KR20120035510A - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물 반도체 발광소자를 개시한다. 개시된 질화물 반도체 발광소자는, n형 질화물층과 p형 질화물층; 및 상기 n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 서로 다른 불순물로 각각 도핑된 제 1, 2 및 3 양자장벽층을 갖는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고, 상기 제 1 양자장벽층은 p형 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 양자장벽층은 n형 불순물로 도핑된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 양자장벽층에 서로 다른 불순물(n형 또는 p형)을 도핑함으로써, 활성층 영역에서의 캐리어 농도를 균일하여 발광효율을 개선한 효과가 있다.
본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 양자장벽층에 서로 다른 불순물(n형 또는 p형)을 도핑함으로써, 활성층 영역에서의 캐리어 농도를 균일하여 발광효율을 개선한 효과가 있다.
Description
본원 발명은 광효율을 개선한 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로 질화물 반도체 발광 소자에 사용되는 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 광전소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.
질화물 반도체 발광소자는 일반적으로 기판 위에 버퍼층, n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층, 전극의 구조로 이루어져 있다. 이때, 활성층은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InxGa1-xN(0≤x≤1)의 일반식으로 표현되는 양자우물층과 양자장벽층을 포함하여 이루어진다. 이러한 활성층을 이루는 물질의 종류에 따라 발광 소자에서 방출되는 발광 파장이 결정된다.
활성층에는 하나의 양자우물층을 갖는 단일양자우물(single quantum well: SQW) 구조와 약 100Å보다 작은 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(multi quantum well: MQW) 구조가 있다. 이 중에서, 특히 다중양자우물구조의 활성층은 단일양자우물구조에 비해 전류대비 광효율이 우수하고 높은 발광출력을 가지므로 적극적으로 활용되고 있다.
이러한 질화물 반도체 소자의 광효율은 원천적으로 활성층 내에서의 전자와 정공의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정된다. 이러한 내부양자효율의 개선방안은 주로 활성층 자체의 구조를 개선하거나 캐리어의 유효량(effective mass)을 증가시키는 방향으로 연구되고 있다.
도 1은 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이고, 도 2a는 종래 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
도 1 및 도 2a를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자는 기판(10), 버퍼층(20), n형 질화물층(30), n형 전극(35), 활성층(40), p형 질화물층(50), 투명전극(52) 및 p형 전극(55)으로 구성되어 있다.
상기 질화물 반도체 발광소자를 보다 구체적으로 보면, 기판(10)과, 기판(10) 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(20), n형 질화물층(30), 활성층(40), 및 p형 질화물층(50)을 포함하며, p형 질화물층(50)과 활성층(40)이 메사식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거되어, n형 질화물층(30)의 일부 상면이 노출되는 구조를 갖는다.
노출된 n형 질화물층(30)에는 n형 전극(35)이 형성된다. 그리고 p형 질화물층(50) 상에는 ITO(Indium-Tin oxide) 등으로 이루어진 투명전극(52)이 형성되며, 그 위에는 p형 전극(55)이 형성된다.
기판(10)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 기판(10)은 사파이어와 같은 재료를 이용하여 형성될 수 있으며, 사파이어 이외에도, 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수도 있다.
버퍼층(20)은 기판(10)과 후술할 n형 질화물층(30)의 격자 상수 차이를 줄여 주기 위한 것으로서, 예컨대 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN 등과 같은 재질로 이루어질 수 있다. 이러한 버퍼층(20)은 소자의 특성 및 공정 조건에 따라 생략될 수도 있다.
버퍼층(20) 위에는 n형 질화물층(30)이 형성된다. n형 질화물층(30)은 질화갈륨(GaN)계로 형성되며, 구동 전압을 낮추기 위해 실리콘이 도핑될 수 있다. n형 질화물층(30) 위에는 도 2a에 도시된 바와 같이, 양자우물층(43)과 양자장벽층(41)이 교대로 형성되는 다중양자우물구조의 활성층(40)이 형성된다. 이때의 양자우물층(43)은 InGaN층(42)에 의해 형성된다. 상기 양자장벽층(41)은 GaN 또는 AlGaN층의 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 활성층(40)은 청색 및 녹색 파장 광과 같은 단일 파장광을 방출하며, 2 이상의 양자우물층(43) 및 양자장벽층(41)이 교대로 형성되어 다중양자우물(multi quantum well: MQW) 구조를 갖는다.
