KR20130098761A - 질화갈륨 기판을 갖는 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는, 질화갈륨 기판; 질화갈륨 기판 상에 위치하는 질화갈륨계 제1 콘택층; 질화갈륨계 제2 콘택층; 제1 콘택층과 제2 콘택층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성층; 및 질화갈륨 기판과 제1 콘택층 사이에 위치하는 유전 재료의 패턴을 포함한다. 이 유전 재료는 질화갈륨 기판과 다른 굴절률을 갖는다. 이에 따라, 상기 유전 재료의 패턴에서 광을 굴절 또는 산란시켜 광의 경로를 변경함으로써 발광 다이오드의 광 추출 효율을 개선할 수 있다.

Description

질화갈륨 기판을 갖는 발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE HAVING GALLIUM NITRIDE SUBSTRATE}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히 질화갈륨 기판을 갖는 발광 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN)과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 가지므로, 최근 가시광선 및 자외선 영역의 발광소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화인듐갈륨(InGaN)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.
이러한 III족 원소의 질화물 반도체층은 그동안 질화갈륨층을 성장시킬 수 있는 동종의 기판을 제작하는 것이 어려워, 유사한 결정 구조를 갖는 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장되어 왔다. 이종기판으로는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire) 기판이 주로 사용된다.
그러나, 이종 기판 상에 성장된 에피층은 성장 기판과의 격자 부정합 및 열팽창 계수 차이에 기인하여 전위 밀도가 상대적으로 높아 발광 다이오드의 발광 효율을 개선하는데 한계가 있다.
이에 따라, 질화갈륨 기판을 성장 기판으로 사용하여 질화갈륨계 발광 다이오드를 제조하는 기술이 연구되고 있다. 질화갈륨 기판은 그 위에 성장되는 에피층과 동종 기판이므로, 에피층 내의 결정 결함을 감소시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있을 것이다.
한편, 종래 사파이어 기판의 경우, 패터닝된 사파이어 기판(PSS)과 같이 성장 기판의 상부에 특정 패턴을 형성함으로써 발광 다이오드의 광 추출 효율을 개선하는 기술이 사용되어 왔다. 그러나 질화갈륨 기판은 그 위에 성장된 에피층과 동종의 재료이므로, 에피층과 기판의 굴절률이 거의 동일하다. 따라서, 질화갈륨 기판의 상부면에 패턴을 형성하여도 기판과 에피층 사이에 굴절률 차이가 없으므로, 이 패턴에 의해 산란이나 굴절이 발생되지 않는다. 이에 따라, 활성층에서 생성된 광이 약 300um 두께의 상대적으로 두꺼운 질화갈륨 기판 내부를 통해 기판의 바닥면까지 도달하게 되고, 따라서 질화갈륨 기판 내부에서 상당한 양의 광이 손실된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 광 추출 효율이 개선된 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 전위 밀도를 감소시켜 고 전류 구동이 가능한 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 순방향 전압을 낮출 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드는, 질화갈륨 기판; 상기 질화갈륨 기판 상에 위치하는 질화갈륨계 제1 콘택층; 상기 제1 콘택층 상부에 위치하는 질화갈륨계 제2 콘택층; 상기 제1 콘택층과 상기 제2 콘택층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성층; 및 상기 질화갈륨 기판과 상기 제1 콘택층 사이에 위치하는 유전재료의 패턴을 포함한다. 상기 유전재료는 상기 질화갈륨 기판과 다른 굴절률을 갖는다.
상기 유전 재료는 질화갈륨 기판보다 낮은 굴절률을 가질 수 있으며, SiO2 또는 Si3N4로 형성될 수 있다. 또한, 상기 유전 재료의 패턴은 스트라이프, 아일랜드 또는 메쉬 패턴일 수 있다. 상기 유전재료의 패턴은 상면에 평평한 면을 가질 수 있으며, 이와 달리 볼록한 형상의 반구형일 수 있다.
