KR20020080345A - 발광소자 - Google Patents

Abstract

In을 포함하는 질화물반도체로 이루어지는 활성층을 갖는 발광소자, 특히 장파장(550nm 이상)의 빛을 발광하는 발광소자의 발광출력을 향상시키기 위해서, 본발명에 관한 발광소자는 n형 반도체층과 p형 반도체층의 사이에 활성층이 형성된 발광소자로서, 활성층은 In을 포함하는 In_xlGa_l-x1N(x₁>0)으로 이루어진 우물층과, 그 우물층상에 형성되는 Al을 포함하는 Al_y2Ga_l-y2N(y₂>0)으로 이루어진 제1장벽층을 포함한다.

Description

발광소자{LIGHT-EMITTING DEVICE}

근래, 청색 LED, LD등으로 대표되는 질화물반도체층을 갖는 발광소자가 주목받고 있다. 질화물반도체로 구성되는 소자는 그 융점이 높고 비교적 열에 강하다고 하는 특징이 있으며 온도 의존성이 작기 때문에 발광소자 뿐만 아니라 각종 소자에의 응용이 기대되고 있다. 인정

또한, LED는 저소비 전력 및 수명이 매우 길다는 특징과, 소비 전력의 절약 및 유지 빈도의 저감에 효과가 있기 때문에, 신호기용의 발광원으로서도 유망시되고 있고, 옥외에서도 충분한 시인성(視認性)이 얻어지도록 고휘도의 LED의 개발이 요구되고 있다. 또한, 황색 영역의 빛은 상술한 신호기 이외에도, 자동차의 방향 지시기, 도로 교통 정보 게시판등, 사람에 대해 주의를 요하는 표시에 쓰이는 것이 많고 폭넓은 용도로 이용되고 있다.

황색 영역의 파장의 빛을 발광하는 고휘도 LED로서는 이미 AlGaInP로 이루어진 LED가 실용화되고 있다. 그러나, AlGaInP으로 이루어진 LED는 온도 의존성이 크고, 특히 고온에서의 발광출력의 저하가 현저하다고 하는 문제점이 있었다. 이러한 고온에 있어서의 발광출력의 저하는 옥외에 설치되는 표시기에 있어서는 특히 큰 문제가 된다. 왜냐하면, 일반적으로, 태양광선이 강한 여름철 혹은 열대지역에서는 표시기내의 온도가 대단히 높아져, 태양광선이 강한 상황하에서의 발광출력의 저하는 시인성의 저하로 이어지기 때문이다. 이는, 사람에 대해 주의를 요하는 표시에 쓰이는 것이 많고 황색 영역의 빛을 발광하는 표시기에 있어서는 대단히 큰 문제가 된다.

질화물반도체층(예를들어 In_xAl_yGa_l-x-yN, 0≤x, 0≤y, x+y≤1)을 갖는 발광소자로, 예를들어 신호기의 노란색에 상당하는 황색 영역의 파장의 빛을 발광시키는데는, 활성층을 인듐(In)을 포함하는 혼정(混晶)으로 하여 그 인듐의 혼정비 x를 크게 하여 밴드갭 에너지를 작게함으로써, 발광 파장을 장파장화 할 수 있는 것이 알려져 있다. 그러나, 질화물반도체층을 갖는 발광소자에 의해 황색 영역의 파장의 발광을 얻기 위해서, 활성층의 인듐의 혼정비를 크게 하여감으로써 발광 파장을 장파장화한 경우, 인듐 혼정비가 커짐에 따라 발광출력이 저하한다고 하는 문제점이 있다. 이 발광출력의 저하는 발광파장 λd가 550 nm 부근에서 현저해진다. 더욱이, 590 nm 부근의 발광 파장을 얻기 위해 필요한 양의 인듐(In)를 포함하는 활성층에 있어서는 그 표면상태가 극도로 나빠져, 그 위에 형성하는 반도체층을 결정성 좋게 형성할 수 없다고 하는 문제점이 있었다.

본발명은 LED (발광다이오드), LD (레이저 다이오드)등의 발광장치에 이용되는 질화물반도체층(예를들면 In_xAl_yGa_l-x-yN, 0≤X, 0≤y, x+y≤1)를 갖는 발광소자에 관한다.

도 1은 본발명에 관한 실시형태1의 발광 다이오드의 모식적(模式的)인 단면도이다.

도 2는 실시형태1의 활성층의 구성을 나타내는 모식적인 단면도이다.

도 3은 실시형태1에 있어서의 일변형예의 활성층의 구성을 나타내는 모식적인 단면도이다.

도 4는 실시형태1에 있어서의 다른 변형예의 활성층의 구성을 나타내는 모식적인 단면도이다.

도 5는 본발명에 관한 실시형태2의 활성층의 구성을 나타내는 모식적인 단면도이다.

도 6은 실시형태2에 있어서의 일변형예의 활성층의 구성을 나타내는 모식적인 단면도이다.

도 7은 실시형태2에 있어서의 다른 변형예의 활성층의 구성을 나타내는 모식적인 단면도이다.

도 8은 본발명에 관한 실시형태3의 레이저 다이오드의 구성을 나타내는 모식적인 단면도이다.

도 9는 본발명에 관한 발광 다이오드에 있어서의 제1장벽층의 Al 혼정비 y₂에 대한 문턱치 전압을 나타내는 그래프이다.

도 10은 본발명에 관한 발광 다이오드에 있어서의, 제1장벽층의 Al 혼정비y₂에 대한 발광 출력을 나타내는 그래프이다.

도 11은 본발명에 관한 발광 다이오드의 중간적인 소자 상태에 있어서의, 제1장벽층의 A1 혼정비 y₂에 대한 PL 발광출력을 나타내는 그래프이다.

도 12는 본발명에 관한 발광 다이오드의 온도 특성과, 종래의 AlGaInP로 이루어지는 발광다이오드의 온도 특성을 비교하여 나타내는 그래프이다.

도 13은 본발명에 관한 실시예4의 발광 다이오드의 구성을 나타낸 모식적인 단면도이다.

도 14는 본발명에 관한 발광 다이오드의 제1장벽층(13)(A1 혼정비 0.15)의 표면 형태를 나타낸 AFM 형상이다.

도 15는 본발명에 관한 발광 다이오드의 제1장벽층(13)(Al 혼정비 0.30)의 표면 형태를 나타낸 AFM 형상이다.

도 16은 본발명에 관한 발광 다이오드의 제1장벽층(13)(A1 혼정비 0.45)의 표면 형태를 나타낸 AFM 형상이다.

도 17은 본발명에 관한 발광 다이오드의 제1장벽층(13)(A1 혼정비 0.60)의 표면 형태를 나타낸 AFM 형상이다.

도 18은 본발명에 관한 발광 다이오드에 있어서의 Al 혼정비 Z에 대한 구동전압을 나타내는 그래프이다.

도 19는 본발명에 관한 실시형태4의 발광 다이오드의 활성층의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 20은 본발명에 관한 실시형태4의 발광 다이오드의 활성층과 그 근방의 에너지 레벨을 나타내는 도이다.

도 21은 본발명에 관한 실시형태5의 발광 다이오드의 활성층의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 22는 본발명에 관한 실시형태5의 변형예의 활성층의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 23은 본발명에 관한 실시형태5의 발광 다이오드에 있어서의, 파장에 대한 발광 출력을 나타내는 그래프이다.

본발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, In을 포함하는 질화물반도체로 이루어지는 활성층을 갖는 발광소자, 특히 황색 영역의 파장보다도 장파장(550 nm 이상)의 빛을 발광하는 발광소자의 발광출력을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 더욱이 황색 영역의 파장의 빛을 발광하는 질화물반도체층의 위에 형성되는 반도체층의 결정성을 향상시키는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본발명에 관한 발광소자는, n형 반도체층과 p형 반도체층의 사이에 활성층이 형성된 발광소자로서, 상기 활성층은, In을 포함하는 Inx₁Ga_l-x1N(x₁>0)으로 이루어진 우물층과, 상기 우물층상에 형성되는 Al을 포함하는 Al_y2Ga_l-y2N (y₂>0)으로 이루어진 제1장벽층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본발명의 발광소자는, 질화물반도체 발광소자, 특히 황색 영역의 파장보다도 장파장의 빛을 발광하는 질화물 반도체층을 갖는 발광소자의 발광출력을 향상시킬 수 있다. 또한, 우물층 및 제1장벽층의 위에 형성되는 반도체층의 결정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본발명에 관한 발광소자에 있어서, 우물층을 In_xlGa_l-x1N(0.6≤x₁≤1)으로 이루어진 3원혼정으로 하고 있기 때문에, 우물층 및 그 위에 형성되는 제1장벽층의 결정성을 향상시킬 수 있고, 제1장벽층 위에 형성되는 반도체층의 결정성을 더욱 향상시킬 수 있다.

한편, 본발명에 관한 발광소자에 있어서, 상기 우물층은 인접하는 층에서확산된 Al을 포함하고 있어도 좋다.

또한, 본발명에 관한 발광소자에 있어서, 상기 제1장벽층은 인접하는 층에서 확산된 In을 포함하고 있어도 좋다.

또한, 본발명에 관한 발광소자에 있어서, 우물층의 In의 혼정비 x₁이 0. 6이상으로 구성됨으로써, 황색의 파장 영역, 또는 그 이상의 장파장의 발광을 얻을 수 있다.

또한, 본발명에 관한 발광소자에서는, 상기 우물층의 In 혼정비 x₁은, 상기 우물층에 있어서 530 nm 이상의 파장의 빛을 발광하도록 설정되어 있는 것이 바람직하다.

더욱이 본발명에 관한 발광소자에 있어서, 제1장벽층의 Al 혼정비 y₂를 0.l 이상으로 하는 것이 바람직하고, 이로 인해, 특히 황색 영역 또는 그 이상의 장파장의 빛을 발광하는 소자의 발광 출력을 향상시킬 수 있다.

또한, 제1장벽층의 Al 혼정비 y₂를 0.15이상으로 하는 것이 더욱 바람직하고, 보다 한층 바람직하게는 제1장벽층의 A1 혼정비 y₂를 0.2이상으로 한다.

이와 같이, 제1장벽층의 A1 혼정비 y₂를 크게 하면 발광소자의 문턱치 전압을 저감할 수 있다.

또한, 본발명에 관한 발광소자에 있어서, 상기 활성층은, In_x3Al_y3Ga_l-x3-y3N (0≤x₃≤0.3, 0≤y₃≤0.1, x₃+y₃≤0.3)으로 된 제2장벽층을 포함하는 것이 바람직하고, 이로 인해, 그 위에 형성되는 우물층의 결정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본발명에 관한 발광 소자에 있어서, 제2장벽층을 In_x3Ga_l-x3N(0≤x₃≤0.3)으로 이루어진 3원혼정 혹은 x₃= 0에 상당하는 GaN으로 이루어진 2원혼정으로 하는 것이 더욱 바람직하고, 이로 인해, 우물층과의 격자상수 차에 의한 결정 결함을 저감하면서 In의 고혼정화(高混晶化)에 따른 제2장벽층 자체의 결정성의 열화를 억제할 수 있고, 우물층의 결정성을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 본발명에 관한 발광소자는 상기 제2장벽층, 상기 우물층, 상기 제1장벽층을 포함함으로써 In의 혼정비가 큰 경우에 있어서도 상기 활성층을 결정성 좋게 형성할 수 있기 때문에, 다중 양자 우물구조를 갖는 활성층에 보다 적합하다.