활성층(40) 위에는 p형 질화물층(50)이 형성되는데, p형 질화물층(50)과 투명전극(52) 사이에는 전자장벽층(electron blocking layer: EBL) 역할을 하는 AlGaN층(60)이 형성되어 있다.
도 2b는 종래 질화물 반도체 발광소자의 활성층 영역에서의 캐리어 농도분포를 도시한 그래프로서, 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자의 활성층의 다중양자우물 영역에서 균일한 캐리어 농도를 갖지 못하는 것을 볼 수 있다. 특히, 활성층과 p형 질화물층 사이의 전자장벽층 영역에서 전자(electron)와 정공(hole)의 농도가 현저히 불균일함을 볼 수 있다.
이와 같은, 활성층 영역에서의 캐리어들(전자/정공)의 농도 불균일 현상은 발광효율을 저하시키는 문제를 야기한다.
상기와 같은 문제를 개선하기 위해 종래에는 p형 질화물층 또는 n형 질화물층에 다수개의 나노 적층구조(superlattice)를 삽입하는 기술이 개발되었으나, 양산성이 현저히 저하되는 문제가 있었다.
또한, 정공의 이동도가 전자의 이동도 보다 상대적으로 낮기 때문에 n형 질화물층 영역에서 정공이 충분히 공급되지 못해 발광효율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 전자장벽층으로 사용되는 AlGaN층은 동일 반응기 내에서 알루미늄(Al) 성분이 오염물질로 작용하여 활성층의 용이한 성장을 방해하는 문제가 있다. 이러한 문제를 제거하기 위해서는 고열로 장시간 가열을 진행해야하는데, 이로 인하여 추가 공정 및 양산성 문제가 발생된다.
본 발명은 질화물 반도체 발광소자의 양자장벽층에 서로 다른 불순물(n형 또는 p형)을 도핑함으로써, 활성층 영역에서의 캐리어 농도를 균일하게 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 질화물 반도체 발광소자의 양자장벽층의 불순물 도핑 농도를 조절하여 전자장벽층(EBL)을 제거하면서도 균일한 캐리어 농도를 유지할 수 있는 질화물 반도체 발광소자를 제공함에 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 질화물 반도체 발광소자의 양자장벽층들에 서로 다른 반도체 불순물을 도핑하여, 발광효율을 높이면서 전력 소비를 줄인 질화물 반도체 발광소자를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는, n형 질화물층과 p형 질화물층; 및 상기 n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 서로 다른 불순물로 각각 도핑된 제 1, 2 및 3 양자장벽층을 갖는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고, 상기 제 1 양자장벽층은 p형 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 양자장벽층은 n형 불순물로 도핑된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자는, n형 질화물층과 p형 질화물층; 및 상기 n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 서로 다른 불순물로 각각 도핑된 제 1, 2 및 3 양자장벽층을 갖는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고, 상기 제 1 양자장벽층은 p형 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 양자장벽층은 n형 불순물로 도핑되며, 상기 제 3 양자장벽층은 InGaN계 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자는, n형 질화물층과 p형 질화물층; 및 상기 n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 서로 다른 불순물로 각각 도핑된 제 1, 2, 3 및 4 양자장벽층을 갖는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고, 상기 제 1 양자장벽층은 p형 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 양자장벽층은 n형 불순물로 도핑되며, 상기 제 3 양자장벽층과 제 4 양자장벽층은 InGaN계 물질에 각각 p형 불순물과 n형 불순물을 도핑하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 양자장벽층에 서로 다른 불순물(n형 또는 p형)을 도핑함으로써, 활성층 영역에서의 캐리어 농도를 균일하여 발광효율을 개선한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 양자장벽층의 불순물 도핑 농도를 조절하여 전자장벽층(EBL)을 제거하면서도 균일한 캐리어 농도를 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 불순물이 도핑된 양자장벽층과 불순물이 도핑되지 않은 양자장벽층을 교대로 배치하여 발광효율을 개선하면서 생산성을 향상시킨 효과가 있다.
