KR20100020165A - 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
내부전계를 감소시켜 발광효율이 향상된 발광 소자가 개시된다. 이러한 발광소자는 발광층, N형 콘택층 및 P형 콘택층을 포함한다. 상기 발광층은 활성층 및 상기 활성층의 상부 및 하부에 배치되어 상기 활성층에 인가되는 응력을 완화시켜 상기 활성층 내부의 자발분극에 의한 전계 및 피에조에 의한 전계의 합을 감소시키는 초격자층을 포함한다. 상기 활성층은 질화인듐갈륨(InGaN)을 포함하고, 상기 장벽층은 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 질화인듐갈륨(InGaN) 박막이 교대로 적층된 초격자층으로 형성된다. 예컨대, 상기 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 질화인듐갈륨(InGaN) 박막 각각의 두께는 1nm 내지 2nm의 범위를 갖는다. 상기 N형 콘택층은 상기 발광층에 전자를 주입한다. 상기 P형 콘택층은 상기 발광층을 경계로 상기 N형 콘택층과 대향하게 배치되고, 상기 발광층에 정공을 주입한다.
Description
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세히 내부전계를 감소시켜 발광효율이 향상된 발광 소자에 관한 것이다.
반도체 청자색 및 청록색 발광소자를 구성하는 III-V족 질화물 및 II-VI족 화합물 반도체 구조는 본질적인 특성 중의 하나인 활성층에 인가되는 응력에 의한 피에조 전계와 자발 분극에 의해 발광특성이 다른 III-V족 반도체에 비해 현저하게 떨어진다는 점은 주지의 사실이다[Park et al., Appl. Phys. Lett. 75, 1354 (1999)]. 특히 자발 분극을 없앨 수 있는 방법은 현재까지는 기판의 성장방향을 바꾸어 논폴라(non-polar) 또는 세미폴라(semi-polar) 기판을 사용하는 방법 이외에는 없는 것으로 알려져 있다[Park & Chuang, Phys. Rev. B59, 4725 (1999), Waltereit et al., Nature 406, 865 (2000)].
III-V 족 질화물 반도체의 본질적인 취약점인 피에조 및 자발 분극을 최소화 시키려는 시도는 여러가지가 있어 왔다. 그 중 대표적인 방법으로,
1) Non-polar 또는 semi-polar 기판을 이용하여 자발 분극 및 피에조 효과를 최소화 시키는 방법 [Park et al., Phys Rev B 59, 4725 (1999) 및 Waltereit et al., Nature 406, 865 (2000)]
2) 클래드 층을 4원막으로 하고 이중 Al 의 조성비를 증가시켜 전송자의 구속효과를 높여 발광효율을 높이는 방법 [Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 77, 2668 (2000), Lai et al., IEEE Photonics Technol Lett. 13, 559 (2001)] 있다.
이 중 1)의 경우는 아직 이종결정성장 방향에 대한 성장기술의 성숙하지 않아 소자제작시 결함(Defects)이 많아 이론적인 예상만큼 소자 특성이 안나오는 것으로 알려져 있고 제작과정이 매우 까다롭다[K. Nishizuka et al., Appl. Phys. Lett. 87, 231901 (2005)].
2)의 경우는 자발분극 및 피에조 효과를 근본적으로 제거할 수 없기 때문에 근본적인 해결책이 될 수 없다. 다만 최근의 연구결과[Ahn et al., IEEE J. Quantum Electron. 41, 1253 (2005)]에 따르면 4원막 배리어를 사용할 경우 양자우물의 전송자 구속 효과에 의한 광이득 개선 효과가 있는 것으로 나타났다.
3) 다른 방법으로는 4원막 배리어를 갖는 InGaN/InGaAlN 양자우물 구조에서 양자우물내의 인듐 조성비가 정해지면 피에조 및 자발 분극에 의한 내부전계가 소멸되는 4원막의 조성비를 발견할 수 있다는 이론적 연구를 토대로 양자우물 LED 및 LD 등 광소자의 발광특성을 현저하게 개선할 수 있는 방법이 제안되어 있다[S. H Park, D. Ahn, J. W. Kim, Applied Physics Letters 92, 171115 (2008)]. 그러나 이 방법은 4원막 배리어의 성장 조건이 극히 까다롭다는 단점을 갖고 있다.
