KR20100124072A

KR20100124072A - 확산방지층을 갖는 발광다이오드

Info

Publication number: KR20100124072A
Application number: KR1020090043131A
Authority: KR
Inventors: 여환국; 최성철; 문영부
Original assignee: (주)더리즈
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2010-11-26
Also published as: KR101063286B1

Abstract

본 발명은 후속 열처리시 전극을 이루는 금속 물질이 활성층 내부로 확산되지 않는 발광다이오드에 관한 것이다. 본 발명에 따른 발광다이오드는 기판과 기판 상에 순차적으로 적층되어 있는 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 및 p 금속층을 구비한다. 그리고 활성층과 p형 반도체층 사이, p형 반도체층과 p 금속층 사이 및 p형 반도체층 내부 중 적어도 하나에 형성된 확산방지층을 구비한다.

Description

확산방지층을 갖는 발광다이오드{Light emitting diode having diffusion barier}

본 발명은 발광다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 GaN 발광다이오드에 관한 것이다.

질화갈륨 계열의 화합물 반도체는 비교적 높은 에너지 밴드갭을 갖는 물질(예; GaN의 경우, 약 3.4eV)로서 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 생성하기 위한 발광소자에 적극적으로 채용되고 있다. 이러한 질화갈륨 계열의 화합물 반도체를 이용한 발광 다이오드는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 백라이트 광원, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.

도 1은 종래의 발광다이오드의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 발광다이오드(100)는 사파이어 기판(110) 상에 GaN 버퍼층(120), n-GaN층(130), 활성층(140), p-GaN층(150) 및 p 금속층(160)이 순차적으로 적층된 구조를 가진다. p 금속층(160)은 ITO(indium tin oxide) 또는 은(Ag)이 함유된 금속으로 이루어진다. p 금속층(160)을 형성한 후, p 금속층(160) 과 p-GaN층(150)을 오믹접합시키기 위하여 열처리하게 되는데, 열처리시에 ITO 내에 포함되어 있는 인듐(In)이나 은 등이 p-GaN층(150)을 통해 확산하여 활성층(140) 내부로 들어갈 수 있다. 인듐이나 은이 활성층(140)까지 확산하게 되면, 활성층(140)의 양자효율이 급감하게 되고, 누설전류가 증가하게 되어 발광다이오드(100)의 광학적, 전기적 특성이 열화된다.

따라서 p 금속층(160)과 p-GaN층(150)을 오믹접합시키기 위한 열처리시, p 금속층(160)에 포함되어 있는 금속 물질이 활성층(140) 내부로 확산되지 않는 발광다이오드의 필요성이 증가하고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 p형 반도체층 상에 형성된 전극 물질이 열처리 과정에서 활성층 내부로 확산되지 않도록 하는 발광다이오드를 제공하는 데에 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 발광다이오드는 기판; 상기 기판 상에 형성된 n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p형 반도체층; 상기 p형 반도체층 상에 형성된 p 금속층; 및 상기 활성층과 p형 반도체층 사이, 상기 p형 반도체층과 p 금속층 사이 및 상기 p형 반도체층 내부 중 적어도 하나에 형성된 확산방지층;을 구비한다.

본 발명에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 n형 반도체층은 n형 GaN으로 이루어지고, 상기 p형 반도체층은 p형 GaN으로 이루어지며, 상기 확산방지층은 (In, Al, Ga)N으로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 확산방지층은 초격자 구조로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 발광다이오드는 p형 반도체층의 내부, p형 반도체층과 활성층 사이 또는 p형 반도체층과 p 금속층 사이에 확산방지층을 구비하여, p 금속층을 p형 반도체층과 오믹접합시키기 위하여 열처리할 때, p 금속층을 구성하는 물질이 활성층 내부로 확산하는 것을 방지하게 된다. 이를 통해 전기적 특성이 안정되고, 신뢰성 높은 발광다이오드를 구현할 수 있게 된다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 확산방지층을 갖는 발광다이오드의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 발광다이오드에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 발광다이오드(200)는 기판(210), 버퍼층(220), n형 반도체층(230), 중간층(240), 활성층(250), 전자 블로킹층(260), p형 반도체층(270), 확산방지층(280) 및 p 금속층(290)을 구비한다.