상기 발광 다이오드는, 상기 제1 콘택층과 상기 활성층 사이에 위치하는 다층 구조의 초격자층을 더 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 다층 구조의 초격자층은 InGaN층, AlGaN층 및 GaN층을 복수 주기로 반복 적층한 구조를 갖는다. 상기 다층 구조의 초격자층은 각 주기 내에서 InGaN층과 AlGaN층 사이에 GaN층을 더 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 다중양자우물 구조의 활성층은 상기 n형 콘택층에 가장 가까운 제1 우물층과 상기 p형 콘택층에 가장 가까운 제n 우물층 사이에 (n-1)개의 복수의 장벽층을 포함하고, 상기 (n-1)개의 복수의 장벽층들에서, 이들 장벽층들의 평균 두께보다 두꺼운 장벽층들은 상기 제1 우물층에 더 가깝에 위치하고, 상기 평균 두께보다 얇은 장벽층들은 상기 제n 우물층에 더 가깝게 위치할 수 있다. 나아가, 상기 평균 두께보다 두꺼운 장벽층들의 개수가 상기 평균 두께보다 얇은 장벽층들의 개수보다 더 많을 수 있다.
상기 활성층 내의 장벽층들은 AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 장벽층들 내의 Al의 조성비는 0보다 크고 0.1보다 작을 수 있으며, 특히, 상기 장벽층들 내의 Al의 조성비는 바람직하게는 0.01 이상, 더 바람직하게는 0.02 이상일 수 있으며, 바람직하게는 0.05 이하일 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 발광 다이오드는, 상기 기판과 상기 n형 콘택층 사이에 위치하는 하부 GaN층, 및 상기 n형 콘택층과 상기 하부 GaN층 사이에 위치하는 중간층을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 중간층은 AlInN층 또는 AlGaN층으로 형성될 수 있다. 상기 유전재료의 패턴은 상기 질화갈륨 기판과 상기 하부 GaN층 사이에 위치할 수 있다.
본 발명에 따르면, 질화갈륨 기판과 제1 콘택층 사이에 위치하는 유전재료의 패턴에 의해 광을 굴절 또는 산란시킴으로써 질화갈륨 기판에 의한 광 손실을 감소시킬 수 있으며 광 추출 효율을 개선할 수 있다. 또한, 제1 콘택층과 활성층 사이에 초격자층을 배치함으로써 활성층 내에서 생성될 수 있는 결정 결함을 방지할 수 있다. 따라서, 발광 다이오드의 발광 효율을 대폭 향상시킬 수 있으며, 또한 전위 밀도를 낮추어 고전류 하에서 구동할 수 있는 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
또한, 상기 초격자층을 InGaN층, AlGaN층 및 GaN층을 복수 주기로 반복 적층한 구조로 함으로써, 전자를 활성층 내로 원활하게 주입함과 아울러 정공을 활성층 내에 가둘 수 있다. 이에 따라, 구동 전압을 증가시키지 않고도 발광 효율을 개선할 수 있다.
나아가, 상대적으로 얇은 장벽층들을 p형 콘택층에 가깝게 배치함으로써, 발광 효율을 감소시키지 않으면서 순방향 전압을 감소시킬 수 있다.
또한, 중간층을 채택함으로써 발광 다이오드 내의 결정 결함을 더욱 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2 및 도 3은 다양한 유전재료의 패턴을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초격자층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 도 5의 활성층을 설명하기 위한 에너지 밴드를 나타낸다.
도 8은 중간층 사용에 따른 에피층의 표면 모폴로지를 설명하기 위한 광학 사진이다.
도 9는 장벽층 내 Al 조성비에 따른 광 출력 및 순방향 전압의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 발광 다이오드는, 질화갈륨 기판(11), 유전 재료의 패턴(13a), n형 콘택층(19), 활성층(30) 및 p형 콘택층(43)을 포함한다. 나아가, 상기 발광 다이오드는, 하부 GaN층(15), 중간층(17), 초격자층(20), p형 클래드층(41), 투명 전극층(45), 제1 전극(47) 및 제2 전극(49)을 포함할 수 있다.
