KR20100109629A - 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 반도체층 상에 형성되고 In_yAl_1-zGa_1-y-zN(0<y, z, y+z<1)층과 In_xGa_1-xN(0<x≤1)층이 적층된 다층막을 포함하는 발광 다이오드가 제공된다.

발광다이오드, 질화물, 자외선, 다층막, 초격자층

Description

발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE}

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 InAlGaN/InGaN으로 이루어진 다층막을 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.

이러한 종래의 질화물계 화합물 반도체에 있어서, 전자의 이동도가 홀의 이동도에 비해 10배 이상 큰 것으로 알려져 있다. 따라서, 전자가 홀에 비해 빠르게 다중양자우물 구조 내를 이동하여 p형 질화물반도체층에 도달하고, 이러한 전자들이 홀과 재결합하지 않고 p형 반도체층으로 흘러들어갈 수 있다. 이를 방지하고 전자를 다중양자우물 구조 내에 가두기 위해 전자 블로킹 층(EBL)이 일반적으로 사용된다.

그러나 전자 블로킹층은 에너지 밴드갭이 상대적으로 넓기 때문에, 홀이 다중양자우물 구조 내로 유입되는 것을 방해하여, 순방향 전압을 높인다. 더욱이, 전자 블로킹층은 상대적으로 고온에서 성장되는 AlGaN로 형성된다. 따라서 활성 영역의 상부층으로 형성된 InGaN층이 AlGaN 성장 온도에서 해리되는 문제점이 발생한다. InGaN층의 해리는 활성영역의 품질을 떨어뜨려 비발광 재결합을 증가시킨다.

한편, p형 질화물 반도체층은 통상 Mg가 도핑된 GaN층 또는 AlGaN으로 이루어진다. 그러나 GaN층 또는 AlGaN층에 Mg을 도핑하여 홀농도를 증가시키는데는 한계가 있으며, 자외선 발광 다이오드의 경우 Al 조성이 높을수록 Mg의 도핑이 어려워 아직까지도 홀농도가 10¹⁸ 오더(order)를 넘지 못하고 있는 실정이다. 이에 따라, p형 질화물 반도체층의 비저항이 상대적으로 높고 순방향 전압을 낮추는데 한계가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 홀이 활성영역 내로 원활하게 유입될 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 활성영역 내로 유입되는 홀농도를 증가시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 순방향 전압을 낮출 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

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 반도체층 상에 형성되고 In_yAl_1-zGa_1-y-zN(0<y, z, y+z<1)층과 In_xGa_1-xN(0<x≤1)층이 적층된 다층막을 포함하는 발광 다이오드가 제공된다.

바람직하게는, 상기 다층막은 p형 불순물이 도핑된 p형 In_xGa_1-xN(0<x≤1)층을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 p형 In_xGa_1-xN(0<x≤1)층의 p형 불순물 농도는 상기 In_yAl_1-zGa_1-y-zN(0<y, z, y+z<1)층에 도핑된 p형 불순물 농도보다 더 높을 수 있다.

바람직하게는, 상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층은 Al을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 In_yAl_1-zGa_1-y-zN(0<y, z, y+z<1)층과 상기 In_xGa_1-xN(0<x≤1)층은 5Å~200Å의 두께를 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 다층막은 적어도 2회 교대로 적층된 초격자 구조를 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 In_yAl_1-zGa_1-y-zN(0<y, z, y+z<1)층과 상기 In_xGa_1-xN(0<x≤1)층에서 x > y일 수 있다.

바람직하게는, 상기 활성영역은 자외선 영역대의 파장을 가지는 광을 방출하는 발광 다이오드일 수 있다.

본 발명에 의하면, 밴드갭이 상대적으로 좁은 InAlGaN층과 InGaN층의 다층막을 채택함으로써 홀이 활성영역 내로 원활하게 유입될 수 있다. 이에 따라, 발광 다이오드의 순방향 전압을 감소시킬 수 있다.

한편, 상기 다층막은 p형 불순물이 도핑된 p형 InGaN층을 포함할 수 있다. InGaN층은 밴드갭이 0.7eV로 GaN층에 비해 상대적으로 좁기 때문에, p형 불순물의 이온화 에너지를 낮출 수 있고, 따라서 GaN층 또는 AlGaN층에 비해 불순물 도핑에 의한 홀 농도를 상대적으로 증가시킬 수 있어서 자외선 발광 다이오드 및 그 외 파장대역의 발광 다이오드의 효율을 향상시킬 수 있다.

