KR20130108935A - 질화갈륨계 발광 다이오드 - Google Patents

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KR20130108935A
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Abstract

질화갈륨계 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는, 질화갈륨 기판; 질화갈륨 기판 상에 위치하는 질화갈륨계 제1 반도체층; 제1 반도체층 상부에 위치하는 질화갈륨계 제2 반도체층; 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성층; 및 활성층과 제2 반도체층 사이에 위치하는 질화갈륨계 전자 블록층을 포함한다. 나아가, 제1 반도체층은 5um 내지 15um 범위 내의 두께를 갖고, 상기 전자 블록층은 알루미늄과 인디움을 함유하는 4성분계 질화갈륨계 반도체층이다. 제1 반도체층의 두께를 상대적으로 증가시킴으로써 순방향 전압을 낮출 수 있으며 발광 효율을 개선할 수 있다.

Description

질화갈륨계 발광 다이오드{GALLIUM NITRIDE-BASED LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 질화갈륨계 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히 질화갈륨 기판을 성장기판으로 사용한 질화갈륨계 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 그것을 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 높다. 사파이어 기판 상에 성장된 에피층은 일반적으로 1E8/㎠ 이상의 전위밀도를 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 높은 전위밀도를 갖는 에피층으로는 발광 다이오드의 발광 효율을 개선하는데 한계가 있다. 나아가, 고전류에서 발광 다이오드를 동작시킬 경우, 전위를 통해 전류가 집중되기 때문에 저전류에서 동작하는 경우에 비해, 발광 효율이 더욱 감소된다.
또한, 에피층과 성장 기판과의 격자 부정합 및 열팽창 계수 차이는 사파이어 기판 상에 성장되는 에피층의 두께를 제한한다. 에피층을 두껍게 형성할 경우, 에피층에 크랙이 발생되기 쉽다. 이에 따라, 상기 사파이어 기판 상에 성장되는 n형 콘택층의 두께는 일반적으로 1~2um의 범위 내에 있다. n형 콘택층의 두께 제한은 발광 다이오드의 저항을 증가시키고 이에 따라 순방향 전압을 증가시킨다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 개선된 발광 효율을 갖는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 고전류 하에서 구동할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 순방향 전압을 낮출 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는, 질화갈륨 기판; 상기 질화갈륨 기판 상에 위치하는 질화갈륨계 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상부에 위치하는 질화갈륨계 제2 반도체층; 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성층; 및 상기 활성층과 상기 제2 반도체층 사이에 위치하는 질화갈륨계 전자 블록층을 포함한다. 나아가, 상기 제1 반도체층은 5um 내지 15um 범위 내의 두께를 갖고, 상기 전자 블록층은 알루미늄과 인디움을 함유하는 4성분계 질화갈륨계 반도체층이다.
상기 제1 반도체층을 상대적으로 두껍게 형성함으로써 발광 다이오드의 저항을 감소시킬 수 있어 순방향 전압을 낮출 수 있다. 나아가, 상기 전자 블록층을 4성분계 질화갈륨계 반도체층으로 형성함으로써 상기 제1 반도체층의 두께를 더 두껍게 형성할 수 있다.
여기서, 상기 제1 반도체층은 단일의 GaN층으로 형성된다. 상기 제1 반도체층은 n형 콘택층일 수 있다.
상기 발광 다이오드는, 상기 제1 반도체층에 콘택하는 제1 전극, 및 상기 제2 반도체층에 전기적으로 접속된 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 제1 반도체층과 상기 활성층 사이에 위치하는 다층 구조의 초격자층을 더 포함할 수 있다. 나아가, 상기 초격자층은 InGaN층, AlGaN층 및 GaN층을 복수 주기로 반복 적층한 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 다층 구조의 초격자층은 각 주기 내에서 InGaN층과 AlGaN층 사이에 GaN층을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 활성층은 장벽층과 우물층을 포함하고, 상기 우물층은 InGaN으로 형성된다. 또한, 상기 활성층 내의 장벽층들은 GaN으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 질화갈륨 기판을 채택함으로써 그 위에 성장된 반도체층들의 결정질을 개선하여 발광 다이오드의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 제1 반도체층을 두껍게 형성함으로써 반도체층들의 결정질을 더욱 향상시킬 수 있으며, 순방향 전압을 감소시킬 수 있다. 또한, 제1 반도체층과 활성층 사이에 초격자층을 배치함으로써 활성층 내에서 생성될 수 있는 결정 결함을 방지할 수 있다.