또한, 본발명에 관한 발광소자에 있어서, 상기 n형 반도체층은 캐리어를 상기 활성층에 가두기 위한 n형 클래드층을 포함하는 한편 상기 p형 반도체층은 캐리어를 상기 활성층에 가두기 위한 p형 클래드층을 포함하고 있으며, 상기 활성층과 상기 n형 클래드층의 사이에, In을 포함하는 질화물반도체로 이루어지는 n측 제2 클래드층을 포함하고, 상기 활성층과 상기 p형 클래드층의 사이에, In을 포함하는 질화물반도체로 이루어지는 p측 제2 클래드층을 포함하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 발광소자에 있어서, 상기 n측 제2 클래드층 및 상기 p측 제2 클래드층은, 상기 n형 클래드층과 상기 p형 클래드층과의 격자상수 차에 기인하여 상기 활성층에 생기는 결정성의 악화 및 불필요한 변형의 발생등을 방지할 수 있기 때문에 발광출력을 향상시킬 수 있다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

실시형태1.

도 1에 본발명을 발광 다이오드에 적용한 실시형태1의 구조를 모식적으로 나타낸다. 본 실시형태1의 발광 다이오드는 기판(101)상에 버퍼층(l02), 언도프 GaN층(103), n형 콘택트층(104), n형 클래드층(105), 활성층(106), p형 클래드층(107), p형 콘택트층(108)이 순차로 적층되고, n형 콘택트층(104) 및 p형 콘택트층(108)에는 각각 n전극(111) 및 p전극(112)이 형성되어 구성된다.

기판(101)은 원하는 질화물반도체층(In_xAl_yGa_l-x-yN, x≥0, y≥0, x+y≤1)을 성장시키기 위한 것으로 적절히 선택된다. 버퍼층(102)은 기판(l01)과 질화물반도체(In_xAl_yGa_l-x-yN, x≥0, y≥0, x+y≤1)와의 격자상수 부정을 완화하기 위해서 형성되는 층이다. 언도프 GaN 층(103)은 그 위에 성장시키는 n형 콘택트층(104)의 결정성을 양호하게 하기 위한 층이다. n형 콘택트층(104)은 n전극(111)과 오믹 접촉을 실현시키기 위한 층이다. n형 클래드층(105)은 캐리어를 활성층(106)에 가두기 위한 층이다. 활성층(106)은 발광을 하는 층이다. p형 클래드층(107)은 n형 클래드층(105)과 마찬가지로 캐리어를 활성층(106)에 가두기 위한 층이다. p형 콘택트층(108)은 p전극(112)과 오믹 접촉을 실현시키기 위한 층이다.

상기 발광 소자의 기판(101), 버퍼층(102), 언도프 GaN층(103)은 그 위의 각 층이 형성된 후, 발광 출력의 향상이나 빛의 내부 흡수의 저감등을 목적으로 식각등을 이용하여 선택적으로 적절히 제거해도 된다. 한편, 본 명세서에 있어서는 각 층의 성장 방향을 위로하여 설명한다. 따라서, 본 실시형태1에서는 n형 반도체층에서 볼때 p형 반도체층 방향이 위가 된다.

이하에 본발명에 관한 실시형태1의 질화물반도체 발광 다이오드에 있어서의 각 구성요소에 관해 상세히 설명한다.

기판(101)에는 C면을 주면으로 하는 사파이어 외에, R면, A면을 주면으로 하는 사파이어, 그 외에 스핀넬(MgA1₂O₄)과 같은 절연성의 기판(101) 외에, SiC(6H, 4H, 3C를 포함함), ZnS, ZnO, GaAs, GaN 등의 반도체 기판(101)을 사용할 수 있다.

버퍼층(102)은 기판(101)과 질화물반도체(In_xAl_yGa_l-x-yN, X≥0, y≥0, x+y≤1)와의 격자상수 부정을 완화하기 위해 형성되는 층이며, 예를 들어 AlN, GaN, AlGaN, InGaN 등을 사용할 수 있다. 버퍼층(102)은 바람직하게는 900℃이하의온도로 성장시켜, 막두께 10Å∼500Å로 형성된다.

언도프 GaN층(103)은 불순물을 첨가하지 않고 성장시키는 GaN층이며, 본 실시형태1과 같이 버퍼층(102)상에 언도프 GaN층(103)을 더 성장시키면, 그 언도프 GaN층(103)위에 성장시키는 n형 콘택트층(104)의 결정성을 양호하게 할 수 있다.

n형 콘택트층(104)은 Si등의 n형 불순물이 통상 3×10^l8/cm²이상, 바람직하게는 5×1O^l8/cm²이상의 농도로 도프되어 이루어진다. n형 콘택트층(104)의 조성은 In_x5Al_y5Ga_1-x5-y5N (0≤x₅, 0≤y₅, x₅+y₅≤1)으로 구성할 수 있는데, 본발명은 그 조성에만 한정되는 것은 아니지만, GaN 또는 y값 0.2이하의 Al_yGa_l-yN으로 하는 것이 바람직하고, 이로 인해 결정 결함이 적은 질화물반도체층을 얻을 수 있다. n형 콘택트층(104)의 막두께는 이하의 범위에 한정되는 것은 아니지만, n전극(111)을 형성하는 층이기 때문에 0.1∼20㎛, 바람직하게는 0.5∼l0㎛, 보다 바람직하게는 1∼5㎛로 설정한다.

이어서, n형 클래드층(105)은 언도프된 n형 클래드 제1층이나 n형 불순물 도프된 n형 클래드 제2층, 언도프된 n형 클래드 제3층의 적어도 3층으로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, n형 클래드층(105)은 상기 제1층∼제3층 이외의 그 밖의 층을 더욱 포함해도 좋다. 또한 n형 클래드층(l05)은 활성층(l06)과 접해 있어도, 활성층(106)의 사이에 다른 층을 포함하고 있어도 좋다.

이들 n형 클래드 제1층∼제3층을 구성하는 질화물반도체로서는, (In_xAl_yGa_l-x-yN x≥0, y≥0, x+y≤1)으로 표시되는 여러가지 조성의 질화물반도체를 사용할 수 있는데, GaN으로 이루어지는 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 n형 클래드층(105)의 제1∼제3의 각 층은 조성이 서로 동일해도 달라도 된다. n형 클래드층(105)의 막두께는, 특히 이하의 범위에 한정되는 것이 아니지만, 바람직하게는 175∼12000Å, 보다 바람직하게는 1000∼10000Å, 보다 더 바람직하게는 2000∼6000Å이다. n형 클래드층(105)의 막두께가 상기 범위이면 Vf의 최적화를 꾀할 수 있고 정전 내압을 향상시킬 수 있다.

상기 범위의 막두께를 갖는 클래드층의 막두께의 조정은, n형 클래드 제1층, 제2층, 및 제3층의 각 막두께를 적절히 조정하여, n형 클래드층(105)의 총 막두께를 상기 범위로 하는 것이 바람직하다. 상기 n형 클래드층(105)을 구성하는 각 층의 조성은 (In_xAl_yGa_l-x-yN, x≥0, y≥0, x+y≤1)으로 표시되는 조성의 반도체에서 선택할 수 있지만, 바람직하게는 In 및 A1의 비율이 작은 조성으로 하고, 보다 바람직하게는 GaN으로 이루어지는 층으로 한다.

또한, 본 실시형태1에 있어서, n형 클래드층(105)상에는 도 2에 나타내는 단일 양자 우물구조의 활성층(106)이 형성된다. 활성층(106)은 우물층(12)의 아래에 형성되는 제2장벽층(11)과, 캐리어의 재결합에 의해 발광을 하는 우물층(12)과, 우물층(12) 위에 형성되는 제1장벽층(13)을 포함하여 이루어지고, 제1장벽층(13)의 위에는 더욱이 p형 클래드층(107)을 결정성 좋게 성장시키기 위한 최상부층(14)이 형성된다.

제2장벽층(1l)은 예를 들면 인듐(In), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 질소(N)의 2종 이상으로 이루어지는 일반식 In_x3Al_y3Ga_l-x3-y3N (0≤x₃, 0≤y₃, x₃+y₃≤0.1)으로 표시되는 질화물반도체로 구성된다. 이 제2장벽층(11)은 이어서 형성되는 황색 영역의 파장의 발광을 위해서 필요한 In의 혼정비가 큰 질화물반도체로 이루어지는 우물층(12)의 결정성이 양호해지도록, In 혹은 Al의 혼정비 x₃, y₃을 x₃≤0.3, y₃≤0.1로 또한 x₃+y₃≤0.3으로 하는 것이 바람직하다. 특히, Inx₃Ga_l-x3N(x₃≤0.3)의 3원 혼정 혹은 GaN으로 이루어지는 2원 혼정으로 하는 것이, 제2장벽층(11)과 우물층(12)의 격자상수 차에 기인하는 결정 결함을 저감하면서 In의 고혼정화에 따른 하부장벽(11)층 자체의 결정성의 열화를 억제할 수 있고, 그 위에 형성되는 우물층(12)의 결정성을 보다 향상시킬 수 있기 때문에 보다 바람직하다. 막두께는 10Å 이상 100Å 이하로 하는 것이 우물층(l2)을 결정성 좋게 성장시키기 때문에 바람직하다.

우물층(12)은, 예를 들어 인듐(In), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 질소 N으로 이루어지는 In_x1Al_y1Ga_l-x1-ylN (x₁>0, y₁≥0, x₁+y₁≤1)으로 구성된다.

인듐(In), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga)의 혼정비는, 황색의 발광으로서 유효한 파장 영역인 λ_d가 550 nm∼610 nm의 범위 혹은 그 이상의 장파장역에 발광의 피크 파장 λ_d이 얻어지도록 결정된다. 특히, 우물층(l2)의 인듐(In)의 혼정비 x₁를 x₁≥0.6으로 함으로써 황색으로서 바람직한 발광 파장이 얻어진다.

그러나, In의 혼정비 x₁를 크게 함에 따라 격자 상수가 커지기 때문에, 다른 층과의 격자부정합이 커진다. 이 때문에 우물층(12)은, 그 우물층(12)과의 격자상수 차가 비교적 작고 결정성이 좋은 결정으로 이루어지는 층상에 형성할 필요가 있다. 본발명에서는, 상술한 제2장벽층(11)과의 조합으로 우물층(12)을 형성하고 있기 때문에, 우물층(12)을 결정성 좋게 형성할 수 있고, 더욱이 그 결정성이 좋은 우물층(12)상에는, 그 우물층(12)과는 격자상수 차가 큰 결정으로 이루어진 층이더라도 결정성 좋게 형성할 수 있게 된다. 또한, 우물층(12)은 Inx₁Ga_l-x1N의 3원 혼정, 혹은 InN의 2원 혼정으로서 구성하는 것이 결정성 좋게 성장시킬 수 있어 보다 바람직하다. 우물층(12)의 막두께는 10Å 이상 100Å 이하로 하는 것이 바람직하다.

