KR20110124841A - 발광소자 - Google Patents
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Abstract
발광소자가 개시된다. 이러한 발광소자는 기판, 버퍼층, 질화갈륨계열의 n형 반도체층, 질화갈륨계열의 p형 반도체층, 활성층, 전자 확산층 및 전자 차단층을 포함하고, 제1 붕소함유 질화물 반도체층 및 제2 붕소함유 질화물 반도체층 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 버퍼층은 상기 기판 상부에 위치한다. 상기 n형 반도체층은 상기 버퍼층 상부에 위치한다. 상기 p형 반도체층은 상기 n형 반도체층 상부에 위치한다. 상기 활성층은 상기 n형 반도체층 및 상기 p형 반도체층 사이에 개재된다. 상기 전자 확산층은 상기 n형 반도체층 및 상기 활성층 사이에 개재된다. 상기 전자 차단층은 상기 활성층 및 상기 p형 반도체층 사이에 개재된다. 상기 제1 붕소함유 질화물 반도체층은 상기 n형 반도체층 및 상기 전자 확산층 사이에 개재되며, 또한 제2 붕소함유 질화물 반도체층은 상기 전자 차단층 및 상기 p형 반도체층 사이에 개재된다. 따라서, 함유된 붕소에 의해 스트레인을 완화시키고 또한 밴드갭을 증가시켜 출사되는 광의 재흡수를 방지함으로써 발광효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세히 질화물 반도체를 이용한 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AIN), 질화인듐갈륨(InGaN) 등과 같은 III족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 발광 다이오드용 물질로 많은 각광을 받고 있다.
현재 질화물 반도체를 사용하는 발광다이오드(LED) 소자는 n형 질화물 반도체층 상부에 인듐을 포함하는 활성층을 형성한다. 이 경우 n형 반도체층과 인듐을 포함하는 활성층의 격자 상수의 차이로 인하여 활성층에 변형(Strain)이 발생한다.
또한, p형 반도체층과 활성층 사이에 알루미늄을 포함하는 전자 차단층을 형성하는 경우에도 활성층에 변형이 발생한다. 이로 인해, 활성층에 주입되는 전자와 정공이 공간적으로 분리되어 전자와 정공이 결합할 수 있는 확률이 감소됨으로써 발광 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 활성층의 변형을 완화시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한, 발광소자는 기판, 질화갈륨계열의 n형 반도체층, 질화갈륨계열의 p형 반도체층, 활성층, 전자 확산층, 전자 차단층, 붕소함유 질화물 반도체층을 포함한다. 상기 n형 반도체층은 상기 기판 상부에 위치한다. 상기 p형 반도체층은 상기 n형 반도체층 상부에 위치한다. 상기 활성층은 상기 n형 반도체층 및 상기 p형 반도체층 사이에 개재된다. 상기 전자 확산층은 상기 n형 반도체층 및 상기 활성층 사이에 개재된다. 상기 전자 차단층은 상기 활성층 및 상기 p형 반도체층 사이에 개재된다. 상기 붕소함유 질화물 반도체층은 상기 n형 반도체층과 상기 전자 확산층 사이 및 상기 전자 차단층과 상기 p형 반도체층 사이 중 적어도 하나에 개재된다.
예컨대, 상기 n형 반도체층은 n형 질화갈륨(GaN)층이고, 상기 전자 확산층은 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 초격자층으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 n형 반도체층 및 상기 전자 확산층 사이에 형성되는 붕소함유 질화물 반도체층은 질화붕소갈륨(BGaN) 단일층 또는 질화붕소갈륨(BGaN)/질화갈륨(GaN) 초격자층으로 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 전자 차단층은 질화알루미늄갈륨(AlGaN)층이고, 상기 p형 반도체층은 p형 질화갈륨(GaN)층으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 전자 차단층과 상기 p형 반도체층 사이에 형성되는 붕소함유 질화물 반도체층은 질화붕소인듐갈륨(BInGaN)층으로 형성될 수 있다.
추가적으로, 상기 기판과 n형 반도체층 사이에 버퍼층이 더 형성될 수 있다.
