KR20100100567A - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD) 등으로 이용될 수 있는 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중양자우물 구조 내 적어도 한 층에 캐리어 트랩부(carrier trap portion)를 포함하는 발광소자에 관한 것이다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD) 등으로 이용될 수 있는 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중양자우물 구조 내 적어도 한 층에 적어도 하나의 캐리어 트랩부(carrier trap portion)를 포함하는 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화인듐갈륨(InGaN) 등과 같은 III족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 발광 다이오드용 및 레이저 다이오드용 물질로 각광을 받고 있다. 이중 특히 질화인듐갈륨(InGaN) 화합물 반도체는 좁은 밴드갭에 기인하여 많은 주목을 받고 있다. 이러한 질화갈륨 계열의 화합물 반도체를 이용한 발광 다이오드는 대규모 천연색 평판 표시장치, 백라이트 광원, 신호등, 실내조명, 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
일반적으로 발광 다이오드는 n형 반도체층과 p형 반도체층을 포함하고, 상기 n형 및 p형 반도체층 사이에 활성영역이 개재된다. 상기 n형 반도체층 및 p형 반도 체층은 III족 원소의 질화물 반도체층, 예들 들면 (Al, In, Ga)N 계열의 화합물 반도체층으로 형성될 수 있다. 한편, 활성영역은 하나의 우물층을 갖는 단일 양자우물 구조이거나, 복수개의 우물층과 장벽층을 포함하는 다중양자우물 구조일 수 있다. 상기 다중양자우물 구조는 InGaN 우물층과 GaN 장벽층이 교대로 적층되어 형성될 수 있으며, 상기 우물층은 n형 및 p형 반도체층, 그리고 장벽층에 비해 밴드갭이 작은 반도체층으로 형성됨으로써 전자(electron)와 정공(hole)이 재결합되는 양자 우물층을 형성할 수 있다.
이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 육방정계의 구조를 갖는 사파이어(sapphire) 또는 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종기판 상에 금속유기화학 기상성장법 등의 공정을 통하여 성장된다. 그러나, 이와 같이 III족 원소의 질화물 반도체층이 이종기판 상에 형성되는 경우, 반도체층과 기판 사이의 격자상수 및 열팽창 계수의 차이에 기인하여 반도체층 내에 크랙(crack) 또는 뒤틀림(warpage)이 발생하고, 전위(dislocation)가 생성된다.
이를 방지하기 위하여, 기판 상에 버퍼층을 형성한 후 반도체층을 성장시킴으로써 반도체층내 결정결함을 상당히 제거할 수 있다. 하지만, 그럼에도 불구하고 활성영역 내의 결정결함 밀도는 여전히 높은 편이며, 이는 III족 원소의 화합물 반도체층을 이용하는데 큰 장애물로 작용한다. 또한, 이와 같이 활성영역 내에 형성된 전위와 같은 결정결함은 활성영역으로 유입되는 캐리어를 트랩하지만 빛을 발하지는 않으므로 비발광 중심(non-radiative center)으로 작용하게 되며, 이는 발광 다이오드의 내부양자효율을 현저하게 떨어뜨리는 원인이 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다중양자우물 구조내 적어도 한 층에 캐리어 트랩부(carrier trap portion)를 포함함으로써, 활성영역 내에 형성되는 전위와 같은 결정결함에 의한 내부양자효율 저하 문제를 해결하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 다중양자우물 구조내 발생하는 압축응력을 상쇄할 수 있는 인장응력을 발생시킴으로써, 다중양자우물 구조내 결정질을 향상시키는데 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 제 1반도체층; 상기 제 1반도체층 상에 형성된 제 2반도체층; 및 상기 제 1반도체층 및 제 2반도체층 사이에 개재된 적어도 하나의 우물층과 적어도 하나의 장벽층을 포함하는 다중양자우물 구조(multi quantum well structure)를 포함하고, 상기 다중양자우물 구조 내 적어도 한 층에 캐리어 트랩부(carrier trap portion)를 포함하며, 상기 캐리어 트랩부는 캐리어 트랩부의 외부에서 캐리어 트랩부의 중심부로 갈수록 밴드갭 에너지가 감소하는 발광소자를 제공함으로써 전위와 같은 결정결함에 의한 내부양자효율 저하 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 발광소자에서 상기 캐리어 트랩부는 캐리어 트랩부의 외부에서 캐리어 트랩부의 중심부로 갈수록 밴드갭 에너지가 직선적으로, 계단형태로, 또는 곡선 형태로 감소할 수 있다.