이에 따라, 본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는 앞의 3)에서 언급한 4원막 배리어와 유사한 특성을 갖도록 AlGaN-InGaN 초격자로 구성된 배리어를 형성하여 양자우물 구조내에서 전계를 감소시켜 광이득의 개선을 도모한 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는 이러한 발광소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광소자는 발광층, N형 콘택층 및 P형 콘택층을 포함한다. 상기 발광층은 활성층 및 상기 활성층의 상부 및 하부에 배치되어 상기 활성층에 인가되는 응력을 완화시켜 상기 활성층 내부의 자발분극에 의한 전계 및 피에조에 의한 전계의 합을 감소시키는 초격자층을 포함한다. 상기 활성층은 질화인듐갈륨(InGaN)을 포함하고, 상기 장벽층은 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 질화인듐갈륨(InGaN) 박막이 교대로 적층된 초격자층으로 형성된다. 상기 N형 콘택층은 상기 발광층에 전자를 주입한다. 상기 P형 콘택층은 상기 발광층을 경계로 상기 N형 콘택층과 대향하게 배치되고, 상기 발광층에 정공을 주입한다.
예컨대, 상기 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 질화인듐갈륨(InGaN) 박막 각각의 두께는 1nm 내지 2nm의 범위를 가질 수 있다.
예컨대, 상기 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 상기 질화인듐갈륨(InGaN) 박막 각각의 두께는 1.5nm일 수 있다.
예컨대, 상기 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 상기 질화인듐갈륨(InGaN) 박막은 상기 활성층을 기준으로 대칭적으로 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 활성층의 두께는 2nm 내지 3.5nm의 범위를 갖는다.
예컨대, 상기 활성층의 인듐과 갈륨의 조성비는 0.15 대 0.85이고, 상기 장벽층의 상기 질화인듐갈륨(InGaN) 박막에서 인듐과 갈륨의 조성비는 0.2 대 0.8이며, 상기 장벽층의 상기 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막의 알루미늄과 갈륨의 조성비는 0.2 대 0.8이다.
본 발명에 따르면, 성장이 까다로운 4원막 배리어층을 형성하지 않고, 3원막 초격자 배리어층을 이용하여 피에조 및 자발분극에 의한 내부전계를 최소화함으로써 발광효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 반도체 발광소자의 개략적인 단면도이고, 도 2는 도 1에서 도시된 발광층을 도시한 단면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 반도체 발광소자(100)는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광소자(100)는 N형 콘택층(102), 발광층(103) 및 P형 콘택층(104)을 포함한다.
상기 N형 콘택층(102)은 기판(101) 상부에 형성될 수 있다. 상기 기판(101)으로서, 예컨대 사파이어(Al2O3) 기판 또는 탄화 실리콘 기판(SiC)이 사용될 수 있다. 선택적으로, 상기 기판(101)과 상기 N형 콘택층(102) 사이에 버퍼층(도시안됨)이 더 형성될 수 있다. 버퍼층은 고품위의 질화물 결정성장을 위해서 형성된다.
상기 N형 콘택층(102)은 예컨대, 하나 이상의 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 N형 콘택층(102)은 상기 발광층(103)에 전자를 주입한다.
상기 P형 콘택층(104)은 상기 발광층(130)을 사이에 두고, 상기 N형 콘택층(102)과 대향하게 배치된다. 상기 P형 콘택층(104) 또한 하나 이상의 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 P형 콘택층(102)은 상기 발광층(103)에 정공을 주입한다.
P형 전극(106)과 N형 전극(105)에 전위가 인가되면, N형 콘택층(102)은 상기 발광층(103)에 전자를 주입하고, 상기 P형 콘택층(102)은 상기 발광층(103)에 정공을 주입하여, 상기 전자와 정공이 상기 발광층(130) 내에서 결합하고, 이때의 에너 지가 빛에너지로 변환된다.
상기 발광층(103)은 활성층(1031) 및 장벽층(1032)을 포함한다. 상기 활성층(1031)은 질화인듐갈륨(InGaN)을 포함하고, 상기 장벽층(1032)은 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 질화인듐갈륨(InGaN) 박막이 교대로 적층된 초격자층으로 형성된다.
초격자층으로 형성된 상기 장벽층(1032)은 양자우물 구조내의 전계를 감소시켜 광이득을 개선시킨다.
이렇게 다층박막이 형성되는 경우, 각 층에 인가되는 스트레인은 수학적으로 해석이 가능하다. 각각 d1, d2, ..., dn의 두께를 갖는 1, 2, .., n개의 층이 순차적으로 적층된 경우, 나카지마[Nakajima, J. Appl. Phys. 72, 5213(1992)]가 제시한 수학적 방법을 이용하면, i번째 층에 인가되는 스트레인은 아래의 수학식 1로 표현된다.
