KR20080010134A - 질화물계 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 양자우물층과 양자장벽층을 포함하는 발광층과; 상기 발광층의 양자우물층의 적어도 어느 일측 면에 위치하는 응력완화층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

질화물, 반도체, GaN, 발광층, 응력.

Description

질화물계 발광 소자 {Nitride based light emitting diode}

도 1은 종래의 발광 소자 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 발광 소자 구조의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명의 발광 소자 구조의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 응력완화층을 나타내는 확대 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예의 에너지 밴드 다이어그램이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예의 에너지 밴드 다이어그램이다.

도 7은 본 발명의 수평형 발광 소자를 나타내는 단면도이다.

도 8은 본 발명의 수직형 발광 소자를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 : n-형 반도체층 20 : 발광층

21 : 양자우물층 22 : 양자장벽층

30 : p-형 반도체층 40 : 응력완화층

41 : 제1층 42 : 제2층

50 : 기판 60 : n-형 전극

70 : p-형 전극 80 : 지지층

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.

이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.

한편, 이러한 GaN 계열 반도체 성장이 다른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체보다 어려운 이유 중에 하나는 고품질의 기판, 즉, GaN, InN, AlN 등의 물질의 웨이퍼가 존재하지 않기 때문이다.

따라서 사파이어와 같은 이종 기판 위에 LED 구조를 성장하게 되며, 이때 많은 결함이 발생하게 되고, 이러한 결함들은 LED 성능에 큰 영향을 미치게 된다.

이러한 GaN 계열 물질의 LED의 기본 구조는 도 1에서 도시하는 바와 같이, 전자주입층으로서 n-형 반도체층(1)과 정공주입층으로서 p-형 반도체층(3) 사이에 양자우물구조(quantum well)를 가지는 활성층(2)이 위치한다.

일반적으로 빛을 발생시키는 상기 활성층(2)은 질화물 반도체 다중 양자우물구조(multi-quantum well: MQW)를 갖는다.

이러한 다중 양자우물구조는 양자우물층(4)과 양자장벽층(5)이 반복적으로 적층되어 있어서, n-형 반도체층(1)과 p-형 반도체층(3)으로부터 각각 주입되는 전자와 정공이 양자우물층(4)에서 서로 결합하여 빛을 발산한다.

이때, 양자우물층(4)은 두개의 양자장벽층(5) 사이에 놓여서 전자와 정공을 양자역학적으로 구속할 수 있게 된다.

따라서, 고휘도 발광 소자 구현을 위해서는 전자와 정공들이 양자우물층(4)까지 잘 수송될 수 있어야 하고, 또한 수송된 전자와 정공들은 양자우물층(4)에서 효율적으로 결합할 수 있어야 한다.

결국, 고휘도 발광소자 구현을 위해서는 양자우물층(4)과 양자장벽층(5)들의 박막 결정성이 매우 우수해야 한다.

현재, 질화물 반도체 발광 소자의 가장 대표적인 양자우물구조는 질화갈륨(GaN) 양자장벽층(5)과 질화인듐갈륨(InGaN) 양자우물층(4)으로 이루어진다.

그러나 상술한 GaN과 InGaN은 본질적으로 매우 큰 결정격자 불일치를 갖는다. 따라서, InGaN 양자우물층(4)은 큰 압축응력을 받게 된다.

이러한 압축응력은 양자우물층 내에서의 에너지 밴드구조를 변형시켜서 발광특성을 크게 저하시키고 또한, 양자장벽층과 양자우물층 사이의 계면특성을 저하시켜서 결국 발광 소자의 발광효율을 크게 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자의 스트레인 및 결정 결함을 조절 또는 억제하고, 전자와 정공이 활성층으로 효율적으로 구속되도록 함으로써 신뢰성 특성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 양자우 물층과 양자장벽층을 포함하는 발광층과; 상기 발광층의 양자우물층의 적어도 어느 일측 면에 위치하는 응력완화층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 발광층과 응력완화층은, 상기 양자장벽층, 응력완화층, 및 양자우물층이 순서대로 반복하여 적층되거나, 상기 양자장벽층, 응력완화층, 양자우물층, 및 응력완화층이 순서대로 반복하여 적층되는 것이 바람직하다.

