KR20120111525A - 질화갈륨계 발광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화갈륨계 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며 p형 도핑된 중간층; 및 상기 중간층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층을 포함한다.

Description

질화갈륨계 발광 다이오드 및 그 제조 방법{Galium-Nitride Light Emitting Diode and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질화갈륨계 발광 다이오드를 구현하는 데 있어서 홀(Hole) 이동을 원활하게 하여 구동 전류가 높아짐에 따라 발광 효율이 낮아지는 효율성 감소(Efficiency Droop) 현상을 극복하기 위한 질화갈륨계 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED) 조명 산업의 가장 큰 걸림돌이 되는 것은 LED의 고전류 구동시 발광 효율이 저하되는 효율성 감소(Efficiency Droop) 현상으로서, 효율성 감소 현상을 극복하여 고효율 고출력의 LED의 가격 경쟁력을 향상시키는 것이 LED 조명 산업의 활성화를 위해서 필연적이다.
LED의 효율성 감소 현상은 전류 밀도가 높아질수록 발광 효율이 급격히 감소하는 현상으로서, 1 mm x 1 mm의 LED 칩을 기준으로 1 A의 고전류 구동에서도 저전류 구동시 효율에 근접한 80 lm/W(형광등 효율에 해당) 이상의 발광 효율이 유지되는 것이 바람직하나, 현재 LED 기술로는 도 1에서와 같이 1 A 전류 구동에서 발광 효율이 절반 이하로 급격히 감소된다.
이러한 LED의 효율성 감소 현상을 극복하기 위한 연구는 전세계적으로 다각적인 연구가 진행되어 왔으나 아직까지 효율성 감소 현상의 원인 분석도 확실하지 않은 상태로 확실한 해결책이 나오지 못하고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 질화갈륨계 발광 다이오드를 구현하는 데 있어서 홀(Hole) 이동을 원활하게 하여 구동 전류가 높아짐에 따라 발광 효율이 낮아지는 효율성 감소(Efficiency Droop) 현상을 극복하기 위한 질화갈륨계 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드는, 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성되며 p형 도핑된 중간층; 및 상기 중간층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층을 포함한다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조 방법은, 기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 p형 도핑된 중간층을 형성하는 단계; 및 상기 중간층 상에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 활성층과 p형 질화물 반도체층 사이에 완충 작용을 하는 중간층이 추가된 질화갈륨계 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공함으로써, 질화갈륨계 발광 다이오드의 고전류 구동시 효율이 저하되는 효율성 감소 현상을 극복하고, 결과적으로 고출력 발광 다이오드의 가격 경쟁력을 높여주는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드는 AlGaN EBL을 필요로 하지 않으므로, 낮은 성장 온도에서 성장이 가능하고, 고품질의 에피층 성장이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드의 중간층을 도핑시키는데 비교적 낮은 p형 도핑 농도로 효과를 볼 수 있으므로, Mg, Zn 등의 p형 도핑 물질을 고농도로 도핑할 필요가 없다.
또한, 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드는 고농도로 도핑된 p형 질화물 반도체층과 MQW가 분리되어 있어, p형 질화물 반도체층에서 MQW로의 p형 도펀트의 확산을 억제할 수 있다.