이식에서, Fi는 단위길이당 힘(Force), Mi는 모멘트, ai는 격자상수, Ei는 영의 모듈러스(Young's modulus), R은 기판의 곡률(Curvature)을 나타낸다.
이때, i번째 층과 (i+1)번째 층이 평형상태를 유지하기 위한 조건은 아래의 수학식 2와 같다.
이식에서, li는 열팽창을 고려한 i번째 층의 유효격자상수, αi는 i층의 열팽창계수, T는 격자의 온도, ei는 i번째층에 인가되는 스트레인이다.
상기 수학식1과 수학식 2를 조합하여 i번째 층에 인가되는 스트레인을 구하면, 아래의 수학식 3으로 표현된다.
상기 수학식 3에서, 단위길이당 힘 Fi는 아래의 수학식 4로 표현된다.
한편 다층박막 전체의 곡률(Curvature)은 아래의 수학식 5로 표현된다.
이상과 같이 구한 스트레인에 의해서 각 층에 인가되는 피에조 및 자발분극은 아래의 수학식 6 및 수학식 7로 표현된다.
이식에서, εxxi는 수학식 3의 값이고, C11, C12, C13 및 C33은 스티프니스 상수(stiffness constant)이다.
이러한 수학식들을 사용하여 계산된 바람직한 다층구조는 아래와 같다.
즉, 상기 활성층(1031)은 예컨대, 2nm 내지 3.5nm의 범위의 두께를 갖는다. 상기 장벽층(1032)에서의 초격자층을 형성하는 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 질화인듐갈륨(InGaN) 박막은 전자가 초격자층에 구속이 안되는 두께를 갖는 것이 바람직하다.
즉, 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 질화인듐갈륨(InGaN) 박막은 각각 2nm 이하의 두께를 갖는다. 예컨대, 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 질화인듐갈륨(InGaN) 박막은 각각 1nm 내지 2nm의 범위를 갖으며 본 실시예에서는 대략 1.5nm의 범위로 형성된다.
상기 활성층(1031)의 In과 Ga 조성비가 0.15 대 0.85, 상기 장벽층(1032)에서의 상기 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막의 Al과 Ga의 조성비는 0.2 대 0.8, 상기 장벽층(1032)에서의 상기 질화인듐갈륨(InGaN) 박막의 In과 Ga 조성비가 0.2 대 0.8인경우, 양자우물에 인가되는 스트레인과 전계는 다음의 표 1과 같이 계산된다.
| 종래 GaN 장벽층 | 본 발명에 의한 AlGaN/InGaN 초격자 장벽층 | |
| 활성층에서의 스트레인(%) | -1.607 | -1.435 |
| 활성층에서의 전계 (Polarization field, MV/cm) | 2.432 | 2.346 |
표 1에서 보이는 것과 같이, 종래 GaN장벽층에 비해서, 본 발명에 의한 AlGaN/InGaN 초격자 장벽층(1032)은 스트레인 및 활성층(1031)에서의 전계 모두 감소함을 볼 수 있다.
활성층에 전계가 있는 경우, 전자와 정공이 서로 반대방향으로 힘을 받아 멀어지므로, 그만큼 결합하여 광자를 발생시킬 가능성이 줄어든다.
그런데, 본 발명에 의하면, 활성층(1031)에서의 전계가 감소하여, 전자 및 정공쌍이 서로 결합할 확률이 증가되어 발광효율이 향상된다.
이때의 광학이득은 도 3에서 도시된 바와같다.
한편, 다체효과를 갖는 논-마코비안 이득모델을 이용하여 광학이득 스펙트럼이 계산된다(참고, S. H. Park, S. L. Chung, and D Ahn, "Interband relaxation time effects on non-Markovian gain with many-body effects and comparison with experiment", Semicond. Sci. Technol., vol. 15 pp. 2003-2008). 가전자대 분산의 이방성의 효과를 포함하는 다체효과를 갖는 광학이득은 아래의 수학식 8로 표현된다.
윗식에서, ω는 각속도, μ0는 진공에서의 투자율(permeability), ε은 유전율(dielectric constant), σ=U(또는 L)은 유효질량 해밀토니안의 상부(또는 하부)블럭, e는 전자의 전하량, m0는 자유전자의 질량, k||는 양자우물평면에서 표면웨이브벡터의 크기, Lw는 우물의 폭, |Mlm|2은 스트레인드 양자우물(strained Quantum Well)의 매트릭스 성분이다. 또한 fl c와 fm v는 각각 전도대와 가전자대에서 전자에 의한 점유확률을 위한 페르미 함수이며, 아래첨자의 l과 m은 각각 전도대에서의 전자상태와 정공상태를 나타낸다.