상기 응력완화층은, 평균 면방향 격자상수가 상기 양자장벽층의 격자상수보다 크고 상기 양자우물층의 격자상수보다 작을 수 있다.

또한, 상기 응력완화층은, 면방향 격자상수가 서로 다른 반도체층이 적층된 초격자층일 수 있다.

이때, 상기 초격자층의 두께는, 상기 하나의 양자장벽층 두께의 1/3 이상이거나, 0.5 내지 10nm인 것이 바람직하며, 격자상수가 서로 다른 두 층이 2쌍 내지 40쌍 구성될 수 있다.

또한, 상기 초격자층 이루는 각 층의 두께가 1 내지 10 원자층(monolayer)인 것이 바람직하다.

상기 초격자층은, 격자상수와 밴드갭이 서로 다른 AlInGaN 물질이 교대로 적층되어 구성될 수 있다.

또한, 상기 초격자층은, GaN으로 형성된 제1층과; InGaN 또는 AlInGaN으로 형성된 제2층이 교대로 적층되어 구성될 수도 있다.

다른 예로, 상기 초격자층은, 상기 양자우물층보다 격자상수가 큰 물질의 제1층과; 상기 양자우물층보다 격자상수가 작은 물질의 제2층이 교대로 적층되어 구 성될 수 있다.

한편, 상기 발광층의 양자우물층은, InGaN으로 형성되는 것이 바람직하며, 이때, 상기 InGaN의 In의 조성은, In_xGa_1-xN로 표현되는 경우에 x는 0.2 내지 0.4(0.2 ≤ x ≤ 0.4)인 것이 바람직하다.

상기 발광층의 일측면에는 제1전도성 반도체층이 위치하고, 상기 발광층의 타측면에는 제2전도성 반도체층이 위치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1전도성 반도체층 또는 제2전도성 반도체층 중 어느 일측에 형성되는 오믹전극과; 상기 오믹전극과 접촉하는 반사전극과; 상기 반사전극과 접촉하며, 금속 또는 전도성 반도체로 이루어지는 지지층을 더 포함하여 수직형 발광 소자를 이룰 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2에서 도시하는 바와 같이, 질화물계 반도체 발광 소자의 구조는, 전자주입층으로서의 n-형 반도체층(10), 발광층(20), 및 정공주입층으로서의 p-형 반도체층(30)으로 구성되며, 빛이 발생되는 발광층(20)은 질화물계 반도체의 단일 또는 다중 양자우물구조(quantum well: QW)를 갖는다.

그중 다중 양자우물구조(multi-quantum well: MQW)는 양자우물층(well: 21)과 양자장벽층(barrier: 22)이 반복적으로 적층되어 있어서, 상기 전자주입층과 정공주입층으로부터 각각 주입되는 전자와 정공이 양자우물층(21)에서 서로 결합하여 빛을 발생시킨다.

이때, 상기 양자우물층(21)의 적어도 일측면에는 응력완화층(40)이 구비될 수 있다.

도 2에서는 이러한 응력완화층(40)이 양자우물층(21)의 일측면에 구비된 실시예를 나타내고 있다.

도 2에서는 n-형 반도체층(10) 위에 발광층(20)을 형성한 실시예를 도시하고 있으며, 이때, 상기 n-형 반도체층(10) 위에 양자장벽층(22)이 적층되고, 이 양자장벽층(22)에 응력완화층(40)이 적층된 후에 양자우물층(21)이 적층된 구조가 반복되어 구성된다.

즉, 적층 순서로 볼 때, 양자장벽층(22) 위에 응력완화층(40)이 적층된 후에 양자우물층(21)이 적층되어, 상기 응력완화층(40)이 양자우물층(21)에 가해지는 응력을 완화(accomodation)시킬 수 있는 것이다.