상기 질화갈륨 기판(11)은 c면, m면 또는 a면의 성장면을 가질 수 있다. 또한, 상기 질화갈륨 기판(11)의 성장면은 에피층의 성장을 돕기 위한 경사각을 가질 수 있다. 이러한 질화갈륨 기판(11)은 예컨대 HVPE 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
상기 질화갈륨 기판(11) 상에 유전 재료의 패턴(13a)이 형성된다. 유전 재료는 질화갈륨 기판(11)보다 낮은 굴절률을 가질 수 있으며, 예컨대 SiO2 또는 Si3N4로 형성될 수 있다. 상기 유전 재료의 패턴(13a)은 화학기상 증착법을 이용하여 SiO2 또는 Si3N4의 유전막을 형성한 후, 사진 및 식각 기술을 이용하여 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 상기 유전 재료의 패턴(13a)은 스트라이프 형상, 아일랜드 형상 또는 메쉬 형상의 패턴으로 형성될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 유전 재료의 패턴(13a)은 그 단면이 사각형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 도 2에 도시한 바와 같이 유전 재료의 패턴(13b)은 상부면이 볼록한 반구형 패턴일 수 있으며, 도 3에 도시한 바와 같이, 상부면에 평평한 면을 가지며 측면이 굴곡진 절두된 반구형 패턴일 수도 있다.
상기 하부 GaN층(15)은 언도프트 GaN 또는 Si이 도핑된 GaN으로 형성될 수 있다. 상기 하부 GaN층(15)은 측면 성장 기술을 이용하여 상기 유전 재료의 패턴(13a)을 덮도록 형성된다. 이에 따라, 상기 유전 재료의 패턴(13a)은 질화갈륨 기판(11)과 하부 GaN층(15)의 계면에 위치한다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 하부 GaN층(15) 또는 그 일부를 먼저 질화갈륨 기판(11) 상에 성장시킨 후, 유전 재료의 패턴(13a)을 형성하고, 이어서 하부 GaN층(15)을 다시 성장시킬 수도 있다. 이 경우, 상기 유전 재료의 패턴(13a)은 질화갈륨 기판(11)으로부터 떨어져 위치할 수 있다.
한편, 상기 하부 GaN층(15) 상에 중간층(17)이 위치할 수 있다. 상기 중간층(17)은 질화갈륨 기판(11)의 조성과는 다른 조성을 갖는 질화갈륨 계열의 에피층으로 형성되며, 다중양자우물 구조의 우물층에 비해 넓은 밴드갭을 갖는다. 예컨대, 상기 중간층(17)은 AlInN, AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. n형 콘택층(19)과 하부 GaN층(15)은 약 1000℃의 고온에서 성장되나, 상기 중간층(17)은 약 800 내지 900℃의 온도범위에서 성장된다. GaN과 다른 조성의 중간층(17)을 GaN층들(15, 19) 사이에 형성함으로써 중간층(17) 위에 형성되는 n형 콘택층(19)에 스트레인을 유발할 수 있고, 이를 이용하여 다중양자우물 구조의 결정질을 향상시킬 수 있다.
상기 n형 콘택층(19)은 Si이 도핑된 GaN으로 형성될 수 있다. 상기 n형 콘택층(19)은 중간층(17) 상에서 성장될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 n형 콘택층(19)이 상기 유전 재료의 패턴(13a)이 형성된 질화갈륨 기판(11) 상에서 직접 성장될 수도 있다. 상기 n형 콘택층(19) 상에 제1 전극(47)이 오믹 콘택한다.
