KR20110090118A - 반도체 발광소자 - Google Patents

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한상헌
심현욱
김제원
조주영
박성주
김성태
김진태
김용천
이상준
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삼성엘이디 주식회사
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Abstract

본 발명은 전자의 오버플로우를 방지하는 동시에 활성층 내로 진입하는 정공의 농도를 증가시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있는 반도체 발광소자에 관한 것으로, n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 상에 형성되며, 적어도 하나의 양자우물층과 적어도 하나의 양자장벽층이 교대로 적층되어 이루어진 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며, 에너지 밴드갭이 서로 다른 3개의 층이 적층된 적어도 하나의 다층구조를 갖되, 상기 3개의 층 중 상기 활성층에 인접한 층이 경사진 에너지 밴드 구조를 가지는 전자차단층; 및 상기 전자차단층 상에 형성된 p형 반도체층;을 포함한다.

Description

반도체 발광소자 {Semiconductor Light Emitting Device}
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히, 전자의 오버플로우를 방지하는 동시에 활성층 내로 진입하는 정공의 농도를 증가시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
최근, GaN 등의 질화물 반도체(nitride semiconductor)는, 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광받고 있다. 이러한 질화물 반도체는 통상 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어지며, 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD는 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
이러한 질화물 발광소자(LED)가 개발된 후에, 많은 기술적 발전을 이루어져 그 활용 범위가 확대되어 일반 조명 및 전장용 광원으로 많은 연구가 되고 있다. 특히, 종래에는 질화물 발광소자는 주로 저전류/저출력의 모바일 제품에 적용되는 부품으로 사용되었으나, 최근에는 점차 그 활용범위가 고전류/고출력 분야로 확대되고 있으며, 고휘도/고신뢰성이 요구되고 있다.
이러한 추세에 따라, 질화물 발광소자의 발광효율을 향상시키기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다. 상기 방법 중 하나로 전자차단층을 이용하는 것이다. 이러한 전자차단층은 일반적인 발광소자 구조에서, 활성층과 및 p형 반도체층 사이에 형성된다. 상기 전자차단층은 정공에 비해서 상대적으로 이동도가 높은 전자가 p형 반도체층으로 오버플로우(overflow)되지 않도록 하여 활성층 내에서 캐리어의 재결합 효율을 향상시키기 위해 채용된 것이다. 그러나, 상기 전자차단층은 전자뿐만 아니라 정공에 대해서도 장벽으로 기능할 수 있으며, 이에 따라, 전자차단층을 넘어 활성층으로 진입하는 정공의 농도가 낮아지는 문제가 있다.
상술한 종래의 문제를 개선하기 위해서, 본 발명은 p형 반도체층으로 오버플로우되는 전자를 차단하고, 활성층 내로 진입하는 정공의 농도를 증가시킬 수 있는 반도체 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 구현하기 위해, 본 발명의 일 실시형태는, n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 상에 형성되며, 적어도 하나의 양자우물층과 적어도 하나의 양자장벽층이 교대로 적층되어 이루어진 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며, 에너지 밴드갭이 서로 다른 3개의 층이 적층된 적어도 하나의 다층구조를 갖되, 상기 3개의 층 중 상기 활성층에 인접한 층이 경사진 에너지 밴드 구조를 가지는 전자차단층; 및 상기 전자차단층 상에 형성된 p형 반도체층;을 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
이 경우, 상기 전자차단층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어지며, 상기 전자차단층의 다층구조는 Al과 In의 조성비를 달리하여 서로 다른 에너지 밴드를 갖는 것이며, 상기 전자차단층의 다층구조는 각 층의 에너지 밴드갭이 적층방향을 따라 순차적으로 감소하도록 적층되어 있는 것이다.
이러한 상기 전자차단층은 순차 적층된 AlGaN/GaN/InGaN의 적층구조인 것이며, 또한, 상기 전자차단층은 상기 AlGaN/GaN/InGaN의 적층구조가 반복 적층된 구조를 갖는 것이다. 또한, 상기 전자차단층은 순차 적층된 AlGaN/GaN/InGaN/GaN의 적층구조인 것이며, 또한, 상기 전자차단층은 상기 AlGaN/GaN/InGaN/GaN의 적층구조가 반복 적층된 구조를 갖는 것이다. 또한, 상기 전자차단층은 초격자 구조이며, 상기 전자차단층의 각 층은 0.5 ~ 20nm 범위의 두께를 갖는 것이다.