더욱이, 에피층 내에 형성되는 전위 밀도를 낮추어 고전류 하에서 구동할 수 있는 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초격자층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 도 4의 활성층을 설명하기 위한 에너지 밴드를 나타낸다.
도 6은 질화갈륨 기판 상에 성장되는 에피층들에 의해 발생되는 스트레스 변화를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7은 질화갈륨 기판 사용에 따른 광 출력 증가를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 제1 반도체층의 두께에 따른 광 출력 증가를 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), 제1 반도체층(13), 활성층(30), 전자 블록층(41) 및 제2 반도체층(43)을 포함한다. 나아가, 상기 발광 다이오드는, 초격자층(20), 투명 전극층(45), 제1 전극(47) 및 제2 전극(49)을 포함할 수 있다.
상기 질화갈륨 기판(11)은 c면 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)은 약 100um 내지 450um의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 반도체층(13)은 Si이 도핑된 GaN으로 형성된다. 상기 제1 반도체층(13)은 질화갈륨 기판(11) 상에서 직접 성장될 수 있다. 도시한 바와 같이, 상기 제1 반도체층(13) 상에 제1 전극(47)이 오믹 콘택할 수 있다.
상기 제1 반도체층(13)은 5um 내지 15um의 두께를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 반도체층(13)은 7um 내지 10um의 두께를 가질 수 있다. 여기서, 상기 제1 반도체층(13)의 두께는 단일 GaN층의 두께를 의미한다. 즉, 동일한 조성으로 연속적으로 성장된 반도체층(13)이 5um 이상의 두께를 갖는 것이다. 종래, 사파이어 기판 상에 반도체층을 성장하는 경우, 기판과 반도체층 사이의 격자 부정합에 기인하여, 질화갈륨계 반도체층을 2um 이상 성장하기 어렵다. 이에 반해, 본 실시예에 있어서, 상기 기판(11)이 질화갈륨 기판이기 때문에, 그 위에 2um 이상의 단일 반도체층을 성장시킬 수 있다.
한편, 상기 제1 반도체층(13) 상에 다층 구조의 초격자층(20)이 위치한다. 상기 초격자층(20)은 제1 반도체층(13)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 2에 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 제1 반도체층(13) 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, InGaN층(21)과의 격자부정합을 감소시키기 위해 AlGaN층(22) 대신에 AlInGaN층이 사용될 수도 있다. 또는, 상기 InGaN층(21)과 AlGaN층(22) 사이에 도 3에 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 4에 잘 도시된 바와 같이, 장벽층(31a, 31b) 및 우물층(33n, 33, 33p)이 교대로 적층된 구조를 갖는다. 여기서, 33n은, 초격자층(20) 또는 제1 반도체층(13)에 가장 가까운 우물층(제1 우물층)을 나타내고, 33p는 전자 블록층(41) 또는 p형 콘택층(23)에 가장 가까운 우물층(제n 우물층)은 나타낸다. 한편, 도 5는 상기 활성층(30)의 에너지 밴드를 나타낸다.
도 4 및 도 5를 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. 일반적으로 5개의 우물층들(33n, 33, 33p)이 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니며, 더 많은 수의 우물층들이 사용될 수 있다. 우물층들을 많이 형성할수록 전류 밀도 증가에 따라 발생되는 효율 감소, 즉 드룹(droop) 현상을 완화할 수 있다.
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 제2 반도체층(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 전자 블록층(41)은 활성층(30) 상에 위치하며, AlInGaN으로 형성된다. 상기 전자 블록층(41)은 전자가 제2 반도체층(43)으로 이동하는 것을 차단하여 발광 효율을 개선한다. 상기 전자 블록층(41)의 두께는 활성층(30) 내 우물층들의 두께의 합과 동일하거나 그보다 작게 형성될 수 있다.
종래 전자 블록층(41)은 일반적으로 AlGaN으로 형성되어 왔다. 그러나, AlGaN은 InGaN과 격자 상수 차이가 크기 때문에 활성층(30)에 더 많은 압축 스트레스를 인가한다. 또한, 제1 반도체층(13)의 두께가 증가함에 따라 활성층(30)에 추가의 압축 스트레스가 발생되며, 전자 블록층(41)에 의한 압축 스트레스가 더해진다.