또한, 본 발명은 질화물 반도체 발광소자의 양자장벽층들에 서로 다른 반도체 불순물을 도핑하여, 발광효율을 높이면서 전력 소비를 줄인 효과가 있다.
도 1은 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 2a는 종래 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
도 2b는 종래 질화물 반도체 발광소자의 활성층 영역에서의 캐리어 농도분포를 도시한 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
도 3b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 영역에서의 캐리어 농도분포를 도시한 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
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도 5a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
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도 6a는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
도 6b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 영역에서의 캐리어 농도분포를 도시한 그래프이다.
도 7은 종래 질화물 반도체 발광소자의 에너지 밴드와 본 발명의 실시예들에 대한 에너지 밴드를 비교한 그래프이다.
도 2a는 종래 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
도 2b는 종래 질화물 반도체 발광소자의 활성층 영역에서의 캐리어 농도분포를 도시한 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
도 3b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 영역에서의 캐리어 농도분포를 도시한 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
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도 5a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
도 5b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 영역에서의 캐리어 농도분포를 도시한 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이다.
도 6b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 영역에서의 캐리어 농도분포를 도시한 그래프이다.
도 7은 종래 질화물 반도체 발광소자의 에너지 밴드와 본 발명의 실시예들에 대한 에너지 밴드를 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
아래 본 발명의 실시 예들은 상기 도 1의 종래 질화물 반도체 발광소자를 중심으로 활성층 영역의 구조를 변경한 것이다. 따라서, 아래에서 설명하는 활성층의 구조를 제외하고는 종래 개시된 질화물 반도체 발광소자의 n형 전극, p형 전극 등의 구성부들은 본 발명의 실시예들에 그대로 적용될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이고, 도 3b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 영역에서의 캐리어 농도분포를 도시한 그래프이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층(140)은 다음과 같은 다중양자우물(multi quantum well: MQW) 구조로 형성된다. n형 질화물층(130)과 p형 질화물층(150) 사이에는 제 1 양자장벽층(145a)과 제 2 양자장벽층(145b) 들이 양자우물층(143)들을 사이에 두고 교대로 배치되어 있다. 상기 양자우물층(143)은 InGaN층(142)에 의해 형성되는데, 보다 구체적으로는 InxGa1-xN(0<x<1)로 이루어질 수 있다.
상기 n형 질화물층(130)은 질화갈륨(GaN)계로 형성되며, 구동 전압을 낮추기 위해 실리콘이 도핑될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 제 1 양자장벽층(145a)과 제 2 양자장벽층(145b)은 활성층(140)의 중심을 기준으로 각각 p형 질화물층(150) 방향으로 다수개의 제 1 양자장벽층(145a)이 양자우물층(143)과 교대로 형성되고, n형 질화물층(130) 방향으로 다수개의 제 2 양자장벽층(145b)이 양자우물층(143)과 교대로 형성될 수 있다.
상기 제 1 양자장벽층(145a)은 GaN계 반도체 물질에 p형(p+) 불순물을 도핑하여 형성되고, 상기 제 2 양자장벽층(145b)은 GaN계 반도체 물질에 n형(n+) 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다.
이와 같은, 질화물 반도체 소자의 광효율은 원천적으로 활성층(140) 내에서의 전자와 정공(캐리어)의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정되므로, 광출력을 향상시키기 위해서는 전자와 정공의 이동성을 확보하는 것이 필요하다.
또한, 광효율 향상을 위해서는 활성층(140) 내에서의 균일한 정공과 전자 밀도를 유지해야할 필요성이 있다. 또한, 활성층(140)과 p형 질화물층(150) 사이에는 전자 넘침 현상을 방지하기 위해 전자장벽층(electron blocking layer: EBL)을 AlGaN층으로 형성하는데, 알루미늄(Al) 성분은 오염원으로 작용하기 때문에 이의 사용을 지양할 필요성이 있다.