또한, 상기 전자차단층의 다층구조를 이루는 3개의 층 중 상기 활성층에 인접한 층은 에너지 밴드갭이 적층방향을 따라 경사가 증가하는 것이며, 상기 전자차단층의 다층구조를 이루는 3개의 층 중 상기 활성층에 인접한 층은 상기 활성층보다 큰 에너지 밴드갭을 가지며, 상기 에너지 밴드갭이 적층방향을 따라 경사가 감소하는 것이다.
또하, 상기 반도체 발광소자는, 상기 n형 반도체층의 하면에 형성된 절연성 기판; 상기 활성층 및 p형 반도체층의 일부영역이 제거되어 노출된 n형 반도체층 상에 형성된 n형 전극; 및 상기 p형 반도체층 상에 형성된 p형 전극;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 발광소자는 상기 p형 반도체층의 상에 형성된 도전성 기판; 및 상기 n형 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 더 포함하는 것이다.
본 발명에 따르면, 전자의 오버플로우 현상을 방지하면서, 활성층 내로 진입하는 정공의 주입 효율을 향상시킬 수 있어, 특히, 고전류 밀도에서의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 측단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 에너지 밴드갭을 나타내는 다이어그램이다.
도 3은 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 전자차단층의 다른 실시예에 대한 에너지 밴드갭을 나타내는 다이어그램이다.
도 4는 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 전자차단층의 또 다른 실시예에 대한 에너지 밴드갭을 나타내는 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 측단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자와 일반적인 초격자 구조의 전자차단층을 갖는 반도체 발광소자의 발광 효율에 대한 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 에너지 밴드갭을 나타내는 다이어그램이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 측단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 에너지 밴드갭을 모식적으로 나타내는 다이어그램이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 제1 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(100)는, 기판(110), 버퍼층(120), n형 반도체층(130), 활성층(140), 전자차단층(150) 및 p형 반도체층(160)을 구비한다. 그리고, n형 반도체층(130)의 노출면 상에 형성된 n형 전극(170)과, p형 반도체층(160) 상면에 형성된 p형 전극(180)을 구비한다. 여기서, 도시하지는 않았지만, p형 반도체층(160)과 p형 전극(180) 사이에 투명 전극 물질 등으로 이루어진 오믹컨택트층이 더 형성될 수 있다.
한편, 본 실시형태에서는 n형 및 p형 전극(170, 180)이 동일한 방향을 향하도록 배치된 수평 전극 구조의 반도체 발광소자의 구조를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 수직 전극 구조의 반도체 발광소자에도 적용될 수 있으며, 이에 대해서는 아래에서 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
그리고, 기판(110)은 질화물 단결정 성장을 위한 성장용 기판으로서, 일반적으로 사파이어 기판이 사용될 수 있다. 사파이어 기판은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a축 방향의 격자상수가 각각 13.001Å 및 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 물론, 형태에 따라서는 SiC, GaN, ZnO, MgAl2O4, MgO, LiAlO2 및 LiGaO2 등으로 이루어진 기판도 사용이 가능하다.
그리고, 버퍼층(120)은 기판(110)과 n형 반도체층(130) 사이의 격자부정합을 완화하여 기판(110) 상에 성장되는 질화물 반도체 단결정의 결정 품질을 향상시키기 위한 층이며, AlN 또는 GaN을 포함하는 저온핵성장층일 수 있으며, 또한, 언도프 GaN층으로 성장시킬 수도 있다. 또한, 이러한 버퍼층(120)은 필요에 따라 생략할 수도 있다.
그리고, n형 및 p형 반도체층(130, 160)은 질화물 반도체, 즉, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑 된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다. 이러한 n형 및 p형 반도체층(130, 160)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 공정 등으로 성장될 수 있다.