기판(210)은 사파이어(Al₂O₃), 실리콘 카바이드(SiC), 리튬 알루미늄 산화물(LiAlO₂), 마그네슘 산화물(MgO) 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 사파이어 기판이 이용된다.

버퍼층(220)은 사파이어 기판과 n형 반도체층(230) 사이의 격자 정합을 통한 결정성 향상을 위한 것이다. 버퍼층(220)은 기판(210) 상에 형성되며, 도핑되지 않은 GaN으로 이루어진다.

n형 반도체층(230)은 버퍼층(220) 상에 형성되며, In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루질 수 있다. n형 반도체층(230)은 수 μm 정도의 두께로 형성되며, n형 도펀트가 도핑된 GaN 또는 GaN/AlGaN으로 이루어질 수 있다. 이때 n형 도펀트는 주로 4족 원소가 사용되며, 실리콘(Si)이 사용될 수 있다.

중간층(240)은 n형 반도체층(230) 상에 형성되며, 활성층(250)의 성장을 돕는 역할을 한다. 중간층(240)은 10 ~ 100 nm 정도의 두께로 형성되며, n형 도펀트가 도핑된 InGaN으로 이루어질 수 있다. 이때, n형 도펀트는 주로 4족 원소가 사용되며, 실리콘이 사용될 수 있다.

활성층(250)은 중간층(240) 상에 형성되며, 광이 생성되는 층이다. 활성층(250)은 전하들이 모이는 감금(confinement) 효율을 증대시키기 위하여 양자우물(quantum well) 구조로 이루어질 수 있다. 양자우물 구조를 이루는 양자우물층은 InGaN으로 이루어질 수 있다.

전자 블로킹층(260)은 활성층(250) 상에 형성되며, 활성층(250)과 p형 반도체층(270, 290) 사이에서 전자를 블로킹하는 역할을 한다. 전자 블로킹층(260)은 5 ~ 50 nm 정도의 두께로 형성되며, p형 도펀트가 도핑된 AlGaN으로 이루어질 수 있다. 이때, p형 도펀트는 주로 2족 원소가 사용되며, 마그네슘(Mg)이 사용될 수 있다.

p형 반도체층(270)은 전자 블로킹층(260) 상에 형성되며, In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루질 수 있다. p형 반도 체층(270)은 p형 도펀트가 도핑된 GaN 또는 GaN/AlGaN으로 이루어질 수 있다. 이때 p형 도펀트는 주로 2족 원소가 사용되며, 마그네슘(Mg)이 사용될 수 있다.

확산방지층(280)은 p형 반도체층(270)의 내부에 형성되며, p 금속층(290)을 이루는 금속 물질이 활성층(250)으로 확산하는 것을 방지하는 역할을 한다. 확산방지층(280)은 1 ~ 100 nm 정도의 두께로 형성되며, (In, Al, Ga)N으로 이루어질 수 있다. 확산방지층(280)은 p형 반도체층(270)과 다른 조성을 갖는 물질로 이루어진다. 그리고 금속 물질의 확산을 방지하는 효과를 더욱 높이기 위해, 확산방지층(280)에는 도핑하지 않을 수 있다. 확산방지층(280)은 In_xGa₁ _-xN(0<x<0.1)으로 이루어진 단일층으로 형성되거나 초격자(superlattice) 구조로 형성될 수 있다. 확산방지층(280)을 이루는 초격자 구조는 2가지 이상의 물질이 교번적으로 적층된 구조로서, 각 층은 (In, Al, Ga)N으로 이루어질 수 있다. 각 층의 두께는 1 ~ 10 nm 정도의 두께로 형성될 수 있으며, 각 층의 두께는 서로 다를 수 있다. 확산방지층(280)을 이루는 초격자 구조의 일 예를 도 3에 나타내었다.