본 실시예에 따르면, 상기 전자블록층(41)을 AlInGaN으로 형성함으로써 AlGaN에 비해 활성층(30)에 인가되는 압축 스트레스를 완화할 수 있다. 이에 따라, AlInGan 전자 블록층(41)을 채택함으로써, 종래 AlGaN을 사용하는 경우에 비해 제1 반도체층(13)의 두께를 더 증가시킬 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 제2 반도체층(43)은 Mg을 도핑한 GaN로 형성될 수 있다. 제2 반도체층(43)은 전자 블록층(41) 상에 위치한다. 한편, 제2 반도체층(43) 상에 ITO나 ZnO와 같은 투명 도전층(45)이 형성되어 제2 반도체층(43)에 오믹 콘택할 수 있다. 제2 전극(49)이 제2 반도체층(43)에 전기적으로 접속된다. 제2 전극(49)은 투명 도전층(45)을 통해 제2 반도체층(43)에 접속될 수 있다.
한편, 제2 반도체층(43), 전자 블록층(41), 활성층(30) 및 초격자층(20)의 일부를 식각 공정으로 제거하여 제1 반도체층(13)이 노출될 수 있다. 제1 전극(47)은 상기 노출된 제1 반도체층(13) 상에 형성된다.
본 실시예에 있어서, 상기 질화갈륨 기판(11) 상에 성장되는 에피층들(13 ~ 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.
도 6은 질화갈륨 기판 상에 성장되는 에피층들에 의해 발생되는 스트레스 변화를 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다. 여기서, 도 6(a)는 질화갈륨 기판(11)의 초기 상태를 설명하기 위한 단면도이고, 도 6(b)는 질화갈륨 기판(11) 상에 제1 반도체층(13)으로서 GaN층 성장 후의 상태를 설명하기 위한 단면도이고, 도 6(c)는 제1 반도체층(13) 상에 초격자층(20) 및 활성층(30) 성장 후의 상태를 설명하기 위한 단면도이고, 도 6(d)는 전자 블록층(41) 성장 후의 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6(a)에 도시되듯이, 질화갈륨 기판(11)은 단일 층으로서 외부에서 인가되는 스트레스가 없다. 따라서, 질화갈륨 기판(11)은 기판 휨이 없는 것으로 도시하였다.
도 6(b)에 도시되듯이, 상기 질화갈륨 기판(11) 상에 제1 반도체층(13)으로서 n형 GaN층이 성장될 경우, 동일한 GaN층으로 형성되어 있지만 상기 n형 GaN층은 n형 불순물 도핑 및 결정 결함 등에 기인하여 상기 질화갈륨 기판(11)에 의해 인장 스트레스를 받는다. 따라서, 상기 n형 GaN층(13)은 인장 스트레인이 발생된다.
도 6(c)에 도시되듯이, 초격자층(20) 및 활성층(30)은 GaN층(13)에 비해 상대적으로 큰 격자 상수를 갖기 때문에 상기 GaN층(13)에 의해 압축 스트레스를 받는다. 특히, 상기 초격자층(20) 및 활성층(30)은 InGaN을 포함하기 때문에 상기 GaN층(13) 및 질화갈륨 기판(11)에 비해 상대적으로 큰 격자 상수를 가지려는 경향을 갖는다. 이에 따라, 질화갈륨 기판(11) 및 GaN층(13)에 의해 활성층(30)에 더 큰 압축 스트레스가 인가된다.
도 6(d)에 도시되듯이, 전자 블록층(41)은 일반적으로 Al을 함유하며, 따라서 GaN층(13)에 비해 더 작은 격자 상수를 갖는다. 따라서, 상기 전자 블록층(41)은 활성층(30)에 압축 스트레스를 인가한다.
즉, 상기 활성층(30)에는 기판(11), 제1 반도체층(13) 및 전자 블록층(41)에 의해 압축 스트레스가 인가되어 압축 스트레인이 발생된다. 더욱이, 제1 반도체층(13) 두께를 증가시킴에 따라 압축 스트레인은 더욱 증가된다. 이러한 압축 스트레인은 우물층에 인가되는 압전 분극을 더 증가시켜 발광 효율을 감소시킬 수 있다.
따라서, 상기 전자 블록층(41)을 AlGaN보다 격자 상수가 큰 AlInGaN으로 형성함으로써 활성층(30)에 인가되는 압축 스트레스를 완화할 수 있다.