제1장벽층(13)은, 예를들어 인듐(In), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 질소 N으로 이루어지는 In_x2Al_y2Ga_l-x2-y2N (x₂≥0, y₂>0, x₂+y₂≤1)으로 구성된다. 이 제1장벽층(13)은 알루미늄(Al)을 필수적인 구성요소로 하고 있고, 이로 인해 우물층(12)에 있어서 발광되는 황색 영역 파장의 발광 출력을 향상시킬 수 있다. 또한, 상술한 조성으로 함으로써, 제1장벽층(13)의 위에 형성되는 최상부층(14)의 결정성을 향상시킬 수 있다. 더욱이 제1장벽층(13)은 Al_y2Ga_1-y2N의 3원 혼정으로서 구성하는 것이 결정성을 보다 양호하게 하기 때문에 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 A1의 혼정비 y₂≥0.1로 하고, 더욱 바람직하게는 y₂≥0.15로 한다. 또한, 본발명에 있어서, 제1장벽층(13)의 밴드갭 에너지는 제2장벽층(11)보다도 크게 하는 것이 바람직하다. 제1장벽층(13)의 막두께는 10Å 이상 100Å 이하로 하는 것이 바람직하다.

최상부층(14)은, 예를 들면 인듐(In), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 질소 N으로 이루어지는 In_x4Al_y4Ga_l-x4-y4N (0≤x₄, 0≤y₄, x₄+y₄≤0.1)으로 구성된다. 상기 최상부층(14)은 이어서 형성되는 p형 클래드층을 결정성 좋게 성장시키기 위해서, In 혹은 Al의 혼정비 x₄, y₄를 0≤x₄, y₄≤0.1로 또한 x₄+y₄≤0.1로 설정하는 것이 바람직하다. 더욱이, Al_y4Ga_l-y4N의 3원 혼정 혹은 GaN으로 이루어지는 2원 혼정으로 하는 것이, 그 위에 형성되는 p형 클래드층(107)을 결정성 좋게 성장시킬 수 있어 보다 바람직하다. 막두께는 10Å 이상 100Å 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 최상부층(14)은 제2장벽층(l1)과 같은 구성으로 해도 좋다.

이상 설명한 활성층(106)의 각 층은, 불순물을 포함하지 않는 언도프층, Si등의 n형 불순물을 도프한 n형 도프층이나, Mg등의 p형 불순물을 도프한 p형 도프층중에서 적절히 선택하여 구성할 수가 있다.

본 실시형태(1)에서는, 활성층(106)을 n형 클래드층(105)상에 제2장벽층(11), 우물층(12), 제1장벽층(13), 최상부층(14)을 순차로 형성함으로써 구성했다. 그러나, 본발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 활성층(106)을 대신해, 도 3에 나타낸 바와 같이, 제l장벽층(13), 제2장벽층(11), 우물층(12), 제1장벽층(13), 최상부층(14)이 순차로 형성된 활성층(106a)을 사용하여 구성해도좋다. 이와 같이 우물층(12)의 n형 클래드층(105)측에 제2장벽층(11)보다도 밴드갭 에너지가 큰 제1장벽층(l3)을 형성함으로써, 우물층(12)에의 캐리어를 보다 효과적으로 가둘 수 있다.

또한, 제1장벽층(13)과 p형 클래드층(107)의 격자정합을 취할 수 있는 범위라면, 활성층(106)을 대신해 도4에 나타낸 바와 같이 최상부층(14)을 생략한 활성층(l06b)을 사용하여 구성할 수도 있다. 물론, 활성층을 제1장벽층(13), 제2장벽층(11), 우물층(12), 제1장벽층(13)으로서 구성하는 것도 가능하다.

즉, 본발명은 적어도 하나의 우물층상에 Al을 포함하는 제1장벽층(13)을 구비하고 있으면 좋고, 그 최소한의 조건을 만족하도록 하여 여러가지 변형이 가능하다.

활성층(106)상에는 p형 클래드층(107)이 형성된다. p형 클래드층(107)은 밴드갭 에너지가 큰 p형 클래드 제1층과, p형 클래드 제1층보다도 밴드갭 에너지가 작은 p형 클래드 제2층을 적층함으로써 다층막으로 해도 좋고, p형 불순물을 함유하는 Al_bGa_l-bN(0≤b≤1)으로 이루어진 단일층으로 해도 좋다. 또한, 다층막으로 하는 경우, p형 클래드 제1층과 p형 클래드 제2층은 서로 p형 불순물 농도가 달라도 되고 동일해도 된다.

이어서, 우선 p형 클래드층(107)을 다층막 구조(초격자 구조)로 한 경우에 관해 상세히 설명한다.

다층막인 p측 클래드층(107)을 구성하는 p형 클래드 제1층 및 p형 클래드제2층의 막두께는, 100Å이하, 더욱 바람직하게는 70Å이하, 가장 바람직하게는 10∼40Å의 막두께로 조정되고, p형 클래드 제1층과 p형 클래드 제2층의 막두께는 서로 동일해도 달라도 좋다. 다층막 구조의 각 막두께를 상기 범위로 설정하면, 각 질화물반도체층이 탄성 임계 막두께 이하가 되고, 막두께로 성장시키는 경우에 비하여 결정성이 좋은 질화물 반도체층을 성장시킬 수 있고, 또한 질화물반도체층의 결정성을 좋게 할 수 있기 때문에, p형 불순물을 첨가한 경우에 캐리어 농도가 크고 저항율이 작은 p형층이 얻어지고, 소자의 Vf, 문턱치를 저하시킬 수 있다. 이러한 막두께를 갖는 두 종류의 층을 한쌍으로 하여 복수회 적층하여 다층막층을 형성한다.

그리고, p형 다층막 클래드층의 총 막두께는, 이 p형 클래드 제1층, p형 클래드 제2층의 각 막두께를 조정하고 적층 회수를 조정함으로써 조정한다. p형 다층막 클래드층의 총 막두께는 특히 한정되지 않지만, 2000Å이하, 바람직하게는 1000Å이하, 보다 바람직하게는 500Å 이하이다.

p형 클래드 제1층은 적어도 Al을 포함하는 질화물반도체, 바람직하게는 Al_nGa_l-nN(0< n≤1)을 성장시키는 것이 바람직하고, p형 클래드 제2층은 바람직하게는 Al_pGa_l-pN (0≤p< 1, n>p), In_rGa_l-rN (0≤r≤1)과 같은 2원 혼정, 3원 혼정의 질화물반도체를 성장시키는 것이 바람직하다.

p형 클래드층(107)의 p형 클래드 제1층, p형 클래드 제2층의 p형 불순물농도는 다르게, 즉, 한쪽층의 불순물농도를 크게, 다른 한쪽층의 불순물농도를 작게 한다. n형 클래드층(105)과 마찬가지로, 밴드갭 에너지가 큰 p형 클래드 제1층쪽의 p형 불순물농도를 크게 하여, 밴드갭 에너지가 작은 p형 클래드 제2층의 p형 불순물농도를 작게 하는 것이 바람직하다. 또한, 밴드갭이 작은 p형 클래드 제2층은 언도프로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 본발명은 상술한 구성에 한정되는 것이 아니라, 밴드갭 에너지가 큰 p형 클래드 제1층의 p형 불순물농도를 작게 하고, 밴드갭 에너지가 작은 p형 클래드 제2층의 p형 불순물 농도를 크게 하더라도 좋다.

p형 클래드 제1층에의 바람직한 도프량으로서는 1×10¹⁸/cm³∼1×10²¹/cm³, 더욱 바람직하게는 1×10¹⁹/cm³∼5×10²⁰/cm³의 범위로 조정한다. 1×10¹⁸/cm³보다도 적으면 캐리어 농도가 작아지고, 또한 1×10²¹/cm³보다도 많으면 결정성이 나빠지기 때문이다. 한편, p형 클래드 제2층의 p형 불순물농도는 p형 클래드 제1층보다도 작으면 좋고, 바람직하게는 1/l0 이상 작게 하는 것이 바람직하다. p형 클래드 제2층은, 이동도를 높게 하기 위해서는 언도프로 하는 것이 가장 바람직하다. 그렇지만, p형 클래드 제2층은 막두께가 얇기 때문에 p형 클래드 제1층측에서 확산해 오는 p형 불순물이 있는데, p형 클래드 제2층의 p형 불순물농도는 확산된 p형 불순물을 포함하여 1×10²⁰/cm³이하이면서 p형 클래드 제l층보다 작게 하는 것이 바람직하다.또한, 밴드갭 에너지가 큰 p형 클래드 제1층에 p형 불순물을 적게 도프하여, 밴드갭 에너지가 작은 p형 클래드 제2층에 p형 불순물을 많이 도프하는 경우도 마찬가지이다.

p형 불순물로서는 Mg, Zn, Ca, Be등의 주기율표 제 IIA족, IIB족 원소를 선택하고, 바람직하게는 Mg, Ca 등을 p형 불순물로 한다.

더욱이 다층막인 p형 클래드층(107)을 구성하는 각 질화물반도체층에 있어서, 불순물이 고농도로 도프되는 층은, 두께 방향에 대하여 반도체층 중심부 근방의 불순물 농도가 크고, 양단부 근방의 불순물농도를 작게 (바람직하게는 언도프)하는 것이 저항율을 저하시키는 데 바람직하다.

이어서, p형 클래드층(107)을, p형 불순물을 포함하여 Al_bGa_l-bN (0≤b≤1)으로 이루어진 단일층에 의해 구성하는 경우에 관해 설명한다. p측 클래드층(107)의 막두께는 2000Å이하, 바람직하게는 1000Å이하, 보다 바람직하게는 100∼500Å로 설정한다.

또한, 단일막층의 p형 클래드층(107)은 상기 다층막 구조의 p형 클래드층(107)에 비해 결정성은 약간 떨어지지만, 다층막 구조를 갖는 n형 클래드층(105)과 조합시킴으로써 결정성 좋게 성장시킬 수 있다. 더욱이, 이와 같이 단일막으로서도 그 밖의 층구성과 조합에 의해 소자 성능의 저하를 적게 할 수 있고, 더구나 단일막이기 때문에 제조공정의 간이화가 가능해져 양산에는 적합하다.

단일층의 p형 클래드층(107)의 p형 불순물의 농도는 1×10¹⁸∼1×10²¹/cm³, 바람직하게는 5×10¹⁸∼5×10²⁰/cm³, 보다 바람직하게는 5×10¹⁹∼1×10²⁰/cm³로 설정한다. 불순물 농도가 상기 범위이면 양호한 p형막이 생겨 바람직하다.

