KR20100109166A - 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층을 가지는 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층상에 형성된 InGaN 양자우물층을 포함하는 다중양자우물 구조의 활성영역; 상기 활성영역상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 및 상기 p형 질화물 반도체층상에 형성된 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층을 포함하는 발광 다이오드가 제공된다.

발광다이오드, 질화물, 자외선, InN, 접촉저항

Description

인듐을 포함하는 질화물계 반도체층을 가지는 발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE HAVING NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR LAYER COMPRISING INDIUM}

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광 다이오드의 최상층에 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층을 가지는 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.

종래의 가시광선 영역의 발광 다이오드는 접촉 전극으로 ITO를 많이 사용하고 있다. 그러나, 자외선 영역의 발광 다이오드는 발광층에서 발생된 빛을 최대한 외부로 방출하기 위해서 Al 조성을 가진 AlGaN층을 사용하고 있다. AlGaN 박막은 GaN 박막보다 에너지 밴드갭이 더 크기 때문에 오믹 전극 형성이 그 만큼 어렵다. 그리고 현재의 접촉 전극으로 사용되는 ITO을 사용하게 되면 높은 접촉 저항을 가지고 있다.

종래의 자외선 발광 다이오드의 p-AlGaN층의 접촉 전극은 ITO나 Au/Ni을 투명전극으로 많이 사용하고 있다. 그러나, Al 조성이 증가함에 따라 높은 접촉저항을 가지게 된다. 높은 접촉저항으로 인해 소자의 구동 전압이 증가하게 되고, 또한 그 만큼 많은 열이 발생하게 된다. 발광 소자에서 가장 피해야 하는 것은 열의 발생을 최소화 하는 것이다. 열이 많이 발생하게 되면 그 만큼 소자의 신뢰성에도 나쁜 영향을 미치게 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 p-AlGaN층과 그 위에 형성되는 ITO나 Au/Ni과 같은 투명전극사이의 접촉 저항을 개선하는데 있다.

본 발명의 일측면에 의하면, n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층상에 형성된 InGaN 양자우물층을 포함하는 다중양자우물 구조의 활성영역; 상기 활성영역상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 및 상기 p형 질화물 반도체층상에 형성된 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층을 포함하는 발광 다이오드가 제공된다.

바람직하게는, 상기 발광 다이오드는 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층상에 형성된 투명전극층을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층은 p형 불순물이 도 핑될 수 있다.

바람직하게는, 상기 p형 질화물 반도체층은 Al을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 발광 다이오드는 자외선 파장을 발광하는 발광 다이오드일수 있다.

바람직하게는, 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층은, 1 - 10nm의 두께를 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층은, 상기 p형 질화물 반도체층보다 얇은 두께를 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층은, 상기 p형 질화물 반도체층보다 낮은 p형 불순물 농도로 도핑되어 있을 수 있다.

바람직하게는, 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층은, 상기 p형 질화물 반도체층보다 낮은 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층은 InN층일 수 있다.

본 발명에 의하면, 밴드갭이 상대적으로 낮은 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층을 p형 질화물 반도체층과 투명전극층 사이에 접촉층으로 사용함으로써 접촉저항을 낮게 할 수 있다. 접촉 저항이 낮아짐에 따라 자외선 발광 다이오드 및 그 외 파장대역의 발광 다이오드에서 소자의 신뢰성 및 광효율을 향상시킬 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 기판(21), n형 질화물 반도체층(27), 다중양자우물 구조의 활성영역(29), p형 질화물 반도체층(31), 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층, 예컨대 InN층(33)을 포함한다. 또한, 언도프 GaN층(u-GaN, 25)이 상기 기판(21)과 n형 질화물 반도체층(27) 사이에 개재될 수 있다. 이에 더하여, 상기 p형 다층막(33)상에 투명전극(35) 및 p-전극(37)이 위치하고, n형 질화물 반도체층(27) 상에 n-전극(39)이 위치할 수 있다.

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

상기 기판(21)위에 형성되는 반도체층들을 위해 In 소스 가스는 트리메틸인듐(trimethyl indium; TMI, In(CH₃)₃)을 사용할 수 있으며, Ga 소스 가스는 갈륨, 트리메틸갈륨(TMG) 및/또는 트리에틸갈륨(triethyl galiun; TEG)을 사용할 수 있으 며, Al 소스 가스로는 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum; TMAl, Al(CH₃)₃)을 사용할 수 있으며, N 소스 가스로는 암모니아(NH₃) 또는 디메틸히드라진(DMHy)을 사용할 수 있다.

상기 반도체층들은 금속 유기 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 또는 분자선 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 금속 유기 화학 기상 성장법(metalorganic chemical vapor phase epitaxy, MOCVPE) 등을 사용하여 형성될수 있다.

u-GaN층(25)은 기판(21)과 n형 질화물 반도체층(27) 사이에서 전위와 같은 결함의 발생을 완화하기 위한 층으로, 상대적으로 고온에서 성장된다. 상기 n형 질화물 반도체층(27)은 n-전극(39)이 형성되는 층으로, Si 또는 Ge과 같은 n형 불순물이 도핑될 수 있으며, 예컨대 GaN 또는 AlGaN으로 형성될 수 있다.