이러한 점들을 고려하여, 본 발명의 제 1 실시예에서는, p형 질화물층(150)과 인접한 영역에 형성된 다수개의 제 1 양자장벽층(145a)에는 p형(p+) 불순물을 도핑하였고, 상기 n형 질화물층(130)과 인접한 영역에 형성된 다수개의 제 2 양자장벽층(145b)에는 n형(n+) 불순물을 도핑하여 정공과 전자의 농도를 균일하게 확보할 수 있도록 하였다.
즉, 제 1 양자장벽층(145a) 들에는 정공 밀도를 높이고, 제 2 양자장벽층(145b) 들에는 전자 밀도를 높여, 활성층(140) 영역에서 균일한 정공 및 전자 밀도를 유지할 수 있도록 하였다.
이로 인하여, 종래 활성층(140)과 질화물층(150) 사이에 형성하였던, 전자장벽층을 제거하고도 활성층(140)의 전 영역에서 정공과 전자가 균일해지는 효과를 얻었다. 또한, 전자장벽층을 제거하였지만, 도 3b에 도시된 바와 같이, 전자 넘침 불량이 발생되지 않았다.
특히, 일반적으로 질화물 반도체 발광소자는 전자장벽층이 존재하는 p형 질화물층(150)과 첫번째 또는 두번째 양자장벽층들에서 캐리어들이 재결합하여 발광한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 종래 질화물 반도체 발광소자는 p형 질화물층(150)과 인접한 양자장벽층 영역에서 정공과 전자의 밀도가 불균일함을 볼 수 있다.
하지만, 본 발명의 제 1 실시예에서와 같이 제 1 양자장벽층(145a)과 제 2 양자장벽층(145b)에 각각 p형과 n형 불순물을 도핑할 경우, p형 질화물층(150) 영역에서 발생되었던 정공과 전자 불균일 현상이 발생되지 않는다.
도 3b에 도시된 바와 같이, n형 질화물층(130)과 p형 질화물층(150) 사이의 활성층(140) 영역에서 정공의 밀도와 전자의 밀도가 서로 보다 균일하게 대응되도록 존재하는 것을 볼 수 있다.
특히, 도 2b의 도면과 비교할 때, p형 질화물층(150) 영역에서 정공과 전자의 현저한 불균일 분포가 본 발명의 실시예에서는 보다 균일하게 변화되는 것을 볼 수 있다.
실제 종래 질화물 반도체 발광소자(도 2a 및 도 2b)의 내부양자효율(IQE:Internal Quantum Efficiency)은 100A/㎠ 의 전류가 공급될 때, 10.3(IQE)를 갖지만, 본 발명의 실시예에서는 45~55 범위(정확하게는 52.7)(IQE)을 갖는다. 또한, 종래 질화물 반도체 발광소자의 인가 전압(Vf)은 5.22V이였으나, 본 발명의 실시예에서는 2.5~3.5V(정확하게 3.19V)로 낮아진다.
이것은, 본 발명의 제 1 실시예와 같이 활성층 구조를 변경할 경우, 발광소자의 내부 양자 효율이 향상되어 발광효율이 개선되고, 발광소자에 인가되는 인가 전압을 낮출 수 있어 전력 소모도 줄일 수 있다는 것을 의미한다.
도 4a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이고, 도 4b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 영역에서의 캐리어 농도분포를 도시한 그래프이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층(240)은 다음과 같은 다중양자우물(multi quantum well: MQW) 구조로 형성된다. 제 2 실시예에서는 n형 질화물층(130)과 p형 질화물층(150) 사이에는 서로 다른 세 개의 양자장벽층이 형성되어 있다.
상기 활성층(240)은 상기 p형 질화물층(150)과 인접한 영역에는 제 1 양자장벽층(145a)을 형성하고, 상기 n형 질화물층(130)과 인접한 영역에는 제 2 양자장벽층(145b)을 형성하며, 상기 활성층(240)의 중앙 영역인 상기 제 1 양자장벽층(145a)과 상기 제 2 양자장벽층(145b) 사이에서는 질화물층으로 형성되는 제 3 양자장벽층(141)을 형성한다. 상기 제 3 양자장벽층(141)은 GaN계 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 3 양자장벽층(141)의 에너지 준위는 상기 제 2 양자장벽층(145b)의 에너지 준위보다는 높고, 상기 제 1 양자장벽층(145a)의 에너지 준위보다는 낮은 것이 바람직하다.