그리고, 활성층(140)은 전자와 정공의 발광 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, n형 및 p형 반도체층(130, 160) 사이에 형성된다. 이러한 활성층(140)은 n형 반도체층(130) 상에 적어도 하나의 양자우물층과 적어도 하나의 양자장벽층이 교대로 적층된 구조이며, 예를 들어, InGaN 양자우물층과 GaN 양자장벽층이 교대로 적층된 구조를 갖는 다중양자우물(Multi-Quantum Well) 구조로 형성될 수 있다. 이러한 활성층(140)은 양자장벽층의 높이나 양자우물층의 두께, 조성 및 양자우물의 개수를 조절하여 파장이나 양자효율을 조절할 수 있다.
그리고, 전자차단층(Electron Blocking Layer, 150)은 정공에 비하여 이동도가 상대적으로 높은 전자가 상기 활성층(140)을 지나 오버플로우(overflow)되는 것을 차단하는 기능을 한다. 이를 위해, 활성층(140)보다 에너지 밴드갭이 높은 물질로 이루어진다. 다만, 이러한 전자차단층(150)은 전자의 오버플로우를 차단하여 활성층(140) 내에서 전자, 전공의 재결합 확률을 증가시킬 수 있지만, 마찬가지로, 정공의 주입을 차단하는 기능도 수행할 수 있어, 기대만큼 개선된 발광효율을 얻지 못할 수 있다. 따라서, 본 실시형태에서는 전자의 오버플로우를 차단하면서, 정공의 차단 기능을 저감시킬 수 있는 전자차단층(150)의 구조를 제공하다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전자차단층(150)은 활성층(140) 상에 형성되며, 에너지 밴드갭이 서로 다른 3개(151, 153, 155)의 층을 포함하는 다층 구조의 초격자 구조일 수 있다. 이 경우, 전자차단층(150)을 구성하는 각 층은 캐리어의 터널링이 가능한 두께를 가지며, 바람직하게는, 0.5 ~ 20nm 범위의 두께일 수 있다. 그리고 초격자 구조의 전체 두께는 1nm ~ 100nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
또한, 전자차단층(150)은 알루미늄 또는 인듐의 함량에 의해 각 층의 에너지 밴드갭을 적절히 조절하여 서로 다른 에너지 밴드를 갖도록 형성할 수 있으며, 상기 3개(151, 153, 155)의 층 중 활성층(140)에 인접한 층이 경사진 에너지 밴드 구조를 가진다.
그리고 전자차단층(150)의 다층구조는 각 층의 에너지 밴드갭이 적층방향을 따라 순차적으로 감소되도록 형성될 수 있다. 즉, 전자차단층(150)은 활성층(140)의 최상층인 양자장벽층보다 에너지 밴드갭이 큰 제1층(151), 상기 제1층(151)보다 에너지 밴드갭이 작은 제3층(155)과, 제1층(151) 및 제3층(155) 사이에 형성되며 제1층(151)의 에너지 밴드갭과 제3층(155)의 에너지 밴드갭 사이에 해당하는 에너지 밴드갭을 갖는 제2층(153)으로 이루어진 다층구조로 형성될 수 있다.
그리고, 제1층(151)은 활성층(150)의 양자장벽층에 인접하여 형성되며, 적층방향을 따라 경사가 선형적으로 증가하는 에너지 밴드갭 구조를 가진다. 이러한 경사진 에너지 밴드 구조를 갖는 제1층(151)을 통해, 본 발명의 전자차단층(150)은 제1층(151)과 제2층(153)의 계면에서 발생하는 스파이크(spike)와 노치(notch) 현상을 완화하여 활성층(140)으로의 홀 주입 효율을 높일 수 있다. 이로써, 고전류 밀도에서의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
이러한 전자차단층(150)의 다층구조는 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)와 같은 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 활성층(140) 상에 순차 적층된 AlGaN/GaN/InGaN의 적층구조로 이루어질 수 있다. 이때, 제1층(151)은 AlGaN으로 이루어지며, 제2층(153)은 GaN으로 이루어지며, 제3층(155)은 InGaN으로 이루어질 수 있으며, 제1층(151)의 경사진 구조는, Al 성분을 선형적으로 감소하는 것에 의해 형성될 수 있다. 또한, 전자차단층(150)은 상기 AlGaN/GaN/InGaN의 적층구조가 1회 이상 반복된 적층 구조를 가질 수도 있다.