도 1은 종래의 발광 다이오드에서 구동 전류가 높아짐에 따라 발광 효율이 저하되는 현상을 보여주기 위한 그래프,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드를 나타낸 측단면도,
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조 방법을 나타낸 공정 흐름도,
도 4는 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드에 p형 도핑된 중간층을 도입함으로써 높은 전류 밀도에서 내부양자효율(Internal Quantum Efficiency; 이하, 'IQE'라 칭함)이 개선되어 효율성 감소 현상이 극복되는 효과를 보여주는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드에 p형 도핑된 중간층을 도입함으로써 AlxGa1 - xN EBL(Electron Blocking Layer)의 Al 조성에 관계없이 높은 전류 밀도에서 IQE가 개선되어 효율성 감소 현상이 극복되는 효과를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드를 나타낸 측단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드(200)는 버퍼층(220)이 형성된 사파이어 기판(210)과 그 사파이어 기판(210)의 버퍼층(220) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(230), 활성층(240) 및 p형 질화물 반도체층(260)을 포함한다. 여기서, 발광 다이오드(100)는 n형 질화물 반도체층(230)과 p형 질화물 반도체층(260)에 각각 접속된 n측 및 p측 전극(270a, 270b)을 포함한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드(100)는 활성층(240)과 p형 질화물 반도체층(260) 사이에 p형 도핑된 중간층(250)을 포함한다. 여기서, 중간층(250)은 GaN 또는 InGaN 물질이 될 수 있다. 이때, 중간층(250)이 InGaN인 경우, InGaN에서 In은 5% 미만으로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 중간층(250)의 도핑 농도는 p형 질화물 반도체층(260)의 도핑 농도보다 낮다. 자세하게는, 중간층(250)의 홀(Hole) 농도는 5×1017 cm-3 미만인 것이 바람직하다. 여기서, 중간층(250)을 Mg 또는 Zn과 같은 물질로 도핑시키는 경우, 중간층(250)의 도핑 농도는 5×1018 cm-3 미만이다.
또한, 중간층(250)은 10 ~ 100 nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 발광 다이오드(200)를 구성하는 질화물 반도체층, 즉 p형 및 n형 질화물 반도체층(260, 230)과 활성층(240)은 GaN으로 이루어지고, 특히 활성층(240)은 GaN인 양자장벽층과 InGaN인 양자우물층을 복수회 교대로 적층한 다중양자우물(Multi Quantum Well, 이하, 'MQW'라 칭함) 구조일 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조 방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 3a를 참조하면, 사파이어 기판(210) 상에 버퍼층(220)으로서 AIN 저온핵성장층을 형성한 후에, n형 질화물 반도체층(230)을 형성한다. 여기서, n형 질화물 반도체층(230)은 GaN이다.
도 3b를 참조하면, n형 질화물 반도체층(230) 상에 GaN인 양자장벽층과 InGaN인 양자우물층이 복수회 교대로 적층되어 다중양자우물(Multi Quantum Well, 이하, 'MQW'라 칭함) 구조인 활성층(240)을 형성한다.
도 3c를 참조하면, 활성층(240) 상에 p형 도핑된 중간층(250)을 10 ~ 100 nm의 두께로 형성한다. 여기서, 중간층(250)은 GaN 또는 InGaN 물질이 될 수 있다. 이때, 중간층(250)이 InGaN인 경우, InGaN에서 In은 5% 미만으로 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 중간층(250)의 도핑 농도는 p형 질화물 반도체층(260)의 도핑 농도보다 낮다. 자세하게는, 중간층(250)의 홀 농도는 5×1017 cm-3 미만인 것이 바람직하다. 여기서, 중간층(250)을 Mg 또는 Zn과 같은 물질로 도핑시키는 경우, 중간층(250)의 도핑 농도는 5×1018 cm-3 미만이다.
도 3d를 참조하면, 중간층(250) 상에 p형 질화물 반도체층(260)을 형성한다. 여기서, p형 질화물 반도체층(260)은 n형 질화물 반도체층(230)과 마찬가지로 GaN을 사용하는 것이 바람직하다.
끝으로, 도 3e를 참조하면, n형 질화물 반도체층(230)의 일부 상면이 노출되도록 메사 에칭을 실시하고, n형 질화물 반도체층(230) 및 p형 질화물 반도체층(260) 각각에 동일한 물질로 n측 및 p측 전극(270a, 270b)을 각각 형성한다.