이어서, 본발명에 있어서, p형 콘택트층(108)은 Mg 도프로 하고, 그 조성을 In, A1를 포함하지 않는 2원 혼정의 질화물반도체인 GaN으로 하는 것이 바람직하다. 가령 In, Al을 함유하고 있으면, p 전극(112)과 양호한 오믹접촉을 얻을 수 없게 되어 발광효율이 저하한다. p측 콘택트층(108)의 막두께는 0.001㎛∼0.5㎛, 바람직하게는 0.0l㎛∼0.3㎛, 보다 바람직하게는 0.05㎛∼0.2㎛이다. 막두께가 0.001㎛보다도 얇으면 p전극(112)이 p형 GaAlN 클래드층과 전기적으로 단락되기 쉬워져, p측 콘택트층(108)의 콘택트층으로서의 기능이 저하한다. 또한, 3원 혼정의 GaAlN 클래드층상에 조성이 다른 2원 혼정의 GaN 콘택트층을 적층하기 위해서, 그 막두께를 0.5㎛보다도 두껍게 하면 결정간의 미스 피트에 의한 격자 결함이 p측 GaN 콘택트층(9)중에 발생하기 쉽고, 결정성이 저하되는 경향이 있다. 한편, 발광 효율면에서 말하자면 콘택트층의 막두께는 얇을수록 Vf를 저하시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 p형 GaN 콘택트층(9)의 p형 불순물은 Mg인 것이 바람직한데, 이로 인해 p형 특성 및 오믹 접촉이 얻기 쉬워진다. Mg의 농도는 1×10¹⁸∼1×10²¹/cm³, 바람직하게는 5×10¹⁹∼3×10²⁰/cm³, 보다 바람직하게는 1×10²⁰/cm³정도로 설정한다.

또한, p형 콘택트층(108)을 언도프 GaN으로 이루어지는 p형 콘택트 제1층과 Mg 도프 GaN으로 이루어지는 p형 콘택트 제2층으로 형성해도 좋다.

n전극(111)은 n형 콘택트층(104)상에, p전극(112)은 Mg 도프 p형 GaN 콘택트층(9)상에 각각 형성되어 있다. 본발명은, n전극(111) 및 p전극(112)의 재료에 의해 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 n전극(111)으로서는 W/Al,p전극(1l2)으로서는 Ni/Au 등을 사용할 수 있다.

이상의 실시형태1의 발광 다이오드는, 활성층(16)에 있어서, 우물층상에 제1장벽층이 형성되어 있기 때문에, 우물층에 캐리어를 보다 효과적으로 가둘 수 있고, 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

실시형태2.

이어서, 본발명에 관한 실시형태2의 발광다이오드에 관해 설명한다.

본발명은, 상술한 바와 같이, 우물층(12) 및 제1장벽층(13)상에 형성되는 층의 결정성을 향상시킬 수 있기 때문에, 다중양자 우물구조에 바람직하다.

즉, 본발명에 관한 실시형태2의 발광소자는, 실시형태1의 발광소자에 있어서의 활성층(106)을 대신해, 도5에 나타내는 다중양자 우물구조의 활성층(106c)을 사용하여 구성한 발광다이오드이며, 그 이외는 실시형태1와 마찬가지로 구성된다.

본 실시형태2의 발광소자에 있어서, 다중양자 우물구조의 활성층(106c)은 도5에 나타낸 바와 같이, 제2장벽층(11), 우물층(12), 제1장벽층(13)이 이 순차로 반복 형성되어 있다. 이 경우, 가장 상부의 제1장벽층(13)이 형성된 후 최상부층(14)이 형성된다. 여기서, 활성층(106 c)에 있어서, 제2장벽층(11), 우물층(12), 제1장벽층(13) 및 최상부층(14)은 실시형태1과 마찬가지로 구성된다.

이와 같이 구성된 실시형태2의 발광소자는 이하와 같은 뛰어난 특징을 갖는다.

즉, Al를 포함하는 제l장벽층(13)을 포함하고 있지 않는 종래의 황색 발광소자에 있어서는, 활성층을 복수의 우물층을 갖는 다중양자 우물구조로 함으로써 결정성의 열화가 현저해져 발광 출력이 저하했었다.

그러나, 본발명의 Al을 필수로 하는 제1장벽층(13)을 갖는 황색 발광소자에 있어서는, 우물층(12)을 복수로 한 다중양자 우물구조로 함으로써, 종래와는 반대로 발광 출력을 향상시킬 수 있다.

여기서는, n형 클래드층(105)상에 제2장벽층(11), 우물층(12), 제1장벽층(13)이 순차적으로 반복 형성되고, 마지막으로 최상부층(14)을 형성하는 경우를 나타냈다. 그러나, 본발명에서는 도 6에 나타낸 바와 같이 n형 클래드층(105)상에 우선 제1장벽층(13)을 형성한 후, 도 5와 마찬가지로 제2장벽층(11), 우물층(12), 제l장벽층(13)을 순차적으로 반복 형성하고, 마지막으로 최상부층(14)을 형성하여 이루어진 활성층(l06d)을 사용하여 구성해도 좋다. 이와 같이 최초의 우물층(12)의 n형 클래드층(105)측에 있어서, 제2장벽층(11)보다도 밴드갭 에너지가 큰 제1장벽층(13)을 형성함으로써, 최초의 우물층(12)에의 캐리어를 보다 효과적으로 가둘 수 있다.

또한, 제1장벽층(13)과 p형 클래드층(107)과의 격자 정합을 취할 수 있는 범위라면, 도 7에 나타낸 바와 같이, 도 6의 활성층(106d)에 있어서 최상부층(14)을 생략할 수 있다. 한편, 이렇게 하여 구성한 활성층을 도7에서는 106e의 부호를 붙여 나타내고 있다. 물론, n형 클래드층(105)상에 우선 제l장벽층(13)을 형성한 후 마찬가지로 제2장벽층(11), 우물층(12), 제1장벽층(13)이 순차로 반복 형성된 활성층(106d)의 최상부층(14)을 생략할 수도 있다.

이상과 같이 본발명에 관한 발광소자에서는, 적어도 하나의 우물층상에 Al을 포함하는 제l장벽층을 형성한다고 하는 최소한의 조건을 만족시켜야만 여러가지 변형이 가능하다.

따라서, 본발명은 이어서 설명하는 바와 같이 레이저 소자에 적용할 수도 있다.

실시형태3.

이하, 본발명을 레이저 소자에 적용한 본발명에 관한 실시형태3의 발광소자에 관해 설명한다.

도 8에, 본실시형태3의 발광소자인 질화물반도체 레이저 소자의 구성을 모식적으로 나타낸다.

본 실시형태3의 질화물반도체 레이저 소자는, 기판(201)상에 버퍼층(202), n형 콘택트층(203), n형 클래드층(204), n형 광가이드층(205), 활성층(206), p형 광가이드층(207), p형 클래드층(208), p형 콘택트층(209)이 순차로 적층되고, n형 콘택트층(203) 및 p형 콘택트층(209)에는 각각 n전극(211) 및 p전극(212)이 형성되어 있다.

기판(201), 버퍼층(202), n형 콘택트층(203) 및 n형 클래드층(204)은 실시형태1, 2와 마찬가지로 구성된다. 여기서, 본 실시형태3에서는 버퍼층(202)과 n형 콘택트층(203)의 사이에 실시형태1, 2와 마찬가지로 언도프된 GaN층을 형성해도 좋다.

n 형광 가이드층(205)은 활성층(206)과 함께 광도파로를 구성하는 것이다. 따라서, n형광 가이드층(205)은 활성층(206)과 굴절율차가 작고, n형클래드층(204)과 충분한 굴절율차가 생기는 조성으로서 구성된다.

본 실시형태3에 있어서, 활성층(206)은 실시형태1과 마찬가지로 구성된다. 그러나, 본발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 실시형태2와 같이 다중양자 우물구조로 해도 좋고, 다중양자 우물구조로 하면 고출력화를 실현할 수 있다.

p형 광가이드층(207)은 n형 광가이드층(105)과 마찬가지로, 활성층(206)과 함께 광도파로 구성하는 것이다. 따라서, p형 광가이드층(207)은 활성층(206)과 굴절율차가 작고, p형 클래드층(208)과 충분한 굴절율차가 생기는 조성으로서 구성된다.

p형 클래드층(208) 및 p형 콘택트층(209)은 실시형태1,2와 마찬가지로 구성되지만, 레이저의 경우 p형 클래드층(208) 및 p형 콘택트층(209)은 p형 광가이드층(207)의 경계면 부근까지 식각을 하고, 폭 1.5㎛의 스트라이프 모양의 도파로를 형성한다. 이와 같이, 활성층(206)보다도 상부에 있는 층에 있어서, 스트라이프 모양의 릿지(스트라이프 릿지)를 형상함으로써, 활성층(206)의 발광이 스트라이프 릿지의 아래로 집중함으로써 문턱치를 저하시킬 수 있다. 특히 p형 클래드층 이상의 층을 릿지 형상으로 하는 것이 바람직하다.

n전극(211) 및 p전극(212)은 실시형태1,2와 마찬가지로 구성되고, 더욱이 레이저의 외면은 절연막(230)이 형성된다.

이상과 같이 구성된 실시형태3의 질화물반도체 레이저 소자는, 실시형태1 및 2와 마찬가지로 우물층상에 Al을 포함하는 제1장벽층을 포함하고 있기 때문에 문턱치를 낮게 할 수 있다.

실시형태4.

본발명에 관한 실시형태4의 발광소자(발광 다이오드)는 도 13에 나타낸 바와 같이, 실시형태1의 발광다이오드에 있어서, 활성층(106)에 대신해 상세하게 후술하는 활성층(106f)를 갖고 또한 그 활성층(106f)과 n형 클래드층(105)의 사이에 n형 다층막(105a)을 더욱이 구비한 것 외는 실시형태1의 발광다이오드와 마찬가지로 구성된다.

한편, 도13에 있어서 실시형태1과 동일한 것에는 같은 부호를 붙여 나타낸다.

본 실시형태4의 발광소자에 있어서, 활성층(106f)는 도19에 나타낸 바와 같이, n형 다층막(105a)상에 제2장벽층(11), 우물층(12) 및 제1장벽층(13)을 순차적으로 복수회 반복하고, 마지막(최상층)에 제2장벽층(11)을 형성함으로써 구성된다.

그리고, 본 실시형태(4)에서는, 특히 제1장벽층(13)의 조성을 Al_zGa_1-zN에 있어서 Al의 혼정비를 0.30 이상으로 함으로써, 상기 제1장벽층(13)을 설치하는 효과가 더욱 현저히 나타나도록 한 것을 특징으로 하고 있다.

즉, 본 실시형태4는 본발명에 있어서 제1장벽층(13)을 설치하는것의 효과는 Al_zGa_1-zN(0.30≤Z≤1)으로 표시되는 제1장벽층(13)을 성장시킨 후, 제2장벽층(11)의 성장온도까지 온도를 상승시킴에 따라 현저히 나타나는 것을 알아내고 LED 소자에 적용한 것이다.