상기 n형 질화물 반도체층(27)은 단일층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다중층일 수 있다.

한편, 기판(21)와 u-GaN(25)에 핵층(미도시됨)이 형성될 수 있다. 상기 핵층은 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.

활성영역(29)은 장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물 구조를 가지며, 양자우물층은 InGaN층을 포함한다. 나아가, 장벽층 또한 InGaN층을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, InGaN/InGaN 양자우물구조를 취함으로써, 양자우물 구조의 도전성을 향상시킬 수 있으며, 따라서 발광 다이오드의 순방향 전압을 낮출 수 있다. 상기 다중양자우물 구조의 내의 장벽층들은 상대적으로 더 두꺼운 장벽층, 밴드갭이 더 넓은 장벽층 또는 p형 불순물이 도핑된 장벽층을 포함할 수 있다.

p형 질화물 반도체층(31)은 예컨대 GaN 또는 AlGaN로 형성될 수 있다. 상기 p형 질화물 반도체층(31)은 단일층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다중층일 수 있다.

상기 p형 질화물 반도체층(31)상에 InN층(33)이 형성된다. 상기 InN층(33)은 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 이때, 상기 InN층(33)에 도핑되는 p형 불순물의 농도는 p형 질화물 반도체층(31)보다 낮은 불순물 농도를 가질 수 있다. 상기 InN층(33)은 p형 불순물의 농도가 p형 질화물 반도체층(31)에 비하여 상대적으로 낮게 도핑함에 따라 결정성을 향상시킬 수 있다.

상기 InN층(33)은 In 소스 가스 및 N 소스 가스를 반응 챔버 내에 유입시키고, 예컨대, 400 - 1200℃에서 형성될 수 있다.

상기 InN층(33)은 불순물이 첨가되지 않은 undoped InN층, n형 InN층, p형 InN층 중에서 어느 하나로 형성할 수 도 있고, 둘 이상을 상호 적층하여 형성할 수 도 있다. 아울러, 상기 InN층(33)은 In을 과다 또는 충분하게 예컨대 In이 60 - 70%정도 함유되게 할 수 있다.

상기 InN층(33)에서의 전기장(electric field)은 피에조 전기 극성 필 드(piezoelectric polarization field)와 표면 공핍층(surface depletion layer)에서의 이온화된 억셉터에 의한 전기장으로 이루어진다.

이 두 가지 전기장은 터널링 장벽 폭(tunneling barrier width)을 감소시키고 터널링 전송(tunneling tranport)을 개선시킴으로써 접촉 저항을 감쇠시킨다.

상기 InN층(33)의 에너지 밴드갭은 0.9eV이므로 InN층(33)의 박막 두께가 너무 두꺼우면 광흡수가 많이 발생될 수 있다. 따라서, 상기 InN층(33)은 수 nm이하, 예컨대 1 - 10nm로 증착되는 것이 바람직하다.

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

본 발명의 몇몇 실시예들에 대해 예시적으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 앞서 설명된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 더 잘 이해할 수 있도록 설명하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 권리 범위는 이러한 실시예들에 의해 한정되지 않으며, 아래 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

예컨대, 본 발명의 일시예에서는 기판위에 반도체층을 형성하고 그 반도체층 위에 형성된 두개의 전극을 가지는 수평형 발광 다이오드에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 반도체층의 상하에 각각 전극을 가지도록 구성된 수직형 발광 다이오드에도 적용될 수 있음은 자명하다.

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

Claims (10)

1. n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층상에 형성된 InGaN 양자우물층을 포함하는 다중양자우물 구조의 활성영역;

   상기 활성영역상에 형성된 p형 질화물 반도체층; 및

   상기 p형 질화물 반도체층상에 형성된 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층을 포함하는 발광 다이오드.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층상에 형성된 투명전극층을 더 포함하는 발광 다이오드.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 발광 다이오드.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 p형 질화물 반도체층은 Al을 포함하는 발광 다이오드.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 발광 다이오드는 자외선 파장을 발광하는 발광 다 이오드인 발광 다이오드.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층은, 1 - 10nm의 두께를 가지는 발광 다이오드.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층은, 상기 p형 질화물 반도체층보다 얇은 두께를 가지는 발광 다이오드.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층은,

   상기 p형 질화물 반도체층보다 낮은 p형 불순물 농도로 도핑되어 있는 발광 다이오드.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층은,

   상기 p형 질화물 반도체층보다 낮은 에너지 밴드갭을 가지는 발광 다이오드.
10. 청구항 1에 있어서, 상기 인듐을 포함하는 질화물계 반도체층은, InN층인 발광 다이오드.

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