상기 제 1, 2 및 3 양자장벽층(145a, 145b, 141)들은 양자우물층(143)을 사이에 두고 순차적으로 형성되어 있다. 즉, 상기 p형 질화물층(150)을 기준으로 순차적으로 에너지 준위가 낮아지도록 제 1 양자장벽층(145a), 제 3 양자장벽층(141) 및 제 2 양자장벽층(145b) 순으로 형성한다. 상기 양자우물층(143)은 InGaN층(142)에 의해 형성되는데, 보다 구체적으로는 InxGa1-xN(0<x<1)로 이루어질 수 있다.
상기 n형 질화물층(130)은 질화갈륨(GaN)계로 형성되며, 구동 전압을 낮추기 위해 실리콘이 도핑될 수 있다.
즉, 본 발명의 제 2 실시예에서는 상기 제 1 양자장벽층(145a)은 GaN계 반도체 물질에 p형(p+) 불순물을 도핑하여 형성하고, 상기 제 2 양자장벽층(145b)은 GaN계 반도체 물질에 n형(n+) 불순물을 도핑하여 형성하며, 상기 제 3 양자장벽층(141)은 불순물 도핑을 하지 않은 GaN층으로 형성한다.
이와 같은, 질화물 반도체 발광소자의 광효율은 원천적으로 활성층(240) 내에서의 전자와 정공(캐리어)의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정되므로, 광출력을 향상시키기 위해서는 전자와 정공의 이동성을 확보하는 것이 필요하다.
또한, 광효율 향상을 위해서는 활성층(240) 내에서의 균일한 정공과 전자 밀도를 유지해야할 필요성이 있다. 또한, 활성층(240)과 p형 질화물층(150) 사이에는 전자 넘침 현상을 방지하기 위해 전자장벽층(electron blocking layer: EBL)을 AlGaN층으로 형성하는데, 알루미늄(Al) 성분은 오염원으로 작용하기 때문에 이의 사용을 지양할 필요성이 있다.
이러한 점들을 고려하여, 본 발명의 제 2 실시예에서는, p형 질화물층(150)과 인접한 제 1 양자장벽층(145a)에는 p형(p+) 불순물을 도핑하였고, 상기 n형 질화물층(130)과 인접한 영역에 형성된 다수개의 제 2 양자장벽층(145b)에는 n형(n+) 불순물을 도핑하여 정공과 전자의 농도를 균일하게 확보하고, 활성층(240)의 중심부에서는 정공과 전자의 용이한 이동을 위하여 불순물이 도핑되지 않은 제 3 양자장벽층(141)을 형성한다.
기본적으로 본 발명의 제 2 실시예는 상기 제 1 실시예와 동일한 목적과 효과를 얻으면서, 활성층(240)의 중앙 영역에서의 정공과 전자의 원활한 이동을 도모하여 전체적으로 캐리어(정공과 전자)의 밀도를 균일하게 하였다.
도 4b에 도시된 바와 같이, n형 질화물층(130)과 p형 질화물층(150) 사이의 활성층(240) 영역에서 정공의 밀도와 전자의 밀도가 서로 보다 균일하게 대응되도록 존재하는 것을 볼 수 있다.
특히, 도 3b에 도시된 본 발명의 제 1 실시예의 도면보다 훨씬 균일하게 정공과 전자가 분포되고 있음을 볼 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 내부양자효율(IQE)은 100A/㎠ 의 전류가 공급될 때, 45~55(정확하게 50.3)(IQE)을 갖고, 인가 전압(Vf)은 2.5~3.5(정확하게 3.27V)를 갖는다. 전체적으로 종래 질화물 반도체 발광소자보다 발광효율과 전력소비 부분이 개선된 것을 볼 수 있다.