(실험예 1)
도 7은 질화갈륨 기판 사용에 따른 광 출력 증가를 설명하기 위한 그래프이다. 여기서, 본원 발명의 실시예로서, c면 질화갈륨 기판을 성장 기판으로 사용하고 그 위에 차례로 에피층들을 성장시켜 발광 다이오드를 형성하였다. 여기서 초격자층(20)은 InGaN/GaN을 20주기 반복 적층하여 형성하였으며, 우물층은 근자외선을 방출하는 InGaN층으로 형성하였고, 장벽층은 GaN으로 형성하였다. 제1 반도체층(13)은 2um로 하였다. 비교예로서, 사파이어 기판을 성장 기판으로 사용하여 사파이어 기판 상에 근자외선을 방출하는 발광 다이오드를 형성하였다. 여기서는, 성장 기판의 차이에 따른 광 출력 변화를 확인하기 위해 장벽층들 및 우물층들의 두께는 비교예와 실시예에서 서로 동일하게 형성하였다.
도 7을 참조하면, 질화갈륨 기판을 사용한 경우, 사파이어 기판을 사용한 경우에 비해 30% 이상의 광 출력이 증가되는 것을 확인할 수 있다. 성장 기판 차이에 따른 광 출력 변화는 에피층 특히 활성층(30) 내의 전위 밀도 차이에 의해 발생하는 것으로 판단된다.
(실험예 2)
도 8은 제1 반도체층의 두께에 따른 광 출력 증가를 설명하기 위한 그래프이다. 여기서, c면 성장면을 갖는 질화갈륨 기판 상에 제1 반도체층(13)으로서 GaN층을 형성하되, 제1 반도체층의 두께를 2um, 3.5um, 5um 및 10um로 서로 다르게 하여 발광 다이오드를 제작하였다. 그리고, 2um 두께의 제1 반도체층(13)을 갖는 발광 다이오드를 기준으로 상대 광 출력을 도 8에 나타내었다. 초격자층(20), 활성층(30), 전자 블록층(41) 및 제2 반도체층(43)은 모두 동일하게 형성하였다.
도 8을 참조하면, 제1 반도체층(13)의 두께를 증가함에 따라 광 출력이 증가하는 것을 알 수 있다. 특히, 제1 반도체층(13)의 두께가 5um를 초과함에 따라 광 출력이 더욱 증가하는 것을 확인할 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 (9)

  1. 질화갈륨 기판;
    상기 질화갈륨 기판 상에 위치하는 질화갈륨계 제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층 상부에 위치하는 질화갈륨계 제2 반도체층;
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 위치하는 다중양자우물 구조의 활성층; 및
    상기 활성층과 상기 제2 반도체층 사이에 위치하는 질화갈륨계 전자 블록층을 포함하고,
    상기 제1 반도체층은 5um 내지 15um 범위 내의 두께를 갖고,
    상기 전자 블록층은 알루미늄과 인듐을 함유하는 4성분계 질화갈륨계 반도체층인 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 단일의 GaN층인 발광 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반도체층에 콘택하는 제1 전극; 및
    상기 제2 반도체층에 전기적으로 접속된 제2 전극을 더 포함하는 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반도체층과 상기 활성층 사이에 위치하는 다층 구조의 초격자층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 초격자층은 InGaN층, AlGaN층 및 GaN층을 복수 주기로 반복 적층한 구조를 갖는 발광 다이오드.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 다층 구조의 초격자층은 각 주기 내에서 InGaN층과 AlGaN층 사이에 GaN층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성층은 장벽층과 우물층을 포함하고,
    상기 우물층은 InGaN으로 형성된 발광 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 활성층 내의 장벽층들은 AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성된 발광 다이오드.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 전자블록층의 두께는 상기 활성층 내의 우물층들의 두께의 전체 합과 동일하거나 그 보다 더 작은 발광 다이오드.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102016112294A1 (de) * 2016-07-05 2018-01-11 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterschichtenfolge
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3754226B2 (ja) * 1999-03-25 2006-03-08 三洋電機株式会社 半導体発光素子
JP2004072044A (ja) * 2002-08-09 2004-03-04 Sharp Corp ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法
KR100541104B1 (ko) * 2004-02-18 2006-01-11 삼성전기주식회사 질화물계 반도체 발광소자
KR100770441B1 (ko) * 2006-08-21 2007-10-26 삼성전기주식회사 질화물 반도체 발광소자
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