KR20100024154A - 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는 질화물계 n형 반도체층과 질화물계 p형 반도체층 사이에 양자우물층과 장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조의 활성 영역을 포함한다. 한편, 상기 양자우물층은 언도프트 In_xGa_{1 -x}N(0.15≤x<0.5)층을 포함하고, 상기 장벽층은 언도프트 In_yGa_{1 -y}N(0.1≤y<x)층을 포함한다. 이에 따라, 활성 영역 내에 불순물을 첨가하지 않음으로써 그 품질을 향상시킬 수 있으며, 발광효율을 향상시킬 수 있다.

발광 다이오드, 다중양자우물, InGaN

Description

발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE}

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중양자우물 구조의 활성영역을 갖는 발광 다이오드에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물계 반도체는 풀컬러 디스플레이, 교통 신호등, 일반조명 및 광통신 기기의 광원으로 자외선, 청/녹색 발광 다이오드(light emitting diode) 또는 레이저 다이오드(laser diode)에 널리 이용되고 있다. 이러한 질화물계 발광 소자는 n형 및 p형 질화물반도체층 사이에 위치한 InGaN 계열의 다중양자우물 구조의 활성영역을 포함하며, 상기 활성영역 내의 양자우물층에서 전자와 정공이 재결합하는 원리로 빛을 생성시켜 방출시킨다.

일반적으로, 고출력 발광 다이오드에 있어서, 다중양자우물 구조의 활성영역은 Si 불순물이 도핑된 GaN 장벽층과 언도프트 InGaN 양자우물층이 교대로 적층된 구조를 갖는다. GaN 장벽층 내의 Si 불순물은 GaN 장벽층이 도전성을 갖도록 하여 양자우물층 내로의 전자의 주입을 돕는다.

그러나 이러한 종래의 질화물계 화합물 반도체는 GaN와 InN 사이에 11%의 격자부정합이 존재하기 때문에 InGaN 계열 다중양자우물구조에서는 양자우물층과 장 벽층 계면에 강력한 스트레인이 발생하게 된다. 이러한 스트레인은 양자우물 내의 압전필드를 유발하여 내부양자효율(internal quantum efficiency)의 저하를 초래한다.

또한, Si 불순물 도핑은 장벽층의 도전성을 향상시키기는 하지만, 양질의 장벽층 형성을 제한하고 전자 산란에 따른 비발광 재결합을 증가시킨다. 이에 더하여, 장벽층에 도핑된 Si 불순물 때문에 공핍층(depletion region)이 넓게 생성되고, 그 결과 활성영역 내에서 캐리어가 재결합할 수 있는 영역이 좁아진다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 불순물 도핑에 따른 장벽층의 결정 품질 저하를 방지하여 비발광 재결합을 감소시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 캐리어들이 재결합할 수 있는 영역을 증대시켜 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 장벽층과 양자우물층의 계면에 발생되는 스트레인을 감소시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

상기 과제들을 해결하기 위해, 본 발명의 태양에 따른 발광 다이오드는 질화물계 n형 반도체층, 질화물계 p형 반도체층 및 상기 n형 반도체층과 상기 p형 반도체층 사이에 개재되고, 양자우물층과 장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조의 활성 영역을 포함한다. 또한, 상기 양자우물층은 언도프트 In_xGa_{1 -x}N(0.15≤x<0.5)층을 포함하고, 상기 장벽층은 언도프트 In_yGa_{1 -y}N(0.1≤y<x)층을 포함한다.

여기서, n형 및 p형 반도체층은 각각 n형 및 p형 불순물이 도핑된 반도체층을 의미하며, 언도프트(undoped) 층은 불순물을 의도적으로 도핑하지 않은 층을 의미한다. 한편, 상기 질화물계 n형 또는 p형 반도체층은, 특별히 제한되지 않으나, n형 또는 p형의 불순물이 도핑된 GaN 또는 InGaN일 수 있다.

InGaN층 내의 In 함량의 증가는 Si과 같은 불순물의 도핑 없이도 InGaN층이 불순물을 도핑한 것과 유사한 도전성을 갖도록 할 수 있다. 장벽층 내의 In 함량의 조성은 10% 이상(즉, y≥1)인 것이 바람직하다. 한편, 양자우물층 내에서 캐리어들이 재결합할 수 있도록 장벽층은 양자우물층에 비해 넓은 밴드갭을 갖는다. 이를 위해, 양자우물층에 함유된 In 함량에 비해 장벽층의 In 함량이 더 적다.