따라서, 상기 다층막 내에서 홀농도를 높일 수 있어 활성 영역 내로의 홀의 유입이 더욱 원활하게 된다.

한편, 상기 InAlGaN층 및 InGaN층은 5Å~200Å의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 다층막은 초격자 구조를 가질 수 있다. 따라서, 다층막의 결정성을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 다층막 내의 InGaN층들은 모두 동일한 In 함량을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 활성영역에 가까울 수록 더 많은 In을 함유할 수 있다. 이러한 In 함량 변화는 활성 영역쪽으로 조성 경사를 형성하여 홀들이 활성 영역으로 유입되는 것을 돕는다.

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), 다층막(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 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 트리메틸인 듐(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 있으며, 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)과 u-GaN(25)사이에 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. 상기 활성영역(29)은 자외선 영역대의 파장을 가지는 광을 방출할 수 있다. 또한, 상기 활성영역(29)은 자외선 영역대외에도 가시광선 영역대의 파장을 가지는 광을 방출할 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 다층막(33)은 InAlGaN층(33a)과 InGaN층(33b)이 2회 이상 교대로 적층되어 예컨대, 50쌍의 구조를 가질 수 있다. 이들 층들(33a, 33b)은 p형 불순물, 예컨대 Mg, Zn으로 도핑될 수 있으며, 이 경우, InGaN층(33b)이 InAlGaN층(31a)에 비해 더 높은 불순물 농도로 도핑되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 다층막(33) 내의 홀농도를 증가시킬 수 있다. 상기 InAlGaN층(33a)은 In_yAl_1-zGa_1-y-zN(0<y, z, y+z<1)층으로 이루어진다. 상기 InGaN층(33b)은 In_xGa_1-xN(0<x≤1)층으로 이루어진 다. 상기 p형 In_xGa_1-xN(0<x≤1)층의 p형 불순물 농도는 상기 In_yAl_1-zGa_1-y-zN(0<y, z, y+z<1)층에 도핑된 p형 불순물 농도보다 더 높을 수 있다.

이들 다층막은 Al 소스의 공급 및 차단을 반복하여 형성될 수 있으며, InAlGaN층과 InGaN층의 성장온도를 서로 다르게 할 수도 있다. 일반적으로, InAlGaN 또는 InGaN은 GaN층에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 성장된다.

상기 다층막(33) 내의 각 층의 두께는 5Å~200Å의 두께로 형성될 수 있으며, 초격자 구조로 형성될 수 있다. 다층막(33)의 전체 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 과도하게 두꺼우면 Vf가 증가될 수 있으므로, 활성영역의 전체 두께 정도, 약 100~150nm 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, InAlGaN층(33a)을 InGaN층(33b)에 비해 더 두껍게 할 수 있다. 밴드갭이 좁은 InGaN층을 얇게 형성함으로써 전류 분산을 도울 수 있다.

한편, InGaN층(33b)들은 모두 동일한 In함량을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 In함량을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 InGaN층(33b)들 내의 In 함량은 활성영역(29)에 근접할수록 증가될 수 있다.

또한, 상기 다층막(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 속하 는 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 기술 사상을 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 반도체층위에 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 (8)

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 반도체층 상에 형성되고 In_yAl_1-zGa_1-y-zN(0<y, z, y+z<1)층과 In_xGa_1-xN(0<x≤1)층이 적층된 다층막을 포함하는 발광 다이오드.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 다층막은 p형 불순물이 도핑된 p형 In_xGaN_1-x(0<x≤1)층을 포함하는 발광 다이오드.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 p형 In_xGa_1-xN(0<x≤1)층의 p형 불순물 농도는 상기 In_yAl_1-zGa_1-y-zN(0<y, z, y+z<1)층에 도핑된 p형 불순물 농도보다 더 높은 발광 다이오드.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 n형 질화물 반도체층 및 상기 p형 질화물 반도체층은 Al을 포함하는 발광 다이오드.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 In_yAl_1-zGa_1-y-zN(0<y, z, y+z<1)층과 상기 In_xGa_1-xN(0<x≤1)층은 5Å~200Å의 두께를 갖는 발광 다이오드.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 다층막은 적어도 2회 교대로 적층된 초격자 구조를 갖는 발광 다이오드.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 In_yAl_1-zGa_1-y-zN(0<y, z, y+z<1)층과 상기 In_xGa_1-xN(0<x≤1)층에서 x > y인 발광 다이오드.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 활성영역은 자외선 영역대의 파장을 가지는 광을 방출하는 발광 다이오드.

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