따라서, 본 실시형태의 전자차단층(150)은 활성층(140)의 양자장벽층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제1층(151)에 의해 n형 반도체층(130)으로부터 주입된 전자가 활성층(140)을 넘어 p형 반도체층(160)으로 오버플로우 되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전자차단층(150)은 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 다층구조로 형성됨으로써, 다층구조의 각 층의 에너지 밴드갭 차이에 의한 정공의 분산(spreading) 효과를 얻을 수 있어 p형 반도체층(160)으로부터 활성층(140)으로 정공이 주입될 확률을 높일 수 있다. 또한, 전자차단층(150)을 초격자 구조로 형성함으로써 상기 정공 주입 확률을 더욱 높일 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 전자차단층의 다른 실시예에 대한 에너지 밴드갭을 나타내는 다이어그램이다. 여기서, 도 3의 반도체 발광소자의 구성은 도 1 및 도 2의 반도체 발광소자와 실질적으로 동일하다. 다만, 전자차단층(150)에서 제1층(151')의 경사 방향이 도 2에 도시된 제1층(151)의 경사 방향과 반대인 점에서 차이가 있으므로, 동일한 구성에 대한 설명은 생략하고 달라지는 구성에 대해서만 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전자차단층(150)은 활성층(140)에 인접하여 형성되며, 활성층의 최상층인 양자장벽층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제1층(151'), 제1층(151')보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제3층(155), 제1층(151')과 제3층(155) 사이에 형성되며, 제1층(151')과 제3층(155)의 에너지 밴드갭 사이에 해당하는 에너지 밴드갭을 갖는 제2층(153)으로 이루어진 다층구조로 형성된다. 이때, 제1층(151')의 에너지 밴드갭은 적층방향을 따라 경사가 선형적으로 증가하는 구조를 가진다.
즉, 본 실시예에 따르면, 전자차단층(150)에 있어서, 제1층(151')은 AlGaN으로 이루어지고, 제2층(153)은 GaN으로 이루어지고, 제3층(155)은 InGaN으로 이루어진 다층구조이며, 제1층(151')의 경사진 구조는, Al 성분을 선형적으로 증가시키는 것에 의해 형성될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 전자차단층의 또 다른 실시예에 대한 에너지 밴드갭을 나타내는 다이어그램이다. 여기서, 도 4의 반도체 발광소자의 구성은 도 1 및 도 2의 반도체 발광소자와 실질적으로 동일하다. 다만, 전자차단층(150)을 3개의 층으로 이루어진 다층구조를 1회이상 반복하여 적층한 구조로 형성하고, 각 적층구조의 제1층(151", 151"')에서 Al의 함량을 달리하여 에너지 밴드갭을 조절한 점에서 차이가 있으므로, 동일한 구성에 대한 설명은 생략하고 달라지는 구성에 대해서만 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전자차단층(150)은 활성층(140)에 인접하여 형성되며, 활성층(140)의 최상층인 양자장벽층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제1층(151", 151"'), 제1층(151")보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제3층(155"), 제1층(151", 151"')과 제3층(155") 사이에 형성되며, 제1층(151", 151"')과 제3층(155")의 에너지 밴드갭 사이에 해당하는 에너지 밴드갭을 갖는 제2층(153")으로 이루어진 다층구조로 형성된다.
즉, 본 실시예에 따르면, 전자차단층(150)에 있어서, 제1층(151", 151"')은 AlGaN으로 이루어지고, 제2층(153")은 GaN으로 이루어지고, 제3층(155")은 InGaN으로 이루어진 다층구조로 형성될 수 있다. 전자차단층(150)이 상기 다층구조를 1회 이상 반복하여 적층한 구조를 가질 경우, 제1층(151", 151"')은 Al의 함량을 증가시켜 p형 반도체층(160)에 인접할수록 큰 에너지 밴드갭을 갖는 구조로 형성될 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 제1층(151", 151"')의 Al의 함량을 감소시켜 p형 반도체층(160)에 인접할수록 작은 에너지 밴드갭을 갖는 구조로도 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 측단면도이다. 여기서, 도 5에 도시된 반도체 발광소자는 도 1에 도시된 반도체 발광소자와 실질적으로 그 구성이 동일하다. 다만, p형 전극으로 도전성 기판을 이용하며, 성장용 기판을 제거한 n형 반도체층 상에 n형 전극을 형성하는 점에서 차이가 있으므로, 동일한 구성에 대한 설명은 생략하고, 달라지는 구성에 대해서만 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 제2 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(200)는 도전성 기판(290), p형 반도체층(260), 전자차단층(250), 활성층(240), n형 반도체층(230) 및 n 전극(270)을 구비한다.