또한, 전자와 정공간의 재규격화된 전이 에너지는 아래의 수학식 9로 표현된 다.
윗식에서, Eg는 밴드갭, ΔESX 및 ΔECH는 각각 밴드갭 재규격화에 대한 스크린된 교환(Screened exchange)과 쿨롱홀 기여(Coulomb-hole contribution)이다(참조, W.W. Chow, M. Hagerott, A. Bimdt, and S.W. Koch, "Threshold coditions for an ultraviolet wavelength GaN quantum-well laser", IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., vol. 4, pp. 514-519, 1998).
가우스라인 형상 함수(Gaussian line shape function) L(ω, k||, φ)는 아래의 수학식 10으로 표현된다.
윗식에서 
는 엑시토닉(exitonic) 또는 밴드간 전이의 쿨롱상승의 원인이 된다. 상기의 라인형상 함수는 논-마코비안 퀀텀 키네틱스(Non-Marcobian Quantum kinetics)의 가장 간단한 가우시안(Gaussian)이고, 아래의 수학식 11 및 수학식 12로 기술된다.
인터밴드 릴렉세이션 시간(interband relaxation time) τin과 코릴레이션시간(correlation time) τc는 상수로 간주되고, 각각 25fs 및 10fs로 계산된다.
도 3은 종래 반도체 발광소자의 광학이득과 도 1에서 도시된 반도체 발광소자의 광학이득을 보여주는 그래프이다. 도 3에서의 그래프들은 수학식 8을 이용하여 각각 수치계산을 통해서 얻어진 것이다.
도 3을 참조하면, 전계의 감소에 따라서, AlGaN/InGaN 초격자 배리어를 가진 본 발명에 의한 반도체 발광소자의 경우, 광이득의 최대값이 60.4cm-1에서 202.9cm-1로 개선됨을 볼 수 있다. 또한, 이러한 AlGaN/InGaN 초격자 배리어를 가진 본 발명에 의한 반도체 발광소자의 경우 파장이 청색광쪽으로 천이되는 블루쉬프트(Blue Shift)현상을 보여준다.
본 발명에 따르면, 성장이 까다로운 4원막 배리어층을 형성하지 않고, 3원막 초격자 배리어층을 이용하여 피에조 및 자발분극에 의한 내부전계를 최소화함으로써 발광효율을 향상시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 설명 및 아래의 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 반도체 발광소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에서 도시된 발광층을 도시한 단면도이다.
도 3은 종래 반도체 발광소자의 광학이득과 도 1에서 도시된 반도체 발광소자의 광학이득을 보여주는 그래프이다.
<주요 도면번호에 대한 간단한 설명>
100: 반도체 발광소자 101: 기판
102: N형 콘택층 103: 발광층
104: P형 콘택층 105: N형 전극
106: P형 전극 1031: 활성층
1032: 장벽층
Claims (6)
- 활성층 및 상기 활성층의 상부 및 하부에 배치되어 상기 활성층에 인가되는 응력을 완화시켜 상기 활성층 내부의 자발분극에 의한 전계 및 피에조에 의한 전계의 합을 감소시키는 초격자층으로 형성된 장벽층을 포함하는 발광층;상기 발광층에 전자를 주입하는 N형 콘택층; 및상기 발광층을 경계로 상기 N형 콘택층과 대향하게 배치되고, 상기 발광층에 정공을 주입하는 P형 콘택층을 포함하며,상기 활성층은 질화인듐갈륨(InGaN)을 포함하고,상기 장벽층은 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 질화인듐갈륨(InGaN) 박막이 교대로 적층된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1 항에 있어서,상기 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 질화인듐갈륨(InGaN) 박막 각각의 두께는 1nm 내지 2nm인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제2 항에 있어서,상기 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 상기 질화인듐갈륨(InGaN) 박막 각각의 두께는 1.5nm인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제2 항에 있어서,상기 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막 및 상기 질화인듐갈륨(InGaN) 박막은 상기 활성층을 기준으로 대칭적으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1 항에 있어서,상기 활성층의 두께는 2nm 내지 3.5nm의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 활성층의 인듐과 갈륨의 조성비는 0.15 대 0.85이고,상기 장벽층의 상기 질화인듐갈륨(InGaN) 박막에서 인듐과 갈륨의 조성비는 0.2 대 0.8이며,상기 장벽층의 상기 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 박막의 알루미늄과 갈륨의 조성비는 0.2 대 0.8인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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