고,
    상기 장벽층들 중에서, 상기 우물층들 사이에 배치된 장벽층들 중 적어도 하나는 상기 우물층들 중 어느 하나보다 얇은 두께를 가지고,
    상기 우물층들 사이에 배치된 장벽층들 중 적어도 하나는, 인접한 우물층에 주입되어 갖힌(Confine) 전자와 정공이 이웃한 우물층으로 전이될 수 없는 두께와 에너지 밴드갭을 가지는 자외선 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 우물층들 사이에 배치된 장벽층들 중 적어도 하나의 두께는, 상기 우물층들 중 어느 하나의 두께의 50% 이상 및 100% 미만인 자외선 발광 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 장벽층들중 적어도 하나의 두께는 2nm 이상 및 3nm 이하이고, 상기 우물층들 중 어느 하나는 3nm 초과 및 4nm 이하인 자외선 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 우물층의 In 함량은 5% 이하이고, 상기 장벽층의 In 함량은 1% 이하이며, 상기 우물층의 In 함량보다 상기 장벽층의 In 함량이 더 낮은 자외선 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 우물층의 Al 함량은 5% 이하이고, 상기 장벽층의 Al함량은 10~30% 이며, 상기 활성영역 내에서 상기 장벽층의 두께는 Al 함량과 반비례인 자외선 발광 다이오드.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 콘택층과 상기 활성영역 사이에 위치하는 적어도 하나의 전자 제어층을 더 포함하고,
    상기 전자 제어층은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성되고, 이웃하는 층들에 비해 더 많은 Al을 함유하는 자외선 발광 다이오드.
  7. 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 자외선 발광 다이오드.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 콘택층은 하부 질화갈륨층, 상부 질화알루미늄갈륨층 및 상기 하부 질화갈륨층과 상기 상부 질화알루미늄갈륨층 사이에 위치하는 다층 구조의 중간층을 포함하는 자외선 발광 다이오드.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 다층 구조의 중간층은 AlGaN와 GaN를 교대로 적층한 구조를 갖는 자외선 발광 다이오드.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 콘택층과 상기 활성영역 사이에 위치하는 초격자층; 및
    상기 초격자층과 상기 활성영역 사이에 위치하는 전자 주입층을 더 포함하되,
    상기 전자 주입층은 상기 초격자층에 비해 더 높은 n형 불순물 도핑 농도를 갖는 자외선 발광 다이오드.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 n형 콘택층과 상기 초격자 사이에 위치하는 언도프트 AlGaN층을 더 포함하고,
    상기 언도프트 AlGaN층과 상기 초격자층 사이에 위치하고 상기 n형 콘택층보다 저농도로 n형 불순물이 도핑된 저농도 AlGaN층; 및
    상기 저농도 AlGaN층과 상기 초격자층 사이에 위치하고, 상기 저농도 AlGaN층보다 고농도로 n형 불순물이 도핑된 고농도 AlGaN층을 더 포함하는 자외선 발광 다이오드.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 콘택층은 모듈레이션 도핑된 AlGaN층을 포함하는 자외선 발광 다이오드.
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