도 5a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이고, 도 5b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 영역에서의 캐리어 농도분포를 도시한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층(340)은 상기 p형 질화물층(150)과 인접한 영역에는 제 1 양자장벽층(145a)을 형성하고, 상기 n형 질화물층(130)과 인접한 영역에는 제 2 양자장벽층(145b)을 형성하며, 상기 활성층(340)의 중앙 영역인 상기 제 1 양자장벽층(145a)과 상기 제 2 양자장벽층(145b) 사이에는 양자우물층(143)을 형성하는 InGaN층(142)과 다른 에너지 준위를 갖는 제 3 양자장벽층(241)을 형성한다.
상기 제 3 양자장벽층(241)은 InGaN계 물질에 소정의 도핑처리를 하거나 상기 InGaN층(142)보다 에너지 준위가 높고 제 1 양자장벽층(145a)의 에너지 밴드보다 낮도록 한다. 바람직하게는 n형 불순물이 도핑된 제 2 양자장벽층(145b)의 에너지 준위와 동일하게 한다.
상기 제 1, 2 및 3 양자장벽층(145a, 145b, 241)들은 양자우물층(143)을 사이에 두고 순차적인 형성되어 있다. 상기 양자우물층(143)은 InGaN층(142)에 의해 형성되는데, 보다 구체적으로는 InxGa1-xN(0<x<1)로 이루어질 수 있다.
이와 같은, 질화물 반도체 소자의 광효율은 원천적으로 활성층(340) 내에서의 전자와 정공(캐리어)의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정되므로, 광출력을 향상시키기 위해서는 전자와 정공의 이동성을 확보하는 것이 필요하다.
또한, 광효율 향상을 위해서는 활성층(340) 내에서의 균일한 정공과 전자 밀도를 유지해야할 필요성이 있다. 또한, 활성층(340)과 p형 질화물층(150) 사이에는 전자 넘침 현상을 방지하기 위해 전자장벽층(electron blocking layer: EBL)을 AlGaN층으로 형성하는데, 알루미늄(Al) 성분은 오염원으로 작용하기 때문에 이의 사용을 지양할 필요성이 있다.
이러한 점들을 고려하여, 본 발명의 제 3 실시예에서는, p형 질화물층(150)과 인접한 영역에 형성된 다수개의 제 1 양자장벽층(145a)에는 p형(p+) 불순물을 도핑하였고, 상기 n형 질화물층(130)과 인접한 영역에 형성된 다수개의 제 2 양자장벽층(145b)에는 n형(n+) 불순물을 도핑하여 정공과 전자의 농도를 균일하게 확보하고, 활성층(340)의 중심부에서는 정공과 전자의 용이한 이동을 위하여 제 3 양자장벽층(241)을 형성한다. 상기 제 3 양자장벽층(241)의 에너지 준위는 상기 제 2 양자장벽층(145b)과 동일한 준위를 가질 수 있다.
기본적으로 본 발명의 제 3 실시예는 상기 제 1 실시예와 동일한 목적과 효과를 얻으면서, 활성층(340)의 중앙 영역에서의 정공과 전자의 원활한 이동을 도모하여 전체적으로 캐리어(정공과 전자)의 밀도를 균일하게 하였다.
도 5b에 도시된 바와 같이, n형 질화물층(130)과 p형 질화물층(150) 사이의 활성층(340) 영역에서 정공의 밀도와 전자의 밀도가 서로 균일하게 대응되도록 존재하는 것을 볼 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 내부양자효율(IQE)은 100A/㎠ 의 전류가 공급될 때, 45~55(정확하게 48.5)(IQE)를 갖고, 인가 전압(Vf)은 2.5~3.5V(정확하게 3.10V)를 갖는다. 전체적으로 종래 질화물 반도체 발광소자보다 발광효율과 인가전압이 개선된 것을 볼 수 있다. 인가전압(Vf)이 낮아지면 발광소자의 전력소비가 줄어드는 효과가 있다.
도 6a는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조를 설명하기 위한 에너지밴드 다이어그램이고, 도 6b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층 영역에서의 캐리어 농도분포를 도시한 그래프이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 활성층(440)은 상기 p형 질화물층(150)과 인접한 영역에는 제 1 양자장벽층(145a)을 형성하고, 상기 n형 질화물층(130)과 인접한 영역에는 제 2 양자장벽층(145b)을 형성하며, 상기 제 1 양자장벽층(145a)과 인접한 상기 활성층(440) 중앙에 제 3 양자장벽층(341)을 형성하고, 상기 제 2 양자장벽층(145b)과 인접한 상기 활성층(440) 중앙에 제 4 양자장벽층(342)을 형성한다.