이러한 본 발명에 의하면, 붕소를 포함하는 질화물 반도체층을 이용하여 활성층의 변형을 완화시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 붕소함유 질화물 반도체층을 질화붕소갈륨(BGaN)/질화갈륨(GaN)의 초격자 구조로 형성하는 경우, 붕소를 첨가함으로써 발생하는 막질의 불균일성을 향상시켜, 발광소자의 효율이 보다 향상된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 발광소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 발광소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도면을 중심으로 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광소자(100)는 기판(110), 버퍼층(120), 질화갈륨계열의 n형 반도체층(130), 제1 붕소함유 질화물 반도체층(140), 질화갈륨계열의 p형 반도체층(190), 활성층(160), 전자 확산층(150), 전자 차단층(170) 및 제2 붕소함유 질화물 반도체층(180)을 포함한다. 여기서, 본 발명의 실시 예에서는 제1 및 제2 붕소함유 질화물 반도체층(140, 180)을 모두 포함하는 것을 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 제1 및 제2 붕소함유 질화물 반도체층(140, 180) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
기판(110)은 특별히 한정되지는 않으며, 예컨대 육방정계 구조를 갖는 사파이어, 스피넬, 탄화실리콘 기판 등이 사용될 수 있다.
상기 기판(110) 위에는 상기 버퍼층(120)이 배치된다. 상기 버퍼층(120)은, 그 위에 형성되는 n형 반도체층(130)의 막질을 향상시키기 위해서 형성된다. 예컨대, 버퍼층(120)은 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)을 포함하며, MOCVD 공정을 사용하여 약 400 ~ 800℃의 온도에서 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(120) 위에는 상기 n형 반도체층(130)이 배치된다. 상기 n형 반도체층(130)은 질화갈륨계열로 형성된다. 예컨대, 상기 n형 반도체층(130)은 MOCVD공정을 사용하여 약 900 ~ 1200℃의 온도에서 실리콘(Si)과 같은 n형 도펀트를 도핑하여 형성될 수 있다.
상기 n형 반도체층(130) 위에는 상기 제1 붕소함유 질화물 반도체층(140)이 배치된다. 예컨대, 상기 제1 붕소함유 질화물 반도체층(140)은 질화붕소갈륨(BGaN)을 포함한다. 제1 붕소함유 질화물 반도체층(140)의 격자 상수는 n형 반도체층(130) 및 전자 확산층(150)의 격자 상수보다 작기 때문에 제1 붕소함유 질화물 반도체층(140)에 인장변형이 형성된다. 그러면, 활성층(160)과 전자 확산층(150)의 격자 상수 차이로 인해 활성층(160)에 형성된 압축변형이 상쇄될 수 있다. 이로 인해, 활성층(160)에 주입된 전자 및 정공의 재결합이 용이하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제1 붕소함유 질화물 반도체층(140)을 형성하기 위해서 예컨대, 붕소함유를 위한 소오스 가스로서 디보란(B2H6), 데카보란(B10H14)이 사용될 수 있다. 보다 상세히, MOCVD 공정의 소오스 가스로서, TMG (trimethyl galium: Ga(CH3)3), 암모니아(NH3) 및, 디보란(B2H6) 또는 데카보란(B10H14)을 사용하며, 캐리어가스로서 수소(H2)를 이용하고, 성장온도는 대략 800 ~ 1100℃가 적절하다.
상기 제1붕소함유 질화물 반도체층(140) 위에는 전자 확산층(150)이 배치될 수 있다. 상기 전자 확산층(150)은 상기 n형 반도체층(130)에서 활성층으로의 전자의 주입효율을 확대할 목적으로 형성한다. 예컨대, 상기 전자 확산층은 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN)의 초격자(Superlattices) 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 질화인듐갈륨(InGaN)층은 약 10 ~ 100Å의 두께로 형성하고, 질화갈륨(GaN)층은 약 10 ~ 100Å의 두께로 형성할 수 있다. 초격자 구조는 MOCVD 공정을 이용하여, 약 600 ~ 900도의 온도에서 형성할 수 있다. 이때, 소오스 가스로서 TEGa(triethyl Galium(CH3)3)와 TMI(trimethyl Indium:In(CH3)3) 및 암모니아(NH3)를 사용하고, 캐리어 가스로서 수소(H2)를 사용한다.
상기 전자 확산층(150) 상부에는 활성층(160)이 배치된다. 이러한 활성층(160)은 일반적으로 사용하는 질화인듐갈륨(InGaN) 우물(well)층과 인듐(In)이나 알루미늄(Al)이나 인듐(In)과 알루미늄(Al)을 함께 포함하는 질화갈륨(GaN) 장벽(Barrier)층으로 구성될 수 있다. 성장 방법은 위에서 설명한 초격자 구조를 성장하는 방법과 동일한 방법으로 우물(Well)층과 장벽(Barrier)층을 형성한다.
