KR20010068552A - 질화물 발광 소자 - Google Patents

Abstract

청색 파장의 대역을 갖는 질화물 발광 소자에 관한 것으로, 기판상에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 클래드층을 포함하는 구조에서, 제 1 도전형 클래드층과 활성층 사이, 활성층과 제 2 도전형 클래드층 사이 중 적어도 어느 한 곳에는 초격자 제한층이 형성된다. 여기서, 초격자 제한층은 다수 개의 서브층들이 적층되는데, 적층된 서브층들 중 홀수층의 서브층과 짝수층의 서브층은 에너지 밴드 갭이 서로 다르다. 그리고, 각 서브층의 두께는 1 ∼ 1000Å으로 하고, 광을 거의 100% 제한하기 위해 각 서브층의 두께를 λ/4n의 정수배(여기서, λ는 발광 파장, n은 각 서브층의 굴절률)로 할 수도 있다. 이 때, 각 서브층의 조성비는 Al_xGa_yIn_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)이다. 이와 같이, 구성되는 본 발명은 캐리어의 오버 플로우(over flow) 및 활성층에서 발생한 광을 제한함으로써 고품위 발광 소자를 구현할 수 있다.

Description

질화물 발광 소자{nitride light emitting device}

본 발명은 청색 및 녹색 파장의 대역을 갖는 질화물 발광 소자에 관한 것이다.

일반적으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 광 소자 및 전자 소자는 이미 많은 개발이 되어 있으며, 실제로 자외선 또는 가시 광선 영역의 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD)는 여러 분야에 응용되고 있고 앞으로도 그 사용 용도가 더 넓혀지고 있다.

질화물 반도체는 그들의 조성에 따라 약 1.95 ∼ 6.0 eV의 밴드갭 에너지를 가지므로, 발광 다이오드 및 레이저 다이오드와 같은 반도체 발광 소자의 재료로서 주목 받아 왔다.

최근에는 이러한 질화물 반도체 재료를 이용하여 고 휘도의 청색 발광 다이오드 및 녹색 발광 다이오드가 실제로 사용되고 있다.

이러한 발광 다이오드는 p-n 접합을 가지는 이중 헤테로 구조를 가지는데, 일반적인 발광 다이오드의 구조는 기본적으로 n형 AlGaN층과 p형 AlGaN층 사이에 InGaN 활성층이 형성되어 있는 이중 헤테로 구조를 갖는다.

그리고, 레이저 다이오드의 경우는 발광 다이오드와 유사한 구조를 가지나, 일반적으로 광과 캐리어가 각각 제한되는 분리 제한 구조를 갖는다.

즉, InGaN 활성층은 도 1에 도시된 바와 같이 n형 GaN 광 가이드층(guide layer)과 p형 GaN 광 가이드층 사이에 형성되어 있고, 그 주변에는 n형 AlGaN 캐리어 제한층과 p형 AlGaN 캐리어 제한층이 존재한다.

그러나, 이러한 구조는 캐리어를 충분히 제한하지 못하고, 특히 고온일 때는 에너지 밴드 갭이 밴딩(bending)되므로 캐리어의 제한이 더욱 힘들게 되어 결국 발광 효율이 감소한다.

또한, 상기 구조는 전자-정공의 결합에 의해 발생하는 빛을 제한하는 데에도 한계가 있다.

본 발명의 목적은 발광 효율이 높은 고품위 질화물 발광 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 질화물 발광 소자를 보여주는 구조단면도와 각 층에 따른 에너지 밴드 갭을 보여주는 도면

도 2, 도 3, 도 4는 본 발명 제 1, 제 2, 제 3 실시예에 따른 질화물 발광 소자를 보여주는 구조단면도와 각 층에 따른 에너지 밴드 갭을 보여주는 도면

본 발명에 따른 질화물 발광 소자는 기판상에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 클래드층을 포함하는 구조로 이루어지는데, 제 1 도전형 클래드층과 활성층 사이, 활성층과 제 2 도전형 클래드층 사이 중 적어도 어느 한 곳에는 초격자 제한층이 형성된다.

여기서, 초격자 제한층은 다수 개의 서브층들이 적층되는데, 적층된 서브층들 중 홀수층의 서브층과 짝수층의 서브층은 에너지 밴드 갭이 서로 다르다.

그리고, 각 서브층의 두께는 1 ∼ 1000Å으로 하고, 광을 거의 100% 제한하기 위해 각 서브층의 두께를 λ/4n의 정수배(여기서, λ는 발광 파장, n은 각 서브층의 굴절률)로 할 수도 있다.

이 때, 각 서브층의 조성비는 Al_xGa_yIn_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)이다.