또한, 상기 제1 장벽층(13)을 설치함으로써 얻어지는 효과는, 이하에 설명한 바와 같이 제 l 장벽층(13)의 표면형태와 큰 관련이 있는 것도 알았다.

도 14∼도 17은 제1장벽층(13)을 820℃에서 형성한 후, 온도를 1050℃까지 승온했을 때의 제1장벽층(13)의 표면형태를 AFM(원자간력현미경)으로 관찰한 것이다. 도 14는 Al의 혼정비 Z= 0.15, 도 15는 Z= 0. 30, 도 16은 Z= 0.45, 도 17은 Z= 0.60이며, 도면을 보고 알 수 있듯이, A1의 혼정비가 Z≥0.30이 되면, 제1장벽층(13)은 표면이 함몰 또는 층을 관통하는 복수의 영역을 갖는 그물망 구조가 된다. 이것은 제1장벽층(l3)인 AlGaN을 저온에서 형성하기 때문에, 이 AlGaN의 결정성 및 막두께가 불균일하며, 제1장벽층(13)의 성장후, 제2장벽층(11)의 성장 온도까지 온도를 상승시켰을 때, AlGaN의 결정성이 나쁜 곳 또는 막두께가 얇은 곳에서 우물층(12)의 일부의 In이 분해되어 버리고, 제1장벽층(13)의 표면이 함몰 또는 층이 관통하여, 우물층(12) 표면의 일부등이 노출된 것이다. 더욱이 상기 함몰 또는 관통된 영역은 제1장벽층(13)의 표면적의 1할 이상이 되는 Al 혼정비 Z가 0.30이상일 때 구동 전압을 크게 저하시키는 것을 알았다. 이 결과를 도 18의 그래프에 나타낸다. 도 18의 그래프는 본발명의 질화물반도체 LED 소자에 있어서의 Al 혼정비에 대한 구동전압의 변화를 나타내는 것이다.

한편, 본발명의 실시형태4에 있어서의 활성층의 각 층의 바람직한 막두께등은 실시형태1과 마찬가지이다.

한편, 본실시형태4에서는 다중양자 우물구조에 관해 설명하지만 이 활성층(106f)의 효과는 단일양자 우물의 경우더라도 마찬가지로 얻을 수 있다.

본 실시형태4의 활성층(106f)에 있어서, 제1장벽층(13)의 밴드갭 에너지는도 20에 나타낸 바와 같이 제2장벽층(11)의 밴드갭 에너지보다 크게 설정되고, 또한 제1장벽층(13)은 반드시 우물층(12)을 형성한 후 우물층(12)에 접하게 형성되어 있다. 한편, 본 실시형태4에서는, 가장 바람직한 예로서, 제1장벽층(13)을 모든 우물층(12)상에 각각 형성하도록 했는데, 본발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 우물층(12)과 제2장벽층(11) 사이의 적어도 1개소에 제1장벽층(13)을 포함하고 있으면 된다.

또한, 제1장벽층(13)의 막두께는 제2장벽층(11)의 막두께보다 얇고, 1원자층 이상 l00 옹스트롬 이하로 하는 것이 바람직하다. 100 옹스트롬보다 두꺼워지면 제1장벽층(13)과 우물층(12)의 사이에서 미니 밴드가 형성되어 발광효율이 나빠지기 때문이다. 따라서, 상기 제1장벽층(13)은 가능한 한 얇은 것이 바람직하다.

또한, 제2장벽층(1l)의 막두께는 10 옹스트롬 이상 400 옹스트롬 이하로 할 수 있고, 또한 우물층(12)의 막두께는 l0 옹스트롬 이상 70옹스트롬 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시형태4에 있어서, 다층막 제2 클래드층(105a)은, 예를 들어 언도프 GaN층과 언도프 InGaN층으로 이루어지는 초격자 구조의 언도프층이며, 발광출력을 높게 할 목적으로 형성된다.

n형 클래드층(105)은 실시형태1과 같이 구성함으로써 정전내압을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 실시형태4에서는 n측의 클래드층을 n형 클래드층(105)과 다층막 제2 클래드층(105a)에 의해 구성함으로써 발광출력을 높게 할 수 있고, 또한 정전 내압을 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태4의 발광다이오드는, 활성층(106f)에 있어서, 제2장벽층보다 밴드갭이 큰 Al을 비교적 많이 포함하는 제1장벽층을 설치함으로써 구동전압을 내릴 수 있고, n측의 클래드층을 n형 클래드층(105)과 n형 제2 클래드층(105a)에 의해 구성함으로써, 발광출력을 높게 할 수 있고, 또한 정전내압을 향상시킬 수 있다.

이상의 실시형태4에서는 질화물반도체 LED 소자를 예로 설명했지만, 본발명은 LED 소자에 한정되는 것이 아니라, 질화물반도체 레이저 소자에 적용하여 마찬가지 효과를 얻을 수 있다.

실시형태5.

이어서, 본발명에 관한 실시형태5의 발광다이오드에 관해 설명한다.

본 실시형태5의 발광 다이오드는 도 21에 나타낸 바와 같이, 실시형태2의 발광다이오드에 있어서 더욱이 n형 클래드층(105)과 활성층(106c)의 사이에 In을 포함하는 질화물반도체로 이루어지는 n측 제2 클래드층(21)을 형성하고, p형 클래드층(107)과 활성층(106c)의 사이에 In을 포함하는 질화물반도체로 이루어지는 p측 제2 클래드층(22)을 형성한 것 외에는 실시형태2의 발광다이오드와 마찬가지로 구성된다.

이 실시형태5에 있어서, n측 제2 클래드층(21) 및 p측 제2 클래드층(22)은 도 21에 나타낸 바와 같이 활성층(106c)의 양측에 형성되고, n형 클래드층(105)과 p형 클래드층(107)과의 격자상수 차에 기인하여 활성층(106c)에 생기는 결정성의악화 및 불필요한 변형의 발생등을 방지하고 있다.

따라서, n측 제2 클래드층(21) 및 p측 제2 클래드층(22)은, n형 클래드층(105)과 p형 클래드층(107)과의 사이에서 격자상수의 차가 보다 큰 비교적 In의 비율이 높은 활성층을 형성하는 경우에 특히 효과적이다.

보다 구체적으로 설명하면, n측 제2 클래드층(21)은 우물층(12)을 성장시킬 때에 In이 균일해지게 성장시키도록 작용하고, 이로 인해 우물층에서의 조성의 변동을 저감시키는 효과가 있다. 이로 인해, 특히, In을 비교적 많이 포함할 필요가 있는 고혼정의 우물층을 포함하는 활성층을 갖는 발광소자의 발광출력의 저하를 방지할 수가 있다. 이 효과는, In의 비율이 비교적 높은 고혼정의 우물층(l2)을 반복하여 형성해야 하는 다중양자 우물구조의 활성층(106c)을 성장시킬 때에 특히 현저하다.

여기서, n측 제2 클래드층(21)은 In을 포함하는 일반식 In_x6Ga_l-x6N으로 표시되는 질화물반도체로 구성할 수 있고, 상술한 작용을 보다 효과적으로 발휘시키기 위해, x₆은 0.0025≤x₆≤0.1의 범위로 설정하는 것이 바람직하고, 막두께는 1000Å∼5000Å의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, p측 제2 클래드층(22)은 활성층(106c)상에 p형 클래드층(l07)을 형성했을 때에, 활성층(106c)과 p형 클래드층(l07)과의 격자상수의 차에 기인하여, 활성층의 우물층에 불필요한 변형이 생기는 것을 완화하는 작용이 있다. 이 작용에 의해, 특히, In을 비교적 많이 포함할 필요가 있는 고혼정의 우물층을 포함하는 활성층을 갖는 발광소자의 발광출력의 저하를 방지할 수 있다. 이 효과는, In의 비율이 비교적 높은 고혼정의 우물층(12)을 반복 형성해야 하는 다중양자 우물구조의 활성층(106c)을 성장시킬 때에 특히 현저하다.

여기서, p측 제2 클래드층(2l)은 In을 포함하는 일반식 In_x7Ga_l-x7N으로 표시되는 질화물반도체로 구성할 수가 있고, 상술한 작용을 보다 효과적으로 발휘시키기 위해서, x₇은 0.005≤x₇≤0.l의 범위로 설정하는 것이 바람직하고, 막두께는 100Å∼1000Å의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

도 23은 본발명에 관한 실시형태5의 발광다이오드의 파장λd (nm)에 대한 발광출력 Po (mW)를 나타내는 그래프이며, 종래의 발광다이오드와 비교하여 나타낸다.

도 23의 그래프에서 알 수 있듯이, 본 실시형태5의 구성에 의하면 535 nm 이상의 파장영역에서 발광출력의 저하를 방지할 수 있다.

여기서, 본발명의 발광다이오드 및 종래의 발광다이오드는 각각 이하와 같이 구성된 소자를 이용하여 평가했다.

본발명의 발광다이오드의 층구성은,

(1)버퍼층(102); 언도프 Al_xGa_1-xN, 100Å,

(2)언도프 GaN층(103); GaN, 1.5㎛,

(3)n형 콘택트층(104); Si 도프 GaN, 4.165㎛,

(4)n형 클래드층(105); 언도프 GaN(3000Å)/ Si 도프 GaN (300Å)/언도프GaN(50Å)의 3층구조,

(5)n측 제2 클래드층(21); In_0.005Ga_0.995N,3500Å,

(6)활성층(106c);(GaN으로 이루어지는 제2장벽층 70Å/InGaN으로 이루어지는 우물층30Å/AlGaN으로 이루어지는 제1장벽층 40Å)×4사이클+GaN으로 이루어지는 최상부층 70Å,

(7) p측 제2 클래드층(22); Mg 도프 In_0.0l4Ga_0.986N, 200Å,

(8) p형 클래드층(107); 언도프 Al_0.042Ga_0.958N, 2500Å,

(9) p형 콘택트층(108); Mg 도프 GaN, 1200Å,

으로 이루어진다.

종래예의 발광다이오드의 층구성은,

(1)버퍼층; 언도프 Al_xGa_1-xN, 100Å,

(2)언도프 GaN층; GaN, 1.5㎛,

(3)n형 콘택트층; Si 도프 GaN, 4.165㎛, .

(4)n형 클래드층; 언도프 GaN(3000Å)/Si 도프 GaN(300Å)/언도프 GaN (50Å)의 3층구조,

(5)버퍼초격자층: (GaN40Å/In_0.l3Ga_0.87N20Å)×10+GaN40Å

(6)활성층106c; (GaN으로 이루어지는 장벽층200Å/InGaN으로 이루어지는 우물층30Å)×4사이클+GaN으로 이루어지는 장벽층200Å,

(7)p측 클래드층; (Mg 도프 Al_0.l6Ga_0.84N:40Å/Mg도프In_0.03Ga_0.97N:25Å)×5+Mg도프 Al_0.l6Ga_0.84N:40Å,

(8)언도프 AlGaN; 언도프 Al_0.05Ga_0.95N, 2800Å,

(9)p형 콘택트층; Mg 도프 GaN, 1200Å,

으로 이루어진다.

