KR19980084825A - GaN계 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 GaN계 발광 다이오드에 관한 것으로서, 기판 상부에 순차적으로 하부 클래드층, 활성층, 상부 클래드층이 순차적으로 적층된 구조에서 상기 기판과 상기 하부클래드층 사이에 기판 위에 성장시의 결함 및 변위 발생을 순차적으로 완화시킴과 동시에 활성층에서 발생된 광이 상기 기판을 통해 손실되는 것을 방지하기 위해 AlGaN층과 GaN층이 각각 λ/4의 광학적 두께로 교번 반복 적층된 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층이 더 마련된다. 따라서 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층의 개재에 의해 광발진효율에 직접관련되는 활성층을 포함한 하부 클래드층 및 상부 클래드층의 계면간의 변위 및 결함발생이 저감되어 발진특성 및 수명이 향상되고, 활성층 내부로 광을 밀집시켜 광출력효율이 향상된다.

Description

GaN계 발광다이오드

본 발명은 GaN계 발광 다이오드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 계층간의 격자부정합을 저감시키도록 버퍼층이 마련되어 결함(defect)부분 발생 저감과 광출력효율을 향상시킨 GaN계 발광 다이오드에 관한 것이다.

최근, 광디스크의 고밀도화 추구에 따라 발광 다이오드의 단파장화와 고출력화에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 요구에 부응하여 ZnSe계 화합물을 이용한 청록색 발광 다이오드의 개발이 활발이 진행되고 있으나, 고유적인 결정결함등으로 인해 그 수명에 한계가 있다.

그러나, GaN을 중심으로하여 InN, AlN 등을 포함하는 3원 또는 4원 혼정계를 사용하여 제작되는 GaN계 발광 다이오드는 넓은 밴드갭에너지에 의해 자외선영역에서 녹색영역으로 이어지는 단파장의 발진파장을 제공하고, 현재까지 개발된 반도체 발광다이오드중에서 가장 짧은 파장을 갖기 때문에 고밀도의 광기록장치의 광원에 적합하고, 결정구조상 벽개면이 없어 미러층을 식각기법으로 해야하지만, 화합물 결정성장 기술의 비약적인 발전에 힘입어 ZnSe계 화합물을 이용한 청록색 발광 다이오드를 능가하는 소재로 주목받고 있다.

일반적인 반도체 발광 다이오드가 빛을 발진시키는 원리는, 발광 다이오드에 순방향으로 바이어스를 걸면, n-영역의 전자와 p-영역의 정공(hole)이 각각 상대 영역으로 이동하여 p-n접합 부근 즉, 활성층에서 재결합하면서 밴드갭에너지에 해당하는 광을 방출하게 된다. 이 때 주입되는 전자와 정공이 일정한 레벨이상이 되면 자연광을 자극하여 유도방출이 일어나 광이 증폭된다. 이와 같이 유도방출이 일어나기 위해 주입되는 최소한의 전류를 문턱전류라 하고, 발광 다이오드의 특성을 결정짓는 중요한 피라미터가 된다. 낮은 문턱전류에서 횡모드의 특성이 우수한 광을 얻기 위해 종래에는 활성층의 양측에, 그 활성층과 다른 종류의 결정체를 접합시키고 전류의 흐름을 공간적으로 제한시킨 이중헤테로접합의 스트라입(stripe)형 발광 다이오드가 사용되었다.

도 1은 종래의 이중헤테로접합의 GaN계 발광 다이오드를 나타내 보인 수직단면도이다.

도시된 바와 같이 종래의 GaN계 발광 다이오드는, 사파이어 기판(1) 위에 GaN 으로 조성된 n형 하부클래드층(2), InGaN으로 조성된 활성층(3), GaN으로 조성된 p형 상부클래드층(4)이 순차적으로 적층되어있다.

그러나 상기과 같은 종래의 GaN계 발광 다이오드는 광출사 효율과 관련있는 하부 클래드층(2)에서 사파이어 기판(1)과 GaN과의 격자 부정합에 의한 부분적인 변위(dislocation)가 직접 나타나게되고, 이러한 변위 및 결함(defect)이 이후 활성층(3) 및 상부 클래드층(4)에 연속적으로 이어져 소자의 기능을 저해하고 수명을 단축시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 각 층간의 부정합 정도를 완화시켜 발진특성 및 수명이 증대된 GaN계 발광 다이오드를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 GaN계 발광다이오드를 나타내 보인 수직단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 GaN계 발광다이오드를 나타내 보인 수직단면도이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 11: 기판 2, 14: 하부 클래드층

3, 15: 활성층 4, 16: 상부 클래드층

12: 콘택트층 13: GaN/AlGaN 멀티 버퍼층

13a: AlGaN층 13b: GaN층

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 GaN계 발광 다이오드는 기판 상부에 순차적으로 하부 클래드층, 활성층, 상부 클래드층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 GaN계 발광 다이오드에 있어서, 상기 기판과 상기 하부클래드층 사이에는 소정두께의 AlGaN층과 GaN층이 교번으로 다수 반복 적층된 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층이 더 마련된 것을 그 특징으로 한다. 상기 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층의 AlGaN층과 GaN층 각각은 발광파장의 λ/4두께로 적층되고, 상기 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층과 상기 기판사이에는 GaN으로 조성된 콘택트층이 더 마련되는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 GaN계 발광 다이오드의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 GaN계 발광 다이오드의 수직 단면도이다.

이를 참조하면, 사파이어 기판(11) 위에 순차적으로 GaN 콘택트층(12), AlGaN/GaN 멀티 버퍼층(13), GaN으로 조성된 n형 하부클래드층(14), InGaN으로 조성된 활성층(15), GaN으로 조성된 p형 상부 클래드층(16)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 도시되지는 않았지만, 상부 클래드층(16) 상부와 하부 클래드층(14)의 일측에는 각각 전극으로 이용되는 상부금속층과 하부금속층이 각각 마련된다.

