KR20110097082A - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면은 n형 반도체층, 상기 n형 반도체층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 p형 반도체층 및 상기 n형 반도체층 내부, 상기 n형 반도체층과 상기 활성층 사이, 상기 활성층과 상기 p형 반도체층 사이 및 상기 p형 반도체층 내부 중 적어도 하나의 위치에 배치되며, 하부에서 계면을 이루는 물질보다 밴드갭 에너지가 낮은 물질로 이루어진 제1층 및 상기 제1층 상에 형성되되 상기 제1층과 하부에서 계면을 이루는 물질보다 밴드갭 에너지가 높은 물질로 이루어진 제2층을 갖는 전류확산층을 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
Description
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 전류 확산 효과가 개선되고, 휘도 및 발광효율이 향상된 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
최근 GaN 등의 Ⅲ-Ⅴ 질화물 반도체는, 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. Ⅲ-Ⅴ 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD는 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 이러한 발광 소자는 고 전류/고 출력을 요구하는 BLU(Back Light Unit), 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
최근 고출력, 고효율 질화물 반도체 발광 소자가 다양한 분야에서 요구되어 짐에 따라, 일반적인 Lateral, Vertical 및 Flip-chip 구조의 반도체 발광 소자에 있어서 동작 전압을 낮추고, 전류 확산 효과를 개선시켜 Current crowding 현상을 줄이는 방법이 연구되고 있다.
투명 전극의 오믹 저항을 낮추기 위해 P+-GaN의 도핑농도를 높일 수 있으나, P 도핑농도를 높이는 것이 어려우며, Mg이나 Zn의 과사용으로 결정성 저하를 초래한다는 문제점이 있다. 또한, ITO(Indium tin oxide) 전극이나 다른 투명전극 사용시, 오믹 저항을 낮추는 것이 어려워 동작전압이 높고, 전류 확산 효과가 나빠지는 문제가 발생한다.
본 발명의 일 목적은, 오믹 저항을 낮춤으로써 동작 전압이 낮아진 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 전류 확산이 개선되어 휘도 및 발광 효율이 증대된 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 측면은,
n형 반도체층, 상기 n형 반도체층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 p형 반도체층 및 상기 n형 반도체층 내부, 상기 n형 반도체층과 상기 활성층 사이, 상기 활성층과 상기 p형 반도체층 사이 및 상기 p형 반도체층 내부 중 적어도 하나의 위치에 배치되며, 하부에서 접촉하여 계면을 이루는 물질보다 밴드갭 에너지가 낮은 물질로 이루어진 제1층 및 상기 제1층 상에 형성되되 상기 제1층과 하부에서 접촉하여 계면을 이루는 물질보다 밴드갭 에너지가 높은 물질로 이루어진 제2층을 갖는 전류확산층을 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제2층은 언도프 되거나 n형 불순물로 도핑될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1층은 InxGa1 -xN(0<x≤1)으로 이루어지며, 상기 제2층은 AlyInzGa1 -y-zN(0<y≤1, 0≤z<1, 0<y+z<1)으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1층은 InN으로 이루어지고, 상기 제2층은 AlGaN으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1층의 두께는 3nm 내지 5nm일 수 있고, 상기 제2층의 두께는 5nm 내지 15nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 p형 질화물 반도체층 및 활성층의 일부가 제거되어 노출된 상기 n형 질화물 반도체층의 일면에 형성된 n형 전극 및 상기 p형 질화물 반도체층의 상면에 형성된 p형 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 경우, 오믹 저항을 낮춤으로써 동작 전압이 낮아지고, 전류 확산이 개선되어 휘도 및 발광 효율이 증대된 질화물 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도2는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 물질이 접합된 구조에서, 그 계면의 밴드갭 에너지 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도3은 본 발명의 본 발명의 일 실시형태에 따른 밴드갭 에너지 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도4은 본 발명의 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도5은 본 발명의 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도6은 본 발명의 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도7은 본 발명의 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도2는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 물질이 접합된 구조에서, 그 계면의 밴드갭 에너지 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도3은 본 발명의 본 발명의 일 실시형태에 따른 밴드갭 에너지 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도4은 본 발명의 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도5은 본 발명의 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도6은 본 발명의 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도7은 본 발명의 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
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 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 명세서에 첨부된 도면의 구성요소들은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소되어 도시되어 있음이 고려되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다. 본 발명에서 질화물계 반도체 발광소자는 기판(100) 상에 n형 질화물 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 질화물 반도체층(130)이 순차로 적층되며, 상기 p형 반도체층(130,130') 내부에 전류확산층(140)이 배치된다. 상기 전류확산층(140)은 하부에서 계면을 이루는 p형 반도체층(130,130')보다 밴드갭 에너지가 낮은 물질로 이루어진 제1층(141) 및 상기 제1층(141) 상에 형성되되 상기 제1층(141)과 하부에서 계면을 이루는 p형 반도체층(130) 보다 밴드갭 에너지가 높은 물질로 이루어진 제2층(142)을 포함한다. 상기 전류확산층(140)은 2차원 정공가스층(2 Dimensional Hole Gas,이하 2DHG층)을 형성하여 전류 확산을 개선시킬 수 있다. 외부 전기 신호를 인가하기 위한 구조로서, n형 질화물 반도체층(110)의 메사 식각 영역, 즉, 활성층(120), 전류확산층(140) 및 p형 질화물 반도체층(130)의 일부가 제거되어 노출된 영역에는 n형 전극(150)이 형성되며, p형 질화물 반도체층(130,130') 상에는 p형 전극(160)이 형성된다. 이는 전극 위치 측면에서 수평 구조에 해당하며, 후술할 바와 같이, 본 발명은 수직 구조에도 적용될 수 있다.