또한, 도 3에서와 같이, 이러한 응력완화층(40)은 양자우물층(21)과 양자장벽층(22) 사이에 각각 위치할 수 있다.

즉, n-형 반도체층(10) 위에 양자장벽층(22)이 적층되고, 이 양자장벽층(22)에 응력완화층(40)이 적층된 후에 양자우물층(21)이 적층되고, 이후 양자우물층(21) 위에 응력완화층(40)이 적층된 구조가 반복되어 구성된다.

이러한 응력완화층(40)은 면방향 격자상수가 서로 다른 반도체층이 적층된 초격자(supperlattice)층을 이용할 수 있다.

보다 구체적으로는, 상기 응력완화층(40)을 이루는 초격자층의 평균 면방향 격자상수가 상기 양자장벽층(22)의 격자상수보다 크고, 상기 양자우물층(21)의 격자상수보다 작은 층이 번갈아 적층된 초격자층을 이용할 수 있다.

도 4는 이러한 초격자층으로 이루어진 응력완화층(40)을 나타내고 있으며, 이러한 초격자층은 격자상수가 서로 다른 제1층(41)과 제2층(42)으로 구성된다.

도 4에서는 상기 제2층(42)의 면방향 격자상수가 제1층(41)보다 큰 초격자층을 나타내고 있으며, 이때, 제1층(41)은 인장응력을 받고 있는 상태이고, 제2층(42)는 압축응력을 받는 상태가 된다.

이와 같이 인장 상태와 압축 상태의 층(41, 42)가 서로 교대로 적층되어 존재하므로써 초격자층은 효과적으로 응력완화층(40)으로 작용할 수 있게 되는 것이다.

이러한 초격자층의 각 층(41, 42)은 1 내지 10 원자층(monolayer) 형성된 층을 이용할 수 있고, 상기 초격자층으로 이루어지는 하나의 응력완화층(40)의 두께는 0.5 내지 10nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 초격자층은 격자상수가 서로 다른 두 층(41, 42)을 2쌍 내지 40쌍 구성하여 형성할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 상기 응력완화층(40)을 이루는 초격자층의 평균 면방향 격자상수가 상기 양자장벽층(22)의 격자상수보다 크고, 상기 양자우물층(21)의 격자상수보다 작은 층이 번갈아 적층되는 구조의 일례는 격자상수와 밴드갭이 서로 다른 AlInGaN 물질을 서로 교대 적층하여 구성할 수 있다.

즉, 알루미늄(Al)과 인듐(In)의 성분을 서로 달리하여 AlInGaN 물질을 제1 층(41)과 제2층(42)으로 구성하는 것이다.

또한, 제1층(41)을 GaN으로 형성하고, 상기 AlInGaN 또는 InGaN을 제2층(42)으로 적층하여 형성할 수도 있다.

한편, 상기 발광층(20)의 양자장벽층(22)은 GaN, InGaN, AlInGaN 등의 물질로 형성될 수 있고, 양자우물층(21)은 InGaN, AlInGaN 등의 물질로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 양자우물층(21)이 InGaN으로 구성되는 경우에는, In 성분을 많이 포함하는 경우에 응력완화층(40)이 더 큰 효과를 발위할 수 있다.

즉, 상기 양자우물층(21)이 InGaN으로 구성되고, In_xGa_1-xN로 표현되는 경우에 x는 0.2 내지 0.4(0.2 ≤ x ≤ 0.4)인 것이 바람직하다.

도 5에서는 도 2의 경우와 같이, 양자우물층(21)의 일측에만 초격자층으로 이루어지는 응력완화층(40)을 구성한 상태의 밴드 구조를 도시하고 있다.

이와 같이, 도 5에서는 초격자층의 제1층(41)은 양자장벽층(22)보다 밴드갭이 크고, 제2층(42)은 양자장벽층(22)보다는 밴드갭이 작고 양자우물층(21)보다는 밴드갭이 큰 상태이다.