한편, 상기 n형 콘택층(19) 상에 다층 구조의 초격자층(20)이 위치할 수 있다. 상기 초격자층(20)은 n형 콘택층(19)과 활성층(30) 사이에 위치하며, 따라서 전류 경로 상에 위치한다. 상기 초격자층(20)은 InGaN/GaN의 쌍을 복수 주기(예컨대, 15 내지 20 주기) 반복 적층하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 초격자층(20)은 InGaN층(21)/AlGaN층(22)/GaN층(23)의 3층 구조가 복수 주기(예컨대, 약 10 내지 20 주기) 반복 적층된 구조를 가질 수 있다. AlGaN층(22)과 InGaN층(21)의 순서는 서로 바뀔 수도 있다. 여기서, 상기 InGaN층(21)은 활성층(30) 내의 우물층에 비해 넓은 밴드갭을 갖는다. 또한, 상기 AlGaN층(22)은 활성층(30) 내의 장벽층에 비해 넓은 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다. 나아가, 상기 InGaN층(21) 및 AlGaN층(22)은 불순물을 의도적으로 도핑하지 않은 언도프트층으로 형성되고, 상기 GaN층(23)은 Si 도핑층으로 형성될 수 있다. 상기 초격자층(20)의 최상층은 불순물이 도핑된 GaN층(23)인 것이 바람직하다.
초격자층(20) 내에 AlGaN층(22)을 포함함으로써 활성층(30) 내의 정공이 n형 콘택층(19) 쪽으로 이동하는 것을 차단할 수 있어, 활성층(30)의 내의 발광 재결합율을 향상시킬 수 있다. 상기 AlGaN층(22)은 1nm 미만의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 상기 초격자층(20)은 InGaN층(21) 상에 AlGaN층(22)을 형성하기 때문에, 이들 사이의 격자부정합이 커서 계면에 결정 결함이 형성되기 쉽다. 따라서, 상기 InGaN층(21)과 AlGaN층(22) 사이에 도 5에 도시한 바와 같이 GaN층(24)을 삽입할 수 있다. 상기 GaN층(24)은 언도프트층 또는 Si 도핑된 층으로 형성될 수 있다.
상기 초격자층(20) 상에 다중양자우물 구조의 활성층(30)이 위치한다. 상기 활성층(30)은, 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 장벽층(31a, 31b) 및 우물층(33n, 33, 33p)이 교대로 적층된 구조를 갖는다. 여기서, 33n은, 초격자층(20) 또는 n형 콘택층(19)에 가장 가까운 우물층(제1 우물층)을 나타내고, 33p는 p형 클래드층(41) 또는 p형 콘택층(23)에 가장 가까운 우물층(제n 우물층)은 나타낸다. 한편, 도 7은 상기 활성층(30)의 에너지 밴드를 나타낸다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 우물층(33n)과 우물층(33p) 사이에 (n-1)개의 복수의 장벽층들(31a, 31b) 및 (n-2)개의 복수의 우물층들(33)이 서로 교대로 적층되어 있다. 장벽층들(31a)은 이들 (n-1)개의 복수의 장벽층들(31a 31b)의 평균 두께보다 더 두꺼운 두께를 가지며, 장벽층들(31b)은 상기 평균 두께보다 더 얇은 두께를 갖는다. 또한, 도시한 바와 같이, 장벽층들(31a)이 제1 우물층(33n)에 가깝게 배치되고, 장벽층들(31b)이 제n 우물층(33p)에 가깝게 배치된다.
나아가, 장벽층(31a)이 초격자층(20)의 최상부층에 접하여 위치할 수 있다. 즉, 초격자층(20)과 제1 우물층(33n) 사이에 장벽층(31a)이 위치할 수 있다. 또한, 제n 우물층(33p) 상에 장벽층(35)이 위치할 수 있다. 장벽층(35)은 장벽층(31a)에 비해 상대적으로 더 두꺼운 두께를 가질 수 있다.