상기 활성층(160) 상부에는 전자 차단층(170)이 배치된다. 전자 차단층(170)은 활성층(150)에서 정공과 결합되지 못한 전자가 p형 반도체층(190)으로 확산되는 것을 차단한다. 이러한 전자 차단층(170)은 예컨대 질화알루미늄갈륨(AlGaN)층, 질화인듐알루미늄갈륨(InAlGaN)층 및 질화알루미늄갈륨(AlGaN)과 질화갈륨(GaN)의 초격자층 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 전자 차단층(170) 상부에는 제2 붕소함유 질화물 반도체층(180)이 배치될 수 있다. 상기 제2 붕소함유 질화물 반도체층(180)은 예컨대 질화붕소인듐갈륨(BInGaN)을 포함한다. 여기서, 상기 제2 붕소함유 질화물 반도체층(180)은 MOCVD 공정으로 형성할 수 있다. 구체적으로, MOCVD 공정은 소오스 가스로 TMG (trimethyl galium: Ga(CH3)3), TMI(trimethyl indium: In(CH3)3), 암모니아(NH3) 및, 디보란(B2H6) 또는 데카보란(B10H14)을 사용하고, 캐리어 가스로 수소(H2)를 이용하며, 성장 온도로 약 800 ~ 1100℃에서 진행될 수 있다. 한편, 상기 제2 붕소함유 질화물 반도체층(180) 내의 인듐(In)의 비율이 증가되면 밴드갭이 좁아지므로, 이를 완화시키기 위해서 붕소(B)의 비율은 증가시키는 것이 바람직하다. 상기 제2 붕소함유 질화물 반도체층(180)은 상기 활성층(160)에서 생성된 광이 흡수되는 것을 방지한다.
상기 활성층(160)위에 격자 상수가 작은 전자 차단층(170)을 형성함에 따라서, 상기 전자 차단층(170)에는 인장변형이 발생하게 된다. 또한, 상기 전자 차단층(170) 위에 압축변형이 발생하는 제2 붕소함유 질화물 반도체층(180)을 형성한다. 이로 인해, 전자 차단층(170)의 인장변형과 제2붕소함유 질화물 반도체층(180)의 압축변형이 상호 상쇄될 수 있다. 상기 활성층(160)과 상기 전자 차단층(170), 그리고 상기 제2붕소함유 질화물 반도체층(180)의 전체 구조에서의 평균 격자 상수는 p형 반도체층(190)과 동일하게 설계한다. 이로 인해서, 활성층(160)에 주입되는 전자 및 정공의 재결합이 용이하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제2붕소함유 질화물 반도체층(180) 상부에는 p형 반도체층(190)이 형성된다. p형 반도체층(190)은 도핑 농도가 다른 2개 이상의 층으로 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 p형 반도체층은 마그네슘(Mg) 농도가 1x1020 cm3이상의 도핑량을 가진 첫번째 층, 마그네슘(Mg) 농도가 5x1019 cm3이하의 도핑량을 가진 두번째 층 및 마그네슘(Mg)농도가 1x1020 cm3이상의 도핑량을 가진 세번째 층을 포함할 수 있다.
이러한 p형 반도체층(190) 상부에는 전극층(220)이 더 형성될 수 있다. 이러한 전극층(220)은 예컨대 ITO나 ZnO와 같은 투명도전체로 형성된다. 상기 전극층(220)은 p형 반도체층(190) 상부에 전류를 확산시키며, 이러한 전극층(220) 상부에 p형 전극패드(230)가 더 형성될 수 있다. 또한, 상기 p형 반도체층(190) 및 활성층(150)의 일부영역이 식각되어 제거되고, n형 반도체층(130)이 노출될 수 있다. 노출된 n형 반도체층(130) 상에 n형 전극패드(210)가 더 형성될 수 있다.