본 발명에 따른 GaN계 발광 다이오드에서 기판(11)과 n형 하부 클래드층(14) 사이에 마련된 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층(13)은 사파이어 기판(11)과의 격자 부정합을 단계적으로 완충시키도록 AlGaN층(13a)과 GaN층(13b)이 교번으로 반복적층된다. AlGaN/GaN 멀티 버퍼층(13)에서 교번으로 적층되는 AlGaN층(13a)과 GaN층(13b)의 적층수는 요구되는 발광소자의 성능, 수명 등과 고려하여 적절히 결정된다. 이와 같이 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층(13)에 의해 기판(11)과의 부정합에 의한 변위를 단계적으로 완화됨으로써 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층(13)의 최상층은 결함 및 변위 발생부분이 해소되어, 주입된 전자와 정공의 결합이 대부분 이루어지는 활성층(15)과 활성층(15) 내부로의 캐리어 주입밀도를 증가시키는 하부 및 상부 클래드층(14)(16)의 변위(dislocation) 및 결함(defect) 발생이 종래보다 저감된 결정구조를 갖게된다.

AlGaN/GaN 멀티 버퍼층(13)의 적층두께는 활성층(15)에서 생성된 광이 반투명 사파이어 기판(11)에 의해 손실되는 것을 해소하기 위하여 교번으로 반복적층되는 AlGaN층(13a)과 GaN층(13b) 각각의 광학적 두께가 선택된 파장(λ)의 λ/4 두께로 적층되는 것이 바람직하다. 그리고, AlGaN/GaN 멀티 버퍼층(13)은 반사효율을 높이도록 AlGaN층(13a)으로부터 시작하여 AlGaN층으로 끝난다. 이와 같이 λ/4 두께로 AlGaN층(13a)과 GaN층(13b)이 교번 반복적층된 구조로부터 광이 활성층(15) 내부로 갖히는 효과에 의해 광출력효율이 향상된다.

상기 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층(13)을 기판(11) 위에 바로 형성시켜도 되나, 본 발명의 실시예에서는 소망하는 결정성을 갖기에 필요한 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층(13)의 적층수를 줄이기 위해 기판(11) 위에 먼저 GaN콘택트층(12)이 소정두께로 마련된다. 이때 종래에서 처럼 기판(11) 위에 형성된 GaN콘택트층(12)에는 부분적인 변위(dislocation) 및 결함(defect) 이 형성되어 있지만, 이후 AlGaN층(13a)으로부터 시작되는 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층(13)의 성장이 기판(11) 위에 직접성장되는 것보다 원할해져, 단계적으로 변위를 줄여 소망하는 상태로 결정성을 향상시키는데 요구되는 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층(13)의 적층수가 줄어들게 된다.

이와 같이 구조된 발광소자는 상부 금속층과 하부 금속층에 순방향 바이어스를 인가하면, 전자와 정공에 의한 캐리어들이 통전경로를 따라 활성층(15)으로 주입된다. 이 때 활성층(15)은 밴드갭이 작기 때문에 양쪽의 하부 및 상부 클래드층(14)(16)이 에너지 장벽을 형성하게 되어 주입된 캐리어들은 활성층(15)내에 갇히는 효과가 있게 된다. 따라서 폭이 얇은 활성층(15)내의 캐리어의 밀도는 대단히 커지게 되고, 대부분의 발광 재결합이 활성층(15)내에서 이루어지면서, 활성층(15)에서 생생된 광이 활성층(15)의 굴절율 보다 높은 값으로 조성된 하부 및 상부 클래드층(14)(16) 내부로 갖히게 되고, 특히 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층(13)에 의해 하부 클래드층 아래로의 방출이 차단되어 손실억제에 의한 광출사효율이 향상된다.

지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 GaN계 발광 다이오드는 광발진효율에 직접관련되는 활성층을 포함한 하부 및 상부 클래드층의 계면간의 변위 및 결함발생이 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층의 개재에 의해 저감되어 발진특성 및 수명이 향상된다. 또한 상기 λ/4 두께로 AlGaN층과 GaN층을 교번 반복적층된 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층에 의해 광출력효율이 향상된다.

Claims (6)

1. 기판 상부에 순차적으로 하부 클래드층, 활성층, 상부 클래드층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 GaN계 발광 다이오드에 있어서,

   상기 기판과 상기 하부클래드층 사이에는 소정두께의 AlGaN층과 GaN층이 교번으로 반복 적층된 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층이 더 마련된 것을 특징으로 하는 GaN계 발광 다이오드.
2. 제1항에 있어서, 상기 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층의 AlGaN층과 GaN층 각각은 발광파장의 λ/4두께로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 GaN계 발광 다이오드.
3. 제2항에 있어서, 상기 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층은 AlGaN층으로부터 시작하여 AlGaN층으로 끝나는 것을 특징으로 하는 GaN계 발광 다이오드.
4. 제1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 단결정인 것을 특징으로 하는 GaN계 발광 다이오드.
5. 제1항에 있어서, 상기 하부 클래드층 및 상부 클래드층은 GaN으로 각각 조성되고, 상기 활성층은 InGaN으로 조성된 것을 특징으로 하는 GaN계 발광 다이오드.
6. 제1항에 있어서, 상기 AlGaN/GaN 멀티 버퍼층과 상기 기판사이에는 GaN으로 조성된 콘택트층이 더 마련된 것을 특징으로 하는 GaN계 발광 다이오드.