본 발명의 발광소자에서 상기 캐리어 트랩부는 다중양자우물 구조 내 우물층에 형성될 수 있으며, 우물층 내에 매립되어 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 발광소자는 상기 캐리어 트랩부를 포함하는 층에 In을 포함할 수 있으며, 예를 들면 AlInGaN계 화합물 반도체 또는 AlInGaP계 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
또한 본 발명의 발광소자는 상기 캐리어 트랩부를 포함하는 층내 In의 증발을 방지할 수 있는 인듐증발 방지층을 다중양자우물 구조 내에 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 발광소자의 캐리어 트랩부는 캐리어 트랩부의 외부에서 캐리어 트랩부의 중심부로 갈수록 In의 함량이 증가할 수 있으며, 이때 상기 캐리어 트랩부의 최외각부 In 함량 보다 캐리어 트랩부의 중심부 In 함량이 적어도 2% 이상 높을 수 있다.
또한, 상기 캐리어 트랩부를 포함하는 층이 우물층인 경우, 배리어층은 Al을 포함하여 형성될 수 있으며, 이때 상기 Al을 포함하는 배리어층의 Al 함량은 캐리어 트랩부를 포함하는 층에 발생되는 압축응력을 상쇄할 수 있는 인장응력을 생성시킬 수 있는 함량으로 제어될 수 있고, 아울러 상기 Al을 포함하는 배리어층은 AlGaInN계 화합물 반도체 또는 AlInGaP계 화합물 반도체일 수 있다.
본 발명에 따른 발광소자의 캐리어 트랩부는 층이 성장되는 동안 층의 형성과 동시에 형성될 수 있으며, 또한 상기 캐리어 트랩부는 상기 캐리어 트랩부를 포함하는 층에 형성된 전위의 밀도보다 높은 밀도로 분포되는 것이 바람직하다.
상기 캐리어 트랩부는 1-10nm의 크기로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 2-5nm의 크기로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 발광소자는 상기 캐리어 트랩부가 적어도 2개 이상 뭉쳐 형성된 캐리어 트랩 클러스터를 추가로 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 캐리어 트랩 클러스터는 인접하는 다른 캐리어 트랩 클러스터와 적어도 20nm 이상 이격되어 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 40-120nm 이격되어 형성될 수 있다.
다중양자우물 구조내 적어도 한 층에 캐리어 트랩부(carrier trap portion)를 포함함으로써, 활성영역 내에 형성되는 전위와 같은 결정결함에 의한 내부양자효율 저하 문제를 해결할 수 있는 발광 소자를 제공할 수 있다. 또한, 다중양자우물 구조내 발생하는 압축응력을 상쇄할 수 있는 인장응력을 발생시킴으로써, 발광 소자의 다중양자우물 구조 내 결정질을 향상시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로써 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 당업자들의 이해를 돕기 위하여 보다 과장되어 표현될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 발광소자의 적층 구조를 예시하는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 기판(11) 상에 제1 반도체층(15)이 위치한다. 이때 기판(11)과 반도체층 사이의 격자불일치를 완화시키기 위하여, 상기 기판(11)과 제1 반도체층(15) 사이에 버퍼층(13)이 개재될 수 있으며, 예를 들면 상기 버퍼층(13)은 GaN 또는 AlN일 수 있다. 상기 기판(11)은 특별히 한정되는 것은 아니나, 사파이어(sapphire), 스피넬(spinel) 및 탄화실리콘(SiC)일 수 있다. 또한 상기 제1 반도체층(15)은 n형 불순물이 도핑된 GaN일 수 있다.