여기서, 도전성 기판(290)은 p형 전극 역할과 함께 레이저 리프트 오프 등의 공정에서 p형 반도체층(260), 전자차단층(250), 활성층(240) 및 n형 반도체층(230)을 지지하는 지지체의 역할을 수행한다. 즉, 반도체 단결정 성장용 기판은 레이저 리프트 오프 등의 공정에 의해 제거되며, 제거 공정 후의 n형 반도체층(230)의 노출 면에는 n형 전극(270)이 형성된다. 이 경우, 도전성 기판(320)은 Si, Cu, Ni, Au, W, Ti 등의 물질 또는 이들 중 선택된 금속 물질들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 선택된 물질에 따라, 도금 또는 본딩 접합 등의 방법으로 형성될 수 있다.
그리고, 본 실시형태에서 전자차단층(250)은 활성층(240)에 인접하여 형성되며, 활성층(240)의 최상층인 양자장벽층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제1층(251), 제1층(251)보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제3층(255), 제1층(251)과 제3층(255) 사이에 형성되며, 제1층(251)의 에너지 밴드갭과 제3층(255)의 에너지 밴드갭 사이에 해당하는 에너지 밴드갭을 갖는 제2층(253)으로 이루어진 다층구조로 형성된다.
이러한 전자차단층(250)은 제1층(251)을 AlGaN으로, 제2층(253)을 GaN으로, 제3층(255)을 InGaN으로 형성한 다층구조를 가질 수 있으며, 이러한 다층구조가 반복하여 적층된 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 반복 적층된 구조는 초격자 구조일 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, p형 반도체층(260)과 도전성 기판(290) 사이에 오믹컨택 기능과 광 반사 기능을 수행할 수 있는 고반사성 오믹컨택트층(미도시)을 더 형성할 수 있다.
따라서, 본 실시형태의 전자차단층(250)은 활성층(240)의 양자장벽층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제1층(251)에 의해 n형 반도체층(230)으로부터 주입된 전자가 활성층(240)을 넘어 p형 반도체층(260)으로 오버플로우 되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전자차단층(250)은 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 다층구조로 형성됨으로써, 다층구조의 각 층의 에너지 밴드갭 차이에 의해 정공의 분산(spreading) 효과를 얻을 수 있어 p형 반도체층(260)으로부터 활성층(240)으로 정공이 주입될 확률을 높일 수 있다. 또한, 전자차단층(250)을 초격자 구조로 형성함으로써 상기 정공 주입 확률을 더욱 높일 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자와 일반적인 초격자 구조의 전자차단층을 갖는 반도체 발광소자의 발광 효율을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다. 여기서, 일반적인 초격자 구조는 AlGaN/GaN의 적층 구조가 반복 적층된 구조이다.
그리고, 본 발명에 따른 반도체 발광소자에서 전자차단층은 AlGaN/GaN/InGaN이 순차 적층된 적층구조를 가지며, AlGaN으로 이루어진 제1층이 경사진 에너지 밴드갭 구조를 가진다. 이때, Al 조성이 점차 감소하는 경우를 B, Al 조성이 점차 증가하는 경우를 C로 표시하였다. 그리고, 일반적인 초격자 구조의 전자차단층을 갖는 반도체 발광소자의 경우를 A로 표시하였다.