상기 제 1 양자장벽층(145a)은 p형(p+) 불순물을 도핑하여 형성하고, 상기 제 2 양자장벽층(145b)에는 n형(n+) 불순물을 도핑하여 형성한다. 상기 제 3 양자장벽층(341)은 InGaN계 물질에 p형 불순물을 도핑처리하여 형성하고, 상기 제 4 양자장벽층(342)은 InGaN계 물질에 n형 불순물을 도핑처리하여 형성한다.
상기 제 3 양자장벽층(341)과 제 4 양자장벽층(342)은 n형 불순물이 도핑된 상기 제 2 양자장벽층(145b)과 에너지 준위를 동일하게 하는 것이 바람직하다.
상기 양자우물층(143)은 InGaN층(142)에 의해 형성되는데, 보다 구체적으로는 InxGa1-xN(0<x<1)로 이루어질 수 있다.
이와 같은, 질화물 반도체 소자의 광효율은 원천적으로 활성층(440) 내에서의 전자와 정공(캐리어)의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정되므로, 광출력을 향상시키기 위해서는 전자와 정공의 이동성을 확보하는 것이 필요하다.
또한, 광효율 향상을 위해서는 활성층(440) 내에서의 균일한 정공과 전자 밀도를 유지해야할 필요성이 있다. 또한, 활성층(440)과 p형 질화물층(150) 사이에는 전자 넘침 현상을 방지하기 위해 전자장벽층(electron blocking layer: EBL)을 AlGaN층으로 형성하는데, 알루미늄(Al) 성분은 오염원으로 작용하기 때문에 이의 사용을 지양할 필요성이 있다.
기본적으로 본 발명의 제 4 실시예는 상기 제 1 실시예와 동일한 목적과 효과를 얻으면서, 활성층(440)의 중앙 영역에서의 정공과 전자의 원활한 이동을 도모하여 전체적으로 캐리어(정공과 전자)의 밀도를 균일하게 하였다.
도 6b에 도시된 바와 같이, n형 질화물층(130)과 p형 질화물층(150) 사이의 활성층(440) 영역에서 정공의 밀도와 전자의 밀도가 서로 균일하게 대응되도록 존재하는 것을 볼 수 있다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 내부양자효율(IQE)은 100A/㎠ 의 전류가 공급될 때, 45~55(정확하게 52.7)(IQE)를 갖고, 인가 전압(Vf)은 2.5~3.5V(정확하게 3.10V)를 갖는다. 전체적으로 종래 질화물 반도체 발광소자보다 발광효율과 인가전압이 개선된 것을 볼 수 있다.
도 7은 종래 질화물 반도체 발광소자의 에너지 밴드와 본 발명의 실시예들에 대한 에너지 밴드를 비교한 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광소자의 활성층 구조에 따라 에너지 밴드가 도시되어 있다. 제 1 활성층 구조(structure 1)는 도 2a와 도 2b에서와 같이 종래 질화물 반도체 발광소자를 나타내고, 제 2, 3, 4 및 5 활성층 구조(structure 2, 3, 4, 5)는 본 발명의 제 1, 2, 3, 4 실시예의 활성층 구조를 나타낸다.
제 1 활성층 구조를 보면 활성층의 전 영역에서 에너지 준위가 순차적으로 급격히 떨어지고 있는 것을 볼 수 있다. 하지만, 본 발명의 제 1, 2, 3, 4 실시예와 대응되는 제 2, 3, 4, 5 활성층 구조를 보면, 에너지 준위가 활성층의 전 영역에서 균일한 것을 볼 수 있다.
이와 같이, 발광소자의 활성층 영역에서의 에너지 준위가 균일하면 캐리어(정공과 전자)들이 원활하게 각각의 에너지 준위대로 이동하여 발광효율이 개선된다.