상기 제1 반도체층(15) 상부에 제2 반도체층(19)이 위치하고, 상기 제1 반도체층(15)과 상기 제2 반도체층(19) 사이에 활성영역(17)이 개재된다. 상기 활성영역(17)은 적어도 하나의 우물층(17b)과 적어도 하나의 장벽층(17a)이 교대로 적층된 다중양자우물 구조(MQW)일 수 있으며, 이때 상기 우물층(well layer, 웰층)의 밴드갭 에너지는 장벽층(barrier layer)의 밴드갭 에너지보다 작게 된다. 상기 우물층(17b)과 장벽층(17a)은 AlInGaN계 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, 예를들면 상기 우물층(17b)은 불순물이 도핑되거나 불순물이 도핑되지 않은 InGaN일 수 있으며, 상기 장벽층(17a)은 불순물이 도핑되거나 불순물이 도핑되지 않은 InGaN 또는 GaN일 수 있다. 또한 상기 제2 반도체층(19)은 p형 불순물이 도핑된 GaN일 수 있다.
상기 제2 반도체층(19) 상에는 제2 전극(21)이 형성될 수 있고, 이러한 제2 전극은 상부로 빛을 투과할 수 있도록 투명전극인 것이 바람직하다. 상기 투명전극(21)은 바람직하게는 ITO일 수 있다. 이러한 투명전극(21) 상에 외부접속을 위한 본딩패드(25)가 형성될 수 있다. 이러한 본딩패드(25)는 특별히 제한되는 것은 아 니나, Cr/Au 또는 Ni/Au 등이 이용될 수 있다. 또한, 상기 제2 반도체층(19) 및 다중양자우물 구조의 적어도 일부가 제거되어 노출된 제1 반도체층(15) 상에 제1 전극(25)이 형성될 수 있으며, 이러한 제1 전극도 특별히 제한되는 것은 아니나 Cr/Au 또는 Ni/Au 등이 이용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 다중양자우물 구조(17) 내 적어도 한 층에 적어도 하나의 캐리어 트랩부(27, carrier trap portion)를 포함하며, 상기 캐리어 트랩부(27)는 다중양자우물 구조 내 형성된 전위(dislocation)에 의해 트랩되는 캐리어를 대신하여 트랩할 수 있는 역할을 한다. 이를 위해서, 본 발명의 캐리어 트랩부(27)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 캐리어 트랩부의 외부에서 캐리어 트랩부의 중심부로 갈수록 밴드갭 에너지가 감소하는 구성을 가진다. 도 4 (a)는 도 3의 I(a)-I(b) 및 II(a)-II(b)를 따라 두께에 따른 에너지 다이어그램을 나타낸 도면이다. II(a)-II(b)를 따라 나타낸 에너지 다이어그램은 일반적인 우물층과 장벽층으로 이루어지는 다중양자우물 구조와 동일한 형태의 에너지 다이어그램을 갖는다. 그러나, I(a)-I(b)를 따라 나타낸 에너지 다이어그램은 우물층(17b) 내에 캐리어 트랩부(27)에서 중심부로 갈수록 밴드갭 에너지가 좁아지는 형상을 띄게 된다. 이때 감소하는 형상이 직선적으로 나타나기는 하였지만, 이는 우물층(17b) 성장시의 온도, 압력 및 소스가스의 유량을 제어함으로써 도 4 (b)에 도시된 바와 같이 계단과 비슷한 형상을 가지거나 도 4 (c)에 도시된 바와 같이 곡선의 형상으로 감소할 수도 있다. 예를 들면, 상기 캐리어 트랩부(27)를 포함하는 층이 In을 포함하는 층으로 이루어지는 경우, 상기 캐리어 트랩부(27)는 캐리어 트랩부의 외 부에서 캐리어 트랩부의 중심부로 갈수록 In의 함량이 증가하는 구조를 가질 수 있다. 이때 캐리어 트랩부(27)의 최외각부 In 함량과 중심부의 In 함량의 차이는 적어도 2% 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 캐리어 트랩부(27)는 전위에 의하여 소멸되는 캐리어를 효율적으로 이용할 수 있는 구조를 말하며, 이러한 구조는 꼭 물리적인 형상을 의미하는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 따른 캐리어 트랩부는 전위에 의하여 소멸되는 캐리어를 효율적으로 이용할 수 있는 물리적 형상 또는 양자역학적 에너지 상태를 모두 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 캐리어 트랩부(27)는 다중양자우물 구조(17)로 주입되는 캐리어를 트랩하여 발광하는 발광중심(radiative center)으로 작용하기 때문에, 이는 다중양자우물 구조(17) 내 우물층(17b)에 형성됨이 바람직하다. 이때 우물층(17b)에 형성되는 구조는 따로 한정하지는 않으나, 바람직하게는 도 2 또는 도 3에 나타난 바와 같이 우물층(17b)에 매립되어 형성될 수 있다.