기판(100)은 질화물 반도체 단결정의 성장을 위하여 제공되며, 사파이어, Si, ZnO, GaAs, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2 , GaN 등의 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 이 경우, 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 특히, 질화물 반도체의 성장용 기판으로 주로 사용된다.
n형 및 p형 질화물 반도체층(110,130)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 가지며, 예컨대, GaN, AlGaN, InGaN 등의 물질이 이에 해당될 수 있다. 또한, n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다. n형 및 p형 질화물 반도체층(110, 130) 사이에 형성되는 활성층(120)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수 있다. 한편, n형 및 p형 질화물 반도체층(110,130)과 활성층(120)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 등과 같은 반도체층 성장 공정을 이용하여 형성될 수 있을 것이다.
도2는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 물질이 접합된 구조에서, 그 계면의 밴드갭 에너지 프로파일을 나타내는 그래프이다. 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 물질의 접합계면에서는 격자상수 차이로 인한 압전효과가 발생하므로, 빗금친 부분에 전자가 구속되어 2차원 전자가스(2 Dimensional Electron Gas, 이하 2DEG)층 또는 2차원 정공가스(2 Dimensional Hole Gas, 이하 2DHG)층이 형성되어 발광효율을 향상시킬 수 있다.
이러한 효과를 증대시키기 위하여, 반도체 발광소자의 반도체층 내에서 하부 계면을 이루는 물질보다 밴드갭 에너지가 낮은 물질로 이루어진 제1층(141) 및 상기 제1층(141) 상에 형성되되 상기 제1층(141)과 하부에서 계면을 이루는 물질보다 밴드갭 에너지가 높은 물질로 이루어진 제2층(142)을 포함하는 전류확산층(140)을, p형 반도체층(130) 위에 배치시킬 경우 2DHG층이 형성되고, n형 반도체층(110) 위에 배치시킬 경우 2DEG층이 형성되어 도3과 같은 밴드갭 프로파일을 얻을 수 있다. 상기 제2층(142)이 n형 불순물로 도핑되는 경우, 계면에서의 밴드갭 에너지가 높아져 접합 계면에서의 밴드갭 에너지 차이를 극대화 하여 도3과 같은 밴드갭 프로파일을 얻을 수 있다. 다만, 제2층(142)을 도핑하지 않은 경우에도 본 발명에서 달성하고자 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 효과를 구체적으로 살펴보기 위하여 도3의 밴드갭 프로파일을 도2와 비교하면, 빗금친 영역인 2DEG층 또는 2DHG층이 도2에서 보다 깊고 넓게 형성되어 도핑하지 않더라도 전자 또는 정공이 높은 이동도를 나타내게 된다. 따라서, 2DEG 또는 2DHG층 내의 높은 전자 또는 정공 밀도에 의해 반도체 발광 소자의 동작전압을 낮추고 전류 확산 효과가 증대되어 발광 효율이 증대될 수 있다.
상기 제1층(141) 및 상기 제2층(142)은 전자 또는 정공을 가둠으로써 전류 확산을 개선함과 동시에, 전기 저항을 높여 전류 흐름을 방해하지 않는 범위의 두께를 가져야 하며, 이를 위하여 상기 제1층(141)은 3nm 내지 5nm의 두께로 형성될 수 있고, 상기 제2층(142)은 5nm 내지 15nm의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 도1의 실시 형태에서는 전류확산층(140)이 p형 질화물층(130,130') 내부에 형성되어 있으나, 그 위치는 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있으며, 상기 전류확산층(140)은 질화물 반도체층 내에 복수개 형성될 수 있다. 도 4 내지 도7은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
우선, 도4의 실시 형태에 따른 반도체 발광 소자는 앞선 실시형태와 같이, 기판(200) 상에 n형 질화물 반도체층(210), 활성층(220) 및 p형 질화물 반도체층(230,230',230'')이 순차적으로 형성되며, p형 질화물 반도체층(230,230',230'') 내부에 전류확산층(240)이 복수개 형성되어 있다. 또한, n형 질화물 반도체층(210), 활성층(220), 전류확산층(240) 및 p형 질화물 반도체층(230,230',230'')의 일부가 제거되어 노출된 영역에는 n형 전극(250)이 형성되며, p형 질화물 반도체층(250) 상에는 p형 전극(260)이 형성된다. 이 경우에도 p형 질화물 반도체층(230,230',230'') 내부에 형성된 전류 확산층에서 정공을 가두어 전류 확산 효과를 거둘 수 있다.