또한, 급격한 에너지 준위 변화가 없기 때문에 질화물 반도체 발광소자에 인가하는 인가전압(Vf)의 크기도 낮출 수 있어, 전력 소모를 줄일 수 있는 이점이 있다.
10: 기판 20: 버퍼층
35: n형 전극 52: 투명전극
55: p형 전극 140: 활성층
145a: 제 1 양자장벽층 145b: 제 2 양자장벽층
35: n형 전극 52: 투명전극
55: p형 전극 140: 활성층
145a: 제 1 양자장벽층 145b: 제 2 양자장벽층
Claims (13)
- n형 질화물층과 p형 질화물층; 및
상기 n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 서로 다른 불순물로 각각 도핑된 제 1, 2 및 3 양자장벽층을 갖는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고,
상기 제 1 양자장벽층은 p형 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 양자장벽층은 n형 불순물로 도핑된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 양자장벽층 사이에는 GaN로 형성된 제 3 양자장벽층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제1,2 및 3 양자장벽층들의 에너지 준위는 상기 제 1 양자장벽층, 제 3 양자장벽층 및 제 2 양자장벽층 순서로 점차적으로 낮아지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 양자장벽층은 상기 n형 질화물층과 인접한 영역에 형성되고, 상기 제 1 양자장벽층은 상기 p형 질화물층과 인접한 영역에 형성되며, 상기 제3 양자장벽층은 상기 활성층의 중앙 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 질화물 반도체 발광소자의 내부양자효율(IQE:Internal Quantum Efficiency)은 100A/㎠ 가 발광소자에 공급될 때, 45~55(IQE)을 갖고, 인가 전압은 2.5~3.5V의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- n형 질화물층과 p형 질화물층; 및
상기 n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 서로 다른 불순물로 각각 도핑된 제 1, 2 및 3 양자장벽층을 갖는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고,
상기 제 1 양자장벽층은 p형 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 양자장벽층은 n형 불순물로 도핑되며, 상기 제 3 양자장벽층은 InGaN계 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제1, 2 및 3 양자장벽층들의 에너지 준위는 상기 제 1 양자장벽층이 상기 제 2 양자장벽층 및 제 3 양자장벽층 보다 높은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 양자장벽층의 에너지 준위와 상기 제 3 양자장벽층의 에너지 준위는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 6 항에 있어서, 상기 질화물 반도체 발광소자의 내부양자효율(IQE:Internal Quantum Efficiency)은 100A/㎠ 가 발광소자에 공급될 때, 45~55(IQE)을 갖고, 인가 전압은 2.5~3.5V인 값을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- n형 질화물층과 p형 질화물층; 및
상기 n형 질화물층과 p형 질화물층 사이에 개재되며, 복수의 양자우물층과 서로 다른 불순물로 각각 도핑된 제 1, 2, 3 및 4 양자장벽층을 갖는 다중양자우물 구조의 활성층을 포함하고,
상기 제 1 양자장벽층은 p형 불순물로 도핑되고, 상기 제 2 양자장벽층은 n형 불순물로 도핑되며, 상기 제 3 양자장벽층과 제 4 양자장벽층은 InGaN계 물질에 각각 p형 불순물과 n형 불순물을 도핑하여 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 10 항에 있어서, 상기 제1, 2, 3 및 4 양자장벽층들의 에너지 준위는 상기 제 1 양자장벽층이 상기 제 2, 3 및 4 양자장벽층들 보다 높은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 양자장벽층의 에너지 준위와 상기 제 3 및 4 양자장벽층의 에너지 준위는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제 10 항에 있어서, 상기 질화물 반도체 발광소자의 내부양자효율(IQE:Internal Quantum Efficiency)은 100A/㎠ 가 발광소자에 공급될 때, 45~55(IQE)을 갖고, 인가 전압은 2.5~3.5V의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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|---|---|---|---|---|
| KR20140060763A (ko) * | 2012-11-12 | 2014-05-21 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 |
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- 2010-10-05 KR KR1020100097053A patent/KR20120035510A/ko not_active Application Discontinuation
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|---|---|---|---|---|
| KR20140060763A (ko) * | 2012-11-12 | 2014-05-21 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WITN | Withdrawal due to no request for examination |