따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 전류밀도의 증가에 따른 발광효율의 저하가 A보다 B, C의 경우가 작게 나타남을 알 수 있다. 즉, 고전류 밀도에서 B, C의 경우가 발광효율이 더 개선되며, 특히, Al 조성이 점차 증가하는 경우 발광효율이 더욱 개선됨을 알 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 에너지 밴드갭을 나타내는 다이어그램이다. 여기서, 도 7 내지 도 9에 도시된 반도체 발광소자는 그 구성이 도 1 내지 도 4에 도시된 반도체 발광소자와 실질적으로 동일하다. 다만, 본 실시형태는 전자차단층이 4개의 층으로 이루어진 점에서 차이가 있으므로, 동일한 구성에 대한 설명은 생략하고, 달라지는 구성에 대해서만 설명한다. 또한, 도 7 내지 도 9에 채용된 전자차단층은 도 5에 도시된 수직 전극 구조의 반도체 발광소자에도 채용될 수 있다.
먼저, 도 7을 참조하면, 전자차단층(350)은 활성층(340) 상에 형성되며, 4개(351, 353, 355, 357)의 층을 포함하는 다층 구조의 초격자 구조일 수 있다. 이 경우, 전자차단층(350)을 구성하는 각 층은 캐리어의 터널링이 가능한 두께를 가지며, 바람직하게는, 0.5 ~ 20nm 범위의 두께일 수 있다. 그리고 초격자 구조의 전체 두께는 1nm ~ 100nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
그리고 전자차단층(350)의 다층 구조는 각 층의 에너지 밴드갭이 적층방향을 따라 순차적으로 감소되도록 형성될 수 있다. 즉, 전자차단층(350)은 활성층(340)의 최상층인 양자장벽층보다 에너지 밴드갭이 큰 제1층(351)과, 상기 제1층(351)보다 에너지 밴드갭이 작은 제3층(355)과, 제1층(351) 및 제3층(355) 사이에 형성되며 제1층(351)의 에너지 밴드갭과 제3층(355)의 에너지 밴드갭 사이에 해당하는 에너지 밴드갭을 갖는 제2층(353)과, 상기 제2층(353)과 동일한 에너지 밴드갭을 가지며 제3층(355) 상에 형성되는 제4층(357)으로 이루어진 다층 구조로 형성될 수 있다. 또한, 전자차단층(350)은 상술한 다층 구조가 1회 이상 반복된 적층 구조로 형성될 수도 있다. 이때, 제4층(357)은 다층 구조가 반복될 때, 제3층(355)과 인접하는 제1층(351) 간의 격자부정합에 따른 스트레인을 완화하는 역할을 수행한다.
그리고, 제1층(351)은 활성층(350)의 양자장벽층에 인접하여 형성되며, 적층방향을 따라 경사가 선형적으로 증가하는 에너지 밴드갭 구조를 가진다. 이러한 경사진 에너지 밴드 구조를 갖는 제1층(351)을 통해, 본 발명의 전자차단층(350)은 제1층(351)과 제2층(353)의 계면에서 발생하는 스파이크(spike)와 노치(notch) 현상을 완화하여 활성층(340)으로의 홀 주입 효율을 높일 수 있다. 이로써, 고전류 밀도에서의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
이러한 전자차단층(350)의 다층구조는 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)와 같은 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 활성층(340) 상에 순차 적층된 AlGaN/GaN/InGaN/GaN의 적층구조로 이루어질 수 있다. 이때, 제1층(351)은 AlGaN으로, 제2층(353)은 GaN으로, 제3층(355)은 InGaN으로, 제4층(357)은 GaN으로 이루어질 수 있으며, 제1층(351)의 경사진 구조는, Al 성분을 선형적으로 감소하는 것에 의해 형성될 수 있다. 또한, 전자차단층(350)은 상기 AlGaN/GaN/InGaN/GaN의 적층구조가 1회 이상 반복된 적층 구조를 가질 수도 있다. 이때, GaN으로 이루어진 제4층은 InGaN으로 이루어진 제3층과 AlGaN으로 이루어진 제1층간의 격자상수 차이로부터 발생하는 스트레인을 완화할 수 있다.