한편, 도 6에서와 같이, 초격자층을 이루는 물질의 성분과, 양자우물층(21)에 포함되는 물질의 성분에 따라, 초격자층의 제1층(41)이 양자장벽층(22)과 밴드갭이 같은 상태가 될 수도 있다.

또한, 도 6에서는 상기 도 3과 같이, 양자우물층(21)의 양측에 초격자층으로 이루어지는 응력완화층(40)이 구성된 상태를 나타낸다.

경우에 따라서는 상기 초격자층의 제2층(42)의 밴드갭이 양자우물층(21)보다 낮아질 수도 있다.

통상, In이 포함된 InGaN은 격자상수가 GaN보다 커지며, 에너지 밴드갭은 GaN보다 작아진다. 또한, Al이 포함되는 AlGaN은 GaN보다 밴드갭이 커지게 된다. 따라서, 이러한 In과 Al의 성분을 조합함으로써 양자우물층(21)에 가해지는 응력을 완화할 수 있는 응력완화층(40)을 형성할 수 있다.

상술한 양자우물구조의 양자우물층(21)은 두 개의 양자 장벽층(22)들 사이에 위치하여 전자와 정공을 양자역학적으로 구속할 수 있게 된다.

따라서, 고휘도 발광 소자 구현을 위해서는 전자와 정공들이 양자우물층(21)까지 잘 수송될 수 있어야 하고, 이와 같이 수송된 전자와 정공들은 양자우물층(21)에서 효율적으로 결합할 수 있어야 한다.

결국, 고휘도 발광 소자 구현을 위해서는 양자우물층(21)과 양자장벽층(22)들의 박막 결정성이 우수해야 한다.

질화물계 반도체 발광 소자의 가장 대표적인 다중 양자우물구조는 밴드갭이 상대적으로 큰 질화갈륨(GaN) 양자장벽층(22)과 밴드갭이 상대적으로 작은 질화인듐갈륨(InGaN) 양자우물층(21)으로 이루어진다.

이러한 발광 소자 구조에서 발광 효율을 향상시키기 위해서 상기 질화갈륨(GaN)과 질화인듐갈륨(InGaN)은 결정성이 우수한 고품위의 박막으로 준비된다.

그런데, 이러한 GaN과 InGaN은 본질적으로 매우 큰 결정격자 불일치를 갖는 다. 이것은 인듐(In)의 원자반경이 갈륨(Ga)의 원자반경보다 크고, 인듐(In)과 질소(N)의 결합력과 결합길이가 갈륨(Ga)과 질소(N)의 결합력과 결합길이보다, 각각, 약하고 길기 때문이다.

따라서, InGaN 양자우물층(21)은 심하게 압축응력을 받게 된다. 이러한 압축응력은 양자우물층(21) 내에서의 에너지 밴드구조를 변형시켜서 전자가 정공과 결합할 때 간접천이 특성을 일부 갖게 되어 결국 발광 소자의 발광특성이 크게 저하될 수 있다.

또한, 압축응력은 GaN 양자장벽층(22)과 InGaN 양자우물층(21) 사이의 계면특성을 저하시켜서 계면에서 전하들의 손실이 발생하고 결국 발광 소자의 발광효율을 크게 저하시킬 수 있다.

따라서, 상술한 초격자층으로 이루어지는 응력완화층(40)을 구비하여 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있고, 응력을 완화시킴으로써 발광 효율을 크게 증가시킬 수 있다.

또한, 이러한 응력완화층(40)은 전하들이 양자우물층(21)에 효과적으로 구속될 수 있도록 할 수 있다.

도 7은 상술한 응력완화층(40)을 갖는 수평형 발광 소자의 일례를 나타낸다.

도시하는 바와 같이, 기판(50) 위에 n-형 반도체층(10), 발광층(20), 및 p-형 반도체층(30)으로 이루어지는 상술한 발광 소자의 구조를 가지며, 이러한 구조에서 n-형 반도체층(10)이 드러나도록 식각된 후에 각각 p-형 전극(70)과 n-형 전극(60)이 구비된 상태를 나타낸다.