이와 같이 층 내에 캐리어 트랩부(27)를 형성하는 방법은 3차원 성장 방법을 이용하는 것이 가능하다. 이러한 3차원 성장 방법은 챔버 내 압력, 온도 및 소스가스의 유량을 제어하여 3차원적으로 층을 성장하는 방법을 말한다. 예를 들면, 상기 캐리어 트랩부(27)를 포함하는 층이 InGaN으로 이루어지는 우물층(17b)인 경우, 초기 InGaN 성장시에는 2차원적 성장이 일어나지만, 일정 두께 이상의 InGaN이 성장되면 3차원 성장으로 전환이 되고, 또한 이러한 두께보다 더 두꺼운 InGaN이 성장되면 본 발명의 캐리어 트랩부(27)를 포함하는 층을 형성하는 것이 가능하며, 이는 In의 상분리 특성에 기인한 것으로 보인다. 또한, In의 함량이 5%를 초과하는 경우와 성장온도가 600℃를 초과하는 경우에도 In이 층내에서 상분리(phase separation)되어 본 발명의 캐리어 트랩부를 형성하는 경향이 강해진다. 이와 같은 방법으로 본 발명에 따른 캐리어 트랩부(27)가 캐리어 트랩부를 포함하는 층이 형성되는 동안 동시에 형성되는 것이 가능하다.
그러나, 도 6에 나타난 바와 같이 3차원적으로 형성된 캐리어 트랩부(27)는 우물층 내에 압축응력(compressive stress)을 유발하며, 이는 결국 다중양자우물 구조의 결정질(crystal quality)을 떨어뜨리는 원인으로 작용하게 된다. 이때 장벽층(17a)으로 Al을 포함하는 층(예를 들면, AlGaInN계 또는 AlGaInP계 화합물 반도체로 이루어진 층)을 형성함으로써, 이러한 압축응력과 반대되는 인장응력(tensile stress)을 다중양자우물 구조(17) 내에 형성시키게 되면 압축응력에 의한 결정질 저하 문제를 해소할 수 있다. 보다 바람직하게는 장벽층(17a) 내 Al의 함량은 InGaN 우물층(17b)에 형성되는 압축응력과 같은 크기의 인장응력을 형성시킬 수 있는 함량으로 제어하는 것이다.
또한, InGaN 우물층(17b)과 GaN 장벽층(17a)을 이용하는 경우, 본 발명과 같이 InGaN 우물층(17b) 내에 In의 함량이 중심부로 갈수록 증가하는 캐리어 트랩부(27)를 구비하면 장벽층(17a)에 인접한 우물층(17b)의 격자상수가 장벽층(17a)의 격자상수와 비슷한 값을 가지게 되므로, InGaN 우물층과 GaN 장벽층 사이의 격자상수 차이에 의한 문제 또한 해소가 가능하다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 발명의 목적은 다중양자우물 구조내 존재하는 전위에 의한 내부양자효율 저하를 억제하는데 있으며, 이를 위해서는 본 발명의 캐리어 트랩부(27)는 상기 캐리어 트랩부를 포함하는 층에 형성된 전위의 밀도보다 높은 밀도로 분포됨이 바람직하다.
상기 캐리어 트랩부(27)는 1-10nm의 크기로 형성되는 것이 가능하며, 보다 바람직하게는 2-5nm의 크기로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다중양자우물 구조가 In을 포함하는 경우, In의 특성상 증발이 발생되는 문제점을 가질 수 있으며, 이에 상기 캐리어 트랩부(27)를 포함하는 층내 In의 증발을 방지할 수 있도록 인듐증발 방지층(도시하지 않음)을 다중양자우물 구조 내에 추가로 포함하는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 캐리어 트랩부(27)가 적어도 2개 이상 뭉쳐서 형성된 캐리어 트랩 클러스터(carrier trap cluster)를 추가로 포함할 수 있다. 이는 도 5의 점선 부분 또는 도 6으로부터 확인할 수 있으며, 이러한 캐리어 트랩 클러스터는 3차원 성장시의 챔버 내 압력, 온도 및 소스가스 유량을 제어함으로써 형성되는 것이 가능하다. 이에 한정되는 것은 아니나, 예를 들면 InGaN으로 이루어진 우물층을 형성하는 경우 챔버내 압력이 300 torr 이상이면 캐리어 트랩부가 뭉쳐서 형성된 캐리어 트랩 클러스터를 형성하는 경향이 강하게 나타난다.