이와 유사한 방식으로, 도5의 실시형태에 따른 반도체 발광 소자는 전류확산층(440)이 n형 질화물 반도체층(410) 내부에 배치될 수 있으며,
도6의 실시형태에 따른 반도체 발광 소자는 전류확산층(640)이 p형 질화물층(630) 내부, n형 질화물층(410)과 활성층(420) 사이에 모두 배치될 수 있다.
별도로 도시하지는 않았으나, 상기 전류확산층(640)은 활성층(620)과 n형 질화물 반도체층(610)사이, 활성층(620)과 p형 질화물층(630) 사이에 배치될 수 있다.
한편, 앞선 실시 형태들에서는 전극의 배치 방식이 수평 구조인 발광소자만을 설명하였으며, 전류분산 향상 효과는 수평 구조에서 더욱 중요한 문제이기는 하지만, 본 발명에서 제안하는 전류확산층은 수직 구조 발광소자에도 채용이 가능하다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자는 도전성 기판(760) 상에 발광구조물이 형성되며, 상기 발광구조물은 n형 질화물 반도체층(710), 활성층(720) 및 p형 질화물 반도체층(730)을 구비하는 구조이다. 이 경우, 전류확산층(740)은 p형 질화물 반도체층(730) 내부 및 n형 질화물 반도체층(710)과 활성층(720) 사이에 배치되어 전류 분산에 기여한다. 또한, n형 질화물 반도체층(401)의 상면에는 n형 전극(750)이 형성된다. 도전성 기판(760)은 앞선 실시 형태에서 설명한 반도체 성장용 기판(100) 등을 제거하기 위한 레이저 리프트 오프 등의 공정에서 상기 발광구조물을 지지하는 지지체의 역할과 더불어 p형 전극 역할을 수행할 수 있으며, Au, Ni, Al, Cu, W, Si, Se, GaAs 중 어느 하나를 포함하는 물질, 예컨대, Si에 Al 도핑된 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 선택된 물질에 따라, 도전성 기판(760)은 도금 또는 본딩 접합 등의 방법으로 형성될 수 있을 것이다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 해석되어야 한다. 또한, 본 발명에 대하여 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100,200,400,600: 기판 110,210,410,610,710: n형 질화물 반도체층
120,220,420,620,720: 활성층 130,230,430,630,730: p형 질화물 반도체층
140,240,440,640,740: 전류확산층 141,241,441,641,741: 제1층
142,242,442,642,742: 제2층 150,250,450,650,750: n형 전극
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Claims (7)
- n형 반도체층;
상기 n형 반도체층 상에 형성된 활성층;
상기 활성층 상에 형성된 p형 반도체층; 및
상기 n형 반도체층 내부, 상기 n형 반도체층과 상기 활성층 사이, 상기 활성층과 상기 p형 반도체층 사이 및 상기 p형 반도체층 내부 중 적어도 하나의 위치에 배치되며, 하부에서 접촉하여 계면을 이루는 물질보다 밴드갭 에너지가 낮은 물질로 이루어진 제1층 및 상기 제1층 상에 형성되되 상기 제1층과 하부에서 접촉하여 계면을 이루는 물질보다 밴드갭 에너지가 높은 물질로 이루어진 제2층을 갖는 전류확산층;
을 포함하는 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제2층은 언도프 되거나 n형 불순물로 도핑된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1층은 InxGa1 -xN(0<x≤1)으로 이루어지며, 상기 제2층은 AlyInzGa1 -y-zN(0<y≤1, 0≤z<1, 0<y+z<1)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1층의 두께는 3nm 내지 5nm인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제2층의 두께는 5nm 내지 15nm인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 p형 질화물 반도체층 및 활성층의 일부가 제거되어 노출된 상기 n형 질화물 반도체층의 일면에 형성된 n형 전극 및 상기 p형 질화물 반도체층의 상면에 형성된 p형 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 n형 및 p형 질화물 반도체층에서 상기 활성층의 맞은 편에 위치한 면에 각각 형성된 n형 및 p형 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100016722A KR20110097082A (ko) | 2010-02-24 | 2010-02-24 | 질화물 반도체 발광소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100016722A KR20110097082A (ko) | 2010-02-24 | 2010-02-24 | 질화물 반도체 발광소자 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20110097082A true KR20110097082A (ko) | 2011-08-31 |
Family
ID=44932149
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020100016722A KR20110097082A (ko) | 2010-02-24 | 2010-02-24 | 질화물 반도체 발광소자 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20110097082A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150029163A (ko) * | 2013-09-09 | 2015-03-18 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광 소자 |
-
2010
- 2010-02-24 KR KR1020100016722A patent/KR20110097082A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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