또한, 초격자 제한층과 활성층 사이, 초격자 제한층과 제 1 도전형 클래드층, 초격자 제한층과 제 2 도전형 클래드층 사이 중 적어도 어느 한 곳에는 광 가이드층이 형성될 수도 있는데, 광 가이드층의 에너지 밴드 갭은 활성층의 에너지 밴드 갭보다 같거나 크고, 초격자 제한층보다 작다.

그리고, 활성층은 단일 또는 다중 양자 우물 구조를 가지며, 활성층 내에서, 제 1, 제 2 도전형의 가까운 쪽에 위치한 베리어층은 10 ∼ 3000Å의 두께로 두껍게 형성된다.

이와 같이, 구성되는 본 발명은 캐리어의 오버 플로우(over flow) 및 활성층에서 발생한 광을 제한함으로써 고품위 발광 소자를 구현할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 캐리어 및 광을 효율적으로 제한하기 위하여 기존의 질화물 발광 소자의 구조에 초격자 제한층(super-lattice blocking layer)을 더 삽입한 구조이다.

초격자 제한층은 낮은 에너지 밴드 갭(energy band gap)을 갖는 다수 개의 서브층(sub layer)들과 높은 에너지 밴드 갭을 갖는 다수 개의 서브층들이 교대로 적층되어 있다.

이 때, 적층된 서브층들은 약 1 ∼ 100쌍이고, 각 서브층의 두께는 약 1 ∼ 1000Å이며, 각 서브층의 조성비는 Al_xGa_yIn_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)인 범위를 갖는다.

또한, 초격자 제한층이 광을 거의 100% 제한하기 위해서는 각 서브층의 두께를 λ/4n의 정수배(여기서, λ는 발광 파장, n은 각 서브층의 굴절률)로 하면 된다.

초격자 제한층이 p형인 경우에는 낮은 에너지 밴드 갭을 갖는 서브층과 높은 에너지 밴드 갭을 갖는 서브층에 Mg, Zn, Cd, Be, Ca, Sr, Ba 등과 같은 불순물 이온을 도핑(doping)하거나 또는 언도핑(undoping)할 수 있으며, 도핑을 한 경우, 도핑된 불순물의 농도는 약 10¹⁷∼ 10²¹/cm³으로 한다.

그리고, 초격자 제한층이 n형인 경우에는 낮은 에너지 밴드 갭을 갖는 서브층과 높은 에너지 밴드 갭을 갖는 서브층에 Si, Ge 등과 같은 불순물 이온을 도핑(doping)하거나 또는 언도핑(undoping)할 수 있으며, 도핑을 한 경우, 도핑된 불순물의 농도는 약 10¹⁷∼ 10²¹/cm³으로 한다.

한편, 초격자 제한층은 유효 밴드 갭 에너지가 인접된 활성층이나 광 가이드층에 비하여 월등히 크므로(약 0.01 ∼ 5eV) 캐리어가 오버 플로우(over flow)하는 것을 막을 수 있고, 특히 낮은 에너지 밴드 갭을 갖는 서브층과 높은 에너지 밴드 갭을 갖는 서브층을 교대로 적층하여 이 효과를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 에너지 밴드 갭을 갖는 서브층을 적층하여 결정질이 손상되는 현상을 높은 에너지 밴드 갭을 갖는 서브층에 의해서 결정질을 좋게 할 수 있다.

또한, 초격자 제한층은 활성층에서 전자-정공의 결합에 의해 발생한 빛도 활성층 내로 제한하는 효과도 있다.

만일, 활성층에서 발생하는 빛을 거의 100% 정도 활성층 내로 제한하려면, 각 서브층의 두께를 λ/4n의 정수배(여기서, λ는 발광 파장, n은 각 서브층의 굴절률)로 하는 것이 바람직하다.

도 2, 도 3, 도 4는 본 발명 제 1, 제 2, 제 3 실시예에 따른 질화물 발광 소자를 보여주는 구조단면도와 각 층에 따른 에너지 밴드 갭을 보여주는 도면이다.

본 발명 제 1 실시예의 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 기판 위에 버퍼층, n형 접촉층, 균열 방지층, n형 클래드층, n형 초격자 제한층, n형 광 가이드층, 활성층, p형 광 가이드층, p형 초격자 제한층, p형 클래드층, p형 접촉층이 순차적으로 적층된 구조로 이루어진다.

여기서, 광 가이드층의 에너지 밴드 갭은 활성층보다 같거나 크고, 초격자 제한층은 광 가이드층보다 크다.

경우에 따라서는 균열 방지층, n형 클래드층, n형 초격자 제한층을 생략하거나 또는 p형 클래드층, p형 초격자 제한층을 생략할 수도 있다.

그리고, 전류를 인가하기 위하여 n형 전극은 n형 접촉층의 노출면 위에 형성되고, p형 전극은 p형 접촉층의 노출면 및 전류제한층 위에 일부가 형성된다.