이상의 실시형태5의 발광다이오드에서는 n측 제2 클래드층(21)의 위에, 제2장벽층을 최초로 형성하도록 하여 활성층(l06c)을 형성했는데, 본발명은 도22에 나타낸 바와 같이 n측 제2 클래드층(21)의 위에, 제1장벽층을 최초로 형성하도록 한 활성층(106d)을 사용하여 구성해도 좋다.

이상과 같이 해도 실시형태 5와 같은 작용효과를 얻을 수 있다.

실시예

이하, 본발명의 실시예에 관해 설명한다.

본발명은 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니다.

(실시예1)

실시예1의 소자를 제작하는 데 있어서, 주표면이 C면인 사파이어 기판을 기판(101)으로서 이용하고, 각 층은 유기금속 기상성장방법(MOCVD법)에 의해 성장이 이루어져, Ⅲ족 가스원으로서 트리메틸갈륨(TMG) 및 트리메틸갈륨(TEG), 트리메틸인듐(TMI) 및 트리메틸알류미늄(TMA)이 각각 Ga, In, A1의 원료로서 이용되고, V족가스원으로서 암모니아(NH₃)가 N의 원료로서 쓰이고 있다. n형 도펀트원으로서 모노실란(SiH₄)이, p형 도펀트원으로서 비스시클로펜타디에닐마그네슘(Cp₂Mg)이 각각 쓰이고, 캐리어 가스 및 부류(副流) 가스로서 H₂와 N₂가 쓰인다.

우선, MOCVD 장치내에 사파이어로 이루어지는 이종(異種)기판(101)을 셋트하고, 기판(101)을 H₂속에서 기판 온도가 약 1140℃가 되도록 가열하고, 기판(101)의 표면처리를 행한다.

기판을 표면 처리한 후, 기판(101) 온도를 약 510℃까지 내리고, 반응 가스에 TMG, NH3를 이용하여, GaN으로 이루어지는 버퍼층(102)을 약 200Å의 막두께로 기판(101)상에 형성한다.

버퍼층(102)을 형성한 후, 기판온도를 약 1150℃까지 상승시켜, 반응 가스로서 TMG, NH3를 사용하고, 언도프 GaN층(103)을 약 1.5㎛의 막두께로 버퍼층(102)상에 형성한다.

다시, 언도프 GaN층(l03)을 형성한 후, 반응 가스로서 TMG, NH₃를 사용하고, 도펀트의 Si원으로서 SiH₄를 사용하여, Si를 5×10^l8/cm³도프한 GaN 으로 이루어지는 n형 콘택트층(104)을 약 2㎛의 막두께로 형성한다.

이어서, n형 콘택트층(104)상에 n형 클래드층(105)을 형성한다. n형 클래드층(105)은 n형 클래드 제1층, 제2층 및 제3층으로부터 구성된다.

n형 클래드 제1층 및 제3층으로서는 언도프 GaN층을, 반응 가스로TMG, NH₃를 사용하여 형성한다. n형 클래드 제2층에 관해서는 Si를 5×10¹⁸/cm³도프한 Si 도프 GaN층을, 도펀트의 Si원으로서 SiH₄를 더 사용하여 형성한다. n형 클래드 제1층, 제2층 및 제3층의 막두께는 각각 3000Å, 300Å, 50Å로 한다.

이어서, 기판온도를 1000℃까지 저하시키고, TMG 대신에 새롭게 TEG40cc/min, NH₃약 3리터/min을 공급한다. 이로 인해, 막두께 약 50Å의 언도프 GaN으로 이루어지는 제2장벽층(11)이 n형 콘택트층(104)상에 성장된다. 한편, 제2장벽층(11)을 In_x3Ga_l-x3N의 3원 혼정으로서 형성하는 경우는 더 TMA를 적절히 공급한다.

이어서, 기판 온도를 750℃까지 저하시키고, TEG 4.5cc/min, NH₃약 3리터/min, 더욱 TMI 40cc/min을 공급한다. 이로 인해, 막두께 약 35Å의 In_0.75Ga_0.25N으로 이루어지는 우물층(12)이 제2장벽층(11)상에 형성된다.

그리고 그 후, 기판 온도를 800℃로 상승시켜 제1장벽층(13)을 성장시킨다. TEG를 18 cc/min, NH₃약 3리터/min, 더욱 TMA 4.5 cc/min을 공급한다. 이로 인해, 막두께 약 30Å의 Al_0.2Ga_0.8N으로 이루어지는 제1장벽층(13)을 우물층(12)상에 성장시킨다.

상기 제1장벽층(11), 우물층(12), 제1장벽층(13)의 성장 공정을 4회 반복한 후, 마지막으로 기판온도를 1000℃까지 상승시켜, TEG 40cc/min, NH₃약 3리터/min을 공급한다. 이로 인해, 막두께 약 50Å의 언도프 GaN으로 이루어지는 최상부층(14)을 가장 위의 제1장벽층(13)상에 성장시킨다. 이렇게하여, 다중양자 우물구조(MQW)의 활성층(106)을 형성한다.

이어서, 최상부층(14)을 형성한 후, 같은 온도에서 반응 가스로서 TEG, NH₃, TMA, 도펀트원으로서 Cp₂Mg를 사용하고, Mg 도프 Al_0.lGa_0.9N으로 이루어지는 p형 클래드층(107)이 약 200Å의 막두께로 활성층(106)상에 형성된다.

이어서, 950℃으로 온도를 내려, 반응 가스로서 TMG, NH3를 사용하고, 언도프 GaN으로 이루어지는 p형 콘택트 제1층을 클래드층상에 약 1300Å의 막두께로 형성시킨다.

다시, p형의 도펀트원인 Cp₂Mg를 가하고, Mg 도프 GaN으로 이루어지는 p형 콘택트 제2층을 약 200Å의 막두께로 p형 콘택트 제1층상에 형성한다.

그리고, 반응 장치내를 N₂로 치환하고 약 600℃의 온도로 5분간 열어닐링한다. 이 열어닐링에 의해 p형 클래드층(107), p형 콘택트층(108)을 높은 캐리어 농도의 p형층으로 변화시킨다.

이어서 n전극(111)을 형성하기 위해 n형 콘택트층(104)이 노출될 때까지 식각을 행하고, 식각된 웨이퍼상의 소정의 위치에 n전극(111) 및 p전극(112)을 각각 형성한다.

이렇게 하여 얻어진 In_0.75Ga_0.25N으로 이루어지는 우물층(106)을 포함하고, 발광색이 황색인 발광다이오드는 순방향 전류(If)= 20mA에 따라, 발광 피크 파장 λ_d= 590 nm, 반치폭= 45 nm, 발광출력= 1.8 mW, 구동전압= 3.2 V의 측정결과가 얻어졌다.

(실시예2)

실시예2의 발광다이오드는 활성층을 이하와 같이 한 이외는 실시예l과 마찬가지이다.

즉, 실시예2에서는, n형 클래드층(105) 형성후, 기판 온도를 1000℃까지 저하시키고, TMG의 대신에 새롭게 TEG 40cc/min, NH₃약 3리터/min를 공급한다. 이로 인해, 막두께 약 50Å의 언도프 GaN으로 이루어지는 제2장벽층(11)을 n형 콘택트층(104)상에 성장시킨다.

이어서, 기판온도를 750℃까지 저하시키고, TEG 4.5 cc/min, NH₃약 3리터/min, 더욱 TMI 40cc/min을 공급한다. 이로 인해, 막두께 약 35Å의 In_0.75Ga_0.25N으로 이루어지는 우물층(12)을 제2장벽층(11)상에 성장시킨다.

그리고, 기판온도를 800℃로 상승시켜, 제1장벽층(13)을 성장시킨다. TEG를 l8 cc/min, NH₃약 3리터/min, 더욱 TMA 4.5 cc/min를 공급한다. 이로 인해, 막두께 약 30Å의 Al_0.2Ga_0.8N으로 이루어지는 제1장벽층(13)을 우물층(12)상에 성장시킨다.

그 후, 기판온도를 1000℃까지 상승시켜, TEG 40cc/min, NH₃약 3리터/min를 공급한다. 이로 인해, 막두께 약 50Å의 언도프 GaN으로 이루어지는 최상부층(14)을 제1장벽층(13)상에 성장시킨다. 이렇게 하여 단일 우물구조의 활성층(106)을 형성한다.

최상부층(14)의 형성후는 실시예1과 마찬가지로 p형 클래드층(107) 이후의 층이 순차로 형성된다.

이상과 같이 하여 제작된 실시예2의 발광다이오드는 실시예 l과 마찬가지 결과가 얻어졌다.

(제1장벽층에 관한 상세설명)

이어서, 다중양자 우물구조를 갖는 실시예l의 발광다이오드에 있어서, 제1장벽층을 A1_y2Ga_l-y2N으로 했을 때의 Al의 혼정비를 순차 변화시킨 경우에 관해 설명한다. 도 9는 이 때의 혼정비 y₂에 대한 구동전압 Vf와의 관계를 나타낸 도이다. 한편, 여기서 말하는 구동전압이란 발광다이오드를 순방향 전류 If= 20mA로 구동시키기 위해 필요한 구동전압을 말한다. 도에서 알 수 있듯이 발광소자를 전류치 20 mA로 구동시키기 위해서 필요한 전압은 y₂< 0.15에서는 감소 경향이 있지만, y₂≥0.15에서는 거의 일정치가 되는 것을 알 수 있다.

이로부터, 제1장벽층의 Al 혼정비 증가에 의한 구동전압의 저감에의 효과는 y₂≥0.15에서는 포화 경향이 있는 것을 알 수 있다.

이어서, 도 l0은 다중양자 우물구조를 갖는 상기 실시예1의 발광다이오드에 있어서의 제1장벽층을 Al_y2Ga_1-y2N으로 했을 때의 Al의 혼정비 y₂에 대한 발광출력의 관계를 나타낸 도이다. 도에서 알 수 있듯이, y₂≥0.1의 영역에서 발광출력이 크게 향상하는 것을 알 수 있다.

일반적으로, AlGaAs 및 InGaAsP의 더블 헤테르 구조의 레이저 다이오드에 있어서의 캐리어 폐입에 필요한 밴드갭 에너지차 △Eg(=Egl-Eg2)는 △Eg≥0.3 eV라 되어 있다 (광통신소자공학-수광·발광소자-, 72페이지 8행째∼14행째(요네쯔 히로시 저, 공학도서주식회사 출판).

또한, 특개평 6-164055호 공보에 있어서 In_xAl_yGa_l-x-yN (0≤x, 0≤y, x+y≤1)으로 이루어지는 우물층과 장벽층(배리어층)을 갖는 반도체 레이저도 마찬가지로, 양자의 밴드갭 에너지차 △Eg는 0.3 eV 이상으로 하는 것이 바람직하다고 기재되어 있다.