한편, 제 1붕소함유 반도체층(140)의 붕소의 조성비는 0 ~ 20%까지 변화시킬 수 있다. 위에서 설명한 붕소의 조성비는 제1붕소함유 반도체층(140) 위에 형성되는 인듐함유하는 전자확산층(150)의 인듐 조성비에 연동하여 변화시킨다. 또한, 제2붕소함유 반도체층(180)의 붕소 조성비는 0 ~ 20%까지 변화시킬 수 있다. 제 2붕소함유 반도체층(180)의 붕소 조성비는 제2붕소함유 반도체층(180) 밑에 형성되는 전자차단층(170)의 알루미늄 조성비에 연동하여 변화시킨다. 제1붕소함유 반도체층(140)과 전자확산층(150)의 평균 격자상수와 제2붕소함유 반도체층(180)과 전자차단층(170)의 평균 격자상수는 질화물 반도체(GaN)의 격자상수와 동일하게 붕소, 인듐, 알루미늄의 조성비로 설계하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 발광소자를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2에서 도시된 발광소자(200)는 도 1에서 도시된 발광소자(100)와 제1 붕소함유 질화물 반도체층(240)을 제외하면 실질적으로 동일하다. 따라서, 동일 또는 유사한 구성요소는 동일한 참조부호를 병기하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 발광소자(200)는 기판(110), 버퍼층(120), 질화갈륨계열의 n형 반도체층(130), 질화갈륨계열의 p형 반도체층(190), 활성층(160), 전자 확산층(150) 및 전자 차단층(170)을 포함하고, 제1 붕소함유 질화물 반도체층(240) 및 제2 붕소함유 질화물 반도체층(180) 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 제1 붕소함유 질화물 반도체층(240)은 질화붕소갈륨(BGaN, 240a)/질화갈륨(GaN, 240b)의 초격자 구조로 형성될 수 있다. 이를 위해서, 먼저 MOCVD공정을 이용하여 약 800 ~ 1100℃의 온도에서 질화붕소갈륨(BGaN)을 성장시킨다. 이때, 소오스 가스로서 암모니아(NH3) 및 TMG (trimethyl galium: Ga(CH3)3) 및 디보란(B2H6) 또는 데카보란(B10H14)을 사용하며 캐리어 가스로서 수소(H2)를 이용한다. 질화붕소갈륨(BGaN)이 약 0.8 내지 10nm정도 성장시킨 후, 디보란(B2H6) 또는 데카보란(B10H14) 공급을 중단하고, 질화갈륨(GaN)층을 성장시킨다. 이때, 온도는 질화붕소갈륨(BGaN)의 생성온도와 동일하게 가져갈 수 있다. 이러한 과정을 반복하면, 질화붕소갈륨(BGaN)과 질화갈륨(GaN)이 교대로 적층되어 질화붕소갈륨(BGaN)/질화갈륨(GaN)의 초격자(Superlattice)구조가 형성될 수 있다. 한편, 상기 질화물 반도체층(240)은 질화붕소갈륨층(240a)을 먼저 형성한 후, 질화갈륨층(240b)의 초격자를 형성하였으나, 이와 다르게, 질화갈륨층(240b)을 형성한 후, 질화붕소갈륨층(240a)을 형성할 수도 있다.
본 실시예에서는 제1 붕소함유 질화물 반도체층(240)을 질화붕소갈륨(BGaN)/질화갈륨(GaN)의 초격자 구조로 형성하여, 붕소를 첨가함으로써 발생하는 막질의 불균일성을 향상시켜, 발광소자(200)의 효율이 보다 향상된다.
또한, 위의 실시예에서는 도 1에서 도시된 제1 붕소함유 질화물 반도체층(140)만을 초격자층으로 형성하였으나, 제2 붕소함유 질화물 반도체층(180)을 초격자로 형성할 수도 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 설명 및 아래의 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.
100, 200: 발광소자 110: 기판
120: 버퍼층 130: n형 반도체층
140, 240: 제1 붕소함유 질화물 반도체층 150: 전자 확산층
160: 활성층 170: 전차 차단층
180: 제2 붕소함유 질화물 반도체층 190: p형 반도체층
120: 버퍼층 130: n형 반도체층
140, 240: 제1 붕소함유 질화물 반도체층 150: 전자 확산층
160: 활성층 170: 전차 차단층
180: 제2 붕소함유 질화물 반도체층 190: p형 반도체층
Claims (6)
- 기판;
상기 기판 상에 위치하는 질화갈륨계열의 n형 및 p형 반도체층;
상기 n형 반도체층 및 상기 p형 반도체층 사이에 개재된 활성층;
상기 n형 반도체층 및 상기 활성층 사이에 개재된 전자 확산층;
상기 활성층 및 상기 p형 반도체층 사이에 개재된 전자 차단층; 및
상기 n형 반도체층과 상기 전자 확산층 사이 및 상기 전자 차단층과 상기 p형 반도체층 사이 중 적어도 어느 하나에 붕소 함유 질화물 반도체층이 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 n형 반도체층은 n형 질화갈륨(GaN)층이고, 상기 전자 확산층은 질화인듐갈륨(InGaN) 및 질화갈륨(GaN)을 포함하는 초격자층인 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제2항에 있어서,
상기 제1 n형 반도체층과 상기 전자확산층 사이에 형성되는 붕소함유 질화물 반도체층은 질화붕소갈륨(BGaN) 단일층 또는 질화붕소갈륨(BGaN)/질화갈륨(GaN) 초격자층으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 전자 차단층은 질화알루미늄갈륨(AlGaN)층이고, 상기 p형 반도체층은 p형 질화갈륨(GaN)층 인 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제4항에 있어서,
상기 제2 전자 차단층과 상기 p형 반도체층 사이에 형성되는 붕소함유 질화물 반도체층은 질화붕소인듐갈륨(BInGaN)층 인 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 n형 반도체층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
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2010
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