따라서, 본 발명에 따른 발광 다이오드(200)는 중간층(250)의 도핑 농도를 조절함으로써, 홀 이동도(Hole Transfer)를 향상시키고, 결과적으로 효율성 감소(Efficiency Droop) 현상을 극복할 수 있다. 즉, 홀의 MQW로의 원활한 주입으로 MQW에서 홀 농도가 증가되고, 이에 발광 효율을 높일 수 있다. 또한, MQW로의 홀 주입이 좋아져서 구동 전압을 낮출 수 있고, 이에 발광 다이오드(200)의 고효율을 달성할 수 있다. 추가로, MQW의 전자가 p형 질화물 반도체층(260)으로 오버플로우(Overflow)되는 것을 억제함으로써, 전자 누설(Electron Leakage)에 의한 발광 다이오드(200)의 효율 저하를 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드에 p형 도핑된 중간층을 도입함으로써 높은 전류 밀도에서 내부양자효율(Internal Quantum Efficiency; 이하, 'IQE'라 칭함)이 개선되어 효율성 감소 현상이 극복되는 효과를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 발광 다이오드(200)의 중간층(250)에 n형 도핑을 할 경우 도핑 농도가 높아질수록 효율성 감소 현상이 심해지는 것을 볼 수 있고, 중간층(250)에 p형 도핑을 할 경우 홀 농도가 5×1016 cm-3 이상만 되어도 효율성 감소 현상이 크게 개선되는 것을 볼 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드에 p형 도핑된 중간층을 도입함으로써 AlxGa1 - xN EBL(Electron Blocking Layer)의 Al 조성에 관계없이 높은 전류 밀도에서 IQE가 개선되어 효율성 감소 현상이 극복되는 효과를 보여주는 그래프이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 중간층(250)에 n형 도핑을 할 경우 EBL의 Al 조성이 감소할수록 IQE가 감소하고 효율성 감소 현상이 심각해지는 것을 알 수 있다. 이는 Al 조성이 감소할수록 EBL의 단차가 낮아져서 전자(Electron)의 누설(Leakage)이 심하게 발생하기 때문이다.
도 5의 (b)를 참조하면, 중간층(250)에 p형 도핑을 할 경우 EBL의 Al 조성에 관계없이 항상 높은 IQE가 유지되고 효율성 감소 현상이 극복되는 것을 알 수 있다. 즉, EBL의 Al 조성이 0인 경우에도 IQE가 높게 유지되어 AlGaN층이 없는 LED를 구현할 수 있다. LED에 AlGaN층이 없으면 비교적 낮은 온도에서 성장이 가능하여 고품질의 에피 성장이 가능하다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
200: 질화갈륨계 발광 다이오드 210: 사파이어 기판
220: 버퍼층 230: n형 질화물 반도체층
240: 활성층 250: 중간층
260: p형 질화물 반도체층 270a: p측 전극
270b: n측 전극

Claims (15)

  1. 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성되며 p형 도핑된 중간층; 및
    상기 중간층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;
    을 포함하는 질화갈륨계 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간층의 도핑 농도는 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중간층은 GaN 또는 InGaN인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 중간층이 InGaN인 경우, InGaN에서 In은 5% 미만인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중간층의 두께는 10 ~ 100 nm인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중간층의 홀(Hole) 농도는 5×1017 cm-3 미만인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중간층은 Mg 또는 Zn으로 도핑되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 중간층의 도핑 농도는 5×1018 cm-3 미만인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 다중양자우물층인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드.
  10. 기판 상에 n형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 상에 p형 도핑된 중간층을 형성하는 단계; 및
    상기 중간층 상에 p형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 중간층의 도핑 농도는 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 중간층을 형성하는 단계에서,
    상기 중간층은 10 ~ 100 nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 중간층을 형성하는 단계에서,
    상기 중간층의 홀 농도는 5×1017 cm-3 미만인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 중간층을 형성하는 단계에서,
    상기 중간층은 Mg 또는 Zn으로 도핑되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 중간층의 도핑 농도는 5×1018 cm-3 미만인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 다이오드의 제조 방법.
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