제n 우물층(33p)에 가까운 장벽층들(31b)의 두께를 상대적으로 얇게 함으로써 활성층(30)의 저항 성분을 감소시키고 또한 p형 콘택층(43)에서 주입된 정공을 활성층(30) 내의 우물층들(33)에 분산시킬 수 있으며, 이에 따라 발광 다이오드의 순방향 전압을 낮출 수 있다. 또한, 장벽층(35)의 두께를 상대적으로 두껍게 함으로써, 활성층(30), 특히 우물층들(33n, 33, 33p)을 성장시키는 동안 생성된 결정 결함을 치유하여 그 위에 형성되는 에피층들의 결정질을 개선할 수 있다. 다만, 상기 장벽층들(31a)의 개수보다 장벽층들(31b)의 개수를 더 많이 형성할 경우, 활성층(30) 내에 결함 밀도가 증가하여 발광 효율이 감소될 수 있다. 따라서, 상기 장벽층들(31a)의 개수를 장벽층들(31b)의 개수보다 더 많이 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 우물층들(33n, 33, 33p)은 서로 거의 동일한 두께를 가질 수 있으며, 이에 따라 반치폭이 매우 작은 광을 방출할 수 있다. 이와 달리, 우물층들(33n, 33, 33p)의 두께를 서로 다르게 조절하여 상대적으로 넓은 반치폭을 갖는 광을 방출할 수도 있다. 나아가, 상기 장벽층들(31a) 사이에 위치하는 우물층(33)에 비해 장벽층들(31b) 사이에 위치하는 우물층(33)의 두께를 상대적으로 얇게 함으로써 결정 결함이 생성되는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 상기 우물층들(33n, 33, 33p)의 두께는 예컨대, 10 내지 30Å 범위 내이고, 상기 장벽층들(31a)의 두께는 50 내지 70Å 범위 내이고, 상기 장벽층들(31b)의 두께는 30 내지 50Å 범위 내일 수 있다.
또한, 상기 우물층들(33n, 33, 33p)은 근자외선 또는 청색 영역의 광을 방출하는 질화갈륨계 층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 우물층들(33n, 33, 33p)은 InGaN으로 형성될 수 있드며, In 조성비는 요구되는 파장에 따라 조절된다.
한편, 상기 장벽층들(31a, 31b)은 전자와 정공을 우물층들(33n, 33, 33p) 내에 가두기 위해 상기 우물층들(33n, 33, 33p)보다 넓은 밴드갭을 갖는 질화갈륨계 층으로 형성된다. 예컨대, 상기 장벽층들(31a, 31b)은 GaN, AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다. 특히, 상기 장벽층들(31a, 31b)은 Al을 함유하는 질화갈륨계 층으로 형성되어 밴드갭을 더욱 증대시킬 수 있다. 상기 장벽층들(31a, 31b) 내의 Al의 조성비는 0보다 크고 0.1보다 작은 것이 바람직하며, 특히, 0.02 내지 0.05일 수 있다. Al 조성비를 상기 범위 내로 제한함으로써 광 출력을 증가시킬 수 있다.
덧붙여, 상기 각 우물층(33n, 33, 33p)과 그 위에 위치하는 장벽층들(31a, 31b) 사이에는 도시하지는 않았지만, 캡층이 형성될 수 있다. 캡층은, 장벽층(31a, 31b)을 성장시키기 위해 챔버 온도를 올리는 동안 우물층이 손상되는 것을 방지하기 위해 형성된다. 예컨대, 상기 우물층들(33n, 33, 33p)은 약 780℃의 온도에서 성장될 수 있으며, 상기 장벽층들(31a, 31b)은 약 800℃의 온도에서 성장될 수 있다.
상기 p형 클래드층(41)은 활성층(30) 상에 위치하며, AlGaN으로 형성될 수 있다. 또는, 상기 p형 클래드층(41)은 InGaN/AlGaN을 반복 적층한 초격자 구조로 형성될 수도 있다. 상기 p형 클래드층(41)은 전자 블록층으로서, 전자가 p형 콘택층(43)으로 이동하는 것을 차단하여 발광 효율을 개선한다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 p형 콘택층(43)은 Mg을 도핑한 GaN로 형성될 수 있다. p형 콘택층(43)은 p형 클래드층(41) 상에 위치한다. 한편, p형 콘택층(43) 상에 ITO나 ZnO와 같은 투명 도전층(45)이 형성되어 p형 콘택층(43)에 오믹 콘택할 수 있다. 제2 전극(49)이 p형 콘택층(43)에 전기적으로 접속된다. 제2 전극(49)은 투명 도전층(45)을 통해 p형 콘택층(43)에 접속될 수 있다.