이때 상기 캐리어 트랩 클러스터는 인접하는 다른 캐리어 트랩 클러스터와 적어도 20nm 이상 이격되어 형성될 수 있으며, 바람직하게는 40-120nm 이격되어 형성될 수 있다.
상기 본 발명의 실시예들은 주로 AlInGaN계 화합물 반도체를 위주로 설명하기는 하였으나, 이러한 본 발명의 기술사상은 AlInGaP계를 포함하는 다른 화합물 반도체에도 적용될 수 있음은 당업자에게 자명한 사실이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 전위에 의하여 트랩되는 캐리어를 효율적으로 트랩하여 발광할 수 있는 캐리어 트랩부 및/또는 캐리어 트랩 클러스터를 구비함으로써, 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드의 내부양자효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 다중양자우물 구조내 발생하는 압축응력을 상쇄할 수 있는 인장응력을 발생시킴으로써, 다중양자우물 구조내 결정질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 발광소자의 적층 구조를 예시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 캐리어 트랩부를 갖는 MQW의 TEM 결과이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 캐리어 트랩부를 갖는 MQW의 모식도이다.
도 4 (a)는 도 3의 I(a)-I(b) 및 II(a)-II(b)를 따른 두께-양자 에너지 다이어그램이고, 도 4 (b) 및 (c)는 도 3의 I(a)-I(b)를 따른 가능한 다양한 두께-양자 에너지 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐리어 트랩 클러스터를 갖는 MQW의 TEM 결과이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐리어 트랩 클러스터를 갖는 MQW의 APT 결과이다.
도 7은 캐리어 트랩부에 발생하는 압축응력과 이를 해결하기 위하여 장벽층에 인장응력을 발생시키는 원리를 보여주는 모식도이다.

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층 상에 형성된 제2 반도체층; 및
    상기 제1 반도체층 및 제2 반도체층 사이에 개재된 적어도 하나의 우물층과 적어도 하나의 장벽층을 포함하는 다중양자우물 구조(multi quantum well structure)를 포함하고,
    상기 다중양자우물 구조 내 적어도 한 층에 적어도 하나의 캐리어 트랩부(carrier trap portion)를 포함하며,
    상기 캐리어 트랩부는 상기 캐리어 트랩부를 포함하는 층에 형성된 전위밀도보다 높은 밀도로 분포되고,
    상기 캐리어 트랩부는 1-10nm의 크기로 형성되는 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐리어 트랩부는 2-5nm의 크기로 형성되는 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐리어 트랩부가 적어도 2개 이상 뭉쳐 형성된 캐리어 트랩 클러스터(carrier trap cluster)를 더 포함하는 발광소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 캐리어 트랩 클러스터는 인접하는 다른 캐리어 트랩 클러스터와 적어도 20nm 이상 이격된 발광소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 캐리어 트랩부는 인접하는 다른 캐리어 트랩부와 40-120nm 이격된 발광소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐리어 트랩부는 다중양자우물 구조 내 우물층에 형성되는 발광소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 캐리어 트랩부는 우물층 내에 매립된 발광소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐리어 트랩부를 포함하는 층은 In을 포함하는 발광소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 캐리어 트랩부를 포함하는 층은 AlInGaN계 화합물 반도체 또는 AlInGaP 계 화합물 반도체로 이루어진 발광소자.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 캐리어 트랩부를 포함하는 층내 In의 증발을 방지할 수 있는 인듐증발 방지층을 다중양자우물 구조 내에 더 포함하는 발광소자.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 캐리어 트랩부를 포함하는 층이 우물층이며, 배리어층은 Al을 포함하여 형성된 발광소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 Al을 포함하는 배리어층의 Al 함량은 캐리어 트랩부를 포함하는 층에 발생되는 압축응력을 상쇄할 수 있는 인장응력을 생성시킬 수 있는 함량으로 제어되는 발광소자.
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