이에 대해, 본실시예의 발광다이오드의 밴드갭 에너지차 △Eg를 In_xAl_yGa_l-x-yN으로 했을 때의 밴드갭 에너지 Eg를 다음식

Eg = 3. 4 - 1.45x + 2. 8y (eV)

에 의해 근사하게 개산(槪算)하면, GaN으로 이루어지는 제2장벽층(11)과 In_0.75Ga_0.25N으로 이루어지는 우물층(12)으로 했을 때의 △Eg는 약 1.1 eV이며, 더욱이 In_0.75Ga_0.25N으로 이루어지는 우물층(12)과 Al_0.2Ga_0.8N으로 이루어지는제1장벽층(13)으로 했을 때의 △Eg에 이르러서는 약 1.6 eV이다.

레이저 다이오드의 캐리어 폐입은 발광다이오드보다도 고밀도로 할 필요가 있기 때문에, 레이저 다이오드에 필요한 △Eg는 발광다이오드에 필요한 △Eg보다도 큰 것을 고려하면, 본발명의 발광다이오드에 있어서의 제2장벽층(11) 및 제1장벽층(13)은, 우물층(12)에 대해 일반적으로 쓰이고 있는 장벽층에 비해 상당히 큰 밴드갭 에너지차를 갖고 있는 것을 알 수 있다.

제1장벽층(13)과 우물층(12) 사이의 △Eg는, 제1장벽층(13)의 Al의 혼정비 y₂및 우물층(12)의 In의 혼정비 x₁의 값이 작은 경우의 조합에 있어서 최소가 되는데, 발광출력의 향상에 큰 효과가 보이는 하한치 y₂= 0.1과, 황색으로서 바람직한 발광 파장을 얻기 위한 In 혼정비 x₁의 하한치 x₁= 0.6으로 한 x₁, y₂각각의 하한치의 조합에 있어서도 △Eg는 약 1.2 eV로 여전히 매우 큰 것을 알 수 있다. 더욱이, 문턱치 전압의 저감에 효과가 보이는 하한치 y₂= 0. l5와, 황색으로서 바람직한 발광파장을 얻기 위한 In 혼정비 x_l의 하한치 x₁= 0.6으로 한 x₁, y₂각각의 하한치의 조합에 있어서도 △Eg는 약 1.3 eV로 더욱 큰 값이 된다.

In의 혼정비 x₁이 큰 우물층(12)상에 Al의 혼정비 y₂가 큰 제1장벽층(l3)을 형성함으로써 발광다이오드의 발광출력이 크게 향상하는 이유는, 우물층과 장벽층과의 매우 큰 밴드갭 에너지차에 의한 것이라고 생각된다. 그래서, 우리들은 여러가지 다른 요인을 제거하여 평가하는 것을 목적으로 하고, 활성층(106)을 제2장벽층(11), 우물층(12) 및 제1장벽층(13)을 한층씩 형성한 단계의 p형 반도체층이 없는 중간적인 소자 상태로 PL 평가를 했다. 도 11에 나타낸 바와 같이 제1장벽층의 Al의 혼정비 y₂에 대한 PL 발광 출력의 관계에 있어서도, y₂의 값이 0.l2 부근에서 향상을 보였다. 따라서, 본발명의 황색 영역의 파장의 빛을 발광하는 질화물 반도체층을 갖는 발광다이오드의 발광출력을 향상시킨다고 하는 효과는, 우물층상에 Al의 혼정비 y₂를 높게 설정한 제1장벽층을 형성함으로써 주로 달성된다고 생각된다. 다시 말하면, 활성층에 있어서의 우물층과 장벽층과의 매우 큰 밴드갭 에너지차에 의한 효과라고 할 수 있도 있다.

더욱이, 앞의 특개평 6-164055호 공보에 있어서, In_xAl_yGa_l-x-yN(0≤x, 0≤y, x+y≤1)로 이루어지는 우물층과 장벽층(배리어층)을 갖는 반도체 레이저의 우물층과 장벽층(배리어층)과의 격자상수 차는 1% 이하인 것이 바람직하다고 기재되어 있다. 이에 대해, 우물층 In_0.6Ga_0.4N과 제1장벽층 Al_0.lGa_0.9N의 각각의 격자 상수는 3.402Å, 3.181Å이며, 우물층의 격자 상수에 대한 제1장벽층의 격자상수 차의 비율은 약 6.5%가 되고, 특개평 6-164055호 공보에 있어서 바람직하다고 하는 격자상수 차 1%에 비교하여 매우 큰 값이 된다. 또한, 우물층 In_0.6Ga_0.4N과 제1장벽층 Al_0.2Ga_0.8N의 각각의 격자 상수는 3.402Å, 3.174Å이며, 그 격자상수 차의 비율은 약 6.7%가 되어, 더욱 큰 값이 된다. 그러나, 본 발명자들은 본발명에 관한 제2장벽층을 설치함에 따라, 그 제2장벽층상에 형성되는 우물층의 결정성을 보다향상시킬 수 있고, 그 우물층상에 격자상수 차가 큰 제1장벽층을 결정성 좋게 형성할 수 있는 것을 알아냈다. 더욱이 그 제1장벽층상에 다시금 제2장벽층을 형성함으로써, 결정성의 손상 없이 다중양자 우물구조를 형성하는 것이 가능해졌다. 또한, 본발명을 별도의 측면에서 보면, 우물층과 제1장벽층의 큰 격자상수 차에 기인하는 격자 변형의 효과라 할 수도 있다.

이어서, 본발명의 황색 영역의 빛을 발광하는 질화물반도체층을 갖는 발광다이오드와 종래의 AlGaInP로 이루어지는 발광다이오드와의 온도 특성의 비교를 도 12에 나타낸다.

도 12중의 질화물반도체층을 갖는 발광다이오드는, 본 실시예에 나타낸 언도프 GaN으로 이루어지는 제2장벽층(11), In_0.75Ga_0.25N으로 이루어지는 우물층과, Al_0.2Ga_0.8N으로 이루어지는 제1장벽층(13)에 의해 다중양자 우물구조로서 구성되는 활성층(106)을 갖는 발광다이오드의 예이다. 도 12의 온도 특성은 구동 전류 If= 20mA로 했을 때의 발광출력으로서 나타냈다. 도에서 본발명의 질화물반도체로 이루어지는 발광다이오드쪽이 AlGaInP로 이루어지는 발광다이오드와 비교하여, 고온에 있어서의 발광출력의 저하가 작은 것을 알 수 있다.

발광다이오드로 구성되는 신호기 등의 표시기를 옥외에서 사용하는 경우, 태양광선이 강한 상황에 있어서, 발광다이오드는 시인성상 큰 발광출력을 확보해야 한다. 일반적으로, 태양광선이 강한 여름철 혹은 열대지역에서는 표시기내의 온도가 대단히 높기 때문에, 옥외에서 사용되는 표시기에서는 고온에 노출된 경우라도발광 출력의 저하가 작은 발광소자에 의해서 구성되는 것이 바람직하다. 옥외의 사용에 있어서는 표시기내의 온도가 75℃에 달하는 것도 드문일이 아니고, AlGaInP로 이루어지는 발광다이오드에서는 75℃에 있어서의 발광출력이 실온인 25℃의 약 50%까지 저하하지만, 본발명의 질화물반도체로 이루어지는 발광다이오드에서는 75℃에서의 발광출력이 25℃에서의 발광출력의 80% 이상을 유지하고 있어, 발광출력의 저하를 억제할 수 있다.

따라서, 본발명의 질화물반도체로 이루어지는 발광소자는, 같은 황색 영역의 빛을 발광하는 AlGaInP로 이루어지는 발광다이오드와 비교하여 뛰어난 온도특성을 갖고 있다고 말 할 수 있다.

(실시예3)

도 13은 본발명의 일실시예에 관한 질화물반도체 LED 소자의 구조를 나타내는 모식적인 단면도이다. 이하, 이 도를 바탕으로 실시예3에 관해 설명한다. 또한 본발명의 발광소자는 도 13의 구조에 한정되는 것은 아니다.

(버퍼층(202))

2인치 Φ, C면을 주면으로 하는 사파이어상에 공지한 방법에 의해 얻어진 GaN 기판(101)(사파이어 기판이어도 좋다)을 MOVPE의 반응 용기내에 셋트하고, TMG와 암모니아를 이용하여, GaN 기판(10l)상에 GaN으로 이루어지는 버퍼층(102)을 약 200 옹스트롬의 막두께로 성장시킨다.

(언도프 GaN층(103))

버퍼층(102)의 성장후, TMG만 멈추고 온도를 1050℃까지 상승시킨다. l050℃가 되면 마찬가지로 원료 가스에 TMG, 암모니아 가스를 이용하여, 언도프 GaN층(103)을 1㎛의 막두께로 성장시킨다.

(n형 콘택트층(104))

이어서 1050℃에서, 마찬가지로 원료 가스로 TMG, 암모니아 가스, 불순물 가스로 실란가스를 이용하고, Si를 3×10¹⁹/cm³도프한 GaN으로 이루어지는 n형 콘택트층(104)을 4㎛의 막두께로 성장시킨다.

(n형 클래드층(105))

이어서 실란가스만을 멈추고, 1050℃에서 TMG, 암모니아 가스를 이용하여, 언도프 GaN으로 이루어지는 제l층을 3000 옹스트롬의 막두께로 성장시키고, 이어서 같은 온도로 실란가스를 추가하고 Si를 4.5×10^l8/cm³도프한 GaN으로 이루어지는 제2층을 300 옹스트롬의 막두께로 성장시키고, 이어서 실란가스만을 멈추고, 같은 온도로 언도프 GaN으로 이루어지는 제3층을 50 옹스트롬의 막두께로 성장시켜, 3층으로 이루어지는 총막두께 3350 옹스트롬의 n형 클래드층(105)을 성장시킨다.

(n형 다층막층(105a))

이어서, 같은 온도로, 언도프 GaN으로 이루어지는 제2의 질화물반도체층을 40 옹스트롬 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여 TMG, TMI, 암모니아를 이용하고, 언도프 In_0.13Ga_0.87N으로 이루어지는 제1 질화물반도체층을 20 옹스트롬 성장시킨다. 그리고 이들의 조작을 되풀이하고, 제2+제1순으로 교대로 10층씩 적층시키고, 마지막으로 GaN으로 이루어지는 제2 질화물반도체층을 40 옹스트롬 성장시킨초격자 구조의 다층막으로 이루어지는 n형 다층막층(105a)을 640 옹스트롬의 막두께로 성장시킨다.