한편, p형 콘택층(43), p형 클래드층(41), 활성층(30) 및 초격자층(20)의 일부를 식각 공정으로 제거하여 n형 콘택층(19)이 노출될 수 있다. 제1 전극(47)은 상기 노출된 n형 콘택층(19) 상에 형성된다.
본 실시예에 있어서, 상기 질화갈륨 기판(11) 상에 성장되는 에피층들(15 ~ 43)은 MOCVD 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 이때, Al, Ga 및 In의 소스로는 TMAl, TMGa 및 TMIn이 각각 사용될 수 있으며, N의 소스로는 NH3가 사용될 수 있다. 또한, n형 불순물인 Si의 소스로는 SiH4가 사용될 수 있고, p형 불순물인 Mg의 소스로는 Cp2Mg가 사용될 수 있다.
(실험예 1)
도 8은 중간층 사용에 따른 에피층의 표면 모폴로지를 설명하기 위한 광학 사진이다. 여기서 (a)는 중간층 없이 질화갈륨 기판(11) 상에 n형 콘택층(19), 초격자층(20), 활성층(30), p형 클래드층(41) 및 p형 콘택층(43)을 차례로 성장시킨 후 광학 현미경으로 촬영한 p형 콘택층(43)의 표면 사진이고, (b)는 하부 GaN층(15)과 n형 콘택층(19) 사이에 10nm 미만의 Al0 .8In0 .2N 중간층(17)을 형성하고, n형 콘택층(19) 상에 초격자층(20), 활성층(30), p형 클래드층(41) 및 p형 콘택층(43)을 차례로 성장시킨 후 광학 현미경으로 촬영한 p형 콘택층(43)의 표면 사진을 나타낸다. 상기 질화갈륨 기판(11)은 c면 성장 기판을 이용하였으며, 상기 기판(11)은 평행하게 형성된 전위 결함 라인들(Ld)을 갖고 있었다. 상기 하부 GaN층(15)과 n형 콘택층(19)은 약 1050℃~1100℃의 온도에서 동일한 성장 조건하에서 형성되었으며, 상기 중간층(17)은 약 830℃의 온도에서 성장되었다.
도 7(a)를 참조하면, 중간층(17)을 형성하지 않은 경우, 최종 에피층인 p형 콘택층(43)의 표면이 매우 거칠게 형성되었다. 기판(11)의 결정 결함 라인들(Ld)은 p형 콘택층(43)까지 전사되어 표면에서도 관찰된다. 이 결정 결함 라인들(Ld)에서 표면은 더 불량해지는 것으로 보인다. 더욱이, 결정 결함 라인들(Ld) 사이 영역의 표면 또한 매우 거칠게 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 7(b)를 참조하면, 중간층(17)을 형성한 경우, 도 7(a)와 대비하여 결정 결함 라인들(Ld) 사이 영역의 표면이 매우 매끄러우며 뿐만 아니라 결정 결함 라인들(Ld)에서도 에피층이 깨끗하게 성장된 것을 확인할 수 있다.
또한, 질화갈륨 기판(11) 상에 서로 분리된 발광 다이오드들을 제작하여 웨이퍼 레벨에서 중간층(17) 사용 여부에 따른 순방향 전압을 대비하였다. 그 결과, 중간층(17)을 사용한 발광 다이오드들의 순방향 전압이 중간층(17)을 사용하지 않은 발광 다이오드들에 비해 대체로 약 0.13V 작게 나타났다.