도 3에 도시된 초격자 구조는 InGaN(281)와 GaN(282)가 교번적으로 적층된 구조이다. 이때, InGaN(281)은 활성층(250)의 밴드갭(bandgap)보다 큰 밴드갭을 갖는 물질이 되도록 In의 조성이 결정된다. 그리고 InGaN(281)와 GaN(282)는 각각 3 nm 정도의 두께로 형성될 수 있다.

p 금속층(290)은 p형 반도체층(270) 상에 형성되며, 전도성 물질로 이루어진다.

도 2 및 도 3에서 확산방지층(280)이 p형 반도체층(270) 내부에 형성된 경우에 대해서 도시하고 설명하였으나, 이에 한정된 것은 아니다. 도 4에 도시된 발광다이오드(400)와 같이 확산방지층(280)이 p형 반도체층(270)과 전자 블로킹층(260) 사이에 형성되는 경우도 유사하다. 그리고 도 5에 도시된 발광다이오드(500)와 같이 확산방지층(280)이 p형 반도체층(270)과 p 금속층(290) 사이에 형성되는 경우도 유사하다. 도 2 내지 도 5에서 각각의 발광다이오드(200, 400, 500)에 하나의 확산방지층(280)이 형성되어 있는 경우만을 나타내었으나, p형 반도체층(270)의 내부, p형 반도체층(270)과 활성층(250) 사이 및 p형 반도체층(270)과 p 금속층(290) 사이에 둘 이상의 확산방지층(280)이 형성될 수도 있다.

상술한 바와 같이 p형 반도체층(270)의 내부, p형 반도체층(270)과 활성층(250) 사이 또는 p형 반도체층(270)과 p 금속층(290) 사이에 확산방지층(280)이 형성되면, p형 반도체층(270) 상에 형성된 p 금속층(290)을 p형 반도체층(270)과 오믹접합시키기 위하여 열처리할 때, p 금속층(290)을 구성하는 물질이 활성층 내부로 확산하는 것을 방지하게 된다. 따라서 본 발명에 따른 발광다이오드(200)는 전기적 특성이 안정되고, 신뢰성이 높다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 발광다이오드에 구비되는 확산방지층을 이루는 초격자 구조의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 발광다이오드에 대한 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 발광다이오드에 대한 바람직한 또 다른 실시예의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

Claims

기판;

상기 기판 상에 형성된 n형 반도체층;

상기 n형 반도체층 상에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 p형 반도체층;

상기 p형 반도체층 상에 형성된 p 금속층; 및

상기 활성층과 p형 반도체층 사이, 상기 p형 반도체층과 p 금속층 사이 및 상기 p형 반도체층 내부 중 적어도 하나에 형성된 확산방지층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제1항에 있어서,

상기 n형 반도체층은 n형 GaN으로 이루어지고, 상기 p형 반도체층은 p형 GaN으로 이루어지며, 상기 확산방지층은 (In, Al, Ga)N으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제2항에 있어서,

상기 p형 반도체층과 활성층 사이에 형성된 p형 AlGaN층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제2항에 있어서,

상기 활성층과 n형 반도체층 사이에 형성된 n형 InGaN층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제2항에 있어서,

상기 확산방지층은 In_xGa₁ _-xN(0<x<0.1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제2항에 있어서,

상기 확산방지층은 초격자(superlattice) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제6항에 있어서,

상기 초격자 구조는 InGaN와 GaN이 교번적으로 적층되어 이루어지고, 상기 초격자 구조를 이루는 InGaN는 상기 활성층의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
제2항에 있어서,

상기 확산방지층은 도핑되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 발광다이오드.