또한, 기판의 재료는 사파이어, ZnS, ZnO, GaAs, GaN 등과 같이 질화물 반도체를 성장시키기에 적합한 재료를 사용한다.

한편, 본 발명 제 2 실시예의 구조는 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명 제 1 실시예와 거의 비슷하다.

본 발명 제 2 실시예는 본 발명 제 1 실시예의 광 가이드층 대신에 베리어 가이드층(barrier guide layer)을 사용한 점이 본 발명 제 1 실시예와 다르다.

베리어 가이드층은 단일 또는 다중 양자 우물(quantum well) 구조의 활성층에서 n형 및 p형 쪽에 가까운 베리어층의 두께를 약 10 ∼ 3000Å으로 늘려서 마치 기존의 광 가이드층 역할을 할 수 있게 한 것이다.

여기서, 베리어 가이드층의 재질은 활성층의 베리어 재질과 같다.

이와 같이, 두꺼운 베리어 가이드층을 형성하게 되면, 별도의 광 가이드층을 형성할 필요가 없고, 기존의 활성층과 광 가이드층 사이에서 성분이 다른 물질을 성장함으로써 발생하는 계면 결함(interface defect)을 최소로 할 수 있어 결정질향상을 도모할 수 있다.

경우에 따라서는 균열 방지층, n형 클래드층, n형 초격자 제한층을 생략하거나 또는 p형 클래드층, p형 초격자 제한층을 생략할 수도 있다.

그리고, 본 발명 제 3 실시예의 구조도 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명 제 1 실시예와 거의 비슷하다.

본 발명 제 3 실시예는 본 발명 제 1 실시예의 구조에서 광 가이드층과 초격자 제한층을 바꾸어 놓은 것으로 이 때 활성층은 베리어 가이드층(barrier guide layer)을 사용할 수도 있다.

그 효과는 다른 실시예와 동일하다.

본 발명 제 3 실시예에서도, 경우에 따라 균열 방지층, n형 클래드층, n형 초격자 제한층을 생략하거나 또는 p형 클래드층, p형 초격자 제한층을 생략할 수도 있다.

본 발명에 따른 질화물 발광 소자에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 초격자 제한층을 도입하여 초격자 제한층의 반대편에 있는 캐리어가 활성층으로부터 오버 플로우하는 막을 수 있고, 특히 낮은 에너지 밴드 갭을 갖는 서브층과 높은 에너지 밴드 갭을 갖는 서브층을 교대로 적층하여 이 효과를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 에너지 밴드 갭을 갖는 서브층을 적층하여 결정질이 손상되는 현상을 높은 에너지 밴드 갭을 갖는 서브층에 의해서 결정질을 좋게 할 수 있다.

또한, 초격자 제한층은 활성층에서 전자-정공의 결합에 의해 발생한 빛도 활성층 내로 제한하는 효과도 있다.

그리고, 제 2 실시예와 같이 두꺼운 베리어 가이드층을 형성하면, 별도의 광 가이드층을 형성할 필요가 없고, 기존의 활성층과 광 가이드층 사이에서 성분이 다른 물질을 성장함으로써 발생하는 계면 결함(interface defect)을 최소로 할 수 있어 결정질 향상을 도모할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (11)

1. 기판상에 제 1 도전형 클래드층, 활성층, 제 2 도전형 클래드층을 포함하는 질화물 발광 소자에 있어서,

   상기 제 1 도전형 클래드층과 활성층 사이, 상기 활성층과 제 2 도전형 클래드층 사이 중 적어도 어느 한 곳에 초격자 제한층이 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 초격자 제한층은 다수 개의 서브층들이 적층되는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 적층된 서브층들 중 홀수층의 서브층과 짝수층의 서브층은 에너지 밴드 갭이 서로 다른 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 각 서브층의 두께는 1 ∼ 1000Å이거나 λ/4n의 정수배(여기서, λ는 발광 파장, n은 각 서브층의 굴절률)인 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 각 서브층의 조성비는 Al_xGa_yIn_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)인 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 초격자 제한층과 활성층 사이, 상기 초격자 제한층과 제 1 도전형 클래드층, 상기 초격자 제한층과 제 2 도전형 클래드층 사이 중 적어도 어느 한 곳에는 광 가이드층이 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 광 가이드층의 에너지 밴드 갭은 상기 활성층의 에너지 밴드 갭보다 같거나 크고, 상기 초격자 제한층보다 작은 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 기판과 제 1 도전형 클래드층 사이에는 버퍼층, 제 1 도전형 콘택층, 균열 방지층이 순차적으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 클래드층 위에는 제 2 도전형 접촉층과 전류 제한층이 적층되는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 활성층은 단일 또는 다중 양자 우물 구조인 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 활성층 내에서, 제 1, 제 2 도전형의 가까운 쪽에 위치한 베리어층은 10 ∼ 3000Å의 두께로 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 발광 소자.