한편, 양자우물층은 요구되는 파장의 광에 따라 그 In 함량이 결정되며, 또한 장벽층의 In 함량에 비해 더 많은 In 함량을 함유할 필요가 있다. 바람직하게, 양자우물층의 In 함량은 0.15≤x≤0.17일 수 있다.

상기 활성 영역의 장벽층들 중 p형 반도체층에 인접하는 장벽층이 다른 장벽층들에 비해 더 두꺼울 수 있다. 이에 따라, 전자가 활성영역을 벗어나는 것을 방지하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 장벽층은 상기 양자우물층의 성장온도보다 50℃를 초과하지 않은 온도에서 성장된 층일 수 있다. 장벽층과 양자우물층의 성장 온도 차이가 크면, 온도 상승 및 하강에 따른 온도 요동이 발생하고, 온도를 안정화시키기 위해 상당한 공정시간이 요구된다. 따라서, 장벽층과 양자우물층의 성장 온도 차이를 50℃ 이하로 하면 온도 안정화에 필요한 공정시간을 단축할 수 있다.

본 발명은 상대적으로 많은 In 함량을 갖는 언도프트(undoped) InGaN 장벽층을 채택한다. 이러한 In 함량은 Si 불순물 도핑 없이도 InGaN층이 장벽층으로 사용하기에 적합한 도전성을 갖도록 하며, 나아가 InGaN 양자우물층과의 격자 상수 불 일치를 감소시킬 수 있다. 또한, Si과 같은 불순물을 도핑하지 않기 때문에, 불순물에 기인한 장벽층의 결정 품질 저하를 방지할 수 있으며, 불순물 도핑에 의해 생성되는 공핍층을 제거하여 캐리어들이 재결합할 수 있는 영역을 증대시킬 수 있다. 이에 따라, 발광 효율이 높은 고출력 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고, 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 질화물계 n형 반도체층인 n형 콘택층(27), 질화물계 p형 반도체층인 p형 콘택층(33) 및 양자우물구조의 활성영역(29)을 포함한다. 또한, 상기 발광 다이오드는 기판(21), 언도프트 GaN층(u-GaN, 25), 상기 기판(21)과 u-GaN층(25) 사이에 핵층(23)을 포함할 수 있으며, 활성영역(29)과 p형 콘택층(33) 사이에 p형 클래드층(31)을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 p형 콘택층(33) 상에 투명전극(35) 및 p-전극(37)이 위치하고, n형 콘택층(27) 상에 n-전극(39)이 위치할 수 있다.

상기 기판(21)은 질화갈륨계 반도체층을 성장시키기 위한 기판으로, 사파이어, SiC, 스피넬 등 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는, 도시한 바와 같이, 패터닝된 사파이어 기판(PSS)일 수 있다.

상기 핵층(23)은 기판(21) 상에 u-GaN(25)을 성장시키기 위해 400~600℃의 저온에서 (Al, Ga)N로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 AlN로 형성된다. 상기 핵층은 약 25nm의 두께로 형성될 수 있다.

u-GaN층(25)은 기판과 n형 콘택층(27) 사이에서 전위와 같은 결함발생을 완화하기 위한 층으로, 상대적으로 고온에서 성장된다. u-GaN층은 통상 약 2㎛~4.5㎛ 범위 내의 두께로 형성될 수 있다. u-GaN층은 불순물 도핑 없이 성장되므로 불순물이 도핑된 GaN층에 비해 상대적으로 우수한 결정성을 가질 수 있다. 따라서 u-GaN층을 상대적으로 두껍게 형성하는 것이 발광 다이오드의 품질을 향상시킬 수 있다.

상기 n형 콘택층(27)은 상기 u-GaN층(25) 상에 GaN 또는 InGaN 등의 질화갈륨계 반도체로 성장될 수 있으며, Si 또는 Ge과 같은 n형 불순물이 도핑된다.

활성영역(29)은 In_xGa_{1 - x}N 양자우물층(29a)과 In_yGa_{1 - y}N 장벽층(29b)이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 가진다. InGaN 장벽층(29b) 내의 In 함량은 장벽층이 의도적인 Si 불순물 도핑 없이도 도전성을 갖도록 선택된다. 바람직하게, InGaN 장벽층 내의 In 함량은 10% 이상이고 InGaN 양자우물층(29a) 내의 In 함량보다 작다 (즉, 01≤y<x). 장벽층(29b) 내의 In 함량이 10% 이상이면, Si 불순물 도핑 없이도 양자우물층 내로 원활하게 캐리어를 주입할 수 있다.