(실험에 2)
도 9는 활성층의 장벽층 내 Al 조성비에 따른 광 출력 및 순방향 전압의 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 여기서, 질화갈륨 기판을 성장 기판으로 사용하고, 장벽층을 AlGaN으로 형성하고, Al의 조성비를 변화시켜 Al 조성비에 따른 광 출력 및 순방향 전압을 측정하였으며, GaN 장벽층을 사용한 발광 다이오드를 기준으로, 광 출력 및 순방향 전압의 상대값을 백분율로 나타내었다.
도 9를 참조하면, GaN 장벽층을 사용한 발광 다이오드에 비해, Al의 조성비가 0.02 내지 0.05인 AlGaN 장벽층을 형성한 경우, 광 출력이 10% 이상 증가하고 순방향 전압은 약간 감소하는 것으로 나타났다. 한편, Al 조성비를 0.1로 증가시킨 경우, 광 출력이 오히려 감소하고 순방향 전압을 증가하였다.
따라서, 장벽층의 Al 조성비를 약 0.02 이상 및 약 0.05 이하로 설정함으로써 발광 다이오드의 광 출력을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들 및 특징들에 대해 설명하였지만, 본 발명은 위에서 설명한 실시예들 및 특징들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있다.

Claims (17)

  1. 질화갈륨 기판;
    상기 질화갈륨 기판 상에 위치하는 질화갈륨계 제1 콘택층;
    상기 제1 콘택층 상부에 위치하는 질화갈륨계 제2 콘택층;
    상기 제1 콘택층과 상기 제2 콘택층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성층; 및
    상기 질화갈륨 기판과 상기 제1 콘택층 사이에 위치하는 유전 재료의 패턴을 포함하되,
    상기 유전 재료는 상기 질화갈륨 기판과 다른 귤절률을 갖는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 유전 재료는 질화갈륨 기판보다 낮은 굴절률을 갖는 발광 다이오드.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유전 재료는 SiO2 또는 Si3N4로 형성된 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전 재료의 패턴은 스트라이프, 아일랜드 또는 메쉬 패턴인 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전재료의 패턴은 상면에 평평한 면을 갖는 발광 다이오드.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전 재료의 패턴은 반구형인 발광 다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 콘택층과 상기 활성층 사이에 위치하는 다층 구조의 초격자층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 다층 구조의 초격자층은 InGaN층, AlGaN층 및 GaN층을 복수 주기로 반복 적층한 구조를 갖는 발광 다이오드.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 다층 구조의 초격자층은 각 주기 내에서 InGaN층과 AlGaN층 사이에 GaN층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중양자우물 구조의 활성층은 상기 n형 콘택층에 가장 가까운 제1 우물층과 상기 p형 콘택층에 가장 가까운 제n 우물층 사이에 (n-1)개의 복수의 장벽층을 포함하고,
    상기 (n-1)개의 복수의 장벽층들에서, 이들 장벽층들의 평균 두께보다 두꺼운 장벽층들은 상기 제1 우물층에 더 가깝에 위치하고, 상기 평균 두께보다 얇은 장벽층들은 상기 제n 우물층에 더 가깝게 위치하는 발광 다이오드.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 평균 두께보다 두꺼운 장벽층들의 개수가 상기 평균 두께보다 얇은 장벽층들의 개수보다 더 많은 발광 다이오드.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성층 내의 장벽층들은 AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성된 발광 다이오드.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 발광 다이오드는 청색 또는 근자외선(near UV) 영역의 광을 방출하는 발광 다이오드.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 질화갈륨 기판은 m면 성장면을 갖는 기판인 발광 다이오드.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 장벽층들 내의 Al의 조성비는 0보다 크고 0.1보다 작은 발광 다이오드.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 장벽층들 내의 Al의 조성비는 0.02 내지 0.05인 발광 다이오드.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판과 상기 n형 콘택층 사이에 위치하는 하부 GaN층; 및
    상기 n형 콘택층과 상기 하부 GaN층 사이에 위치하는 중간층을 더 포함하되,
    상기 중간층은 AlInN층 또는 AlGaN층인 발광 다이오드.
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