(활성층106f)

TMG, TMI, 암모니아, 실란가스를 이용하고, 1050℃에서 Si를 5×10¹⁷/cm³도프한 In_0.lGa_0.9N 으로 이루어지는 제2장벽층(11)을 200 옹스트롬의 막두께로 성장시키고, 계속해서 온도를 820℃로 하여 TMG, TMI, 암모니아를 사용하고, In_0.3Ga_0.7N으로 이루어지는 우물층(12)을 30 옹스트롬의 막두께로 성장시킨다. 더욱 TMG, TMA, 암모니아를 사용하고, 언도프된 Al_0.3Ga_0.7N 으로 이루어지는 제1장벽층(13)을 10 옹스트롬의 막두께로 성장시킨다. 상기 제2장벽층(11), 우물층(12), 제1장벽층(13)의 3층 구조를 4회 더 되풀이하여 적층하고, 마지막으로 제2장벽층(11)을 형성하여 총막두께 1400 옹스트롬의 다중 양자 우물(MQW)로 이루어지는 활성층(106f)을 성장시킨다.

(p형 클래드층(107))

이어서, 온도 1050℃에서 TMG, TMA, 암모니아, Cp₂Mg (시클로펜타디에닐마그네슘)을 이용하고, Mg를 5×10¹⁹/cm³도프한 p형 Al_0.2Ga_0.8N으로 이루어지는 제3의 질화물반도체층을 40 옹스트롬의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 800℃로 하여, TMG, TMI, 암모니아, Cp₂Mg를 이용하여 Mg를 5×10¹⁹/cm³도프한 In_0.02Ga_0.98N으로 이루어지는 제4의 질화물반도체층을 25 옹스트롬의 막두께로 성장시킨다. 그리고 이들의 조작을 반복하고, 제3+제4의 순으로 교대로 5층씩 적층하고, 마지막으로 제3의 질화물반도체층을 40 옹스트롬의 막두께로 성장시킨 초격자 구조의 다층막으로 이루어지는 p형 클래드층(107)을 365 옹스트롬의 막두께로 성장시킨다.

(p형 콘택트층(l08))

이어서 1050℃에서 TMG, 암모니아, Cp₂Mg를 이용하고, Mg를 l×10²⁰/cm³도프한 p형 GaN으로 이루어지는 p형 콘택트층(108)을 700 옹스트롬의 막두께로 성장시킨다.

반응 종료후, 온도를 실온까지 내리고, 더욱이 질소분위기중 웨이퍼를 반응용기내에서 700℃에서 어닐링하여 p형층을 더욱 저저항화한다. 더욱이 어닐링후, 웨이퍼를 반응용기에서 꺼내고, 최상층의 p형 콘택트층(108)의 표면에 소정 형상의 마스크를 형성하고, RIE (반응성 이온 식각)장치로 p형 콘택트층측에서 식각을 행하고, 도 13에 나타낸 바와 같이 n형 콘택트층(104)의 표면을 노출시킨다.

식각후, 최상층에 있는 p형 콘택트층(108)의 거의 전면에 막두께 200 옹스트롬의 Ni와 Au를 포함하는 투광성의 p측 전극(210)과, 식각에 의해 노출시킨 n형 콘택트층(104)의 표면에는 W와 Al을 포함하는 n측 전극(211)을 형성하여 LED 소자로 했다.

상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, 구동전압은 3.0V였다. 또한, 장벽층의 성장온도까지 온도를 높였을 때의 제1장벽층(13)의 표면형태는 도 15였다.

[비교예1]

실시예3와 비교하기 위해 활성층을 아래와 같이 하여 LED 소자를 제작했다.

(활성층)

TMG, TMI, 암모니아, 실란가스를 이용하고, 1050℃에서 Si를 5×10¹⁷/cm³도프한 In_0.lGa_0.9N으로 이루어지는 장벽층을 200 옹스트롬의 막두께로 성장시키고, 계속해서 온도를 820℃로 하여 TMG, TMI, 암모니아를 이용하고, In_0.3Ga_0.7N 으로 이루어지는 우물층을 30 옹스트롬의 막두께로 성장시킨다. 더욱이 이 장벽층, 우물층을 4회 반복하여 적층하고, 마지막으로 장벽층을 형성하여, 총막두께 1350 옹스트롬의 다중양자 우물(MQW)로 이루어지는 활성층을 성장시킨다.

이상과 같이 한 것 외에는 실시예3와 마찬가지로 제작한 바 발광 피크은 브로드하고, 구동전압은 3.8V 였다.

(비교예2)

실시예3과 비교하기 위해 활성층을 아래와 같이 하여 LED소자를 제작했다.

(활성층)

TMG, TMI, 암모니아, 실란가스를 이용하고, 1050℃에서 Si를 5×10¹⁷/cm³도프한 In_0.lGa_0.9N으로 이루어지는 장벽층을 200 옹스트롬의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 820℃로 하여 TMG, TMI, 암모니아를 이용하고, In_0.3Ga_0.7N 으로 이루어지는 우물층을 30 옹스트롬의 막두께로 성장시킨다. 더욱이 밴드갭 에너지가 장벽층과 우물층의 사이에 있는 언도프의 In_0.15Ga_0.85N으로 이루어지는 제1장벽층(13)을 10 옹스트롬의 막두께로 성장시킨다. 이 장벽층, 우물층, 제1장벽층(13)의 3층 구조를 4회 더 반복하여 적층하고, 마지막으로 장벽층을 형성하여, 총막두께 1400 옹스트롬의 다중양자 우물(MQW)로 이루어지는 활성층을 성장시킨다. 이상과 같이 제1장벽층(13)의 밴드갭 에너지를 장벽층보다 작게, 우물층보다도 크게 한 것 외에는 실시예3와 마찬가지로 제작한 바, 구동전압은 내려가지 않고 4.0V였다.

(실시예4)

실시예3에 있어서, 활성층(106f)의 제1장벽층(13)을 Al_0.45Ga_0.55N으로 한 것 외에는 마찬가지로 하여 LED 소자를 제작했다.

상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, 구동전압은 3.0V였다. 또한, 장벽층의 성장온도까지 온도를 높였을때의 제1장벽층(13)의 표면 형태는 도 16이였다.

(실시예5)

실시예 3에 있어서, 활성층(106f)의 제1장벽층(13)을 Al_0.60Ga_0.40N으로 한 것 외에는 마찬가지로 하여 LED 소자를 제작했다.

상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470 nm의 청색 발광을 나타내고, 구동전압은 2.8V였다. 또한, 장벽층의 성장온도까지 온도를 높였을때의 제1장벽층(13)의 표면형태는 도 17이었다.

(실시예6)

실시예 3에 있어서, 활성층(106f)의 제1장벽층(13)을 Al_0.l5Ga_0.85N으로 한 것 외에는 마찬가지로 하여 LED 소자를 제작했다.

상기 LED 소자는 순방향 전압 20 mA에 있어서, 470nm의 청색발광을 나타내고, 구동전압은 3.6V 였다. 또한, 장벽층의 성장 온도까지 온도를 높였을 때의 제1장벽층(13)의 표면형태는 도 14였다.

(실시예7)

실시예3에 있어서, 활성층(l06f)을 아래와 같이 했다.

(활성층(207))

TMG, TMI, 암모니아, 실란가스를 이용하고, 1050℃에서 Si를 5×10¹⁷/cm³도프한 In_0.lGa_0.9N으로 이루어지는 제2장벽층(11)을 200 옹스트롬의 막두께로 성장시키고, 이어서 온도를 820℃로 하여 TMG, TMI, 암모니아를 이용하고, In_0.8Ga_0.2N으로 이루어지는 우물층(12)을 30 옹스트롬의 막두께로 성장시킨다. 더욱이 TMG, TMA, 암모니아를 이용하고, 언도프된 Al_0.3Ga_0.7N으로 이루어지는 제1장벽층(13)을 10 옹스트롬의 막두께로 성장시킨다. 상기 제2장벽층(11), 우물층(12), 제1장벽층(13)의 3층 구조를 4회 더 반복하여 적층하고, 마지막으로 제2장벽층(11)을 형성하여, 총막두께 1400 옹스트롬의 다중양자 우물(MQW)로 이루어지는 활성층(207)을 성장시킨다.

이상과 같이 우물층(12)의 In의 혼정비를 0.8로 한 것 외에는 실시예3과마찬가지로 하여 LED 소자를 제작한 바, 순방향 전압 20 mA에 있어서, 570 nm의 황색 발광을 나타내고, 구동전압은 2.9V로, 동조건에서 제1장벽층(13)을 형성하지 않을 때의 구동전압 3.7V와 비교하여 큰 저하가 보였다.

이상 설명한 바와 같이, 본발명을 이용함으로써, 질화물반도체 발광소자, 특히 황색 영역의 파장보다도 장파장(550nm 이상)의 빛을 발광하는 질화물반도체 발광소자의 발광출력을 향상할 수가 있다. 더욱이 황색 영역의 파장의 빛을 발광하는 질화물반도체층상에 형성되는 반도체층의 결정성을 향상할 수 있다.

특히 상기 효과는, 제1장벽층에 있어서의 A1의 혼정비 y₂가 y₂≥0.1일때 현저히 나타난다. 더욱이 y₂≥0.15, 보다 바람직하게는 y₂≥0.2로 함으로써 발광소자의 문턱치 전압의 저감에도 효과가 보이며, 여러가지 분야에 있어서 발광소자로서 이용할 수 있다.

Claims (10)

1. n형 반도체층과 p형 반도체층의 사이에 활성층이 형성된 발광소자로서,

   상기 활성층은, In을 포함하는 Inx_lGa_l-xlN(x_l>0)으로 이루어지는 우물층과, 상기 우물층상에 형성되는 Al을 포함하는 Al_y2Ga_l-y2N(y₂>0)으로 이루어지는 제1장벽층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 우물층의 In 혼정비 x₁이 0.6이상인 발광소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 우물층의 In 혼정비 x₁은, 상기 우물층에 있어서 530 nm 이상의 파장의 빛을 발광하도록 설정되어 있는 발광소자.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1장벽층의 Al 혼정비 y₂가 0.1 이상인 발광소자.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1장벽층의 Al 혼정비 y₂가 0.15 이상인 발광소자.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1장벽층의 A1 혼정비 y₂가 0.2 이상인 발광소자.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 활성층은, In_x3Al_y3Ga_l-x3-y3N (0≤x₃≤0.3, 0≤y₃≤0.1, x₃+y₃≤0.3)으로 이루어지는 제2장벽층을 포함하고, 상기 우물층은 상기 제2장벽층상에 형성되는 발광소자.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제2장벽층은 In_x3Ga_l-x3N(0≤x₃≤0.3)으로 이루어지는 발광소자.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,

   상기 활성층은, 상기 제2장벽층, 상기 우물층, 상기 제1장벽층이 복수층 반복하여 형성된 다중양자 우물구조인 발광소자.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 n형 반도체층은 캐리어를 상기 활성층에 가두기 위한 n형 클래드층을포함하는 한편 상기 p형 반도체층은 캐리어를 상기 활성층에 가두기 위한 p형 클래드층을 포함하여 이루어지고,

    상기 활성층과 상기 n형 클래드층의 사이에 In을 포함하는 질화물반도체로 이루어지는 n측 제2 클래드층을 포함하고,

    상기 활성층과 상기 p형 클래드층의 사이에 In을 포함하는 질화물반도체로 이루어지는 p측 제2 클래드층을 포함하는 발광소자.