상기 활성 영역의 장벽층들 중 p형 콘택층(33) 또는 p형 클래드층(31)에 인접하는 장벽층(29b)이 다른 장벽층들에 비해 더 두꺼울 수 있다. 이에 따라, 활성영역 내의 전자가 활성영역을 벗어나는 것을 방지하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 양자우물층(29a) 내의 In 함량은 원하는 파장의 광을 방출하도록 결정되며, 또한 장벽층의 In 함량보다 많다. 양자우물층(29a) 내의 In 함량은 15% 이상 50% 미만(즉, 0.15≤x<0.5)인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15~17%이다(즉, 0.15≤x≤0.17).

본 실시예에 있어서, n형 콘택층(27)에 양자우물층(29a)이 접하는 것으로 도시하였으며, 장벽층(29b)이 접할 수 있다. 또한, 활성영역(29)의 최상측에 장벽층(29b) 위치하는 것으로 도시하였으나, 양자우물층(29a)이 위치할 수도 있다. 나아가, 양자우물층(29a)과 장벽층(29b)의 적층수는 특별히 제한되지 않는다.

한편, 상기 양자우물층(29a)은 740℃~760℃의 온도 범위에서 TMI, TMG, 암모니아 등의 소스 가스를 이용하여 MOCVD 기술을 사용하여 성장될 수 있다. 한편, 상기 장벽층(29b)은 인시투(in-situ) 공정으로 상기 양자우물층(29a)과 동일한 공정 챔버에서 성장될 수 있다. 바람직하게. 상기 장벽층(29b)의 성장온도는 양자우물층(29a)의 성장온도보다 50℃를 초과하지 않은 온도 범위, 예컨대 760℃~800℃에서 성장된다.

장벽층과 양자우물층의 성장온도 차이를 50℃ 이하로 함으로써 발광 다이오드 제조에 요구되는 공정시간을 단축시킬 수 있으며 급격한 온도변화를 수반하지 않기 때문에 장벽층과 양자우물층 사이의 열팽창 계수 차이에 따른 결함 발생을 방지할 수 있다.

한편, 상기 p형 클래드층(31)은 통상적인 AlGaN으로 형성될 수 있으며, p형 콘택층(33)은 GaN 또는 InGaN으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 p형 콘택층(33) 상에 Ni/Au 또는 인디움 틴 산화막(ITO)과 같은 투명 전극(35)이 형성되고, 그 위에 p-전극(37)이 예컨대 리프트 오프 공정으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 n형 콘택층(27) 상에 Ti/Al 등의 n-전극(39)이 리프트 오프 공정으로 형성될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상대적으로 많은 In 함량을 갖는 언도프트 장벽층(29b)을 채택한다. 장벽층 내에 Si 불순물을 도핑하지 않기 때문에, 종래 Si 불순물 도핑에 따라 발생하는 결정 품질 저하를 방지하여 비발광 재결합을 감소시킬 수 있어 고출력 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 나아가, 불순물 도핑에 의해 생성되는 공핍층을 제거하여 캐리어들이 재결합할 수 있는 영역을 증대시킬 수 있다. 또한, 장벽층(29b)과 양자우물층(29a) 사이의 격자불일치를 감소시킬 수 있어 이들의 계면에서 발생되던 스트레인을 감소시킬 수 있으며, 따라서 압전필드에 기인한 내부양자효율 감소를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

Claims (4)

1. 질화물계 n형 반도체층;

   질화물계 p형 반도체층; 및

   상기 n형 반도체층과 상기 p형 반도체층 사이에 개재되고, 양자우물층과 장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조의 활성 영역을 포함하되,

   상기 양자우물층은 언도프트 In_xGa_{1 -x}N(0.15≤x<0.5)층을 포함하고,

   상기 장벽층은 언도프트 In_yGa_{1 -y}N(0.1≤y<x)층을 포함하는 발광 다이오드.
2. 청구항 1에 있어서, 0.15≤x≤0.17인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 활성 영역의 장벽층들 중 p형 반도체층에 인접하는 장벽층이 다른 장벽층들에 비해 더 두꺼운 발광 다이오드.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 장벽층은 상기 양자우물층의 성장온도보다 50도를 초과하지 않는 온도에서 성장된 층인 발광 다이오드.

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