또한, 도 8에서는 상술한 응력완화층(40)을 가지는 수직형 발광 소자의 일례를 나타낸다.

상기와 같은 n-형 반도체층(10), 발광층(20), 및 p-형 반도체층(30)으로 이루어지는 상술한 발광 소자의 구조가 기판(도시되지 않음)에 형성되고, 이러한 기판은 금속 또는 전도성 반도체층으로 형성되는 지지층(80)이 위치한 상태에서 분리되어 도 8과 같은 상태를 이루게 된다.

상기 p-형 반도체층(30)과 지지층(80) 사이에는 p-형 전극(70)이 위치하며, 이러한 p-형 전극(70)은 오믹전극(71)과 반사전극(72)으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 오믹전극(71)은 투명전극일 수 있다.

이와 같은 형태로 제작되는 발광 소자는 상술한 응력완화층(40)의 작용에 의하여 양자우물층(21)에 작용하는 응력을 완화시킴으로써 발광 효율을 크게 증가시킬 수 있고, 전하들이 양자우물층(21)에 효과적으로 구속될 수 있도록 할 수 있는 것이다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

첫째, 본 발명에 따른 발광 소자는 응력완화층에 의하여 양자우물층의 밴드 구조가 개선되어 내부양자효율을 크게 향상시킬 수 있다.

둘째, 본 발명의 응력완화층은 그 위에 성장되는 질화물 반도체 양자우물층 내에서의 응력 분포와 인듐조성 분포를 더욱 균일하게 하여 광특성을 향상시킬 수 있다.

셋째, 본 발명의 응력완화층과 양자우물층 사이의 계면특성이 향상되어 계면에서의 전하의 손실을 크게 감소시킴으로써 발광효율을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (14)

1. 발광 소자에 있어서,

   양자우물층과 양자장벽층을 포함하는 발광층과;

   상기 발광층의 양자우물층의 적어도 어느 일측 면에 위치하는 응력완화층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 발광층과 응력완화층은,

   상기 양자장벽층, 응력완화층, 및 양자우물층이 순서대로 반복하여 적층되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 발광층과 응력완화층은,

   상기 양자장벽층, 응력완화층, 양자우물층, 및 응력완화층이 순서대로 반복하여 적층되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 응력완화층은, 평균 면방향 격자상수가 상기 양자장벽층의 격자상수보다 크고 상기 양자우물층의 격자상수보다 작은 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
5. 제 1항에 있어서, 상기 응력완화층은, 면방향 격자상수가 서로 다른 반도체 층이 적층된 초격자층인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
6. 제 5항에 있어서, 상기 초격자층의 두께는, 상기 하나의 양자장벽층 두께의 1/3 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
7. 제 5항에 있어서, 상기 초격자층의 두께는, 0.5 내지 10nm인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
8. 제 5항에 있어서, 상기 초격자층은, 격자상수가 서로 다른 두 층이 2쌍 내지 40쌍 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
9. 제 5항에 있어서, 상기 초격자층은, 상기 초격자층 이루는 각 층의 두께가 1 내지 10 원자층(monolayer)인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
10. 제 5항에 있어서, 상기 초격자층은, 격자상수와 밴드갭이 서로 다른 AlInGaN 물질이 교대로 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
11. 제 5항에 있어서, 상기 초격자층은,

    GaN으로 형성된 제1층과;

    InGaN 또는 AlInGaN으로 형성된 제2층이 교대로 적층되어 구성되는 것을 특 징으로 하는 질화물계 발광 소자.
12. 제 5항에 있어서, 상기 초격자층은,

    상기 양자우물층보다 격자상수가 큰 물질의 제1층과;

    상기 양자우물층보다 격자상수가 작은 물질의 제2층이 교대로 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
13. 제 1항에 있어서, 상기 발광층의 양자우물층은, InGaN으로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
14. 제 13항에 있어서, 상기 InGaN의 In의 조성은, In_xGa_1-xN로 표현되는 경우에 x는 0.2 내지 0.4(0.2 ≤ x ≤ 0.4)인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.

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