따라서, 본 실시형태의 전자차단층(350)은 활성층(340)의 양자장벽층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제1층(351)에 의해 n형 반도체층(330)으로부터 주입된 전자가 활성층(340)을 넘어 p형 반도체층(360)으로 오버플로우 되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전자차단층(350)은 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 다층구조로 형성됨으로써, 다층구조의 각 층의 에너지 밴드갭 차이에 의한 정공의 분산(spreading) 효과를 얻을 수 있어 p형 반도체층(360)으로부터 활성층(340)으로 정공이 주입될 확률을 높일 수 있다. 또한, 전자차단층(350)을 초격자 구조로 형성함으로써 상기 정공 주입 확률을 더욱 높일 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 전자차단층(450)은 도 7에 도시된 전자차단층(350)과 달리, 전자차단층(450)의 제1층(451)의 경사 방향이 도 7의 전자차단층(350)의 제1층(351)의 경사 방향과 반대로 형성한 점에서 차이가 있다.
도 9을 참조하면, 본 실시예에 따른 전자차단층(550)은 도 7에 도시된 전자차단층(350)과 달리, 전자차단층(550)을 4개의 층으로 이루어진 다층구조를 1회이상 반복하여 적층한 구조로 형성하고, 각 적층구조의 제1층(551, 551')에서 Al의 함량을 달리하여 에너지 밴드갭을 다르게 형성한 점에서 차이가 있다. 즉, 도 9에서는 제1층(551, 551')의 Al 함량을 증가시켜 p형 반도체층(560)에 인접할수록 큰 에너지 밴드갭을 갖는 구조로 형성하고 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 제1층(551, 551')의 Al 함량을 감소시켜 p형 반도체층(560)에 인접할수록 작은 에너지 밴드갭을 갖는 구조로도 형성할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 Al의 함량을 선형적으로 변화시켜 전자차단층의 제1층의 경사가 선형적으로 증가 또는 감소하도록 형성한 경우에 대해서만 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 제1층은 Al의 함량을 함수적으로 변화시켜 2차원 또는 다차원적으로 증가 또는 감소하도록 형성할 수도 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100,200:반도체 발광소자 110:기판
120:버퍼층 130,230:n형 반도체층
140,240:활성층 150,250:전자차단층
160.260:p형 반도체층 170,270:n형 전극
180:p형 전극 290:도전성 기판

Claims (13)

  1. n형 반도체층;
    상기 n형 반도체층 상에 형성되며, 적어도 하나의 양자우물층과 적어도 하나의 양자장벽층이 교대로 적층되어 이루어진 활성층;
    상기 활성층 상에 형성되며, 에너지 밴드갭이 서로 다른 3개의 층이 적층된 적어도 하나의 다층구조를 갖되, 상기 3개의 층 중 상기 활성층에 인접한 층이 경사진 에너지 밴드 구조를 가지는 전자차단층; 및
    상기 전자차단층 상에 형성된 p형 반도체층;을 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자차단층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어지며, 상기 전자차단층의 다층구조의 각 층은 Al과 In의 조성비를 달리하여 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전자차단층의 다층구조는 각 층의 에너지 밴드갭이 적층방향을 따라 순차적으로 감소하도록 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전자차단층은 순차 적층된 AlGaN/GaN/InGaN의 적층구조인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전자차단층은 상기 AlGaN/GaN/InGaN의 적층구조가 반복 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전자차단층은 순차 적층된 AlGaN/GaN/InGaN/GaN의 적층구조인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전자차단층은 상기 AlGaN/GaN/InGaN/GaN의 적층구조가 반복 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전자차단층은 초격자 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전자차단층의 각 층은 0.5 ~ 20nm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전자차단층의 다층구조를 이루는 3개의 층 중 상기 활성층에 인접한 층은 에너지 밴드갭이 적층방향을 따라 경사가 증가하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전자차단층의 다층구조를 이루는 3개의 층 중 상기 활성층에 인접한 층은 상기 활성층보다 큰 에너지 밴드갭을 가지며, 상기 에너지 밴드갭이 적층방향을 따라 경사가 감소하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 n형 반도체층의 하면에 형성된 절연성 기판;
    상기 활성층 및 p형 반도체층의 일부영역이 제거되어 노출된 n형 반도체층 상에 형성된 n형 전극; 및
    상기 p형 반도체층 상에 형성된 p형 전극;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 p형 반도체층 상에 형성된 도전성 기판; 및
    상기 n형 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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